Рамочные антенны.

 Антенна Delta Loop с вертикальной поляризацией.

 Много различных публикаций довелось прочесть на тему антенн Delta Loop(DL), очень широко применяемых, радиолюбителями. Эта антенна относится к семейству рамочных антенн. Но ни в одной из этих публикаций, не были так полно раскрыты все особенности применения этих популярных антенн, как это сделано в книге [Л.1] , автором которой, является John Devoldere , ON4UN. Очень настоятельно рекомендую приобрести эту книгу.

Приведу только основные, базовые моменты из этой книги, в отношении DL. Сразу оговорюсь, что речь будет только о рамках, подвешенных вертикально.

Из всех рамочных антенн, DL считается самой наихудшей по усилению, т.к. занимает наименьшую площадь в пространстве, при заданном периметре. Лидирует в этой группе антенн, круглая петля, затем идет восьми-угольник, шести-угольник, квадрат и в конце списка идет DL. Эта разница не столь значительна, но все же есть. Её называют ,,квадрат бедного радиолюбителя,,. Она очень удобна тем, что требует только одну точку подвеса, Рис.1.

                                                        

                                                                                                      Рис.1

Максимум усиления Loop получается при отношении

 

А/В= lg(100 F)

 Где F - рабочая частота(МГц)

 Например, для диапазона 7Мгц ~2.9, а для 3.5 Мгц ~ 2.6

 

В пределе, когда высота треугольника стремится к нулю, DL становится полуволновой передающей линией(полуволновый повторитель), закороченной на конце и следовательно , имеющей нулевой входной импеданс, а значит и нулевое излучение.

Также, как и квадрат, DL может излучать как горизонтальную, так и вертикальную поляризацию. Рассмотрим вертикальную поляризацию, Рис.2.

                              

                     Рис.2

 

Точка питания DL -точки В и С, причем, растояние CD =0.25 лямбды, центральная жила кабеля, подключена к точке C, а оплетка кабеля - к точке В. В этом случае мы получаем два наклонных четверть-волновых вертикала CD и ED соединенных своими вершинами в точке D. Нижняя сторона BAHGF питает второй вертикал ED в нужной фазе. Первый вертикал CD, имеет свой собственный встроеннный радиал BAH , второй вертикал ED, имеет свой-FGH. Распределение тока в нижней стороне таково, что они взаимно уничтожаются, т.к.протекают встречно. Излучения сторон CD и ED скдадываются, т.к. стороны питаются в фазе. Таким образом дельта становится адекватной двум вертикалам, запитываемым в фазе и разнесенных на 0.25-0.3 лямбды. Такая система имет увеличенный коэффициент усиления, по сравнению с одиночным вертикалом, к тому же, не нуждается в системе противовесов, как одиночный вертикал. Почему же вершины , соединенные вместе не оказывают влияния на работу этих двух вертикалов? Причина в том , что ток минимален в точке D, а мы знаем, что на излучение влияет ТОЛЬКО ток в антенне. По этой причине, мы можем разомкнуть антенну в точке D. На работе DL это никак не отразится. Но в этом случае, DL становится однодиапазонной.

На работу всех вертикальных антенн, в радиусе нескольких лямбд, будет оказывать очень большое влияние - качество земли. От него зависит коэффициент отражения от земли, а следовательно и интенсивность излучения на низких углах. Дельты с вертикальной поляризацией, не критичны к высоте подвеса, как и все вертикалы. На 3.5 Мгц, например, достаточно высоты нижней стороны от земли всего 3 метра, а верхней точки 21м. Если мы запитаем дельту в точках A или G , то этом случае, горизонтальные токи в нижней стороне не будут полностью компенсироваться, поэтому в диаграмме появится значительная часть горизонтальной поляризации с углами , близкими к зениту, т.е. совершенно бесполезными при работе на дальние дистанции. Сразу же можно сделать очень важное заключение о влиянии качества земли на работу вертикалов и горизонталов:

 

В СЛУЧАЕ ПЛОХОГО КАЧЕСТВА ЗЕМЛИ ВЕРТИКАЛЫ ТЕРЯЮТ ТОЛЬКО ИНТЕНСИВНОСТЬ ЛЕПЕСТКА, УСИЛЕНИЕ, СОХРАНЯЯ УГОЛ ИЗЛУЧЕНИЯ почти НЕИЗМЕННЫМ. ДЛЯ ГОРИЗОНТАЛОВ, ЭТО ЖЕ, ПРИВОДИТ К УВЕЛИЧЕНИЮ УГЛА ИЗЛУЧЕНИЯ, ВПЛОТЬ ДО ЗЕНИТА.

 Это фундаментальное заключение, означающее, что даже при плохой земле, на антенны с вертикальной поляризацией, можно проводить дальние связи, т.к. угол излучения остается низким и только незначительно падает усиление.

То же, но в случае с антеннами, имеющими горизонтальную поляризацию, приводит к тому, что антенна становится неэффективной при дальних связях, т.к. угол излучения становится слишком высоким.

Все рамочные антенны слабо чувствительны к окружающим предметам.

Давайте взглянем на диаграммы, расчитанные на EZNEC-3.

Для моделирования, я использовал DL на диапазон 7 Мгц, подвешенную вертикально, над землей среднего качества.

На Рис.3, дана диаграмма DL, для вертикальной поляризации и горизонтальной, при высоте нижней стороны над землей- 1.7 метра.

                                                      

                                                                                                                  Рис.3

Преимущество DL с вертикальной поляризацией, очевидно. Разница в усилении DL с вертикальной поляризацией 5,2db, правда угол излучения в этом случае далек от зенитного.

На Рис.4, то же самое, только, высота нижней стороны над землей - 10 метров. Разница в углах излучения 42 и 15, весьма существенная. Разница в углах сократилась, так же, как и в усилении.

                                                     

                            Рис.4

 

На Рис.5, высота нижней стороны- 15 метров. Диаграмма DL с вертикальной поляризацией- раздваивается на два угла: 13 и 55 градусов. Разница в усилении, достигает 5 db.

                                                    

 

                                                                                                                  Рис.5

На Рис.6, высота подвеса нижней стороны- 20 метров или поллямбды для 7 МГц.

                                                            

                                                                                                                 Рис.6

Разница диаграмм еще более существенна. Преимущество DL с горизонтальной поляризацией- налицо, но это преимущество, достигнуто ценой высоты установки высоты нижней стороны - 20 метров. На высоте поллямбды, практически все антенны с горизонтальной поляризацией превосходят вертикально излучающие антенны в усилении на 6 дб, или один балл на прием, и 4-х кратное увеличение по мощности на передачу.

Все эти расчетные графики, очень наглядно показывают преимущество DL с вертикальной поляризацией при малых высотах подвеса над землей, т.е. при высотах менее 0.5 лямбды. По ним можно легко выбрать вариант запитки DL, в зависимости от высоты подвеса нижней стороны.

На Рис.7, дан график импеданса DL, при питании ее кабелем 50 Ом. Мы видим, что весьма проблематично, будет перекрытие всего диапазона 3.5 МГц.

                                                    

                                                                                                                  Рис.7

Для решения этой проблемы, можно рекомендовать, запитать DL, линией 400 Ом или увеличить диаметр провода полотна до 4-5 мм. На Рис.8, показан тот же график импеданса, но при питании линией 400 Ом. Мы видим существенно меньшую неравномерность импеданса, в полосе частот.

 

                                                        

                                                                                                                  Рис.8

 

Резонансная длина дельты от 1.04 до 1.06 длины волны. Или, если по формуле

 

L(m)=299.8/F(MHz)

 

Из своего личного опыта эксплуатации этих антенн, могу сказать, что если вы настроили в резонанс антенну для горизонтальной поляризации, то при переходе на вертикальную, т.е. при замене положения точки питания, импеданс довольно сильно изменяется, что приходится учитывать , при согласовании.

На Рис.9 показан график зависимости активной и реактивной составляющей импеданса в зависимости от высоты нижней стороны над землей для DL с горизонтальной поляризацией и диапазона 3,5 МГц.

                                                                    

                                                                                                          Рис.9

 

На Рис.10 тот же график, но для DL с вертикальной поляризацией.

                                                 

                                                                                                                    Рис.10

 

На Рис.11 приведен график зависимости усиления и угла излучения в зависимости от высоты нижней стороны для DL с горизонтальной поляризацией.

                            

                              Рис.11

 

На Рис.12 тотже график, но для DL с вертикальной поляризацией. Даже при высоте подвеса нижней стороны, всего 2 метра, угол излучения будет 22 градуса, вместо 90 градусов, как у DL, с горизонтальной поляризацией. Комментарии, как говорится в этих случаях - излишни.

                             

                                                                                                                       Рис.12

 

 

Графики составлены, для вертикального расположения DL, и частоты 3.5 Мгц. Эти графики, можно принимать только как приблизительные, т.к. в конкретной ситуации, каждая антенна ведет себя индивидуально, и импеданс может отличаться от графического значения. По этим графикам можно проследить общую тенденцию изменения импеданса DL. Анализ графиков проводился при помощи программы EZNEC-3.

 

Из личного опыта эксплуатации DL c вертикальной и горизонтальной поляризациями.

Измерения проводились зимой в диапазоне 7 МГц, т.к.зимой - более стабильное прохождение на этом диапазоне.

С горизонтальной поляризацией, DL начинала работать на Восточную Европу только начиная с 22-22.30 по Торонтскому времени. При переходе на вертикальную поляризацию, то же самое DL делала с 19.30-20 ч. Это можно обьяснить только одним: с вертикальной поляризацией - ниже угол излучения. Проверялось это многократно, поэтому ошибка маловероятна. В сравнении с вертикалом R8 Cushcraft , DL давала выигрыш до 1.5-2 баллов, в момент, когда прохождение только начиналось, т.е. в 19 часов, а в ночное время, с 23ч. до утра, т.е. при установившемся прохождении, обе антенны работали одинаково хорошо.

Только за период с октября 2000 года и по апрель 2001 г., я сработал на DL, с вертик. поляр. , на диап.7 Мгц., 157 стран и 40 зон при 100 Ваттах мощности, хотя я не охотник за DX.

Поскольку DL - симметричная антенна, то питать ее лучше симметричной линией. Поскольку, как отмечалось ранее, коаксиальный кабель - асимметричен, можно для этого применить ферритовые бочонки, с внутренним диаметром, чуть больше диаметра кабеля. Их надо нанизать на кабель, по длинне примерно 30 см , и в точке, отстоящей от точки питания антенны на 1-1.5 м. Можно использовать любую другую схему симметрирования кабеля.

Все вышесказанное говорит о том , что в случае недостаточной высоты установки DL, надо применять антенны с вертикальной поляризацией, ввиду их явных преимуществ. Если же условия позволяют установить DL на высоте 0.5 лямбды, то в этом случае, лучше применить горизонтальную поляризацию антенны.

Как же подвесить DL, вертикально, горизонтально или наклонно? Ответ - лучше всего вертикально, но если нет такой возможности, то можно расположить DL наклонно под углом 35-45 градусов. Располагать DL горизонтально нет никакого смысла, т.к в этом случае DL будет излучать исключительно в зенит, независимо от поляризации. Это будет происходить вплоть до высоты подвеса 0.5 лямбды, на которой диаграмма раздвоится на два лепестка с углом излучения 37 градусов. Это слишком большой угол для проведения дальних связей.

 

Квадратные рамки.

 

Квадратные рамки, являются разновидностью треугольных рамок DL,

работа которых была уже рассмотрена.

Давайте поближе познакомимся с работой квадратных рамок. На Рис.13 показана квадратная рамка с вертикальной поляризацией.

                                            

                                                                                                              Рис.13

 Мы видим, что рамка состоит из двух, вертикальных, параллельно соединенных полуволновых диполей с загнутыми концами, разнесенными на 0.25 лямбды: IJABCD и IHGFED.

Токи в горизонтальных сторонах рамки, взаимно уничтожаются, т.к. направлены в противоположные стороны. Токи ввертикальных сторонах рамки суммируются, т.к. они синфазны, т.е идут в одном направлении. В результате этого, рамка будет излучать вертикальную поляризацию. Для получения хороших результатов работы, рамки с вертикальной поляризацией, также, как и все вертикалы, требуют хорошую землю. Земля плохого качества, до 1.5dbi, снижает коэффициент усиления рамки.

На Рис.14, изображена рамка, для диапазона 3.6 МГц, у которой нижняя сторона, расположена на высоте 3 метра от земли.

                                                            

                                                                                                          Рис.14

 

На Рис.15, даны диаграммы излучения рамок с вертикальной и горизонтальной поляризацией, для хорошего качества земли. Диаграммы серьезно отличаются.

                  

                           Рис.15

 Горизонтальная поляризация излучается в зенит, что делает рамку малопригодной для дальних связей, в то время, как вертикальная поляризация, излучается под углом 22 градуса, что значительно лучше для DX связей.

На Рис.16 и Рис.17, показаны графики импеданса рамок, для вертикальной и горизонтальной поляризаций, для диапазона 3.6 МГц.

                                                   

                                                                                                                         Рис.16

 

                     

                                                                                                          Рис.17

Заметно меньшая неравномерность импеданса в полосе частот, имеет рамка с вертикальной поляризацией. Рамка с горизонтальной поляризацией, имеет довольно острый резонанс, и узкую полосу пропускания.

На Рис.18, показан график импеданса в функции от высоты нижней стороны рамки, над землей, для рамок с вертикальной поляризацией,

                  

                                                                                                               Рис.18

а на Рис.19, то же, но для рамок с горизонтальной поляризацией.

                       

                                                                                                                     Рис.19

 Эти графики дают возможность проследить тенденцию изменения импеданса рамок, в функции от высоты нижней стороны над землей. Характерно, что импеданс одиночной рамки, не опускается ниже 100 - 110 Ом, при любой высоте подвеса.

Рамки не подвержены влиянию действия атмосферного электричества, они не накапливают статику, а значит безопасны для входных цепей приемной части трансивера. В отличие от рамок, дипольные антенны, вертикалы, могут накапливать значительный статический заряд, который может вывести из строя входные цепи приемной части, КСВ-метры и другие приборы, включенные в фидер питания антенны.

 

 

Азимутальные диаграммы рамок с горизонтальной и вертикальной поляризацией.

 

Мы уже знакомы с диаграммами излучения рамок в вертикальной плоскости. Углы излучения именно в этой плоскости, в основном, определяют эффективность работы антенн.

Существует еще и азимутальная диаграмма антенны, по которой можно определить, как антенна будет принимать или передавать сигналы, приходящие с различных азимутальных направлений. Эта диаграмма особенно важна для направленных антенн.

Давайте сравним азимутальные диаграммы двух рамок с различной поляризацией, установленных на одинаковой высоте 0,04 лямбды(высота нижней стороны от земли), для среднего качества земли, для угла излучения - 22 градусов.

На Рис.20, представлены азимутальные диаграммы для горизонтальной и вертикальной поляризаций рамок.

                           

                              Рис.20

 

Мы видим, что рамка с горизонтальной поляризацией, имеет отношение вперед/вбок около 6.5dbi. Это означает, что сигналы, приходящие сбоку, будут приниматься на 1 балл слабее, чем с главного направления. Такая рамка обладает определенными направленными свойствами, поэтому усиление такой рамки будет 2.56 dbi, на угле 22 градуса. Сигналы и эфирные шумы подавлены сбоку на 6,5dbi.

Диаграмма рамки с вертикальной поляризацией, отличается от предыдущей тем, что имеет меньшее отношение вперед/вбок, 3 dbi. Сигналы, приходящие сбоку, будут слабее на 0.5 балла, чем сигнал, пришедший с главного направления. Вполне закономерно, что усиление такой рамки с главного направления, будет меньше усиления рамки с горизонтальной поляризацией. Рамка с вертикальной проляризацией, имеет более равномерную диаграмму, ценой уменьшения общего усиления. Также можно утверждать, что такая рамка будет больше ,,шуметь,, на прием, т.к. принимает сигналы более равномерно, а вместе с этим и эфирный шум. Эти шумы будут больше примерно на:

6,5 dbi - 3 dbi = 3,5 dbi

или немногим больше 0,5 балла.

 

 

Прямоугольная рамочная антенна с вертикальной поляризацией.

 

Прямоугольные рамки с вертикальной поляризацией обладают повышенным подавлением бокового излучения, а в вертикальной плоскости, они излучают как все рамки с вертикальной поляризацией. Эти рамки имют преимущество рамок с горизонтальной поляризацией для азимутальной диаграммы, и преимущество рамок с вертикальной поляризацией для вертикальной диаграммы излучения.

На Рис.21, изображена прямоугольная рамочная антенна для диапазона 160 метров, у которой нижняя сторона расположенна на высоте 3 метра от земли.

                   

                                 Рис.21

 Антенна выполнена из провода 2 мм, и запитывается сбоку вертикальной стороны. Импеданс антенны примерно равен

 

Z=86-j11 Ом

 

И может быть запитана кабелем 75 Ом, любой длины.

На этом же рисунке, показана диаграмма излучения в вертикальной плоскости. Мы видим, что рамка излучает под углом 22 градуса, и имеет усиление 3.45 dbi. Боковое излучение рамки подавлено на 6 dbi, или на 1 балл.

На Рис.22, показана азимутальная диаграмма рамки, для угла излучения 22 градуса. Очень хорошо заметно, насколько боковое излучение, меньше главного.

                                

 

                                                                                                                    Рис.22

На Рис.23, график импеданса рамки, из которого видно, на резонансной частоте, рамка имеет импеданс примерно 86,26 - j 10.91 Ом. КСВ будет, в случае питания кабелем 75 Ом - 1,21.

                     

                                Рис.23

 

Эта рамка может быть легко пересчитана на другие диапазоны, путем деления длины рамки на отношение частот диапазонов.

Например, мы желаем изготовить рамку на диапазон 7,05 Мгц.Разделив частоту 7,05 на 1,85, получим 3,81

Это и есть коэффициент, на который надо разделить длины сторон рамки, чтобы получить нужные размеры рамки для диапазона 7.05 Мгц.

Высота нижней стороны рамки над землей, уменьшится также в 3.81 раза.

 

Л1. John Devoldere Low band DXing.