В очередной раз ко мне в руки попал антенный анализатор (АА) MFJ-259 (“спалили” и попросили отремонтировать). Грешно было не воспользоваться представившейся возможностью: отремонтировал и опробовал в деле – получились две малогабаритные антенны двухметрового диапазона.

Решив поэкспериментировать с антенной, описанной в [ 1 ], я попытался добиться согласования её с 50-омным кабелем без применения дополнительных согласующих устройств – путём изменения формы вибратора.

При настроечных операциях применялся АА MFJ-259, работа с которым довольно подробно описана в [ 2 ]. Способ питания антенны (через отрезок 50-омного кабеля), материал и технология изготовления вибратора такие же, как в [ 3 ]. В качестве проводника вибратора применялся алюминиевый провод диаметром 3 мм в ПХВ изоляции от силового трёхфазного кабеля. Поскольку антенна изготавливалась экспромтом, то концы провода для формирования рамочного вибратора скреплялись ПХВ изолентой: концы провода вибратора, к которым подключается фидер, заведены друг за друга, уложены изоляция на изоляцию и отогнуты под углом 90 градусов (Рис. 1).

Рис. 1. Вид монтажа концов рамки вибратора антенны.

Для изготовления вибратора антенны возможно применение медного или обмеднённого алюминиевого провода, биметалла. Концы алюминиевого провода вибратора облуживаются с помощью специального флюса. Возможно применение винтов М2 с шайбами и гайками, с помощью которых к расплющенным концам провода вибратора, в которых просверлены отверстия, крепятся лужёные лепестки, к которым уже и припаиваются концы кабеля питания.. При настроечных операциях, или, при изготовлении экспромтом, удобнее: зачищенные концы вибратора обмотать медным, лужёным проводом диаметром 0,2…0,5 мм с натягом виток к витку и пролудить. К полученным, таким образом, контактным точкам, припаивают концы питающего антенну кабеля. Возможно также простое привязывание концов кабеля к концам вибратора проволочным бандажом, пристёгивание с помощью пластмассовых бельевых прищепок.

Антенны (Рис.2 и Рис. 3) имеют на резонансной частоте входное сопротивление (импеданс) 50 Ом, КСВ - очень близок к 1 и поднимается у антенны (Рис. 2) до 1,15, а у антенны (Рис. 3) – до 1,1, при изменении частоты в пределах 144…146 МГц.

Рис. 2. Эскиз малогабаритной “флажковой” антенны. Полотно антенны, условно, для наглядности отодвинуто от мачты, выполненной из диэлектрика, указаны места крепления вибратора на мачте с помощью бандажа из ПХВ изоленты или ниточного. Если антенна устанавливается не в помещении, то ниточный бандаж и места подключения кабеля необходимо герметизировать. При применении ферритового кольца (см. статью), питающий кабель можно пропустить вниз по противоположной от полотна вибратора стороне мачты, влияние кабеля, однако, следует учесть при настройке антенны.

Отсюда следует вывод, что антенны – достаточно широкополосны, хотя первая из них – узкополосней второй. Антенна (Рис. 2) может быть привязана ПХВ изолентой к диэлектрическому основанию, например, подставке, мачте и т.п., при этом, она приобретает вид двух флажков, расположенных один над другим. Антенна (Рис. 3) может быть установлена, например, на подоконник, выполненный из диэлектрика, на “собственную подставку” – сторону вибратора, свёрнутую в горизонтальной плоскости, или подвешена на нити (нитях), рыболовной лесе. Антенны, как излучающие устройства, следует устанавливать подальше от металлических предметов и проводов, мест постоянного нахождения людей и домашних животных, комнатных растений, стен, особенно имеющих в своём составе металлическую арматуру, хотя антенны замкнутого типа могут быть, без ущерба их характеристикам, расположены к предметам ближе, чем незамкнутые. Обе антенны имеют вертикальную поляризацию и предназначены, в основном, для проведения местных радиосвязей в УКВ сетях и через репитеры, в условиях, когда “штатной” антенны, например, переносной радиостанции уже “нехватает”, а установка полноразмерной антенны на крышу невозможна или нежелательна.

Рис. 3. Эскиз малогабаритной “свёрнутой” антенны. Периметр рамки, как обычно, равен λ – длине волны, а сторона 1/10 λ. С учётом заделки концов вибратора и рабочей частоты (центральной, резонансной) антенны, длина стороны маленьких квадратиков для диапазона 2 метра составляет 195…198 мм. Окончательная настройка – только по приборам. Свернув “кубик” вибратора, верхнюю его грань “переламывают” пополам по диагонали, отгибая вверх на угол 90 градусов. Крепление антенны можно осуществить как подвесом на нити из изоляционного материала, поставить на подставку из изолятора или прикрепить к мачте из изоляционного материала способом, показанным на Рис. 2.

Поскольку обе антенны имеют уменьшенные размеры, то и эффективность у них – несколько меньшая, чем у полноразмерных антенн, а диаграмма направленности приближается, за счёт наличия большого количества лепестков и расположения среди зданий и внутри их, к круговой, хотя были выявлены два неглубоких минимума и “размытые” максимумы, подобные одиночной полноразмерной рамке, модификацию которой и представляют собой описываемые антенны.

При использовании антенн внутри помещений, наиболее подходящим местом для их размещения является окно, хотя возможна подвеска их к потолку, люстре, бра. По сравнению с “электрическими”, у данных (“магнитных”) антенн есть явные преимущества: меньшие размеры, пониженная реакция на окружающие предметы и воздействия (например, с помощью рук, которое не ощущается уже с расстояния, примерно в 20 см от полотна антенны, для сравнения диполь “чувствует” руки и за метр), также, на помехи искрового характера, антенны замкнуты по постоянному току.

Рис. 4. РЧ измерительный мост. Схема принципиальная электрическая. [ 4 ]. Используется с ИЧХ, например, Х1-48 при антенных измерениях.

При установке антенны следует ориентироваться по максимуму принимаемого сигнала корреспондента или репитера. В найденном положении антенна фиксируется – такую процедуру необходимо выполнить, поскольку внутри помещения неизвестно под каким углом будет приходить сигнал, как правило, отражённый или комбинация сигналов, приходящих под разными углами и складывающихся в антенном полотне в фазе. Эффективность антенн проверена на прямых связях и через тюменские репитеры RR9LA (145000/145600 кГц) и RR9LB (145100/145700 кГц). Выигрыш, по сравнению с традиционной “резинкой” - “штатной” антенной портативной радиостанции Standard-510 , составил от 3 до 7 баллов по шкале S-метра радиостанции для различных корреспондентов. Добавка - существенная, несмотря на малые габариты антенны. Антенна (Рис. 3) была проверена в условиях традиционного первомайского турпохода тюменских “моржей” из клуба “Кристалл” (членом которого является и автор), на природу к Голубым Озёрам, находящимся недалеко от города Тюмень. Там, в сосновом бору, на “резиновую” антенну корреспонденты не реагировали и только подключение, предусмотрительно взятой с собой малогабаритной антенны, спасло ситуацию (при связи удерживал вышеупомянутую антенну веткой в 1 метре над головой), со штатной антенной, пришлось залезть на сосну - 12 метров над уровнем земли, и только тогда корреспонденты стали сигнал “замечать”.

При самостоятельном изготовлении антенн, желательна их индивидуальная настройка по приборам. В качестве антенн можно использовать различные по габаритам и конфигурации куски металла, так автором в качестве антенны была использована стальная рама от радиостанции “Кама-С”, имеющая относительно диапазона 144 МГц случайные размеры, куски провода, свёрнутые в виде греческих букв “альфа”, “гамма” и “омега”… Благодаря применению АА MFJ-259, все антенны были настроены и согласованы под входной импеданс 50 Ом без применения дополнительных согласующих устройств, использовалась только конфигурация излучателей и их особое включение, конечно же, шли в ход и размеры. В последнем случае, была выявлена возможность работы антенн как двухдиапазонных.

При изготовлении антенны только по описанию, без приборов, особенно, при применении отличного от авторского материала, с наличием его повреждения (погнут, помят, неоднороден), а также с наличием того или иного рода неточностей и припусков при изготовлении антенны, антенна может резонировать за требуемым диапазоном частот, и автор останется “виноват” в напрасно потраченном Вами на изготовление антенны времени. Отсюда необходим тщательный инструментальный контроль на конечной стадии настройки антенны, как бы тщательно по размерам она ни изготовлялась. Настроенные по приборам (АА, КСВ - метрам, ИЧХ) и антенны с уменьшенными габаритами совсем неплохо работают. Для симметрирования у точек питания антенны на кабель следует одеть ферритовое колечко проницаемостью 50…20, зафиксировав его от перемещения, что позволит более свободно располагать в пространстве фидер относительно излучателя антенны и ещё уменьшить влияние на антенну окружающих предметов и тела оператора.

При работе с антенной [ 3 ] замечено интересное явление – перемещение в пространстве диаграммы направленности антенны, при движении симметрирующего кольца по фидеру (вблизи подключения к антенне). Перемещение небольшое: от положения симметричного питания, когда физическая ось направленной антенны [ 3 ]_соответствует оси диаграммы направленности (ДН) до положения ДН при несимметричном питании. Этот эффект можно использовать для электронного сканирования направленной высокоэффективной антенной в небольшом секторе как по азимуту, так и по углу места (элевация), в зависимости от поляризации, и не только перемещением кольца, но и электрическим управлением проницаемости кольца, например, его подмагничиванием.

При изготовлении антенн, обычно, делаются конструктивные припуски, при настройке, постепенно, при контроле по приборам, полотно антенны (периметр рамки) уменьшают до нормы – резонанса на нужной частоте (откусывают бокорезами кусочки провода – лучше, симметрично: с обоих концов вибратора). Если Вы, случайно, “переборщили” – откусили больше, чем нужно, - не расстраивайтесь и не спешите выбрасывать рамку или бросаться её вытягивать, помните, что концы питающего кабеля, от того места, где нарушается его регулярность (центральный проводник выходит из-под кольцевой оплётки), также входят в резонансную систему: меняя длину “усов”, - разделанных концов кабеля, можно управлять резонансной частотой настройки вибратора антенны, чем длиннее “усы” – тем ниже частота настройки антенны и наоборот.

Как указывалось выше, настройка антенн производилась с помощью АА MFJ-259 (работа с прибором описана в [ 2 ], с продолжением в последующем номере (11) журнала “Радиодизайн”), работа с КСВ – метрами неоднократно описывалась в литературе, а, вот, на настройке антенн с помощью измерителя АЧХ хотелось бы остановиться поподробнее.

Непосредственное подключение ИЧХ, например, Х1-48 к фидеру антенны даёт картину полуволновых пульсаций в кабеле. Непосредственное подключение антенны к прибору невозможно по конструктивным соображениям: влияния ИЧХ на параметры антенны из-за их близкого расположения. Итак, антенна настраивается с помощью ИЧХ только дистанционно, желательно, в рабочем положении, или с учётом расстройки при последующем водружении антенны на её рабочее место. Имея большой опыт по настройке антенн, ещё можно обнаружить нужный отклик на комбинированной АЧХ антенно - фидерной системы на экране ИЧХ, но, всё - таки, он сильно скрыт, - не нагляден. Сделать АЧХ антенны на экране ИЧХ можно с помощью РЧ моста. Изготовив РЧ мост по схеме, приведённой в [ 4 ] (привожу её здесь на Рис. 4, а предлагаемую мной конструкцию моста на Рис. 5), я подключил к нему настраиваемую антенну, выход ГКЧ ИЧХ (аттенюатор в положении “:0 дБ”) и вход “Y” без детекторной головки, усиление по “Y” следует установить на максимум.

Рис. 5. РЧ измерительный мост. Эскиз монтажной схемы. Вид внутренней части монтажного корпуса моста (сзади). Крышка корпуса, условно, удалена.

Полосу просмотра, сначала, устанавливаем широкую. Вращая ручку потенциометра РЧ моста (R4 на Рис. 4), балансируем мост, что приводит к понижению линии АЧХ кабеля и выделению, таким образом, линии АЧХ, собственно, антенны (здесь: рамки). В нужном месте, близком по частоте к ожидаемой частоте настройки антенны, полный баланс моста будет при опускании “дна” провала АЧХ, как можно ниже, - к начальной нулевой линии масштабной сетки ЭЛТ (соответствует нулю напряжения на шкале обычного КСВ – метра (как при КСВ = 1)), при этом усиление по “Y” установлено на максимум. Вращение ручки потенциометра РЧ моста влево – вправо от положения баланса приводит к поднятию резонансного провала АЧХ антенны (рамки) на экране ЭЛТ ИЧХ. Подгоняя периметр рамки, наблюдают сдвиг АЧХ в нужную сторону, контроль частоты производится по частотным меткам на экране ЭЛТ ИЧХ, согласование антенны осуществляется обычными методами (в данном случае, таковое обеспечивается за счёт формы рамки). Ухудшение КСВ можно наблюдать, располагая питающий антенну кабель не перпендикулярно к вибратору (линия АЧХ антенны, при этом, поднимается). На общую (на всём экране - широкополосную) АЧХ, после балансировки моста, обращать внимание не нужно, - важен только участок с АЧХ антенны (из-за соединительных с ИЧХ кабелей и паразитных емкостей форма общей АЧХ за пределами антенной - не прямая линия). Коль скоро, нуль напряжения соответствует КСВ = 1, то можно произвести и калибровку прибора в единицах КСВ, при определённом положении ручки регулировки усиления по “Y” ИЧХ, произвести градуировку шкалы потенциометра РЧ моста, подключая эталонные резисторы к антенному входу моста XW1, при этом, балансируя мост поворотом ручки R4 и наблюдая момент баланса на экране ИЧХ по максимальному понижению линии АЧХ Можно также нанести на шкалу R4 моста оцифровку в единицах КСВ для определённого сопротивления питающей линии, на которой работает мост, в данном случае, 50 Ом. При 50 Ом КСВ = 1. Таким образом, некоторые функции АА MFJ-259 могут осуществляться с помощью ИЧХ: частотомер – по меткам на экране ЭЛТ, КСВ – на экране (по понижению линии АЧХ ) и по шкале R4 РЧ моста, сопротивление (импеданс) по шкале R4 с индикацией на экране ЭЛТ ИЧХ (также, - по понижению линии АЧХ), можно использовать комбинированное включение “мост РЧ - ИЧХ” и в качестве гетеродинного индикатора резонанса (ГИР), подключая катушки к антенному гнезду моста - “MFJ-259 – по-русски”, одним словом! (Hi!).

Мост РЧ собран в корпусе из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита размерами 60 х 35 х 35 мм, РЧ гнёзда – СР-50, резисторы – МЛТ-0,5 и МЛТ-0,25, конденсаторы – КМ, потенциометр СПО-2, диод - Д9 (лучше ГД507, ГД508), выводы деталей – минимальной длины, монтаж навесной, по возможности: соблюдайте симметричность плеч моста и короткие выводы, применяйте безиндуктивные резисторы - будет работать на более высоких частотах.

Думаю, что этот материал позволит радиолюбителям более грамотно подходить к конструированию антенн, практически получать и сравнивать результаты, находить оптимальные конструкции антенн для различного применения.

Желаю успеха. 73!
Виктор Беседин (UA9LAQ)
UA9LAQ – [email protected]

Литература:

1. Антенна “мини - квадрат”. За рубежом. Радио № 10 1973, стр. 60

2. В.Беседин. Универсальный анализатор антенн. Радиодизайн. Выпуск № 10 (3-1998 г) стр. 59…68. В.Беседин. Универсальный анализатор антенн. Радиодизайн. Выпуск № 11 (4-1998 г) стр. 56…66

3. В.Беседин. Экспериментальная антенна на 145 МГц. Радиолюбитель. КВ и УКВ. № 5 1998

4. Г.Брагин. ВЧ - мост – панорамный КСВ-метр Радиодизайн. № 11 (4-1998) стр. 39

P.S. У меня есть просьба к тем, кто на “ты” с программой компьютерного моделирования MMANA, - проанализировать приведённые выше антенны, а заодно и, приведённую в [ 3 ], пристегнуть анализ к этой статье для общего пользования.

http://www.cqham.ru/ant21_7.htm