Антенна для коттеджа

Эффективная антенна на все КВ диапазоны на одной мачте высотой 21 м.

Постановка задачи

Предыдущая статья на эту тему кроме интереса, вызвала и справедливую критику.

Во-первых, физической высоты мачты 13,5 м маловато, чтобы чувствовать себя уверенно на диапазоне 160 m.

Во-вторых, в предыдущей статье не приведены конструктивные особенности антенны и схема коммутатора.

Эти недостатки учтены описании данной антенны.

Антенна

Эта антенна во многом является продолжением предыдущей с теми же требованиями: мачта на изоляторе, хорошее ВЧ заземление для вертикала, тюнер (авто или коммутируемый) около изолятора при питании по коаксиалу, или двухпроводная линия от точки питания до ручного тюнера в шеке. Поэтому не поленитесь перечитать требования к конструкции в предыдущей статье, они непросты. Но увы, необходимы.

Антенна представляет собой вертикальную телескопическую мачту высотой 21 м (не очень критично, можно плюс-минус 2...3 м, лучше, конечно, в плюс) установленную на изоляторе прямо на земле. Вдоль мачты от изолятора до верха идет воздушная двухпроводная линия, которая наверху расходится в стороны, образуя диполь Inverted V с плечами по 18 м (тоже не очень критично, и тоже можно + 2...3 м) под углом ~ 450...550 к мачте. Поскольку горизонтальный размер антенны (по крайним точка крепления плеч Inverted V) составляет ~ 50...60 м, то в пределы небольшого (несколько соток) участка антенна не помещается, надо или договариваться как минимум с одним соседом о креплении провода антенны, или иметь участок побольше обычного.

Конечно, антенна может быть установлена не только прямо на земле, но и на любой подходящей крыше. Проблема лишь в том, что невозможно грамотно растянуть мачту высотой 21 м на крыше обычных многоэтажных жилых домов. Не хватает ширины крыши. Придется искать какие-то внешние точки крепления.

В зависимости от диапазона и требуемой поляризации антенна внизу коммутируется:

  1. Для горизонтальной поляризации мачта заземляется, а питание идет дифференциально, в провода двухпроводной линии. Антенна работает как диполь Inverted V.
  2. Для вертикальной поляризации провода линии соединяются между собой и питание подается между ними и ВЧ заземлением. Антенна работает как вертикальный излучатель с емкостными нагрузками.

Схема антенны показана на рис. 1.


Рис. 1
.

Внешний вид – на фотографиях рис 2 и 3 (провода антенны и растяжки обмерзли, поэтому их хорошо видно).


Рис. 2
.

Рис. 3
.

Конструкция

Линия и диполь сделаны из провода диаметром 1,5 .. 2 мм. Каждая из половин антенны (одно плечо диполя + один провод линии) сделана из цельного куска провода.

Двухпроводная линия закреплена и туго натянута вдоль мачты (иначе она будет болтаться ветром и замыкать). Пример конструктива показан на рис. 4.


Рис. 4

Изолирующие распорки сделаны из отрезков стеклопластиковой арматуры (та, которая без навивки стальной проволоки, только пластик) длиной 12 ... 15 см. Эти отрезки закреплены на мачте стандартными затягивающимися хомутами из нержавейки с помощью небольшого (7 ... 8 см) отрезка упаковочной стальной ленты (на фото рис.4 она с перфорацией), обмотанной вокруг сложенных вместе хомута и отрезка стеклопластика. При затягивании хомута он изгибается, жестко фиксируя ленту и распорку.

Провода линии закреплены около концов стелоплатикового отрезка. Для этого в нем пропилены небольшие углубления. Крепеж линии сделан обвязкой отрезками медного провода (обрезки того же провода, что пошел на линию).

Наверху мачты кольцом из стального провода закреплены два орешковых изолятора (кольцо проходит через первые отверстия каждого из изоляторов и сквозь отверстие в мачте). Через вторые отверстия изоляторов проходят провода антенны. Они крепятся к изолятору обрезками медной проволоки (обмоткой, примерно также, как линия к стеклопластиковым распоркам на фото рис.4)

Внизу на мачте закреплена коробка коммутации. В нее входят 4 антенны провода: два от линии и по одному от мачты и заземления. В зависимости от выбранного способа питания из коробки коммутации выходит либо коаксиальный кабель (его разумнее всего провести под землей, ниже радиалов), либо двухпроводная линия к тюнеру в шеке. Но такую линию под землей не проведешь. Способ ее прокладывания показан на фотографии рис. 5.


Рис. 5

Двухпроводная линия, выходя из коробки коммутации под углом 300 ...450 поднимается до уровня первого яруса растяжек и далее идет в шек горизонтально, не мешая проходу людей под ней.

Питание

Антенна может питаться двумя способами: по коаксиальному кабелю и по воздушной двухпроводной линии.

При питании по коаксиальному кабелю у основания антенны необходим тюнер. Автоматический или набор диапазонных несимметричных согласующих LC-цепей. В последнем случае согласующие цепи либо коммутируются с помощью реле, либо вручную, перемычками с "крокодилами на концах". Для расчета отдельных Г-образных согласующих LC-цепей на каждый диапазон на двух предыдущих рисунках 9 – 17 даны импедансы, а пользоваться окном СУ на LC в MMANA-GAL вы наверняка уже умеете (а если еще нет, то овладейте искусством вручную вбить цифры R и JX, выбрать диапазон и увидеть готовую схему). Впрочем, если размеры мачты и проводов сверху у вас иные, то иными будут и импедансы и схемы согласования. Для расчета LC цепей согласования можно также на готовой антенн измерить внизу импедансы по диапазонам для разных поляризаций.

Схема коммутации поляризаций при использовании питания по коаксиалу показана на рис. 6. При вертикальной поляризации половинки антенны включаются вместе а тюнер между ними и ВЧ землей. При горизонтальной –двухпроводная линия от дипольной антенны симметрируется балуном Tr1 и подается на несимметричный тюнер (мачта при этом заземляется, что улучшает симметрию).


Рис. 6

При мощности передатчика 1 кВт в реле K1...K3 должны быть с зазором >2 мм. Паразитные реактивности контактов реле неважны, они будут компенсированы тюнером при настройке.

Симметрирующий трансформатор Tr1 используется для перехода с симметричной дипольной антенны на несимметричный тюнер. Он используется при горизонтальной поляризации на диапазонах 3,5...28МГц. При мощности передатчика до 1 кВт Tr1 может быть намотан на двух сложенных вместе кольцах Fai-Rite 5961003821 (проницаемость 125) или FT-240-K (проницаемость 400). В первом случае обмотка содержит 2х13 витков провода сечением 1,5 мм2 с фторопластовой изоляцией, во втором – 2х9 такого же провода. Также может быть использован готовый балун на соответствующую мощность, способный работать в цепях с реактивностью (смотрите, например, балуны на выходе промышленных Т-тюнеров).

При питании по двухпроводной линии у основания антенны остается только коммутатор поляризаций. Он может быть выполнен в двух вариантах.

Первый вариант коммутатора поляризаций при питании по двухпроводной линии показан на рис 7.

При Н поляризации двухпроводная линия питания прямо подключается к двухпроводной линии, идущей вдоль мачты, а сама мачта заземляется. Получается обычной диполь, питаемый по длинной двухпроводной линии. Симметрирующий трансформатор полностью отключен. При V поляризации синфазный сигнал с несимметричной антенны (два включенных параллельно плеча как вертикал с ЕН и ВЧ земля) балуном Tr1 превращается в дифференциальный и подключается к питающей линии.


Рис. 7

Tr1 в данном случае работает от 1,8 до 24,9 МГц. Он может быть намотан на упоминаемых выше сердечниках. Но т.к. он работает ниже по частоте, витков должно быть больше: 2х18 при использовании двух колец Fai-Rite 5961003821 и 2х13 с парой колец FT-240-K. Также как и в предыдущем случае может быть использован готовый балун на соответствующую мощность и частотный диапазон, способный работать в цепях с реактивностью.

 

Второй вариант коммутатора поляризаций при питании по двухпроводной линии показан на рис 8. Он содержит меньшее количество контактных групп реле. Но зато при работе с Н поляризацией балун Tr1 (точно такой же, как и в предыдущем варианте) не отключается полностью, а работает как пара ВЧ дросселей, заземляющих каждый из проводов линии по постоянному току на землю. Это с одной стороны улучшает симметрию системы и снимает статику с антенны, а с другой вносит дополнительные потери при работе с Н поляризацией. При указанных сердечниках T1 они невелики (десятые доли децибела).


Рис. 8

Диаграммы направленности

Модели для изучения: вертикальная поляризация, горизонтальная поляризация.

ДН антенны в режиме V поляризации в диапазоне 160 m показана на рис. 9. Азимутальная диаграмма показана для зенитного угла 50. Н поляризация в этом диапазоне не используется, т.к. очевидно, что короткий и низко (в длинах волны) висящий диполь Inverted V будет значительно хуже вертикала с электрической длиной λ/4 (посмотрите на рис. 9 входной импеданс, он почти чисто активен).


Рис. 9

Во всех остальных диапазонах мы будем сравнивать три ДН:

  1. Рассматриваемой антенны при V поляризации (черный цвет).

  2. Рассматриваемой антенны при H поляризации (коричневый цвет).

  3. Полуволнового (для каждого диапазона своя резонансная длина) диполя, размещенного на высоте 15 м (зеленый цвет). Эти ДН приводятся для анализа, что мы выигрываем\проигрываем однодиапазонному полуволновому диполю, достаточно высоко подвешенному.

Все азимутальные диаграммы построены для фиксированного и низкого зенитного угла 50 (т.е. для трасс длиннее 3 тысяч км), нас ведь DX интересуют.

ДН в диапазоне 80 m показаны на рис. 10. Видно, что для DX связей V поляризация значительно лучше, а H поляризация может иметь смыл только для связей внутри континента.


Рис. 10

ДН в диапазоне 40 m показаны на рис. 11. Ситуация аналогична диапазону 80 m: V поляризация для DX, H поляризация – для внутриконтинентальных.


Рис. 11

ДН в диапазоне 30 m показаны на рис. 12. Тут для DX трасс картина двоякая: вдоль оси Y выигрывает (хотя и немного) V поляризация, а вдоль оси X чуть лучше горизонтальная. Для внутри континентальных связей также в зависимости от угла (но уже зенитного) может быть лучше то одна, то другая поляризации.


Рис. 12

ДН в диапазоне 20 m показаны на рис. 13. Здесь, вопреки ожиданиям (вертикал ведь очень длинный), V поляризация оказывается лучше для DX для половины азимутальных углов. А для другой половины направлений будет лучше Н поляризация.


Рис. 13

В диапазоне 17 m (рис. 14) картина ожидаемая: H поляризация является лучшей для DX для всех азимутальных углов. Но для высоких зенитных углов (а это могут быть трудно собираемые ближние страны из мертвой зоны) может иметь смысл и V поляризация.


Рис. 14

В диапазоне 15 m (рис. 15) картина почти такая же как и на 17m: H поляризация является лучшей на DX для большинства азимутальных углов. И лучше полуволнового диполя на большой высоте. Но для части азимутальных углов на DX и для высоких зенитных углов (ближние страны из мертвой зоны) лучше V поляризация.


Рис. 15

А вот в диапазоне 12m (рис. 16) результат неожиданный: на DX вертикальная поляризация выигрывает (и весьма значительно) у горизонтальной. А Н поляризация имеет смысл для сбора ближних стран из мертвой зоны.


Рис. 16

В диапазоне 10m (рис. 17) на DX лучше горизонтальная поляризация, но почти для половины азимутального круга мы проигрываем полуволновому диполю на высоте 10 м. Вертикальная поляризация пригодится для сбора станций из мертвой зоны.


Рис. 17

Заключение

Антенна относительно проста и не критична к размерам. Сложная коммутация является платой за полноценную работу во всех 9 КВ диапазонах и возможность оперативно сменить поляризацию (т.е. выиграть в уровне) по конкретному сигналу при использовании всего одной мачты. Но вся коммутация и настройка ведутся внизу, помощь требуется только при подъеме мачты.

При креплении растяжек и проводов антенны на столбы по краям участка (забора, навес и т.п) и закапывании противовесов ниже уровня с\х работ и под дорожками\газоном, антенна не мешает ничему на участке. И даже украшает его (во всяком cлучае, на взгляд радиолюбителя – hi).



08.01.2019

На главную - Main page