На днях RW3VZ опубликовал на qrz.ru интереснейший материал, связанный с
описанием принципов работы становящихся все популярнее излучателей, получивших
название GAP antenna.(www.qrz.ru/schemes/detail/3218.html)
К сожалению, данный материал
представляет из себя текст, представленный в патентное ведомство США и,
естественно, поскольку русский язык не является государственным в этой братской
стране, написан на английском.
Желая дать возможность ознакомиться с сутью
изобретения большому количеству моих исключительно русскоговорящих коллег, я
взял на себя смелость осуществить перевод материала. Поскольку прямой перевод (
gap - пролом, брешь, щель, дыра, пробел, пропуск, промежуток, интервал,
разрыв, расстояние, зазор, люфт...) не дал мне хорошо звучащей по-русски подсказки
по названию антенны, здесь она будет называться GAP антенна.
Сознательно не вставляю
из оригинала иллюстрации, поскольку: а) во-первых, статья предназначена всего
лишь для ознакомления с принципом работы GAP антенн и, б)
во-вторых, уж если кто и заинтересуется серьезно такой антенной и решится на ее
повторение, ему прямая дорога к первоисточнику (www.gapantenna.com). А данный труд будет решившемуся
поддержкой при работе с оригинальной информацией.
Желаю побед в борьбе с
антенно-фидерными системами.
RW3VA
Основной линейной антенной является горизонтально или вертикально ориентированный диполь. В стандартной конфигурации он содержит два линейно расположенных проводника, длина каждого из которых равна 1/4 рабочей длины волны. В своей центральной точке проводники антенны соединены с генератором переменного тока, работающим в диапазоне радиоволн, через соответствующую линию питания. Длина вышеуказанных проводников (1/4 длины волны) так же как и общая длина диполя (1/2 длины волны) установлена таким образом, чтобы получить соответствующие фазы тока в обоих проводниках. Для уменьшения общей высоты, нижняя половина вертикального диполя обычно разворачивается и размещается параллельно поверхности земли. В такой ситуации поверхность земли действует как изображение плоскости. Отражающие характеристики этой плоскости создают возмещение недостающей нижней половины вертикального вибратора, сокращая общую высоту с 1/2 до 1/4 длины волны. Однако, в большинстве случаев, поверхность Земли является плохим проводником. Следовательно, необходимо повышать удельную электропроводность подстилающей поверхности размещением под антенной проводящей сетки или большого числа радиально ориентированных проводов («радиалов») над, на или под поверхностью земли. Основная часть следующих рассуждений относится к антеннам с вертикальной конфигурацией, тем не менее, применение рассматриваемого принципа не ограничивается вертикалами, оно ровно так же применимо к горизонтальным антеннам.
Типичный вертикал, как указано выше, принимает ток в свое основание, одним полюсом соединяясь с вертикально ориентированным проводом, а другим полюсом к радиально ориентированным проводам. Ток направлен в радиалы в тот период, когда ток в вертикально ориентированном проводнике восходящий, и истекает из радиалов, когда ток в вертикально ориентированном проводе нисходящий. Для наиболее эффективной передачи мощности из линии передачи в антенну их импеданс должен быть идентичным. Характеристический импеданс линии передачи является функцией диаметра проводника, расстояния между проводниками и материала, используемого в качестве разделителя проводников линии. Импеданс антенны, обычно называемый сопротивлением, в действительности является мерой ее мощности. Диполь поглощает мощность, но не производит тепло, а излучает электромагнитную энергию.
Поскольку подавляющее большинство источников радиочастотных сигналов являются 52-ти Омными устройствами, то и линии передачи с таким сопротивлением являются наиболее применимыми. Хотя, в принципе, исполнимы линии передачи с множеством других полных сопротивлений. Таким образом, является желательным, чтобы все антенны имели антенное сопротивление 52 Ома для осуществления максимальной передачи энергии. Кроме того, в радиолюбительских условиях желательно использовать единственную антенну для различных диапазонов волн. В настоящее время, для того, чтобы использовать антенну в более, чем одном диапазоне, применяются следующие методы приведения высоты антенны к 1/4 длины волны: (а) изоляция трапами; (b) построение многовибраторной антенны на одной мачте; и (с) дистанционное управление регулирующими элементами, устанавливаемыми в основании антенной мачты. Тем не менее, ни один из этих методов не является полностью удовлетворяющим существующим требованиям.
Траповые вертикальные многодиапазонные антенны содержат некоторое число высокоимпедансных трапов (в прямом переводе - «ловушек») с параллельным резонансом, включаемых последовательно на необходимой высоте вертикально ориентированного проводника. Например, в типичной антенне, действующей на радиолюбительских диапазонах, трап 10 м диапазона расположен в 2.44 м выше основания (т.е. в 1/4 рабочей волны диапазона) и отключает часть антенны выше себя. Эти 2.44 м являются ближайшими к земле и их излучение может оказаться затенено соседними объектами. Тем не менее, в многодиапазонной варианте эти нижние 2.44 м вынужденно должны использоваться, поскольку антенна является возбуждаемой в основание и при выборе более длинной волны будет излучать вся высота антенны.
На самой низкой частоте все предшествующие трапы становятся нагрузкой, поскольку они на ней (частоте) не резонируют. Эта нагрузка позволяет уменьшить высоту антенны, электрически скомпенсировав уменьшение физической высоты. Вместе с тем, укороченная антенна имеет низкое сопротивление, обычно в диапазоне от 6 до 10 Ом. В этом случае должно быть добавлено внешнее устройство, которое подобно трансформатору должно преобразовать это сопротивление в 52 Ома. Причем, трансформирующее устройство должно обеспечить антенной системе возможность работы на всех длинах волн с учетом низких потерь энергии. Это становится очень сложным из-за того, что при каждом уменьшении длины волны включается новый трап с возрастанием антенного сопротивления. При таких условиях почти невозможно согласовать сопротивление антенны и полное сопротивление линии передачи на всех пяти диапазонах.
Многовибраторные антенны на одной мачте и антенны, использующие дистанционную настройку, представляют собой два альтернативных метода использования высоты антенны. Многодиапазонная антенна использует вертикальную башню, сконструированную так, что на ней установлены антенны различной высоты на одном изоляторе. Как и траповая антенна, она запитывается в основание и общая высота антенной структуры также не используется на каждом диапазоне. Тем не менее, по сравнению с траповой антенной, сопротивление излучения остается более постоянным при изменении длины волны. Следует отметить, что некоторое изменение все же проявляется из-за эффекта взаимовлияния антенн при их расположении в непосредственной близости друг от друга. При реализации дистанционной настройки антенны используют дистанционное управление установленными в основании антенны элементами настройки. Элементы настройки антенны могут содержать целый ряд емкостей, индуктивностей, двигателей или переключателей. Устройства этого типа – дороги, поскольку они сложны в изготовлении и требуют внимательного расчета своих параметров и точности при производстве для того, чтобы избежать возникновения неисправности из-за внешних условий, таких как, например, предельные температуры, коррозия, атмосферные влияния, а также удары молнии. Более того, использование такой конструкции может обернуться потерей мощности из-за слишком широкого диапазона трансформации, требующейся при приведении сопротивления единственной мачты к 52 Ом.
2. Описание GAP антенныАнтенна с GAP излучением, является одной из тех, в которых
определенные элементы излучающей структуры состоят из коаксиального кабеля, в
котором часть внешнего экрана удаляется, что позволяет переменному
электрическому току выйти из экранированного пространства кабеля и излучиться во
внешнее пространство, тем самым генерируя электромагнитное излучение. Это
новшество в комбинации с другими уникальными качествами обеспечивает
многочисленные преимущества описываемого типа антенн:
(1) Прием тока во
множестве точек вдоль длины антенны изменением местонахождения вышеуказанного
разрыва экранирующей оболочки, образующей в экране GAP («щель»);
(2)
Формирование части излучающей структуры линией передачи;
(3) Получение
комплексных индуктивных и/или емкостных свойств, которые соответствующим выбором
длины, позиции GAP’а и других переменных могут:
(a) Оказать влияние на
наилучшее согласование сопротивления антенны и импеданса линии передачи, тем
самым допуская 100% эффективную передачу тока в антенну при незначительных
внутренних потерях в линии;
(b) Исключить необходимость использования
дополнительных дискретных элементов таких как, например, нагрузочных катушек для
электрического удлинения антенны;
(c) Исключить необходимость использования
дополнительных дискретных элементов для трансформации антенного сопротивления в
более высокое или низкое для того, чтобы обеспечить эффективную передачу
мощности из линии передачи;
(d) Исключить необходимость электрического
разъединения физических частей линейной антенны использованием трапов, для
обеспечения многодиапазонной работы в единственной антенне.
(4) Использование
общей доступной физической высоты антенны при ее работе в качестве
многодиапазонной, тем самым оптимизируя возбуждение многодиапазонных антенн,
упрощая их конструирование и создавая антенны более эффективного образца по
сравнению с стандартными многодиапазонными вертикальными антеннами с
трапами,
(5) Использование возможности создания короткой вертикальной антенны
с верхней квазиемкостной нагрузкой, с прогнозируемым повышением в эффективности
излучения от 50 до 700% по сравнению с имеющимися типовыми образцами
вертикалов,
(6) Конфигурирование многоэлементной системы, в которой все
элементы массива могут непосредственно заземляться в основании башни,
(7)
Уменьшение сложности изготовления антенной системы и более надежная защита ВЧ
источника от поражения молнией. При функционировании описываемой антенны в
качестве приемной отмечается многократное увеличение, по сравнению с
соразмерными диполями и монополами, возможности режекции электромагнитной
энергии, принимаемой на частотах ниже номинальной рабочей частоты антенны. Эти
антенны, тем самым, обладают значительно улучшенной возможностью фильтрации
нежелательных электромагнитных волн.
Краткое описание чертежей GAP антенны.
Рис. 1 иллюстрирует GAP излучающую антенну в основной вертикальной
конфигурации.
Рис. 2 – вертикальная часть антенны, показанной на Рис. 1 в поперечном сечении для
иллюстрации принципа работы GAP и
распределения текущего тока в и на вышеуказанном сегменте.
Рис. 3 - боковой
вид вертикальной части вертикально ориентированной GAP антенны, в которой
дополнительная индуктивная составляющая была сформирована удлинением части
вертикального компонента над GAP, Рисунок показывает относительную позицию
GAP.
Рис. 4 - боковой вид вертикальной части вертикально ориентированной GAP
антенны, в которой часть вертикального сегмента выше промежутка была скручена
для создания квазиемкостнуй нагрузки.
Рис. 5 - боковой вид многодиапазонной
вертикальной антенны, в которой верхняя часть включает увеличенную длину
коаксиального кабеля для создания необходимой индуктивной составляющей, и также
применены два настроечных стержня, служащих для согласования и настройки антенны
на разных рабочих диапазонах.
Рис. 6 - боковой вид многодиапазонной
вертикальной антенны, в которой коаксиальные элементы антенны проложены в
жестких алюминиевых трубках для достижения конструктивной самоподдерживающей
способности.
Рис. 7 - трехэлементный, горизонтальный бим, в котором вибратор
является асимметрично GAP запитанным и вся конструкция заземлена.
Рис. 8 -
вид в перспективе верхней секции GAP излучающей антенны с внешней конструкцией
(алюминиевый стакан) линии связи.
Рис. 9 - передний вид GAP излучающей
многодиапазонной антенны.
Рис. 9A - изображение в разрезе, частично в
перспективе, части центра антенны, показанной на Рис. 9.
Рис. 10 - передний
вид альтернативной реализации GAP излучающей многодиапазонной антенны.
Рис,
11 - передний вид еще одной альтернативной реализации GAP излучающей
многодиапазонной антенны.
Рис. 1 иллюстрирует GAP излучающую антенну в основной вертикальной
конфигурации. Она подобна стандартной вертикальной антенне, запитанной
коаксиальным кабелем. Как и стандартная вертикальная антенна, питается
источником переменного ВЧ тока. Источник ВЧ 1 соединен с антенной через линию
передачи 2 из коаксиального кабеля, в котором внешняя оплетка 3, соединяется с
радиалами 4, а внутренний проводник 5 продолжен вверх, как часть вертикального
сегмента 6. Антенна отличается от стандартного вертикала в трех очевидных
случаях.
Во-первых, излучающий элемент вертикальной компоненты 6 является
оплеткой 3 коаксиального кабеля, который формирует антенну, а не внутренним
проводом 5. В стандартном вертикале, оплетка должна завершаться там, где
осуществлен контакт с радиалами. Внутренний проводник должен затем продолжиться
вверх и сформировать излучающий элемент вертикального компонента 5 с током,
направленным в радиалы, тогда как ток во внутреннем проводе направлен вверх, и
от радиалов когда ток в наружном проводе направлен вниз. В представленной
антенне ток, текущий по поверхности внутреннего проводника 5 не добавляет почти
ничего в эмиссию излучения. Его ролью, вместо этого, является передача энергии
внешней поверхностью 8 оплеткой 3 в порядке, который будет подробнее рассмотрен
при обсуждении Рис. 2.
Во-вторых, и наиболее очевидно, что коаксиальный
кабель, который формирует передачу линией 2 в антенну, не заканчивается в
радиалах 4, которые формируют основание вертикального компонента 6 как в
стандартном вертикале, но продолжается и составляет существенный элемент
вертикального компонента 6.
В-третих, , линия передачи 2 может сыграть
двойную роль и как линия передачи, и как излучающий элемент благодаря небольшому
промежутку (GAP’у) 7 в оплетке приблизительно на половине высоты вертикального
компонента 6. Итак, коаксиальный кабель является ключевым элементом антенны с
GAP излучением. В такой реализации он обнаруживает критически важные
возможности, которых нет у параллельных линий передачи.
(1) При использовании коаксиальных линий возможно получить независимые ВЧ
токи, текущие одновременно на внутренней и на внешней поверхности оплетки. Это
является следствием то, что ВЧ токи протекают только на поверхности проводника,
с глубинами проникновения, измеряемыми в миллионных долях миллиметра. Такое
явление не достижимо в случае с параллельными линиями и является определяющим в
исполнении GAP антенн.
(2) Становится возможным получить небалансный ВЧ ток
на коаксиальном экране и задержать излучение электромагнитной энергии. Экран при
этом будет сохранять небалансные условия внутри коаксиального кабеля. Роль,
оказываемая этими двумя факторами на работу антенны, может быть более полно
оценена при рассмотрении Рис. 2, который описывает сечение вертикального
компонента 6. Необходимо отметить, что оплетка 3 электрически соединена с
вершиной вертикального компонента 6 и с внутренним проводом 5 в одной точке.
Направление тока в различных присоединенных поверхностях, в то время когда
внутренний провод получает положительный ток, указывается стрелами. Как было
отмечено, в описываемой антенне имеется возможность получения ток на внешней
поверхности 8 оплетки 3 противоположенный тому, который течет на внутренней
поверхности 9. Кроме того, любой дисбаланс между током, текущим по внутренней
поверхности 9 оплетки 3 и на внутреннем проводе 5 сохраняется в пределах
кабеля.
Таким образом, в настоящей антенне внешняя поверхность 8 оплетки 3 становится излучающим элементом вертикального компонента 6. Внутренний провод 5 и внутренняя поверхность 9 оплетки 3 служат лишь для передачи энергии. Щель (GAP) 7, которая позволяет коаксиальному кабелю функционировать в качестве излучающего компонента, создается удалением небольшого сегмента оплетки 3 с тем, чтобы, чтобы полностью разорвать оплетку 3 выше щели 7. Не нарушается ни внутренний проводник 5, ни коаксиальный изолятор 10, отделяющий оплетку 3 от внутреннего провода 5. Ширина размера «w» GAP’а 7 - не критична в исполнение. При проведенных испытаниях колебание значения “w” между 0.00025 и 0.076 м незначительно воздействовало на показатели антенны. Тем не менее, выбор чрезвычайно небольшой величины для «w» неразумен для антенн, подверженным погодным влияниям, так как, например, капли дождя могли бы легко соединиться мостом и шунтировать такую узкую щель. Поставленные условия требуют от “w” быть минимальной величиной по сравнению с высотой вертикального компонента 6 в том случае, когда не ожидается конкретного прироста параметров антенны в результате поиска максимальной величины для «w». Промежуточная величина для размера «w» в 0.05 м была выбрана экспериментально и применена во всех моделях антенн, построенных до настоящего времени.
Предшествующий анализ и описание показывают самые очевидные характеристики основной конфигурации GAP излучающей антенны. Анализ показателей, применяемый при определении антенной высоты, реактивности, сопротивления излучения, и позиция GAP’а, является более сложным. Тем не менее, одна из наиболее важных точек необходимых для понимания при проведении анализа – это роль играемая коэффициентом укорочения “vf” изолятора 10, который окружает внутренний провод 5 и отделяет его от оплетки 3. Пластические материалы, используемые в качестве изоляторов в коаксиальном кабеле, замедляют распространение тока в кабеле. Таким образом, пока ток распространится со скоростью света на внешней поверхности 8 косы, ток в коаксиальном кабеле распространится в приблизительно 7/10 (обычно 0.68) от скорости света. Этот показатель является одной из чрезвычайно важных характеристик обсуждаемого принципа построения антенн. В настоящей антенне, использование коаксиального кабеля создает эквивалент сдвига фазы, создания многовитковой катушки для избежания потерь мощности, а также снимает ряд иных проблем.
При обеспечении эквивалента индуктивной реактивности на разъеме, антенная длина увеличивается электрически. Таким образом, длина антенны должна быть сокращена физически, чтобы скомпенсировать дополнительную электрическую длину. Это, конечно, эквивалентно дополнительному внесению емкостной реактивности в линию. Антенная длина, которая сформирует емкостную реактивность, достаточную, чтобы скомпенсировать индуктивную реактивность, может быть вычислена ниже (3).
Длина антенны, которая сформирует емкостную реактивность, достаточную для компенсации индуктивной реактивности Xe, может быть вычислена по формулам (3) при объединении формулы для расчета емкости короткого вертикала (1) с общей формулой для вычисления емкостной реактивности (2), где “L” – высота антенны в футах; “f” – рабочая частота антенны в мГц; “D” – диаметр антенны в дюймах и Xc – емкостная реактивность.
1
C = ---------------------------------------------------------------- (1)
[ LM*(2AL/D) - 1] - [1 - (fL/234)2]
xc=1/2ПfC (2)
1
Xc = ------------------------------------------------------------------ (3)
2Пf {[17L/LN(24L/D) - 1] - [1 - (fL/234)2]}
Принимая во внимание, что антенна запитана от 52-и Ом ВЧ источника, реактивность, которая должна быть скомпенсирована, может быть определена умножением 52 Ом на тангенс (Theta/vf), где Theta – высота GAP над основанием в электрических градусах. В конфигурации, показанной на Рис. 1 и Рис. 2, где GAP находится в середине антенны (т.е. Theta=45 градусам) и vf = 0.66, антенна должна быть, соответственно, укорочена на 11%, для создания емкостной реактивности, достаточной для компенсации 130 Ом сгенерированной индуктивной реактивности. Таким образом, эти две реактивности взаимно компенсируются, оставляя только активное сопротивление излучения антенны.
Сопротивление излучения антенны изменяется обратно пропорционально току антенны, который равен (Imax*Cos*Theta). Таким образом, как только GAP 7 будет установлен, сопротивление антенны увеличится. Следовательно, сопротивление антенны может быть выбрано настройкой импеданса линии изменением позиции GAP’a. Однако, как только GAP будет подвинут, появятся различные уровни индуктивной реактивности, которые затем будут нуждаться в компенсации путем подбора высоты антенны. Необходимо отметить, что нет необходимости в том, чтобы внутренний проводник 5 был соединен с оплеткой 3 на вершине антенны для ее нормальной работы.
Если антенна оканчивается разомкнутой цепью, ее часть выше GAP’a работает, как конденсатор. Следовательно, антенна требует увеличения своей длины для компенсации образовавшейся емкостной реактивности. Далее, поскольку используется очень короткая перемычка 5, длина самой антенны не формирует достаточную индуктивную реактивность для компенсации емкостной реактивности и антенна может быть удлинена, сохраняя свою высоту и положение GAP. В этом случае, дополнительная длина появляется складыванием и укорочением оплетки 3 над GAP’ом 7 как показано на Рис. 3, где перемычка 11 показывает контакт между внешней поверхностью 8 и оплеткой 3 в части антенны, ближайшей к GAP.
Часть антенны над GAP’ом может быть также свернутой в спираль, как показано на Рис. 4. В этом случае часть антенны выше GAP’а не излучает. Таким образом, излучение будет формироваться только частью тока, распространяющегося ниже GAP’а. В этой конфигурации антенна будет вести себя, как «вертикал с верхней (емкостной) нагрузкой». Далее, по сравнению с обычным вертикалом, запитанным в основание, где максимальный ток течет в нагрузочной катушке, которая сама не излучает, псевдонагруженный в вершине GAP вертикал, распределяет максимум тока в излучающих элементах антенны. Итак, он способен достигнуть исключительного усиления излучаемой мощности при работе в мобильных антенных системах.
Как обсуждалось ранее, однодиапазонная конфигурация не исчерпывает всевозможные применения антенны с GAP излучением. В многодиапазонном варианте она является исключительно уникальным и эффективным вертикальным радиатором. Реализация, проиллюстрированная на Рис. 5, адаптирована к многодиапазонному применению на традиционных любительских диапазонах 80…10 м. Для применения в многодиапазонном варианте, антенна с GAP излучением должна быть адаптирована к широкому диапазону изменяющихся частот и их комбинаций.
Рис. 5 показывает большое количество различий между этой конфигурацией и существующими вариантами много- и однодиапазонных антенн. Во-первых, в отличие от последних, она запитана не в основание, а в средней точке GAP. Следует понять, что расположение GAP’а 7 посередине антенны, устанавливает точку питания в оптимальную позицию, давая возможность полностью использовать всю доступную высоту антенны на верхних трех диапазонах, сохраняя возможным использование ее длины и на двух нижних диапазонах. Во-вторых, хотя общая высота вертикальной компоненты 6 (приблизительно 9.75 м) приближена к высоте типичного вертикала с трапами, она остается свободной от трапов и иных особенностей существующих антенн. В-третьих, верхняя часть 12 антенны длиной приблизительно 14.33 м сложена по принципу, описанному в обсуждении Рис. 3 таким образом, чтобы оставаться внутри вертикальных границ верхней части 12. В-четвертых, оплетка 3 не связана с внутренним проводником 5 как в случае с однодиапазонной антенной, рассмотренной ранее. Вместо этого, в этой точке включен конденсатор 13 одним выводом к оплетке, а другим к внутреннему проводнику. В-пятых, есть возможность верхней настройки штырем 14, имеющим длину около 2.29 м, и нижней настройки штырем 15, имеющим общую длину 4.72 м, для эффективной работы на выбранных диапазонах.
На диапазоне 75/80 м (от 3.5 до 4.0 МГц) анализ и работа антенны аналогична рассмотренной антенне с GAP излучением с двумя исключениями: в использование конденсатора 13 и в изготовлении стержня нижней настройки 15. В предшествующих описанных реализациях, оплетка 3 или была соединена с внутренним проводником 5, или эта соединение было оставлено разомкнутым. В многодиапазонной конфигурации такое нереализуемо. Если оплетка 3 и внутренний проводник 5 соединены, а длина выбиралась так, чтобы обеспечить необходимую индуктивную реактивность для компенсации емкостной реактивности, созданной укорочением антенны (т.е. для 75/80 м антенна имеет только 50% от требуемой 1/4 длины волны в 18.29 м), то действующая величина индуктивной реактивности должна быть менее, чем это необходимо для верхних диапазонов. Таким образом, длина верхней части 12 антенны, выбранная для создания индуктивной реактивности, необходимой для работы на самых верхних диапазонах, обеспечивает емкостную реактивность в линии, которая компенсирует часть этой реактивности для работы на нижних диапазонах, оказывая значительно меньший эффект на более высоких частотах. Завершение антенны конденсатором в 1500 пФ обеспечивает необходимую коррекцию. Емкостная реактивность Xe уменьшается с возрастанием частоты в соответствии с прежде приведенным уравнением Xc=1/2*Пи*fC. Таким образом, при выбранной величине, конденсатор компенсирует избыточную индуктивную реактивность на более низких частотах, имея все меньший эффект с подъемом частоты, и в конце концов достигает состояния перемычки на 28 МГц.
Штырь нижней настройки 15 обеспечивает повышение сопротивления антенны в диапазоне 75/80 м, позволяя току в верхней части 12 антенны течь в противоположном направлении току в более низкой части 16 антенны, тем самым уменьшая ток в вертикальном компоненте 6 и поднимая антенное сопротивление. Выбранная таким образом, общая вертикальная длина антенны создает сопротивление 52 Ома, обеспечивая идеальное согласование для выбранного импеданса линии передачи. Достигнутая ширина полосы антенны превышает 150 кГц, что приблизительно на 300% больше, чем 50 кГц ширины полосы частот, обычно достигаемой вертикальной траповой антенны высотой 1/2 длины волны.
При работе на диапазоне 40 м, высота антенны в 9.75 м равняется высоте 1/4 длины волны стандартного вертикального диполя. Таким образом, у укороченной антенны нет емкостной реактивности, чтобы компенсировать образовавшуюся индуктивную реактивность. Тем не менее, конденсатор 13 обеспечивает емкостную реактивность, в величине, выбранной для нейтрализации индуктивной реактивности. Нижний настроечный стержень 15 также продолжает влиять на антенную систему на этой длине волны. Тем не менее, увеличение антенного сопротивления – минимально и позволяет антенне работать при КСВН менее чем 1.5:1, с антенным сопротивлением в районе 70 Ом, достаточно близко к выбранному сопротивлению линии передачи.
На двадцати метрах, индуктивная и емкостная реактивность в системе останутся приблизительно сбалансированными. Антенная высота 9.75 м является эквивалентом полному 1/4 длины волны вертикальному диполю. Таким образом, радиалы больше не нужны для правильной работы антенны. На самом деле, сложности на этой длине волны в том, что антенна заземляется. В стандартном 1/2 - волновом вертикальном диполе основание должно изолироваться от земли для того, чтобы антенна работала правильно. В иллюстрируемой многодиапазонной антенне с GAP излучением стержень нижней настройки 15 обеспечивает средства для работы антенны в этой ситуации. Стержень нижней настройки 15 взаимодействует с частью антенны ниже GAP’a 7, чтобы создать сбалансированный ток как выше, так и ниже GAP 7 и соответствовать условию КСВН, достигающему 1:1 к 1 в середине диапазона. В значительной степени вся доступная энергия, по определению, излучается. Эффективность эквивалентна стандартному вертикальному диполю, что было подтверждено измерениями. Далее, антенна обеспечивает 4 - 5 дБ прироста относительно полной высоты ? длины волны с оптимально низким вертикальным углом излучения, и даже более солидную прибавку по сравнению с укороченным ? вертикальным диполем, имитируемым вертикальной многодиапазонной антенной с трапами.
На 15 метрах, индуктивная и емкостная реактивность остаются сбалансированными. GAP 7 находится в 3/8 длины волны от верхушки и на таком же расстоянии от основания антенны. На этом диапазоне стержень верхней настройки 14 становится очень важным для работы антенны, подстраивая ток в верхнем сегменте 12 вертикального компонента 6 таким образом, чтобы обеспечить условия согласования и возбудить всю высоту в ? волны вертикального компонента 6. На прежде проанализированных диапазонах, стержень верхней настройки 14 в сущности не оказывает эффекта из-за своей короткой длины в сравнении с рабочей длиной волны и длиной других излучающих элементов. На 15 м стержень нижней настройки становится неэффективным из-за своей чрезмерной длины по сравнению с рабочей длиной волны. Помимо этих различий, общее измеренное усиление на этом диапазоне сравнимо с полученным на 20 м диапазоне.
На 10 м различные элементы антенны взаимодействуют так, что стержень верхней настройки 14 и нижняя часть 16 вертикального компонента 6 возбуждены со сдвигом на 90 градусов от стержня нижней настройки 15 и верхней части 12 вертикального компонента 6. Идеальная модель антенны и работа ее отдельных элементов в этом случае чрезвычайно трудны для анализа.
Описание антенны, приведенное на Рис. 5, несколько искажает определенные характеристики и размеры вертикального компонента 6 антенны с целью облегчения понимания. Более точный внешний вид вертикального компонента 6 многодиапазонной антенны с GAP излучением представлен на Рис. 6, который иллюстрирует антенну со стороны большинства своих рабочих элементов, смонтированных в двух секциях из 1.5 дюймовых алюминиевых труб 17, применяемых в целях конструктивной поддержки. Показанные дополнительные распорки являются изолирующими элементами 18, помогающими стабилизировать и поддержать стержень верхней настройки 14 и стержень нижней настройки 15. GAP 7 не экранируется алюминиевой трубой 17. Необходимо отметить, что нижняя часть 16 представленной многодиапазонной антенны может быть непосредственно заземлена, даже при работе в качестве полного ? волны вертикального диполя. Таким образом, монтаж антенны существенно упрощен, так как алюминиевая труба 17, которая служит для стабилизации и поддержки всей конструкциии, может непосредственно крепиться к поддерживающей мачте или другой установленной на земле или вкопанной в землю структуре.
Рис. 7 дает перспективный вид сверху и со стороны трехэлементного бима, включающего GAP запитанный вибратор 19, рефлектор 20 и директор 21. Перемычка 11 предусмотрена для того, чтобы соединить часть 22 вибратора 19, несущую GAP и часть 23 вибратора 19, не несущую GAP. Использование GAP запитанного вибратора позволяет всем элементам направляющей решетки антенны быть непосредственно соединенными с бумом 24 и, в свою очередь, с поддерживающей мачтой 25. Непосредственное заземление устраняет потребность в структурных изоляторах, балунах, гамма-, дельта-, омега или T-согласовании. Далее, расположение бимов в замкнутом пространстве создает очень низкую величину антеннного сопротивления из-за эффекта взаимной связи и требует применение цепей преобразования для согласования с линией передачи 52 Ома. Запитанный через GAP бим, используя прежде описанную технику, допускает прямой выбор антенного сопротивления соответствующим позиционированием GAP’а 7, тем самым избегая потребности в цепях трансформации. Простота, присущая этому проекту, сокращает затраты на производство, сборку и настройку и уменьшает возможность неблагоприятного влияния погоды, не требуя при этом никаких дискретных согласующих устройств.
Рис. 8 представляет собой условное изображение верхней секции GAP антенны с разводкой между коаксиальным кабелем 83, внешним проводящим экраном 84, алюминиевыми трубами 17 и центральной трубой 26. Вершина коаксиального кабеля 83 (в частности экран 84) электрически подключается к вершине верхней алюминиевой трубы проводником 29. Конденсатор 13 соединяет центральный проводник коаксиального кабеля 83 с коаксиальным экраном 84. Изолированная труба 26 (ПХВ или эквивалентная) механически соединяет верхнюю алюминиевую трубу 17 (желательно 4.88 м длиной и 0.06 длины волны на самой низкой частоте) со своим расположенным ниже аналогом (также 17) (желательно 4.72 м длиной и 0.59 длины волны на самой низкой частоте). Оплетка 84, сформированная щелевым (GAP) разделением в коаксиальном кабеле, внешней проводящей оплеткой 84, коаксиальным изолятором 10 совмещены с изолированным разделом 26. Заметьте, что оплетка 84 сразу выше GAP’а электрически подключается к алюминиевой трубке проводом 27 и коаксиальная оплетка 84 сразу ниже промежутка электрически подключается к смежной алюминиевой трубке ниже GAP’а проводом 28. Наконец, Рис. 8 показывает два витка коаксиального кабеля 83 (желательно 14.94 м физической длины и 21.95 м электрической длины с коэффициентом укорочения 0.68). В некоторых случаях, пять или больше витков может потребоваться для полной подгонки кабеля к верхней алюминиевой трубе 17. Желательно, чтобы общая длина коаксиала в пределах обеих трубок 17 была 19.81 м физической и 29.11 м электрической длины и длина коаксиала в пределах нижней трубки была 4.57 м физической и 6.71 м электрической длины с коэффициентом укорочения 0.68.
На Рис. 9 представлена альтернативная реализация многодиапазонной антенны с GAP излучением. Эта антенна построена для оптимальной работы на восьми основных любительских диапазонах 80,40,20,15,12,10, 6, и 2 метра с сопротивлением излучения 50 Ом. Она имеет 9.6 м высоты, весит 8 Кг и составлена из телескопической алюминиевой трубы 30 мм диаметром в верхней части, 33 мм - в центре и 36 мм в нижней секции. Центральный изолятор 26 является 40 см секцией ПХВ трубы, которая соединяет 33 мм трубу выше и ниже GAP’а. Рис. 8 показывает два щелевых проводника 27,28 из коаксиальной оплетки 83 с каждой стороны коаксиального изолятора 10, которые присоединены к алюминиевой трубе 17. Верхний настроечный стержень 14 установлен параллельно алюминиевой трубке 17 и закреплен на расстоянии 18 см от нее ПХВ стойками 18, которые, в свою очередь, прикреплены к алюминиевой трубке 17 фиксаторами из нержавеющей стали. Нижний конец верхнего настроечного стержня 14 электрически соединен проводом с алюминиевой трубкой 17 сразу ниже GAP, как показано на Рис. 5, 6, и 8. Применены два стержня нижней настройки 15. Дополнительный стержень настройки, не показанный на Рис. 5 и 6, обеспечивает работу на дополнительных диапазонах, то есть диапазон 12 метров не включен в Рис. 5 и 6. Длина двух стержней равна 1/2 * 3.83 м и 1/2 * 3.15 м. Имейте в виду, что расстояние этих стержней настройки 15 от алюминиевой трубы 17 не постоянно. Верхние 2.6 м каждого расположены в 18 см от алюминиевой трубы 17, используя идентичные стойки 18, как применено у стержня верхней настройки 14. Остальная нижняя часть этих стержней расположена в 8 см от алюминиевой трубки 17. Изменение в расстоянии - не обязательно. Оно пространственно концентрирует ВЧ обратную связь и расширяет ширину полосы частот на 12, 20, и 80 метровых диапазонах. Размер и позиция алюминиевых полых настроечных стержней 14 и 15 определяются электрическими и структурными соображениями. Очень близкое расстояние (менее чем 8 см) способствует образованию дуги, особенно когда антенна работает при сырой погоде или поблизости от соленой водной среды, а также делает труднореализуемым сохранение расстояния, когда мачта сгибается из-за сильных ветров. Дополнительные стойки 18 и/или удерживающие оттяжки 31 (рис. 10) требуются, чтобы устранить изгибание мачты. Обычно диаметр стержня, являющегося полым, ограничен 12 мм. Настроечные стержни служат многочисленным целям в антеннах с GAP излучением. Длина стержня нижней настройки 15 диктуется требованием сформировать полуволновую антенну на 20 метровом диапазоне, измеренную от верха антенны до низа настроечного стержня 15. Тот же настроечный стержень 15 обеспечивает отрицательную обратную связь (не фазную) по ВЧ на 80 и 40 метрах, увеличивая антенное сопротивление в GAP’е 7 до желаемых 50 Ом. Второе, нижний настраивающий стержень в антенне Рис. 9 формирует полуволновую антенну на 12 метровый диапазон, измеренную от верха антенны до низа настроечного стержня. Стержень верхней настройки 14 служит в качестве четверьволнового элемента на 10 метрах и фидера open sleeve для 15 метрового диапазона. Отношение диаметра мачты (большого) к диаметру стержня (небольшому) пропорционально изменению сопротивления в точке питания антенны. Расстояния в 18 см и 8 см между настроечными стержнями и мачтой были найдены эмпирически.
Электрически антенна способна излучить 1500 ватт мощности. Ширина полосы
частот по уровню КСВН 2:1:
80 метров >135 кГц (ширина диапазона 500 кГц); 40 метров >500 кГц (ширина диапазона 300 кГц); 20 метров >700 кГц (ширина диапазона 350 кГц); 15 метров >700 кГц (ширина диапазона 450 кГц); 12 метров >200 кГц (ширина диапазона 100 кГц); 10 метров >l мГц (ширина диапазона 1.8 мГц); 6 метров >2 мГц (ширина диапазона 4 мГц); 2 метра >2 мГц (ширина диапазона 4 мГц).
GAP антенна требует три (по крайней мере два) радиала по 7.62 м. Добавление количества радиалов не улучшает характеристики антенны. Потери в земле фактически устраняются, поскольку точка запитки GAP’а находится в 4.88 м над землей. Длина коаксиального кабеля выше GAPа – 14.33 м и завершается конденсатором 13, как прежде описано.
Рис. 10 показывает другую реализацию многодиапазонной антенны с GAP излучением. Эта антенна согласована для оптимальной работы (50 Ом) в четырех основных любительских диапазонах 160,80,40, и 20 метров. Ее высота – 13.72 м, весит она 15 Кг и состоит из телескопической алюминиевой трубы диаметром 35 мм в верхней, 39 мм в центральной и 51 мм в нижней части. Центральный изолятор 26 является 40 см дюймовой секцией из стекловолокна, которая вставляется в 39 мм алюминиевую трубу с любой стороны GAP’а 7. GAP 7 установлен в 8.84 м выше основания. 28.35 м коаксиального кабеля 83 складываются выше GAP’а 7 и заканчиваются конденсатором номиналом 5500 пФ. Электрические соединения GAP идентичны описанным на Рис. 5, 8, и 9.
1/2 x 4.88 м верхнего настроечного стержня 14 стержня установлены параллельно верхней секции 17 и укреплены на расстоянии 8 см от верхней части 17 ПВХ стойками 18 и высококачественными фиксаторами. Нижний конец верхнего настроечного стержня 14 электрически соединен с нижней трубкой 17, как описывалось прежде. Применены два стержня нижней настройки 15. Оба длиной 1/2 х 8.47 м. Более короткий стержень установлен параллельно нижней трубке 17 и закреплен 18 см стойками 18, установленными параллельно нижней трубке 17, закрепленной 50 см стойками 29. 2.59 м нижняя часть 32 более короткого стержня 15 установлена в 8 см от нижней трубки 17 и 1.65 м нижняя часть 34 более длинного стержня 15 также установлена в 8 см от нижней трубки 17. Столь короткое расстояние не обязательно, но расширяет ширину полосы частот антенны.
Электрически антенна способна излучить 1500 ватт мощности. Ширина полосы
частот по уровню КСВН 2:1:
160 метров >90 кГц (ширина диапазона 200 кГц); 80 метров >500 кГц (ширина диапазона 500 кГц); 40 метров >700 кГц (ширина диапазона 300 кГц); 20 метров >700 кГц (ширина диапазона 350 кГц).
GAP антенна использует три 17.37 м радиала. Добавление радиалов не улучшает эффективность антенны т.к. потери в плохой земле фактически устраняются, поскольку точка запитки GAP’а находится в 8.84 м над землей. Для того, чтобы эффективно использовать высоту антенны в 13.72 м, тогда как требуется высота в 20.12 м, должна быть применена емкостная нагрузка 0,78 м в диаметре. Для того, чтобы поддерживать вертикальность антенны при ветрах до 80 км/час, требуются два комплекта изолированных растяжек 31.
На Рис. 11 приведена еще одна реализация многодиапазонной GAP антенны. Эта антенна спроектирована для оптимальной работы (50 Ом) в шести любительских диапазонах 40, 20,17, 15, 12 и 10 метров. Она – 6.4 м высотой, весит 8 Кг и состоит из телескопической алюминиевой трубы 17 диаметром 28 мм в верхней, 32 мм в центральной и 35 мм в нижней части. Центральный изолятор 26 является 40 см секцией из ПВХ трубы, которая вставляется в 32 мм трубу (17) выше и ниже GAPа 7. Электрические соединения GAP идентичны описанным на Рис. 8 и 9.
1.65 м верхний настроечный стержень 14 установлен параллельно верхней секции 17 и укреплен на расстоянии 8 см от верхней части 17 ПВХ зазорами 18 и высококачественными фиксаторами. Нижний конец верхнего настроечного стержня 14 электрически соединен с нижней трубкой 17, как прежде описано. Применены четыре нижних настроечных стержня:
2.34 м х 12 мм; 2.72 м х 12 мм; 2.87 м х 12 мм; и 2.97 м х 12 мм.
Первые два расположены в 20 см от нижней трубки 17 и удерживаются на месте 2.13 м ПВХ стойками и фиксаторами из нержавеющей стали. Два последних стержня расположены в 20 см от нижней трубки 17 в 2.34 м. Оставшиеся нижние части длиной 0.53 м и 0.64 м расположены в 8 см от нижней трубки 17. Они прикреплены ПВХ стойками и высококачественными зажимами. Рациональность выбора малого зазора обсуждалась ранее. Четыре настроечных стержня 15, в порядке повышения длины, действуют на 10,12,15, и 17 м диапазонах, соответственно. Коаксиал 113 выше GAPа – 7.4 м, сложен как прежде описано, и завершается конденсатором номиналом 470 пФ. Нижняя алюминиевая труба, которая изолирована от земли, имеет три жестких радиала, то есть противовеса 40. Размеры стержней противовеса – 12 мм х 2.03 м. Противовес и вся вертикальная структура 17 дают возможность работать на 20 метровом диапазоне. Вся вертикальная структура 17 и противовесы 40 работают на диапазоне 40 м с дополнительной индуктивностью, созданной коаксиальным кабелем 113, сложенным выше GAP’а, как прежде описывалось.
Антенна способна работать при 1500 ватт подводимой мощности. Полоса пропускания по уровню КСВН 2:1:40 метров >300 кГц (ширина диапазона 300 кГц); 20 метров >500 кГц (ширина диапазона 350 кГц); 17 метров >300 кГц (ширина диапазона 100 кГц); 15 метров >500 кГц (ширина диапазона 450 кГц); 12 метров >300 кГц (ширина диапазона 100 кГц); 10 метров >500 кГц (ширина диапазона 1.9 мГц).
Таким образом, в многодиапазонной конфигурации GAP излучающая антенна обеспечивает чрезвычайные преимущества. Причем, обсуждавшиеся формы исполнения данных антенн являются всего лишь иллюстративными. Осуществимы многочисленные вариации в пределах описанного принципа их работы.