Практический опыт построения эффективных антенн на диапазон 80 метров

Часть I. Антенна RZ6AU.

1. Краткая предыстория. Весной 2005 года коллективная радиостанция RK6AXS лишилась своего помещения – история по нынешним временам обычная. Поиски места для новой позиции продолжались несколько месяцев – место мы нашли. Причём, такое, которое позволяет не слишком сдерживать воображение в планировании строительства антенн. После того, как был установлен необходимый минимум, позволяющий вести относительно полноценную работу в эфире (TH7DX от HyGain на ВЧ, Inv V и дельта 40м на НЧ), встал вопрос о строительстве того, ради чего мы, собственно, и искали место: серьёзного контестового антенного хозяйства. Поскольку зима была на носу, начать решили с диапазонов 80 и 160 м.

2. Буридановы муки. Многие радиолюбители нас поймут: когда после городской тесноты получаешь десяток гектар под антенное поле, хочется реализовать всё, о чём в городе только мечталось. Всерьёз для диапазона 80 мы рассматривали 6 вариантов:

• система вертикальных фазированных штырей с переключаемой диаграммой направленности.
• 2 el rotary YAGI
• 3 el rotary YAGI
• 2 или 3 el wire YAGI (две антенные системы, переключаемые в основных направлениях – для UA6A это W(EU)-VK и JA-SA)
• 2 el Delta Loop по образу и подобию того, что пока ещё не упало на лунную антенну RN6BN.
• Антенна, разработанная столичным ренегатом (и нашим старым другом) Валерием Шиневским, RZ6AU. Оригинальное описание этой антенны можно посмотреть или KB и УКВ 9/2000.

Для диапазона 160 м список был вдвое короче:

• система штырей с переключаемой ДН.
• 2 el Delta Loop
• Антенна RZ6AU.

Сразу хотим внести ясность: за годы существования RK6AXS накоплен достаточный опыт строительства и согласования серьёзных антенных систем. Ресурсы, необходимые для подъёма любой из вышеперечисленных антенн, у RK6AXS также имеются. YAGI на восьмидесятку мы пока не поднимали, но сходные задачи решать приходилось.

Не будем описывать долгие ломания копий, аргументы и контраргументы. От идеи быстрого (до начала зимы) подъёма YAGI пришлось отказаться сразу же. Сложная и тяжёлая конструкция требует многих месяцев труда и серьёзных вложений в строительство. А хотелось начать работать уже зимой, в пик прохождения. Два элемента Дельта Луп в практической эксплуатации проявили себя исключительно хорошо, но, однако, не лучше системы из 4-х фазированных штырей (при аналогичных, если не бОльших затратах труда и денег). Антенна RZ6AU манила нас, как сыр лисицу. Простая, лёгкая, очень дешёвая и с выдающимися заявленными характеристиками. Подумать только: 5.5 дБ усиления! 30 дБ подавления заднего лепестка! НА 160 МЕТРОВ!!!

После долгих консультаций с самим RZ6AU было решено начинать именно с неё. Сразу на 160-метровый диапазон. Валера настойчиво нам её рекомендовал. Дополнительно он дал несколько советов:

• диэлектрическая мачта заметно улучшит характеристики антенны. Как минимум, хорошее подавление заднего лепестка будет осуществляться в более широкой полосе.
• в качестве согласующего устройства лучше всего применить резонансный автотрансформатор.
• особое внимание уделить качеству заземления.

3. Как это выглядит. Для тех, кому лень идти по приведённой выше ссылке, кратко обрисуем, что собой представляет антенна RZ6AU. Цитирую автора:

Антенна представляет собой систему из двух одинаковых вертикальных полуволновых петлевых вибраторов с активным шунтовым питанием. Для уменьшения высоты и упрощения конструкции верхние углы вибраторов на изоляторах сведены к вершине мачты высотой 25,00 м (в участке 3,75...3,8 МГц высота мачты 13 м, далее в скобках будут указываться размеры для DX-окна 80-метрового диапазона) и отстоят от нее на 0,20 (0,20) м.

Рис.1.

Наличие неизолированной металлической мачты указанной длины внутри рамок на параметры антенн не влияет.

Четыре верхних части вибраторов длиной по 25,88 (13,04) м расходятся от мачты под прямыми углами, опускаясь к земле до высоты 6,00 (3,00) м.

В этих местах полотно вибратора пропускается сквозь изолятор и, изгибаясь, уходит к точке питания, отстоящей на 10,00 (4,72) м от основания мачты.

Рис.2.

К изоляторам прикреплены четыре растяжки, служащие как бы продолжениями верхних частей вибраторов, вместе с которыми они крепят вершину мачты (подобно элементам двухдиапазонного Inverted Vee).

Длина части вибратора от изолятора до точки питания составляет 14,07 (6,08) м (рис.5 и 6).

Рамки выполнены из канатика или биметалла диаметром 3...4 мм.

Два отрезка 75-омного кабеля длиной по 10,00 (4,72) м подключаются к противоположным рамкам и сходятся к основанию мачты.

Один конец рамки подключается к системе заземления, второй к центральному проводнику.

Возле мачты оплетки кабелей также заземляются, а между центральными проводниками включается фазосдвигающий конденсатор. Изменение направления излучения производится подключением выхода согласующего устройства к соответствующему концу конденсатора (посредством управляемого из Shack"a реле). Кабель питания от трансивера подключается ко входу согласующего устройства. Схема СУ может быть любой. Конец цитаты.

Рис.3.

Рис. 4.

Заявленные характеристики антенны:

• подавление заднего лепестка: на частоте 1830 кГц -22 дБ, на 1845 кГц -31 дБ, на 1860 кГц -19 дБ;
• усиление антенны соответственно 5,3...5,5...5,7 дБ.

4. Стройка. Сами виноваты. Серьёзное строительство начали со 160 м.

Модель на 7 мгц, выполненную на телескопической удочке с десятком противовесов, ставили в спешке, сравнение с таким же телескопическим штырём на диапазон 40 метров носило несколько поверхностный характер. Антенна работала, принимала, вроде, не хуже штыря, демонстрировала наличие хорошей диаграммы направленности. Моделирование происходило в чистом поле, испортившаяся погода не позволила сравнить антенны скурпулёзно. Единственное QSO с VK, проведённое телефоном мощностью 100 Ватт, убедило нас в том, что антенна работает .

В R-Quad (спасибо UA6BGB) были закуплены стеклотекстолитовые трубы. Поскольку авторитет RZ6AU и его репутация разработчика реально работающих антенн очень высоки, трубы были закуплены в количестве, достаточном для изготовления 4-х диэлектрических мачт на 80 м и двух на 160 м. К заземлению подошли максимально ответственно: в точках заземления в грунт были забиты квадратом 4 арматуры длиной 2 м и обварены по периметру такими же двухметровыми отрезками арматуры. По диагонали с соблюдением надёжного электрического контакта были прикручены два отрезка биметалла Ф4 мм – к ним потом припаивались противовесы.

Собранная диэлектрическая мачта высотой 24 метра, оказалась слишком гибкой. Поднять её не удалось даже методом «падающей стрелы» с семью ярусами растяжек. Дело в том, что наибольший из доступных диаметров стеклотекстолитовых труб составляет всего 45 мм – он, соответственно, и был у нас стартовым. Финишный – 18 мм. Мачта падала раз за разом, едва преодолев угол 45 градусов. По нашим оценкам, стартовый диаметр стеклотекстолитовой трубы для обеспечения необходимой упругости при такой длине мачты должен составлять 80-90 мм – купить такие негде. Финишный – не менее 30. Затею с подъёмом антенны на диапазон 160 м пришлось отложить.

Зато восьмидесяточную мачту высотой 14 метров из тех же труб мы подняли одной рукой минуты за три. О конструкции мачты: концы труб вставлялись один в другой (диаметры подобрали соответствующие) на длину 30 см и фиксировались саморезами. Ещё полчаса потратили на выравнивание растяжек и придание полотнам антенны нужной геометрии. В качестве оттяжек применялась обычная капроновая верёвка. Тут всплыло первое несоответствие реальной конструкции авторскому описанию. Показанное красным цветом на рис. 5 расстояние никак не может быть равным ТРЕМ метрам. После подъёма антенны от обеих точек заземления рамок было проложено по 100 медных противовесов длиной (опять-таки, рекомендации автора) 10 метров. Точки заземления были подготовлены так же, как и для антенны на 160 м – арматура, электросварка, биметалл, пропайка.

рис. 5.

5. Настройка. Второе несоответствие – гораздо более серьёзное – всплыло на стадии согласования антенны. Точнее, ещё на стадии моделирования её на 7 Мгц. Если заземлить отрезки кабеля в точках, выделенных на рис. 6 красным цветом, как того требует авторское описание, никакой диаграммы направленности у антенны не будет. Почему – пусть разбираются теоретики, если кому-то из них вдруг станет любопытно. Данная статья написана исключительно на практическом материале.

рис. 6.

Это несоответствие стоило нам нескольких драгоценных часов на стадии моделирования – именно с ним мы проваландались настолько долго, что не успели потом как следует сравнить антенну с классическим штырём. Найти причину отсутствия диаграммы направленности нам помог сам автор – по телефону он порекомендовал отключить заземление отрезков кабеля в этих точках – и антенна сразу заработала.

Впрочем, «сразу» это преувеличение. Антенна весьма и весьма непроста в настройке и согласовании. За долгие часы, проведённые на морозе (большую часть – ещё и в темноте, с антенной возились после работы) мы выработали такую методу:

1. В качестве С1 берём обычный КПЕ от вещательных приёмников, либо другой, подходящей ёмкости. 2. Подключаем трансивер непосредственно к контактам реле К1. 3. Встроенный тюнер трансивера ОТКЛЮЧАЕМ. 4. Определяем резонансную частоту антенны. КСВ будет заметно >1 (у нас – чуть меньше 2). При необходимости – удлиняем или укорачиваем рамки. 5. Не обращая внимания на КСВ, отстраиваем антенну по максимуму подавления заднего лепестка. 6. Подключаем согласующее устройство. Настройки антенны изменятся. 7. Если настройки антенны изменились существенно – применяем другой способ согласования. 8. Подстраиваем антенну по КСВ. Настройки снова изменятся. 9. Подстраиваем антенну по максимуму подавления. КСВ увеличится. 10. Повторяем пункты 7 и 8 до получения максимального подавления при минимальном КСВ. 11. Измеряем емкость С1 и меняем его на постоянный с соответствующим номиналом ёмкости и КВАР. В случае использования емкостей в СУ – измеряем и их и также заменяем на постоянные.

Капризничала антенна не переставая. Уровень КСВ и подавления менялся в зависимости от количества людей, участвовавших в согласовании, от высоты стола с аппаратурой, от силы ветра, так или иначе менявшего геометрию рамок, от наличия в радиусе 30 метров каких-либо крупных металлических предметов и т.д. Из за этого, например, пришлось отказаться от идеи подсветить операционное поле фарами подогнанной машины: рамка, к которой автомобиль подъехал на 20 метров, сразу и сильно уплыла вниз по частоте. Но, как бы то ни было, антенну мы настроили.

6. Ходовые испытания. К моменту завершения настройки антенны RZ6AU на позиции RK6AXS имелась только одна антенна на диапазон 80 метров – Inv V с высотой подвеса 19 м.

Первый этап испытаний заключался в сравнении с этим самым «инвертедом».

Что и говорить, у «инвертеда» она выигрывает заметно. Это слышно сразу, причём на всех трассах. Первое что «бросается в уши» она гораздо меньше шумит. То есть, при аналогичном уровне полезного сигнала, уровень шумов у Inv V выше на три балла. На ближних трассах она не проигрывает «инвертеду» по уровню, на дальних – заметно у него выигрывает. Всё это, разумеется, в направлении лепестка ДН. В других направлениях, она, как и положено, проигрывала соответствующее количество баллов.

Тем, кто долго работал на «верёвки» а потом поставил себе штырь, должно быть знакомо это чувство: на верёвку ты не слышишь ничего, а переключаешься на штырь – бах! – и из под уровня шумов отчётливо слышен сигнал какого-нибудь VK9. Снова переключаешься на верёвку – нет на частоте даже признаков никакого VK9. А на штырь – вот он, принимай на здоровье.

Так вот. Ничего подобного в сравнении с Inv V антенна RZ6AU не продемонстрировала. Выигрыш – да, диаграмма – да, но то, что было слышно на неё – было слышно и на «инвертед». Хуже. Иной раз на два-три балла хуже. Но слышно. Позже, на очень длинных трассах мы смогли отметить немногочисленные случаи, когда на RZ6AU что-то принять было можно, а на «инвертед» нет, но того волшебного эффекта, которого мы ожидали, исходя из своего опыта эксплуатации вертикальных антенн – не было и в помине. Вот тут мнения в коллективе разделились. UA6CW (начальник) утверждал, что такого эффекта быть и не должно, есть выигрыш – и ладно, UA6CT (скептик) настаивал на необходимости дополнительных затрат и подъёма полноразмерного четвертьволнового штыря – «чисто для сравнения». RA6ATN сохранял нейтральную позицию.

Второй этап испытаний антенны случился в перерыве телеграфного Кубка РФ. UA6CW, будучи на RZ6AZZ (там – штырь высотой 24 метра и вертикальный биквадрат на стометровой высоте) повесил CQ USA, UA6CT, находясь на RK6AXS в 22 километрах южнее, включался в каждое QSO, имитируя «антенну номер два», с просьбой дать реальный рапорт «каждой антенне». Мощность при этом была одинаковой на обеих позициях. Ох, какой обнадёживающий получился результат…

По оценкам корреспондентов из NA антенна RZ6AU не проигрывала биквадрату и во многих случаях – до 60% выигрывала у штыря от 5 до 10 дБ. Европа принимала сигналы всех трёх антенн с примерно одинаковым уровнем. После этого этапа испытаний споры скептиков и начальников обострились – установка штыря (согласитесь, немаленькой и не такой уж простенькой антенны) «только ради сравнения» уже не казалась такой уж хорошей идеей. И это очень хорошо, что скепсис иногда побеждает.

Третий этап. Поднаторевши на подъёме гибких мачт, штырь высотой 22,5 метра (дюралевые трубы, конец – отрезок биметалла, изолятор – стеклотекстолит, три яруса капроновых растяжек) мы поставили менее чем за час. И потом ещё восемь часов прокладывали противовесы, общим количеством 100 штук, длиной по 20 метров, с точкой заземления, подготовленной аналогично вышеупомянутым.

А теперь представьте наши эмоции, когда штырь, изготовленный из чего попало, поднятый кое-как и вообще никак не согласованный (КСВ на 3520 получился около 1,5 – нас это устроило) буквально надрал результат наших долгих и тяжких трудов на всех трассах и во всех направлениях . Штырь, конечно, не имеет направленности в горизонтальной плоскости, штырь, конечно, гораздо сильнее шумит (на три-четыре балла), да и вообще, само название «штырь» звучит уже несколько банально…

Штырь выигрывает от 0 (на ближних трассах) до 10 (на дальних) дБ в ста процентах случаев. А в некоторых – и нередких – случаях этот выигрыш является дискретной величиной «слышу/не слышу». Максимально зафиксированный выигрыш штыря составил 20 дБ, в двух или трёх случаях на совсем уж близких корреспондентах антенна RZ6AU выиграла у него пару-тройку дБ. Вот и всё.

Стоит лишь отметить, что пики QSB штыря не совпадают с пиками QSB антенны RZ6AU. Выдержка из аппаратного журнала RK6AXS приведена ниже.

Позывной Принятый рапорт (антенна RZ6AU) Принятый рапорт (штырь)

K4JJW 579 579 N4GI 569 589 NB3O 579 599 K8AJS 589 599 OK2SFO 599+10 599+40

Автор антенны, которого мы ознакомили с результатами своих экспериментов, отреагировал лаконично. «Быть этого не может!» сказал наш старый друг Валерий Шиневский. И занялся исследованием возможных причин возникновения такой существенной разницы между характеристиками антенн. Предположение о том, что мы что-то сделали неправильно, отпало после детальной перепроверки последовательности наших действий и конструкции антенны. Предположение о влияния кабеля (от шека до антенны RZ6AU было почти вдвое дальше, чем до штыря) отпало после того, как мы подключили к антеннам кабели одинаковой длины. Предположение о взаимном влиянии антенн не нашло своего подтверждения в силу довольно значительного – 120 метров – удаления их друг от друга и взаимного расположения – штырь не попадает в ДН антенны RZ6AU. Осталось последнее предположение: «Противовесы у штыря двадцать метров, а у рамок – всего по десять. Удлиняйте противовесы!» Мы проложили дополнительно к имевшимся ещё 40 противовесов длиной 20 метров. Ничего не изменилось. Антенна RZ6AU работала точно так же (по уровням, по рапортам корреспондентов, по сравнению с Inv V и по нашим субъективным ощущениям) как и до установки штыря, штырь всё так же у неё выигрывал. Мы детально перебрали всю систему фазового сдвига и согласования. Мы пробовали менять длину рамок и их геометрию. Мы провели ещё одну ночь на снегу под антенной. Лучше она работать не стала. Результаты сравнений зафиксированы в аппаратном журнале, эксперимент признан завершённым.

7. Выводы.

Вывод радиотехнический. Антенна конструкции RZ6AU несомненно является работающей антенной системой, обладающей хорошей ДН и некоторым усилением относительно низко висящего диполя. Однако, КПД антенны оказался ниже, чем у четвертьволнового вертикального вибратора. Форма ДН, приведённой автором, полностью соответствует нашим эфирным впечатлениям, однако, заявленного усиления на практике достичь не удалось. Антенна чрезвычайно чувствительна к внешним влияниям. Наличие поблизости металла, как то: мачты приёмных ТВ-антенн, громоотводы, провода и т.п., могут существенно осложнить процесс её настройки и полностью нейтрализовать главное достоинство этой антенны – её диаграмму направленности.

Вывод спортивный. ДЕСЯТЬ дБ – это много. Для того чтобы достичь десятидецибельного преимущества в тесте, команды радиоспортсменов городят целые антенные поля, строят усилители, для питания которых требуются отдельные подстанции, забираются на горы и совершают прочие необъяснимые логически поступки. Если даже брать среднюю разницу со штырём на трассе UA6A – USA в 5 дБ – это всё равно много. Почти в четыре раза по мощности. В понимании RK6AXS такая антенна для работы в соревнованиях непригодна.

Вывод практический. Антенну RZ6AU можно смело рекомендовать радиолюбителям, проживающим в сельской местности и имеющим в качестве антенн «верёвки» она однозначно лучше низкого инвертед Ви. Наличие направленности и возможность переключения («отвернуться», например, от наших западных соседей при работе на 80 и 160 м иногда бывает жизненно необходимо) делают эту антенну весьма привлекательной и при этом относительно недорогой конструкцией. Кроме того, антенну в её варианте на 40 или 30 метров можно рекомендовать радиолюбителям, живущим в многоэтажках: места занимает немного, высоких мачт не требует, а шумит на порядок меньше штыря. UA6CT намерен дождаться исследований В. Шиневского по поводу возможности размещения на одной мачте антенн двух диапазонов и, в случае положительного результата, поставить аналогичную антенну на 40 и 30 м на крыше своего дома: в центре Краснодара уровень индустриальных помех велик настолько, что любой штырь превращается в генератор шума, подключённый ко входу трансивера.

Вывод перспективный. В 2006-м году RK6AXS для работы на НЧ-диапазонах будет использовать системы фазированных вертикальных четвертьволновых вибраторов. Эксперименты подтвердили высокое электрическое качество земли на позиции, кроме того, в их ходе был получен ценный опыт фазирования антенн. После подъёма YAGI на 40м будет проведён эксперимент по сравнению волнового канала и системы вертикальных вибраторов для диапазона 40 метров, на основании которого будет принято решение о целесообразности строительства YAGI на диапазон 80 метров.

Вывод маркетинговый. RZ6AU использовал для расчёта своей антенны популярную программу MMANA. Собственно, немалая часть аргументации Валерия сводилась к однозначному «MMANA не врёт!», а проигрыш штырю в конце концов был объяснён «несовершенством удалённого конструирования». Имея в своём коллективе специалистов по формированию масс, RK6AXS с сожалением констатирует возникновение среди радиолюбителей очередного религиозного феномена. Компьютерному моделировщику сейчас модно доверять больше, нежели практическим результатам. Видимо, не за горами времена, когда все проявления HAM-ства, включая строительство антенн, участие в соревнованиях, экспедиции, будут происходить лишь внутри компьютерных симуляторов. По твёрдому нашему убеждению, любая компьютерная программа есть не истина в последней инстанции, а всего лишь инструмент. И как инструмент, она не может быть совершенной. Известны случаи, когда, например, антенна YAGI, посчитанная в YAGI-оптимайзере работала расчётно, без настройки – и сразу! а аналогичная антенна, посчитанная в MMANA, на практике не обеспечивала расчётных характеристик. Известны случаи, когда реально работающая антенна, смоделированная в том же YAGI-оптимайзере, будучи перенесённой в MMANA, показывала совершенно иные характеристики, близко не корреллирующие с её измеренными на практике показателями. Известны и обратные случаи. За некоторые результаты разного подхода к программированию нам приходилось платить из собственного кармана. Наш уровень лояльности к YAGI-оптимайзеру бесконечно выше, но мы никому не навязываем своего взгляда на вещи и своей привычки к удобным нам инструментам. Проведённый эксперимент лишний раз подтвердил известное всем высказывание: «Практика – критерий истины».

8. Дополнение.

29.01.06, уже после написания этой статьи, мы подняли и согласовали в дополнение к нашему штырю ещё один – на расстоянии четверти волны. Выписку из аппаратного журнала приводить не буду, однако результат сравнения двух штырей с рамочной антенной был вполне предсказуем: минимум 6, в среднем 10 дБ выигрывала система двух фазированных штырей. Очень хорошая, кстати, система. Рекомендуем. J В скором будущем будут опубликованы результаты наших экспериментов со штырями.

Фотографии всех антенн можем выслать по запросу – пишите: [email protected] .

9. И последнее. Эксперимент обошёлся RK6AXS в цену неплохого трансивера – чуть больше тысячи долларов по курсу на декабрь 2005 г. (трубы, кабель, полотна, металл, инструменты, КПЕ, КВАРы и т.д.). Желающие могут его повторить J. Мы – отдаём своё предпочтение проверенным на практике конструкциям.

RK6AXS crew: UA6CW RA6ATN UA6CT

С развитием технологий, громоздкие НЧ вертикалы уже не кажутся столь сложно выполнимыми. В частности, обычный вертикал на 40м диапазон может быть выполнен из рыболовной удочки и вообще не содержать растяжек, а, поскольку, так упростилась его установка, таких вертикалов можно делать много в одной системе .

Та же участь постигла и более серьезные конструкции. Применение правильно подобранного набора дюралевых труб позволяет устанавливать полноразмерный вертикал на диапазон 80м, практически, в одиночку. Сразу захотелось использовать возможности столь эффективного оружия более широко.

Рассмотрим вариант, наиболее часто встречающийся - имеющийся штырь на 80м с родной системой искусственного заземления и вполне желаемый вариант: добавка к нему возможности работать на 160м с вертикальной поляризацией.

Способов согласования и выполнения такого укороченного вертикала на 160м несколько. Я рассмотрю лишь наиболее эффективные.

1. Согласование вертикала у его основания

Т.е., фактически, используем все имеющиеся материалы от существующего штыря и добавляем лишь элемент согласования.

Согласование штыря 80м диапазона для работы на 1.8МГц

Катушка выполнена сплошным проводом d=1.8мм на фарфоровом каркасе D=60мм - этого достаточно даже для 3кВт. Несложная схема комумтации позволит использовать антенну на 160 и 80м. При необходимости, место подключения отвода можно изменять и возможно получить несколько рабочих участков, как на 160м, так и на 80м (CW/SSB, например). На 80м необходимо заземленный конец катушки отрывать. Но будьте бдительны: в верхней части катушки очень большие напряжения. Даже при 1кВт распространенные реле TRA2 прогорят при работе на 160м. И да - не верьте тем, кто считает, что катушка индуктивностью 28 мкГн не оказывает влияния при работе на 80м и ее можно от земли не отрывать. Оказывает и еще какое.

Таким образом, мы имеем один полноразмерный 1/4 штырь для 80м и укороченный (1/8L) для 160м.

Такая система была применена на RK9CWA и за одну ночь перед CQWW160м было сработано 20 новых стран, которые доселе не отдавались на IV. При этом, система радиалов использовалась от 80м (не добавлялось ничего более) и состояла из нескольких десятков проводов П-274 длиной по 20м, разбросанных прямо по земле. Очевидно, что при улучшении качества искусственного заземления можно получить более высокие результаты.

Тем не менее, не смотря на полученные результаты, это не самый эффективный вариант использования укороченного штыря. Есть ряд способов повышения КПД всей системы и их мы рассмотрим ниже.

2. Добавление емкостных нагрузок (ЕН)

Добавление двух проводов сверху самого штыря позволит нам существенно улучшить КПД системы и даже почти избавиться от согласования в основании вертикала. Выглядеть система будет следующим образом:

Два провода по 19м и несложное согласование в точке запитки отрезками 1/4 кабелей и готова очень эффективная антенна для 160м!!

Как частный случай - применение одного провода чуть бОльшей длины (Inv-L). Однако, суммарная эффективность такого решения будет ниже, нежели с двумя (4, 6 и т.д в порядке улучшения) проводами, симметрично расположенными от излучателя.

Здесь нужно отметить, что вершина вертикала должна обладать необходимой прочностью! Если такой прочности нет, то с более худшими параметрами можно немного сдвигать ЕН вниз от вершины. И чем ниже мы двигаем такую ЕН, тем длиннее ее провода должны быть и тем хуже получается эффективность системы.

Есть два недостатка:

1. Вертикал придется "валить" на землю для присоединения ЕН

2. Антенна становится однодиапазонной

Если с первым вариантом все понятно и никуда не деться, то у второго варианта есть ряд решений. Установку СУ для 80м здесь не будем рассматривать, а вот об изготовлении двухдиапазонной эффективной НЧ антенны - поговорим.

3. Установка трэпа

Для того, чтоб наш вертикал заработал в двух диапазонах, можно установить реле в точке подключения ЕН и отключать контактами всю ЕН, осуществляя переключение между диапазонами 160 или 80м. Но это сложно технически. Гораздо проще и правильней - установить трэп! Подробно на тему трэпов рассказано . Наш вариант трэпа будет выглядеть следующим образом:

Мотается трэп на сантехнической трубе 110мм кабелем РК-50-4. Выдержит такой трэп более 1кВт. Если есть необходимость создать более легкую конструкцию, то можно применить кабель RG-58 и оправку диаметром 80-90мм.

Такое решение позволит обойтись без коммутирующих элементов наверху вертикала, но антенна, при этом, будет двухдиапазонной. Необходимые переключения CW/SSB можно осуществлять в точке ее питания.

Вообще, вот три популярных варианта исполнения вертикалов:

Варианты исполнения вертикальных антенн 160/80м

Использование вертикала на 80м для диапазона 40м

Отводом подбирается требуемый коэффициент трансформации сопротивления. Точку подключения можно выбрать такой, что КСВ будет бесконечно близким к 1. В таком варианте следует предпринять повышенные меры для минимизации антенного эффекта фидера (АЭФ). Про запитывание полуволнового вибратора с конца излагалось .

Описанные методики можно использовать и с более короткими штырями: например, вертикал 10м высотой от 7МГц можно неплохо поэксплуатировать на 80 и 20м.

Как я и планировал, прошедшим летом я полностью переделал свой вертикал . Антенна теперь представляет из себя вертикальный штырь из труб Д-16Т (телескопирование от ф58мм до ф36мм) длиной 21м, наверху подключен трап на 3,5 МГц из коаксиального кабеля РК-50-7-11 (использовал трап от старой антенны), и после трапа горизонтальная часть из медного провода длиной около 26м.

Система противовесов осталась старая. У основания антенны установлено согласующее устройство.

Антенна имеет 4 яруса оттяжек из капронового шнура.

В телеграфном участке 80м. диапазона антенна запитана напрямую 50-омным кабелем. В верхнем SSB-участке (3700-3800 кГц) согласование выполнено в виде последовательно включенного конденсатора емкостью 540 пФ.
На диапазоне 160м. антенна имеет электрическую длину больше чем четверть волны, за счет этого активная составляющая импеданса получилась около 45 ом, а реактивность скомпенсирована последовательно включенной емкостью 200 пФ.
Антенну можно согласовать и на 40 и 30 метрах, используя простое Г-образное LC-согласование, но в целях упрощения коммутации и повышения надежности я от этой затеи отказался.
Коммутация в согласующем устройстве сделана на вакуумных замыкателях В2В. Сначала попробовал использовать реле РЭН33, но они мгновенно сгорели (пробой ВЧ-напряжения на катушку реле). В2В пока работают:).

Работой антенны доволен, даже на прием работает весьма неплохо. Из DX-QSO за последние месяцы при не очень активной работе могу отметить:
На 80м – 3B7SP, 3D2MT, 3B7C, A52AM, C52C, PJ4E, V47KP, FY5KE, V26B, TS6A, XU7MDY, VR2MY, V8FWU
На 160м – 3B7C, VQ9LA, VR2MY, TF3KX, KV4FZ, W’s, VE и JA
Хотя конечно бевериджи делать надо – и это в планах на ближайшее будущее.

Михаил Владимирович Бондарев (R3BM)

info - www.r3bm.ru
Поделитесь записью в своих социальных сетях!

]. Антенна представляет из себя нерезонансный 7-метровый вертикал с тремя, также 7-метровыми, противовесами, запитанный симетричной линией через автоматический антенный тюнер SG-239.

Антенна меня заинтересовала, но был один момент вызывавший сомнения - для запитки несимметричной антенны использовалась симметричная линия, да ещё и расположенная несиметрично относительно самой антенны. Однако пришла идея проверить (расчитать на моделировщике MMANA) два вопроса:

1. Почему длинна вертикала, и его радиалов, выбрана автором (DK7ZB) именно 7 метров?
2. Что будет если подвесить мой SG-239 непосредственно в точке питания антенны? Сможет ли он обеспечить согласование и на какие диапазоны?

Исходя из наличия пластиковой мачты высотой 10 метров, была смоделирована возможная конструкция будущей антенны представленная справа на рисунке. Семи метровые элементы антенны - медные провода (диаметр не критичен). Антенный тюнер укреплён на мачте на высоте 3 метра над землёй. Вертикальный излучатель и радиалы подключены непосредственно ко входу тюнера. Коаксиальный кабель от тюнера до трансивера произвольной длины.

Расчёты показали, что вертикальный излучатель длиной 7 метров является приемлемым компромисом для дипазонов от 10 до 40 метров. В диапазоне 40 метров антенна является укороченной и проигрывает полноразмерному четвертьволновому вертикалу, однако совсем незначительно, а диаграмма направленности практически соответствует - максимальное излучение под зенитным углом примерно 25 0 . В диапазоне 10 МГц антенна почти полноразмерная (укорочена примерно на 41 см) - почти четвертьволновая.

Начиная с диапазона 14 МГц преимущество перед четвертьволновым вертикалом начинает ощущаться сильнее - максимумы диаграммы направленность в вертикальной плоскости начинают прижиматься к горизонту. В диапазонах 18 и 21 МГц максимум усиления под зенитным углом 15 0 ...17 0 - это весьма неплохо для дальних связей.

В диапазонах 24 МГц и 28 МГц начинает ощущаться длинна антенны. Угол максимального излучения задирается сильно вверх, особенно на 28 МГц. Однако если сравнить усиление рассматриваемой антенны под малыми углами, то оно выше чем у четвертьволнового вертикала.

Таким образом антенна интересна не только для повседневных, но и для DX связей.

В диапазоне 80 метров антенна сильно укорочена. Её входное сопротивление около 5 Ом с огромной реактивной составляющей. Автоматическому антенному тюнеру согласовать такое практически непосильно, да и общая эффективность будет мала. Здесь я подошёл к вопросу а сможет ли имеющийся у меня в наличии антенный тюнер SG-239 согласовать такую антенну, при установке его непосредственно в точке питания.

MMANA позволяет мгновенно и просто расчитать параметры согласующего устройства антенны на нужной частоте - т. е. можно пробежаться по всем диапазонам и получить необходимые комбинации и величины L и C для СУ. А производитель автоматического антенного тюнера SG-239 позаботился и выложил своего устройства, где можно увидеть какие максимальные и минимальные величины L и C он может обеспечить в своём СУ. Расчёты и сравнение показали, что тюнер SG-239 с успехом справится с согласованием данной антенны на диапазонах от 10 до 40 метров.

В итоге, в 2013 году антенна была построена и испытана. Расчёты полностью подтвердились. Антенна активно использовалась в поездках. Для ещё большего удобства было реализовано питание антенного тюнера по коаксиальному кабелю с использованием инжекторов постоянного тока на стороне тюнера и на стороне трансивера. Об устройстве инжектора можно прочитать здесь: " ". Таким образом необходимость тащить к антенне дополнительный кабель 12 В питания тюнера (или устанавливать аккумулятор рядом с тюнером) отпала - всё происходит по одному коаксиальному кабелю. В некоторых случаях это очень удобно. Например, в ниже приведённых примерах использования данной антенны, был вариант установки её на башне маяка высотой 35 метров в дни ILLW активности. Достаточно было спустить вниз один RG213 коаксиальный кабель (длина его была 55 метров) чтобы подать 12 Вольт питания на тюнер и запитать антенну.

Примеры использования этой антенны приведены ниже. Всегда, после прочтения подобных описаний каких-то конструкций, хочется увидеть что-то реальное в примерах (Hi) - вот, это реальные выезды с реальным применением этой антенны, с фото и даже видео:)

Немного об автоматическом антенном тюнере SG-239 . Чтобы сэкономить я выбрал тюнер именно этого типа. Он продаётся без корпуса и поэтому существенно дешевле. Заказывал непосредственно у производителя из Америки. Если планируется постоянная установка на улице, то выйгрыш в цене на тюнер без корпуса весьма сомнительный, так ка подобрать устоичивый к перепадам температур и влажности хороший и герметичный корпус довольно трудная задача. Для временной установки я использую сравнительно дешёвую электрическую коробку - " ". Что ещё мне понравилось в его конструкции - вся печатная плата тюнера полностью помещена в экран. Наружу выведены только клемы подключения и светодиодные индикаторы для контроля. Очевидно это немаловажно при установке тюнера непосредственно около антенны, для защиты его внутренней электроники от наводок. Опционально для SG-239 можно приобрести (или сделать самому - не сложно) пульт управления, подключаемый по проводам, но этой опцией я не пользовался.

Простой проволочный вертикал на 80 метров

Многие радиолюбители используют на низкочастотных диапазонах проволочные антенны, например, такие как Дельта, полуволновой диполь или "верёвку", чаще всего располагая их просто горизонтально.

Эти антенны достаточно просты в конструкции и монтаже, так как такую проволочную антенну можно просто подвесить между домами. При этом высота подвеса горизонтальных антенн, как правило, невелика. Для примера, полуволновой диполь, подвешенный на высоте четверти волны (для 80 м диапазона это около 21 м) имеет максимум диаграммы вертикального излучения в точности в зените, абсолютно бесполезное для проведения QSO.

Если такую антенну подвесить на высоте полволны, то излучение в зенит исчезает, а лепестки излучения составляют около 30 град к горизонту, однако для 80 м диапазона, эта высота уже около 42 м, не говоря уже про диапазон 160 м. Высота типовых 8-9 этажек составляет около 25 м, а поднять антенну выше 40 м доступно не каждому.

Антенны с наклонными излучающими элементами, Inverted V, наклонные Дельты или "верёвки" дают лучшие результаты, но, тем не менее, горизонтальная составляющая излучения таких антенн заметна. Из антенн типа Inverted V можно выделить антенну VP2E (Vertical polarized 2 element). Она имеет направленные свойства, вполне эффективна в направлениях перпендикулярных плоскости антенны и имеет полотно в размере длины волны.

Вертикалы типа "Граунд-плейн" (GP), пожалуй, наилучший вариант всенаправленной антенны для DX QSO уже неплохо себя зарекомендовали, правда, они несколько более громоздки проволочных в монтаже для антенн приемлемой высоты, требуют, помимо достаточно большой мачты, организации хорошей ―земли для снижения потерь.

Антенна подвешена на высоте 25 м (8-этажный дом).

Она очень проста в изготовлении и исполнении - чуть сложнее обычного диполя.

По виду напоминает перевёрнутую "Граунд-плейн" (GP) с двумя радиалами, и, хотя её уже нельзя назвать GP в полном смысле слова, принцип работы её горизонтальной части схож с принципом работы радиалов в GP с противовесами (радиалами) и поясняется рисунком (рис. 2).

Токи в плечах обычного диполя противофазны, что обеспечивает ему диаграмму излучения в виде восьмерки, тогда как в описываемой антенне токи ―растекаются‖ по радиалам (токи синфазны) и имеют вдвое меньшую величину, чем рабочий ток. И хотя горизонтальная часть все-таки излучает, приблизительно под углами 45 град к оси антенны и под большими горизонтальными углами, это излучение вызывается вдвое меньшими токами и отсутствует излучение в зенит.

Расчётные максимумы излучения горизонтальной части по отношению к максимуму основных лепестков (вертикального излучения) антенны получаются около –15 дБ (по данным компьютерного моделирования) и они нисколько не портят работу антенны.

В целом, расчётная диаграмма антенны весьма близка к диаграмме классической GP, провалы диаграммы в горизонтальной плоскости около 1 дБ. Основное излучение антенны имеет вертикальную поляризацию.

Антенна не требует организации "земли", тем не менее, отражающие свойства земляной поверхности, безусловно, влияют на качество работы антенны.

На практике все факторы влияния на антенну имеют место (окружение, земля и проч.), но, в любом случае, такая антенна предпочтительнее горизонтальных антенн на небольшой высоте. Антенну удобно использовать в условиях городских застроек (загородных условиях, наверное, проще соорудить обычный вертикал GP и обеспечить "землю" для него).

Расчётные значения излучателя и радиалов для диапазона 80 м – 21,03 м (резонансная частота 3550 МГц). Все три проводника были выбраны равной длины по следующим причинам - излучающая часть расположена близко к земле, что должно вызывать её электрическое удлинение. Выбор длин всех проводников равными делает излучающую часть электрически чуть длиннее четверти волны, а радиалов чуть короче четверти волны. Это предотвращает смещение максимумов токов в радиалах от центра к концам на верхних границах рабочего диапазона, нарушение правильной работы горизонтальной части антенны и появление дополнительного горизонтального излучения. Кроме того, горизонтальную часть следует располагать максимально симметрично относительно окружающих предметов.

Несмотря на то, что антенна, по сути, несимметрична, применение устройства, симметрирующего токи в кабеле питания, весьма желательно. Выбор устройства симметрирования диктуется механическими соображениями для минимальной нагрузки на центр подвеса горизонтальной части (которая и так порядком нагружена). У автора он выполнен на ферритовом кольце (8 витков коаксиального кабеля на кольце 1000 НН 40х25х11).

Питание антенны было организовано следующим образом.

От точки питания через симметрирующее кольцо до ―сухой точки (места, где удобно производить согласование и настройку) лёгким кабелем 75 Ом (опять же из механических соображений и смиряясь с возможной стоячей волной в данном участке фидера).

Далее обычным 50-омным кабелем через простое самодельное согласующее устройство, компенсирующее вносимую 75-омной линией реактивную составляющую (длина кабеля от точки питания до согласующего устройства была отлична от половины волны) и приводящее сопротивление к нужному значению.

Схему и параметры устройства легко подобрать с помощью встроенного калькулятора программы расчета антенн MMANA. Можно использовать выносной антенный тюнер или любое другое согласующее устройство.

Судя по LC параметрам согласующего устройства при настройке его в резонанс, сопротивление в точке питания антенны оказалось выше - где-то в районе 50-60 Ом, что выше расчётного (около 40 Ом). В такое повышение сопротивления по сравнению с расчётным возникает из-за провисания центра горизонтальной части под тяжестью проводника излучателя и кабеля (ну и неизбежных потерь, конечно). Настройка производилась с помощью антенного моста.

Антенну можно запитать из нижней точки излучателя (если неудобно тянуть кабель сверху вниз) с помощью настроенной линии по типу питания известного J-образного вертикала (автор такой способ питания не пробовал).

Для наилучших результатов и если это позволяют условия, горизонтальную часть антенны желательно поднять несколько выше уровня крыш домов, между которыми растягивается антенна. Конец излучателя с помощью оттяжек крепится на деревьях на малой высоте или других, торчащих из земли предметах.

Для диапазона 160 м, если высота не позволяет разместить полноразмерный четвертьволновый излучатель, можно использовать емкостную нагрузку на нижнем конце излучателя в виде двух горизонтальных проводников.

Особенно заметной разницы в расположении проводников емкостной нагрузки (параллельно радиалам или перпендикулярно), по крайней мере, в расчетном варианте, не видно. Размеры для антенны с емкостной нагрузкой на 160 м (резонанс - в телеграфном участке диапазона): радиалы по 39.32 м, излучатель – 21 м, два проводника емкостной нагрузки по 12.19 м. Высота подвеса 25 м. Расчетное сопротивление в точке питания около 25 Ом.

Возможно изготовление многодиапазонных вариантов антенны путем ―отсечения‖ лишней длины излучателя и радиалов с помощью LC трапов.

Для двух диапазонного варианта 160-80 м расчетные размеры составляют: радиалы по 36 м (трапы вставляются в точках 14.97 м от концов радиалов), излучатель 21.14 м (трап включается между концом излучателя и емкостной нагрузкой), два проводника емкостной нагрузки по 14.2 м. Трапы – параллельно включенные L=13.4 uH, C=150 pF. Сопротивления излучения изменяется при смене диапазона. Резонансы - в телеграфных участках диапазонов.

Сходный по принципу работы вариант вертикальной направленной антенны под названием "Bobtail Curtain". Она состоит из трёх вертикальных излучателей, соединенных сверху горизонтальной секцией с синфазно растекающимися токами. Антенна "Bobtail Curtain" имеет направленную диаграмму в горизонтальной плоскости (в направлениях перпендикулярных её плоскости).

Д.Федоров UA3AVR

tagPlaceholder Tags: