Антенна Long Yagi УКВ диапазона

Martin Steyer, DK7ZB, подготовил очень интересный обзор современных концепций и достижений разработчиков таких антенн. С помощью компьютерного моделирования можно с высокой точностью определить размеры антенн, в том числе антенн Long Yagi, которые предназначены для проведения дальних наземных и ЕМЕ-радиосвязей. Правда, Gunter Hoch, DL6WU, еще 30 лет назад экспериментально разработал конструктивные основы эффективной антенны Long Yagi. Его разработка этой темы до настоящего времени остается «стандартом» для этого типа антенн. До появления работ Гюнтера были распространены гомогенные антенны, у которых директоры имели одинаковую длину и равные расстояние между элементами. Такие антенны были не оптимальны по усилению и имели значительные боковые лепестки в диаграмме направленности.

DL6WU установил, что постепенное увеличение расстояния между директорами до максимального 0,45Х при одновременном уменьшении их длины приводит к росту усиления и улучшению диаграммы направленности антенны. Кроме того, он также определил поправочные коэффициенты при монтаже элементов на проводящем «буме», установленные на основе трудоемких экспериментов, которые до сегодняшнего дня невозможно промоделировать компьютерными программами, доступными для радиолюбителей. Во всех формулах для расчетов используются эти поправочные коэффициенты.

Для получения оптимального компромисса между усилением, шириной рабочей полосы частот и диаграммой направленности Мартин, DK7ZB, в 1997 г. представил ряд антенн Long Yagi, использующих т.н. «технику 28 Ом», и разработал их теоретические основы. Эти антенны Мартин постоянно совершенствует. Их характеристики, как правило, проверены. О том, что эти антенны эффективны, свидетельствуют результаты многих ЕМЕ и контест групп, использующих такие антенны.

Другой немецкий радиолюбитель, Reiner Bertelsmeier, DJ9BV, выяснил, что не только коэффициент усиления, но также и нежелательный прием шумов боковыми и задними лепестками диаграммы направленности антенны играет большую роль в оценке ее эффективности. Он ввел понятие отношения усиления антенны (G) к температуре шумов (Т). Это отношение чаще всего дается в логарифмической шкале, т.е. в децибелах.

Существует два противоположных подхода к решению проблемы собственных шумов антенны. В одном случае антенны проектируются в расчете на максимальное усиление, что приводит, в частности, к их узкополосности. То, что эти антенны, обязательно имеющие явно выраженные боковые лепестки диаграммы направленности, и при использовании которых не обращается внимание на отношение G/T, эффективны в 2-метровом диапазоне, подтверждают высокие результаты, достигнутые некоторыми радиолюбителями в ЕМЕ-радиосвязи.

Второй подход подразумевает значительное подавление боковых лепестков в диаграмме направленности, что, однако, приводит к уменьшению усиления антенны.

Между тем, Lionel, VE7BQH, при оценке параметров антенн 2 метрового диапазона рассматривает две новые величины: активный импеданс вибратора на частоте 144,1 МГц, а также КСВ на частоте 145 МГц. Вторая величина фактически свидетельствует о широкополосности антенны. В основном, в антеннах Long Yagi график КСВ не является равномерным около заданной частоты. Верхнюю граничную частоту во многом определяют размеры директоров. Для получения оптимальной эффективности антенны директоры должны иметь длину, которая соответствует заданной рабочей частоте. Только на этой частоте получается максимальное усиление.

График КСВ 12-элементной антенны DK7ZB

12-элементная антенна DK7ZB

На рис.1 показан график КСВ 12-элементной антенны DK7ZB (рис.2) для диапазона 2 м. Расчетная резонансная частота составляет 144.3МГц, и выше этой частоты КСВ быстро растет. Расширить рабочую полосу частот можно ценой снижения эффективности директоров, но тогда снизится усиление на рабочей частоте. Широкополосность антенны Long Yagi куда больше зависит от расположения директоров, нежели от типа вибратора. Тип вибратора (простой диполь, сложный диполь или петлевой) имеет второстепенное значение.

С точки зрения усиления конструкторы антенн очень интенсивно спорят на тему совсем иного параметра — сопротивления излучения, которое зависит от распределения токов в вибраторе и, главное, от влияния соседних пассивных элементов. Дополнительную роль играют омические потери в результате проявления поверхностного (скин) эффекта.

В основном, существуют два метода достижения согласования питающего кабеля (чаще всего 50 Ом) с входным сопротивлением антенны. Как правило, антенны Yagi (как короткие, так и Long Yagi) с большим усилением и малой шириной рабочей полосы частот имеют сопротивление излучения менее 50 Ом. В коротких антеннах согласование с 50-омным кабелем достигается установкой очень близко к вибратору дополнительного согласующего элемента. Такой элемент увеличивает сопротивление излучения. Это не типичный директор, а скорее, элемент «открытого рукава» (open-sleeve), который надо рассматривать как сложенную и сжатую систему вибратора. При этом надлежит считаться с дополнительным расходом материала, весом антенны и увеличенным ветровым сопротивлением конструкции. Тем не менее, при тонких элементах УКВ антенны эти соображения играют второстепенную роль.

Второй метод согласования подразумевает, что антенна имеет определенное «родное» сопротивление, которое приводится к сопротивлению 50 Ом установкой трансформатора. При тщательно изготовленном узле трансформации сопротивлений потери оказываются не больше, чем в «чистой» 50-омной системе, что было подтверждено измерениями на трансформирующих проводах на кабелях с малыми потерями.

Целью проектирования низкотемпературной Yagi, выполненного Ljubusa Рора, YU7EF, является значительное подавление первого бокового лепестка диаграммы направленности.

Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости 10-элементной Yagi диапазона 2 м

На рис.3 показана диаграмма направленности в горизонтальной плоскости 10-элементной Yagi диапазона 2 м, разработанной YU7EF и имеющей длину бума 5,3 м при усилении 12,57 дБд. Хорошо виден сильно подавленный боковой лепесток и сравнительно слабо подавленный задний.

При моделировании петлевого диполя в качестве вибратора в антеннах Long Yagi Justin Johnson, GOKSC, обратил внимание на один феномен. В прежние годы в антеннах Yagi преимущественно использовались прямоугольные петлевые вибраторы. Они размещались вертикально и чаще всего запитывались в середине. Попытки изменения этой устоявшейся конструкции не приносили практически никакой пользы. Однако G0KSC установил прямоугольный петлевой вибратор в горизонтальной плоскости между рефлектором и директором (рис.4).

Прямоугольный петлевой вибратор в горизонтальной плоскости между рефлектором и директором

Питается антенна в середине одной из сторон вибратора (чаще всего тыльной), и имеет входное сопротивление 50 Ом. Впоследствии это устройство назвали Loop-Fed-Yagi. При незначительно большей длине бума по отношению к традиционной антенне Yagi такой способ возбуждения приводит к большей широкополосности при несколько меньшем усилении антенны.

В настоящее время появляются новейшие разработки. Dragoslav Dobricic, YU1AW, обратил внимание на конструкцию петлевого вибратора от G0KSC и еще раз модифицировал питание антенны. Отправной точкой для оптимизации параметров антенны является тот факт, что конструкция и местоположение вибратора (простой либо петлевой) являются компромиссом между необходимостью максимального подавления заднего лепестка диаграммы направленности, получения максимального усиления и обеспечения требуемого входного сопротивления антенны. Для разрешения этой проблемы YU7AW предложил горизонтальный тройной петлевой диполь (рис.5).

 

Горизонтальный тройной петлевой диполь

Одна часть этого диполя служит для уменьшения расстояния до 1-го директора и оптимизации этого расстояния. Часть петлевого диполя, соседствующая с рефлектором, может использоваться для оптимизации подавления заднего лепестка диаграммы направленности, а средняя ветвь диполя — для питания антенны. Входное сопротивление антенны можно сделать 200 Ом, что обеспечивает очень простое согласование с 50-омным коаксиальным кабелем.

Конструкция тройного петлевого вибратора, конечно, довольно сложна в реализации, но в результате можно получить большую широкополосность, чем в традиционном вибраторе, и лучшее подавление задних лепестков диаграммы направленности.

YU1AW утверждает, что тройной петлевой вибратор можно установить на существующих высокоэффективных антеннах Yagi и, соответственно, значительно улучшить их параметры (в частности, подавление заднего лепестка). К сожалению, на момент подготовки настоящей публикации отсутствуют сведения о практической реализации этой идеи.

http://www.vhf-uarl.org/publ/ugolok_konstruktora/antenna_long_yagi_ukv_diapazona/5-1-0-42