F - антенна для 160 метрового диапазона

[UR5FIL]

Идея фикс с F-антенной на 160 метров появилась после успешного испытания L-антенны на 160 м в кубке Гагарина.

 

Использование для телеметрии, ракет, управления компьютерными мышками... где-то промелькнула и застряла "в дурной голове", (как в таких случаях приговаривала моя бабушка) ))).

 

 

 

Evolution and history

 

A: quarter-wave monopole, B: intermediate-fed quarter-wave monopole, C: inverted-L antenna, D: inverted-F antenna

 

The inverted-F antenna is an evolution of the basic quarter-wave monopole antenna. The wire F-type antenna was invented in the 1940s.[1] In this antenna the feed is connected to an intermediate point along the length of the antenna instead of to the base. The base is connected to ground. The advantage of doing this is that the input impedance of the antenna is dependent on the distance of the feed point from the grounded end. The portion of the antenna between the feedpoint and the ground plane is essentially behaving as a short-circuit stub. Thus, the designer can match the antenna to the system impedance by setting the position of the feed point (RF systems commonly have a system impedance of 50 Ω whereas a λ/4 monopole has an impedance of 36.5 Ω).[2]

 

The inverted-L antenna is a monopole antenna bent over to run parallel to the ground plane. It has the advantage of compactness and a shorter length than the λ/4 monopole, but the disadvantage of a very low impedance, typically just a few ohms. The inverted-F antenna combines the advantages of both these antennae; it has the compactness of the inverted-L and the impedance matching capability of the F-type.[3]

 

The inverted-F antenna was first proposed in 1958 by the group at Harvard led by Ronold W. P. King.[4] King's antenna was in wire form and was intended for use in missiles for telemetry.[5]

 

 

 

 

Основная идея.

 

L-антенна:

 

 

 

F-антенна:

 

 

 

Слева от Г-образного элемента L-антенны добавляется шунт (индуктивность), который превращает L-антенну "в половину петлевого вибратора".

 

Волновое сопротивление L-антенны на 160 низкое. Превращая ее в F-антенну, мы поднимаем сопротивление до 50 Ом, снимая проблему согласования с 50 Омным выходом трансивера, который в этом случае не "выпендривается" ))), увидев "не то" сопротивление.

 

Почему бы не попробовать?

 

Сказано - сделано.

 

После кубка достал "непригодившийся" радиал 40 метров из сдвоенной полевки, который не поместился на дачном участке. Предназначался для дополнительного симметричного подключения к единственному радиалу L, в противоположную от него сторону. Тем самым можно было уменьшить потери в земле и несколько улучшить работу L-антенны. Теперь ему предстояло сыграть иную роль.

 

L-ка была у меня сделана из сдвоенного полевика, (не расплетал). Четыре тонюсеньких медных и три стальных проводочка в каждом. На концах эльки, (там, где пучность напряжения), даже не соединял их вместе. Спаивал их только в точке подключения к кабелю. В ушко изолятора сдвоенный полевик едва просовывался. Так что и крепить излишки провода на концах нужды не было. Обвивал метр-два в обратном направлении. Максимум - изолентой. Конструкция "выходного дня".

 

Итак, этому радиалу теперь выпала иная судьба "стать индуктивностью" ))) Или шунтом.

 

Соединив один конец шунта внизу с вертикальным проводом L-ки и обвивая вокруг него, пустил его снизу вверх. Вертикальная часть L-ки -12 метров, под наклоном, от забора до вершины 16 метровой алюминиевой телескопической мачты в центое участка. Поднимаясь вверх, далее от вершины провод шунта идет горизонтально влево, 6 метров, спускается вниз, до высоты 3-х метров, и горизонтально возвращается назад, к точке подключения радиала. Получается вертикальная рамка, периметром 40 метров, расположенная справа от проводов L-ки.

 

От вершины вправо - 28 метров горизонтальная часть F-антенны ( классическая перевернутач L-ка Inverted-L, или, по нашему, Г-образная антенна), которая располагается над единственным радиалом и уходит к его дальнему концу. Внизу получается разомкнутый треугольник. Другого выхода нет. Второй мачты нет. Деревьев высоких тоже нет. Поэтому все что есть - это заброшенный соседский участок, куда на высоте 1 метр над забором протянут единственный радиал и горизонтальная часть эльки. Получилось вот-так:

 

 

Питание - через симметрирующий трансформатор 1:1 конструкции US6UZ (Андрей Иванович, спасибо!)

 

Параметры эльки до модификации:

 

 

 

Save пока..T0 be continued )))

 

Параметры "модифицированной эльки", или F-антенны:

 

 

 

Вот так это выглядит:

 

(справа - горизонтальная часть L, слева от нее - шунт F-антенны. Под углом ~ 45 град вниз, от мачты на забор, уходит вертикальная часть F-антенны)

 

 

Нижняя часть F-антенны (вправо уходит единственный радиал, влево - нижняя часть шунта)

 

 

Шунт (в виде рамки периметром 40 метров):

 

 

Нижний дальний угол, где горизонтальная часть эльки приземляется к дальнему концу радиала на соседском участке:

 

 

Точка питания эльки, (1 метр ферритовых колец нанизанных на кабель 75 Ом, тот что был под рукой))):

 

 

Статьи и картинки из интернет, которые как мне показалось наиболее доходчиво описывают принцип работы F-антенны:

 

 

Antennas_ The Inverted-F Antenna (IFA).pdf

 

PIFA_Planar_Inverted_F_Antenna.pdf

 

Dual band:

 

 

Диаграмма направленности:

 

 

Расчеты:

 

 

Matching ( The "Hairpin" Match):

 

HairpinArticleFix.pdf

 

Ну, или в переводе "Hairpin" - шпилька для волос ))) - частичное применение принципа работы F-антенны:

 

 

PS С телефона пишу. Поэтому сорри за стилистику и опечатки. Попробуй еще попади по клавишам )))

 

PPS радиал - читай "противовес". Поднятый над землей на 3 метра четвертьволновый радиал. Основная цель - исключить любой контакт антенны с землей. Для исключения "утечки на землю" через коаксиальный кабель (подавления common modes current) использовались ферритовые кольца, надетые на кабель - 1 метр. Радиал изолирован от земли. Никаких заземлений ни трансивера, ни кабеля, ни антенны не использовалось.

[UR5FIL]

...... 

[UR5FIL]

Сегодня нашел прародительницу своей F-антенны. )))

 

Hentenna.

 

 "Hen" means "strange" in Japanese.

 

The Hentenna was developed by Japanese 6 Meter Hams, JE1DEU / JH1FCZ/ JH1YST in the 1970's and can be designed and built for hf thru uhf and possibly beyond!

 

Сравнил со своей. Размеры - половина от Хентены. Приблизительно то же самое, что четвертьволновой штырь - половина диполя. Или слот-антенна и half-слот. Теперь понятно, почему японцам показалось "странным" поведение антенны.

 

В оригинале - она стоит на короткой стороне, лямбда на два - вертикальная сторона. Поляризация - горизонтальная.

 

У меня - наоборот. Антенна лежит на длинной стороне, (один радиал на 160 метров. Короткая сторона (L/12) = 13 метров -  вертикально. И поляризация - вертикальная.

 

Да. Вот как бывает. Размеры моей F-антенны на 160 получились случайно. Из того материала и условий, что были. Были два радиала по 40 метров, была мачта 16.5 метров, и L-антенна на 160, где горизонтальная часть,  (по совету америкацев), располагалась над единственным радиалом. (второй лежал в запасе). В попытках улучшить антенну и наткнувшись на F-антенну в гугл, нашел упоминание, что F-антенна - это половина слота (полуволнового слота). Так и родилась идея попробовать видоизменить L-антенну в F.

 

 

 Размеры Хентены:

 

 

 

PS Ccылки

 

1. THE HENTENNA RE-VISITED "The following article has been re-edited for the English language

from the Japanese site.

2. Рамочная Hentenna с примером расчета на 50 МГц от JE1DEU/JH1FCZ/JH1YST

3. Una strana antenna

[UR5FIL]

Дальнейшие поиски привели уже к моему варианту, Forktenna, "антенна-вилка" )))

 

"Я помню чудное мгновение..."

 

The Forktenna is a very unique design. It is essentially a half sized Hentenna, and I saw reference to it in the Hentenna article on page 11, ch 12 of The ARRL's Simple and Fun Antennas by K8CH and N6BV.

 

 

Осталось перенести точку запитки моего вертикала (F на 160м) снизу в центр вертикального элемента 13 метров и все. Получим Форкантенну. Антенну-шпильку. Или антенну-вилку )))

 

Что у нас еще есть на F?

 

Gorch Fock.  Нажимаешь поиск - и множество красивых картинок.

 

Радиорубка Gorch Fock. (бывший "Товарищ"). Видно буквы позывных UUVA. Слева внизу телеграфный аппарат РТА-7Б, над ним КВ приемник Циклоида, в углу - факс, для приема карт погоды, Иней. Прямо на нас смотрит аварийный комплекс Сирена (500 кГц и средние волны, вверху - передатчик, внизу темносиний - приемник), справа вверху, открыто - согласующее устройство средневолнового передатчика Муссон (UT5RP до сих пор от него продает электромагнитные муфты - переключатель антенна - земля (видно на фото в самом верху СУ - стеклянные стойки коричневых изоляторов и посеребрянные контакты переключателя.) Электронный ключ Морзе ЭКМ-4 на столе. Слева от него видно вертикальный ключ Морзе, черненький, в коробочке, от Сирены. Все компактно. На паруснике места нет.

 

73!

 

UR5FIL

 

PS Интересно, что "mm" можно сразу в "метры" переводить для диапазона 1.8 мГц. 

 

 

1. Design of Dual-Frequency Antenna by Applying Rectangular Loop Antenna

2. Hentenna. ДН

3. Hentenna-QRP

 

[UR5FIL]

Пока не поломался мой AA-35, при первой опытной установке F-антенны на 160, успел сделать несколько снимков - а как работает F-160 на других диапазонах. К сожалению, проверял в попыхах, поэтому точно не могу сказать в какой стадии модификации находилась антенна.

 

Помню были две проверки. Как она работает на 21 Мгц. И как работает рамка, если отсоединить единственный радиал (противовес 40 метров). Насчет отдельно рамки (без противовеса) ничего хорошего сказать не могу. В какой либо любительский диапазон она "автоматически" не попала ))) А измерения на 21 +/- 5000 кГц показали такую картину:

 

 

Похоже здесь есть "поле для творчества" ))). Меня интересовал диапазон 21 мГц. Ближайшие точки к нему получились:

 

 

 

 

 

Пробовал видоизменять рамку (из прямоугольной более менее - в треугольную), но первый результат не понравился, (по моему - возросло сопротивление до 65 или более Ом), и сразу вернул на место.

 

Хотя вариант с рамкой (shape), наверное наиболее перспективный.

 

К примеру - здесь.

 

 

Можно добавлять вторую и вращать диаграмму, как пишет автор и т.д.

 

 

[UR5FIL]

Журнал "73", который когда-то попался мне на глаза в аэропорту, в далеком 1996 и кочевал со мной долгое время, пока не осел на столе коллективки  UR4FXO, 16 этажки рядом со мной (бывший ЗАГС). Запомнилась эта обложка . 

 

 

Вот где я ее видел! ))) Hentenna (на стр 15).

 

Еще один интересный материал здесь.  Журнал Amateur Radio, Australia, June 1986. Тут уже появляется Хентена "со шляпой" ))) (page 4) 

И на 21. O!!!

[UR5FIL]

АА-35 прокатился в Киев и обратно и аккурат в 15:00 перед WPX прибыл на Новую почту в Черноморск. Скрытый дефект разьема. И вот он снова в бою ))) 

 

Быстро поставил мачту на 160.

 

Первую ночь работаю в WPX на INV-L. 45 QSO.

 

На следующий день переделываю INV-L в INV-F. Вторую и третью ночь работаю на INV-F. Всего 188 QSO.

 

Рамку (a-ля "прямоугольная трапеция") в INV-F заменил на равносторонний треугольник. Периметр - 40м. (на идею треугольника натолкнула статья DL2KQ - "Заземленный GP на 80 м")

 

Пробовал также добавить второй противовес, в противоположную сторону от первого - эфир "зарычал". Ему пришлось пересекать дорогу, проходя под проводами. Похоже потянул от них всю грязь. Сразу же отключил. Это снизило рычание. Но пока полностью не демонтировал, эфир не вернулся к своему приятному ш-ш-ш... )))))

 

Еще одна модификация - верхнее горизонтальное плечо размещено параллельно с нижним (раньше они сходились на одной стороне участка как у "разомкнутого треугольника"). Теперь на разных сторонах. Характеристики при этом улучшились и антенна стала больше напоминать классическую F.

 

Характеристики INV-F в WPX:

 

 

 

Inv-L:

 

 

 

Разницы особой не ощутил.

 

По RBN картина выглядела так:

 

DX = UR5FIL spots - Reverse Beacon Network.pdf

 

 

Да, еще удлинил на 2 метра вертикальное плечо INV-F, c 12 до 14 метров. (Был запас до верхушки мачты). Теперь это выглядит вот так:

 

[UR5FIL]

Как ни старался, опять получился Windom (US патент) )))

 

 

 

Думаю теперь, как лучше его приспособить для своих целей )))

 

Что меня интересует пока- диапазон 21 и 28 мГц.

 

При повторном воссоздании антенны-F получились следующие характеристики:

 

 

 

В первом варианте F характеристики были следующие:

 

 

с

По картинке видно, что частота сдвинулась от F1 (18885 кГц) - первый вариант антенны, к F2 (20220 кГц) - второй вариант антенны.

 

Что повлияло на сдвиг частоты? 

 

Удлинение вертикальной части с 12м на 14м?

 

Удлинение концов на 1 метр и понижение частоты до 1817 кГц? 

 

...?

 

Что изменить в конструкции, чтобы попасть в 21000 кГц? При этом оставаясь на основной частоте 1817 кГц, с теми же характеристиками (50 Ом, КСВ=1).

 

Характеристики в первом варианте для 21 и 28 были:

 

 

[UR5FIL]

Кроме добавления других диапазонов в моно-вариант F-антенны, можно подумать о расширении полосы.

Сейчас она 40 кГц (вправо и влево 20 кГц от резонансной частоты, до уровня КСВ=2).

 

В сети много материалов для PIFA вариантов.

 

Чтобы разобраться с классификацией F-антенн, смотрим основные:

 

1) IFA - Inverted F Antenna (thin wire Inv-F) - антенна выполнена из тонкого проводника

2) PIFA - Planar Inverted F Antenna или Patch антенна. (плоский квадратный лист металла расположен над плоскостью Ground Plane и на краю соединен коротким проводником)

3) MIFA - Meandered Inverted F Antenna (антенна выполнена в форме меандра - можно уместить длинный провод в небольшом пространстве). Пример антенны на 160, выполненной в форме меандра:

 

 

 

 

Добавление дополнительных диапазонов в Planar (или Patch) антенну и превращение ее в мультидиапазонную осуществляется с помощью четвертьволновых отрезков (spurline notch filters):

 

 

 

 

 

Spurlines usually exhibit moderate to narrow-band rejection, at about 10% around the central frequency.

 

...

 

The distance between the two coupled lines can be selected appropriately to fine-tune the filter. The smaller the distance, the narrower the stop-band in terms of rejection. Of course that is limited by the circuit-board printing resolution, and it is usually considered at about 10% of the input microstrip width.

The gap between the input microstrip line and the one open-circuited line of the coupler has a negligible effect on the frequency response of the filter. Therefore, it is considered approximately equal to the distance of the two coupled lines.

 

 

 

 

Получается вот так (пример):

 

 

ps Заворожила эта рупорная антенна ))))) :

 

 

https://www.academia.edu/29238943/Wireless_Systems_and_Printed_Antennas

[UR5FIL]

Попробовал поиграться хвостами F-антенны на 160, чтобы сдвинуть частоту с 20200 22200 на 21000. Ничего не дает. Эти резонансы от рамки.

 

Убрал хвосты. Оставил одну рамку проверить, как она поведет себя в мульти режиме без 160. )))

 

Рамка как рамка. Работает. Погонял ее в IARU контесте. Отвечают. Резонансные так и остались 20200, 22200 без хвостов. КСВ на 7,14, 21, 28 чуть больше двух. Волновое сопротивление около 100 Ом. Надо трансформатор  2:1.

 

Переставил рамку подальше от домика, на край участка. А то слишком давит на голову. 6 метров было до ближайших углов. Сразу стало легче. 

 

Сейчас ближайший угол метров 18. Дальние 24 метра. Экспериментальным путем определилась минимальная безопасная дистанция для макс 200 Ватт. Чисто ЭКО. Чувствуется очень хорошо. До и после. 

 

Закончился полевой день. ))) Разобрал все. Мачта голая.

 

Когда там следующий контест под F-160? )))

[UR5FIL]

Пришел диплом за WPX 2019 антенне F )))

 

[UR5FIL]

Результаты антенны-F ))) в CQ WW 160 CW 2020. На этот раз - укороченный вариант. Высота 13 метров. (Вынуждено, погнулась одна секция при установке)

Добавил радиалов из полевки по 40м к моему единственному. Один заплел за нижнюю сторону треугольника. Вх сопротивление стало расти с каждым новым elevated радиалом на 10 Ом. Странно...Пришлось остановить "добавление" )))).

 

 

После мороза ночью, когда земля начала оттаивать 27-го параметры были такие (в 10 утра):

 

 

 

 

 

 

 

 

А через час подсохло, и в 11 утра уже совсем другие:

 

 

 

 

Первые трансатлантические связи на 160:

 

VO2AC в 07:29 25-го, N0FW в 06:22 26-го.

[UR5FEO]

Супер. Спасибо.

[UR5FIL]

Пришел диплом. Одновременно за 1-е место в Брянском партизане 2019 на 160 ))) и в этот же день СQ WW 160 2020.

 

 

 

UR5F_CQ160_2020_CW_certificate.pdf

[serk]

1. В начале где "основная идея" хорошо бы сразу указать размеры, а то нет времени читать до конца чтобы понять эту самую основную идею.

Это лишь моё ИМХО и мои хотелки, которые автор конечно же не обязан принимать к сведению.

Просто так будет лучше для читателей, наверное.

 

2. Также с первых слов "волновое сопротивление Л-антенны низкое" я не понял, с чего вдруг (вроде я понял антенна эта сильно укороченная?) оно там низкое? Видимо автор имел ввиду сопротивление излучения?