4-х элементная антенная система на 7 МГц с активным питанием

Один из методов активного питания антенных систем был предложен Фредом Коллинзом W1FC в 80-х годах XX века (метод Коллинза). Этот метод свободен от некоторых недостатков, имеющих место быть в иных способах питания систем. Рассогласование, в данном случае, выразится в слегка повышенном КСВ, но система работать будет хорошо. 

Существующий обычный метод активного питания, с помощью кабельных линий задержки, имеет существенный недостаток. Всё дело в том, что длина линии задержки, в такой системе, зависит от входного импеданса антенны, в который входит и сопротивление потерь в системе радиалов. К примеру, если при расчёте длины линии задержки введено сопротивление потерь 2 Ом, а фактически получилось 10 Ом, то можно с уверенностью сказать, что такая рассчитанная длина линии задержки в данном случае будет не верна и, конечно, работать не будет. Иными словами линия задержки работает под строго определённый входной импеданс антенны. Это следует учитывать.

Метод, предложенный Фредом W1FC, основан на применении гибридного ответвителя. В принципе, для радиолюбителей выпускаются такие ответвители изготовленные по методу Леволлена и по методу Коллинза, однако, стоимость их очень высока, поэтому, есть смысл изготовить это самому. Первый отличается от второго тем, что в нём для сдвига фаз используются катушки индуктивности. Во втором используются катушки на ферритовых торах. Системы имеют свои достоинства и недостатки.

Первый имеет достоинства:

  • Выше КПД, практически вся подведённая мощность уходит в антенну.

Недостаток:

  • Узкополосность системы, как правило не превышающая 100 кГц.
  • Необходимость экранировки катушек.

Вторая имеет достоинства:

  • Широкополосность системы.
  • Простота изготовления.

Недостаток:

  • Пониженный КПД, который тем меньше, чем больше отличается рабочая частота от расчетной.

Это выражается в том, что если в узкополосной системе вы далеко перестроились от расчётной частоты, то система начинает выдавать неправильные фазы и как результат ДН антенны резко становится хуже.

Во втором случае, даже если вы ушли очень далеко от расчётной частоты, ДН антенны сохраняется, но увеличиваются потери, которые рассеиваются на нагрузочном резисторе. Можно считать, что для станции важнее сохранить ДН, даже ценой потери части мощности.

Это основные достоинства и недостатки систем, которые помогут выбрать нужную систему. К примеру, если вам нужна широкополосная система для работы в полосе 3,5 – 3,8 МГц, то лучше использовать вторую систему.

Основой системы по методу Коллинза является гибридный ответвитель на ферритовых кольцах. Для успешного его изготовления потребуется LC измеритель.

Ответвитель выдает фазы 0 гр, 90 гр., и -90 гр. Сразу надо отметить, что эта система, как и другие, однодиапазонная. Схема достаточно простая и пояснений не требует. Требуются 2 кольца от Амидон Т200-2. Кольцо имеет диаметр 50 мм и легко работает до мощности 2 кВт. Намотку кольца лучше всего делать скрученным (1 скр на 2 см) многожильными изолированными, лучше разноцветными, проводами диаметром 1,5-1,7 мм.

Намотка на кольце располагается равномерно. Для того чтобы знать какое количество витков намотки надо провести несложные вычисления. Индуктивность каждой из обмоток кольца должна быть:

L= Xo/6.28 f , где Хо – системный импеданс, обычно 50 Ом

f – рабочая частота. Для частоты 7,05 Мс индуктивнсть будет 1,13 мкГ.

Далее считаем конденсаторы.

Хс1 = Хс2 = 2 х 50 = 100 Ом

С1=С2= 1000000/6,28 х 7,05 х 100 = 226 пФ

Далее скрученным вдвое проводом наматываем на кольце Т1 примерно 10 витков. Зачищаем оба конца одной из обмоток и измеряем LC метром индуктивность намотки. Она должна быть 1,13 +/- 5%. Можно перемещать витки по кольцу и достигнув нужной индуктивности зафиксировать пластиковыми фиксаторами, которые применяют электрики. С обмоткой пока всё закончено.

Далее измерим ёмкость между обмотками. Подключим LC метр к началам разных обмоток и, например, измеренная ёмкость получится 25 пФ. Теперь из вычисленной нами ранее ёмкости 226 Пф вычтем 25 Пф. Получается 201 Пф. Это значит, что в схему нам надо будет установить два конденсатора по 201 +/- 5% пФ.

Второй трансформатор (Т2) наматывается аналогично Т1, т.е. столько же витков скрученными проводами. Обращаем внимание на фазировку обмоток. У Т1 начала обмоток слева по схеме, а у Т2 начала обмоток — сверху.

Конденсаторы С1 и С2 должны быть мощные керамические, с минимальным ТКЕ, т.е. термостабильные или же слюдяные, на напряжение 1 кВ. Это могут быть параллельно соединённые конденсаторы, но точность ёмкости должна быть до 5%. От этого зависит фазовые углы и значит качество работы антенны.

Собирается ответвитель в металлической коробке, защищённой от влаги, пыли и пр. Элементы монтируются на стеклотекстолите и соединяются либо печатным методом либо навесным. В первом случае, следует учесть ширину дорожек печатного монтажа, т.к. при мощностях 2 квт ожидается протекание весьма высоких ВЧ токов. В лубом случае, длина соединений должна быть минимально короткой и диаметр проводников должен быть 1,5 – 2 мм.

После того, как Т1 будет установлен на плату из стеклопластика и закреплён пластиковыми фиксаторами к плате рекомендуется ещё раз убедиться в том, что намотка имеет нужную индуктивность, т.е. 1,13 мкГ. В случае необходимости нужно подвигать витки намотки на кольце. Кольца можно устанавливать, как вертикально, так и горизонтально, на плате. Это не критично, т.к. кольца не восприимчивы к внешним полям, компонентам и т.д.

Реле должны быть мощные, желательно герметизированные и все на напряжение желательно 24 в, чтобы было меньше падения напряжения на линии управления реле. Каждое реле должно иметь по две группы контактов. К шунтирующим диодам нет особых требований.

Все порты ответвителя должны быть пронумерованы в точности со схемой.

Питается ответвитель кабелем 50 Ом любой длины.

Схема блока управления проста и, пояснений не требует. Переключатель направлений установлен в положение N-E, т.е. все реле обесточены.

К порту Load 50 OHM следует подключить нагрузку – резистор мощностью 1 квт, если будет мощность 2 квт или более. Если же работа предполагается 500 — 800 ватт, то достаточно будет 100 — 150 Вт нагрузки. На резонансной частоте на нагрузке рассеивается порядка 15 Вт, при работе более, чем 1 квт.

Автор использовал MFJ-250X с маслом.

В качестве разъёма можно использовать любой на 3 и более контакта. Особых требований здесь нет. Использовался в авторском варианте — DB-9.

Переходим непосредственно к самим антеннам.

Это должны быть 4 вертикала высотой по 10,7 м каждый. Увеличенная высота связана с тем, что будучи в системе вертикалы по 10,2 м окажутся настроенными на частоту, примерно, на 95 — 110 кГц выше расчётной. Для компенсации этого сдвига вверх и взята высота вертикалов по 10,7 м.

Вертикалы устанавливаются по углам квадрата со стороной 10,2 м. Каждый вертикал имеет строго свой номер, согласно рисунка. К каждому вертикалу следует подключить 1 — 8 радиалов по 10 м изолированным проводом. Радиалы следует располагать в секторе примерно 450 по направлению от центра квадрата. Иными словами крайне нежелательно чтобы радиалы соседних вертикалов пересекались или шли параллельно друг-другу. Высота радиалов над землёй может быть от 0,5 м.

У автора вертикалы применялись телескопическими — от 27 мм внизу и до 12 мм вверху. Если используются другие диаметры труб, то высота вертикала может отличаться от 10,7 м. В любом случае, резонансная частота одиночного вертикала должна быть 6,96 Мс, тогда в системе резонансная частота будет 7,05 Мс.

Далее перейдём к фидерной системе. Каждый вертикал запитывается отрезком кабеля 75 Ом и длиной 0,25 волны. Поскольку ответвитель равноудалён от всех вертикалов, то надо брать кабель питания с Ку=0,76 минимум, а лучше 0,82 или больше. В этом случае хватит длины 0,25 волны отрезка.

Если нет кабеля с Ку=0,76 и выше, то в этом случае надо брать 4 отрезка по 3/4 волны или 21,05 м для 7,05 Мс. Отрезки кабеля могут быть смотаны в бухты возле каждого вертикала. Очень рекомендуется нанизать на конец каждого кабеля, который будет соединяться с вертикалом, ферритовые кольца. Суммарное индуктивное сопротивление по оплётке может быть 1 кОм, что соответствует примерно 22 мкГ.

Чтобы узнать сколько потребуется колец на кабель, надо лишь через пробный отрезок провода пропустить столько колец, чтобы получилась индуктивность примерно 22 мкГн. Затем, все эти колечки надеть на кабель. Это делается для того, чтобы кабель не излучал оплёткой и не портил ДН антенны. Можно также каждый кабель намотать на большое ферритовое кольцо, количество витков кабеля зависит от параметров кольца.

Очень желательно кабель питания реле также развязать подобным образом. ДН антенны выглядит следующим образом: антенна максимально излучает по диагоналям квадрата. На рисунке показана ДН антенны в положении переключателя на N-W.

Рис. Диаграмма направленности (переключатель на N-W)

В основном это и есть полное описание антенны.

Данная система на 7 Мс была опробована в экспедиции в Квебек 25 — 31 Декабря 2007 г. Пробы в эфире показали очень хорошую работу этой системы. Были опрошены VE3EJ, VE3YAA, CO2FC, а также ряд американских станций и станция из Украины. Все оценки были таковы – разница 4 балла или 24 дб.

Если нет возможности установить 4 вертикала, то можно установить два вертикала. В этом случае не нужен Т2 и нужно только одно реле для того, чтобы запитать один излучатель с фазой -90 а другой с фазой 0 гр. В этом варианте следует использовать 2 отрезка кабеля по 50 Ом и длиной 0,25 волны. Кабель может иметь Ку=0,66. Два порта ответвителя не используются.

Стоит отметить, что данным ответвителем (вариант для 2-х вертикалов), можно питать не только вертикалы, но и слоперы, диполи, рамки, подвешенные, как вертикально, так и горизонтально.

Alex Barski VE3KF, «Low band DXing» ON4UN

73!