Узконаправленная приёмная антенна для DX-окна 3,8МГц

Узконаправленная приёмная антенна для DX-окна 3,8МГц.

Как насчёт отношения вперёд-назад 25-45 db?

Этого можно добиться при помощи 3х настроенных, сфазированных рамок, установленных на землю на пространстве в 3метра.

Флойд Кунтц, WA2WVL.

Давно известно, что невозможно провести QSO, если не слышишь корреспондента это, конечно, касается и DX – окна 75 метров. DXing из западного Нью-Йорка опровергает этот довод. Было оценено, что Европейские DX - станции обычно на 20db слабее в этой области около Атлантического океана, дальше внутри страны, они еще более слабы. Так как уровень статики на 3,8 МГц обычно высоки, решением проблемы приёма слабых Европейских сигналов является улучшение отношения сигнал/шум направленной приёмной антенной.

120 метровая приёмная антенна Бевередж, направленная на Европу, позволила мне работать со многими станциями, при работе на ¼ вертикал приём был невозможен.

Улучшение моей передающей антенны в паре с фазированными и вертикалами немного уменьшило преимущество Бевереджа. Я решил применить антенный анализатор MN Браина Бизли (1), что бы определить возможность постройки лучшей наземной приёмной антенны.

Почти все направленные антенны имеют нежелательные излучения – зачастую порядка 20db – в стороны или назад от основного направления. Шум и помехи, внесённые этими излучениями, ограничивают отношение сигнал/шум, который может быть получен в идеальном случае. Таким образом, боковые лепестки антенны Бевереджа работают против достижения узкой направленности. (См. рис.1)

Рис.1

(А)- 120 метровая антенна Бевереджа. Высота подвеса 2,4м. Видны существенные боковые лепестки относительно основного как компромисс. Это способствует отклонению помех и шумов в горизонтальной плоскости.

(В) - Подобная ситуация в вертикальной плоскости. Вторичные вертикальные лепестки вносят помехи и шумы от сигналов местного происхождения. (Модели антенны смоделированы с усреднённой землёй на 3,8МГц с помощью MN)

Я изучил некоторую антенную литературу (2-4), наиболее вероятным кандидатом оказался – End-fire binominal array – система, в которой, три или более элементов запитываются с постоянно увеличивающейся задержкой фазы (от заднего элемента к переднему элементу). С токами элемента, уменьшающимися от центрального элемента к внешнему элементу. Антенна с тремя элементами этого типа появилась в нескольких любительских публикациях, и обычно имеет интервал в четверть волны между элементами с прогрессивной 90 градусной задержкой на элемент и распределением токов 1:2:1.

Компьютерный анализ показал, что эта антенна может дать с оптимизированным интервалом между элементами меньшим, чем ¼ длины волны прогрессивной задержкой фазы в 135 градусов.

Но какого типа применить элемент?

Математический анализ Binomial arrays показал. Что следует применить так называемый изотропный элемент, идеализированные источники излучения настолько малы, что их размеры относительно длины волны незначительны.

При частоте 3,8 МГц длина волны ~79метров, так, в поисках практического воплощения в соответствии теорией и, не желая связываться с громоздкой системой заземления, я выбрал настраиваемую магнитную рамку в качестве вертикального элемента. Приёмные магнитные рамки имеют много преимуществ по сравнению с одиночными излучателями (монополями), как отмечал Ted Hart (6). В дополнение к тому рамки малошумящие антенны, легко настраиваемые и легко согласующиеся с 50 Омными фидерами, и они не требуют системы заземления. Я выбрал для применения квадратную рамку в качестве элементов, со стороной 1,5м (5 feet) каждая и разместить их на высоте 60см (2 feet) над землёй. Маленькие рамки имеют ноль приёма в своей плоскости и максимум в перпендикулярной плоскости.

Расчёт модели.

Я хотел, чтобы модель массива (array) была легко обратима, таким образом, я выбрал задержки фазы элемента 90° или 135°, чтобы упростить систему питания. Отношение тока элемента 1:2:1 дало оптимальную направленность при расстоянии 1метре 20см (40 feet) от центра до центра элементов. Рис.2 показывает расчётный азимут и зенитный угол модели антенны, формируемой таким образом.

Рис.2.

Должным образом сфазированные и запитанные три магнитные рамки, собранные в массив (array) могут сформировать почти превосходную кардиоидную (сердцевидную) диаграмму направленности в горизонтальной плоскости (А), с шириной лепестка, почти идентичной диаграмме направленности антенны Бевереджа смоделированной на Рис. 1.

Система рамок (array) имеет меньшее усиление (по крайней мере, на 16db ниже, чем у антенны Бевереджа) требуется усиление, но не ставит по угрозу приём слабого сигнала на 3,8 МГц. В вертикальной плоскости (В) система рамок (array) обеспечивает намного лучшее подавление заднего лепестка, чем антенна Бевереджа.

При усреднённой земле оптимальный угол излучения 29°, но модель антенны имеет превосходную диаграмму при низких и высоких углах излучения (это типично для магнитных рамок). В горизонте –3db при ширине лепестка 78°.

Электрический проект рамки.

На Рис.3 показана принципиальная схема системы рамок.

Рис.3.

Каждая рамка резонирует на частоте 3,8МГц с настраивающей ёмкостью порядка 190пф.

Расстояние между центрами рамок 1,2м (40 feet).Трансформатор (коэфициэнт трансформации 7:1) согласует каждую рамку с 50 Омной линией питания. 6db аттенюаторы (применять безиндукционные резисторы) уменьшают ток, внесённый внешними рамками в половину к току внесённому центральной рамкой. Длина линии питания указана для кабеля RG-58A. Детально блок питания антенны будет изображен на Рис.5.

Маленькие рамки обычно имеют низкую эффективность, но это не самый важный фактор для приёма на 3,8МГц. Применив формулу для расчёта сопротивления излучению, из книги Ted Hart получим значение около 0,005 Ом для каждой рамки. Измерения показывают, что полное сопротивление, которое включает в себя потери в проводниках, трансформаторные потери и потери на конденсаторе получается порядка 1 Ом. Основываясь на этом значении, эффективность получается порядка 0,5%, или –23db.

Хотя малошумящий, предусилитель высокого динамического диапазона обязан сохранять чувствительность системы, нормальный уровень QRN на 75 метрах, не неэффективность рамок (array’s), ограничивает работу системы. Расчётная ширина полосы пропускания системы (array's) область пика амплитуды примерно 20КГц этого достаточно, чтобы перекрыть DX-окно 80 метрового диапазона.

Настройка каждой петли достигается подстроечным конденсатором с малыми значениями ёмкости, подключенным параллельно к постоянному конденсатору ёмкостью 180 пф, до полной ёмкости порядка 190пф. Я рекомендую использовать высококачественные постоянные конденсаторы, производимые «ATC», «JFD» или «Viramon». Для тонкой регулировки могут быть применены обычные подстроечные конденсаторы со слюдяным диэлектриком, так как уровень сигнала низок. Я подал 5Ватт мощности на вход антенной системы (array), на регулировочном конденсаторе напряжение составило более 700 вольт. Аварийный КСВ в процессе регулировки рамки указывает на вероятный пробой конденсатора. Ферритовые трансформаторы каждой петли имеют один виток первичной обмотки в виде латунной трубки проходящей через сложенные ферритовые тороидальные сердечники. Семь витков изолированного провода через отверстие латунной трубки образуют вторичную обмотку. Первичная обмотка соединена с полотном раки, вторичная с коаксиальным кабелем волновым сопротивлением 50 Ом по средствам коаксиального разъёма. Мои трансформаторы были сделаны из покупных деталей, но вы можете сделать свои собственные конструкции (8). Я предлагаю использовать полудюймовые ферритовые тороидальные сердечники OD-43 (m=850).