Расчет j антенны. УКВ-антенна с J-согласованием. Полевая J-антенна с комбинированным питанием

Публикация посвящается светлой памяти ушедшего от нас авдеевского радиолюбителя Николая US5IMU, который в свое время любезно предоставил автору этих строк материал для изготовления данной антенны.

В последнее время ситуация на рынке радиолюбительских радиостанций УКВ изменилась в лучшую, для нас, радиолюбителей, сторону. Сегодня FM радиостанция на 2-метровый диапазон стала доступна каждому. Ввиду этого стоит вопрос, какую антенну выбрать радиолюбителю, который впервые осваивает этот интересный диапазон? Ответов можно услышать много, но сегодня мы остановимся на всенаправленной штыревой антенне, внешний вид которой напоминает английскую букву J. Это антенна для начинающего, для дачи, для местных связей на УКВ.

Физику работы этой антенны подробно рассматривать не будем. Кто желает, может ознакомиться с ней в . Лишь отметим, что согласование антенны с линией передачи осуществляется с помощью четвертьволнового шлейфа, который эквивалентен катушке индуктивности и емкости.

Итак, переходим к практической части. Схематический вид антенны изображен на рисунке 1.

Рис. 1. Схематическое изображение J-антенны.

Используя формулы, приведенные на рисунке 1, или воспользовавшись готовым калькулятором в получим размеры антенны A, B, C и D.

Для частоты 145,5 МГц:

A = 148.29 (см)

B = 49.19 (см)

C = 4.63 (см) (для Rфидера=50 Ом)

Материал - медь или алюминий, трубка или проволока. Что есть под рукой. Мною был использован алюминиевый провод круглого сечения диаметром 9 мм. Единственно, нужно помнить о коэффициенте укорочения k, который связывает электрическую длину полотна антенны с ее геометрической длиной. Чем больше толщина проводника, тем больше это различие. Для того, чтобы не прогадать с длиной антенны, рекомендуется сделать размер B немного больше, а затем откусить лишнее в процессе настройки.

Настройка антенны производилась по КСВ метру. В моем случае использовался КСВ метр RS-40, изображенный на рисунке 2.

Рис. 2. Показания КСВ метра в режиме передачи.

Центральную жилу кабеля присоединяем на крокодилах к длинному элементу (A), а оплетку к короткому (B). И начинаем попеременно включать на передачу, смотря на КСВ метр и двигать крокодилы, добиваясь минимума КСВ на рабочей частоте. Включили, посмотрели на КСВ метр, выключили, передвинули крокодилы. В районе 4-6 сантиметров от перемычки должен быть минимум КСВ. Если не удается добиться КСВ близкий к 1,1-1,2, то стоит поиграться длиной B, откусывая по нескольку миллиметров. Во время измерений антенну рекомендуется положить между двумя спинками стульев, подальше от пола, окружающих предметов, и тем более металла.

После настройки, зажать кабель на болты с хомутами, проверить, не сбилась ли настройка, а затем залить контакты автомобильным или сантехническим герметиком.

Спустя несколько сантиметров от точки подключения рекомендуют намотать фильтр, представляющий собой 4-5 витков этого же кабеля на каркасе, к примеру, от 10 кубового шприца. Это несколько уменьшит затекание ВЧ токов на оплетку кабеля и снизит возможные помехи ТВ.

Кабель можно использовать любой 50-омный. В моем случае это маленький кусок метра 3-4 тонкого RG-58U от точки подключения антенна до балкона, а дальше через разъем около 25 метров толстого RG-8. Замечу, что чем толще кабель, тем, как правило, меньше его коэффициент затухания. Чем тоньше - тем потери полезного сигнала больше. С длиной кабеля подобная ситуация, чем длиннее кабель от антенны до трансивера, тем больше будут потери полезного сигнала. Другими словами, для минимизации потерь в кабеле стараемся придерживаться правила « чем кабель толще и короче, тем лучше».

Фотография моей антенны изображена на рисунке 3. Стоит уже второй год, пережила все ураганы, порывы и обледенения.

Рис. 3. Внешний вид j-антенны на мачте 5 этажного дома. Фотографировалось снизу.

Литература.

1. Карл Ротхаммель: Антенны. Том 2. Издание 11. Издательство Лайт ЛТД., 2007 г., стр. 103.

Александр US6IGL

Эксклюзивно для журнала РАДОН

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

В. Марков
Радиохобби 6/2003

КВ антенны

J-антенна, ее схема и конструкция описаны неоднократно в печати. Эта антенна в основном применяется на УКВ диапазонах и на высокочастотных КВ-диапазонах. Если выполнить согласующий четвертьволновый шлейф из коаксиального кабеля с учетом его коэффициента укорочения, то ее можно применять и на длинноволновых KB диапазонах. Схема такой антенны, размещенной горизонтально, показана на рис. 1.

Для крепления кабеля, провода и растяжек применяются планочки из изоляционного материала, например из текстолита, толщиной 2-3 мм (рис.2).
Место подключения кабеля питания находится на 1/8 части (А-Б на рис. 1) согласующего кабеля (шлейфа), считая от закороченного конца, для 50-омного кабеля и на 1/7 части - для 75-омного. Причем согласующий шлейф и кабель питания одного типа. В точке В оплетка на конце кабеля на расстоянии 1 см завернута на внешнюю изоляцию кабеля и обмотана ПВХ изолентой. Длина излучателя L антенны сначала рассчитывается для нужного диапазона, а затем уточняется при настройке с помощью ГИРа (GRID-DIP-METER).

После изготовления антенны все пайки и открытые части оплетки обмазываются пластилином или герметиком. В таблице даны размеры антенны для всех KB диапазонов (длина шлейфа дана для кабеля с полиэтиленовой изоляцией). Полотно антенны и согласующий шлейф должны быть на одной прямой.

Диапазон, м	Вибратор,	Согласующий шлейф, l,	Расстояние А-Б, м
			Кабель 50 Ом	Кабель 75 0м

Для диапазона 20 м и выше рекомендую вертикальное исполнение J-антенны. Автором изготовлено несколько таких антенн на 20-ти и 10-метровый диапазоны. Причем в качестве мачты использованы телескопические удочки длиной 6 и 7 метров, у которых самая верхняя секция удаляется. На вершине удочки укрепляется «звездочка», которая служит емкостной нагрузкой антенны. Она изготовлена из 6-ти Г-образных, горизонтально расположенных длинной стороной по 30 см, проводов (биметалл, алюминий диаметром 2-3 мм). Вертикальные 5-сантиметровые части этих проводов расположены равномерно вокруг верхушки, обмотаны луженым медным проводом и все вместе пропаяны. Внешние концы горизонтальных проводников «звездочки» залужены на расстоянии 1 см и соединены медным проводом диаметром 1 мм, как показано на рис.3.

Полотно антенны изготавливают из двойного медного провода 01 мм в общей изоляции типа «лапша» с расстоянием между проводами 2-3 мм. Оба провода на конце зачищают на расстоянии 1 см, скручивают и спаивают вместе, а затем подпаивают к «звездочке». После этого «лапшу» обматывают вокруг удочки, не допуская ее перекручивания.

Для антенны на 20 метровый диапазон сначала наматывают провод с шагом 2 см на расстоянии 180 см, затем с шагом 4 см на расстоянии 80 см, затем с шагом 10 см - 60 см, а потом провод длиной 240 см просто располагают вдоль удочки. При намотке через каждые 50 см провод укрепляют ПВХ изолентой.

Затем удочку с намотанным излучателем ставят вертикально на землю (крышу дома), подсоединяют ГИР к спаянным вместе так же как и возле «звездочки» концам «лапши» и измеряют fPE3.

Если резонанс ниже по частоте - укорачивают провод, если выше - удлиняют, добиваясь fPE3=14100...14120 кГц. После подъема антенны на рабочую высоту резонанс практически не «уходит». Таким образом, на удочку длиной 5 м намотан провод с электрической длиной Х/2 и реализована антенна в виде укороченного полуволнового диполя.

Теперь подсоединяют к полотну антенны согласующий кабель по размерам из таблицы с отводом для подключения кабеля питания. Удочка крепится к мачте на расстоянии 20...30 см от конца и не требует растяжек. КСВ у антенны был по 1,1...1,2 на 14000 и 14350 кГц, а на 14120 - 1,05.

Достоинства J-антенны: широкополосность, простота конструктивного исполнения, не требует противовесов.

Недостаток -однодиапазонность.

Для радиолюбителей, имеющих LW с длиной 81-84 м, можно рекомендовать согласовывать ее с помощью коаксиальных шлейфов с размерами, взятыми из таблицы. Но перед этим следует убедиться с помощью ГИРа или измерителя импеданса, что LW имеет на необходимых диапазонах максимальное входное сопротивление, т.е. ее электрическая длина кратна Х/2.

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.

Частота МГц	Rвх, Ом
			52,5			34,5
			52,5			34,5			41,5
		14,7	17,5	17,7	16,3	11,5					0,25
		14,7	17,5	17,3	16,3	11,5			13,8		0,25

* -- 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.