Диапазон 144-146 МГц прощает радиолюбителю многое, но только не длину рамки. Двойной квадрат умеет превращать пять ватт носимой станции в уверенный сигнал на приличном удалении, однако обещание выполняется при одном условии: периметр вибратора должен попасть в резонанс с точностью до миллиметра. Дальше разобрана реальная подгонка размеров для любительской связи, от стартового расчёта по длине волны до финальной подрезки шлейфа и настройки рефлектора. Числовой пример пересчитывается под свою частоту за десять минут, порядок настройки повторяется за один вечер.
Устройство антенны и работа каждой из двух рамок
В основе конструкции лежат два квадратных витка на общей траверсе. Передний виток работает излучателем, к нему подводится фидер. Задний служит рефлектором: он ни к чему не подключается и возвращает энергию вперёд, как зеркало. Периметр излучателя близок к длине волны, поэтому на два метра каждая рамка умещается в скромные полметра стороны.
Пара рамок даёт усиление 6-7 дБ по сравнению с диполем, а сигналы из заднего направления ослабляет до 20 дБ. В переводе на разы главный лепесток усиливает сигнал вчетверо-впятеро, а помехи сзади давит в сто раз. Поляризацию задаёт точка питания. Фидер в середине горизонтальной стороны даёт горизонтальную поляризацию, перенос питания на вертикальную сторону поворачивает её на девяносто градусов. Такой поворот помогает развязаться от чужих станций: два корреспондента с разной поляризацией слышат друг друга заметно хуже, чем пары с одинаковой.
Ориентиром служат паспортные данные серийных рамок. Лёгкая носимая модель Q2-2m для диапазона 144-146 МГц заявлена с усилением 4,6 dBi, КСВ не выше 1,5 по всему диапазону, импедансом 50 Ом, секторами излучения 82° в E-плоскости и 108° в H-плоскости и подавлением назад 20 дБ. Медь в излучателях, масса 0,57 кг и габариты 550×550×420 мм показывают, насколько компактной бывает рамка на два метра. Аккуратный самодельный двойной квадрат держится тех же цифр, а по усилению нередко их перекрывает: расчёт ведётся под конкретную частоту.
Стартовые размеры рамок от длины волны до миллиметров на бумаге
Вся геометрия выводится из длины волны. Формула знакома каждому: λ = 300/f, частота подставляется в мегагерцах, результат выходит в метрах. Для середины любительского участка 144,3 МГц получается 2,079 м. Дальше вступает коэффициент укорочения. У замкнутого витка нет свободных концов, зато углы квадрата и толстый провод добавляют ёмкости, и резонанс наступает при периметре чуть короче волны. Для провода диаметром 1,5-3 мм поправка близка к 2%, поэтому периметр берут равным 0,98λ. Сторона квадрата выходит делением периметра на четыре и на практике оправдывает классическую прикидку, что сторона чуть меньше четверти волны.
Рефлектор делают длиннее излучателя на 2-5%, чаще всего на 3%. Удлинение превращает пассивный виток в индуктивное зеркало: переизлучённая им волна складывается с прямой впереди и вычитается сзади. Расстояние между рамками выбирают в пределах 0,13-0,2λ. Близкие рамки снижают входное сопротивление, дальние поднимают усиление лишь до определённого предела. Для двухэлементного квадрата разумный старт 0,15-0,17λ, на два метра это 310-355 мм.
Теперь масштаб чувствительности, и он отрезвляет. Резонансная частота обратно пропорциональна периметру, значит укорочение каждой стороны всего на 1 мм, то есть минус 4 мм периметра, сдвигает резонанс вверх примерно на 0,28 МГц. Один миллиметр на бумаге оборачивается почти тремя сотнями килогерц в эфире. По этой причине разметку ведут линейкой с миллиметровыми делениями, а каждую гнутую или паяную деталь проверяют повторным промером.
Толстые элементы из трубки диаметром 6-10 мм укорачиваются сильнее, коэффициент падает до 0,96-0,97, и стартовую сторону уменьшают соответственно. Зато широкополосность растёт. Рамка из толстого провода при точных размерах способна удерживать КСВ не выше 2 по всему участку 144-146 МГц без единой подстройки, что для тонкого провода уже недостижимо.
Готовый числовой пример расчёта для середины любительского диапазона
Ниже приведён полный расчёт для 144,3 МГц и медного провода диаметром 3 мм. Числа округлены до практических величин.
Первым шагом считают длину волны. λ = 300/144,3 = 2,079 м, или 2079 мм. Вторым шагом определяют периметр вибратора. Он равен 2079 × 0,98 = 2037 мм, сторона квадрата 2037/4 = 509 мм. Третьим шагом рассчитывают рефлектор. Его сторона 509 × 1,03 = 524 мм, периметр 2096 мм. Четвёртым шагом назначают расстояние между рамками. При 0,17λ траверса между центрами квадратов составит 2079 × 0,17 = 354 мм. Если нужно опустить входное сопротивление, расстояние сокращают до 0,15λ, это 312 мм.
Пятым шагом становится согласование. Одиночная полноволновая рамка показывает входное сопротивление порядка 100-120 Ом, и в паре с рефлектором оно остаётся выше 50-омного кабеля. Между рамкой и фидером ставят четвертьволновый трансформатор, волновое сопротивление которого равно корню квадратному из произведения согласуемых величин: √(100 × 50) = 70,7 Ом. Готового 70-омного кабеля в продаже почти не бывает, поэтому берут 75-омный. Такой трансформатор отдаёт 75 × 75/100 = 56,25 Ом, а КСВ в 50-омной линии выходит 56,25/50 = 1,13. Запас скромный, но рабочий, и после подгонки расстояния он обычно улучшается.
Шестым шагом добавляют симметрию питания. Рамке полезен полуволновой повторитель из кабеля, он развязывает симметричный виток от несимметричной оплётки. В кабеле с полиэтиленовой изоляцией коэффициент укорочения равен 0,66, длина отрезка составит 2079/2 × 0,66 = 686 мм. Каждый результат проверяют измерением: периметр рулеткой, трансформатор по минимуму КСВ на рабочей частоте, длину повторителя по генератору или антенным анализатором.
Для контроля годится и край диапазона. Та же геометрия на 145,5 МГц даёт λ = 2,062 м, сторону 505 мм и повторитель 681 мм. Разница с центром всего в несколько миллиметров, поэтому рамка, рассчитанная на середину, без переделки проходит весь участок.
Материалы и узлы согласования, без которых рамка не покажет расчётных цифр
Рамки делают из медного провода или трубки диаметром 1-10 мм. Тонкий провод легче гнуть и крепить, толстый выигрывает в полосе и меньше боится окислов. Траверса только диэлектрическая: сухая рейка, стеклотекстолит, труба ПВХ. Металлическая траверса вносит собственные наводки, сдвигает резонанс и портит диаграмму, поэтому экономить на ней не стоит. Крепят витки пластиковыми стойками или хомутами, а каждое соединение пропаивают: окисленный контакт на 144 МГц превращается в маленькую печку и съедает часть мощности.
Из согласующих узлов базовыми считаются три. Четвертьволновый трансформатор из 75-омного кабеля согласует рамку с 50-омным фидером, его длина на два метра равна четверти волны с коэффициентом 0,66, то есть 2079/4 × 0,66 = 343 мм. Дроссель на выходе трансформатора подавляет токи по оплётке: достаточно 5-7 витков того же кабеля на оправке диаметром 25-30 мм. Полуволновой повторитель достраивает симметрию при прямом питании витка.
Трансформатор подгоняют по месту, отрезая конец по 2-3 мм и глядя на минимум КСВ: заводская длина почти никогда не совпадает с реальной рамкой идеально. Настроенный узел защищают от влаги: вода в оплётке меняет коэффициент укорочения и уводит согласование в сторону.
Про напряжения стоит знать заранее. При 50 Вт в 50-омной линии действующее напряжение прямой волны составляет √(50 × 50) = 50 В. При КСВ 3 в пучностях оно подрастает до 75 В, и на эти величины должны быть рассчитаны и трансформатор, и разъёмы. При 5 Вт картина скромнее: 15,8 В в линии и 23,7 В в пучностях, но длительная работа на рассогласованную нагрузку и здесь неприятна. Современные станции при сильном рассогласовании сбрасывают мощность защитой, а без неё выходной каскад может выйти из строя. Поэтому настройку всегда ведут на малой мощности.
Порядок ловли резонанса от первого включения до стабильного КСВ
Перед настройкой антенну поднимают на рабочую высоту, не ниже двух-трёх метров: близкий грунт тянет резонанс вниз и искажает всю картину. Из приборов достаточно КСВ-метра проходного типа и маломощного передатчика. Половины ватта в режиме пониженной мощности многим КСВ-метрам хватает с запасом, а выходному каскаду при такой работе ничто не угрожает.
Дальше работает проверенный порядок действий:
- Снимают КСВ по всему участку 144-146 МГц с шагом 100-200 кГц, записывают минимальное значение и частоту, на которой оно получилось;
- Сравнивают частоту минимума с целевой 144,3 МГц, смещение вниз говорит об излишней длине рамки, смещение вверх о её нехватке;
- Подрезают или наращивают шлейф питания, а если его нет, меняют стороны на 1-2 мм, помня о чувствительности почти 300 кГц на каждый миллиметр стороны;
- Повторяют промер и убеждаются, что минимум встал на целевую частоту, а его величина не превышает 1,5;
- Настраивают рефлектор по максимуму сигнала контрольного генератора или корреспондента, размещённого не ближе одной длины волны от антенны, подстраивая его шлейф или перемычку;
- Проверяют резонанс вибратора ещё раз, потому что манипуляции с рефлектором уводят его на 100-200 кГц, и делают финальную подгонку.
Такой цикл редко занимает больше часа. Нередко первая сборка даёт минимум КСВ на 141,8 МГц, и настройщик недоумевает, откуда взялись лишние сантиметры. Ответ почти всегда один: запас "на всякий случай", заложенный при гибке. Рамка не прощает перестраховки, зато честно отвечает на каждый срезанный миллиметр.
Подгонка расстояния между рамками и согласование сопротивления с кабелем
Резонанс лишь половина дела. Вторая половина это сопротивление на входе. Одиночная рамка показывает 100-120 Ом, а в паре с рефлектором на расстоянии 0,15-0,2λ вход проседает к 60-90 Ом. Правило из практики рамочных систем простое: сопротивление выше целевого, рамки сближают, ниже целевого, раздвигают. Причина в усилении взаимной связи: чем ближе зеркало, тем сильнее оно давит на вход вибратора.
Каждое изменение расстояния сдвигает резонанс, поэтому цикл повторяют: резонанс вибратора, настройка рефлектора, измерение сопротивления. Обычно хватает двух-трёх подходов, и антенна садится сразу в обе точки. Если при измерении мостом стрелка не доходит до нуля баланса, в тракте сидит реактивность. Индуктивную компенсируют укорочением симметрирующего мостика ниже четверти волны, ёмкостную удлинением, а мелкий остаток подбирают положением перемычки.
Здесь уместен вопрос: зачем возиться с сопротивлением, если КСВ-метр и так показывает единицу? Ответ отрезвляющий. КСВ-метр контролирует согласование, но не эффективность. Антенна с большими потерями в окисленных контактах или в мокром согласующем узле покажет красивую единицу и при этом превратится в согласованную нагрузку, греющую кабель вместо излучения. Показания прибора сверяют с уровнем сигнала в эфире, а не заменяют им всю настройку.
Проверка в эфире и ошибки, которые срывают настройку
Фидер умеет прятать проблемы, и об этом забывают чаще всего. Кабель RG-58 на 145 МГц теряет около 0,24 дБ на метр, RG-213 около 0,09 дБ на метр. Пятнадцатиметровый сниж из тонкого кабеля съедает 3,6 дБ, и до антенны доходит лишь 44% мощности передатчика. Толстый кабель оставляет 73%. Разница между этими цифрами отделяет слышимого корреспондента от пропадающего.
Потери работают и как маскировка. Волна затухает по пути к антенне и обратно, поэтому длинный кабель улучшает показания КСВ у трансивера: прибор видит благополучную единицу там, где у самой антенны стоит тройка. Измерения ведут коротким отрезком либо вносят поправку на затухание, иначе настройка подгоняется под иллюзию.
Высота установки для горизонтальной поляризации значима не меньше длины рамки. Ниже метра главный лепесток задирается вверх и дальность падает, на 4-6 метрах излучение прижимается к горизонту, где и живут корреспонденты. Вертикальная поляризация к высоте менее чувствительна, зато сильнее страдает от препятствий по трассе.
Типичных промахов немного, каждый стоит минуты проверки. Тонкий провод сужает полосу, и край диапазона уходит из-под контроля. Забытый дроссель запускает токи по оплётке, и фидер начинает излучать сам. Питание в углу рамки смешивает поляризации. Настройка у земли даёт красивые цифры, которые рассыпаются после подъёма на мачту. Наконец, не зафиксированные узлы: антенна, настроенная на весу, после первого ветра уезжает со своих резонансных миллиметров.
Настоящая подгонка рамки напоминает ювелирную работу. Сначала грубый расчёт, потом точный промер, потом терпеливые итерации у мачты. Каждый вложенный миллиметр возвращается сторицей: вчерашний корреспондент, читавшийся через слово, вдруг начинает читаться как сосед по кварталу. Ради таких мгновений и берут в руки линейку и паяльник.