Антенна SWAN 144-146 мГц – достоинства, недостатки, опыт и анализ многолетней эксплуатации (1977-2015)г., о согласовании нескольких антенн.

Моему другу наставнику и однофамильцу Зинченко Николаю Ивановичу ( UX1LZ ex RB5LDK) посвящается.

Описание антенны SWAN 144-146 мГц в авторском варианте HA4YD можно найти на многих радиолюбительских сайтах. Антенную решетку, с указанными размерами, из четырех таких антенн в 1977г. изготовил Владимир Серебряков (ex UB5GFS) я помогал ему в сборке и установке. Согласование системы мы выполнили с помощью самодельных трансформаторов из отрезков кабеля (с плавающей жилой), заменив центральную жилу. В течение последующих пяти лет коллектив UK5LAP (г. Харьков) проводил связи с Арменией, Болгарией, Москвой, Саранском, участвовал в УКВ соревнованиях. КСВ по диапазону колебалось в пределах 1.5 – 1.8.

В этом же 1977 году изготовил антенную решетку из двух антенн SWAN RB5LDK несколько увеличив размеры вибраторов и расстояния между ними, согласование выполнил то же из отрезков кабелей. ( антенна работала довольно хорошо, но тогда мы работали в диапазоне частот 144000-144600кГц КСВ был в пределах 1.12-1.20 и в других участках диапазона измерений не проводили. В режиме FM на диапазоне тогда не работали.)

В этой статье описываются попытки улучшить параметры этой антенны инженером - радиофизиком Зинченко Николаем Ивановичем (UX1LZ) и радиоинженером Зинченко Владимиром Александровичем (US7IGS), а так же их ошибки при изменении размеров вибраторов и измерении параметров антенны, анализ этих ошибок, полученные выводы.

Поводом для начала работ над этой антенной стал элементарный анализ заявленных автором очень высоких параметров антенны при явно не резонансных (укороченных) размерах активных вибраторов, представляющих собой систему полуволновых вибраторов. Действительно, размер полуволнового вибратора, имеющего только активное сопротивление определяется по упрощенной формуле: 0,935 С/2F, где 0,935- коэффициент укорочения (компенсирует реактивную составляющую) полуволнового вибратора, С – Скорость электромагнитной волны в вакууме, F – резонансная частота вибратора.

Рабочая полоса тонкого полуволнового вибратора достаточно узкая, за счет этого и достигается дополнительное усиление антенны, но для перекрытия полосы в 2 мГц и используется автором система из четырех сильно связанных полуволновых резонансных вибраторов, которые частично расстраивая друг друга, расширяют резонансную полосу системы (по аналогии с ФСС радиоприемника).

Вычислим длину наибольшего активного вибратора системы:

0,935х300000/2х144000=~ 0,974м.

Вычислим длину наименьшего активного вибратора системы:

0,935х300000/2х146000=~ 0,961м.

Но мы понимаем, что сильно связанные вибраторы имеют воздействие друг на друга, при чем на низкочастотный вибратор система будет вносить дополнительную емкость, снижая тем самым его резонансную частоту и добротность, а на высокочастотный вибратор система будет вносить индуктивную составляющую и так же снижать резонансную частоту (о объемном резонансе в рассматриваемой системе вибраторов не может быть и речи) , но, увеличивать добротность.

Таким образом, мы вправе предположить:

• АЧХ системы сильно связанных резонансных с достаточно малым резонансным интервалом вибраторов будет иметь пологий нижний скат и достаточно крутой верхний.
• Активные вибраторы должны быть короче расчетных полуволновых.
• Усиление системы в высокочастотной ее части будет наибольшей.
• Усиление антенны SWAN должно быть несколько больше, чем у антенны ВОЛНОВОЙ КАНАЛ с активным вибратором – ПЕТЛЁЙ ПИСТОЛЬКОРСА, (с траверсой одинаковой длины) за счет выраженных резонансных свойств активного вибратора и его директорно – рефлекторной конструкции.

Концепция модернизации антенны.

Исходные положения.

• Расстояние между первым директором (ближним к активному вибратору) близко к четверти длины волны, для обеспечения наименьшего влияния директора на активные вибраторы.
• Считается, что длина первого директора должна быть как можно ближе к длине активного вибратора.
• Расстояние между соседними директорами одинаковое и близко к четверти длины волны.
• С целью минимизации уровня  боковых лепестков, каждый последующий директор меньше предыдущего.
• С целью минимизации потерь согласования согласующее устройство выполнено в виде двухпроводных воздушных линий.
• Такая концепция была принята для изготовления антенной решетки из четырех антенн SWAN для работы в полевых днях RB5LDK и UK5LAK. В 1981г. я принимал участие в сборке этой решетки и работал в эфире на этой антенне.
• Мы приехали на возвышенность за четверо суток до начала полевого дня, аппаратуру и антенны смонтировали за двое суток. Была сильная жара, КСВ был в пределах 1.05 – 1.15 связи до 300км проходили с S9 . Соревнования начались удачно с нуля до шести утра темп радиосвязей был высоким с восьми утра сила сигнала корреспондентов стала постепенно падать (на горизонте появились тучи), до двенадцати дня количество корреспондентов резко упало, с двух часов дня эфир начал оживать, но сила сигналов корреспондентов оставалась не высокой. Примерно в 15.30 услышал, что одна из соседних станций работает с Германией с RST 599 мы же слышали эту станцию с RST 529 , были и другие DL, но RST был примерно тот же. Измерили КСВ – изменился и был в пределах 1.6 – 1.9 в итоге заняли не высокое место в соревнованиях. При демонтаже антенны повреждений не обнаружено. Проанализировал ли эту ситуацию RB5LDK cделал ли выводы – наверняка да, но о антенне мы больше не разговаривали, но вопрос, что же произошло с антенной на полевом дне у меня остался. Позже примерно в 1995г. я собрал две антенны SWAN по размерам ( UX1LZ ex RB5LDK), но установить их для экспериментов до 2003г. не было возможности.

ОДИННАДЦАТИЭЛЕМЕНТНАЯ

АНТЕННА SWAN 144 – 146 мГц КОНСТРУКЦИИ US7IGS.

     Фото антенны SWAN   2Х11 конструкции US7IGS приведено в статье "Антенна УКВ диапазонов US7IGS - FREGAT".

История создания конструкции антенны.

Для начала я изготовил две антенны с размерами как у ( UX1LZ ex RB5LDK), но установил одну.

Поляризация здесь и далее вертикальная.

Зная, что входное сопротивление антенны находится в пределах 110 – 130 Ом, с явным признаком реактивной составляющей (измерял самодельным мостом переменного тока (схема в книге Ротхаммеля Антенны)), подключил ее без согласующего устройства к кабелю снижения сопротивлением 75 Ом. На частотах 144000 – 145800 КСВ был в пределах 1.45 – 1.8 . измерителя АЧХ у меня на тот момент не было и я начал работу в эфире. КСВ метр подключен постоянно.

Эксплуатация в течении трех месяцев показала:

• КСВ антенны стабилен.
• Подавление заднего и боковых лепестков заметно больше, чем на антеннах изготовленных UK5LAP и RB5LDK.
• Ширина диаграммы направленности главного лепестка составляла 30 градусов.
• Усиление антенны в направлении главного лепестка измерить невозможно, ввиду близкого расположения построек.
• Сила сигналов корреспондентов была меньше, чем у соседних станций.

Все это подсказывало, что антенна не работает. Мной было принято решение установить вторую антенну, а так же одиночный петлевой вибратор Пистолькорса для кругового обзора. После установки антенной решетки, состоящей из двух антенн SWAN и антенны петлевой вибратор Пистолькорса выяснилось, что усиление решетки равно усилению одиночного петлевого вибратора! Этот факт заставил еще раз пересмотреть имеющуюся у меня информацию о директорных антеннах. Не обнаружив существенных ошибок в размерах начал анализировать.

• Длина рефлектора больше половины максимальной длины волны диапазона. Вопросов не вызывает.
• Размеры активных вибраторов несколько больше, чем необходимо, вспомнив, предположение 1 и измерение входного сопротивления активных вибраторов прихожу к выводу – длину всех активных вибраторов необходимо уменьшить, произведя расчеты, на 6мм. В итоге длина наибольшего активного вибратора получилась 960 мм. Имея в виду, чем уже полоса пропускания антенны, тем выше усиление (полосу пропускания активных вибраторов сузим до 2.2 мГц) – получим: размеры всех активных вибраторов.
• А1=960мм, А2=954мм, А3=948мм, А4= 942мм.

Уменьшив размеры активных вибраторов, поднимаем антенну. КСВ по диапазону 145000-145800 кГц в пределах 1.7 – 2.0, коэффициент усиления в направлении главного лепестка практически не увеличился, но усиление боковых лепестков возросло больше, чем хотелось.

Опять анализ, перешерстив несколько классических учебных изданий, ошибок не нашел. Вся полученная информация по работе антенны подталкивала на вывод, что первый директор работает как рефлектор!, а график из учебника зависимость усиления от длины директора не работает, но в то же время многие конструкции антенн типа ВОЛНОВОЙ КАНАЛ работают в соответствии с этим графиком. Думать больше не о чем, выбираю коэффициент укорочения первого директора не на пике графика, а на подъеме, но все же ближе к пику Ку=0.44 . В итоге получаем длину первого директора (300000/146000)х0.44= 904мм. Соответственно каждый последующий директор короче предыдущего на 5мм. Поднимаю антенну КСВ = 1.4 на частоте 145500, на частоте 145000 КСВ = 1.47 для не совсем согласованной антенны кабель снижения 75 Ом, вместо 50 Ом довольно не плохой. Разворачиваю антенну на Запорожье частота 145600

Репитерный канал R0 слышу станции Запорожья с силой S7, перехожу на петлевой вибратор – кроме шума эфира – тишина. На некоторых частотах диапазона на SWAN слышна работа

цифровых станций, чуть позже я понял – это WI-FI соседей и мой собственный WI-FI дает помеху на 145500 с S9 , если антенна направлена на него, при уводе диаграммы направленности на ширину ДН WI-FI не слышно, боковыми лепестками WI-FI не воспринимается. На петлевой вибратор WI-FI не слышно.

Через несколько недель, повторив замер КСВ, получил, что минимальный КСВ соответствует частоте 143600 кГц, не поддав анализу результат, укоротил активные вибраторы еще на 6мм. Параметры антенны вернулись на свои места! Установилась сухая жаркая погода, ( с мыслями, что велика вероятность спарадиков ) включаю аппаратуру КСВ больше 2 ( какая тут работа), отыскиваю минимум КСВ = 1.37 на частоте 147250 кГц ! – Возникло предположение, что резонансная частота антенной системы, (а равно КСВ) сильно зависит от влажности окружающего пространства. Определив момент, когда атмосферное давление резко поползло вниз, начал производить измерения КСВ, по мере роста влажности падала резонансная частота системы и во время дождя дошла до частоты 144060 кГц.

Причина отказа антенны SWAN на полевом дне 1981г. разгадана! - Пока влажность воздуха была низкой, антенна работала отлично, но как только увеличилась влажность окружающего воздуха (хотя дождь так и не пошел), снизилась резонансная частота, как активных вибраторов, так и директоров антенны, при этом часть директоров стала работать как рефлекторы!

ВЫВОДЫ.

• Резонансная частота тонкого полуволнового вибратора сильно зависит от влажности окружающей среды.
• Длина первого директора, расположенного на расстоянии не менее четверти длины волны от активного вибратора для диапазона 144 – 146 мГц не может превышать 0.44 длины волны (без учета укорочения на диаметр вибратора), иначе директор, при повышении влажности, начнет превращаться в рефлектор.

Эта часть статьи будет изменяться, дополняться, здесь будут высказываться мысли и предположения автора, а так же результаты продолжающихся экспериментов.

И так, автор пришел к мысли, что с целью обеспечения работы в практически любых климатических условиях

рефлектор антенны SWAN 144-146 мГц. должен быть длиной не менее 1048мм. (в авторском варианте 1060мм.) диаметр 4-8мм.

первый директор не длиннее 904мм. (в авторском варианте 900мм.) диаметр 4-8мм.

Второй-895мм.

Третий-890мм.

Четвертый-885мм.

Пятый-880мм.

Шестой-875мм.

Расстояния между первым директором и активным вибратором, а так же между всеми директорами одинаковое и равно 520мм.

Расстояние между активным вибратором и рефлектором 210мм.

А полоса пропускания активных вибраторов должна быть не менее 4,5-5мГц, что конечно же несколько снизит усиление антенны и равномерность АЧХ антенны в полосе пропускания.

Данные по активным вибраторам будут опубликованы не ранее сентября 2016 г. после проверки и их коррекции.

И еще один вывод вытекает из экспериментов, что все методики и компьютерные программы по рассчету директорных антенн извените ту......та, если в них нет коэффициентов, учитывающих изменение влажности окружающей среды, в которой будет эксплуатироваться антенна. А коэффициенты эти, в свою очередь, для разных частот, для разных форм и диаметров вибраторов скорее всего будут разными. 

    P. S. Если изготовить волновой канал с размерами указанными в этом разделе и в качестве активного вибратора применить вибратор Пистолькорса с длиной 995мм, подключив  его к 75 Омному кабелю с помощью U колена  - получим всепогодный волновой канал 144-146 мГц.

  Антенна F9FT при повышенной влажности и в дождь теряет усиление главного лепестка по причинам изложенным в этой статье.( директоры, начиная с первого по четвертый включительно превращаются в рефлекторы.) 

10 сентября 2016г.  И так, размеры активных вибраторов следующие:  

А1 = 2 Х 487мм

А2 = 2 Х  478мм

А3 = 2 Х  469мм

А4 = 2 Х 460мм

при данных размерах активных вибраторов КСВ антенны сильно зависит от влажности и и рабочей частоты в этот момент и  изменяется от почти 1( точно измерить нет возможности) до 1.97. Но антенна работает даже в сильный дождь. Усиление двух антенн явно больше, чем  решетка из 4 антенн с размерами HA4YD. Автор настоящей статьи пришел к выводу, что построить хорошую антенну типа SWAN  принципиально возможно  ( с незначительно меняющимся КСВ и усилением по диапазону), но для этого необходимо применить не менее 24 активных вибраторов с размерами от 2 Х 487мм до 2 Х 460мм, при этом, длина траверсы для размещения рефлектора и активных вибраторов составит около 4.5метра, плюс директора. - Б-РРРРР - неимоверно дорого и высоки трудозатраты, а усиление антенны волновой канал, как ни крути, зависит от длины траверсы.

ВЫВОДЫ:

1. Антенну возможно использовать для радиолюбительской связи, если изменение КСВ не критично.

2. Применив большее количество активных вибраторов возможно сформировать необходимую АЧХ антенны (например максимально плоскую), и стабильный КСВ, то, есть возможно построить измерительную антенну.

3. В некоторых случаях  протяженный активный вибратор не является достоинством антенны.

4. Антенна трудоемка в изготовлении и материалоемка.

5. Проанализировав полученные результаты экспериментов, автор этой статьи решил спроектировать двутраверсный антенный модуль для любительской радиосвязи с максимально стабильными параметрами диаграммы направленности (ДН), АЧХ и КСВ.

 Модуль получил название US7IGS - FREGAT и может быть выполнен как в однодиапазонном варианте, так и в трехдиапазонном 144 - 430 - 1215 мГц (соответственно траверс будет не менее шести), при этом габаритные размеры трехдиапазонного модуля не превышают габаритов однодиапазонного модуля 144 мГц. Наилучшими техническими характеристиками обладает однодиапазонный модуль.

antenna-ukv-diapazonov-us7igs-fregat

          ___________________________________________________________________________________________________________

                                Рассуждения вслух, впрочем ни к чему не                обязывающие.

       Если  подходить строго к резонансным свойствам вибраторов, то на резонансную длину будет влиять и температура окружающей среды и материал из которого изготовлены вибраторы (коэффициент линейного расширения у каждого материала свой), ну например +60С летом и - 40 зимой.

           -  Усиления от антенны волновой канал следует добиваться:

          1. Согласованием питающего фидера с антенной. (наилучший вариант, входное сопротивление антенны равно    волновому сопротивлению фидера)

          2. Уменьшением боковых лепестков.

          3. Увеличение длины траверсы и соответственно количества директоров.(сужение диаграммы направленности главного лепестка).

          4. Установка антенной решетки - не самый лучший вариант с точки зрения увеличения усиления главного лепестка антенной системы. ( Но установить вторую траверсу на расстоянии в половину волны, с целью большего подавления боковых лепестков диаграммы направленности вполне оправдано, но при этом возрастет задний лепесток системы, надо, что-то делать с рефлекторами- наилучший вариант-сплошной зкран.). 

             ДЕЙСТВИТЕЛЬНО - любой кабельщик - линейщик (специалист по кабельному телевидению) не по наслышке знает, что любое соединение радиочастотного кабеля, даже самое качественное, в диапазоне 40 - 700 мГц  это, как минимум минус 1дб полезного сигнала.

Абсолютно одинаковых двух антенн не бывает, по - этому прирост усиления от двух волновых каналов следует ожидать не 3 дб, а в лучшем случае 2.7 дб, да еще минус  1дб на  сочленении (стыке двух кабелей), итого получается 2.7дб - 1дб= 1.7 дб и это при идеальном согласовании!  - Если еще нужно для согласования подключить четвертьволновой трансформатор - это еще одно сочленение и минус 1дб соответственно, не считая потерь в самом трансформаторе, т.е 1.7дб- 1дб = 0.7дб.  - Мы  в усилении получили выиграш 1.7 дб, при идеальном согласовании, и менее 0.7 дб с использованием четвертьволнового трансформатора и это, если все согласованно идеально. (слишком дорого обходиться каждый децибелл прироста усиления антенной решетки) Так, что получить усиление в антенной решетке, - очень дорогое удовольствие, так реально получить прирост сигнала в два раза, то есть на 3 дб - необходимо установить четыре! траверсы и это, если согласование идеальное (без согласующих трансформаторов)

                                           Славянск Донецкая область  15 января 2016 г.

                                  Дополнения к статье  и заключительные выводы.

         1. Как еще возможно улучшить характеристики  антенной спарки  Волновой канал и ее модификации SWAN ?

           - сдвинуть в пространстве одну из траверс системы на четверть волны вперед и соответственно увеличить длину питающего фидера

             на четверть волны в кабеле. Таким приемом ( пространственным способом) мы увеличим подавление заднего и частично боковых

             лепестков  спарки и таким образом улучшим шумовую характеристику, оставив неизменным усиление главного лепестка.

         2.  Вы возможно заметили, что на моем сайте  в моих статьях нет  упоминания о антенне Уда Яги. Дело в том, что по мере моей              

              работы над улучшением качественных ( для радиолюбительских связей )  показателей  антенны типа  Волновой канал, натыкаясь 

              на статьи других авторов, ссылающихся на работы Владимира ВасильевичаТатаринова в антенной области,  меня  начала преследовать мысль, что на           

              момент появления информации о антенне Уда Яги (1926г.), В,В. Татаринов  уже провел над ней определенное колличество 

              экспериментов и признал эту антенну малоэффективной по причине ее низкого  коэффициента полезного действия  (КПД), 

              учитывая то, в какие годы это все происходило и под чьим патронажем, публикование любых положительных результатов   в    

              области  антенной техники было просто  запрещено.

         3.   Значительно более эффективные антенны типа  Волновой  канал ( с высоким КПД ), с учетом опыта мной полученного при                 

               экспериментах с антенной SWAN с использованием результатов трудов В.В.Татаринова, я буду освещать в моей статье :  US7IGS- FREGAT.

               после  подтверждения теоретических предположений  положительными результатами  моих экспериментов.

          4.   Для тех, кто в теме ( кому интересно ), рекомендую просматривать  даже законченные мной статьи, я иногда их корректирую.

                 7 ФЕВРАЛЯ   2024г.