Фазированная антенная решетка на диапазоны 14 -21 -28 МГц .

На этой странице мне хотелось бы рассмотреть антенну, которая по своим параметрам превосходит вращающиеся направленные антенны такие как например Яги, квадраты и т.д. Мне не приходилось встречать описания трехдиапазонных ФАР, поэтому я решил осветить этот вопрос.  Самое ценное в этом проекте фазированной антенной решетки(ФАР) это то, что направленная ДН этой антенны может переключаться практически мгновенно. Этот фактор является основным преимуществом ФАР. Особенно это актуально для контестменов.   Подобные системы выпускает фирма Array Solutions http://www.arraysolutions.com/Products/foursquare.htm.  

и фирма Comtek  http://www.comteksystems.com/   но все они однодиапазонные. Кстати продукция второй фирмы в два раза дешевле и обладает значительным преимуществом в том, что широкополосность систем получается значительно шире, т.к. она использует гибридные каплеры. 

Сколько тратиться времени на поворот ну скажем на 180 градусов такой популярной антенны как двойной квадрат на 14 МГц при помощи поворотного устройства?  Ну, допустим, на это уходит 15 сек. А теперь нетрудно посчитать, сколько уйдет времени на такие развороты если в контесте за 48 часов вы проводите 3000-5000 связей. Получится время, измеряемое часами. Учитывая высокий темп связей вы теряете очень много очков. Ведь вас не будут ждать, пока вы разворачиваете свою антенну, корреспондент просто уйдет, ему некогда ждать. А это потерянные очки и настроение.

Второй аспект. Электромеханический привод с его шестеренками, червячными передачами не очень надежная и долговечная система. На привод воздействуют механические нагрузки в момент включения двигателя, в момент остановки, ветровые нагрузки раскачивают антенну, постепенно разбивая механическую передачу, климатические условия тоже не увеличивают срок службы поворотного устройства. В ФАР тоже присутствуют электромеханические устройства – реле для электрического вращения ДН. Но на реле не воздействуют никакие внешние механические нагрузки, поэтому реле намного надежнее и долговечнее поворотных устройств.

Третий аспект. Общеизвестно, что активные антенные системы, и в частности ФАР имеют возможность достижения лучших параметров, нежели системы с пассивным питанием рефлекторов или директоров. Поэтому с ФАР и с этой точки предпочтительнее в использовании.

Четвертый аспект. Такую ФАР можно подстраивать на местности или крыше, изменяя емкости фазовращателей. Это удобно и намного быстрее других методов настройки. 

Вот, пожалуй, четыре основных аспекта, которые привлекают внимание к этому типу антенн. Думается, что легендарный советский контестмен Г. Румянцев(UA1DZ) не случайно выбрал для себя именно эту антенну. Он победил более чем в 100 крупных международных контестах, используя 8 элементную ФАР.

Именно поэтому эту ФАР можно рекомендовать контест станциям да и просто радиолюбителям. 

В данной статье я собираюсь предложить практическую конструкцию 4 элементной ФАР на 3 диапазона – 14-21-28 МГц, с электрически вращаемой ДН. Антенна вполне доступна для повторения радиолюбителями и может быть установлена как на крыше так и на местности. Она не требует дополнительно системы радиалов, что очень удобно при установке на крыше или при недостатке места на земле. Методика расчета фазовращателей была мной описана на сайте http://www.qsl.net/ve3xax/new_page_68.htm   поэтому я не буду приводить всех выкладок текущего расчета иначе получится слишком громоздкое описание.

Ввиду того, что описываемая ФАР – трехдиапазонная, я последовательно представлю фазовращатели для ФАР, начиная с 14 МГц.

Итак, что представляет собой ФАР c чисто с конструктивной точки зрения? Это 4 широкодиапазонных вертикала конструкции UA1DZ, установленные на крыше здания или земле. Описание этой конструкции было неоднократно описано, например http://cityradio.narod.ru/cb/antennes/vert_izl.html  или  http://rf.atnn.ru/s1/sh-v-a.htm поэтому допольнительные разъяснения здесь излишни. Можно лишь добавить, что по некоторым данным, кабель питания антенны следует пропустить внутри нижней трубы и вывести его в точке питания антенны.  Расстояние от центра до каждого вертикала 2.65 м, поэтому ФАР занимает не много места, круг радиусом 2,65 и  изображена на Рис.1. В середине излучателя кружком обозначена точка питания антенны.

                                           Расчет фазовращателей ФАР для диапазона 14 МГц.  

Диаграмма ФАР для диапазона 14 МГц и среднего качества земли показана на рисунках 2 и 3.

                                                                         Рис.2

                                                                                  Рис.3

Усиление 7,76 dbi  и подавление до 28 db. Такая ДН получается при фазовых углах  в элементах ФАР:

1 эл  минус 110 град.

2 эл  плюс 110 град

3 и 4 эл      0 град.

Для этих данных потребуются 2 фазовращателя. На Рис.4 представлена схема фазовращателей для диапазона 14 МГц. Она уже согласована под входной кабель 50 Ом.

                                                                    Рис.4

                                     Расчет фазовращателей ФАР для диапазона 21 МГц.

Сразу оговорюсь, что на 21 МГц диаграмма ФАР будет заметно хуже. Это объясняется тем, что высота излучателей ФАР для 21 МГц уже представляет более чем  5/8 лямбда и наблюдается перераспределение излучения под более высокими углом. Это выражается в худшем подавлении заднего лепестка излучения. Полученные ДН показаны на Рис. 5 и 6. 

                                                                                          Рис.5

.

                                                                                        Рис.6

Такая ДН получается при фазовых углах  в элементах ФАР:

1 эл  минус 30 град.

2 эл  плюс 80 град

3 и 4 эл      0 град.

Для диапазона 21 Мгц потребуется также 2 фазовращателя. На Рис.7 представлена схема фазовращателей для диапазона 21 МГц. Она уже согласована под входной кабель 50 Ом.

                                                                    Рис.7

На этой схеме для диапазона 21 МГц, следует обратить внимание на то, что ввиду низкого 5,8 Ом общего импеданса в обшей точке соединения фазовращателей, следует катушку СУ на входе  устройства  0,1 мкГ изготовить максимально возможной добротности.  От этого зависят потери на передачу. К примеру при добротности 200, потери будут 1,4%. 

                                       Расчет фазовращателей ФАР для диапазона 28 МГц.

На диапазоне 28 МГц диаграмма у ФАР будет наихудшей. Дело в том, что для этих частот высота излучателя слишком велика, около 1 лямбда, поэтому очень сильно выражен лепесток под большим углом излучения. Но с этим придется смириться.

                                                                                            Рис.8

                                                                           Рис.9

Такая ДН получается при фазовых углах  в элементах ФАР:

1 эл  минус 95 град.

2 эл  плюс 60 град

3 и 4 эл      0 град.

На этом наш расчет фазовращателей для 3-х диапазонов закончен.

                                              Система вращения диаграммы  ФАР.  

Мы с вами уже имеем все нужные фазовращатели на три диапазона. Теперь нам нужна система их коммутации и система вращения диаграммой ФАР. Один из возможных вариантов такой системы может быть схема, представленная на рис.11.

                                                              Рис.11

На этой схеме реле с К4 по К9 должны переключаться со сменой рабочего диапазона.  Реле К4 - К6 - реле с 4 парами контактов, из которых используются только 3 пары. Реле К7 - К9 имеют по одной паре. Реле К1 - К3 - реле вращения ДН и они имеют по 2 пары контактов. На рисунке реле К1 - К3 обесточены и ФАР имеет максимум излучения в направлении С(в середине схемы условно изображено расположение элементов ФАР на местности). 

На рисунке также дана таблица истинности, которая помогает правильно запитать реле. Ноль означает, что реле обесточено, а 1 - включено.

Нумерация элементов указана  в середине  на рис.11  Реле лучше применять герметизированные с мощными контактами. Длины проводников к реле должны быть минимальны. Требования к электрической прочности элементов зависят от рабочей мощности.  

От реле К1 и К2 отходят 4 провода, их которых каждый идет к своему элементу ФАР через свою систему 1/4 волновых отрезков кабелей. Мы уже знаем, как важно иметь в нашей системе 1/4 волновые отрезки кабеля для каждого их трех диапазонов. Без этих отрезков ФАР не будет работать абсолютно. Следовательно нам необходимо создать 3-х диапазонную систему 1/4 волновых отрезков кабелей. Переменная электрическая длина достигается переключением нужного отрезка кабеля для данного диапазона. Схема 1/4 волновых отрезков кабелей с переменной длиной показана на рис.12

Таких систем, изображенных на рис.12 должно быть 4, по количеству элементов ФАР. Каждый из входов подключается к выходам релеК1 и К2 на рис.11. Длины кабелей надо уравнять, сворачивая длинные отрезки в небольшие бухты и все отрезки должны быть из кабеля 50 Ом или 75. Это не играет решающего значения, так как просто изменит напряжения на выходах 1/4 волновых отрезков кабелей. Реле с К10 по К15 должны включаться подиапазонно. Физически эти реле расположены распределенно, поэтому и управление ими будет дистанционное.Лучше всего все отрезки кабелей(12 шт) и реле(24 шт)закопать в землю, предварительно загерметизировав их. К каждому элементу ФАР пойдет радиально своя  система отрезков кабелей.

Справа на рис.12 изображен кабель питания широкодиапазонного вертикала. Его длина выбрана 14 метров, т.к. на всех диапазонах он будет представлять из себя определенное количество полуволновых повторителей, поэтому никаких изменений этот кабель в систему не внесет. Он должен быть пропущен в нижней трубе, высотой 6 метров, еще 6 метров наматываются в виде катушки и оставшийся 2 метра кабеля спускаются к земле, поскольку высота установки вертикалов 1 метр и еще один метр идет к концу системы 1/4 волновых кабелей, т.к. длина самого короткого кабеля 1,75 м а расстояние до центра, где установлены фазовращатели равно 2,65 м.Его волновое сопротивление лучше выбрать 100 Ом, но если такой кабель невозможно установить, то можно использовать и 75 Ом. В этом случае будет повышенный КСВ, примерно 1,5. Итого, всего реле потребуется на эту систему 24 шт. А всего на всю ФАР потребуется 33 реле.

                                                         Некоторые рекомендации.

Фазовращатели лучше расположить в раздельных коробках, чтобы иметь возможность доработки или раздельного ремонта и в центре ФАР на земле. Все катушки надо выполнять высокодобротными а все конденсаторы должны иметь малые потери и достаточную электропрочность.

Одним из преимуществ такой системы питания ФАР является то, что фазовые углы можно подстраивать, изменяя емкости фазовращателей. На диапазоне 14 Мгц можно изменять фазу на +/- 10 градусов, изменяя емкости на 50-60 пф. На диапазоне 28 Мгц достаточно изменять емкости на 6-8 пФ. В принципе, настраивать фазовращатели можно и на столе с хорошим осциллографом, соответсвенно нагрузив фазовращатели. Поэтому очень полезно предусмотреть подстройку емкостей в небольших пределах. Это поможет вам подстроить ДН на местности или на крыше, где окажутся неучтенные факторы влияния на ФАР. Это значительно удобнее, чем резать на ,,вермишель,, кабеля в качестве фазирующих линий. Настраивать ФАР можно по сигналу генератора, отнесенного на расстояние 5-10 лямд и имеющего вертикальную поляризацию. Вблизи ФАР минимум в радиусе 1,5-2 лямбды не должно быть переизлучающих металлических предметов, особенно с вертикальной поляризацией. Очень полезно при установке на земле улучшить качество вашей земли вблизи ФАР. Это могут быть радиалы или просто обычная соль, если ФАР усановлена на песке. ФАР должна быть растянута растяжками, но ни в коем случае не метеллическими. Это могут быть капроновые шнуры или что то подобное.

Все реле должны быть расчитаны на подводимую к ФАР мощность.

Литература:

ARRL Antenna  book.

Low band DX-ing, John Devoldere, ON4UN