Антенны
Нашли ошибку? Сообщите нам ...Комментировать: Вертикальная антенна на диапазоны 3,5...28 МГцРаспечатать: Вертикальная антенна на диапазоны 3,5...28 МГц

Вертикальная антенна на диапазоны 3,5...28 МГц



Известно немало конструкций многодиапазонных вертикальных антенн. Зачем же ещё одна?

Не все известные "вертикалы" на частотах от 3,5 до 28 МГц работают хорошо. Чтобы понять, в чём проблемы, давайте разберёмся, что требуется от любой многодиапазонной антенны. Итак:

1. Максимальное число диапазонов, где данная антенна может эффективно работать с DX и обеспечить вам пробивание "pile-up"-ов в одной "весовой категории" со станциями, использующими эффективные однодиапазонные антенны.

2. Диаграмма направленности (ДН), обеспечивающая максимум излучения под низкими зенитными углами во всех диапазонах. Для работы с DX бесполезна мощность, ушедшая выше 20о. Излучилась ли она под более высокими углами или вообще не излучилась в эфир - результат в приёмнике DX будет один: вас не услышат.

3. Хороший КПД системы антенна-согласующее устройство (СУ). Мы ведь делаем антенну не для обогрева согласующего устройства и окружающих предметов, а для излучения. Поэтому от антенны требуется:

  • заметное сопротивление излучения (очень условно говоря, от 10 Ом и выше). Это надо для того, чтобы при сопротивлении потерь в несколько ом (а получить ниже в практической конструкции вертикала почти нереально), большая часть мощности передатчика уходила бы в излучение, а не на обогрев СУ и местных предметов (прежде всего земли);
  • не слишком высокая реактивная часть входного импеданса. Иначе это приведёт к большим напряжениям и токам в СУ, что увеличит его сложность и стоимость. А если отношение реактивной составляющей к активной части входного импеданса будет большим, то это приведёт к росту добротности системы антенна-СУ и к соответствующему сужению полосы.

4. Хорошее согласование с кабелем 50 Ом во всех диапазонах. Иначе в рассогласованном коаксиальном кабеле потери будут недопустимо велики.

С четвёртого пункта и начнём. Раньше, несколько десятков лет назад, конструкторы антенн (включая и вашего покорного слугу) очень старались, чтобы антенна согласовывалась с кабелем либо вообще сама, либо через простейшие СУ. Но бесплатного сыра не кладут даже в мышеловку, и такой подход больно бил по требованиям пунктов 1, 2 и 3. А это уменьшало возможности работы с DX-ми.

Но тогда упрощение СУ было вынужденным. ВЧ-элементы на большую реактивную мощность были в дефиците, а про автоматические тюнеры ещё и не слышали. И конструкторы были вынуждены, снижая требования к антенне, усложнять её конструкцию, чтобы хоть как-то собрать вместе этот "пазл" противоречивых требований.

Сейчас же ситуация иная. ВЧ-элементы стали более доступны, снизились их цена и размеры. Например, существуют недорогие (меньше двух долларов) SMD-конденсаторы на реактивную мощность в несколько кВар. И автоматические тюнеры перестали быть экзотикой. Внешний автоматический тюнер, работающий во всех КВ-диапазонах с любыми более-менее разумными (т. е. не навысокоомном резонансе) входными импедансами антенн, укладывается в 250 долл. (новый!, а б/у с рук ещё дешевле).

Поэтому будем делать антенну, отдав её согласование внешнему тюнеру (самодельному с релейной коммутацией отдельных LC-цепей по диапазонам или промышленному автоматическому), установленному около нижнего изолятора "вертикала". А мы, получив большую свободу в конструктиве антенны, сосредоточимся на пунктах 1, 2 и 3 (кстати, выполнение требований п. 3 по разумному импедансу антенны означает, что автоматический тюнер гарантированно сможет настроиться).

Конструкция

В простых многодиапазонных вертикальных антеннах есть два главных ограничения, препятствующих увеличению числа диапазонов.

На низшем диапазоне проблема в получении высокого КПД. Сопротивление излучения вертикальной антенны ниже четверти длины волны падает пропорционально квадрату укорочения. Для четвертьволновой антенны на грунте оно около 37 Ом, а для антенны 0,13λ - 10 Ом. При меньшей высоте система антенна-СУ быстро теряет КПД. Следовательно, если антенна должна работать, начиная с 3,5 МГц, то её физическая высота должна быть не менее 11 м.

Но простая вертикальная антенна с такой высотой бесполезна на диапазонах 21, 24 и 28 МГц. При одиннадцати метрах электрическая длина антенны получается больше 0,7λ. Диаграмма направленности антенны при этом сильно "задирается" вверх, и она перестаёт соответствовать требованиям пунктов 1 и 2. Согласовать-то её можно, а работать с DX-ми почти невозможно.

Причиной тому (задирания излучения вверх при высоте антенны более 0,625λ) служит появление на длинном полотне антенны большого участка с противофазным током. Этот участок начинается от точки питания и идёт до высоты, от которой до верха антенны остаётся 0,625λ. Например, при физической высоте вертикала 11 м на диапазоне 28 МГц (0,625λ составит тут 7,5 м) лишними будут первые 11-7,5 = 3,5 м высоты "вертикала".

Напрашивается очевидный вывод: надо сделать так, чтобы при работе на диапазонах 21...28 МГц нижние 3,5 м "вертикала" не излучали, но оставались бы в работе на всех остальных диапазонах.

Простейший выход - экранировать нижние 3,5 метра "вертикала". Но не сплошным металлом, а набором вертикальных проводов. Такая конструкция показана на рис. 1 (общий вид) и рис. 2 (экран нижней части с точкой питания).

Конструкция антенны - общий вид

Рис. 1. Конструкция антенны - общий вид

Конструкция атенны - экран нижней части с точкой питания

Рис. 2. Конструкция атенны - экран нижней части с точкой питания

Антенна представляет собой обычный на изоляторе. Высота излучателя критична, а диаметр нет (можно применить от тонкой проволоки на изоляторе до трубы).

На высоту 3,5 м (критичный размер) до изолятора вокруг излучателя установлен цилиндрический сеточный экран, состоящий из восьми проволок диаметром 1...2 мм, равномерно расположенных по радиусу 15 см (критичный размер). Внизу проволоки экрана соединены непосредственно с системой заземления. Вверху они замкнуты проволочным кольцом и изолированы от "вертикала". Конструктивно проволоки экрана закреплены на прикреплённых к мачте диэлектрических распорках длиной 35 см (автор использовал недорогие бамбуковые подпорки для растений).

В точке питания между "вертикалом" и заземлением (т. е. параллельно выходу тюнера) установлена не отключаемая катушка индуктивностью 7,5 мкГн. Она облегчает требования к тюнеру на диапазоне 3,5 МГц и снимает статические заряды с "вертикала". Для снижения
потерь на 3,5 МГц и успешного "поглощения" наведённых токов от близкого удара молнии провод катушки должен быть диаметром не меньше 2 мм.

Система противовесов ("радиалов") обычна для многодиапазонного "вертикала". Если антенна установлена непосредственно на земле, то укладываются несколько (чем больше, тем лучше, но минимум четыре) нерезонансных "радиалов" длиной несколько метров (для работы от 3,5 МГц минимум 10 м) прямо на грунт (или неглубоко прикопанных).

Если основание антенны приподнято над землёй, то потребуются резонансные противовесы на диапазоны 3,5, 7, 18 и 24 МГц (их хватит и для остальных диапазонов). Их число зависит от высоты расположения противовесов. При высоте 0,1...1 м на 3,5 и 7 МГц потребуется минимум по четыре противовеса на каждый диапазон. При высоте 2,5...3 м (например, антенна в саду и противовесы подняты, чтобы не мешать дачным делам) минимально хватит по паре диапазонных противовесов.

В любом случае не забывайте, что слишком хорошей земли для "вертикала" (особенно укороченного, а на 3,5 МГц он таким является) не бывает. Поэтому при возможности не скупитесь на число противовесов.

Диаграммы направленности

При анализе высоких "вертикалов" в качестве первого шага всегда следует смотреть их азимутальную ДН над идеальной землёй. Пока в такой модели главный лепесток направлен вдоль земли, электрическая высота "вертикала" не избыточна. А как только максимум излучения над идеальной землёй пошёл вверх, антенна электрически слишком длинна и для работы с DX-ми малопригодна.

Для анализа, насколько эффективен наш экран на 21...28 МГц, сравним диаграммы направленности над идеальной землёй данной конструкции и обычного вертикала с той же высотой 11 м. На рис. 3 (обычный GP) и рис. 4 (описываемая конструкция) показаны ДН обеих антенн по диапазонам.

Диаграммы направленности антенны по диапазонам

Рис. 3. Диаграммы направленности антенны по диапазонам

Диаграммы направленности антенны по диапазонам

Рис. 4. Диаграммы направленности антенны по диапазонам

Хорошо видно, что обычный GP высотой 11 м на 21 и 28 МГц излучает вверх и для работы с DX-ми непригоден. А описываемая конструкция не только удерживает излучение внизу, но и даёт заметную прибавку в усилении: 3,4 дБ - на 21 МГц, больше 4 дБ - на 28 МГц. Причём эта прибавка (в отличие от простого "вертикала", который тоже даёт 1.2 дБ прибавки к усилению) - в направлении вдоль земли, т. е. на DX-трассы.

На рис. 5 и рис. 6 представлено сравнение тех же антенн над реальной средней землёй. Видно, что с ростом частоты у нашего "вертикала" растёт не только усиление, но и опускается вниз максимум главного лепестка. Конкретные цифры зависят от качества земли и числа "радиалов". Чем лучше земля и больше "радиалов", тем выше прибавка в усилении под низкими углами и ниже максимум излучения.

Диаграммы направленности антенны по диапазонам

Рис. 5. Диаграммы направленности антенны по диапазонам

Диаграммы направленности антенны по диапазонам

Рис. 6. Диаграммы направленности антенны по диапазонам

Результаты и выводы

В моём случае антенна установлена непосредственно на земле. Её излучатель изготовлен из телескопически состыкованных алюминиевых труб. Десять "радиалов" длиной по 12 м лежат непосредственно на грунте. Использованы внешний автоматический тюнер LDG RT-600 и транзисторный усилитель мощностью 300 Вт.

По не научному субъективному ощущению антенна работала хорошо. На 3,5 МГц есть подтверждённые связи с несколькими экспедициями в Океанию (т. е. пробивался европейский "pile-up"). На ВЧ-диапазонах описываемая антенна выигрывала от 1 до 4 баллов на DX-трассах у "вертикала" Cushcraft R8 (высота - 8,7 м, диапазоны - от 7 MRr и выше), установленного на крыше одноэтажного здания клуба (т. е. выше, чем наша антенна).

Автор: Игорь Гончаренко (DL2KQ), г. Бонн, Германия


Дата публикации: 14.03.2019
Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.


Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:








 



RadioRadar.net - datasheet, service manuals, схемы, электроника, компоненты, semiconductor,САПР, CAD, electronics