УДА-ЯГИ 1296 – ЭТО ОЧЕНЬ ПРОСТО!

 Несколько лет не покидала идея изготовления эффективной стрелы диапазона 23 см.
Подходящей конструкции не нашёл, поэтому попытался сделать самостоятельно.
Хочу поделиться соображениями, одной из причин, почему не устроили антенны с
различными сложными способами питания, в том числе с петлевым вибратором и U-коленом из
кабеля.
Даже для низкочастотных УКВ диапазонов при пайке оплётки кабеля и центральной жилы
образуется неоднородность в виде короткого воздушного отрезка и как следствие образуется
отражённая волна. И с этим обстоятельством, в некоторых случаях, можно смириться или
попытаться поправить, припаяв вокруг центральной жилы медную фольгу к оплётке кабеля, тем
самым, обеспечить отрезку необходимое волновое сопротивление. А как быть с диапазоном 23
см.? Дело усугубляется тем, что конструктивная неоднородность это всегда ещё и привнесённая
реактивность. Ничтожно малая ёмкость или индуктивность, несущественная для
низкочастотных диапазонов, на СВЧ просто разваливает конструкцию. Вынужденная мера, -
компенсация реактивности. Для КВ антенн добавление конструктивных элементов с целью
компенсации реактивности, обычная практика.
На УКВ, если речь идёт об эффективной антенне, такой подход неприемлем. Изменение
размеров вибратора и расположения для компенсации реактивности это, по существу, такая же
мера, аналогичная добавлению конструктивного компенсирующего элемента, но с разрезным
вибратором, не всегда может быть реализуемой на практике. Возможно, в том числе и по этой
причине получили популярность как любительские, так и промышленные конструкции с
петлевым вибратором именно для диапазона 23 см. Таким вибратором удобно манипулировать,
можно сжать, разжать, меняя реактивность, резонансную частоту и импеданс, иначе говоря,
схитрить. Результат таких манёвров, – разваленная антенна, которая уже не похожа на модель,
но, зато имеет терпимый КСВ.
На мой взгляд, нет ни одного разумного аргумента в пользу применения петлевого вибратора
для современной УКВ антенны, тем более для 1296 мГц, если речь не идёт о создании
трудностей или это вынужденная необходимость, в том числе и с целью реализации подобных
методов настройки...
Но вернёмся к компенсации реактивности УКВ антенны. Есть важный момент, который
требует понимания физики процесса.
Когда в электроэнергетике, например, компенсируют явно выраженное индуктивное
сопротивление асинхронного двигателя при помощи конденсаторов, то двигатель не становится
от этого лучше в качестве приёмника электрической энергии. Характер нагрузки двигателя,
каким был, таким и остался. Благодаря емкости в данном случае улучшается характер нагрузки
в линии электропередачи, что приводит к уменьшению реактивных потерь только в данной
линии.
Аналогично, применительно к УКВ антенне: компенсируя реактивность неэффективного
излучателя, он таковым и останется, – работающим неудовлетворительно и с низким КПД,
несмотря на замечательные показания КСВ – метра. Поэтому, если целью является
максимальное излучение электромагнитной энергии в пространство, то приведённое входное
сопротивление антенны должно быть изначально чисто активным.
Короче говоря, пайка замысловатых сомнительных устройств в точке питания вибратора для
диапазона 23 см. как и танцы с бубном, это ближе к шаманству и никак не связано с серьёзным
техническим решением.
А серьёзное техническое решение очевидно, – делать всё коаксиально!
Ещё несколько предпосылок, которые формировали требования при создании антенны:
Низкое значение обратной волны в очень широком диапазоне частот это совсем не плохо, но
приходится жертвовать усилением антенны. Поэтому рассчитывал получить низкое значение
обратной волны в умеренном частотном диапазоне, но в тоже время сохранить
погодоустойчивость, а так же приемлемое отношение G/T.
параметры антенн: 


рис. 1 YAGI ANALISIS 3.54.Антенна 43 элемента Tgnd = 290K; Tsky = 15K 
Оптимизация антенн выполнялась вручную в MMANA, на частоте 1316 мГц.

Корректировал результаты после просмотра в NEC2 for MMANA.

Финальную версию 43-ёх элементной антенны выбирал по результатам YAGI ANALISIS 3.54. (рис. 1).

Диаметр элементов при расчётах 4,8 мм.
 
 
рис. 2 График КСВ в функции частоты, 43 элемента
 

рис. 3 График активного и реактивного сопротивлений, 43 элемента
 
Максимальное усиление в Nec2 for MMANA на частоте 1304-1305 мГц составляет 21,81dBi, всего на 0,09 больше

относительно 1296 мГц. YAGI ANALISIS 3.54 показывает разницу ещё меньше, – 0,02.

рис. 4 исходные данные и результаты расчёта трансформатора

рис. 5 детали трансформатора, вибратора и рефлектора.

рис. 6 поясняет конструкцию трансформатора, вибратора и директоров.

рис. 7 размер трансформатора и вид конструкции в сборе.

Таблица 1: размеры антенны 43 элемента в метрах.

* Длина активного вибратора при наружном диаметре трансформатора 12 мм.
* Длина рефлектора при наружном размере хомута 15 мм.
 

 
рис. 8 длина активного вибратора, вид конструкции в сборе
 

рис. 9 длина рефлектора, вид конструкции в сборе
 
Модели антенн, которые устроили, получил относительно быстро. А вот удачное воплощение
в реальную конструкцию задержалось на годы... )))
Крепление элементов на стеклопластике при помощи клипс, когда значительная часть элемента
закрыта диэлектриком, смещало графики антенны существенно, вниз по частоте. Говорить о
соответствии модели и реальной антенны не приходилось...
Не сразу, пришла простая знакомая мысль: – «кто нам мешает, – тот нам поможет!» (к/ф
«Кавказская пленница» : ))). То есть, если разместить элементы над металлической траверсой,
которая будет смещать параметры антенны вверх по частоте и подобрать расстояние над
элементами такое, чтобы диэлектрик, смещая графики параметров антенны вниз по частоте,
компенсировал это влияние? Носил эту мысль без практического воплощения, пока не попались
на глаза багеты для подвесного потолка. Багет хорошо вставляется в алюминиевый швеллер
15х15х15 мм. Предположил, что влияние дна швеллера будет компенсировано диэлектриком.
Влияние боковых частей швеллера полагал, будет незначительным, ввиду малой площади
торцевой поверхности.
Эксперименты показали, что предположение оказалось удачным. График КСВ 43-ёх
элементной антенны показал значения очень близкие к графику модели (рис 2).
Багет с одной стороны имеет тонкий желобок, использовал его для фиксации сверла. Сверлил
отверстия под элементы ручной дрелью. Сначала тонким сверлом затем большим диаметром,
чтобы элемент вставлялся с усилием. Ортогональность отверстия после первого сверла в случае
необходимости корректировал надфилем. Испортил несколько пластиковых подставок, затем
приспособился и подставки пошли легко без подтачиваний и брака.
Для изготовления элементов пользовался простыми инструментами: лобзиком и напильником,
без каких либо приспособлений. Подгонка элемента по размеру выполнялась штангенциркулем
за несколько минут.Хомут для крепления рефлектора выполнен из алюминиевой полоски толщиной 0,5 мм.
Наружный размер в точке крепления половинок рефлектора, – 15 мм., за счёт винтов М3 в
потай.
Оказалось что прямоугольный швеллер в качестве траверсы очень удобен для разметки.
Разметку выполнял метровой линейкой с делениями 0,5 мм. Сначала устанавливается активный
элемент. На боковой поверхности швеллера делается риска большой иголкой напротив центра
активного вибратора. Линейка фиксируется на риске с делением 27 мм., зажимается двумя
струбцинами и размечается положение следующих элементов. Перед отметкой положения
элемента последующего метра проверял расстояние второй линейкой с соседними рисками, в
случае необходимости уточнял положение основной линейки, зажимал струбцинами и
продолжал разметку.
Крепление подставок для элементов при помощи ...изоленты вызывало чувство лёгкой
самоиронии, но это чувство было безжалостно подавлено ленью, которой природа так щедро
наградила... ))) В этом противоборстве лень одержала безусловную победу! Действительно,
сверлить 40 или 60 отверстий с высокой точностью не готов. С изолентой удобно
корректировать положение директоров и ортогональность.
После выравнивания элементов и проверки работоспособности антенны зафиксировал
пластиковые подставки клеем БФ-2. В процессе высыхания клея поправлял элементы, если
наблюдалась деформация. Через несколько суток нанёс ещё слой клея.
КСВ в функции частоты контролировал при помощи двух приборов «Kuranishi Instruments»
RW-271 соединённых последовательно с проверенными переходниками различной длины.
Приборы так же проверены на эталонную нагрузку. Такой способ с очень высокой степенью
достоверности позволяет определить частоту с наименьшим значением обратной волны.
Минимальный КСВ будет на частоте, при которой оба прибора показывают минимальное
значение.
В реальности КСВ в широком диапазоне частот имел значение очень близкое к единице.
Чтобы зарегистрировать минимум приходилось ручки прямой волны КСВ - метров выкручивать
на максимум. Миниатюрный ливень (рис. 10) еле заметно повлиял на показания приборов.

рис. 10
 
На рисунках 11, 12 и 13 показаны параметры антенны и графики зависимости КСВ от частоты,

которые дают представление о влиянии диаметра элементов.

рис. 11 График КСВ в функции частоты, 43 элемента, диаметр элементов 4,5 мм.

рис. 12 График КСВ в функции частоты, 43 элемента, диаметр элементов 5,5 мм.

рис. 13 График КСВ в функции частоты, 43 элемента, диаметр элементов 5 мм.
 
 Рисунок 13 показывает, что при диаметре элементов 5 мм. программа показывает усиление чуть выше,

чем при расчётном диаметре 4,8 мм. Отношение G/T при диаметре 5 мм. снижается на несколько сотых.
 Нужно ещё заметить, что представленные расчёты и графики, - это всего лишь некая идеалистическая

интерпретация, полученная при помощи программ, которые имеют погрешности. 
 Элементы антенн выполнены из имеющихся у меня алюминиевых прутков от АЛРОС-а диаметром 4,9 мм. 
 Таблица 2: размеры антенны 64 элемента в метрах. 
 Длина активного вибратора при наружном диаметре трансформатора 12 мм.

Длина рефлектора при наружном размере хомута 15 мм.

рис. 14 График КСВ в функции частоты, 64 элемента

15 График активного и реактивного сопротивлений, 64 элемента
 
 Ниже несколько фото конструкции:


Объективную оценку эффективности антенны может дать измерение шума Солнца. В моём
варианте с 64-ёх элементной антенной потери перед МШУ, - 0,5 дБ. и шум фактор МШУ
порядка 1,0 дБ. Солнце слышно с уровнем 5 дБ. при IPS Flux Date = 92, в соответствии с ЕМЕ
калькулятором VK3UM.
На скрине сигнал маяка ON0EME при расстоянии до Луны 375234 км. Это примерно
посередине между апогеем и перигеем. Реальный сигнал маяка с уровнем -22 дБ, - что на 1 дБ.
лучше значения, которое показывает калькулятор. А при уменьшении дистанции между Луной и
Землёй, и благоприятных условиях, очевидно, можно рассчитывать на прибавку сигнала.

73!