Для эффективной селекции принимаемых KB сигналов, приходящих в точку приема из разных направлений, обычно применяют антенны с явно выраженным максимумом диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Но такой подход не срабатывает в тех случаях, когда два сигнала принимаются на одной частоте и приходят с одного направления. Если сигналы, поступающие на приемное устройство, проходят разные расстояния и их распространение осуществляется путем отражения в ионосфере, то в конечный пункт назначения они поступают под разными углами. В этом случае антенна с управляемой диаграммой направленности в вертикальной плоскости может эффективно выделить полезные сигналы, ослабив мешающие.
В 1997 г. Gary Breed, K9AY, предложил конструкцию согласованной проволочной рамочной антенны в форме треугольника, с помощью которой (благодаря ее направленным свойствам) можно обеспечить эффективный прием в низкочастотных KB диапазонах.
На рис.1 приведена типичная диаграмма направленности рамочной антенны K9AY в горизонтальной плоскости (угол возвышения составляет 45°) при сопротивлении нагрузки 470 Ом. Такая антенна весьма распространена, т.к. она является малошумящей по сравнению с другими антеннами, предназначенными для приема в низкочастотных KB диапазонах 160—30 м. В коммерческих антеннах подобного типа обычно используются две перекрещивающиеся рамки, которые можно легко поменять местами, что обеспечивает минимум диаграммы направленности антенны в четырех направлениях. Эффективность работы таких антенн зависит как от вертикальных, так и от горизонтальных углов, под которыми на антенны поступают радиосигналы.
Компьютерное моделирование антенны K9AY показывает, что оптимальная величина импеданса антенны зависит от частоты, удельной электропроводимости земли (почвы) и сопротивления соединительных элементов системы заземления. В одной из моделей коммерческих антенн подобного типа имеется даже устройство, с помощью которого можно менять величину нагрузочного сопротивления непосредственно с пульта управления. Сделав нагрузку антенны комплексной, включающей реактивную и активную составляющие сопротивления, можно добиться не только расширения частотного диапазона и соответствующей компенсации потерь, вызываемых состоянием почвы, но и управлять минимумом диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости.
На рис.2 приведена диаграмма направленности в вертикальной плоскости рамочной антенны K9AY, работающей в диапазоне 60 м. Соответствующий выбор полного сопротивления ее нагрузки обеспечил максимальное отношение излучения «вперед/назад» при угле возвышения 30°, а минимум диаграммы направленности отмечается при угле возвышения 20°.
Изменив полное сопротивление нагрузки этой антенны, можно обеспечить явно выраженный минимум диаграммы направленности при угле возвышения 60° (рис.3).
При этом диаграмма направленности в горизонтальной плоскости практически не меняется, и ее форма остается близкой к кардиоиде (рис.1).
Результаты компьютерного моделирования параметров рамочной антенны (рис.4), работающей на частоте 3,75 МГц при проводимости почвы 5 мс/м, показывают, что в частотном диапазоне 1,8—10,2 МГц в такой антенне минимум диаграммы направленности можно получить при углах возвышения от 0 до 80°. Увеличение угла возвышения до 85° и выше достигается только при отрицательном активном сопротивлении, которое, разумеется, практически недостижимо.
Таким образом, глубокий минимум диаграммы направленности антенны (более 60 дБ) можно получить при любых параметрах системы заземления и для самых разных сопротивлений соединительных элементов самой системы заземления.
Для смоделированной антенны на рис.5 приведен график, иллюстрирующий типичную зависимость между полным импедансом нагрузки R+/X и углом возвышения, при котором в диаграмме направленности антенны имеется глубокий минимум.
Для обеспечения дистанционного управления переменной нагрузкой вместо активного нагрузочного резистора в комплекте с широкополосным трансформатором и линией передачи используется более сложная цепь RLC (рис.6).
В этом случае сопротивление нагрузки антенны зависит от полного импеданса этой цепи и длины 75-омного коаксиального кабеля, подключенного к широкополосному трансформатору.
С помощью двухполюсного переключателя, коммутирующего точку подключения нагрузки, можно изменять диаграмму направленности антенны на 180°.
Антенна работает в диапазонах 160, 80, 60, 40 и 30 м. В нижнем (по схеме) положении переключателя (широкополосный режим) LC-цепь замкнута, и сопротивление нагрузки антенны зависит в основном от сопротивления переменного резистора R с линейной характеристикой изменения сопротивления от угла поворота.
Периметр рамки должен быть меньше четверти длины волны для наиболее высокой рабочей частоты антенны. С рамкой большего периметра не удастся получить кардиоидную диаграмму направленности. Уменьшение периметра рамки (или рабочей частоты при неизменных размерах рамки) не изменяет диаграмму направленности. Однако учитывая, что уровень принимаемого сигнала пропорционален площади рамки, уменьшение ее периметра ведет к быстрому снижению уровня принимаемого сигнала. Снижение чувствительности компенсирует малошумящий ВЧ предусилитель.
Если такую рамочную антенну установить на поворотном устройстве, можно добиться практически полного подавления любого сигнала, поступающего на антенну с любого азимута и под любым углом. Для рамочной антенны не требуется большой площади или значительной высоты подъема. Если не требуется работа антенны в диапазоне 160 м, то ее размеры можно уменьшить в два раза. Узел управления диаграммой направленности в вертикальной плоскости монтируется в металлическом корпусе.
Реактивная составляющая нагрузочного сопротивления устанавливается с помощью конденсатора переменной емкости с воздушным диэлектриком, а активная составляющая — с помощью переменного резистора. Катушка индуктивности содержит 32 витка эмалированного медного провода диаметром 0,5 мм, намотанных виток к витку на каркасе диаметром 32 мм на пластмассовой кассете для фотопленки. Отводы делаются от 23,19,16 и 13-го витка, считая от «горячего» конца катушки.
Английский радиолюбитель Тони, G3LNP, который предложил конструкцию описываемой антенны, установил ее на поворотном устройстве для телевизионной антенны. Поворотное устройство установлено на стальной трубе длиной 1,2 м, которая закопана в землю на глубину 20 см. Нижний конец трубы расплющивается, чтобы не допустить ее вращения.
Местная система заземления образована четырьмя стержнями длиной 1,2 м. Две горизонтальные и одна вертикальная распорки выполнены из алюминиевых труб. Центральный изолятор, к которому крепятся эти элементы, можно изготовить из любого прочного изоляционного материала (даже из фанеры, покрытой лаком). Для крепления труб к изолятору используются подходящие U-образные болты. Горизонтальные распорки устанавливаются так, чтобы их концы располагались на расстоянии 0,9 м над землей. Остальная часть периметра рамки изготавливается из достаточно прочного провода, причем его диаметр не имеет принципиального значения с точки зрения электрических параметров антенны.
Широкополосные трансформаторы намотаны на «двухдырочных» ферритовых сердечниках и содержат по пять витков провода на первичных обмотках и по два — на вторичных. После намотки трансформаторы помещаются в пластиковый корпус, который крепится на центральной изоляционной пластине.
В широкополосных трансформаторах рекомендуется использовать сердечники предельно малых размеров, а для качественного приема на высоких частотах статическая емкость между обмотками должна быть минимальной (1—3 пФ).
Пожалуй, самая серьезная проблема, которая может возникнуть при использовании этой, в целом достаточно надежной антенны, — это помехи, проникающие в приемник по оплетке коаксиального кабеля. Эти помехи могут наводиться через систему заземления или емкость между обмотками широкополосных трансформаторов. Поэтому кабели следует закапывать в землю, а оплетку заземлять не возле самой антенны, а там, откуда она берет свое начало, или возле радиоприемника.
Для исключения проникновения помех через кабель сервопривода поворотного устройства следует использовать дроссель, представляющий собой 10—15 витков кабеля, намотанных на ферритовом кольцевом сердечнике. Дроссель устанавливается рядом с поворотным устройством.
Длина 75-омных коаксиальных кабелей не должна превышать 60 м, в противном случае возникают проблемы при работе на высоких частотах.
Если описываемая антенна установлена недалеко от передающей, то следует принять меры по защите переменного резистора и предусилителя от чрезмерных перегрузок, которые могут возникать в режиме передачи. Проще всего эта проблема решается заземлением верхнего (по схеме) вывода переменного резистора с помощью контактов реле.
Кроме того, в режиме приема близко расположенная передающая антенна может значительно исказить диаграмму направленности рамочной антенны в вертикальной плоскости.
Если сопротивление переменного резистора близко к 75 Ом, а переключатель диапазонов установлен в положение «Широкополосный режим», то нагрузка антенны составит около 500 Ом независимо от длины фидера или частоты приема. В этом режиме антенна будет работать как ее прототип — антенна K9AY. Таким режимом можно также воспользоваться для того, чтобы определить пеленг сигналов, которые требуется подавить, а также для мониторинга низкочастотных диапазонов.
При работе в одном из выбранных диапазонов, вращая антенну, сначала необходимо добиться минимального уровня мешающего сигнала. После этого последовательной регулировкой сопротивления переменного резистора R и емкости конденсатора переменной емкости С добиваются дальнейшего снижения уровня мешающего сигнала (вплоть до полного пропадания).
С помощью переключателя диаграммы направленности можно убедиться, что антенна работает эффективно, или напротив, обнаружить, что помехи все еще остались.
При длине фидера 55 м и КСВН 2:1 коэффициент передачи антенно-фидерного тракта описываемой антенны изменяется от -28,6 дБи на частоте 1,8 МГц до -6,4 дБи на частоте 10,1 МГц. Когда антенна используется только в режиме приема в направлении максимума диаграммы направленности, отпадает необходимость в предусилителе. Однако предусилитель необходим (особенно в самых низкочастотных диапазонах), когда ведется прием сигналов, поступающих в направлении минимума диаграммы направленности.
Антенна продемонстрировала свою высокую эффективность при обнаружении источников мешающих сигналов и для уменьшения их влияния в режиме приема. Очень удобно настраивать антенну, а также освоить ее управление при приеме вещательных AM радиостанций. Антенна хорошо работает в средневолновом радиовещательном диапазоне при установке переключателя диапазонов в положение 160 м.
В дневное время сигнал, распространяемый земной радиоволной в диапазоне средних волн, можно уменьшить более чем на 60 дБ. Переключатель диаграммы направленности обеспечивает возможность приема нескольких радиостанций при полном отсутствии радиопомех на любой из них. В дневное время подавление радиопомех зачастую превышает 50 дБ в диапазоне 1,8 МГц и не опускается ниже 30 дБ в диапазоне 10 МГц.
При наступлении сумерек в диапазонах 7 и 10 МГц углы прихода радиосигналов начинают часто меняться, поэтому подавление мешающих сигналов становится неустойчивым. Кроме того, невозможно добиться значительного подавления радиосигнала, который может приходить с нескольких направлений, что может происходить, когда складываются условия для возникновения разных видов распространения радиоволн.
Ведя учет комплексного сопротивления нагрузки антенны, можно определить углы, под которыми приходят радиосигналы в разное время на разных диапазонах.
QST, октябрь 2010 г.