РАДИОЛЮБИТЕЛЬ.КВ и УКВ №8-2001 от RW1QU

    Схематично  вертикальная антенна Open-Sleeve изображена  на
рис.1.  Она состоит из главного вибратора М (Master,  Monopole,
Driven  element),  к  которому подводится  питание  антенны,  и
дополнительного  элемента  (или элементов)  S  (Slave,  Sleeve,
"рукав"), соединенных с "землей" антенны.
    Элементы  М  и  S  образуют  между  собой  открытую  линию,
параметры  которой и определяют свойства антенны.  Для  примера
предположим,  что элемент М имеет резонанс по току  на  14  МГц
(длина М равна 0.25А.), а элемент S - вдвое короче (линия, обра
зованная элементами М и S, имеет резонанс по току на 28 МГц).
    На  частоте 14 МГц основной ток протекает в самом  элементе
М,  т.к.  в  линии ток мал, и, вообще говоря, имеет  реактивную
составляющую.  Антенна,  в  целом,  излучает  как  обычный  чет
вертьволновой штырь и имеет низкое сопротивление излучения.  На
частоте 28 МГц элемент М (если бы отсутствовал элемент S)  имел
бы  высокое  сопротивление  в точке питания  (узел  тока),  но,
благодаря  элементу  S и образованной совместно  с  ним  линии,
результирующее сопротивление в точке питания оказывается  также
низким.   Таким  образом,  антенна  данного  типа   имеет   две
резонансные  частоты, которые условно можно  назвать  нижней  и
верхней.
    Реальные   длины  элементов  М  и  S  не  являются   строго
резонансными,  и  подбором  их длин  можно  добиться  требуемых
частот резонанса в точке питания, т.е. свести к нулю реактивную
составляющую входного сопротивления.
    Кроме  того,  токи в элементах М и S на верхней резонансной
частоте несколько отличны друг от друга, а ток в верхней  части
М  также  отличен  от нуля, что позволяет антенне  излучать  на
верхней  резонансной частоте. Следствием  и  одним  из  главных
достоинств   описанного  принципа  работы  антенны  Open-Sleeve
является тот факт, что подбором расстояния d между элементами М
и  S  (т.е.  подбором  величины волнового сопротивления  линии)
можно  добиться требуемого сопротивления излучения  на  верхней
резонансной частоте. На нижней резонансной частоте  при  измене
нии  расстояния между элементами М и S сопротивление  излучения
также  меняется, но незначительно. Подробнее о принципе  работы
Open-Sleeve можно прочитать в [1].
    Из  практических  конструкций вертикалов Open-Sleeve  можно
предложить   двух-  и  трехдиапазонные  варианты  антенны.   Не
рекомендуется  конструировать  антенну,  которая  будет   иметь
рабочие  диапазоны, отличающиеся по частоте  более  чем  в  два
раза.  На  верхних  (более  высокочастотных)  диапазонах  будет
присутствовать  значительный  уровень  излучения  под  большими
углами  в  вертикальной  плоскости (как у  простого  одиночного
вертикала, например,рассмотренного в [2]).
    
    Также не имеет смысла конструировать антенну Open-Sleeve  с
большим числом диапазонов работы ввиду усложнения конструкции и
настройки.   Однако  следует  отметить,  что,   например,   для
трехдиапазонного варианта антенны - 20-14-10  м  -  активная  и
реактивная составляющие импеданса антенны на промежуточных WARC-
диапазонах имеют вполне допустимые значения. Это позволяет  при
помощи  практически  любого антенного тюнера  или  аналогичного
согласующего устройства обеспечить компромиссную работу антенны
на этих диапазонах [1].
    На  рис.2  и 3 приведено схематическое изображение  антенны
на три диапазона, а на рис.4 - на два диапазона.
    Конструктивные    размеры    проводников,     с     которых
рекомендуется  начинать настройку, для  трех-  (20-14-10  м)  и
двухдиапазонного (14-10 м) вариантов приведены в таблице.

    Размеры  D1  и  D2  - расстояния от центра  элемента  М  до
центра  элементов S1 и S2 соответственно. Расчетные резонансные
частоты  -  14,05;  21,05 и 28,05 МГц. Расчетные  сопротивления
излучения - около 40...45 Ом. Таким образом, с учетом потерь  в
проводниках  и "земле", удобнее всего использовать для  питания
антенны коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом.
    Диск,  изображенный в основании, является  условным  -  все
соединения  в  основании антенны должны быть  как  можно  более
короткими  и  надежными, т.к. это область  максимальных  токов.
Вариант  исполнения элемента S1 в виде алюминиевых трубок  пред
почтительнее  с  точки зрения стабильности параметров  открытой
линии.
    Диаграмма излучения антенны в горизонтальной плоскости  для
трехэлементного варианта (рис.2) - круговая, с провалами  до  3
дБ  на верхних диапазонах. Провалы обуславливаются тем, что при
работе  на  верхних диапазонах значительные токи  протекают  во
всех  трех  элементах, а разность фаз токов  в  элементах  обес
печивает  определенную  направленность излучения.  Этот  эффект
сглаживается  в  пятиэлементном  варианте  антенны  с  двойными
линиями  на каждый диапазон - здесь провалы незаметны (менее  1
дБ),  но этот вариант конструктивно сложнее. Кроме того, провал
в  диаграмме  направленности, равный 3 дБ - это  снижение  силы
сигнала всего лишь на полбалла по шкале S-метра, что на  практи
ке  не очень критично. В двухдиапазонном варианте провалы  малы
(около 1 дБ). На нижнем диапазоне провалы отсутствуют.
    Параметры   диаграммы  направленности,  приведенные   выше,
являются  расчетными (использовалась программа MMANA,  описание
которой приведено в [3]).
    Диаграмма  излучения  в вертикальной плоскости  практически
повторяет   диаграмму  одиночного  А/4-излуча-теля  на   нижнем
диапазоне,  на  верхних диапазонах лепестки  становятся  уже  и
прижимаются к "земле".
    Очень  важным  элементом  антенны  является  конструкция  и
изготовление   "земли".   Использовать   резонансную    систему
противовесов  с элементами на все диапазоны не рекомендуется  -
наложение   резонансов   земли   и   самой   антенны    создает
дополнительные   сложности.  Наилучшее   решение   -   создание
нерезонансной   "земли",  работающей  на  эффекте   зеркального
отражения [4]. В авторском варианте антенны в качестве  "земли"
использовалось  металлическое  покрытие  крыши  дома,   должным
образом проверенное и пропаянное в местах соединения листов.

    При     отсутствии     металлического    покрытия     можно
порекомендовать создание искусственной "земли" в виде "зонтика"
(рис.5а),  изображение которого взято из [4]. Радиус  "зонтика"
dnkfem  быть  не менее 0,4...0,6 от максимальной рабочей  длины
волны,  число радиалов и соединений по окружности - максимально
возможное.   Изначально  его  не  стоит  изготавливать   строго
горизонтальным,  т.к.  в  этом  случае  входное   сопротивление
антенны  на нижнем диапазоне скорее всего получится  меньше  50
Ом.  "Зонтик"  можно  сделать в виде  возможно  большего  числа
противовесов  из  обычного  провода  достаточной  длины   и   с
начальным  наклоном около 10...20° к горизонтальной  плоскости,
соединенных по окружности в нескольких местах перемычками.  Мак
симальное    число    противовесов    ограничивается     только
конструктивными  возможностями  -  чем  их  больше,  тем  лучше
работает антенна и меньше неожиданностей при настройке.  Важно,
чтобы  "зонтик"  не  имел резонансов на  рабочих  диапазонах  и
вблизи  них. Это значит, что число перемычек должно  выбираться
из  расчета для самого верхнего диапазона (10 м). Можно сделать
перемычки более частыми у центра зонтика (для диапазона 10 м) и
более  редкими  у концов (для диапазона 20 м).  Совсем  не  тре
буется  изолировать  "зонтик"  от  окружающих  предметов,   как
резонансные  противовесы, поднимать его над поверхностью  крыши
или  земли,  и,  естественно, он не нуждается в  настройке.  На
рис.56 показана фотография удачной конструкции подобной "земли"
[1].  В  оригинале эта "земля" предназначалась для  укороченной
антенны диапазона 40 м и состояла из 60 радиалов, отходящих  от
диска и соединенных перемычками.
    Однако,    возможно,    наилучший   вариант    металлизации
подстилающей  антенну  поверхности  состоит  в  следующем  -  в
качестве  "земляной"  поверхности  используется  применяемая  в
строительстве  металлическая сетка-рабица, которую  растягивают
над  поверхностью  крыши или земли и покрывают антикоррозионной
краской.

При изготовлении антенны необходимо предусмотреть
коррекцию положения элементов S1 и S2 относительно М и
обеспечивать их параллельность М. Это необходимо для подбора
сопротивления антенны в резонансе под волновое сопротивление
кабеля. Симметрирование токов в кабеле также весьма желательно.
Схематическое изображение возможной конструкции проводного
трехэлементного варианта антенну показано на рис.6.
Настройку антенны рекомендуется производить с помощью
антенного моста. Процедуру настройки начинают с самого нижнего
диапазона. Его настройку производят на полностью собранной
антенне со всеми элементами, образующими открытые линии.
Укорачивая или удлиняя этот элемент, добиваются требуемой
резонансной частоты. Если активное сопротивление в резонансе
оказывается заметно меньше 50 Ом, можно попробовать опустить
концы земляного "зонтика" (при таком варианте выполнения
"земли"). В авторском случае, где "землей" была металлическая
крыша с углом наклона около 20...25°, входное сопротивление
антенны на нижнем диапазоне было вполне удовлетворительным.
Затем надо найти следующий по частоте резонанс антенны и
измерить ее входное сопротивление на этой частоте. Возможны
четыре варианта соотношения частоты резонанса и входного сопро
тивления антенны на верхнем диапазоне. Рассмотрим настройку
антенны на этом диапазоне для каждого из вариантов.
Вариант 1. Если резонансная частота оказывается ниже
требуемой, а сопротивление антенны на этой частоте больше
волнового сопротивления кабеля, не следует торопиться
укорачивать элемент - приближение элемента(ов) S1 к М уменьшает
сопротивление, а резонансная частота повышается. Укорочение
можно начинать только тогда, когда сопротивление в резонансе
составляет 50 Ом, а резонансная частота еще ниже требуемой.
Вариант 2. Если и резонансная частота ниже требуемой, и
входное сопротивление антенны меньше 50 Ом, тогда постепенно
отодвигаем элемент S1 от М с одновременным (и также
постепенным) укорочением элемента S1, постоянно контролируя
частоту резонанса и входное сопротивление антенным мостом,
добиваясь значения входного сопротивления, близкого к 50 Ом на
требуемой резонансной частоте.
Вариант 3. Если резонанс - выше требуемой частоты, и
входное сопротивление больше 50 Ом, проводим операции,
аналогичные описанным выше, но удлиняя элемент S1 и приближая
его к М.
Вариант 4. Если резонанс - выше требуемой частоты, а
входное сопротивление меньше 50 Ом, проводим операции,
аналогичные описанным в варианте 1, но отодвигая элемент S1 от
М. Не исключено, что потребуется удлинить S1.

Добившись настройки диапазона, за который отвечает элемент
S1, приступают к настройке следующего, проделывая с элементом
S2 те же операции по настройке, что применялись для S1.
Закончив настройку верхнего диапазона элементом S2, снова
проверяют настройку предыдущих диапазонов. Вообще говоря, более
низкочастотные диапазоны не должны сильно "уйти в сторону", но
если это произошло, повторяют процедуру настройки. Двукратного
повторения процесса настройки, скорее всего, окажется
достаточно. После этого снова следует проверить сопротивления и
резонансные частоты на всех диапазонах. Полоса рабочих частот
антенны с приемлемым КСВ в кабеле на нижнем диапазоне
соответствует полосе обычного ^/4-штыря. Резонансы на верхних
диапазонах острее, относительная полоса частот уже, а эквива
лентная добротность выше. На самом верхнем рабочем диапазоне
резонансную частоту следует выбирать ближе к концу рабочего
участка - при расстройке относительно резонансной частоты вниз,
КСВ в кабеле растет медленнее, чем при расстройке вверх [1]. Пе
рекрыть полностью диапазон 28 МГц с приемлемым КСВ очень
трудно. Кроме того, в сырую, дождливую погоду резонансные
частоты "уходят" вниз, что заметнее на верхних диапазонах, за
которые отвечают элементы S.
В заключение стоит привести интересный вариант вертикала с
резонансными радиалами, предназначенного для работы на
низкочастотных диапазонах (80 и 40 м). Схема антенны приведена
на рис.7, а ее однодиапазонный вариант - на рис.8. В
однодиапазонном варианте антенна представляет собой
вертикальный монополь, максимум тока которого находится в
верхней точке (в отличие от обычного вертикала "граунд плейн").
Токи замыкаются на горизонтально расположенные радиалы в
верхней части антенны. Как и параметры вертикального диполя,
параметры этой антенны зависят от высоты подвеса, но она удобна
конструктивно - изготавливается из проволоки и может быть
подвешена между домами.
Данные антенны для двухдиапазонного варианта Open-Sleeve:
длина элемента М-80 - 21,03 м, S-40 - 10,66 м, расстояние между
этими элементами - 0,17 м, высота подвеса - 25 м, расчетные
резонансные частоты - 3,55 и 7,01 МГц, сопротивления излучения
при резонансах - около 40 Ом. Размеры антенны, конечно, трудно
изменять в подвешенном состоянии, поэтому, возможно, будет
необходимо производить настройку, как это описано в [5], на
каждом диапазоне, тем не менее, конструкция антенны,
приведенная на рис.7, имеет нужное распределение токов в про
водниках и правильно работает на обоих диапазонах.

Литература
1. ARRL antenna book, 18th edition, by Dean Straw, N6BV.
2. К.Ротхаммель. Антенны. - Бояныч, Санкт-Петербург, 1998.
3. И.Гончаренко. Программа моделирования антенн MMANA. -
Радио, 2001, N6.
4. И.Григоров. Антенны для радиолюбителей. -
http://krasnodar.online.ru/hamradio/rk3zk/1-1-1.htm
5. Д.Федоров. Простой проволочный вертикал на 80 м. -
http://krasnodar.online.ru/hamradio/vert80a.htm

Многодиапазонные вертикалы Open-Sleeve