УКВ антенны с J-согласованием

J-антенна давно и вполне заслуженно популярна среди радиолюбителей. Конструкция её проста, она легко настраивается и согласуется с фидером любого сопротивления. Большие размеры затрудняют её использование на КВ диапазонах, а вот в УКВ она очень 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 счёт 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 (токоприёмника).

Добавим ещё 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». Её усиление — (около 2,4 дБд ) получено за счёт 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 назовём её 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. Её 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 даёт прибавку в усилении всего 0,8 дБ. В чём 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 её 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 петлёй, подальше от концов рефлектора. На участке вблизи антенны на кабель желательно надеть 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 надёжный 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 симметрирующего устройства использовалась ферритовая трубка, надетая 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 её расположении, настройки не совпадают. Поэтому настройку антенны необходимо проводить, установив её 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 удаётся 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 жёсткости. 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 расчёту 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 трёхэлементной 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 расчётных значений.

Работа антенны предварительно оценивалась в городских условиях (кругом были высокие здания, полностью закрывавшие горизонт) при расположении её оси над землей на высоте всего 1,5 м. По сравнению с четвертьволновым автомобильным штырём 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 подъёме антенны на мачту высотой 7 м.

Сравнивались антенна рис. 6 и четырёхэлементная 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», также слышали и SuperJ. Четырёхэлементный «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