Вертикальная антенна КВ на 9 диапазонов

Для работы вертикальной антенны сразу на нескольких диапазонах требуется применение в вибраторе специальных элементов конструкции, с целью настройки её в резонанс на разных диапазонах. Элементы могут быть разными по назначению, например, в Cushcraft R7000 — они сосредоточенные (LC, L, C), в GAP-Titan — распределённые (шлейфы, линии). 

Иными словами — вибратор «разбит» на несколько частей между которыми и находятся те самые настроечные элементы, обеспечивающие резонанс антенны на рабочих диапазонах. Чем больше таких элементов, тем больше сложностей с их оптимальной настройкой, да и надежность конструкции в целом оставляет желать лучшего из-за того что вибратор «разрезан» изоляторами.

Конечно, за счёт того, что антенна является многорезонансной, и для смены диапазона достаточно лишь переключить диапазон в трансивере — просто и удобно, но не всё так просто, если ваши ближайшие соседи по хобби активны в эфире — шорохи и щелчки от сигналов соседей с других диапазонов являются обычным делом.

Многодиапазонную вертикальную антенну можно сделать и по совершенно другому конструктивному принципу: излучающая часть антенны цельная и подключается к контуру, согласующему импеданс антенны с фидером. Другими словами, входное сопротивление вибратора на любой частоте имеет комплексную величину, т.е. активную и реактивную составляющие, а контур согласует (преобразовывает) комплексную величину входного сопротивления вибратора с активным сопротивлением фидера.

Естественно, для оптимального согласования на каждый диапазон нужен отдельный переключаемый согласующий контур. Совмещённый многодиапазонный контур не лучший выбор — очень сложно добиться оптимального согласования (ведь для разных диапазонов и схемы согласования могут быть разные) и обеспечить необходимую добротность, соответственно, будет больше потерь чем при отдельном согласовании для каждого диапазона. Материалов о подобных конструкциях сравнительно мало (например QST, Titanex), хотя они имеют некоторые достоинства перед другими вертикалами. Например:

  1. Механическая прочность вибратора из-за отсутствия изоляторов.
  2. Возможность и удобство оптимальной настройки КСВ на стыке антенна-фидер (т.е. настройка контура).
  3. Простота при установке за счет меньшего веса практически «голой» трубы (если не считать короткой емкостной нагрузки вверху в данном случае).
  4. За счёт переключаемого резонанса вибратора, улучшается подавление вне диапазонных сигналов на приём и гармоник на передачу.

Как это ни странно звучит, но описываемая антенна, является реализацией идеи использования любой «железки» в качестве многодиапазонной КВ антенны.

Конечно, в данном случае имеется ввиду, например, телескопическая антенна длиной 1 метр от бытового радиоприёмника, хотя лет 20 назад и подобный опыт был (может кто помнит РЛТ и тест на 3,5 МГц).

В данном случае хотелось бы поделиться конкретными результатами того, что в итоге получилось. Безусловно, это не панацея и полноразмерная однодиапазонная антенна может работать и лучше, но в ряду многодиапазонных антенн, а речь идёт об антеннах на девять КВ диапазонов, данная конструкция явно заслуживает внимания, особенно для тех у кого нет возможности установить что-нибудь солидное, а с DX работать хочется.

Естественно, под «любой длиной» подразумевается разумная длина при которой теоретический КПД на наименьшей частоте (1,8 МГц) будет хотя бы несколько десятков процентов, т.е. общая длинна должна быть хотя бы метров 10. Далее, с помощью отдельного LC контура для каждого КВ диапазона, антенна согласуется с 50-омной активной нагрузкой, т.е. 50-омный фидер может быть произвольной длинны. Получается такая блок-схема антенной системы: антенна — блок согласующих переключаемых контуров — фидер. Антенна вертикальная, без трапов, шлейфов и подобных согласующих (и ненадежных) элементов в вибраторе. Образно говоря, просто вертикальная труба. А для некоторого электрического удлинения использована простая, ненастраиваемая емкостная нагрузка вверху вибратора.

Исходя из наличия труб, общая длина получилась около 13 метров (12,85 м). Конкретная длина не критична — всё можно согласовать контурами. Однако, надо иметь в виду, что даже сравнительно небольшое изменении общей длинны антенны (см. ниже) может повлиять на настройку согласующих контуров и даже на схему их включения, в итоге настройка может получится достаточно трудоёмкой и длительной.

Для того, чтобы упростить настройку, минимизировать мучительные творческие изыскания при согласовании, а также с целью поделиться реальными результатами и написан этот материал.

Конструкция

5 метров самой нижней трубы (см. рис.1) Ø 50 мм, далее 5 метров Ø 40 мм, 2м — Ø 20 мм, 85 см — Ø 10 мм. Все трубы из дюралюминия, общая длина 12,85 м. На расстоянии 2,85 м от верхнего конца антенны, т.е. на стыке 40 мм и 20 мм труб, закреплены (и гальванически соединены с вибратором) 4 провода емкостной нагрузки из 3 мм медного канатика длинной по 1,4 метра. На концах проводов установлены изоляторы к которым крепятся 4 капроновые растяжки верхнего яруса. Нижний ярус (тоже из 4 растяжек) расположен на уровне 5 м от основания. К торцу нижней 50 мм трубы жестко прикручен керамический изолятор, который соединён с втулкой опирающейся на стальной шарик диаметром 10 мм (см. рис. 2). Т.е. получается, что вся антенна стоит только на этом шарике.

Рис. 1. Общие размеры антенны

 

Рис. 2. Конструкция опорного узла

 

Достоинство данного решения в том, что за счёт шарика к керамическому изолятору прилагается только безопасное усилие на сжатие, а не на изгиб, в вертикальной трубе антенны весьма эффективно гасятся механические резонансы и вибрация от ветровой нагрузки.

К основанию подключены 8 противовесов (4 шт. длиной 21,5 м, 4 шт. длиной 10,6 м), а также и контур заземления (в описанном варианте — проходящий по крыше 9-этажного жилого дома). У основания антенны установлен блок согласования, представляющий собой герметизированную металлическую коробку с размерами 390x250x120 мм, в которой находятся 8 штук двухобмоточных реле типа «хлопушка». Реле установлены якорем вниз, т.е. в неактивном состоянии якорь свободно висит между замыкаемыми контактами. Управление на реле подается по 8-ми жильному кабелю UTP (витая пара для локальной сети) от двух полярного источника питания 24V/1A (лучше если будет 27V).

Для повышения электрической прочности к наведённому электричеству все схемы согласующих LC контуров выполнены с гальваническим связью антенны и фидера с землёй. Для согласования диапазонов 14 и 21 МГц используется один и тот же контур, поэтому левая замыкающая группа реле Р5 (см. схему) используется для переключения фидера на другую антенну. Фидер с волновым сопротивлением 50 Ом может иметь произвольную длину.

Рис. 3. Схема блока коммутации диапазонов

 

Рис. 4. Конструкция блока коммутации

 

            

 

Намоточные данные катушек индуктивности

L
внутренний
диаметр
каркаса
мм
диаметр
провода
мм
длина
намотки
мм
количество
витков
отвод
L1*
35
4
45
7.5
3
L2*
35
4
55
8
4.5
L3
40
1.8
в/в
47
L4
40
1.8
в/в
35
6/11
L5
36
2.5
52
18.5
8.5
L6*
35
4
55
9
8.5
L7
32
2.5
50
13
4.5
( * бескаркасная намотка, в/в — виток к витку)

Настройка

Настройка антенны, а точнее согласующих контуров, производилась с помощью анализатора AEA HF SWR Analyst и трансивера Yaesu FT-990AC с приоритетом в CW участках КВ диапазонов. Анализатор использовался для общей, визуальной настройки и подбора схем включения контуров. Надо иметь ввиду, что анализатор производит измерения при очень маленькой мощности и, соответственно, чувствителен к эфирным сигналам, что может проявляться в хаотических искажениях диаграммы КСВ. Трансивером проверялись итоговые настройки КСВ, но они только подтвердили то, что было настроено с помощью анализатора. Измерения КСВ после фидера (т.е. уже внизу) дали те же зависимости по диапазонам, а уровень КСВ не изменился или стал еще ниже (примерно на 0.1) за счет потерь в кабеле. КСВ всегда можно настроить в «1», зависит от кропотливости и потраченного времени. В моем случае уровень КСВ до 1.1-1.2 показался вполне достаточным на момент настройки, с расчётом «потом настрою ещё лучше», но «потом» почему-то так и не наступило.

Результаты
Опыт эксплуатации показал (автор работает на такой антенне на всех КВ диапазонах с 1997 г.), хотя теория и пугала невысокой эффективностью (особенно на 1,8) и сравнительно высокими лепестками в вертикальной плоскости (на 18 МГц и выше), но на практике оказалось всё даже очень неплохо! Хотя, давать объективную оценку качеству работы всенаправленной антенны достаточно сложно, т.к. в этом участвует много факторов, например: прохождение, мощность передатчика, опыт оператора и т.п.
Но те кто принимал участие в охоте за DX до середины 2004 г., наверняка вспомнят позывной автора и это было бы более весомо, чем иная субъективная оценка. Прямое сравнения с другими антеннами в данном случае невозможно, т.к. антенна эксплуатируется одна. Однако, косвенные сравнения при работе с DX говорят о достаточно высокой эффективности на всех КВ диапазонах. На эту антенну и 100W (>90% QSO, остальные с помощью 3хГУ50 на 3.5/7/14Mc) c 1997 и до 2004 г. сработано 325 стран по DXCC, из них 322 CW.
На НЧ диапазонах ближняя зона явно ослабляется (в сравнении с соседями). Особенно была заметна разница при косвенном сравнении c R7000+, не в пользу последней. Несколько раз, во время выезда в полевые условия, блок согласования снимался с крыши и подключался к антенне с аналогичными размерами, но из труб меньшего диаметра (примерно в 1,5 раза меньше). Антенна устанавливалась на земле с изолятором и такими же 8-ю радиалами. Относительно антенны установленной на крыше, КСВ изменялся максимум на 0,2-0,3 — за счёт незначительно сдвига КСВ по частоте.
Графики значений КСВ антенны (установленной на крыше 9-этажного панельного дома) на различных КВ диапазонах приведены ниже. При приёме, ослабление сигналов на других диапазонах (если антенна включена не на «свой» диапазон) составляет в среднем 10-20 дб и эта дополнительная фильтрация очень даже пригодилась: значительно снижалась помеха от моего соседа, работающего на соседнем диапазоне на вертикальную антенну находившуюся в 12 м от исходной. Такая же (по принципу) антенна, но высотой около 18 м для повышения эффективности на НЧ диапазонах, используется и др. (RW3XW). При этом, естественно, параметры LC контуров получились совершенно другие.
Рекомендации
  1. В процессе эксплуатации (через год, два) стал проявляться эффект отсутствия приёма на некоторых диапазонах.
    Именно «на приём», т.к. после передачи даже одной короткой точки (на минимальной мощности) всё встает на свои места… Оказалось, что причиной является окисление открытых посеребрённых контактов реле. Замена на реле того же типа, но с другим покрытием, уменьшает вероятность этой проблемы процентов на 90 и тем не менее «редко, но бывает». В этой связи, желательно вместо открытых реле использовать вакуумные замыкатели, например, В1В.
  2. Так как конденсаторы подключены к «горячим концам» согласующих контуров, то при передаче на них может присутствовать весьма значительное напряжение (примерно до 1KVpp при 100W). Использовались конденсаторы КВИ (импульсные, реактивная мощность для них не нормируется) на напряжения 5-10 KV. При таком запасе по напряжению, КВИ достаточно стабильны, а при номинальных напряжениях могут значительно греться и, соответственно, доставить массу хлопот… Если предполагается излучение большей мощности, то рекомендуется ставить конденсаторы К15-У с соответствующими КВар.

P.S.
Применительно к HAMRADIO, любая антенна (впрочем, как и трансивер, PA, компьютер) является всего лишь инструментом для проведения QSO. Инструмент может быть эффективным или «не очень», японским или самодельным и т.д. (кому что нравится), но сам по себе он не является определяющим фактором! Эти «железки» могут только повысить эффективность работы оператора, но никак не заменить его. И даже в цифровых RTTY, PSK, CW, именно оператором определяется что, где, когда и как, хотя непосвящённому и кажется, что все делает компьютер. А тех операторов у которых в шеке главным является «железо», пусть и достойное, очень даже хорошо «слышно». В смысле, «уши мои бы не слышали…». Давайте гармонично совершенствовать и аппаратуру и свою квалификацию, как оператора, ведь в этой гармонии и есть смысл HAMRADIO!

 

RW3XA

73!