www.cqham.ru

\главная\р.л. конструкции\антенны\...

Прямоугольник Moxon на нескольких диапазонах

L. B. Cebik, W4RNL

Ко мне поступило много запросов по многодиапазонному варианту прямоугольника Moxon. Компактная антенна для нескольких диапазонов требует сведения вибраторов в некое подобие пучка, гнезда и т. п, Но, до настоящего времени, мне так и не удалось создать рабочую модель антенны ни на одну комбинацию КВ диапазонов в этой конструктивной конфигурации (гнездо).

В книге про Moxon'ы, HF Antennas for All Locations, G6XN отмечает расстраивающую систему, которую он использует в своей проводной версии антенны. Однако, расстояние между проводами, необходимое в системе, приводит к созданию, мягко выражаясь, неважной модели антенной системы. Подводя итог, я не могу гарантировать, что такая антенна будет работать в версии с алюминиевыми трубными прямоугольниками, каждый из которых оптимизирован для своего диапазона.

Есть одно решение конструкции многодиапазонной антенны Moxon, в виде “рождественской ёлки”, когда прямоугольник одного диапазона располагается на мачте под другим – прямоугольником другого диапазона, на приличном расстоянии друг от друга. Такие конструктивные решения не новы и уже применялись с антеннами ZL-Specials и HB9CV, которые являются фазированными антенными системами. Для обеспечения взаимной независимости антенн, обычно, достаточно расстояния между ними в 10…12 футов. Такая система требует отдельного питания, каждая антенна питается своим кабелем с переключением на мачте или внизу, - на земле.

В большинстве писем ко мне содержалось предпочтение видеть все элементы многодиапазонной антенной системы на одной траверсе. В связи с этим условием, возможны два варианта исполнения конструкции. Разберём их последовательно.

Moxon’ы, включенныерефлекторкрефлектору (Back-to-Back Moxons)

Для большинства потенциальных пользователей антенн типа Moxon, главным аспектом является диаграмма направленности антенны. Близкая к кардиоидной диаграмма направленности двухэлементной направленной антенны с очень большим соотношением излучений вперёд-назад - вот то, что может удовлетворить нуждам коротковолновиков. Мы можем получить такую диаграмму направленности на двух диапазонах, расположив пару прямоугольников рефлектор к рефлектору.

Чтобы посмотреть насколько хорошо это будет трудиться, я смоделировал комбинацию прямоугольников Moxon на диапазоны 15 и 10 метров в конфигурации рефлектор к рефлектору (back-to-back), расположив рефлекторы как можно ближе друг к другу, что, однако, не очень портит получаемую диаграмму направленности. Практическое разграничение рефлекторов в этой комбинации не может быть меньше 2 футов. На рисунке Fig. 1 показан эскиз раскладки антенной системы.

Общая длина траверсы составляет примерно 12,7 футов, для крепления элементов требуется небольшой запас (припуск на растяжку). В последующей таблице указаны значения, используемые при создании модели.:

10-15-meter Moxons back-to-back             Frequency = 21.225  MHz.
 
Wire Loss: Aluminum -- Resistivity = 4E-08 ohm-m, Rel. Perm. = 1
 
              --------------- WIRES ---------------
Wire Conn.--- End 1 (x,y,z : ft)  Conn.--- End 2 (x,y,z : ft)  Dia(in) Segs
1         -8.417, -4.930,  0.000  W2E1  -8.417, -7.007,  0.000 1.01E+00   7
2   W1E2  -8.417, -7.007,  0.000  W3E1  -8.249, -7.175,  0.000 1.17E+00   1
3   W2E2  -8.249, -7.175,  0.000  W4E1  -2.685, -7.175,  0.000 1.01E+00  15
4   W3E2  -2.685, -7.175,  0.000  W5E1   2.685, -7.175,  0.000 1.17E+00  15
5   W4E2   2.685, -7.175,  0.000  W6E1   8.249, -7.175,  0.000 1.01E+00  15
6   W5E2   8.249, -7.175,  0.000  W7E1   8.417, -7.007,  0.000 1.17E+00   1
7   W6E2   8.417, -7.007,  0.000         8.417, -4.920,  0.000 1.01E+00   7
8         -8.417, -4.222,  0.000  W9E1  -8.417, -1.168,  0.000 1.01E+00   9
9   W8E2  -8.417, -1.168,  0.000 W10E1  -8.249, -1.000,  0.000 1.17E+00   1
10  W9E2  -8.249, -1.000,  0.000 W11E1  -2.685, -1.000,  0.000 1.01E+00  15
11 W10E2  -2.685, -1.000,  0.000 W12E1   2.685, -1.000,  0.000 1.17E+00  15
12 W11E2   2.685, -1.000,  0.000 W13E1   8.249, -1.000,  0.000 1.01E+00  15
13 W12E2   8.249, -1.000,  0.000 W14E1   8.417, -1.168,  0.000 1.17E+00   1
14 W13E2   8.417, -1.168,  0.000         8.417, -4.222,  0.000 1.01E+00   9
15        -6.270,  3.920,  0.000 W16E1  -6.270,  5.575,  0.000 7.50E-01   5
16 W15E2  -6.270,  5.575,  0.000 W17E1  -6.145,  5.700,  0.000 8.75E-01   1
17 W16E2  -6.145,  5.700,  0.000 W18E1  -2.000,  5.700,  0.000 7.50E-01  11
18 W17E2  -2.000,  5.700,  0.000 W19E1   2.000,  5.700,  0.000 8.75E-01  11
19 W18E2   2.000,  5.700,  0.000 W20E1   6.145,  5.700,  0.000 7.50E-01  11
20 W19E2   6.145,  5.700,  0.000 W21E1   6.270,  5.475,  0.000 8.75E-01   1
21 W20E2   6.270,  5.475,  0.000         6.270,  3.920,  0.000 7.50E-01   5
22        -6.270,  3.400,  0.000 W23E1  -6.270,  1.125,  0.000 7.50E-01   6
23 W22E2  -6.270,  1.125,  0.000 W24E1  -6.145,  1.000,  0.000 8.75E-01   1
24 W23E2  -6.145,  1.000,  0.000 W25E1  -2.000,  1.000,  0.000 7.50E-01  11
25 W24E2  -2.000,  1.000,  0.000 W26E1   2.000,  1.000,  0.000 8.75E-01  11
26 W25E2   2.000,  1.000,  0.000 W27E1   6.145,  1.000,  0.000 7.50E-01  11
27 W26E2   6.145,  1.000,  0.000 W28E1   6.270,  1.125,  0.000 8.75E-01   1
28 W27E2   6.270,  1.125,  0.000         6.270,  3.400,  0.000 7.50E-01   6
 
              -------------- SOURCES --------------
Source    Wire      Wire #/Pct From End 1    Ampl.(V, A)  Phase(Deg.)  Type
          Seg.     Actual      (Specified)
 
1 (15 M)    8     4 / 50.00   (  4 / 50.00)      1.000       0.000       I
or
1 (10 M)    6    18 / 50.00   ( 18 / 50.00)      1.000       0.000       I

Небольшая странность этой модели заключается в том, что на углах используются свисающие провода для симуляции изгибов труб. Однако, в практической конструкции такое ухищрение не потребуется: результаты оказываются в пределах допусков для домашнего использования, независимо от того, со свисающими проводами или без них, будет антенна.

Характеристики антенной системы на каждом диапазоне вполне нормальные. На рисунках Fig. 2 и Fig. 3 показаны кривые изменения КСВ по отношению к импедансу 50 Ом в диапазонах 15 и 10 метров, соответственно. Несколько большие значения КСВ в пределах диапазона 10 метров указывают на то, что прямоугольник диапазона 15 метров влияет на 10-метровый более, чем, когда прямоугольники были бы включены другим образом (?). Как и в случае однодиапазонного прямоугольника Moxon, усиление “вперёд” для модели, размещённой в свободном пространстве, изменяется от 6,2 дБ (по отношению к изотропному (всенаправленному) излучателю) до 5,7 дБ, от начала к концу диапазона, соответственно. По отношению к другим двухэлементным конструкциям, соотношение излучений вперёд-назад здесь превосходно на протяжении всего диапазона.

Гибридная трёхдиапазонная антенная система Moxon-Yagi

Одной из характерных черт прямоугольника Moxon, которую обожают многие из тех, кто строит такие антенны, является сокращение ширины, занимаемой антенной, относительно длин линейных элементов. На диапазоне 20 метров, где нормальная длина линейных элементов составляет примерно 36 футов, таковая сокращается до 25 футов, т. е., примерно, до размеров линейных элементов диапазона 15 метров. Поскольку малогабаритные трёхдиапазонные антенные системы традиционно имеют небольшую длину траверсы, то уменьшение ширины антенны, также означает существенное уменьшение радиуса поворота антенны.

Я получил множество писем с вопросами, а нельзя ли добавить паразитные (ведомые) элементы к Moxon’у на 20 метровый диапазон с целью получения направленной трёхдиапазонной антенной системы. Добавление директора на 10-метровый диапазон и рефлектора на 15-метровый несколько увеличивает усиление “вперёд”, но сильно изменяет импеданс в точках питания, что создаёт невозможность применения в качестве фидерной линии коаксиального кабеля.

Эти первые робкие шаги в направлении получения трёхдиапазонной антенной системы на базе прямоугольника Moxon диапазона 20 метров мало что дадут стоящего. Что действительно требуется, так это – получение системы, питаемой 50-омным фидером и на каждом диапазоне (естественно, с приличным КСВ). В результате - увеличение количества элементов, но не увеличение занимаемой антенной площади (ни в горизонтальной, ни в вертикальной плоскости) свыше размеров, полученных при первоначальном добавлении рефлектора и директора.

Чтобы разработать антенную систему этого типа, можно воспользоваться принципами построения, лежащими в основе системы Force 12 C3. В основе этой популярной антенны лежит двухэлементная Yagi (вибратор-рефлектор) на диапазон 20 метров. Система также включает комбинацию вибратор-рефлектор на 15 метровый диапазон, размещённую за вибратором диапазона 20 метров. Два вибратора расположены в непосредственной близости друг от друга, чтобы обеспечить связь за счёт незамкнутых шлейфов. (Такую связь можно рассматривать как связь через электромагнитное поле, за счёт ёмкости между элементами и как обычную индуктивную связь между катушками двух (в данном случае) раскрытых контуров – UA9LAQ). Впереди вибратора 20 метрового диапазона расположены три элемента антенны 10 метрового диапазона: вибратор (также со связью с помощью открытого шлейфа) и два директора. Дальний директор служит для создания соответствующей формы диаграммы направленности, в то время как, близкорасположенный к вибратору первый директор работает как дополнительный к NW3Z/WA3FET OWA разработкам: он помогает формировать и поддерживать импеданс в точках питания по всему диапазону рабочих частот, так как это может делать и один директор (если он в системе - единственный). Характеристики антенны остаются, практически, прежними, как и у 2-элементной Yagi (вибратор-директор), но всё это сохраняется в большем диапазоне частот.

Можно заменить элементы на диапазон 20 метров антенной системы прямоугольником Moxon и получить трёхдиапазонную работающую (и неплохо) конструкцию, размещаемую на траверсе длиной 16 футов. Общий план конструкции показан на рисунке Fig. 4.

В последующей таблице приведены данные по элементам, использованные в моделях, с целью проверки вышеупомянутой идеи. Элементы на каждом диапазоне имеют свой, но неизменный диаметр. Но подстройка в реальной антенне будет необходима, так как там, обычно, элементы имеют коническую форму. Также нельзя рассматривать данные в таблице как реальные размеры антенной системы С3.

Hybrid Moxon-Yagi                                 Frequency = 29  MHz.
 
Wire Loss: Aluminum -- Resistivity = 4E-08 ohm-m, Rel. Perm. = 1
 
              --------------- WIRES ---------------
Wire Conn.--- End 1 (x,y,z : in)  Conn.--- End 2 (x,y,z : in)  Dia(in) Segs
 
1        -138.50, 11.750,  0.000       138.500, 11.750,  0.000 7.50E-01  21
2        -132.00, 96.750,  0.000       132.000, 96.750,  0.000 7.50E-01  21
3        -101.00,112.250,  0.000       101.000,112.250,  0.000 5.00E-01  15
4        -97.000,124.250,  0.000        97.000,124.250,  0.000 5.00E-01  15
5        -89.000,190.250,  0.000        89.000,190.250,  0.000 5.00E-01  15
6        -150.00, 66.000,  0.000  W7E1 -150.00,108.000,  0.000 1.00E+00   3
7   W6E2 -150.00,108.000,  0.000  W8E1 150.000,108.000,  0.000 1.00E+00  25
8   W7E2 150.000,108.000,  0.000       150.000, 66.000,  0.000 1.00E+00   3
9        -150.00, 56.400,  0.000 W10E1 -150.00,  0.000,  0.000 1.00E+00   4
10  W9E2 -150.00,  0.000,  0.000 W11E1 150.000,  0.000,  0.000 1.00E+00  25
11 W10E2 150.000,  0.000,  0.000       150.000, 56.400,  0.000 1.00E+00   4
 
              -------------- SOURCES --------------
Source    Wire      Wire #/Pct From End 1    Ampl.(V, A)  Phase(Deg.)  Type
          Seg.     Actual      (Specified)
 
1          13     7 / 50.00   (  7 / 50.00)      1.000       0.000       I

Ground type is Free Space

Для этого упражнения, диаметр элементов на 20 метров принят равным 1 дюйму, для 15 метров - 0,75 и для 10 метров - 0,5 дюйма. Поскольку в конструкции используется связь с помощью разомкнутых шлейфов единые точки питания (“точка питания” - более правильно теоретически) служат для всех диапазонов.

Ниже приведены потенциальные подиапазонные характеристики антенной системы. Данные получены в компьютерной программе MININEC (AO 6.5), поскольку близкое расположение вибраторов давало завышенные данные по усилению в программе NEC-2. Ошибка выражалась в особенно большом увеличении усиления на диапазоне 10 метров. Так что для расчёта, в этом случае, наиболее подходящей является программа MININEC.

20 метров. На 20-метровом диапазоне прямоугольник Moxon работает штатно, нормально, диаграмма направленности типичная для Moxon’а, как явствует из рисунка Fig. 5, в горизонтальной плоскости и для свободного пространства.

В последующей таблице сведены характеристики антенны по диапазону.

Freq.     F-S Gain        F-B           Feed Z         50-Ohm
MHz       dBi             dB            R+/-jX         VSWR
14.0      6.46            15.6          38-15          1.55
14.175    6.09            32.4          55- 6          1.15
14.35     5.72            21.0          69- 1          1.38

На рисунке Fig. 6 показана обратная КСВ кривая для диапазона 20 метров.

По отношению к Yagi (в комбинации вибратор-рефлектор) Moxon демонстрирует снижение усиления примерно на 0,25 дБ, а соотношение излучений вперёд-назад, наоборот, возрастает и достигает в среднем 10 дБ.

15 метров. В диапазоне 15 метров диаграмма направленности такая же, как у двух элементной Yagi (вибратор-рефлектор), каторая показана в горизонтальной плоскости и для свободного пространства на рисунке Fig. 7.

Результаты моделирования для свободного пространства по диапазону 15 метров приведены в таблице:

Freq.     F-S Gain        F-B           Feed Z         50-Ohm
MHz       dBi             dB            R+/-jX         VSWR
21.0      6.63           10.8           61-40          2.01
21.225    6.21           11.6           50+ 6          1.13
21.35     5.99           11.2           44+29          1.87
21.45     5.82           10.7           40+47          2.82

Отметьте, что полоса пропускания по КСВ 2 : 1 на диапазоне составляет примерно 350 кГц, что на диапазоне 15 метров достаточно. Характерной особенностью простой системы питания с помощью разомкнутых шлейфов является более быстрый рост значения реактивности при удалении от положения резонанса (известно, что при резонансе, входной импеданс антенны – величина чисто активная – UA9LAQ). На верхнем конце диапазона реактивность управляет значением КСВ (КСВ больше зависит от реактивности). Можно, конечно, уменьшить длину вибратора, чтобы удовлетворить условиям лучшего согласования в конце диапазона. Дополнительно, увеличения полосы пропускания можно достигнуть на ближнем к трансиверу конце 50-омного коаксиального кабеля - конечная полоса пропускания зависит от длины фидера и потерь в нём.

На рисунке Fig. 8 в графической форме показано изменение КСВ по диапазону 15 метров антенной системы для свободного пространства.

10 метров. На рисунке Fig. 9 показана диаграмма направленности гибридной антенны на частоте 28,5 МГц. И вновь, мы имеем дело с типичной диаграммой направленности двухэлементной Yagi с немного лучшим соотношением излучений вперёд-назад, благодаря действию директоров.

В табличной форме приведены расчётные характеристики антенны, соотнесённые со свободным пространством.

Freq. F-S Gain F-B Feed Z 50-Ohm

Freq.     F-S Gain        F-B           Feed Z         50-Ohm
MHz       dBi             dB            R+/-jX         VSWR
28.0      6.31           15.0           57-37          2.00
28.5      6.59           16.4           46- 0          1.08
28.9      6.89           17.4           36+26          1.98
29.0      6.98           17.5           33+32          2.42

Усиление и соотношение излучений вперёд-назад типичны для двухэлементной антенны вибратор – директор с одним исключением. В стандартном случае, подобная конструкция имеет узкий диапазон рабочих частот, как по характеристике направленности, так и по импедансу. Не редки полосы пропускания в пределах 100…150 кГц. Первый директор, тот, что ближе к вибратору, позволяет “уложить” характеристики антенны двумя способами. Во-первых, он позволяет разместить второй директор на значительном расстоянии от активного вибратора, так что его характеристики меняются по диапазону медленнее, во-вторых, он позволяет получить в точках питания стабильный импеданс по большей части диапазона, в данном случае, примерно 900 кГц между точками по КСВ 2 : 1 (симметричными или не очень, по отношению к частоте резонанса вибратора), как показано на рисунке Fig. 10.

Несомненно, можно и улучшить эту гибридную антенную систему. Действительно, требования подстройки длин элементов и расстояний (между ними), в союзе с принятием к расчёту конических структур элементов (т. е., более точно соответствующих реальным), даёт обширное поле деятельности в плане улучшения характеристик гибридных антенн.. Как и во всех моделях со связью с помощью открытых шлейфов, возможна необходимость значительных подстроек ведомых вибраторов для достижения нужных импеданса и полосы пропускания. Хотя, конструкции единичных антенн для использования в личных целях не требуют специальных разрешений, другая техника (не Moxon), применённая к реконструкции антенны и в массовом масштабе потребует консультаций с Force 12, на предмет соответствия с патентными правами, которые имеет эта компания.

Заключение

Две разработки, приведённые здесь, являются простыми иллюстрациями, того факта, что многодиапазонные конструкции антенных систем, содержащие прямоугольник Moxon являются возможными. Конструкция “рефлектор – к рефлектору” является полностью “прямоугольниковой” и позволяет получить большое соотношение излучений вперёд – назад и разместить близко друг к другу две независимые антенны. Гибридная конструкция использует массу приёмов, с целью получения максимальных эксплуатационных характеристик в каждой группе элементов многодиапазонной антенны с одной питающей системой.

В обоих случаях, в антеннах не используются нагрузки, вместо этого, используются полноразмерные элементы. Любое уменьшение всех размеров, относительно полноразмерных и только линейных связано с изменением геометрии антенны. Если я, вдруг, обнаружу дополнительные факторы, касающиеся многодиапазонности антенн, я, конечно же, помещу их описание в этих записках.

Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень март, 2004 г



Глас народа
11.10.2005 22:42 Очередной раз возвращаюсь к это статье, выполню (скорее всего без...  --  rw0lal/3
18.06.2005 18:02 Станислав, UT5USQ - а у пролетариев это что обозначает?...  --  Yuri VE3DZ
10.02.2005 14:22 Хорошая работа. Вполне професионально. Спасибо....  --  Ur3LMX, ВИТАЛИЙ...
16.12.2004 06:55 Виктор, огромнейшее спасибо за перевод!...  --  Vit/rx0at
09.12.2004 13:55 Нормальная антенна. Компактная, лёгкая конструкция. Читайте "спай...  --  Александр, RZ6F...
08.07.2004 11:53 Станислав UT5USQ , Вы напоминаете мне одного из моих начальников...  --  Николай , UR0GT...
04.07.2004 19:11 Может быть ягу сначало настроить надо было?:-)...  --  Павел RA1OZ...
05.06.2004 22:01 Для RZ1OM : Сергей, это Вы зря.... видел ягу - вполне подходит пр...  --  Димтрий RV4CD...
04.06.2004 17:18 to Stan ut5usq Ага... веревки куда лучше, чем YAGI... :) Бред....  --  RZ1OM Сергей...
07.05.2004 16:34 Еще раз : труба (диполь Надененко) - она и в Африке труба. Было б...  --  Stan ut5usq...

Возврат