Антенна QUAGI для диапазона 50 МГц

    Впервые антенную систему, состоящую из двух излучателей предложил в далеком 1926 году С. Уда, а его коллега Х. Яги популяризовал ее.
На протяжении многих лет наибольшей популярностью среди радиолюбителей пользуются предложенные антенны известны под названием  YAGI, “антенны Уда-Яги”, “волновой канал” или “директорные антенны”. Эти антенны, относящиеся к классу антенн с осевым излучением, имеют наилучшее отношение усиления к массе и к тому же очень просты по конструкции.
Хотя коэффициент усиления любой антенны с осевым излучением определяется её длиной, в последнее время были предприняты многочисленные попытки усовершенствовать антенну “волновой канал” с целью увеличить её коэффициент усиления. 
На сегодняшний день типов, конструкций и даже их гибридов изобретено великое множество. Если сильно упростить ситуацию, задача состоит в том, чтобы выбрать оптимальный вариант: простую в изготовлении и настройке и с хорошими (достаточными для решения поставленной задачи) параметрами антенну.   Поскольку нам нужна антенна с хорошим усилением, квадраты, как оптимальное решение, отпадают: сложности возникают, начиная со второго директора, не говоря уже о большем. Антенна UDA -YAGI - удовлетворительное решение, но при большом числе элементов, а значит большой длине траверсы и веса,  длительной настройке, коэффициент усиления возрастает непропорционально затратам. 
Из усовершенствованных антенн “волновой канал”, пожалуй, наибольший интерес представляют антенны получившие название QUAGI. Название составлено из двух английских слов QUAD рамочная антенна “квадрат” и YAGI (QUAD+YAGI) и указывает на то, что антенна является гибридом антенны типа “квадрат” и типа “Яги”. Не многие знакомы с такой антенной.
В Интернете можно найти информацию об экспериментах с антенной QUAGI.
Антенны  QUAGI (QUAD+YAGI) дают хорошие результаты при минимуме трудностей и затрат [1]. 
QUAGI первоначально была разработана Wayne E Overbeck K6YNB new N6NB в 1972, при поддержке Wilson E Anderson, WB6RIV new AA6DD [2].

Из-за малого входного сопротивления активных элементов "волновых каналов" для их питания используют различные согласующие устройства. Настройка таких устройств в диапазоне УКВ без соответствующей измерительной аппаратуры обычно приводит к тому, что коэффициент направленного действия "волнового канала" оказывается существенно меньше расчетного. Теоретическое усиление 4-х элементной антенны YAGI 9 дБ [3]. 

При применении петлевых разрезных вибраторов имеются недостатки. Невозможность их простой перестройки в пределах диапазона и необходимость применения симметрирующих устройств при их питании коаксиальным кабелем.

От обеих антенн взято лучшее.  От квадратов: простота согласования, большое усиление, небольшой  вес, лучшее отношение излучения фронт/тыл, лучшее боковое подавление, меньшее количество QRN (статических),   лучший прием,  более низкий угол излучения, работает эффективно на более низкой высоте подвеса, широкая полоса пропускания. От YAGI: минимум материальных и временных затрат на директора, невысокая парусность. К недостаткам следует отнести недостаточную механическую прочность траверсы, если она изготовлена из  изоляционного материала.  

Радиолюбитель Wayne E Overbeck K6YNB (new N6NB) заменил в восьмиэлементном "волновом канале" УКВ диапазона рефлектор и активный элемент на рамки. Поскольку в этом случае входное сопротивление активной рамки близко к 50 Ом, то оказалось возможным питать антенну через кабель без согласующих устройств [2].

С чего у меня все началось. Первоначально это был простой двойной квадрат на 50 МГц. 
Не задумываясь, я решил превратить 2-х элементный QUAD в 4-х элементный QUAGI.
От “квадрата” взяты  активный элемент и рефлекторная рамка и добавлены директоры такие же, как и в антенне “волновой канал”. 

Внешний вид антенны показан на рис.1. Узел крепления вибратора к траверсе показан на рис.2.
Антенна изготовлена и установлена на мачте высотой 5 м. В непосредственной близости от антенны находится крыша, из кровельного железа, что влияет на работу антенны в некоторых направлениях, однако в худшем случае расстройка антенны не выходит за пределы допустимого. 

В таблице 1 приведены размеры элементов и расстояние между ними для четырех элементной QUAGI для диапазона 50,1 МГц. Расположение рамок углом вниз. 
По моей просьбе произвел расчет антенны с помощью программы EZNEC итальянский радиолюбитель Roberto Filippo IK1HGE [4] и без дополнительных подстроек сразу показала хорошие результаты.

Таблица 1
Элемент    Периметр и длина в мм    Расстояние в мм
Рефлектор    6320    Рефл-Вибр    1020
Вибратор    6104    Вибр-Дир1    750
Директор 1    2620    Вибр-Дир2    1190
Директор 2    2520        

Входное сопротивление антенны – 50 Ом. 
КСВ в полосе частот 50,000 – 50,300 МГц не превышает 1,2.
Теоретичное усиление антенны около 10,5 дБ. 
Длина траверсы 3,5 метра.

 Данная антенна интересна тем, что после изготовления и после транспортировки при выезде в поле не требует подстройки. 
Антенна не имеет дорогих и дефицитных материалов. 
Антенна изготавливается, собирается и устанавливается за один день. Высота установки может быть ниже, чем классической антенны YAGI.

Траверса антенны дюралюминиевая труба диаметром 30 мм от пришедших в негодность санитарных носилок. На траверсе делаются отметки мест установки элементов антенны, так как при транспортировке антенна разбирается. 
Элементы квадратов выполнены из многожильного провода диаметром 1,5 – 2,0 мм в ПХВ изоляции. При применении другого провода длина должна быть скорректирована. 
Распорки рамок сделаны из пластиковых труб. 

Элементы директоров изготовлены из лыжных палок. Материал дюралюминий марки Д16Т, диаметром 16 мм. В месте соединения скреплены саморезами по металлу. 
Трубки диаметром 16 мм  выбраны по соображениям  механической прочности, так и для получения достаточной широкополосности. 
Если использовать металлический дюралюминиевый бум, элементы директоров должны быть установлены на изоляторах выше или ниже бума, не вставленные через металлический бум. Много разработчиков рекомендуют  устанавливать директоры на верху дюралюминиевого бума. 
Директора крепятся к траверсе через изолирующую стеклотекстолитовую пластину толщиной 10 мм с помощью U-образных шпилек.     
Директора могут набираться из труб различной длины и  диаметра. Самого длинного и большего диаметра к траверсе и самый короткий и тонкий на внешней стороне директора. 
При сборке антенны устанавливайте самый длинный директор ближе к вибратору.
Если элементы проходят через металлический бум, даже с изоляционными вставками, длина элементов должна корректироваться экспериментально.

При выборе материалов учитывается устойчивость материала к влаге и солнечному ультрафиолету. Применение других материалов вряд ли стоит затраченных усилий.   

Вибратор имеет коаксиальный разъем SO-239 в нижнем угле элемента и питается непосредственно  коаксиальным кабелем 50 Ом. Опробован вариант присоединения с помощью опрессованных и пропаянных наконечников, что делает простоту и аккуратность соединения. Коаксиальный кабель присоединяют к активной рамке (вибратору) без симметрирующего устройства. 
Если питание вибратора расположенного углом вниз, в нем диаграмму направленности формируют горизонтальные составляющие токов, протекающие во всех четырех сторонах рамки, а поля от вертикальных составляющих компенсируются. Антенна имеет горизонтальную поляризацию. Перенося точку питания вибратора антенны в любой боковой угол, то поляризация вертикальная, при этом разверните директора вертикально.  
Коаксиальный кабель прокладывается вдоль бума или ниже и затем вниз по мачте перпендикулярно к элементам, чтобы избегать проблем взаимодействия.
При повторении предложенной конструкции антенны ее устойчивость к ветровым нагрузкам достаточно высокая. 

Предложенный вариант выполнения не является строгим, выбор был определен доступностью материалов у автора. У радиолюбителя в хозяйстве все это или подобное, как правило, есть. 

После изготовления антенны QUAGI, была снята диаграмма направленности антенны. В диаграмме передний лепесток имел еще дополнительный лепесток. Которого не удавалось избавиться при настройке антенны. На что ушло значительное время. Хотя основной имел достаточно хороший вид. Решилась проблема очень легко. Опустив антенну GP для диапазона 50 МГц, стоявшую на небольшом расстоянии, которая переизлучала сигнал на 50 МГц, вызывая появление дополнительного лепестка. После этого диаграмма антенны сразу приобрела нужный вид. Были выставлены все первоначальные установки антенны QUAGI. 
После изготовления, при соблюдении размеров, не понадобилось ее настраивать. Что делает антенну легко выполнимой, не требующей соответствующих приборов и оборудования для настройки. Антенна может быть построена радиолюбителем средней квалификации. 
Антенна QUAGI достаточно широкополосная, не требует тонкой настройки, ни бережного обращения. После многих транспортировок элементы были отрихтованы без ущерба для усиления и КСВ. Эта антенна сохраняет работоспособность уже много лет.

Эта антенна позволила провести множество дальних (DX) радиосвязей. К примеру, после снятия запрета на любительскую радиосвязь в Китае в 1992 году, значительно повысилась активность в эфире китайских радиолюбителей. Если до этого Китай с населением более 1,3 млрд. почти не был представлен в радиолюбительском эфире, то теперь проводить радиосвязи с китайскими радиолюбителями стало обычным делом. Пользуясь этой антенной и трансивером FT-950,  я смог установить на 50 МГц много связей с Китаем, Японией, станциями Африки, США, и другими DX. 

В качестве обзорной антенны для диапазона 50 МГц на радиостанции используется ?? Ground Plane (GP) с тремя противовесами. За основу взята антенна штырь с 3-мя противовесами от радиостанции «Лен». Перестроенной на диапазон 50 МГц. 
Если на QUAGI DX корреспонденты слышны хорошо, то на антенну ?? (Лямбда) GP только европейские станции. 
Проведено много радиосвязей всеми видами излучения. Телеграфом, микрофоном, цифровыми видами. Используя все виды прохождения, в том числе отражения от метеорных следов и в сезон используя трансэкваториальное прохождение (ТЭП). Англ. transequatorial propagation (TEP).
Лучшее время QSO, за несколько часов после заката ( для QSO Европа-Африка 17-19 UTC, для Америки 00-02 UTC, для Японии-Австралии 10-12 UTC).
Для метеорного и ионосферного рассеивания в диапазоне 6 метров разработан вид цифровой связи JT6M. Основная масса радиолюбителей еще использует JT6M. Следует отметить, что сейчас радиолюбители используют цифровые виды радиосвязи, разработанные в последнее время, такие как ISCAT и PSK2K.
При сравнении работы антенны 4-е элемента QUAGI с антенной 4-е элемента YAGI, следует отметить, что во время работы через отражения от метеорных следов во время метеорного потока Персеиды 2011 года на антенну QUAGI заметно лучше и продолжительнее принимались отражения (бурсты) от метеорных следов. Эксперименты проводились с Виктором Кожечкеным UT9LC при равнозначных трансиверах, одинаковых длинах траверс антенн и использовании для декодирования одинаковых программ WSJT Version 7.07 r2031 , by K1JT [5]. 

Антенна легко выполнима для диапазонов 144 и 432 МГц при соответствующем изменении размеров [2].
Размеры антенны 8 элемент QUAGI на 2-х  метровый и 70-ти сантиметровый диапазоны приведены в таблице 2.
Таблица 2
Элемент    Периметр и длина в мм    Расстояние в мм    мм / 100 кГц шаг
    145,5 МГц    432 МГц    145,5 МГц    432 МГц    145,5 МГц
Рефлектор    2200    711    Рефл-Вибр    533    178     0,164  Вибратор    2083 
676
Вибр-Д1    400    133     0,204  Директор 1 (Д1)    912,8125 
298,5
Д1-Д2    838    279     0,00635  Д2    908,05 
297
Д2-Д3    455    149    
Д3    903,2875 
295,5
Д3-Д4    663    222    
Д4    898,525 
293,5
Д4-Д5    663    222    
Д5    893,7625 
292
Д5-Д6    663    222    
Д6    889 
290,5
            

Несущая траверса имеет длину 145,5 МГц – 420 см и 432 МГц – 140 см. Изготовлена из деревянного, лучше соснового, пропитанного олифой бруска сечением для 145,5 МГц – 2,5 x 8 см, для 432 МГц – 1,2 x 5 см. При применении пластиковых сантехнических труб потребуются растяжки. Для облегчения конструкции высоту деревянного бруска можно уменьшить к концам антенны. 
Выходное сопротивление антенны QUAGI 2-х  метрового и 70-ти сантиметрового диапазона 50 Ом. Коаксиальный кабель присоединяют к активной рамке без симметрирующего устройства в середине её нижней стороны. Как отмечает K6YNB (new N6NB), применение в такой антенне симметрирующего устройства не даёт заметного эффекта. Кроме того, нередко на практике дополнительные потери в симметрирующем устройстве оказываются выше, чем выигрыш от симметрирования питающей линии. 
Коэффициент усиления для антенны типа QUAGI, — 12 дБ для 8-элементной антенны и 16 дБ для 15-элементной антенны [2].
Пропорционально увеличив все размеры антенны для диапазона 50 МГц приблизительно в 1,76 раза, можно построить неплохую антенну для работы в 10-метровом любительском диапазоне. Для нее понадобится бум длинной 6 метров.
Приятного вам отдыха у трансивера с новой антенной QUAGI.

Ссылки
1. http://commfaculty.fullerton.edu/woverbeck/n6nb.htm
2. "QST" (США), 1977 N4
3. QST 1998 г. №5
4. http://www.ik1hge.com
5. http://physics.princeton.edu/pulsar/K1JT/wsjt.html
6. http://www.g0ksc.co.uk/