Двухдиапазонная J-антенна на высокочастотные KB диапазоны. Полуволновые антенны с резонаторным питанием Как рассчитать джи антенну диапазона 145 мгц

Идея использовать подручные средства в изготовлении «полевых и походных антенн» на 145 и 50 МГц пришла во время отдыха в Крыму, в горах возле поселка Орджоникидзе. Как всегда 8-10-й день плаванья в море становится для меня критическим, и взор почти всегда останавливается на близлежащих холмах и высотках типа Кара-даг, которых приличное множество в районе «Двуякорной» бухты. Время «закрытых мест» прошло, и побродить на этих холмах высотой 200-350 метров одно удовольствие (если на шее висит FT-817 YAESU). Все чудно и хорошо и на штатную «резинку», но если есть связь на 200 км, то всегда хочется ее иметь и на 400 км, ну а если зацепить Спорадик на 50 МГц, то на море лучше всего смотреть с горы.

Для этого, конечно, желательно иметь полноразмерную антенну, хотя бы диполь. Самый простой вертикальный диполь - J-антенна из ленточного 300-омного кабеля, которая была описана Bob Orr (W6SAI) и популярна до настоящего времени. Но возникает вопрос: где найти сейчас такой кабель? Ведь если вспомнить, то он применялся лет 30-35 назад в качестве УКВ антенн для первых вещательных стационарных ЧМ-приемников.

Схема J-антенны показана на рис.1, где: А - короткозамкнутый четвертьволновый согласующий шлейф, В-А - полуволновый излучатель, С - расстояние от короткозамкнутого конца шлейфа до места подключения 50-омного коаксиального фидера. Размеры антенны можно рассчитать для любого диапазона по формулам: В(см)=21502/F(МГц), А(см)=7132/F(МГц), С(см)=571/F(МГц). Например, для 145 МГц - В=148 см, А=49,2 см, С=4,6 см, а для 50 МГц - В=430,1 см, А=142,8 см, С=13,4 см.

Такую антенну любой желающий может изготовить и настроить за 1...1.5 часа. Для этого необходимо иметь монтажный провод сечением 1,5 мм2 и более в ПВХ изоляции и достаточное количество пластиковых карточек, например, от телефонных автоматов. Из пластиковых карточек вырезаются распорки в виде квадратов 30x30 мм (рис.2), в углах которых сверлятся отверстия по диаметру провода.

Количество таких квадратиков заготавливается из расчета 2 шт. на 10 см длины линии А. Из провода отрезается кусок длиной А+В+25 мм и собирается антенна, как показано на рис.3. На расстоянии С от короткозамкнутого конца снимется изоляция на А и В и подпаивается 50-омный кабель. Провод на всех распорках и кабель на первой распорке возле короткозамкнутого конца фиксируются «крест - накрест» ПВХ изолентой. На этом основная монтажная работа закончена.

Настройка

Приведенные формулы для размеров антенны не учитывают укорочения в случае применения провода с ПВХ изоляцией, поэтому, например, при изготовлении антенны на 50 МГц ее размеры получаются на 2-4 см длиннее, чем нужно. Но это и хорошо, т.к. есть возможность с помощью обычных кусачек очень точно настроить антенну.

В качестве фидера для походных условий автор обычно использует RG-58, но подойдет и фторопластовый РК-50. С 75-омным кабелем КСВ лучше 1,2 не получить, если не увеличить размер С на 3-4%.

При первом включении антенна всегда была длиннее и строилась на 48,5-49 МГц при КСВ 1,8-2,5 и повышенном Rbx. Это подтвердилось при изготовлении нескольких антенн. Чтобы понизить входное сопротивление до 50 Ом, достаточно было укоротить размер А на 3-6 см, и только затем подогнать размер В до необходимой резонансной частоты (в данном случае на 50,110 МГц). Такая же картина наблюдалась и с антенной на 145,3 МГц. Если вдруг будет применяться не тот провод и с другой изоляцией:) или вообще вместо медного провода будет использоваться би-металлическая проволока, а вместо карточек - пластинки из стеклотекстолита, то Rbx может оказаться ниже 50 Ом. В этом случае придется немного удлинить размер А, и только затем подкорректировать размер В.

Ну а дальше, еще проще. Берется удилище из бамбука или стеклопластика соответствующей длины (или составляется из нескольких удилищ), исполняющее роль несущей мачты. К его вершине за изолятор крепится конец излучателя J-антенны, и эта конструкция поднимается вертикально. На «двойке» с такой антенной связи в радиусе 400 км почти всегда были, в этом неоднократно убеждались радиолюбители Донецкой, Запорожской областей, Турции и Болгарии.

Но «лучшее - враг хорошему» - неоднократно убеждался автор. Ну не было в тот год на даче дюралевых прутков для 4-элементного модернизированного малогабаритного прямоугольника Моксона, пришлось сделать «Super J». Для этого к настроенной как указывалось выше J-антенне необходимо подключить к верхушке излучателя еще одно полуволновое полотно размером В"=В-А. Это полотно подключают через короткозамкнутый четвертьволновый шлейф длиной 42 см (для 145,3 МГц), сделанный аналогично описанному шлейфу для J-антенны.

Но изоляторы-распорки необходимо сделать поуже, чтобы можно было после изготовления шлейф свернуть вокруг изолятора (рис.4) в кольцо, обмотав его изолентой. К одному из концов шлейфа подключают верхний конец уже настроенной J-антенны, а ко второму -новый излучатель. Вся эта конструкция также поднимается вертикально. Длина В" дополнительного излучателя подстраивается в резонанс на 145,3 МГц. Все... +2,5 дБд к Вашей J-антенне обеспечено.

Александр Каракаптан (UY50N), г.Харьков

УКВ антенны с J-согласованием

J-антенна (рис.1) давно и вполне заслуженно популярна среди радиолюбителей. Конструкция ее проста, она легко настраивается и согласуется с фидером любого сопротивления. Однако большие размеры (общая длина равна 0,75λ) затрудняет ее использование на КВ диапазонах. Зато в УКВ диапазонах она широко применяется. Как видно из рис.1, она представляет собой вибратор длиной λ/2, запитанный с конца через согласующее устройство, выполненное в виде четвертьволновой открытой линии, замкнутой на нижнем конце.

Высокое входное сопротивление полуволнового вибратора при питании с конца (несколько кОм) легко трансформируется к сопротивлению кабеля путем выбора расстояния от точки питания до замкнутого конца линии. Использование в качестве трансформатора открытой линии обеспечивает малые потери при больших коэффициентах трансформации. Усиление J-антенны - +0,25 дБд, т.е. слегка превосходит усиление диполя за счет излучения двухпроводной линии. Вертикальная J-антенна из-за неполной симметрии имеет небольшое излучение с горизонтальной поляризацией (рис.1а).

Модифицируем J-антенну, отогнув четвертьволновую линию на 90 градусов (рис.2).

Слегка подстроив размеры, нетрудно получить хорошее согласование и усиление 0 дБд. Однако у этого варианта антенны уже заметная часть излучения имеет горизонтальную поляризацию (рис.2а). Его вызывает синфазный ток в двухпроводной линии, играющего в J-антенне роль противовеса (токоприемника).

Добавим еще один полуволновый вибратор, подключив его к свободному концу двухпроводной линии (рис.3).

Конструкция теперь полностью симметрична в вертикальной плоскости, синфазный ток в двухпроводной линии отсутствует, как и излучение с горизонтальной поляризацией (рис.3а).

Этот вариант - коллинеарная антенна из двух полуволновых вибраторов с питанием через четвертьволновую замкнутую на конце линию. Эта антенна описана SM0VPO (1) на его сайте в статье "6 dB collinear VHF antenna by Harry Lythall - SM0VPO". Ее усиление - (около 2,4 дБд) получено за счет сужения диаграммы направленности в вертикальной плоскости. В горизонтальной плоскости диаграмма излучения круговая. Антенна конструктивно очень проста и может изготавливаться из одного куска прутка или трубки. Для сохранения ее симметрии кабель питания желательно подключать через симметрирующий трансформатор. SM0VPO использует симметрирующий трансформатор в виде U-колена, можно ограничиться и несколькими ферритовыми кольцами, одетыми на кабель вблизи точки питания антенны. Для краткости назовем ее Super-J антенной.

Какая дальнейшая модификация этой антенны возможна? Добавив к ней рефлекторы, получаем 2-элементную Super-J антенну (рис.4). Это уже направленная коллинеарная антенна. Ее усиление - +5,8 дБд.

Добавляя директоры, получаем 3-элементную Super-J антенну (рис.5). Усиление - +8 дБд.

Попытка добавить второй директор заметно увеличивает длину антенны, но дает прибавку в усилении всего 0,8 дБ. В чем преимущество этих антенн перед многоэлементными Yagi? При равной площади коэффициенты усиления у них примерно равны, но преимущества Super-J антенн - малая длина бумов и связанный с этим малый радиус поворота, удобство согласования. К недостаткам можно отнести необходимость использования диэлектрической мачты, хотя бы верхней ее части. На рис.6 приведены фотографии 3-элементной Super-J антенны на 2-метровый диапазон, выполненной из алюминиевого прутка диаметром 8 мм.

Рис.6. Общий вид 3-элементной антенны SuperJ.

Диэлектрическую мачту (например, стеклопластиковую) и изоляционную распорку можно располагать в промежутках между элементами (на рис.7 они показаны более жирными линиями).

Кабель питания лучше отводить горизонтально за рефлекторы и возвращать к мачте широкой петлей, подальше от концов рефлектора. На участке вблизи антенны на кабель желательно одеть ферритовые сердечники через 0,5 м.

Рис.8 Вид 3-х элементной Super-J антенны на мачте

Конструктивные размеры 3-элементной Super-J для частоты 145 МГц и 435 МГц приведены на рис. 9 и в таблице 1.

Размеры даны в сантиметрах и между осями проводников. Входное сопротивление в точке питания - 50 или 200 Ом. Если для симметрирования используется U-колено, оно трансформирует сопротивление фидера к 200 Ом, поэтому место подключения к двухпроводной линии будет несколько дальше от замкнутого конца. При этом размеры согласующего шлейфа немного изменяются (см. таблицу 1).

Таблица 1.

* -- размер уточняется при настройке.
D -- диаметр алюминиевых или медных проводников, из которых изготавливается антенна.

Для удобства настройки согласующее устройство рекомендуется выполнять с двумя "ползунами" (передвижными контактами): один, замыкающий двухпроводную линию, используют для настройки в резонанс, второй, подключающий фидер, для согласования на минимальный уровень КСВ. Это позволяет быстро настроить антенну, но после выбора положений "ползунов" нужно обязательно обеспечить надежный контакт (пайкой или болтами). От сопротивления контакта исключительно сильно зависит КПД антенны. Нелишне при этом помнить о недопустимости контакта медь-алюминий и защите контакта от влаги. Требования к сопротивлению контактов на разомкнутом конце J- колена, напротив, нестрогие, поскольку ток там минимален. Была изготовлена антенна на среднюю частоту 145 МГц из алюминиевого прутка диаметром 8 мм. Крепилась она к стеклопластиковой трубке диаметром 23 мм, используемой в качестве мачты. В качестве симметрирущего устройства использовалась ферритовая трубка, одетая на кабель вблизи точки питания антенны. Сначала была проверена одноэлементная антенна Super-J (рис.3). Было замечено, что при расположении антенны на деревянном столе параллельно земле и при вертикальном ее расположении настройки не совпадают. Поэтому настройку антенны необходимо проводить, установив ее вертикально. Достаточно, чтобы расстояние от нижних концов вибраторов до земли было около 0,5 м. Передвигая замыкающую перемычку вдоль двухпроводного шлейфа и двигая точки подключения кабеля (эти подстройки взаимозависимы) довольно просто удается согласовать антенну до КСВ<1,1 на желаемой частоте. полоса частот по уровню ксв<1,5 превышает 5 мгц. затем к мачте и активным вибраторам были прикреплены бумы, также выполненные из алюминиевого прутка диаметром 8 мм, поскольку не имелось под рукой диэлектрических трубок необходимой жесткости. в средней точке вибраторов напряжение близко к нулю, поэтому проводящий бум слабо влияет на характеристики антенны, что подтвердило предварительное моделирование. на бумах были установлены рефлекторы и директоры, длины которых выполнялись по расчету модели с помощью программы mmana. пассивные элементы резко снизили входное сопротивление антенны. однако слабо выраженный минимум ксв был найден. передвигая перемычку, и сдвигая точки подключения кабеля, нашли положение, когда минимум ксв соответствовал частоте 145 мгц и уровень ксв не превышал 1,2. длины вибраторов не регулировались. по сравнению с настройкой одноэлементной антенны настройка трехэлементной антенны значительно более острая и критичная. полоса по уровню ксв<1,5 составляла около 3 мгц. длина шлейфа оказалась несколько меньше, а расстояние от замкнутого конца шлейфа до точки питания кабелем с сопротивлением 50 ом несколько больше расчетных значений. работа антенны предварительно оценивалась в городских условиях (кругом были высокие здания, полностью закрывавшие горизонт) при расположении ее оси над землей на высоте всего 1,5 м. по сравнению с четвертьволновым автомобильным штырем она давала прирост сигнала на 2-3 балла при связях на расстояниях 10-50 км. направленность в горизонтальной плоскости была ярко выражена. общее впечатление - антенна работает. более аккуратные оценки работы антенны были сделаны на открытой местности в дачных условиях при подъеме антенны на мачту высотой 7 м. сравнивались антенна рис.6 и четырехэлементная антенна "квадрат" с вертикальной поляризацией (рис.10). антенны устанавливались на одной и той же стеклопластиковой мачте в одном и том же месте. использовался один и тот же кабель в качестве фидера и один и тот же трансивер. оценивалась работа по открытию и слышимости репитеров, расположенных на расстояниях от 30 до 100 км и оценкам корреспондентов при проведении qso в прямом канале на расстояниях до 70 км.

Рис.10. Антенна "4 квадрата", с которой сравнивалась антенна рис.6.

В большинстве случаев оценки были очень близкими. Если слышали "квадрат", так же слышали и SuperJ. Четырехэлементный "квадрат" имел более узкую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, поэтому его приходилось более точно направлять на корреспондента для получения максимальной оценки, Super-J почти не поворачивали. Общее впечатление - антенны имеют примерно равные усиления и хорошее подавление заднего лепестка. Испытуемая антенна в два раза легче "квадратов" и имеет существенно меньшие момент вращения и парусность. На рис.11-14 показаны элементы конструкции антенны.

Рис.11. Короткозамыкающая перемычка, узел подключения кабеля и симметрирующий ферритовый дроссель.

Рис.12. Узел крепления двухпроводной линии к мачте.

Рис.13. Узел крепления бумов к мачте.

Рис.14. Узел крепления элементов к бумам.

В приложении - файлы для моделирования описанных антенн: файлы MMANA

RU3ARJ Владислав Щербаков , [email protected]
Фотографии RW3ACQ Сергей Филиппов , [email protected]
_________
(1) SM0VPO в своей статье почему-то приводит усиление антенны относительно какого-то четвертьволнового хлыста (видимо, автомобильной антенны), откуда и берутся его 6 дБ.

Позвонил один из радиолюбителей по соседству (наша же область) и спросил почему он не слышит Оскар -7, хотя по расчётам тот пролетал прямо над Гончаровским. Поскольку вопрос возник не впервые, думаю надо будет повториться. Хороший обзор по причинам GUHOR я давал на Хаммании . Думаю что дублировать этот материал не нужно, и поэтому отвечу по этой конкретной ситуации. Здесь несколько логических "И" приведших к тому что он не услышит спутник пожалуй и впредь.

Поговорим о двух разновидностях антенн. Обе состоят в некоем родстве, авторы сочли логичным обсудить конструкции в одном обзоре. Речь пойдет о j-pole и антенне Франклина. Рассмотрим внешний вид, предпосылки для выбора, нюансы реализации предпочтенной концепции. Разберёмся, как сделать антенну, постараемся преподнести материал, собранный из многочисленных источников, с комментариями.

Уже писали про упомянутые разновидности антенн. J – исторический предок Франклина, хотя дату изобретения в точности источники не приводят. Указанный тип антенны изобретен немцами – не исключено, фашистами. Известно, что нынешнюю форму конструкция приобрела в 1943 году, изначально создавалась для военных дирижаблей. Именовалась Zeppelin. J – сокращение от длинного слова. Кстати, российским читателям со специализированных форумов, факт генезиса аббревиатуры прекрасно известен, знатоки называют J-антенны дирижаблями.

Смысл устройства: в нижней части вибратора длиною 5/8 волны (точный расчет смотрите ниже) идет согласующая линия. Распределение токов по J-антенне таково, что сопротивление меняется от:

• десятков тысяч Ом в верхней части, где разрыв;
• до нуля в нижней части, где линия замыкается на вибратор.

За счет перемены создаются предпосылки для достижения точного согласования. Если для распространенных среди обывателей антенн приходится изготавливать четвертьволновые трансформаторы, то J соединится со шлейфом напрямую – с навыками настройки изделия. Люди опытные говорят, что лучше пользоваться КСВ-метром, как делают радиоинженеры. Ротхаммель упоминает об использовании для аналогичных целей низковольтного светодиода либо лампочки. Указанное устройство подключается параллельно ненагруженному шлейфу. В идеальной точке подключения свечение ярче, нежели в прочих местах.

До согласования антенну следует возбудить произвольным передатчиком через эфир. Напоминаем, что в радиовещании принята вертикальная поляризация, антенну располагайте должным образом (отвесно). Для согласования достаточен короткий отрезок шлейфа в пределах метра, на конец которого уже подключайте лампочку. Смотрится логично, но Ротхаммель тоже умный малый, не беремся перечить.

Настройка J-антенны ведется сравнительно простым образом, согласно указанным постулатам Ротхаммеля.

Поговорим о внешнем виде антенны и параметрах. Представьте букву U с прямыми углами либо перевернутую букву П. Высота составляет 21502/f см, где f – частота в МГц. Для 300 МГц получается 72 см. Теперь одну ножку срежем до длины 7132/f см, получается примерно четверть волны. Антенна готова. Осталось правильно запитать кабелем. На 671/f см от верхней грани нижней горизонтальной перемычки припаиваем кабель питания жилой на вибратор, экраном на четвертьволновый отрезок. Про выбор места говорили ранее. Каково сопротивление для указанных условий?

J-антенна разработана для связи, поляризация вертикальная. Следовательно, шлейф имеет сопротивление 50 Ом. Получается, что для телевизора антенну следует развернуть горизонтально, пайку вести чуть выше. Как искать точное место стыковки, уже обсудили. Теперь о конструкции.

Оба штыря делаются по традиции из медной трубки. Расстояние в 640/f см дается между ближайшими гранями. Измерения ведите штангенциркулем. Материал для изготовления антенны собственноручно: трубки из тормозной системы авто, старые кондиционеры и холодильники и проч. Допустимо вести пайку, обжимать муфтами, гнуть, паять. Обратите внимание на два момента:

1. Не всегда J-антенна работает в точности, как задумано. Порой хочется чуть изменить частоту. Это актуально для каналов WiFi модемов и роутеров. Для этого франкоязычный канадец с индийскими корнями Питю Наги предлагает каждый из двух штырей оборудовать подстроечными элементами. Что касается короткой линии, на вершине трубки монтируется гайка, куда вкручивается стопорный болт. От силы вкручивания элемента зависят характеристики антенны. На конце вибратора гайка ставится в стенку трубки. Из окончания вытягивается изрядный кусок стальной упругой проволоки. Этим изменяется частота. В месте стыковки проволоки (наподобие телескопической конструкции) возникает отражение сигнала. Потому трубку разорвем небольшим отрезком плотного пластика, оборванные концы соединим линией из прежней трубки половины длины волны. Получится согласующее устройство, своеобразный мостик к антенне Франклина.
2. У J-антенны несомненный плюс, помимо указанных для работы на крыше дома. Нижнюю часть заземлите, получится отличный громоотвод. Это не влияет на работу оборудования, зато защитит домашний приемник от грозы. Ловлю каналов возможно не прерывать на время непогоды.
3. Учтите, что медь в условиях попадания влаги агрессивна по отношению к прочим металлам. Возникнет электрохимическая коррозия. Только оцинкованная сталь противостоит медному натиску. Возьмите на заметку при выборе крепежа.

Сделать антенну самостоятельно по указанной схеме сумеет большинство читателей, согласование ведется относительно простыми методами. Остался вопрос с толщиной трубки, но он не акцентируется в литературе, а подстроечные элементы помогут получить максимальный эффект. Разумеется, нужен сильный источник волны, чтобы провести согласования. Причём не получится использовать вольтметр вместо лампочки, частота относительно высокая. Полагаем, что истинные радиолюбители соберут подстроечный прибор собственными руками из усилителя, выпрямителя и любого индикатора, включая китайские мультиметры.

Усиление J-антенны лучше полуволнового вибратора, по утверждениям очевидцев.

Франклин работал на Маркони, не был президентом США. Однако изобретений в начале 20-го века выдал немало. Среди прочего – подстроечный конденсатор. В 1924 году изобрел знаменитую антенну, по которой сегодня строятся китайские штыри для WiFi. Отличие: равноплечая конструкция лишилась одной половины, а согласующие шлейфы загнулись в катушки. Подобную конструирует ZikValera в выложенном видео. Пример расчета приведен в первом томе Ротхаммеля на странице 232.

Представьте волновой вибратор, с концами, увенчанными двумя согласующими шлейфами, каждый по половине волны. Устройство оканчивается еще одним разорванным вибратором, с плечами, в сумме равными длине волны. В результате получается антенна Франклина, сигнал с устройства снимается по центральной линии, а сопротивление излучения зависит от точки входа шлейфа. Для понимания привели скромный рисунок, где показана антенна Франклина.

Полагаем, что из указанного изображения уже понятно, как согнуть из проволоки нужную форму. Размеры велики, целесообразно антенны Франклина использовать в диапазоне ДМВ и выше, хотя в сети полно конструкций на гораздо более низкие частоты. Приготовьтесь отрядить специальный столб во дворе под конструкцию, либо создать распорки приличной длины на крыше.

У антенны Франклина хорошее усиление (благо, размер немалый) 3,2 дБ. Для указанной на рисунке конструкции в точке подвода шлейфа посередине сопротивление излучения составит 300 Ом. Если добавить по вибратору с каждой стороны, станет 500 Ом. Усиление превысит 5 дБ. Добавим, что ширина линии согласования некритична. К примеру, 7 мм на длине волны 32 см.

Отметим два недостатка конструкции:

1. Питание нужно вести в идеале двухпроводной линией, хотя любители паяют кабель, как показано на рисунке. Никто не жалуется.
2. Начиная делать антенну собственноручно, убедитесь, что сумеете точно выравнять плечи. Они лежат чётко по одной линии, согласующие участки возможно чуть гнуть (китайцы вообще делают катушки, учитывая индуктивность при изготовлении антенны).

Расчет антенны Франклина не считается простым делом, в исходном виде не всегда получается использовать указанный тип устройств. Рекомендуется копировать китайские модели, измерить которые поможет штангенциркуль. В этом случае самодельная антенна гарантированно показывает хорошие характеристики. Даже на форумах коллинеарные линии не изучены толком. Это явно не лучший путь сделать простую антенну.