Для ефективної селекції прийнятих KB сигналів, що приходять в точку прийому з різних напрямків, зазвичай застосовують антени з явно вираженим максимумом діаграми спрямованості в горизонтальній площині. Але такий підхід не спрацьовує в тих випадках, коли два сигналу приймаються на одній частоті і приходять з одного напрямку. Якщо сигнали, що надходять на приймальний пристрій, проходять різні відстані і їх поширення здійснюється шляхом відображення в іоносфері, то в кінцевий пункт призначення вони надходять під різними кутами. В цьому випадку антена з керованою діаграмою спрямованості у вертикальній площині може ефективно виділити корисні сигнали, послабивши заважають.
У 1997 р Gary Breed, K9AY, запропонував конструкцію узгодженої дротяної рамкової антени в формі трикутника, за допомогою якої (завдяки її спрямованим властивостям) можна забезпечити ефективний прийом в низькочастотних KB діапазонах.
На рис.1 приведена типова діаграма спрямованості рамкової антени K9AY в горизонтальній площині (кут піднесення становить 45 °) при опорі навантаження 470 Ом. Така антена досить поширена, тому що вона є малошумящей в порівнянні з іншими антенами, призначеними для прийому в низькочастотних KB діапазонах 160-30 м. У комерційних антенах подібного типу зазвичай використовуються дві перехресні рамки, які можна легко поміняти місцями, що забезпечує мінімум діаграми спрямованості антени в чотирьох напрямках. Ефективність роботи таких антен залежить як від вертикальних, так і від горизонтальних кутів, під якими на антени надходять радіосигнали.
Комп'ютерне моделювання антени K9AY показує, що оптимальна величина імпедансу антени залежить від частоти, питомої електропровідності землі (грунту) і опору сполучних елементів системи заземлення. В одній з моделей комерційних антен подібного типу є навіть пристрій, за допомогою якого можна змінювати величину навантажувального опору безпосередньо з пульта управління. Зробивши навантаження антени комплексної, що включає реактивну і активну складові опору, можна домогтися не тільки розширення частотного діапазону або компенсація втрат, викликаних станом грунту, але і управляти мінімумом діаграми спрямованості антени у вертикальній площині.
На рис.2 приведена діаграма спрямованості у вертикальній площині рамкової антени K9AY, що працює в діапазоні 60 м. Відповідний вибір повного опору її навантаження забезпечив максимальне відношення випромінювання «вперед / назад» при куті піднесення 30 °, а мінімум діаграми спрямованості відзначається при куті піднесення 20 °.
Змінивши повний опір навантаження цієї антени, можна забезпечити явно виражений мінімум діаграми спрямованості при куті піднесення 60 ° (рис.3).
При цьому діаграма спрямованості в горизонтальній площині практично не змінюється, і її форма залишається близькою до кардіоїд (рис.1).
Результати комп'ютерного моделювання параметрів рамкової антени (рис.4), що працює на частоті 3,75 МГц при провідності грунту 5 мс / м, показують, що в частотному діапазоні 1,8-10,2 МГц в такий антени мінімум діаграми спрямованості можна отримати при кутах піднесення від 0 до 80 °. Збільшення кута піднесення до 85 ° і вище досягається тільки при негативному активному опорі, яке, зрозуміло, практично недосяжно.
Таким чином, глибокий мінімум діаграми спрямованості антени (більше 60 дБ) можна отримати при будь-яких параметрах системи заземлення і для самих різних опорів з'єднувальних елементів самої системи заземлення.
Для змодельованої антени на рис.5 наведено графік, який ілюструє типову залежність між повним опором навантаження R + / X і кутом піднесення, при якому в діаграмі спрямованості антени є глибокий мінімум.
Для забезпечення дистанційного управління змінним навантаженням замість активного навантажувального резистора в комплекті з широкосмуговим трансформатором і лінією передачі використовується більш складна ланцюг RLC (рис.6).
У цьому випадку опір навантаження антени залежить від повного імпедансу цьому ланцюзі і довжини 75-омного коаксіальногокабелю, підключеного до широкосмугового трансформатора.
За допомогою двополюсного перемикача, комутуючого точку підключення навантаження, можна змінювати діаграму спрямованості антени на 180 °.
Антена працює в діапазонах 160, 80, 60, 40 і 30 м. У нижньому (за схемою) положенні перемикача (широкосмуговий режим) LC-ланцюг замкнута, і опір навантаження антени залежить в основному від опору змінного резистора R з лінійною характеристикою зміни опору від кута повороту.
Периметр рамки повинен бути менше чверті довжини хвилі для найбільш високою робочою частоти антени. З рамкою більшого периметра не вдасться отримати кардіоїдну діаграму спрямованості. Зменшення периметра рамки (або робочої частоти при незмінних розмірах рамки) не змінює діаграму спрямованості. Однак з огляду на, що рівень сигналу пропорційний площі рамки, зменшення її периметра веде до швидкого зниження рівня сигналу. Зниження чутливості компенсує малошумящий ВЧ передпідсилювач.
Якщо таку рамкову антену встановити на поворотному пристрої, можна домогтися практично повного придушення будь-якого сигналу, що надходить на антену з будь-якого азимута і під будь-яким кутом. Для рамкової антени не потрібно великої площі або значної висоти підйому. Якщо ви не бажаєте робота антени в діапазоні 160 м, то її розміри можна зменшити в два рази. Вузол управління діаграмою спрямованості у вертикальній площині монтується в металевому корпусі.
Реактивна складова навантажувального опору встановлюється за допомогою конденсатора змінної ємності з повітряним діелектриком, а активна складова - за допомогою змінного резистора. Котушка індуктивності містить 32 витка емальованого мідного дроту діаметром 0,5 мм, намотаних виток до витка на каркасі діаметром 32 мм на пластмасовій касеті для фотоплівки. Відводи робляться від 23,19,16 і 13-го витка, рахуючи від «гарячого» кінця котушки.
Англійська радіоаматор Тоні, G3LNP, який запропонував конструкцію описуваної антени, встановив її на поворотному пристрої для телевізійної антени. Поворотний пристрій встановлено на сталевій трубі довжиною 1,2 м, яка закопана в землю на глибину 20 см. Нижній кінець труби розплющується, щоб не допустити її обертання.
Місцева система заземлення утворена чотирма стержнями завдовжки 1,2 м. Дві горизонтальні і одна вертикальна розпірки виконані з алюмінієвих труб. Центральний ізолятор, до якого кріпляться ці елементи, можна виготовити з будь-якого міцного ізоляційного матеріалу (навіть з фанери, покритої лаком). Для кріплення труб до ізолятора використовуються відповідні U-образні болти. Горизонтальні розпірки встановлюються так, щоб їх кінці розташовувалися на відстані 0,9 м над землею. Інша частина периметра рамки виготовляється з досить міцного дроту, причому його діаметр не має принципового значення з точки зору електричних параметрів антени.
Широкосмугові трансформатори намотані на «двухдирочних» феритових сердечниках і містять по п'ять витків дроту на первинних обмотках і по два - на вторинних. Після намотування трансформатори поміщаються в пластиковий корпус, який кріпиться на центральній ізоляційної пластині.
У широкосмугових трансформаторах рекомендується використовувати сердечники гранично малих розмірів, а для якісного прийому на високих частотах статична ємність між обмотками має бути мінімальною (1-3 пФ).
Мабуть, найсерйозніша проблема, яка може виникнути при використанні цієї, в цілому досить надійною антени, - це перешкоди, які проникають в приймач по оплетке коаксіальногокабелю. Ці перешкоди можуть наводитися через систему заземлення або ємність між обмотками широкосмугових трансформаторів. Тому кабелі слід закопувати в землю, а оплетку заземлювати не коло самої антени, а там, звідки вона бере свій початок, або біля радіоприймача.
Для виключення проникнення перешкод через кабель сервоприводу поворотного пристрою слід використовувати дросель, що представляє собою 10-15 витків кабелю, намотаних на ферритовом кільцевому сердечнику. Дросель встановлюється поруч з поворотним пристроєм.
Довжина 75-омних коаксіальних кабелів не повинна перевищувати 60 м, в іншому випадку виникають проблеми при роботі на високих частотах.
Якщо описувана антена встановлена недалеко від передавальної, то слід вжити заходів щодо захисту змінного резистора і зовнішній підсилювач від надмірних перевантажень, які можуть виникати в режимі передачі. Найпростіше ця проблема вирішується заземленням верхнього (за схемою) виведення змінного резистора за допомогою контактів реле.
Крім того, в режимі прийому близько розташована передавальна антена може значно спотворити діаграму спрямованості рамкової антени у вертикальній площині.
Якщо опір змінного резистора близько до 75 Ом, а перемикач діапазонів встановлений в положення «Широкосмуговий режим», то навантаження антени складе близько 500 Ом незалежно від довжини фідера або частоти прийому. В цьому режимі антена буде працювати як її прототип - антена K9AY. Таким режимом можна також скористатися для того, щоб визначити пеленг сигналів, які потрібно придушити, а також для моніторингу низькочастотних діапазонів.
При роботі в одному з вибраних діапазонів, обертаючи антену, спочатку необхідно добитися мінімального рівня сигналу, що заважає. Після цього послідовної регулюванням опору змінного резистора R і ємності конденсатора змінної ємності С домагаються подальшого зниження рівня сигналу, що заважає (аж до повного зникнення).
За допомогою перемикача діаграми спрямованості можна переконатися, що антена працює ефективно, або навпаки, виявити, що перешкоди все ще залишилися.
При довжині фідера 55 м і КСХН 2: 1 коефіцієнт передачі антенно-фідерного тракту описуваної антени змінюється від -28,6 дБи на частоті 1,8 МГц до 6,4 дБі на частоті 10,1 МГц. Коли антена використовується тільки в режимі прийому в напрямку максимуму діаграми спрямованості, відпадає необхідність в зовнішній підсилювач. Однак попередній необхідний (особливо в самих низькочастотних діапазонах), коли ведеться прийом сигналів, що надходять в напрямку мінімуму діаграми спрямованості.
Антена продемонструвала свою високу ефективність при виявленні джерел сигналів, що заважають і для зменшення їх впливу в режимі прийому. Дуже зручно налаштовувати антену, а також освоїти її управління при прийомі мовних AM радіостанцій. Антена добре працює в середньохвильовому радіомовному діапазоні при установці перемикача діапазонів в положення 160 м.
У денний час сигнал, розповсюджуваний земної радіохвилею в діапазоні середніх хвиль, можна зменшити більш ніж на 60 дБ. Перемикач діаграми спрямованості забезпечує можливість прийому декількох радіостанцій при повній відсутності радіозавад на будь-який з них. У денний час придушення радіоперешкод часто перевищує 50 дБ в діапазоні 1,8 МГц і не опускається нижче 30 дБ в діапазоні 10 МГц.
При настанні сутінків в діапазонах 7 і 10 МГц кути приходу радіосигналів починають часто змінюватися, тому придушення сигналів, що заважають стає нестійким. Крім того, неможливо домогтися значного придушення сигналу, який може приходити з декількох напрямків, що може відбуватися, коли складаються умови для виникнення різних видів поширення радіохвиль.
Ведучи облік комплексного опору навантаження антени, можна визначити кути, під якими приходять радіосигнали в різний час на різних діапазонах.
QST, жовтень 2010 р