E.W.CUNNINGHAM (K6SE).
ФЛАГИ, ВЫМПЕЛЫ И ДРУГИЕ НЕЗАВИСИМЫЕ ОТ ЗЕМЛИ
ПРИЕМНЫЕ АНТЕННЫ НЧ-ДИАПАЗОНОВ
Изобретенная более 80 лет назад антенна Бевериджа
до сих пор считается лучшей в среде энтузиастов DX-
связей на диапазоне 160 м. Однако не так уж много
любителей имеют место, позволяющее установить хотя бы
укороченную версию (550 футов) этой антенны. Некоторые,
имеющие в своем распоряжении ограниченную площадь,
пытаются использовать другие не очень большие антенны
(такие как, например, небольшая петля), чтобы "отко
пать" те слабые сигналы DX, которые они не могут услы
шать с помощью своей "шумной" передающей антенны при
использовании ее в качестве приемной.
Как только Floyd Koontz (WA2WVL) предложил конст
рукцию новой направленной приемной антенны [1], на
званной Ewe, многие тут же попытались использовать эту
относительно простую и легко устанавливаемую конструк
цию. Если судить по сообщениям, появившимся в Topband
reflector, некоторые из любителей были вполне довольны
полученными результатами; однако оказалось много и
таких, которым не повезло с полученными характерис
тиками антенны.
Почему некоторые Ewe не работают? Использовав про
грамму EZNEC [2] для моделирования этой антенны, я
сразу же обнаружил возможную причину этого - прово
димость почвы в том месте, где установлена антенна.
Превосходная азимутальная диаграмма направленности
антенны Ewe, оптимизированной по отношению вперед/назад
(В/Н), значительно ухудшалась при изменении
проводимости почвы от очень плохой до очень хорошей.
После этого я построил модели антенны Ewe для раз
личных почвенных условий и обнаружил, что оптимальные
размеры антенны и величина резистора нагрузки для
наилучшего отношения вперед/назад очень сильно зависят
от проводимости почвы. Так, например, оптимизированная
антенна Ewe высотой 10 футов над почвой с плохой
проводимостью имеет длину 24 фута и требует резистор
нагрузки в 2295 Ом, в то время как оптимизированная Ewe
над очень хорошей почвой имеет длину 50 футов и требует
резистор нагрузки 775 Ом.
И хотя сопротивление в точке запитывания оптимизи
рованной антенны Ewe примерно равно 450 Ом, все же
имеется и заметная реактивная составляющая, так что
ухудшение характеристик антенны может быть обусловлено
и плохим согласованием в точке запитывания. Так, если
оптимизированная антенна Ewe имеет на 160 м отношение
вперед/назад, превышающее 60 дБ, компьютерная модель
этой же антенны на 80 м дает ухудшение этого отношения
примерно на 15 дБ.
В декабре 1997 г. я поместил все свои результаты в
Topband Reflector. Это привело к тому, что многие
пользователи Ewe попытались экспериментальным путем как-
то смягчить проблему, связанную с проводимостью почвы.
Большинство этих попыток заключалось в использовании
провода, соединяющего нижние концы антенны.
Рождение антенн Pennant и Flag
Таким образом, главная проблема, связанная с антен
ной Ewe, обусловлена проводимостью подстилающей почвы.
Jose (EA3VY) информировал меня по E-mail, что он
попытался решить эту проблему с помощью компьютерного
моделирования. В январе 1998 г. EA3VY сообщил мне
детали конструкции антенны, которую он назвал "terra-
proof Ewe"; антенна приподнята над землей и не имеет с
ней никаких соединений. При изменении проводимости
подстилающей почвы диаграмма направленности этой
антенны практически не менялась. Эта треугольная
антенна имеет вид удлиненного вымпела с вертикальной
секцией длиной 9,84 фута. Нижний и верхний провода
антенны сходятся в точке на расстоянии 49,20 футов от
вертикальной секции. Антенна, находящаяся на высоте
3,28 футов над землей (нижний провод), запитывается в
центре вертикальной секции и имеет согласующий резистор
725 Ом в вершине вымпела. Такая антенна имеет отношение
вперед/назад 23 дБ на 160 м, а ее кардиоид-ная
азимутальная диаграмма направленности подобна диаграмме
антенны Ewe. Однако у нее, так же как и у антенны Ewe,
ноль на тыльной стороне кардиоиды для 80 и 40 м не
очень глубок, так что она все еще является по сути дела
однодиапазонной антенной.
Позднее EA3VY прислал мне модифицированную кон
струкцию своей антенны; у нее уже не было длинной вер
тикальной стороны, а расстояние от вертикальной секции
до точки схождения вымпела было более коротким. Он
также прислал детали конструкции своей прямоугольной
"земленезависимой" антенны. В дополнение к
"земленезависимости" (независимости от почвы) эта новая
конструкция была еще и многодиапазонной. На частотах от
1,8 до 7,3 МГц ноль на обратной стороне кардиоиды у нее
был на 20 дБ "глубже" по отношению к фронту. EA3VY
попросил меня поэкспериментировать с компьютерной
моделью это антенны, чтобы посмотреть, можно ли еще
улучшить ее характеристики. С этого момента я начал
называть треугольную антенну EA3VY Pennant, а прямо
угольную антенну окрестил Flag. На рис.1 приведена кон
фигурация всех антенн, которые рассматриваются в этой
статье. Все опоры таких антенн должны быть неметалли
ческими.
Окончательная конструкция Pennant
Первое, что обратило мое внимание в антенне EA3VY
- очень малое реактивное сопротивление в точке запи
тывания. Поэтому я попытался, подбирая размеры антенны,
оптимизировать ее так, чтобы сопротивление в точке
запитывания на 160 м примерно совпадало с
сопротивлением согласующей нагрузки, а реактивная со
ставляющая была равна нулю. В результате получилась бы
фактически нерезонансная антенна, которую легко
запитывать через трансформатор, согласующий импедансы.
Варьируя размеры и оконечную нагрузку в модели для
160 м, я в конце концов пришел к конструкции, очень
близкой к нерезонансной. Оконечный вариант Point-
Terminated Pennant (вымпел с согласующей нагрузкой в
вершине) имел вертикальную секцию длиной 14 футов,
вершина же вымпела располагалась на расстоянии 29 футов
nr нее. Низ "вымпела" расположен на высоте 6 футов над
землей, согласующий резистор в вершине имеет номинал
303 Ом. Ноль на тыльной части кардиоидной диаграммы на
37,5 дБ глубже фронта. Сопротивление в точке запи-
тывания составляет 860 Ом, реактивная составляющая
равна нулю.
Изменение проводимости почвы от очень хорошей до
очень плохой в модели антенны показало, что кардиоидная
диаграмма направленности с отношением В/Н, большим чем
37 дБ, практически не изменяется, даже в предельных
случаях. Варьирование высоты антенны от 1 до 25 футов
практически не оказывало влияния ни на диаграмму
направленности, ни на импеданс точки запи-тывания. На
частотах 3,8 МГц и 7,2 МГц имеется глубокий ноль на
тыльной стороне; сопротивление точки запитывания на
этих двух частотах все еще остается порядка 900 Ом при
очень малой реактивной составляющей.
После этого я поменял местами точку запитывания и
оконечный резистор, поместив точку запитывания в вер
шину "вымпела", а резистор - в центр вертикальной сек
ции ("вымпел с запитыванием в вершине" - Point-Fed
Pennant). Ради интереса я уменьшил величину резистора с
900 Ом до 860 Ом; сопротивление точки запитывания стало
равным 903 Ом, т.е. точно такое, как сопротивление
оконечного резистора у Pennant с согласующей нагрузкой
в вершине (Point-Terminated Pennant)! Размеры были
оставлены теми же. Диаграммы направленности обеих
версий очень похожи. На рис.2 и 3 приведены
вертикальная и азимутальная диаграммы направленности
"Вымпела", запитываемого в вершине, находящегося над
"хорошей" почвой.
Flag, Diamond и Delta
Оптимизация "земленезависимой" антенны Ewe, пред
ложенной EA3VY, привела меня к идее рамочной антенны с
вертикальными сторонами в 14 футов и двумя го
ризонтальными сторонами длиной 29 футов. Величина
согласующего резистора составляет 945 Ом, и он раз
мещается в середине одной из вертикальных секций. Точка
запитывания находится в середине второй вертикальной
секции. Сопротивление точки запитывания на 160 м также
равно 945 Ом при нулевой реактивной составляющей.
Отношение вперед/назад на кардиоидной диаграмме
направленности равно 35 дБ. На диапазонах 80 и 40 м эти
параметры изменяются очень мало. На 160 м эффективность
Flag примерно на 5,5 дБ больше Pennant.
Предвидя, что некоторые пользователи захотят
построить поворачиваемую версию "земленезависимой" Ewe,
я разработал конфигурацию, которую можно собрать так же
как cubical-quad. Эта антенна похожа на небольшую ром
бическую вертикальную антенну. Ее вертикальные размеры
- 14 футов, а горизонтальные - 29 футов. Я назвал эту
антенну Diamond. Сопротивления согласующей нагрузки и
точки запитывания у нее равны по 925 Ом.
Антенну дельтаобразной формы, разработанную мною,
также можно использовать во вращаемом варианте. Она
очень похожа на антенну Ewe дельтаобразной формы,
которую описал John Devoldere (ON4UN) [3]. Размеры ан
тенны Delta - 17 футов по вертикали и 28 футов по гори
зонтали. Согласующий резистор размещается в одном из
нижних углов треугольной петли, а точка запитывания -
во втором. Сопротивления точки запитывания и согласу
ющего резистора на 160 м - по 948 Ом.
Рис. 2
Вертикальная диаграмма направленности Pennant,
запитываемого в вершине над "хорошей" почвой (типична
для любой не зависящей от свойств почвы антенны)
Рис. 3
Азимутальная диаграмма направленности Pennant,
запитываемого в вершине, над "хорошей" почвой, для
вертикального угла 30° (типична для любой не зависящей
от свойств почвы антенны)
Запитывание антенн
Все эти антенны имеют очень низкую эффективность -
где-то порядка -30 дБи ...-36 дБи, а поэтому любой сиг
нал, проникающий в фидерную линию, ухудшает направ
ленность и отношение С/Ш. Для преобразования импеданса
антенны 900 Ом в импеданс коаксиального кабеля 50 Ом
или 75 Ом можно воспользоваться согласующим
трансформатором из двух обмоток одножильного провода на
тороидальном сердечнике Palomar FT-140-43.
Низкоимпедансная обмотка для коаксиального фидера дол
жна иметь 8 витков, а высокоимпедансная обмотка для
точки запитывания - 34 витка, если используется
коаксиальный фидер 50 Ом, и 28 витков для кабеля 75 Ом.
Для минимизации прямой связи между обмотками их не
обходимо разместить на противоположных сторонах то
роидального сердечника.
Можно также воспользоваться конструкцией трансфор
матора, которую предложил Tom Rauch (W8JI). На биноку
лярном сердечнике Ameritron 412-5250 наматывается об
мотка в два витка для фидерной линии и 8,5 витков для
антенны, если используется кабель 50 Ом, или же 7 вит
ков, если используется кабель 75 Ом. Можно использовать
также сердечники типа 73 или 77. Из-за низкой эф
фективности этих антенн перед приемником необходимо
использовать предусилитель.
Диаграмма направленности антенны может ухудшаться
синфазными токами в фидерной линии, вызванными
соединением несимметричного (unbalanced) коаксиального
кабеля с обмоткой симметричного трансформатора. Эта
проблема может быть несколько смягчена при использо
вании дроссельного согласующего трансформатора на
трансформаторном конце кабеля. Дроссель образуют
10...12 витков фидера, скрученного в катушку диаметром
около 12 дюймов. Можно также использовать феррито-вые
"бусинки" с высоким значением магнитной проницаемости
(р), закрывающие около 12 дюймов коаксиального кабеля
на его трансформаторном конце.
Многоэлементные решетки антенн
Рис. 4
Диаграммы направленности антенн, запитываемых в
вершинах. Пунктирная кривая - вертикальная диаграмма
направленности двух запитываемых с вершин Pennant
конфигурации "end-fire" над "хорошей" почвой.
Расстояние между ними - 135 футов; фазировка - 90°.
Сплошная кривая - вертикальная диаграмма направленности
двух Pennant над "хорошей" почвой, запитываемых в
вершинах, конфигурации "broad-side". Запи-тывание - в
фазе, расстояние между Pennant - 315 футов. Тпх NGBV.
Рис.5
Пунктирная линия-азимутальная диаграмма на
правленности для вертикального угла возвышения 30° для
двух излучающих вдоль оси Pennant над "хорошей" почвой
при расстоянии между ними в 135 футов и фазировке 90°.
Сплошная линия - азимутальная диаграмма при угле
возвышения 30° над "хорошей" почвой для двух
запитываемых с вершин Pennant, находящихся на
расстоянии 315 футов. Запитывание - в фазе. Тпх N6BV.
Я использовал программу EZNEC для моделирования
решеток из Pennant, запитываемых в вершине. Были
рассмотрены двухэлементная конфигурация, излучающая
вдоль оси; двухэлементная конфигурация с поперечным
излучением и четырехэлементная конфигурация, излучающая
вдоль и поперек оси. В конфигурации с излучением вдоль
оси при расстоянии между элементами 135 футов и
запитывании главного элемента с отставанием 90°,
кардиоидное распределение уже, чем у одного Pennant, а
эффективность больше примерно на 3 дБ. Малый лепесток
на тыльной стороне исчезает, а ноль на тыльной стороне
кардиоиды становится гораздо глубже. На рис.4 и 5
приведены вертикальная и азимутальная диаграммы
направленности двухэлементной решетки Pennant с из
лучением вдоль оси (над "хорошей" почвой). На рис.6 и 7
приведены те же диаграммы для двухэлементной
конфигурации "вымпелов, запитываемых в вершине" -
элементы находились на расстоянии 315 футов друг от
друга, запитывались в фазе и излучали в поперечном на
правлении. Такая конфигурация дает возрастание
}ttejrhbmnqrh примерно на 3 дБ и гораздо более узкую
азимутальную диаграмму (в сравнении с одиночным
Pennant).
Если у вас достаточно места, лучшим вариантом при
емной антенны будет четырехэлементная решетка "вым
пелов" в конфигурации "излучение вдоль оси/излучение
поперек оси" (end-fire/broadside) с расстоянием между
"вымпелами", излучающими вдоль оси - 135 футов и рас
стоянием между парами - 315 футов. Азимутальное рас
пределение такой решетки конкурирует с распределением
антенны Бевериджа 2Х. (рис.6 и 7). Антенны с
переключаемым направлением Две (или более) антенны
могут перекрыть несколько направлений. Если антенны
находятся близко друг к другу, потребуется только один
фидер и один трансформатор, согласующий импедансы.
Однако моделирование показывает, что когда вертикальные
секции двух антенн примыкают друг к другу, этого
сделать нельзя, так как близко расположенные
вертикальные провода взаимодействуют друг с другом. Это
означает, что для таких целей нельзя использовать ни
антенну Flag, ни антенну Pennant, если их вертикальные
секции находятся близко друг к другу. Моделирование
показало, что можно использовать запитываемые с вершины
Pennant, если они установлены вершина к вершине. В
решетках с переключаемым направлением излучения можно
также использовать антенны Diamond и Delta.
Точки запитывания всех антенн решетки с переклю
чением направления удобно располагать вблизи друг
друга; тогда в месте их схождения можно использовать
общую неметаллическую опору. Общий фидер должен быть
постоянно подключен к низкоимпедансной обмотке
согласующего трансформатора, обмотка точки запитывания
которого переключается между элементами решетки. Пере
ключаться должны обе ветви точки запитывания, так что
неиспользуемая антенна должна быть полностью
изолированной от активной. Для переключаемой решетки с
двумя направлениями этого легко добиться, используя
реле.
Рис.6
Вертикальные диаграммы направленности трех антенн
над "хорошей" почвой. Пунктирная линия - диаграмма
направленности двух Pennant, запитываемых с вершин,
конфигурации "излучение поперек оси". Расстояние между
Pennant - 315 футов, запи-тывание - в фазе. Точечная
линия - диаграмма направленности двух запитываемых с
вершин Pennant конфигурации "излучение вдоль оси";
расстояние между "Вымпелами" - 315 футов, фазировка -
90°. Сплошная линия-диаграмма направленности
четырехэлементной решетки Pennant, запитываемых с
вершин. Расстояние между Pennant, излучающими вдоль оси
- 135 футов, расстояние между Pennant, излучающими
поперек оси - 315 футов. Элементы, излучающие поперек
оси, запитываются в фазе, а элементы, излучающие вдоль
оси-со сдвигом фаз 90° по отношению к ним.
Рис. 7
Азимутальные диаграммы направленности для
вертикального угла возвышения 30° двух запитываемых в
вершинах Pennant над "хорошей" почвой. Расстояние между
Pennant - 315 футов при запи-тываниии в фазе
(пунктирная линия); в конфигурации "end-fire"
(излучение вдоль оси) расстояние -135 футов и фазировка
- 90° (точечная линия). Сплошная линия
-для четырехэлементной решетки запитываемых в
вершинах Pennant в конфигурации end-fire/broadside
(излучение вдоль оси/излучение поперек оси). Тпх NSBV.
В случае использования большего числа направлений
(и элементов) схема переключения становится более слож
ной.
Распространение информации
Я описал эти изолированные от земли антенны в
августе 1998 г. в сообщении для Topband Reflector. В
сентябре 1998 г. в испанском издании "CQ Magazine"
появилась наша с Jose Mata (EA3VY) статья под названием
"Banderas у Gallardetes" ("Флаги и вымпелы" - исп.).
Это пробудило большой интерес у сообщества DX-менов на
НЧ-диапазоне, и Flag и Pennant начали свое шествие по
миру.
Испытания Pennant
Чтобы посмотреть, как ведет себя эта антенна не
только в компьютере, но и в реальном мире, я установил
у K6SE два Pennant, запитываемых с вершины. Была
использована конфигурация "вершина к вершине", а
направления двух Pennant были точно противоположны друг
другу. Местный любитель Will Angenent (K6NDV),
согласился принять участие в испытаниях, поэтому
антенны были направлены точно на его станцию (и в
противоположном направлении), находившуюся на
расстоянии 4,6 миль.
В испытаниях по приему K6NDV передавал несущую,
уровень мощности которой регулировался так, что S-метр
моего приемника показывал 89, когда Pennant был
направлен на него. В первых опытах, когда я переключил
Pennant на противоположное направление, я не заметил
абсолютно никакого различия! Тот же результат был
получен и на 80 м.
Приемные антенны находились вблизи мачт shunt-fed
towers для 160 и 80 м, которые я использовал для переда-
чи. Подозревая возникновение здесь нежелательных вза
имовлияний, я расстроил емкости настройки у оснований
обеих мачт и повторил испытания.
После расстройки обеих мачт результаты оказались
вполне удовлетворительными. На 160 м различие уровней
принимаемых сигналов при переключении направления
составило семь единиц шкалы S (!); на 80 м это различие
было 6 единиц S. Если считать по 6 дБ на единицу S, это
почти точно совпадает с предсказаниями EZNEC. Из этого
я извлек следующий урок - некоторые антенны Ewe могут
плохо работать из-за нахождения вблизи резонансой
вертикальной антенны.
У K6NDV не было вертикальной передающей антенны на
40 м, так что мы не могли повторить испытания и на этом
диапазоне. Однако при прослушивании эфирных сигналов в
диапазоне 7 МГц было отмечено различие в 3...7 единиц S
при переключении антенны.
Заключение
Вскоре после того как эти антенны распространились
по всему миру, по E-mail начали приходить сообщения
любителей с отзывами об их работе. Вот некоторые из
них:
- "Если бы не было антенны Delta, мы бы не могли
слышать слабые сигналы на 160 м, в частности, сигналы
из Европы". - FOOAAA (DX-экспедиция Clipperton 2000);
- "Я использую поворачиваемую антенну Flag,
установленную на моей мачте shunt-fed tower для 160 м.
Это моя главная приемная антенна. Во время приема я
закорачиваю параллельное запитывание с помощью реле TR
у основания мачты". - K6UR;
- "Антенны Ewe здесь никогда не использовались; од
нако я установил два Flag и очень доволен их характери
стиками. При сравнении моего Flag (для EU) с антенной
Бевериджа длиной 585 футов, оказалось, что Flag дает на
одну единицу S меньше, но зато у него лучше отношение
сигнал/шум". - K3SX;
- "Для EU на 160 м я использую Pennant, излучающие
поперек оси (расстояние между ними - 225 футов) и
предусилитель в 24 дБ; они вполне сравнимы с моей антен
ной "four-square", но имеют гораздо меньший уровень
шума. Отличия в слабых сигналах EU на 160 м для Pennant
и длинной антенны "EU-Беверидж" очень небольшие. На 80
метрах необходимо предусиление всего лишь около 12 дБ,
и характеристики антенны не отличаются от таковых у
"four-square", направленной на Европу". - K1ZM.
Надеюсь, я вас убедил сделать попытку использовать
одну из представленных здесь антенн!
Литература
1. Floyd Koontz, WA2WVL. Is this Ewe for You? -
QST, февраль 1995, C.31-33.
2. Программу EZNEC можно получить у: Roy Lewallen,
W7EI, PO Box 6658, Beaverton, OR 97007; tel.503-646-
2885; fax 503-671-9046; w7el@teleport.com.
3. John Devoldere, ON4UN, Antennas and Techniques
for Low-Band DXing (Newington: ARRL, 1994, 2-е изд.).
QS7 7/2000.
Перевод А.Бельского.
