Видео:Сравнение антенн - Дельта и Диполь / Delta Loop vs Inverted VСкачать
Дельта или треугольник антенна
Известная треугольная проволочная антенна «дельта » пользуется большой популярностью, но ее входное сопротивление не соответствует стандартному, поэтому возникают трудности согласования. Автор обсуждает эту проблему и предлагает свой вариант ее решения.
Многие коротковолновики используют антенну «дельта», рассчитанную на диапазон 80 метров, для работы на нескольких диапазонах. При этом полученные ими результаты резко отличаются друг от друга. Достаточно обратить внимание на то, что одна часть операторов использует непосредственное подключение кабеля к антенне, а другая — применяет трансформатор сопротивления 1:4. Хотя сопротивления при этом отличаются в 4 раза, обе категории сообщают о вполне хорошем согласовании. Такой парадокс говорит о том, что истина, т. е. входное сопротивление антенны, находится где-то посредине.
Вариант согласования с помощью фидерной линии путем подбора ее длины также нельзя назвать удачным. В этом случае достигают согласования только в точке подключения фидера к трансиверу, а на остальной его длине возникают значительные стоячие волны.
Для создания действительно многодиапазонного варианта антенны «дельта» необходимо выбрать такой периметр антенны, который лучше всего соответствует каждому диапазону. Существует достаточно хорошо проверенная формула для периметра замкнутых антенн:
где n — число длин волн, укладывающихся на периметре антенны; F — частота в МГц. Результаты расчетов периметра антенны для каждого диапазона сведены в таблицу.
При анализе полученных данных сразу становится очевидной основная ошибка многих радиолюбителей, ис пользующих в многодиапазонном варианте периметр 84 метра. При таком периметре основная резонансная частота находится в середине SSB участка диапазона 80 метров. Однако на всех других диапазонах, за исключением диапазона 18 МГц, такой периметр не совпадает с расчетным. Антенна для них коротка, что приводит к появлению реактивной составляющей входного сопротивления. Оптимальным периметром для многодиапазонного варианта антенны будет что-то около 86 метров . Он точно попадает во все диапазоны, кроме 10 и 18 МГц, где антенна будет иметь входное сопротивление с небольшой реактивностью.
Резонансная частота на диапазоне 80 метров при таком периметре находится в телеграфном участке, но и в SSB участке антенна неплохо согласуется. Согласно всем справочным данным, входное сопротивление треугольника с периметром, равным одной длине волны, близко к 120 Ом. Такое сопротивление соответствует высоте подвеса от 0,2 длины волны и выше. При небольших высотах оно уменьшается до 80. 90 Ом. Это касается основной частоты 3,5 МГц. На более высокочастотных диапазонах входное сопротивление увеличивается с ростом частоты от 140 Ом на 7 МГц до 200 Ом на 28 МГц. Таким образом, непосредственно подключая кабель с волновым сопротивлением 75 Ом к антенне, можно получить относительно хорошее согласование только на диапазоне 3,5 МГц. Кабель с сопротивлением 50 Ом, подключенный через трансформатор, повышающий сопротивление в отношении 1:4, обеспечит согласование выше 7 МГц.
Для получения нормального согласования на всех диапазонах требуется фидерная линия с волновым сопротивлением примерно 150 Ом. Такое сопротивление можно получить с помощью нестандартных трансформаторов 1:2 для кабеля 75 Ом и 1:3 для кабеля 50 Ом. Недостаток этих способов согласования — сложность размещения довольно тяжелого трансформатора на антенне и его защита. Оптимальным вариантом все же будет питание антенны линией с сопротивлением 150 Ом.
Автор использует симметричный фидер, изготовленный из двух отрезков кабеля с сопротивлением 75 Ом. Для изготовления линии два одинаковых отрезка кабеля складывают параллельно и скрепляют через каждые 0,5 метра скотчем. Оплетки кабелей в начале и в конце линии замкнуты между собой и никуда не подключены, а центральные проводники образуют симметричную линию с волновым сопротивлением 150 Ом (рис. 1). Кстати, если использовать 50-омный кабель, получим симметричную линию с сопротивлением 100 Ом, а если один кабель имеет сопротивление 75 Ом, а другой — 50 Ом, то имеем линию с сопротивлением 125 Ом. Такая линия некритична к размещению в пространстве и ее можно прокладывать так же, как обычный коаксиальный кабель.
Рис. 1
Между трансивером и линией нужно включить любое согласующее устройство с симметричным выходом или согласующий трансформатор с входным сопротивлением 50. 75 Ом и выходным 150 Ом. Автор использует согласующий трансформатор, изготовленный на базе конструкции UA6CL (см. www.cqham.ru/tr.htm). Магнитопроводом служит кольцо 100х50х15 из феррита 2000НМ или 3000НМ. Можно использовать два магнитопровода от трансформаторов ТВС старых телевизоров.
Рис.2
Обмотка изготавливается из двух отрезков кабеля 50 Ом длиной 250. 270 мм (рис. 2), сложенных вместе, вплотную друг к другу, и спаянных оплетками в точках 5, 6, А1—А5. Изготовленную обмотку надевают на магнитопровод и соединяют выводы согласно рис. 3.
Рис. 3
Трансформатор имеет несимметричный вход с сопротивлением 50 Ом и симметричный выход 50. 200 Ом. Сопротивление симметричного выхода зависит от точки подключения входного кабеля. В этой конструкции рассчитано несколько точек для получения выходного сопротивления 75, 100, 125, 150, 175 и 200 Ом, которые коммутируются переключателем. Трансформатор Т1 совместно с переключателем S1 (рис. 4) расположен около трансивера.
Рис. 4
Положение точек подключения отводов А можно рассчитать по следующим формулам:
где L — полная длина линии; L A — расстояние от точки 5 до отвода А.
Результаты расчетов для линии с полной длиной L=250 мм указаны на рис. 2. При подключении входного кабеля в точку 6 получим выходное сопротивление 50 Ом, а в точку 5 — 200 Ом. Таким образом, конструкция обеспечивает входное сопротивление трансформатора 50 Ом на любом диапазоне, что важно для трансивера с ШПУ на выходе. При наличии тюнера необходимость в переключателе отпадает, так как достаточно сделать один отвод, рассчитанный на сопротивление 150 Ом. Антенна проверена на всех диапазонах от 80 до 10 метров. КСВ не превышает 1,4 с небольшим увеличением до 1,7 на 10 и 18 МГц. Точка питания самой антенны находится в одном из углов треугольника. В этом случае обеспечен плавный переход линия—антенна, что улучшает согласование. Длина линии значения не имеет. Большое достоинство антенны — полная симметрия всей системы относительно земли, что резко уменьшает наводки на все бытовые приборы, которые всегда имеют несимметричное питание. Достаточно сказать, что за год эксплуатации антенны с трансивером мощностью 200 Вт в городских условиях не получено ни одного замечания о помехах телевизорам и телефонам.
В заключение несколько слов о размещении антенны. Бытует устойчивое мнение, что излучение горизонтально расположенной «дельты» направлено вверх. Поэтому антенну стараются расположить вертикально или наклонно. RX3AX рекомендует расположить антенну горизонтально и невысоко. В этом случае появляется так называемый «щелевой» эффект антенна—земля, что резко увеличивает излучение под малыми углами к горизонту. Проверив данный совет, я убедился в его полной справедливости. В настоящее время антенна расположена горизонтально на высоте 8. 10 метров. При этом многочисленные QSO с DX говорят о хорошем излучении под малыми углами к горизонту на всех диапазонах.
Примечание редакции : Моделирование указанного в статье «щелевого»эффекта с помощью программы MMANA показало, что действительно .подвешенная горизонтально «дельта» на высоте 10. 20м над сухой землей (е=5, o=1мСм/м) излучаете зенит и хороша для ближних связей при крутом падении волны на ионосферный слой. При высоте 1. 2 м ее ДН «разваливается» на два лепестка, направленных под углом примерно 43 град, к горизонту, что способствует проведению дальних связей. Одновременно понижается входное сопротивление антенны, и предложенный автором трансформатор окажется как нельзя кстати. «Щелевой» эффект нуждается в дальнейших исследованиях.
Видео:Антенна DELTA, наши ответы на ваши вопросы.Скачать
Записки программиста
Видео:Антенна треугольник(delta loop) на 27 МГцСкачать
Многодиапазонная антенна delta loop
Как было отмечено в посте Fldigi и цифровая радиосвязь в BPSK31/BPSK63, увеличить дальность связи можно тремя основными способами — используя либо усилитель, либо более эффективные виды связи, либо более эффективные антенны. На этот раз было решено попробовать другую антенну, а именно — delta loop. Данную антенну довольно легко построить и она имеет усиление 1.17 dB по сравнению с диполем. Кроме того, есть несколько способов сделать многодиапазонную дельту.
Теория
Delta loop, она же «дельта» или «треугольник», относится к классу рамочных антенн (loop antenna). Рамочная антенна представляет собой круг, квадрат, треугольник, трапецию, ромб или любую другую выпуклую фигуру с периметром около одной длины волны. Оптимальным вариантом в плане усиления является круг. Но поскольку построить ровный круг с периметром 40 или 80 метров — задача крайне непростая, на практике обычно строят квадраты (quad loop) или треугольники (delta loop).
Рассмотрим следующие варианты квадратов и треугольников по очереди, слева направо, сверху вниз (рисунки позаимствованы отсюда):
Квадрат, питаемый снизу (картинка 1), по сути представляет собой два изогнутых диполя, расположенных один над другим. Такой квадрат имеет усиление около 1.25 dBd, то есть, относительно диполя. Аналогично одному диполю, квадрат имеет горизонтальную поляризацию. Антенна является направленной и излучает перпендикулярно плоскости, в которой расположен квадрат. Входной сопротивление квадрата составляет около 117 Ом, и потому требует согласования с 50-и омным кабелем. Если запитать квадрат сбоку (картинка 2), он будет представлять собой два вертикальных диполя, и, соответственно, иметь вертикальную поляризацию.
Дельта, питаемая снизу (картинка 3), представляет собой не более, чем искривленный вариант первой антенны. Поэтому антенна также имеет горизонтальную поляризацию. Дельту проще построить, чем квадрат, поскольку ей нужна всего одна мачта. Но и усиление такой антенны чуть меньше, около 1.17 dBd. Дельта обладает входным сопротивлением около 106 Ом. Антенну можно запитать не только снизу, но и сверху (картинка 4), ее свойства от этого не сильно меняются. Перевернутая дельта (картинка 5) также обладает примерно теми же свойствами.
Как получить дельту с вертикальной поляризацией? Для этого нужно взять место запитки, при котором антенна имеет горизонтальную поляризацию, отсчитать в сторону λ/4, и запитать антенну в этом месте (картинка 6). Также допускается питать антенну и в ближайший угол, ее свойства от этого не сильно поменяются.
На иллюстрации приведены квадраты со стороной λ/4 и правильные треугольники со стороной λ/3. Однако антенну допускается вытягивать. Так на практике нередко используют прямоугольники с соотношением длин сторон от 2:1 до 3:1. Как правило, рамочные антенны располагают вертикально, но также допускается расположение под углом к земле, немного отличным от прямого. Помимо прочего, это позволяет уменьшить высоту мачты.
Горизонтально поляризованные дельты и квадраты должны быть расположены высоко (высота порядка λ/2) относительно земли, чтобы иметь небольшой угол излучения. Иначе антенна излучает в зенит, и с ее помощью возможны радиосвязи только на близкие расстояния. Рамочной антенне с вертикальной поляризацией достаточно быть поднятой от земли на пару метров (0.05 длины волны), при этом она пригодна для проведения дальних радиосвязей.
До сих пор речь шла о рамочных антенных, рассчитанных на один диапазон. Многодиапазонные рамочные антенны строят либо вкладывая одну рамку в другую и объединяя их места запитки (аналогично fan dipole), либо используя в месте запитки антенный тюнер. Последний способ проще и допускает использование укороченной антенны. Минусы подхода — нужен тюнер, а также не очень понятно, какой будет поляризация на «второстепенных» диапазонах.
Практика
Меня вдохновила статья One Stealthy Delta [PDF], написанная Steve Ford, WB8IMY и опубликованная в журнале QST за май 2002 года. «One Stealthy Delta» описывает delta loop с периметром 120 футов (36.6 метра), запитанную снизу и согласованную антенным тюнером. Сообщается, что такая антенна настраивается на все КВ диапазоны от 80 до 10 метров, а также на диапазон 6 метров, который, к сожалению, не разрешен в России. John Reisenauer, KL7JR в своей статье An Easy to Install Vertical Loop for 80-6 Meters подтвердил результаты, полученные WB8IMY, используя аналогичную антенну с периметром 150 футов (45.7 метра). История умалчивает о том, почему оба автора решили использовать горизонтальную поляризацию на 40 метрах.
Прикинув доступные мне варианты, я решил остановиться на следующем:
Антенна представляет собой перевернутую дельту с периметром около 37 метров, питаемую с одного из верхних углов. Согласование осуществляется при помощи антенного тюнера MFJ-971. Измеренная длина антенны получилось чуть больше, примерно 38 метров, поскольку провода провисают под собственным весом, и треугольник получается не совсем ровным. Дельта была сделана из «полевки» (провода П-274М), оставшейся у меня после экспериментов с антенной «длинный провод».
Тюнер располагается в доме, на окне второго этажа. Противоположный угол крепится на мачте. Мачта представляет собой 10-и метровое удилище, по заверению производителя сделанное из карбона / углеволокна. Верхние секции удилища слишком тонкие, и не годятся для использования в мачте. После их удаления осталась мачта высотой 6.2 метра. Одна из убранных секций была закреплена при помощи армированного скотча вверху мачты, перпендикулярно ей. В эту секцию продевается полотно антенны. Чтобы мачта не схлопывалась под воздействием ветра, ее секции были склеены клеем «Момент Универсальный Классик», и также скреплены армированным скотчем. Основание мачты крепится к забору, все тем же скотчем. Никаких оттяжек не используется. Нижний угол антенны находится на высоте 1.6 метра от земли. Этот угол был привязан веревкой к растущему рядом кусту.
Примечание: Допускается, чтобы мачта немного прогибалась под весом провода, но не сильно. Так называемый «карбон», используемый в удилищах, довольно хрупкий, и лишний раз прикладывать к нему силу не стоит.
Такая антенна должна иметь вертикальную поляризацию на диапазоне 40 метров. На более высокочастотных диапазонах поляризация будет не очень понятно какая. Но она и не так важна, поскольку большая часть антенны будет достаточно высоко от земли по сравнению с длиной волны. Плоскость антенны проходит с севера на юг. Соответственно, излучать она должна на запад и восток. В этих направлениях горизонт у меня достаточно чистый. Север закрыт домом, с юга достаточно близко находятся соседские дома.
В моем тюнере есть встроенный балун 1:4. Антенну я пробовал настроить как с этим балуном, так и без него. Работает и так, и так, но с балуном антенна настраивается заметно лучше. Отмечу, что использование встроенного балуна не отменяет необходимость во внешнем отсекающем дросселе. Без дросселя, конечно, все тоже будет работать, но вы получите сильные наводки в доме и высокий уровень шума в антенне, я проверял.
Антенна неплохо настраивается на диапазоны от 80 до 10 метров. При использовании встроенного балуна 1:4 КСВ не превышает 2 ни на одном из диапазонов, а без него не превышает 3.
В «основном» диапазоне 40 метров есть явное усиление на запад и восток. Первым же QSO ночью в режиме SSB при работе на 100 Вт был получен рапорт 59 из Франции (2700 км на запад). Казань (720 км на восток) рапортует 59+20. Тольятти (790 км на восток) сообщает 59+15. Киев (750 км на юго-запад) дает 59+15 с комментариев «ого, ну всех перекричал». Германия (2000 км на запад) дает рапорт 59+20. Екатеринбург (1400 км на восток) говорит 59. Уверенно отвечают Босния и Герцеговина (1900 км), Австрия (1800 км), Сербия (1800 км). Раньше на inverted-vee я регулярно принимал операторов, проживающих на юге от меня (Краснодар, Ставрополь, Астрахань). Теперь же радиосвязь в этом направлении удается провести довольно редко.
На «второстепенных» диапазонах антенна также работает неплохо. На 20 метрах в FT8 нередко удается провести QSO с Японией (7500 км). В режиме PSK31 удалось провести QSO с оператором W4PKU, проживающим недалеко от Вашингтона (7900 км). На юг в этом диапазоне антенна тоже как-то работает, в частности, отвечает Оман (4000 км). На 30 и 17 метрах в FT8 было проведено множество QSO с операторами из Европы. Из интересных станций на 17 метрах удалось связаться с Объединенными Арабскими Эмиратами (3700 км). На 80 метрах ночью в SSB уверенно отвечают Литва, Беларусь и Украина. В этом диапазоне рапорты бывают до 59+10.
Диапазоны 15, 12 и 10 метров я пока что особо не тестировал, поскольку активность на них небольшая. Скорее всего, на них тоже все неплохо.
Заключение
На момент написания этих строк я использовал описанную дельту в течение нескольких недель. Мачта держится. От соседей жалоб не поступало. Прямо скажем, какого-то чуда уровня «связь с Австралией как по Скайпу» не произошло. Но и придраться особо не к чему. Получилась просто нормальная антенна.
Есть у этой антенны и один неочевидный, но важный для меня плюс. Дело в том, что в силу ее расположения в доме стало намного меньше кабелей под ногами. Если раньше до диполя тянулось 50 метров RG58, то теперь от трансивера до тюнера идет всего 10 метров. Таким образом, потери в кабеле стали существенно меньше. Кроме того, во дворе теперь не осталось ни одной оттяжки.
В общем и целом, я доволен.
Дополнение: Позже я понял еще несколько плюсов данной антенны. Во-первых, зимой антенна покрывается снегом и наледью, и деформируется под их весом. В результате входное сопротивление заметно меняется. Благодаря тюнеру под эти изменения легко подстроиться. Во-вторых, дельта представляет собой КЗ по постоянному току. Благодаря этому антенна не копит статику, как это делают диполи или вертикал.
Дополнение: Доработка антенны описана в заметке Согласование импеданса с помощью LC-схем. Также вас может заинтересовать статья Простая антенна начинающего коротковолновика.
Антенна относится к петлевым (рамочным) антеннам, также как и квадраты. Периметр антенны примерно равен длине волны. Применяется на всех КВ диапазонах. Конструкции отличаются способом подвеса антенны и точкой питания. Эффективность антенны напрямую зависит от площади (идеальна окружность, но её сложно выполнить), поэтому равнобедренный треугольник будет предпочтителен. Тем не менее, допускается любая форма антенны в зависимости от конкретных условий её размещения.
На низкочастотных диапазонах чаще используют «ленивые дельты» (т.е. подвешенные почти горизонтально), а на высокочастотных диапазонах применяют вертикальные или наклонные «дельты». Низкочастотные «дельты» работают на кратных диапазонах за счет возбуждения на гармониках. В тоже время, основное излучение горизонтальных «дельт» на «основной» нижней частоте направленно вверх, что не слишком благоприятствует DX. Но на высших гармониках лепестки диаграммы прижимаются к земле.
Свойства «дельты» сильно зависят от конкретного размещения и конструкции (особенно низкочастотные), поэтому имеют много противоречивых отзывов.
Наилучшим для DX местом питания дельты является нижний угол. Однако при низком расположении антенны углом вверх, питание лучше осуществлять через боковые углы. В этом случае больше излучение с вертикальной поляризацией.
Вертикальная дельта на 15 м при высоте 9 м и питании нижнего угла
Вертикальная дельта выгодно отличается от диполя и GP. По сравнению с диполем при одинаковой высоте у вертикальной дельты большая часть излучения идет под низким углом к горизонту. По сравнению с «вертикалами» дельта проще в изготовлении, т.к. не требуется сложная система противовесов.
Вертикальная дельта на 15 м при высоте 9 м и питании с четвертьволнового отрезка
Вертикальная дельта на 15 м при высоте 9 м и питании нижнего бокового угла
Входное сопротивление антенны зависит от точки питания и колеблется в пределах 60-300 Ом. При высоком входном сопротивлении питание осуществляется через согласующий трансформатор. Питание однодиапазонных антенны можно осуществлять через четвертьволновый трансформатор (Q-согласование), между антенной и 50-омным кабелем включают четвертьволновый отрезок 75-омного кабеля.
Фактически, это квадратная антенна Loop Skywire, превращенная в треугольник. За экономию оттяжки приходиться платить меньшей эффективностью, т.к. площадь антенны меньше.
Горизонтальная (ленивая) дельта на 80 м достаточно популярная антенна. Её часто устанавливают между многоэтажными домами. На 80 м диаграмма направленности представляет собой сферу, т.е. основное излучение направлено вверх. Такую антенну можно возбуждать на четных гармониках, т.е. 40, 20 и 10 м. Причем с увеличением частоты лепестки диаграммы направленности прижимаются к земле.
Одной из главных проблем при настройке такой антенны становится выбор точки питания и согласование с фидером. Чаще всего, в качестве согласующего устройства применяют широкополосный трансформатор. Однако следует учесть, что входное сопротивление дельты сильно зависит как от точки питания, так и от расположения в пространстве.
