Главная » Хабрахабр » Земля на УКВ или демистификация антенн двойной/тройной квадрат

Земля на УКВ или демистификация антенн двойной/тройной квадрат

В 1959 году в №4 журнала «Радио» вышла эпохальная статья энтузиаста дальнего приема телевидения Сергей Кузьмича Сотникова о применении антенн «двойной и тройной квадрат» для дальнего приёма телевидения на МВ (а позже и на ДМВ).

Повторили их тысячи советских граждан.
Хотя эти характеристики очень сильно завышены, они всё же базировались на публикациях авторитетных исследователей: Сэм Лесли (W5DQV, публикация 1955 года), Дика Бирда (G4ZU), Ротхаммеля (со ссылкой на Лесли и Бирда). Заявленные феноменальные характеристики 10-12 dBi для двойного квадрата и 16-17 dBi для тройного квадрата взбудоражили умы советского радиолюбительского сообщества и на многие десятилетия предопределили огромный успех таких антенн на МВ и ДМВ: описания этих антенн кочевали из книги в книгу, из журнала в журнал.

В 1962 году Владимир Павлович Шейко-Введенский (UB5CI) опубликовал в издательстве ДОСААФ книгу «Антенны любительских радиостанций» где тоже есть упоминания 13 dBi от двойного квадрата.

Большое обилие авторитетных источников определило, что в корне неверные выводы Сотникова пользуются популярностью даже в 2018 году.

Попробуем разобраться, где здесь правда граничит с мистификацией
В книге Ротхаммеля (перевод Кренкеля 1967 года) рассмотрены КВ антенны диапазона 20, 15 и 10 метров (14, 21 и 30 МГц).

Со ссылкой на радиолюбителей Сэма Лесли (Оклахома, W5DQV, публикация результатов обширных экспериментов с квадратами 1955 года), и Дика Бирда (G4ZU, Англия) утверждается, что антенны двойной квадрат на этих диапазонах имеют направленность от 10 до 13 dBi (от 8 до 11 dBd)

4 dBi, а с «perfect conductor» 13. Симуляция в 4NEC2 с землей (режим реальной земли Зоммерфельда-Нортона) полностью подтверждает эти наблюдения: с проводимостью земли «moderate» можно получить 12. 8 dBi при высоте подвеса антенны 1λ.

Следует отметить, что в опытах Лесли и Бирда измерение dBd производилось не относительно реально построенного диполя, а измерением напряженности поля на некотором расстоянии, при известной мощности в антенне TX и сравнением измеренной напряженности с расчетной по формуле Фрииса.

13 dBi, при высоте подвеса 1λ на КВ формирует двулепестковую ДН с максимумом 8. Дело в том, что обычный диполь Герца, который имеет 2. Т.е. 2 dBi. 1 dBd сам диполь за счет земли имеет преимущество над собой 6.

13 dBi, а не переключением поочередно антенны «двойной квадрат» и диполь. Измерения Лесли и Бирда приведены относительно мнимого диполя 2.

8 dBi при высоте подвеса антенны 1λ с проводимостью земли «moderate». Практически идентичную «двойному квадрату» диаграмму направленности имеет и 2-элементный волновой канал (рефлектор + вибратор): 11. Форма основного и 3 боковых лепестков почти идентична ДН двойного квадрата.

image

image

Измерение этих антенн в свободном пространстве на КВ выполнить невозможно. Так как на КВ не бывает антенн в свободном пространстве, методика и полученные данные полностью релевантные и имеют практическое применение.

73 dBi для двойного квадрата и 6. Моделирование же в 4NEC2 дает 7. 95 dBi для 2-элементного волнового канала.

image
image

В этой антенны «двойной квадрат» описаны в главе «КВ антенны». В 1962 году в издательстве ДОСААФ радиолюбитель из Харькова Владимир Павлович Шейко-Введенский (UB5CI) публикует книгу «Антенны любительских радиостанций». Шейко дает совершенно правильное описание принципа работы — «система из двух противофазно возбуждаемых четвертьволновых горизонтальных излучателей».

Приведены размеры и способы питания для диапазонов 20, 15 и 10 метров (14, 21 и 30 МГц).

Об направленных свойствах Шейко говорит: «известны следующие данные об усилении рамочных антенн: двойной квадрат — 9-11 дБ (8-13 раз), тройной квадрат 14-15 дБ (25-32 раза). В главе «УКВ антенны» Шейко упоминает такие антенны, хотя и не рекомендует их.

Если эти данные приведены с учетом земли (экстраполируя направленность на КВ) — то на УКВ земля не работает как бесконечный плоский проводник, о чем детально написано в книге Гончаренко „Глава 12. Если эти данные приведены для свободного пространства, то они противоречат данным в предыдущей главе о КВ антеннах, ведь с землёй будет значительно больше. 2 Земля на УКВ“ 1.

Таким же путём как Шейко, тремя годами ранее в 1959 году пошел энтузиаст Сергей Сотников.

Чтобы как-то объяснить невероятную направленность такой простой антенны, Сотников выдвинул гипотезу, что у рамочного вибратора 4 рабочих элемента и она эквивалентна 2-этажной ФАР из 2-элементных волновых каналов.

В рамочной же антенне, на разных этажах токи текут противофазно, это описано и в книге Ротхаммеля и Шейко, и следует из простых умозаключений — длина горизонтальной и вертикальной части каждого плеча λ/2, поэтому на верхнем этаже ток течет в противофазе. Но 2-этажная ФАР возбуждается синфазно — на каждом этаже направление токов одинаковое.

В зависимости от формы такой рамки существенно меняется её волновое сопротивление и очень незначительно меняется направленность. Рамочный вибратор с периметром 1λ имеет близкую к изотропной направленность, с небольшим усилением перпендикулярно плоскости и небольшим ослаблением в стороны.

Его сопротивление максимально возможное и близко к 300 Ом, а точное значение зависит от диаметров верхней и нижней труб. Если рамка максимально широкая и имеет минимальную высоту — получаем полуволной петлевой вибратор Пистолькорса. 13 dBi, как и у разрезного диполя Герца. Направленность равна 2.

Если ширина стремится к нулю, а высота к λ/2 мы получаем линию передачи длиной λ/2 короткозамкнутую на конце. При уменьшении ширины петли и увеличении высоты — сопротивление Ra падает, а форма ДН изменяется очень незначительно. Ra такой линии равно 0.

При квадратной рамке с длиной сторон λ/4, сопротивление около 135-140 Ом, а ДН имеет максимумы вперед/назад по 3. В зависимости от соотношения высоты/ширины и формы рамки — можно получать Ra от 0 до 300 Ом. 35 dBd). 48 dBi (1. Возможны и любые другие формы — круглая рамка, треугольная, „гантеля“, „парашют“ и даже неправильные формы.

image

Рамка с меньшей шириной имеет конструктивное преимущество — она более механически прочная при меньшем сечении проводника чем вибратор Пистолькорса. Электрических преимуществ той или иной формы 1λ рамки почти нет. Именно механические преимущества и дешевизна определили популярность квадратов у коротковолников по сравению с волновыми каналами, которые имеют весьма схожие электрические характеристики, но требуют мощных труб + траверсу + растяжки для поддержания длинных труб. На КВ возможно изготовить квадраты из тонкого гибкого провода, натянув их на крестообразные распорки.

Кроме многократно завышенных данных о направленности квадратов на УКВ, Сотников приводит неправильные данные как по размерах (очень большой промах по резонансу) так и по сопротивлению излучения и согласованию.

Ra=150 Ом и 167 Ом соответственно.
Для подключения такой антенны к линии передачи 75 Ом необходимо изготовить симметрирующе-согласующее устройство (ССУ, балун) 2:1. В размерах приведенных для 12-го канала МВ (222-230 МГц) из прутка 6 мм, резонанс наступает на частоте 242 МГц (HFSS) и 245 МГц (4NEC2). На частотах ниже резонансной резко падает Ra и растет отрицательная (ёмкостная) реактивность. При подключении через балун 1:1 даже на резонансной частоте КСВ не может быть меньше 2.

8 (NEC2) или КСВ75=8 (HFSS). На частоте 222 МГц КСВ75=6.

19 dBi (HFSS) и 6. Ку на резонансной частоте 7. Форма главного и боковых лепестков в разных программах — почти идентичная. 67 dBi (NEC2).

image
image
image

Результаты симуляции по размерах для 12-го канала МВ в HFSS и 4NEC2







Выводы

  1. Рамочный вибратор с периметром 1λ любой формы формирует близкую к изотропной диаграмму направленности. Есть небольшое усиление перпендикулярно плоскости рамки — для полуволновой петли равное 2.13 dBi, а для квадратной рамки около 3.5 dBi.
  2. При добавлении рефлектора к рамке её направленность можно увеличить до 6.95 dBi для 2-элементного волнового канала или до 7.73 dBi для двойного квадрата.
  3. На частотах ниже 50 МГц размещение любой антенны на небольшой высоте над землёй (в единицы лямбд) очень существено изменяет результирующую ДН. 2.13 dBi диполь превращается в 8.2 dBi, 6.95 dBi волновой канал превращается в 11.8 dBi, 7.73 dBi двойной квадрат превращается в 12.4 dBi.
  4. Данные по направленности описанные у Лесли, Бирда, Ротхаммеля и Шейко — относятся к низкоподвешенным над землёй антеннам, к которым относятся практически все КВ антенны.
  5. Сергей Сотников экстраполировал производительность КВ антенн двойной квадрат на УКВ, почему этого делать нельзя — написано в „Главе 12.1.2 Земля на УКВ“ книги Гончаренко.
  6. Чтобы обосновать такую огромную направленность квадратов — Сотников кардинально переписал принцип работы квадрата, сравнив его с 2-этажной ФАР из полуволновых диполей и волновых каналов.
  7. Реальная направленность антенн двойной и тройной квадрат незначительно (менее 1 dB) превосходит направленность 2 и 3-элементных волновых каналов.
  8. Волновое сопротивление двойного квадрата (с разносом 0.15λ) близко к 150 Ом. Для работы на 75 Ом необходимо ССУ 2:1, а для 50 Ом — ССУ 3:1. При работе через ССУ 1:1 КСВ не может быть <2 на резонансной частоте.
  9. Размеры антенн приведенные Сотниковым рассчитаны со значительным промахом по резонансу и по минимуму КСВ. Так антенна на диапазон 222-230 МГц имеет резонанс примерно на 242-245 МГц, а на своём расчетном диапазоне КСВ75 превышает 7-8.
  10. Если отбросить завышенные оценки 10-11 dBi, антенна может быть вполне рабочая (при решении вопроса соглсования), 6.7 dBi на VHF для телевидения вполне приличное усиление.
  11. Направленность двойного квадрата не соответствует 5-элементному волновому каналу. Выпускавшая промышленно антенна Уда-Яги на 6-12 канал (2-трубный рефлектор, петлевой вибратор, 4 директора) при длине 1.35 метра давала усиление от 8.6 dBi на 174 МГц до 10.9 dBi на 230 МГц и простое согласование на 75 Ом. Узкополосная (одноканальная) Уда-Яги при равной длине или равном количестве элементов — будет иметь ещё выше усиление.

Тройной квадрат на ДМВ ТВ (DVB-T2)

По просьбе пользователя REPISOT проанализируем возможность применения антенн квадрат для дециметрового диапазона телевизионного вещания.

0“. Промышленно такая антенна производится под маркой „Сигнал 3. 5 равен 470-862 МГц, усиление до 14 dB (16 dBi??)
Заявленный диапазон по КСВ<1.

Директорная рамка имеет разрыв 1 мм. Проведем упрощенную симуляцию в HFSS (без пластиковых проставок и без закругления углов, это немного сдвинет резонансную частоту, но точное значние нам сейчас не интересно).




При питании через ССУ 2:1 на кабель 75 Ом можно получить КСВ=1 на этом канале (примерно 40-ый канал), а КСВ<2 получится в диапазоне 562-737 МГц.
Снизу как и все квадраты, реактивность набирается очень быстро, а Ra падает тоже очень быстро. Как и ожидалось, антенна имеет единственный резонанс (примерно на 626 МГц), Ra=150 Ом. 88 dBi, F/B=12. КСВ150>6 уже при 535 МГц, а на 470 МГц КСВ150=35
Направленность на резонансной частоте 6. 77 dB

Изготовить ССУ 2:1 на ДМВ диапазон крайне сложно, поэтому производитель даже не пытался.

Такое ССУ по определению узкополосное (одноканальное). Антенна комплектуется печатным эквивалентом полуволновой петли, которая работает как трансформатор 4:1, но только когда электрическая длина петли L/2. Но производитель укомплектовал антенну кабелем 50 Ом (хотя телевизоры и тюнеры все 75 Ом). При нагрузке на 75 Ом, входное сопротивление такого ССУ 300 Ом. Возможно производитель посчитал что 200 ближе к 150 чем 300, и для уменьшения отражения на границе антенна<->кабель пожертвовал дополнительным отражением на границе кабель<->телевизор.

При нагрузке 300 Ом (платы симметризации или усилители типа SWA/PAE/ALN) антенна имеет КСВ около 2 в диапазоне 616-750 МГц.

При нагрузке 75 Ом (четвертьволновый трансформатор, как в схемах Сотникова) антенна сильно рассогласована везде, но в узком участке 577-608 МГц КСВ опускается до 2.

7 dBi антенна сохраняет от 540 до 860 МГц.
На частоте 500 МГц F/B падает до 0 (и вперёд и назад излучается по 5. Направленность излучения вперёд на уровне 6. 2 dBi)

5
image
А по электрическим характеристиками существенно проигрывает ей
image
image
image Такая антенна по сложности изготовления и по стоимости превышает 3-элементный волновой канал „Волна-1“ розничной стоимостью $3.


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

Компания Sikorsky провела демонстрацию беспилотного вертолёта с человеком на борту

Вертолёт SARA (Sikorsky Autonomy Research Aircraft) на базе Sikorsky S-76 с автопилотом Matrix Technology Созданный набор систем Matrix Technology достиг уже такого уровня, что в течение года компания планирует интегрировать некоторые функции в вертолёты Black Hawk, которые поставляет для армии. ...

[Перевод] Ремастеринг «Звёздного пути» нейросетями до 1080p и 4K

В качестве небольшого любительского проекта я поэкспериментировал с нейросетями AI Gigapixel для апскейла одного из моих любимых научно-фантастических сериалов — Star Trek: Deep Space Nine (DS9), в русском переводе «Звёздный путь: Глубокий космос 9». Так же, как Final Fantasy 7, ...