Лучшим выбором для приёма DX на НЧ КВ диапазонах является антенна Бевереджа (АБ). Но для хоть какой-то работы на 1,8 MHz её длина должна быть не менее 100 м. А для хорошей работы – более 160 … 200 м. Оптимальная высота провода АБ над землёй составляет обычно 1…2 м (зависит от свойств земли и длины антенны). Это означает, что для развертывания обычной АБ надо найти полоску земли длиной более 100 м (а лучше 160 … 200), которую не пересекают ни тропинки, ни дороги (иначе прохожие и проезжие оборвут провод АБ).
А найти такую полоску земли почти невозможно даже в сельско-дачной местности. Ведь там, где живут люди. И они передвигаются: пешком и на транспорте. Посмотрите на спутниковые карты: в любой не совсем безлюдной местности невозможно найти ни одного варианта достаточно длинной для АБ полосы земли, которую бы не пересекал проход, тропинка, проезд или грунтовка.
Поэтому на практике даже в селько-дачной местности почти нереально установить АБ постоянно. И приходится использовать временные варианты: бросить повод на пару суток теста осенью или зимой, когда людей мало и есть шанс, что антенна простоит какое-то время дней не оборванной.
Значит, необходимо решать проблему перехода АБ через проход или проезд. Обычно это делается вынужденным П-образным подъемом провода АБ на высоту 3 … 3,5 м над пересекаемым проездом. Но такое решение имеет два существенных минуса:
Раз перейти проезд проводом АБ поверху сложно, то будем проходить снизу. Под землёй. Тогда мы мешать никому не будем и от обрыва убережемся.
Далее считается, что у нас есть возможность закопать провод в защитной трубке (специальная, чёрная для защиты подземных кабелей от грызунов, есть в магазинах электортоваров), который невозможно было повредить сверху (сельхозработами и\или колесами проезжающих машин). Поэтому речь здесь только о грунтовых проходах и проездах (вряд ли кому понравится, если вы раздолбите твердое покрытие дороги).
В зависимости от почвы и типа прохода или проезда глубины 30…50 см достаточно, чтобы нашу пластиковую трубку с проводом никто не видел и не повреждал. Придётся изыскать возможность закопать трубку с проводом под проездом в то время, когда там никого нет и мы своими «дорожными» работами никому не помешаем (в рабочий день и не в разгар дачного сезона такое время найти можно).
Организационные вопросы мы решили. Теперь займемся радиотехническими.
Просто закопать провод АБ под проездом нельзя. Во-первых, на длине подземного участка (несколько метров) волновое сопротивление АБ скачком снизится с 500 … 600 Ом (провод на высоте 1,5..2,5 м над землей) до 100 ... 200 Ом (провод в защитной пластиковой трубке диаметром около 15 мм под землей). От этой неравномерности волнового сопротивления появятся отраженные волны. Нарушается режим чисто бегущей волны. А это приводит к резонансным явлениям в проводе, т.е. ухудшению F/B и согласования.
Во-вторых, зарыв провод АБ в землю, мы в зашунтируем полезный сигнал емкостью этого провода на землю. А эта емкость при нескольких метрах длины будет значительна. Из-за этого упадёт сигнал с антенны. А у АБ он и без того невелик.
Следовательно, зарываемая под землю (под проход-проезд) часть АБ должна быть:
Этим требованиям отвечает коаксиальный кабель, с двух сторон нагруженный на повышающие ферритовые трансформаторы 50\450 Ом. АБ с подземным переходом показана на следующем рисунке (пропорции на нём не соблюдены).
Конструкция подземного перехода (помимо той, что очевидна из рисунка) такова. Оба выглядывающих из-под земли с обеих сторон прохода-проезда конца (примерно по метру длиной каждый) защитной трубки с коаксиальным кабелем внутри неё, изогнуты П-образно. Это делается для того, чтобы вода не затекала внутрь трубки. Каждый конец трубки с коаксиалом внутри входит в обычную электрическую монтажную коробку для внешней разводки. Эти коробки монтируются на высоте примерно 0,5 м над землей (чтоб не заливало водой и не покрывало снегом).Внутри каждой из коробок расположен обычный широкополосный ферритовый трансформатор 50\450 Ом.
В принципе, желательно бы подключить оплетку коаксиала к небольшому заземлению (такому же, как нижний конец нагрузочного резистора в обычной АБ). Но этого можно и не делать, т.к. емкости между несколькими метрами подземной оплётки и грунтом достаточно для ВЧ заземления в линии 450 Ом. Большие токи в линии 50 Ом текут только внутри кабеля, а снаружи это линия 450 Ом, поэтому ВЧ заземление может быть довольно плохим, с несколькими десятками ом потерь.
Оценим, насколько наш подземный переход ухудшает параметры АБ (улучшить он их, понятное дело, не может). Сначала рассмотрим потери.
Затуханием в нескольких метрах согласованного коаксиала на частотах ниже 10 МГц (выше применение АБ не имеет смысла) можно пренебречь даже в случае дешевого тонкого кабеля.
Потери в трансформаторах можно оценить по следующему рисунку, на котором показана АЧХ двух самых обычных ферритовых трансформаторов 50\450 Ом (сделаны на первых подвернувшихся под руку ферритовых кольцах FT50B-43 внешний диаметр 12,7 мм, такая же высота, внутренний диаметр 7,1 мм, проницаемость 800, обмотка из 7 витков в три провода), соединенных последовательно.
Видно, что затухание пары таких трансформаторов на НЧ диапазонах не превышает 0,5 дБ, т. е. несущественную величину для приёмной антенны.
Но в подземном переходе меняется не только амплитуда, но и фаза сигнала. Та же пара трансформаторов имеет следующую фазочастотную характеристику.
Видно, что на 1,8 и 3,5 МГц дополнительный фазовый сдвиг от трансформаторов пренебрежимо мал, но возрастет до 11 гр на 7 МГц и 19 гр на 10,1 МГц.
Кроме трансформаторов дополнительный фазовый набег дает и коаксиальный кабель. Оценим этот набег. Допустим, физическая ширина перехода 5 м (деревенская грунтовка). Общая физическая длина кабеля: 5 м горизонтально под землей + 2 по 0,5 м вертикально под землей + 2 по 1 м на концы снаружи. Итого 8 м. Электрическая длина такого коаксиала будет 12 м (с учетом коэффициента укорочения коаксиала). Поэтому по сравнению с обычной АБ (которая бы потеряла на проход 5 м длины) у нас возникает дополнительная электрическая длина 12 – 5 = 7 м. Это приведет к дополнительному фазовому сдвигу в 15 гр на 1,8 МГц, 30 гр на 3,5 МГц, 60 гр на 7 МГц и 85 гр на 10,1 МГц.
Точная модель антенны с описываемым переходом невозможна (для описания нужны и линии, и трансформаторы). Поэтому применим упрощенную модель, состоящую из двух отдельных АБ (половинок исходной АБ), с отдельными источниками в каждой. Фазовый сдвиг между источниками должен быть равен сумме:
Этот суммарный фазовый сдвиг зависит от частоты, поэтому сделаем 4 модели по диапазонам: 1,8 MНz, 3,55 MНz, 7,05 MНz, 10,12 MНz. Усиление в этих моделях не соответствует реальному, т.к. эти модели содержат по два нагрузочных резистора, следовательно, из-за больших потерь покажут меньшее усиление.
Поэтому приведенные ниже сравнительные диаграммы направленности нормированы к одному усилению, чтобы можно было сравнить только формы ДН (а именно они влияют на помехозащищенность приемной антенны).
Сравнение ДН обычной АБ длиной 167 м (красная) и АБ такой же длины, но с описываемым переходом шириной 5 м в середине (черная) на 1,8 MНz показано на следующем рисунке.
Видно, что формы антенн практически идентичны, лишь чуть снизилось подавление задних лепестков.
Следующий рисунок показывает сравнение этих же антенн, но в диапазоне 3,5 MHz. Тут уже отличие больше: подавление задних и боковых лепестков ухудшается ощутимо (лишний фазовый набег сказывается). Тем не менее, ДН остается направленной и вполне приличной для приемной антенны.
Пойдем выше по частоте. Сравнение ДН тех же антенн на 7,05 MНz.
Видно значительное ухудшение подавления задних и боковых лепестков в АБ с подземным переходом (черная ДН). Хотя и такая ДН может оказаться иногда приемлемой, но лучше бы увеличить подавление назад. Для этого вместо T2 (на первом рисунке) переключающим контактом реле подключим нагрузочный резистор, а подземный переход и дальнюю часть антенны отключим совсем. Получится обычная АБ половинной длины (81 м в данном примере). ДН такого варианта показана на предыдущем рисунке зеленым. Подавление назад возросло. Управляющее напряжение для реле в таком варианте проще всего подать через развязывающий дроссель прямо на провод АБ, отрезав по постоянному току Т1 и Т2 разделительными конденсаторами.
ДН тех же трёх вариантов на 10,12 MHz показаны ниже.
Тут уже АБ с подземным переходом (черная ДН) совсем неприменима, т.к. основной лепесток зенитной ДН задрался вверх (большой лишний фазовый набег не прошел даром). Но при отключении подземного перехода и дальней части, ДН первой половины АБ (зеленая) оказывается вполне приличной.
Для быстрого анализа формы ДН АБ с подземным переходом можно использовать еще одну упрощенную модель. В ней подземная часть имитируется обычным проводом низко над землей, а дополнительный фазовый набег от «лишней» электрической длины кабеля и трансформаторов – меандром дополнительной длины провода. В нашем случае это 8 м (7 «лишних» от коаксиала + 1 м от трансформатора). Этот меандр вносит дополнительный фазовый сдвиг, более-менее корректно имитирующий фазовые сдвиги, вносимые подземным переходом.
Описанный выше подземный переход позволит разместить длинную АБ там, где об этом ранее нельзя было и помыслить из-за прохода или проезда. Однако дополнительный фазовый набег в переходе ограничивает количество таких переходов и верхнюю частоту.
Фазовый набег в переходе максимально влияет если подземный переход расположен в середине АБ и минимально если близко к краям.
Основной «лишний» фазовый набег дает коаксиальный кабель, поэтому стремитесь к его минимально необходимой длине.
В диапазоне 1,8 MHz без заметного ухудшения ДН можно применять два подземных перехода (здесь и далее речь о переходе шириной 5 м, при меньшей ширине требования смягчаются). Это позволит пройти через два прохода или проезда. В диапазоне 3,5 MHz один подземный переход приемлем. Два – уже плохо.
На 7 и 10 MHz наиболее разумно с помощью реле отключать подземный переход и части АБ за ним. Оставшаяся АБ при длине даже 40 … 50 м будет вполне прилично работать в этих диапазонах.
Beer Sheeba, 17.07.2015