Двухдиапазонная J-антенна 145/435 МГц

[Admin]

Двухдиапазонная J-антенна 145/435 МГц

Николай ЕГОШКИН (R2SDN), г. Рязань

В статье предложена конструкция двухдиапазонной J-антенны на диапазоны 145 МГц (fj и 435 МГц (f2) с усилением 2,5/6 дБи, которую можно изготовить из цельной трубы без разрывов и лишних опорных изоляторов. Для эффективной работы антенны на диапазоне 435 МГц добавлен продольный резонатор. Исследованы модели коллинеарных J-антенн с таким резонатором.
Широко известна J-антенна, которая представляет собой вертикальный штырь — полуволновый диполь, запитанный с конца и согласуемый с использованием четвертьволнового резонатора-противовеса [1]. Получается прочная и удобная конструкция, которая не требует разрезания вибратора. Такую антенну можно изготовить из цельного отрезка провода или металлической трубы. Известны также коллинеарные J-антенны с большим усилением, но их конструкцию усложняют линии задержки.
Разработка двухдиапазонной J-антенны (например, на диапазон 145/435 МГц) представляет собой определённые трудности [2]. Даже если на втором диапазоне 435 МГц обеспечивается приемлемое согласование, диаграмма направленности (ДН) оказывается неподходящей для дальних связей. Известна антенна Open Stub J-Poles с дополнительным штырём [3], но её изготовление требует использования опорного изолятора для одного из штырей, при этом ДН несимметричная, а усиление на втором диапазоне не намного больше, чем у диполя. Более перспективно превращение антенны на втором диапазоне в коллинеарную с большим усилением [2]. Однако это решение требует внесения разрыва в вибратор антенны, что усложняет конструкцию и снижает её прочность.
В описываемой конструкции предлагается вместо разрыва вибратора антенны использовать дополнительный проводник, располагаемый вдоль вибратора и соединённый с ним. Хорошо известно, что короткозамкнутая двухпроводная линия длиной 0,25Х может использоваться для отсечки тока. По тому же принципу работает предлагаемый продольный резонатор. Подбирая его положение и длину (около 0,2Х), можно заставить антенну работать на двух диапазонах. На практике дополнительный резонатор удобно выполнить из провода меньшего диаметра, тогда он может быть буквально закреплён в нужном месте основного вибратора без снижения механической прочности J-антенны. На рис. 1 приведена конструкция предлагаемой антенны, дополнительный продольный резонатор показан синим цветом.

На основной частоте влияние продольного резонатора на характеристики антенны минимальное. На втором диапазоне его итоговый вклад теоретически оценить не так-то просто. Поэтому для подбора оптимальных размеров антенны использовалось имитационное моделирование в известной программе MMANA-GAL. Для определённости рассматривалась J-антенна на основную частоту f-i = 145,5 МГц из алюминиевой трубы диаметром 8 мм с продольным резонатором из провода диаметром 2 мм. Вторая рабочая частота f2, на которой антенна должна хорошо работать, перебиралась в диапазоне
424.. .446 МГц с некоторым шагом, что позволяет оценить возможности введения второго диапазона в антенну. При оптимизации в модели требовалось обеспечить точное согласование антенны с кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом на частоте f, = 145,5 МГц. При этом КСВ антенны на частоте f2 должен быть приемлемым и должно быть получено максимальное усиление антенны на частоте и особенно на частоте f2 в горизонтальной плоскости, которое как раз и важно для дальних связей. Расчёты проводились в свободном пространстве без учёта влияния поверхности Земли, что на УКВ предпочтительнее.

На рис. 2 показаны достигнутые при оптимизации результаты. На частоте всегда обеспечивался КСВ = 1 и усиление в горизонтальной плоскости =2,5 дБи, это чуть ниже, чем можно достигнуть для однодиапазонной J-антенны (=2,7 дБи), потому что необходим компромисс с работой на частоте f2. Ширина полосы на первом диапазоне — около 3 МГц при КСВ < 1,5. В диапазоне
430.. .440 МГц можно получить приемлемое согласование (КСВ < 1,2) и хорошее усиление (до 6 дБи). Ширина полосы антенны с f2 = 435 МГц — около 3,8 МГц при КСВ < 1,5. Поэтому размеры антенны следует выбирать с учётом предполагаемой частоты работы f2. На сайте редакции имеется файл в формате Excel (*.xls), содержащий размеры оптимизированных под конкретную частоту f2 антенн, их параметры, рассчитанные программой MMANA-GAL, а также набор файлов моделей соответствующих антенн в этом формате (*.таа).
Снижение требований к КСВ позволяет поднять усиление на частоте f2, а доведение КСВ на частоте f2 до идеала, наоборот, может заметно снизить усиление. Поэтому представленные результаты моделирования лучше рассматривать как ориентир для будущей пользовательской оптимизации. В принципе, добавив ещё один продольный резонатор, можно получить точное согласование на частоте f, и на частоте f2 в диапазоне 424...462 МГц (файлы моделей выложены на сайте редакции), но едва ли такое усложнение целесообразно практически.
Антенна проявляет некоторые направленные свойства. Излучение в горизонтальной плоскости в направлении расположения резонатора на частоте f2 примерно на 1,4 дБ больше, чем в противоположном. Поэтому антенну следует располагать "выступом" в сторону потенциальных корреспондентов. Эту асимметрию можно уменьшить, используя не один, а два продольных резонатора, располагаемых симметрично с разных сторон от вибратора, но это едва ли оправдано.

Антенна изготовлена из алюминиевой трубы диаметром 8 мм, согнутой соответствующим образом. Для продольного резонатора использован провод диаметром 1,8 мм. Модель изготовленной антенны — в файле R2SDN_Test1 .maa. Для крепления продольного резонатора труба облуже-на в нужной точке с помощью флюса для пайки алюминия, провод резонатора накручен на трубу и припаян (рис. 3). Для упрочнения конструкции использована вставка-стойка из фольгированного стеклотекстолита, у которого фольга оставлена только на концах, которые и припаяны к трубе и резонатору. Две таких вставки-стойки использованы и в первом диапазоне (рис. 4). Лучше не ставить стойки в местах пучности напряжения.

Для подключения кабеля питания в нужных точках труба облужена, на неё накручена лужёная проволока и затем пропаяна, образуя "усы" для подключения. Рядом с местом подключения кабеля обязательно необходим развязывающий дроссель — пять или шесть витков кабеля на оправке диаметром 30 мм или ферритовые кольца, надетые на кабель. Автор использовал дроссель из кабеля RG-58 A/U, но из-за высоких потерь он не пригоден при большой длине кабеля снижения.
Для крепления антенны к мачте использовались стандартные крепления для пластиковой водопроводной трубы, поскольку мачта для антенны должна быть диэлектрической (антенна не имеет грозозащиты!). Моделирование не подтверждает мнение, что нижнюю часть J-антенны можно заземлять. Заземление непредсказуемо испортит согласование и ДН. Для корректного заземления J-антенн необходим четвертьволновый отсекающий стакан. Верхняя часть трубы антенны заткнута пенопластом и залита герметиком. В нижней части антенны просверлено дренажное отверстие.
Испытания реальной антенны показали отличное соответствие модели. КСВ на частоте 145,6 МГц — 1,01 без какой-либо подстройки J-согласова-ния. На втором диапазоне после установки стеклотекстолитовых вставок-стоек резонанс оказался заметно ниже по частоте, вероятно не следовало оставлять металлизацию у стеклотекстолита и припаивать к проводу продольного резонатора, лучше было бы просто приклеить. Получить требуемый резонанс помогло подрезание провода резонатора на пару миллиметров, тогда КСВ на частоте 435 МГц уменьшился до 1,16.

После изготовления антенны возник интересный вопрос. Насколько вообще эффективны коллинеарные J-антенны с продольным резонатором по сравнению с традиционными вариантами, например с использованием поперечной линии задержки [2]? Имеет смысл сравнить между собой антенны трёх типов. Первый — J-антенна с дополнительным проводником внизу. Такой проводник часто присутствует у практических реализаций J-антенн, но строго говоря, в итоге получается другая антенна. Второй тип — обычная коллинеарная J-антенна с линией задержки. Третий тип — коллинеарная антенна с продольным резонатором, который направлен вверх (а) или вниз (б).

Моделирование этих типов антенн для частоты = 145,5 МГц выполнено в программе MMANA-GAL. Материал антенн — алюминиевая труба диаметром 8 мм. Общий вертикальный размер (длина) антенны — S (как сумма длин штыря, резонатора и проводника внизу для первого типа) изменялся в некотором интервале. Это было необходимо, поскольку, вообще говоря, усиление антенны зависит от её длины, а J-резо-натор согласует антенну почти любой длины. Для каждого значения S проводился подбор длины штыря, размеров резонатора и точки подключения кабеля для точного согласования антенны с кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом при условии максимума усиления антенны Gnn в горизонтальной плос
кости. Для массового расчёта применялось внешнее управление программой MMANA-GAL [4].
Результаты моделирования представлены на рис. 5. Показаны зависимости Gnn(S), отношение вперёд-назад (F/B) и схематично внешний вид антенн разных типов. На сайте редакции выложены файлы в формате Excel с размерами оптимизированных антенн и достигнутыми параметрами, а также соответствующие файлы моделей (*.таа). Конечно, полученные модели следует рассматривать лишь как ориентир, поскольку нельзя исключить, что возможны и более удачные варианты, оптимизация может быть выполнена по другим критериям.
Антенна первого типа 1 (с проводником внизу) наиболее компактная. Максимум Gnn « 4,9 дБи (2,7 дБд) достигается уже при S ~ 2,45 м, получается аналог — ’’две по 5/8V. Но следует констатировать, что это уже не совсем J-антенна, ибо она питается не с конца, и соответственно возникает проблема корректного вывода кабеля. Для этого его надо выводить вбок или использовать четвертьволновый стакан. Например, можно провести кабель вниз внутри трубчатого проводника, а оплётку кабеля ухитриться подключить к трубе на расстоянии 0,5 м от конца трубы. В итоге получается, как это ни удивитель
но, антенна с продольным резонатором, который заставляет цельную трубу работать подобно разрезному вибратору. Такая антенна может быть изготовлена из единой трубы, к которой в нужном месте припаян четвертьволновый продольный резонатор (тогда его можно сделать из более тонкой проволоки).
Антенну первого типа можно делать короче оптимальной, соответственно проигрывая в усилении. Стоит отметить, что удлинение классической J-ан-тенны, не имеющей дополнительного проводника внизу, бессмысленно, ведь усиление в горизонтальной плоскости не растёт.

Обычная коллинеарная J-антенна (второй тип) позволяет обеспечить прирост эффективности. Максимум Gnn ~ 5,4 дБи при длине S = 2,93 м. Такая антенна самая широкополосная из рассматриваемых, полоса пропускания — 4 МГц по уровню КСВ < 1,5. Её тоже можно делать короче оптимальной, при этом полоса пропускания даже растёт.
А вот антенны третьего типа с продольным резонатором делать короткими нет смысла. Зато при длине S = 2,9 м этот тип даже обгоняет по усилению второй тип. Правда, у третьего типа ДН чуть менее симметричная, о чём сказано выше.
Аналогичные выводы можно сделать и по результатам моделирования коллинеарных J-антенн с большим числом звеньев. Полученные при оптимизации параметры показаны в таблице (модели *.таа выложены на сайте редакции).
Таким образом, коллинеарные J-антенны с продольным резонатором вполне имеют право на существование не только в двухдиапазонном варианте. Их преимущество в том, что они могут быть изготовлены из цельной трубы без разрывов, хотя оказываются более узкополосными, а их оптимальный размер больше. Но J-антенны вообще не самые лучшие по соотношению усиление/размер из-за наличия ’’лишнего’’ противовеса — резонатора длиной 0,25Х, да и для установки их на токопроводящей мачте необходим ещё и отсекающий стакан такой же длины.

ЛИТЕРАТУРА

1. Полуволновые антенны с резонаторным питанием. — URL: https://www.qrz.ru/ scheme s/contribute/antenn s/rk3zk-ant.shtml (04.12.23).
2. J-антенна 145/435 МГц. — URL: http://dl2kq.de/ant/3-85.htm (04.12.23)
3. Наружная двухдиапазонная 144/440МГц J-антенна Open Stub J-Poles. — URL: https://qth.kz/v-pomoshch-nachinay-ushchim/antennoe-khozyajstvo/1 26-naruzhnaya-dvukhdiapazonnaya-1 44-440mgts-j-antenna-open-stub-j- poles (04.12.23).
4. Программа для внешнего управления
моделировщиком MMANA-GAL при оптимизации УКВ-антенн с учётом формы ДНА. — URL: http://zvzd3d.ru/AntExp1/Yagi3
Opt430_2.htm (04.12.23).
От редакции. Файлы для моделирования антенн находятся по адресу http:// ftp. radio, ru/pub/2024/01 /j-ant. zip на нашем FTP-сервере.