ВинРадиоФорум - первый радиолюбительский портал Винничины      VinRadioForum - the first radioamateur portal of the Vinnitsa region

ВинРадиоФорум

Объявление

Винницкий телеграфЪ

Информация о пользователе

Привет, Гость! Войдите или зарегистрируйтесь.


Вы здесь » ВинРадиоФорум » Направленные УКВ антенны » Подход к проектированию УКВ антенн


Подход к проектированию УКВ антенн

Сообщений 1 страница 5 из 5

1

У VHF радиолюбителей популярны антенны K1FO,VE7BQH, DL6WU, K2RIW, M2, Сushcraft. RA3LE, с помощью программыYA-354, проанализировал все существующие УКВ антенны и пришел к следующему выводу: антенны перечисленных авторов, опубликованные в различных журналах и Internet рассчитаны с активным элементом в виде линейного полуволнового вибратора. Полное входное сопротивление (Zа) этих антенн составляет 6 – 52 ом.

Использовать такие антенны можно, если они имеют Za= 50 или 25, 33.3, 37.5 ом. С помощью трансформаторов 50 и 75 ом можно повысить Za до 100, 75 и 150 ом соответственно. Однако хороших антенн с такими Za мало, а при запитке системы возникают серьезные проблемы. Za более низкоомных антенн аналогичным способом повышать нельзя, трансформатор будет работать с большим
(3-5) КСВ и серьезные потери неизбежны.

В дальнейшем различные соавторы, для получения стандартного Zа = 200 ом, производили замену линейного активного вибратора (АВ) на петлевой или T-match с размерами, равными размеру линейного вибратора антенны, без дополнительного перерасчета антенны. Как изменятся параметры антенны, если для увеличения Zа применить петлевой вибратор и можно ли это делать, не изменяя конструктивные размеры других элементов? Ответ один – этого делать не следует.

Сначала не много теории. Любой реальный вибратор всегда короче идеального
(бесконечно тонкого). Коэффициент укорочения (К. ук.) петлевого вибратора ~ в 1.5 раза больше, чем линейного. Расчетные длины полуволновых вибраторов D = 8 мм в свободном пространстве, полученные с помощью YA-354, следующие:

ИДЕАЛЬНЫЙ - 144 мгц – 1040 мм, Z = ~ 72.9 ом. К. ук. = 1.0.
ЛИНЕЙНЫЙ - 144 мгц – 979.00 мм, Z = 71.39 ом. К. ук. = 0.941.
ПЕТЛЕВОЙ - 144 мгц – 938.40 мм, Z = 285.64 ом (Н = 50 мм). К. ук. = 0.902,
то есть длина петлевого вибратора составляет 0.958 длины линейного.
ИДЕАЛЬНЫЙ - 432 мгц – 347.00 мм, Z = ~ 72.9 ом. К. ук. = 1.0.
ЛИНЕЙНЫЙ - 432 мгц – 318.50 мм, Z = 73.11 ом. К. ук. = 0.917.
ПЕТЛЕВОЙ - 432 мгц – 292.42 мм, Z = 292.36 ом (Н = 15 мм). К. ук. = 0.841,
то есть длина петлевого вибратора составляет 0.918 длины линейного.

Данные расчетов полностью совпадают с данными экспериментов.

Некоторые радиолюбители считают, если заменить линейный вибратор на петле-вой, то Zа увеличится ~ в 4 раза, останется чисто активным, а антенна полностью сохранит все заявленные параметры. Однако это не так. В антеннах АВ работает не на своей резонансной частоте, а на более высокой, где его собственное Z больше и имеет ярко выраженный индуктивный характер. По этому после замены Zа увеличится в 6-8 раз и может стать не приемлемым для типового согласования.

Значит требуется настройка атенны? Но все элементы антенны связаны очень критичными фазово-амплитудными соотношениями и если изменить на 1мм размер любого элемента или расстояние между ними, ее параметры значительно изменятся. Не имея квалификации и необходимых приборов за это лучше не браться. Прежде всего это касается размеров активного вибратора, рефлектора и первых 5-8 директоров. Особенно следует отметить
опасность “самовольного” изменения диаметра элементов. В след за изменением диаметра элементов на 0.2 мм требуется индивидуальная корректировка длины разных директоров и А.В от 2 до 4 мм для настройки на рабочую частоту.

Что будет с антенной, если расчетный линейный вибратор заменить на петлевой рассмотрим на примере DJ9OPTO2 (лучшей антенны при длине 8.3 м.) и закона Ома.

Работает YA-354 - надежная программа для проектирования YAGI - антенн:
Za= Ra+/-Jx полное (комплексное) входное сопротивление антенны.
Ra – активная составляющая Za – сопротивление излучения антенны.
+Jx - это дополнительная индуктивность между Ra и фидером.
- Jx - это дополнительная емкость между Ra и фидером.

В любом случае Jx – препятствует передаче энергии из фидера в антенну (закон Ома для полной цепи), уменьшая коэффициент излучения (Кизлуч.).

Варианты: (F= 144.1 мгц).

1. Zа = 44.49 + J0.08 ом – линейный, L = 981мм (расчетный). К.излуч.= 1. КСВ = 1.12.
Установим на антенну петлевой АВ с размерами – 981 х 50 мм D= 8 мм:
2. Zа = 218.68 + J117 ом – петлевой, L = 981 мм х 50 мм. К. излуч. = 0.652. КСВ = 1.09.
Укоротим АВ на 17мм:
3. Zа = 200.56 + J68.2 ом – петлевой, L = 964 мм х 50 мм. К. излуч. = 0.746. КСВ = 1.

С укороченным АВ фидер все равно будет подключен к Ra через 0.08 мкг, а это кусок 2мм провода длиной 11.8 см. А если будет –J68.2 - то через 16пф. Дальнейшее уменьшение длины АВ для сведения +Jx к нулю, сделает АВ соизмеримым по размерам с одним из директоров. Вибратор вступит с ним в прямой резонанс. Теперь Za будет определяться законами этой связи, а не всей конструкцией. Параметры такой антенны не предсказуемы, а согласование с фидером не возможно. Этот фактор, совместно с другими, не позволяет применять петлевой вибратор в антеннах на 1296 мгц. Проще говоря, АВ должен быть длиннее первого директора хотя бы на 2 мм (144мгц).

При таких условиях на 1296 мгц у любой антенны Ra= 400-600 и +Jx= 350-550!
В первом варианте антенну можно запитать РК-50 с симметрирующим мостом,
во втором и в третьем вариантах антенна запитывается через U-петлю и фидер РК-50.

DJ9OPTO2 имеет расчетное значение G = 14.22 dbd на F = 144.1 мгц с линейным АВ. Реализовать его можно только, когда на рабочей частоте Zа чисто активное.
В третьем варианте потери реального усиления антенны в размере 0.254 или 1db гарантированы. Плюс потери после замены АВ= 0.02db - итого реальное усиление составит 13.2dbd. Аналогичные потери будет иметь любая антенна при установке на ней петлевого АВ, вместо расчетного линейного. На 432 и 1296 мгц - много больше.

Во втором варианте потери - 0.354 или 1.5 db. Еще не много дополнительных потерь, а они всегда найдутся (увидим далее), и четверка с петлевыми будет работать как двойка с расчетными линейными активными вибраторами. Большая цена, в том числе и материальная, за не точность копирования чужой или изготовления своей конструкции, за излишнюю доверчивость или нехватку знаний.
Информация к размышлению:

В журналах DUBUS 4-91 и 4-95 приведены данные о рабочих параметрах системы
8 х 7.5м BV 70см, в экспедициях T70A и CN2EME : G, Ta, G/T, SN, Echo при
Bp= 2.4 кгц /1.5kw, Noise Cassiopeia, VSWR=1.25:1. Система фазировалась открытыми линиями. Сравнив данные, полученные в эксплуатации, с данными других систем видим:

1.Все параметры системы не лучше, чем у старой 16 х 4м F9FT с фазировкой кабелем (DUBUS 1-78).

2.Все параметры хуже, чем у старой (уже) модели 8 х 6.9м RA3LE.(в эксплуатации).

Одной из причин является большая величина +Jx у антенн при установке на них петлевого вибратора вместо расчетного линейного и как результат – снижение реального усиления антенны. Есть претензии и к самой антенне. А КСВ = 1.25!? Все приборы точечного измерения (рефлектометры) не могут определить наличие реактивности у антенны.

Как взаимосвязаны основные параметры антенны и что они характеризуют?
Круговая диаграмма направленности характеризует уровень излучения (приема)
в плоскостях Е – горизонтальная и Н - вертикальная (для YA-354), от 0 до 360 градусов. Это сумма всех фазовых и амплитудных соотношений в антенне в зависимости от направления.

G (dbd)– коэффициент усиления по отношению к диполю в направлении главного лепестка излучения. G зависит не только от его ширины, но и от уровня связей между элементами. То есть, при более широком главном лепестке одной антенны можно иметь большее усиление, чем при узком у другой. (Разные концепции проектирования антенн). Более эффективны антенны с сильной связью первых директоров с активным вибратором.

F/B (db) – отношение уровня излучения в направлении главного лепестка к уровню
излучения в диаметрально противоположном направлении. F/B не несет полной
информации о подавлении излучения в задней сфере антенны. Например, это могут быть широкий лепесток с уровнем – 25db, имеющий узкий разрез до уровня - 50 db (WU37) или вариант, когда вся задняя полусфера имеет уровень –34db (23LE). При определенной длине антенны сформировать чистую диаграмму можно только со сложным рефлектором. Лучше работают рефлекторы из 2х или 4х элементов. Одиночные рефлекторы являются (в основном) резонансными, а их размеры очень критичны.

Tа (К) – шумовая температура в градусах Кельвина – тем ниже, чем лучше (чище)
круговая диаграмма антенны и качественнее применяемые материалы (Al,Cu,Ag),
а выбранный диаметр элементов и технология обеспечат их наивысшую добротность.Очень сильно влияют на этот параметр размер и положение последнего директора При приеме он первый и от его качества зависит многое. Применение Cu или Ag?

G/Tа (db) – уровень качества антенны. Важный параметр, особенно для приема слабых сигналов в земных условиях (Т Земли ~ 1000K). В городских условиях предпочтение следует отдать антенне, у которой G/T на 0.5db выше, даже если G на 0.1 dbd ниже, чем у другой. Потерю в 0.1db легко скомпенсировать передатчиком, а условия приема улучшатся. Особенно это актуально для ЕМЕ.

Па (мгц) – полоса пропускания антенны, определяется шириной участка, в котором Zа не сильно отличается от Rфидера, а возрастающая реактивность (Jx) не достигает величины, при которой Кизлуч. хуже 0.8. К этому параметру у радиолюбителей разные требования. Параметры широкополосных антенн не так сильно зависят от климатических условий эксплуатации, как параметры узкополосных антенн. При узкой полосе можно достичь большего усиления, но легко промахнуться в размерах и ухудшится часть других параметров.

Za (ом) = Ra+/-Jx – полное входное сопротивление антенны. Оно должно равняться сопротивлению фидера и быть активным на главной рабочей частоте. Антенна должна рассчитываться с тем типом активного вибратора, который позволяет получить необходимое входное сопротивление. Далее идет симметрирующее устройство, и если необходимо, то с делителем. Все это вносит 0.05 – 0.1db дополнительных потерь.

Учитывая, что большинство радиолюбителей предпочитает использовать в качестве активного элемента антенн петлевой вибратор, автор разработал 50 антенн для диапазонов 144, 432, и 1296 мгц длиной от3 до11 м, с диаметром элементов 2.25, 4, 5, 6 мм и типовыми входными сопротивлениями 33.3, 37.5, 50, 75,150, 200 и 300 ом. Антенны LE, в основном имеют G большее, чем у других антенн такой же длины
и более высокое качество G/T. Расчет антенны соответствует ее работе в свободном пространстве.

Все антенны объединены в общий каталог.
Выбор антенны:

Существуют три концепции проектирования YAGI антенн: с малым, средним и
большим количеством элементов при одинаковой длине антенны.

Первая - характерна большими расстояниями между последними директорами и в результате антенны имеют повышенное усиление (возрастание Q), но очень узкую полосу и не высокое подавление в задней полусфере. Za с петлевым АВ - до150 ом.

Третья - позволяет получать отличные характеристики при определенных длинах,
но только при очень (до25 ом) низких входных сопротивлениях. Небольшие расстояния между рефлектором, активным вибратором и первыми директорами лишают маневра при регулировке .Za. Антенны имеют низкое КСВ в широкой полосе. Использование в них петлевого вибратора не возможно.

Второй вариант, с уклонами к первому или третьему - самый распространенный и позволяет создавать антенны с высокими параметрами и различным Za и типом АВ.

Выбор антенны на несколько лет определит и успехи радиолюбителя и удовле-творение от работы в эфире. Правильно выбрать антенну можно зная все ее характеристики, а не только один коэффициент усиления и длину. Лучше, если имеется возможность проанализировать ее круговую диаграмму или знать значение G/T, характеризующее чистоту этой диаграммы .Антенны с чистой диаграммой и высоким значением G/T можно располагать ближе друг к другу, чем антенны с плохой диаграм-мой и низким G/T. Некоторые авторы опубликовали антенны, у которых G на 0.2-0.3 db выше, чем у лучших, рабочих антенн при той же длине. Осторожно! Все они имеют загубленные остальные характеристики: низкое Za, полосу <200 кгц, F/B <20 db, КСВ на Fрабочая + 0.5 мгц > 3-5, высокую Ta и плохое качество-G/T. Это скорее рекламные публикации, чем рабочие антенны. Не экономьте на 30 см БУМа. С учетом российских метеоусловий КСВ антенны должен быть не хуже 1.2 на частоте Fрабочая +/- 0.5 мгц. Удобны для построения систем антенны с Za= 150ом. Соединение их по парно обеспечит минимум потерь при построении системы. 150+150= 75 ом.

Иногда приходится выбирать антенну исходя из наличия материалов для ее
повторения. Любое, самое незначительное изменение расчетных размеров антенны не допустимо. В каталоге есть много различных вариантов исполнения антенн.

Для работы всеми видами, кроме ЕМЕ, достаточно иметь по одной антенне, максимальной длины, с высоким значением G/T, на каждый диапазон, на одной мачте. Для такой работы +/- 1db в усилении антенны ни чего не решают. Если есть тропо, то можно работать и на одну стрелу. Если его нет – не помогут и 16 стрел. Предпочтение, если не для кросс-варианта, лучше отдать антеннам со сложным рефлектором. Они более устойчивы в работе и имеют более высокое качество G/T. Хорошая диаграмма поможет отстраиваться от помех. Простые системы согласования и фазировки повысят эффективность их работы. Если QRN обстановка благоприятная, то можно выбрать антенну с линейным АВ. и Za=50-75ом (особенно для FM) с хорошими данными.

Антенны на 432 мгц и 1296 мгц могут много потерять, если их крепить с боку
мачты. Нужно изготовить и прикрепить к мачте П-образную конструкцию (1м-2м-1м, хорошо бы из деревянного бруска) и на ее консолях подвесить эти антенны с помощью Т-образных кронштейнов.

ЕМЕ-144мгц - дело вкуса и возможностей. Считаю, что система 4 х 9м хороших антенн более чем достаточна для успешной самостоятельной работы в эфире.
Фазировать антенны лучше кабелем, что повысит метеоустойчивость.

ЕМЕ-432мгц – здесь дело сложнее. Необходимо иметь или 4 х 9м, или 8 х 5/7м.
Речь идет об антеннах с реально высокими параметрами. С такой системой работать будет одно удовольствие. Меньше, чем 4 х 7м делать не стоит. Четверки эффективно фазируются кабелем. Для восьмерки лучше подходят воздушные линии и комбинация.

Для QRO нужны антенны с большими диаметрами директоров и АВ:~100w/1.5mm D

для АВ и~100w/1мм D – для директоров (материал - Al). Для 144 ~ в1.5раза больше.
Изготовление антенны.

При изготовлении антенны к ней следует относиться, как к ювелирному изделию. Ошибка в одном размере на 1мм - и антенна потеряет 1-3% главных параметров. Плохо, если таких ошибок будет несколько. Все потери накапливаются, результат растет в прогрессии. Изменение диаметра элементов просто не допустимо.
Погрешность разметки и изготовления должна быть < 0.1мм. Сначала необходимо проверить разметочный инструмент – рулетки, линейки. БУМ следует размечать только по нарастающей длине от рефлектора. Растяжки и подпорки БУМа, если не возможно сделать диэлектрическими, делайте из металла с плохой проводимостью (нихром, ПТВ и т.д.). Будет меньше паразитное переизлучение.

Лучшая траверса (БУМ) – диэлектрическая (пластик, дерево). Металлический БУМ
технологичнее и прочнее, но вносит дополнительные потери, искажает диаграмму и уменьшает общее усиление антенны, особенно мачта и рама.
БУМ не должен иметь прогиб более 0.2 Е или Н, иначе поплывут фазы переизлучений последних элементов. В любом варианте питания антенны фидер, после подключения к АВ и закрепления под (над) ним, должен сначала идти вниз (в верх), а уж потом к БУМу (как у F9FT), особенно если есть U-петля. Это уменьшит влияние устройства питания антенны на первые директора. При использовании диэлектрического БУМа фидер, закрепленный под ним, сдвинет резонансную F антенны вверх и сильно ее расстроит. Кабель должен идти подальше от элементов. Торцевое крепление антенн обеспечивает наилучшие условия их работы. При обычном креплении хорошо, если стойка, к которой крепится антенна или ее конец, будут диэлектрическими (дерево = UFB). Лучший БУМ для 1296 мгц удочка “Каскад-6”(Беларусь) или рем.комплект для нее (дешевле).

Выбор способа крепления элементов - важная стадия начала изготовления антенны. Лучший – сквозь диэлектрическую траверсу или монтаж элементов на диэлектрических стойках на высоте 0.5 диаметра металлической траверсы над (под) ней. Все остальные способы крепления вносят дополнительные потери, а расчет удлинения элементов при креплении сквозь БУМ не достаточно точен. Для стоек подходит любой материал:
дерево, текстолит, винипласт, полистирол …, лишь бы не кололся на морозе и не
ломался от ворон.

При модном сейчас способе крепления элементов с изолируюшей втулкой через БУМ удлинение элементов рассчитывается по формуле G3SEK:
Kмм ={12.5975 х B – 114.5 х BхB}х 25.4. B = Dмм / длину волны в мм. D-диаметр БУМа. Удлинение АВ зависит от расстояния между его трубками и БУМом и от D. Предостережение: 1.формула радиолюбительская. 2. при таком способе крепления все равно часть элемента экранирована БУМом. На 1296 мгц потери будут большими.

Лучший материал для элементов медь или чистый электротехнический алюминий
из силовых кабелей. Все остальные сплавы: АМГ, АМЦ, Д16, В-95 имеют существенные потери. Если на 144 мгц Д16Т еще можно использовать, то для 1296 он не годится. Лучший материал для 1296 мгц – ПЭВ 2-3 мм. Допустимо применение алюминия.

Система питания антенны состоит из симметрирующего и согласующего устройств и фидера. Если антенн несколько, еще и центральный делитель мощности. Минимальные потери имеет симметрирующее устройство - классический 1/4 волновой мостик с волновым сопротивлением Rм = Rа антенны. Мостик – это две параллельные трубки с d ~ 8 -12 мм, в верху подключенные к А.В., в низу закороченные перемычкой.Фидер проходит внутри первой трубки, его оплетка(и) соединяется с верхним концом этой трубки и А.В. Через дополнительное отверстие в самом верху первой трубки центральный проводник фидера подключается к верхней части второй трубки и А.В. Расстояние между центрами трубок (D) определяется из формулы: Rм = 276lg 2D/d мм. Потери ~ 0.05db 432 мгц.

U-петля симметрирует и делит Za на 4. Петлевой вибратор (Z ~ 280 ом) можно представить в виде двух последовательно соединенных 140 омных антенн (есть такие) “тромбонов”. Но если их запитать от одного фидера с фазируюшим устройством, то результирующее Za будет 70ом. С точки зрения теории оба конца оплетки U-петли должны быть соединены с общей точкой двух тромбонов, то есть с центром верхней части петлевого вибратора. На практике из-за технических неудобств этого не делают.

Собственные потери U-петли ~ 0.1db на 432мгц. Изготавливать ее следует из хорошего кабеля, так как по ней проходит половина подводимой мощности и работает она с КСВ= 2 (при Rп=Rф). Длина кабеля U-петли (по оплетке) ~0.98 полдлины волны с учетом Е наполнителя. Она очень критична. Точный коэффициент укорочения указан в ТУ на кабель. Он может отличаться у разных кабелей даже при одинаковом наполнителе. Особенно при разных диаметрах кабеля. Сумма длин выводов = зазору АВ. Обычно 15мм на 144 мгц и10 мм на 432 мгц, 1296мгц..

Стакан изготавливается из двух концентрических Cu (Al) полированных в рабочей
зоне трубок, закороченных кольцом внизу. Фидер проходит внутри трубки меньшего диаметра. Оплетку (и) на конце фидера соединяют с верхним концом внутренней трубки стакана, а далее с половинкой АВ. Центральный проводник фидера идет на вторую половинку АВ. Суммарная длина выводов фидера должна строго равняться зазору между половинками АВ. Оплетка фидера не должна иметь контакт с нижней частью стакана.

Верх стакана герметизируется кольцом из 3 – 4мм качественного диэлектрика (F4). R стакана = Ra. R = 138lg х D2/D1 ом. Для 75ом: D2 = 28(35)мм, а D1 = 8(10) мм. Длина стакана, как и мостика ~ 0.96 х 1/4 длины волны. Снаружи стакан можно покрасить. При необходимости трансформировать Ra, отрезок фидера внутри стакана или мостика должен иметь другое R. На пример: Ra = 33.3ом,
Rт = 50ом, далее идет основной фидер с R = 75ом. У симметрирующего устройства с трансформацией потери могут быть больше, чем у U-петли. Питающая система не должна влиять на директора антенны (все кабели от АВ. и сразу вниз).

Хорошие, со вспененной изоляцией кабели, вытесняют воздушные открытые симметричные линии с диапазона 144 мгц. На 432 мгц, если вынести на штанге предусилитель и основной фидер в плоскость активных вибраторов 4-ки антенн, то длина соединительных кабелей составит 1 – 1.4м. При этом потери, даже со средним по качеству 9мм РК75-7х37 составят 0.1 – 0.14db. Во первых, это сравнимо с потерями в открытых линиях при сведении их к центру мачты, во вторых резко снизится метеозависимость АФУ.– 75 ом. Если антенны требуют U-петли, то потери увеличатся. Потери ~0.05db имеют антенное реле и центральный делитель мощности, распределяющий подведенную энергию Tx по всем антеннам. Линии могут дать выигрыш ~ 0.1-0.2db, но до первой непогоды.

Данные о потерях приведены для диапазона 432 мгц. На 144 мгц они немного меньше. Можно попытаться сложить все возможные потери и сделать все необходимое чтобы их избежать.

Узнать есть ли у антенны реактивность и устранить ее, если она не очень большая, можно следующим образом:

1. подключаем антенну к рефлектометру через кабель длиной в 2 – 4 волны (в кабеле). Производим замер уровня напряжения (min или max).
2. подключаем дополнительно еще полволны (в кабеле) перед рефлектометром (при этом знак Jx в точке замера изменится на противополож-ный). Производим второй замер, не трогая рефлектометр.
3. перемещая АВ на +/- Nмм выравниваем эти уровни,
не трогая рефлектометр.
4. Производим 2 и 3 действие несколько раз.
5. Проще это делать с линией Р3-35 от “Р- тлф АЛТАЙ”.

КСВ антенны при этом изменится незначительно. Отличие напряжений обусловлено разными кривыми нарастания Za от уровня Ra и выше. При +Jx Za продолжает расти линейно, при –Jx – по экспоненте. В своих крайних точках кривые сойдутся. Обнаружить большую реактивность таким “прибором” станет тяжело, а устранить одним перемещением АВ не возможно. Придется менять антенну (ы).

Лучше всего выбрать ту антенну, которую Вы сможете точно воспроизвести в металле и пластике, исходя из своих возможностей и которая не требует настройки.

При изготовлении антенны элементы следует отполировать, а после монтажа на БУМ, обезжирить и покрасить тонким слоем светлой эмали. Есть еще разведенный БФ, лаки на эпоксидной основе, специальные краски и т.д. Силиконом герметизируются все элементы питания и коммутации. Деревянные элементы конструкций должны проходить полный технологический цикл: сухая доска, заготовка бруска и обработка рубанком, окончательная сушка в пакете (1месяц), олифирование, покраска. Бруски хорошо соединять в конструкцию с помощью стальных пластин с прокладками из резины (авто) и болтов.

Правильно спроектированная антенна (система) после качественного изготовления не требует настройки и надежно работает много лет.

Отредактировано kulibin07 (2009-05-22 17:01:20)

0

2

kulibin07 написал(а):

Правильно спроектированная антенна (система) после качественного изготовления не требует настройки и надежно работает много лет.

Это ты конечно  :canthearyou:

0

3

А что антенны нужно настраивать :) (шутка).
Настраивать то конечно в идеале нужно, так как старайся не старайся а все равно идеально точно не получиться.
Но тут имелось в виду то что настроить многоелементную антенну без соответствующей апаратури да и навыков, очень сложно. И лучше постараться сделать антенну максимально точно, вот и все.

0

4

Что-то в этом всё же есть ;)

увеличить

0

5

Итак продолжаем тему проектирования УКВ антенн.
Следующее на очереди, это материал для траверсы (бума). Так как труба из нержавейки или дюралиминия стоит достаточно дорого особенно дюралевая. Да к тому же закрепить елементы на круглой трубе достаточно сложно, поэтому как достойный компромис предлагаю делать траверсы из дерева, к самым очевидным преимуществам деревяной травесы можно отнести минимальное влияние на антенну, к тому же цена такой траверсы да и вес намного менше, проверено     лично траверса длиной 3.2м весит грам 300 -350 и это вместе с елементами.
Итак начнем
СОСНОВАЯ ТРАВЕРСА

Почему сосновая, а не другая древесина? Возможно другая будет в чем то лучше, говорю о том, что знаю. Почему не из металла или из стеклопластика? Ничего против не имею, просто не вижу ни преимуществ, ни смысла.

Какие преимущества и недостатки в доступности материала, трудоемкости изготовления, моделировании, влиянии на параметры, в работе, прочности, надежности и долговечности у антенн с траверсами из металла и древесины?

1. Доступность заготовки для сосновой траверсы очевидна, цена погонного метра в 15 раз меньше, чем трубы Д16т и заготовка для траверсы впридачу с рубанком обойдется не дороже металлической трубы или профиля. Если рядом нет магазина стройматериалов, то сосед с циркуляркой сделает еще лучше. Ее свойства не таят сюрпризов кроме недостатков, известных всем и которые несложно учесть.

2. Если вспомнить, что траверса нужна только для того, чтобы расположить элементы в нужном месте и положении то в сосновой для этого достаточно просверлить в нужных местах отверстия и вставить элементы. Сама металлическая траверса на мой взгляд, более трудоемка, а к этому еще надо добавить крепеж элементов. Сосновую траверсу несложно сделать с переменным, уменьшающимся к концам, восьмигранным профилем. Разметка и сверловка 4х или 8и гранного профиля в несколько раз легче, быстрее и точнее, чем круглого.

3. Расчет антенн ВК с металлической траверсой в программах не производится. Ее влияние корректируется ПОСЛЕ РАСЧЕТА с помощью формул или таблиц. Подробно об этом на стр. "Металлическая траверса в модели антенны" Сосновая траверса, как диэлектрик в центре элемента, не требует моделирования и коррекции длины элементов. Измерения антенн 145 мгц на траверсе 25х28 мм дают сдвиг частоты вниз менее 0,1 мгц, антенн 1296 мгц на траверсе 9х15 мм- менее 3 мгц. О потерях в древесине, как диэлектрике в зоне антенны можно сделать вывод из таблицы (см ниже). Потерь не больше, чем в ПВХ оболочке кабелей, лежащих на траверсе.

4. Очень желательно, чтобы у антенны на металлической траверсе была симметрия- и геометрическая и по питанию. В противном случае в траверсе наводится продольный ток, влияющий на параметры только в худшую сторону. В многоэлементной антенне с вертикальной поляризацией из за прогиба траверсы симметрии нет, более того, в плоскости поляризации ее размер увеличивается на величину прогиба, из за чего продольный ток еще больше. В антеннах 800...1000 мгц на металл. травесе на панорамном КСВ метре очень наглядно проявляется остроконечный выброс в рабочей полосе КСВ до 2.0 и более от каждого незначительно, доли мм, смещеного вбок директора. Представьте антенну на 1296 мгц, которую вы предполагаете сделать на металл. травесе, увеличеную в 9 раз, на 145 мгц: - траверса 100 мм, коррекция длины элементов под нее, увеличенные в 9 раз крепеж и неточности. На 145 мгц такую антенну трудно, но можно настроить, имея приборы и опыт. А антенну с теми же проблемами, но на 1296 мгц? И чем? У антенны на сосновой траверсе таких проблем нет.

5. Есть в электротехнике термины "блуждающие" и "уравнивающие" токи. Сосед пустит нулевой провод в обход счетчика, перекос фаз, и многое другое являются их причиной. Если вибратор неизолирован от траверсы, а далее мачта, растяжки и какая нибудь железяка с ненулевым потенциалом 50 гц. Напряжение небольшое- максимум 30 вольт, но иметь их через оплетку кабеля на корпусе аппарата или пустить уравнивающий ток далее - через блок питания или через заземление в обоих случаях нежелательно. А если вибратор на хорошем изоляторе и более того, ни вибратор, ни схема согласования не обеспечивают гальванической связи между центральной жилой и оплеткой, предгрозовая статика если не наделает лишних "дырок" в транзисторах, то пошумит разрядами, а изолированные пассивные элементы подпоют разрядами на траверсу. Древесина не столь хороший изолятор и по мере поступления статики тихо отправит ее на мачту. Но и не столь плохой, чтобы коротить токи 50 гц.

6. По результатам испытаний предел прочности на излом у траверсы без отверстий из трубы Д16т диаметром 22 мм и стенкой 1.5 мм и у сосновой траверсы прямоугольного сечения 22 х 25 мм одинаков. Сосновая траверса весит столько же. Сопротивление кручению у соснового бруска значительно меньше, чем у металлической трубы, но это относится больше к одиночной перекладине в стеке, на самой траверсе таких нагрузок нет. Недостатком сосновой траверсы является вероятность продольной деформации (скручивание пропеллером). Его можно избежать, выбирая для траверсы заготовки из досок БУ или после долгого хранения отдельно (не в пачке с другими), у которых внутреннее напряжение скрученного состояния уже разряжено.

7. У сосновой траверсы упругая деформация (гибкость) в два-три раза больше, чем у металлической, а остаточная деформация (пластичность) во много раз меньше. На практике это значит, что при сильном ветре или случайных нагрузках сосновая траверса имеет больший изгиб, но после снятия нагрузки полностью восстанавливает форму. В большинстве случаев эти свойства положительны и при равном с металлической траверсой пределе прочности на излом позволяют избежать и поломок или деформации самой траверсы и уменьшают разрушающие нагрузки на узлы крепления. У древесины нет такого понятия, как у металлов: "усталость" и излом от многократных изгибов.

8. Многие опасаются, что со временем сосновая траверса постепенно согнется под весом элементов и собственным весом, проводя аналогию с ветками деревьев. Но причины и процессы в живой, мертвой древесинах и металле, приводящие к изменению первоначальной формы под влиянием постоянных средних нагрузок различны. В живой древесине это различная скорость нароста ее слоев для избежания поломки или касания веток. В металле- изменение межкристалльных расстояний и связей до определенного предела (предел текучести). В мертвой древесине- деформация от различной влажности верхней и нижней сторон траверсы и различной скорости долговременного изменения их свойств под воздействием солнца. Эта деформация противоположна деформации под тяжестью элементов и собственного веса и в долговременном плане не приводит к остаточной деформации, но вероятность ее всетаки остается. Конструкция антенн позволяет в таком случае провернуть траверсу вдоль оси на 180 гр. но необходимости в этом пока не возникало.

9. Надежность крепления элементов к металлической траверсе до сих пор остается или наиболее слабым звеном или очень трудоемким. Зазоры между элементом, крепежом и траверсой подвержены коррозии от длительно находящейся в них влаги и нагрузкам на разрыв при ее замерзании. Металлический крепеж трудно подобрать и по коррозионной стойкости и по минимуму гальваноЭДС одновременно. Пластмассовый крепеж по стойкости к ультрафиолету и крайним значениям температур внешней среды ограничен сроком службы 1 год. Обилие всевозможных крепежных элементов и деталей конструкции на металлической траверсе не только вносит свои неучтенные в модели коррективы в параметры антенны, но и усложняет или делает вообще невозможным умозрительный расчет и оценку надежности конструкции.

10. Крепление элементов в сосновой траверсе заключается лишь в тугой посадке их в отверстия в траверсе, в которые предварительно внесено несколько капель эпоксидной смолы. Пропитывать всю траверсу чем либо перед этим не надо, это только снизит надежность посадки элементов.

11. Цитата с форума: " Звонил в Алрос... Расчет по прайсу Алроса небольшого стека из 4-х бумов по 6м с доставкой выйдет под 5 тыщ. Без стоимости фрейма. Думаю, приводить цены производителей (Cushcraft, M2...) нет смысла... ...сумма по материалу выходит в 3 раза дешевле покупки 4-х готовых антенн. Алексей RA4SD
На материалы для 4х антенн по 6 м потребуется 500 руб (со стоимостью"фрейма"). Сдувает ветром и те и другие, но в одном случае неприятность и убытки, в другом- долгожданный повод для замены на более современную.

12. Траверса из стеклопластика как диэлектрик заметных преимуществ не имеет. Ее сверловку надо производить вне жилого помещения из за пыли, состоящей из стеклянных микроиголок. Долговечность ее ограничена старением и высыханием под прямыми солнечными лучами связующего полимера- эпоксидной смолы. Многие из вас видели,как былая глянцевая поверхность стеклопластикового шифера для навесов через год- два превращается в лохматую стеклянную "шерсть", а позже высыхает до сквозных дыр в ней.

13. При обледнении в результате нароста льда из тяжелого тумана при околонулевой температуре или осаждении инея при высокой влажности воздуха ледяная корка или "шуба" инея на сосновой траверсе в 1,5...2 раза тоньше, и в 2...3 раза легче, чем на металлической.

14. Сосновая древесина требует защиты от гниения, солнечной радиации, чрезмерной влажности и высыхания. "Варить олифу" не надо- есть достаточно эффективные и недорогие средства для этого. Пропитка Пинотекс, яхтовый лак Маршалл и т.п. Современные обычные краски тоже достаточно хорошо и надолго защитят ее. Делать антенну "на века" и для внуков в нашем деле смысла не больше, чем завещать им свой компьютер.

СОСНОВАЯ ДРЕВЕСИНА,КАК ЭЛЕМЕНТ КОНСТРУКЦИИ АНТЕННЫ

Основным компонентом древесины является альфа- целлюлоза. Древесина относится к полярным диэлектрикам, которые в определенных диапазонах частот и температур значительно уступают по своим свойствам неполярным. У древесины подьем потерь при температурах ниже - 20 гр на частотах от 2 до 20 мгц. На УКВ частотах и при естественных температурах сухая древесина относится к диэлектрикам с средними потерями, таким как гетинакс, текстолит, эбонит, бакелит, поливинилхлорид, эпоксидные смолы, стеклотекстолит. Диэлектрическая проницаемость древесины 2...2.7, тангенс угла диэлектрических потерь 0.04...0,05. Сопротивление постоянному току бруска древесины 20х20х100 мм, полностью пропитанного водой-50 Ком, то же средней влажности- единицы Мом.

Влияние несущих элементов конструкции из древесины сведено к минимуму, если они расположены на элементах в узлах (минимумах) напряжения. У волновых каналов это центра элементов, за которые они крепятся к траверсе. Из опыта эксплуатации антенн с сосновыми траверсами заметных на панорамном КСВ метре изменений параметров от погоды не отмечено.

Металлическая и сосновая траверсы были испытаны на прочность. Две опоры,между которыми 1 метр.
На них кладутся испытуемые образцы длиной 110 см. В центре образца подвешен груз. Вот результаты:
1) Трубка из дюралюминия Д 16 т, диаметр 22 мм х1.5 мм. Вес трубки 310 гр. Разрушающее усилие 47 кг.
2) Та-же трубка с отверстием 8 мм у центра, в нем втулка с элементом 4 мм. Разрушающее усилие 40 кг.
3) Сосновый брусок без сучков 22х25 мм, в нем отверстие 4 мм. Вес 300 гр. Разрушающее усилие 45 кг

Изолировать древесину от влаги невозможно. Спиральная структура молекул целлюлозы мала для больших молекул жирных кислот пропиточных лаков, зато вода свободно проникает внутрь спиралей. А защитить древесину от солнечной радиации и от резких перепадов её влажности можно и нужно. В незащищенную древесину вода проникает в основном капиллярным способом, пропитывая ее как вату. В защищенную с пропитанным внешним слоем и окраской - в основном за счет всасывания воды с поверхности во время дождя и тумана из за быстрого охлаждения и сжатия воздуха внутри нее. Закрыть для воды все пути проникновения можно только в вакуумной камере заменив воздух в древесине погружением в пропиточный лак и последующим повышением давления. Но это будет уже тяжелый сплошной древопластик.
Советов и способов защиты ее от влаги больше, чем рецептов от радикулита. Лучшим, как всегда является простой. Хорошая современная мелкодисперсная краска типа "Ореол" наносится в два- три слоя. Первый негустой краской на высушенную траверсу в теплом помещении с повторными проходами до насыщения поверхности, но без потеков. Второй сразу, как только можно браться руками. Третий по необходимости или только подкраска и тоже прежде, чем полное высыхание предыдущего слоя. Подходит только краска для наружних и внутренних работ. Краска только для внутренних- понятно, а только для наружних- говорит о том,что ее качество... Если пропитку и окраску делать разными материалами и с большим перерывом по времени, шансов надеяться на диффузное соединение слоев без шелушения значительно меньше. Еще лучше- использовать для защиты пропитку Пинотекс и яхтовый лак Маршалл.

увеличить

0


Вы здесь » ВинРадиоФорум » Направленные УКВ антенны » Подход к проектированию УКВ антенн