СОДЕРЖАНИЕ

M.PANICARA (I4JMY).

МЕТОД ФАЗИРОВАНИЯ АНТЕНН ДЛЯ ДИАПАЗОНОВ 160, 80 И 40 М

Даже если у кого-либо и есть свободное место для антенны Бевереджа или других больших антенн, мало у кого имеется столько денег и решимости, сколько их нужно для постройки гигантских направленных антенн, которые необходимы для решения проблем плохого приема на низкочастотных диапазонах. Метод, использующий фазирующее устройство (описываемый ниже) и простые антенны, хотя и не обещает слишком много, все же дает возможность создать приемную антенну, вполне приемлемую для некоторых диапазонов, а поэтому заслуживает внимания.

Хорошо известно, что запитываемая параллельно мачтовая антенна (shunt-feed tower) или обычная антенна Inverted L могут быть вполне эффективными в качестве передающих антенн на низкочастотных диапазонах; однако они редко ведут себя удовлетворительно в качестве приемных антенн, особенно что касается отношения сигнал/шум. Для преодоления этой проблемы используются, в основном, два стандартных подхода. Один из них сводится к увеличению направленности передающей системы, увеличению усиления в одном из направлений и, следовательно, снижению шума с нежелательных направлений. При другом подходе создается отдельная антенна, предназначенная только для приема. Оба варианта решения, если их без изменения перенести на низкочастотные диапазоны, не очень легко превращаются в многодиапазонные и/или требуют соответствующей площади для развертывания.

Когда я переехал на новое местожительство, хотя и расположенное в сельской местности, а не в городе, свободного места для моих антенн все равно не добавилось. Все, чем я располагал —это плоская бетонная крыша над чердаком, площадь которой была не больше 60 м2. Кроме стальной мачты длиной 12 м с оттяжками и трехдиапазон-ной направленной антенны на ее верхушке, больше ничего не поместилось.

Чтобы иметь антенну и на 40, 80 и 160 м, я запитал эту мачту двумя отдельными shunt feeds. Эти дополнения были не слишном сложными, а эффективность, которая была получена с помощью этой небольшой вертикальной антенны с резонансными противовесами на 80 и 160 м, оказалась не лучше того, чего, вероятно, только и можно было ожидать.

Вскоре после того как прошел первый восторг, связанный с хорошими отзывами и легким проходом через "pile up", стало очевидно, что в действительности вертикальная антенна для диапазонов 80 и 160 м — это отвратительная приемная антенна, маскирующая большинство слабых сигналов в шумах. Моей первой попыткой улучшить ситуацию была классическая экранированная магнитная петля из коаксиального кабеля, однако присущие ей потери и отсутствие предусилителя нисколько не помогли улучшить прием. Второй попыткой было добавление к экранированной петле предусилителя. Однако результат был совершенно обескураживающим — отношения сигнал/шум всех испробованных мной предусилителей были ничем не лучше, чем у входного каскада моего RX. Слабые сигналы продолжали оставаться совершенно непонятными.

Третьей попыткой была постройка большой трубчатой магнитной петли, потери которой (примерно -10 дБ на 80 и -23 дБ на 160 м) были приемлемыми для любого активного устройства. После того как эта петля была ориентирована так, чтобы связь с передающей антенной была минимальной, улучшение стало очевидным. То, что было едва слышно при использовании моей передающей антенны на прием, стало вполне разборчивым при использовании петли.

Для человека очень типично, что он редко бывает доволен тем, к чему привык. Я здесь не исключение. И так как у меня была возможность использовать уникальные антенны — такие как двухэлементная проволочная Yagi на расстоянии в полволны над землей и длинная антенна Бевереджа, на которых в некоторых контестах на 160 м работал IR4T — мне показалось, что присущая петле бесшумность часто разрушается ее бинаправленностью. Это могло происходить вследствие связи с передающей вертикальной антенной и из-за ее отклика на волны с большими углами возвышения.

Немного теории. Для получения заданной диаграммы направленности с помощью двух или более антенн, необходимо их соответствующим образом сфазировать. Теоретически, для некоторых особых частот приемлемы любые фазовые сдвиги и любые взаимные расстояния, и все превосходно работает.

В реальном же мире антенны имеют конечные размеры и взаимосвязаны друг с другом и с другими объектами. Эти взаимовлияния достаточно велики, когда расстояние между ними мало. Поэтому для получения соответствующей диаграммы от пары антенн, близко расположенных друг к другу, фазы и уровни запитываДия должны быть тщательно подобраны, а возникшая система будет частотно зависимой и очень критичной к настройке. Изменение частоты всего лишь на несколько килогерц все изменяет, и для сохранения той же направленности необходимо существенно изменять фазовый сдвиг и уровни мощности.

Очевидно, что стандартные системы фазирования совершенно не практичны в таких случаях, когда очень высока критичность к настройке, а предсказуемость параметров близка к нулю, однако это не препятствует использованию таких систем, которые хорошо работают, если найдено соответствующее решение по их управлению, и оно практично.

Наша идея заключается в таком соединении для приема двух антенн, находящихся на любом расстоянии друг от друга, чтобы можно было практичным и удобным способом изменять электрически (а не физически) фазовый сдвиг между ними при любом фазовом угле. Главное, необходимо избежать нежелательной связи приемных антенн, находящихся в непосредственной близости от передающей антенны. Вероятно, наилучшим решением в данном случае будет включение в систему и самой передающей антенны.

Возможный путь. Мне показалось,' что какая-либо модификация так называемого "Null Steerer" в данном случае будет как раз тем, что я ищу. "Null Steerer" (используются и многие другие коммерческие названия)—это такое устройство, в котором два антенных входа могут уравновешивать и растягивать фазы отдельных входов до тех пор, пока амплитуда одного из сигналов (фазовый шум которого постоянен) не станет равной амплитуде второго (а фаза — противоположной), так что они уничтожаются (ослабляются), почти не влияя на другие сигналы. Некоторые из этих устройств (коммерческие или самодельные) сконструированы для того, чтобы устранять специфический сильный (локальный) шум, а не для фазировки ан тенн. Они вносят отрицательный вклад в отношение сигнал/шум, но, в общем случае, ничего не делают для его минимизации. Другая их проблема в том, что у них имеется вход основной антенны и порт антенны с увеличенным шумом, к которому должна подключаться не реальная, а "воображаемая" антенна.

Поскольку нам нужно не обнуление сильного сигнала, а улучшение отношения сигнал/шум с помощью усиления направленности, при использовании метода фазировки вторая антенна должна быть обычной антенной, а не "ищейкой" локальных шумов.

И последнее, но не менее важное. В схемах большинства "Null Steerers" фазовая задержка получается сдвигом на -180°...+180° сигнала шумовой антенны (с помощью отдельного потенциометра, расположенного между выводами трансформатора с центральным отводом), а поэтому вносимое ослабление сильно зависит от фазового сдвига. Другими словами, амплитуда полностью определяется фазовым сдвигом, и, следовательно, амплитуда сдвинутого сигнала сильно зависит от положения потенциометра.

При фазовой регулировке в критической области большое ослабление должно быть компенсировано большим усилением порта, или же, для достижения уравновешивания, сигналы со второго порта должны сильно ослабляться. Большое усиление означает шумовые искажения и/или интермодуляционные искажения (IMD), в то время как очень сильное ослабление делает невозможным использование антенн с не слишком хорошими характеристиками.

Если учесть все это, то желательно, чтобы фазирующий блок был пассивным устройством, вносящим при любом фазовом сдвиге не слишком большое ослабление, так чтобы можно было использовать антенны с ограниченными характеристиками (такие как проволочные антенны или петли, используемые в качестве приемных).

Квадратурный метод и гибридная схема сложения дают возможность в значительной степени преодолеть указанные выше проблемы. Действительно, расщепляя сигнал, который необходимо сдвинуть по фазе, на два сигнала, и задерживая один из них примерно на 90°, их затем можно объединить снова с помощью пары регуляторов фазы, которые всегда можно установить в такой диапазон, где ослабление никогда не бывает слишком большим. Сдвинутый таким способом по фазе сигнал можно скомбинировать с другим сигналом, который не подвергался сдвигу и имеет высокий уровень.

Квадратурный метод фактически по-

Рис. 1

зволяет управлять с помощью только двух ручек как фазой, так и ослаблением. Однако это опять привело бы к появлению возможных критических случаев, когда для получения некоторого специфического фазового сдвига вводимое ослабление оказалось бы больше минимального. Именно поэтому в описываемом ниже методе фазирования на антенном входе использованы два независимых аттенюатора (рис.1). С их помощью осуществляется грубое уравновешивание уровней сигнала; ручки же регулировки фазы используются в этом случае только для сдвига фазы.

Обычно фазирующее устройство вносит около 10 дБ дополнительного ослаб-ления. Если приемная антенна имеет приличную эффективность, то для 80 и 160 м это не приводит ни к каким проблемам. Короче говоря, и в самом худшем случае (две антенны низкой эффективности, работающие только на прием), все, что могло принимать этот диапазон при наличии аттенюатора 10 дБ в приемнике, может быть с успехом использовано с этим фазирующим устройством.

Использование второй приемной антенны без фазового сдвига взамен передающей антенны с управляемой фазой могло бы быть даже "хуже", чем в предыдущем случае, так как ее пришлось бы использовать с ослаблением, не большим чем несколько децибелл.

Фиксированный сдвиг 90° реализуется с помощью линии задержки, изготовленной из коаксиального кабеля RG174 электрической длиной в четверть волны. Она начинается из отрезка, соответствующего диапазону 40 м, к которому добавляются другие куски, дающие не-

обходимую задержку для 80 и 160 метров. Ничто не препятствует использовать не коаксиальный кабель, а линии задержки других типов.

Что касается аттенюаторов, то я их построил, используя пару триммеров и передвигая стержни потенциометров так, чтобы получить конфигурацию "Т". Они хорошо работают, но, честно говоря, я обнаружил, что пара переменных ТВ-аттенюаторов 20 дБ, 75 Ом, купленных за низкую цену, выполняют эту работу ничуть не хуже, так что вряд ли оправдана затрата времени на изготовление аттенюаторов 50 Ом (как это сделал я сам). Фазирующее устройство сконструировано для работы с транси-верами, имеющими внешнюю перемыч-ку-джампер на линии RX (RX in, RX out).

Для предупреждения повреждений, каждый антенный вход отсоединяется с помощью небольшого двухпозицион-ного реле, соединенного с плюсом питания, которое подается от трансивера во время передачи (GND в ТХ требует незначительной модификации). Поскольку магнитный гистерезис порождает задержку и на некоторое время оставляет приемную антенну подсоединенной во время передачи, необходимо избегать дезактивации реле при ТХ.

Схема фазирующего устройства очень проста. У диодов VD1...VD4 и VD5...VD8 единственное назначение — обрезание сигнала во время передачи и, следовательно, защита фазирующего устройства и RX, даже если реле не активизировано. В функцию двухпози-ционного реле К входит отсоединение антенн от фазирующего устройства во время передачи. Диод VD9 обрезает выбросы реле при снятии напряжения и предотвращает повреждение RTX. В качестве аттенюаторов можно использовать телевизионные с ослаблением 0...20 дБ. Т1 —трифилярный трансформатор с сердечником Amidon FT37-63 и семью витками скрученного провода. R1 и R2 — безындуктивные потенциометры очень хорошего качества (во избежание "царапания") на 200 Ом. Т2 — бифилярный трансформатор, который вместе с безындуктивными резисторами R3 и R4 на 56 Ом образует устройство связи (coupler). В качестве сердечника Т2 использован еще один Amidon FT37-63, а обмотка образована девятью витками скрученного провода. Трансформаторы Т1 и Т2 не критичны, и можно использовать любые другие сердечники с высоким значением магнитной проницаемости (т.е. (j=2000...4000). DL1, DL2 и DL3 — линии задержки, переключаемые с помощью S1, S2 и S3. Для ясности, на схеме изображены три линии задержки DL; в действительности же одну из них (для самого высокочастотного диапазона) можно оставить постоянно на месте, a S1 не устанавливать. Естественно, в однодиапазонной версии фазирующего устройства линия задержки только одна, а поэтому для добавления задержки нет необходимости в переключениях.

S4 — переключатель, используемый для включения/блокировки смещения сигналов. Переключатель S5, работающий только тогда, когда S4 разомкнут, выбирает антенны, и его основная функция — дать возможность осуществления балансировки сигнала с помощью аттен юатора (ов).

В приведенном на фото фазирующем устройстве имеется блок, отсутствующий на схеме. Это переключаемый широкополосный усилитель CATV-типа с

фазируемым входом. Он использовался мной для некоторых опытов с небольшими антеннами (широкополосными петлями) и остался здесь, хотя я его больше и не использовал.

Что касается фазовой настройки, важно отметить, что она должна осуществляться не так, как в случае обнуления специфических шумов (что вполне возможно), а должна использоваться для улучшения приема с заданного направления. Так как направленную диаграмму нельзя получить с помощью фази-рования и без ослабления, вместо этого с помощью сдвига и ослабления осуществляется максимизация отношения сигнал/шум. Ориентироваться на максимум показаний S-метра при установке (разы было бы неправильным. Как только найден набор положений регулирующих органов для заданного конкретного направления в окрестности необходимой частоты (эта "окрестность" будет тем больше, чем больше расстояние между антеннами), и если будут использоваться одни и те же антенны, эти комбинации положений могут быть занесены в таблицу вместе с полученными значениями и использованы для быстрой настройки. В дальнейшем это позволит быстро устанавливать соответствующие значения и сделает всю процедуру простой и воспроизводимой.

Приведем здесь простейший способ настройки фазирующего устройства, использующего приведенную схему.

1. Оба переменных аттенюатора устанавливаются на нулевое ослабление.

2. С помощью переключателя S4 (разомкнут) блокируется комбинирование двух антенн.

3. Переключив S5 на антенну 1, потенциометры R1 и R2 устанавливаются грубо в положение максимума сигнала.

Их положение не критично, и максимум будет наблюдаться в широком диапазоне положений и комбинаций потенциометров.

4. Ослабляя более сильный сигнал с помощью соответствующего аттенюатора, грубо уравновешиваем силы сигналов от антенн.

5. Замыкая S4, активируем сумматор (combiner) и изменяем фазу антенны 1 до тех пор, пока выделяемый сигнал не будет "наилучшим". Иногда, но не очень часто, может оказаться полезной дополнительная подстройка ослабления с помощью какого-либо из двух аттенюаторов.

Как правило, лучшие результаты получаются в том случае, когда благодаря фазированию антенн возникает диаграмма направленности с излучением вдоль оси (end-fire). Отметим, что для получения направленного излучения в нескольких направлениях необходимо иметь несколько пар антенн. Если имеется только две антенны, установите их в линию вдоль того направления, в котором должен излучаться сигнал (если используется излучение вдоль оси) или используйте двунаправленное боковое (поперечное) излучение.

Так как линия задержки для 160 м не слишком отличается от той, которая необходима для большей части диапазона средних волн (MW), это можно использовать для приобретения практики. Лучше всего это делать в ночное время (во избежание возмущений от поверхностной волны при определении коррективной фазировки) и на таком канале, где нет местных станций, зато имеется "кавардак" от разных удаленных станций.

CQ Contest, 2/2000. Перевод А.Бельского.

Вид фазовращателя в сборе без верхней крышки.

Справа видны самодельные аттенюаторы; в качестве линий задержек использованы три мотка кабеля RG174. У задней стенки находится антенное реле. На лицевой панели фазовращателя вверху слева — рукоятки переменных аттенюаторов, а. с левой стороны —рукоятки регулировки фазы. Внизу находятся все переключатели для комбинирования сигналов (от центра влево) и линий задержки (от центра вправо).

Вид фазовращателя сзади.

Вместо возможной внешней пинии задержки установлена перемычка. Внизу слева находится неиспользуемый разъем RCA. Внизу справа — разъем RCA линии реле от трансивера. Остальные разъемы RCA — входы антенн и выход RX фазовращателя.