Вертикальная антенна 3,5 … 28 МГц

Эффективная антенна на все диапазоны от 3,5 до 28 МГц на одной мачте высотой 11 м.

Постановка задачи

Известно немало многодиапазонных вертикальных антенн. Зачем еще одна? Затем, что до сих пор не описано многодиапазонных вертикалов, хорошо работающих во всех КВ диапазонах от 3,5 до 28 МГц.

От хорошей многодиапазонной антенны требуется максимальное количество диапазонов, где эта она может эффективно работать с DX. Не тех диапазонов, в которых антенна может быть согласована и что-то куда-то излучить. А тех, где она обеспечит пробивание pile-up`ов в одной "весовой категории" со станциями, использующими настроенные однодиапазонные антенны

А для этого вертикальная антенна во всех диапазонах должна иметь:

  1. Диаграмму направленности (ДН), обеспечивающую максимум излучения под низкими зенитными углами во всех диапазонах. Для работы с DX мощность, ушедшая выше 300, потеряна безвозвратно.

  2. Хороший КПД системы антенна – согласующее устройство (СУ). Мы ведь делаем антенну не для обогрева согласующего устройства и окружающих предметов, а для излучения. Поэтому от антенны требуется:

  3. Хорошее согласование с коаксиальным кабелем 50 Ом (иначе в рассогласованном коаксиальном кабеле потери будут недопустимо велики). Или хороший и мощный симметрирующий трансформатор при питании по воздушной двухпроводной линии (КПД которой остается высоким даже при сильном рассогласовании).

С последнего пункта и начнем. Раньше конструкторы антенн (включая вашего покорного слугу) очень старались, чтобы антенна согласовывалась с кабелем либо вообще сама, либо при простейших СУ, установленных в точке питания антенны.

Но бесплатного сыра не кладут даже в мышеловку, и такой подход больно бил по требования пунктов 1 и 2. А это уменьшало возможности работы с DX-ами.

Но раньше упрощение СУ было вынужденным. ВЧ элементы на большую реактивную мощность были в дефиците, а про автоматические тюнеры еще мало кто слышал. И конструкторы были вынуждены, снижая требования к работе антенне, усложнять её конструкцию, чтобы хоть как-то собрать вместе этот пазл противоречивых требований.

Сейчас же ситуация иная. И ВЧ элементы более доступны и снизили свою цену и размеры. Например, существуют и недороги (меньше пары $) SMD конденсаторы на реактивную мощность в несколько кВар. И автоматические тюнеры перестали быть экзотикой.

Поэтому будем делать антенну, отдав её согласование внешнему тюнеру.

Тюнер может быть самодельный с коммутацией отдельных LC цепей по диапазонам с помощью реле или вручную (например, как описано в этой статье) или промышленный автоматический.

Если в качестве линии передачи используется коаксиальный кабель, то тюнер должен быть установлен в точке питания антенны.

А если применяется двухпроводная линия (она может работать с приемлемым КПД даже при высоких КСВ), то тюнер размещается в шеке, а в точке питания антенны размещается мощный балун (он может быть такой, как описано здесь),

А мы, получив большую свободу в конструктиве антенны, отдадим антенне антенно: т.е. сосредоточимся на пунктах 1 и 2 (кстати, выполнение требований пункта 2 по разумному импедансу антенны означает, что автоматический тюнер сможет настроиться без проблем).

Конструкция

В многодиапазонных вертикальных антеннах есть два главных ограничения, препятствующих увеличению количества диапазонов.

На низшем диапазоне проблема в получении высокого КПД. Сопротивление излучения вертикальной антенны ниже четверти волны падает пропорционально квадрату укорочения. Для четвертьволновой антенны на грунте оно около 37 Ом, а для 0,13λ – 10 Ом. При меньшей высоте система антенна + СУ быстро теряет КПД. Следовательно, если простая вертикальная антенна должна хорошо работать, начиная с 3,5 МГц, то её физическая высота должна быть не менее 0,13λ, т.е. 11 м.

Но вертикальная антенна с такой высотой бесполезна на диапазонах 21, 24 и 28 МГц. При высоте 11 м электрическая длина антенны на этих диапазонах получается больше 0,7λ. ДН антенны сильно задирается вверх и она перестает работать с DX-ами.

Причиной подъема излучения вверх при высоте антенны более 0,625λ является появление на длинном полотне антенны большого участка с противофазным током. Этот участок начинается от точки питания и идет до высоты, от которой до верха антенны остается 0,625λ. Например, при физической высоте вертикала 11 м на диапазоне 28 МГц (0,625λ составит тут 7,5 метров) будут лишними первые 11 – 7,5 = 3,5 метра высоты вертикала.

Напрашивается вывод: раз эти первые 3,5 метра на ВЧ диапазонах нам мешают, то надо сделать так, чтобы при работе на диапазонах 21 … 28 МГц нижние 3,5 м вертикала не излучали бы. Но оставались бы в работе на всех остальных диапазонах.

Простейшим выход – экранировать нижние 3,5 м вертикала. Но не сплошным металлом, а вертикальным набором проводов. Такая конструкция показана на рисунках 1 (общий вид), 2 (экран нижней части) и 3 (точка питания).


Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Сам излучатель представляет собой обычный GP высотой 11 м. Эта высота критична, а диаметр нет: можно использовать от тонкой проволоки на диэлектрической мачте до толстой дюралевой трубы, установленный на изоляторе.

На высоте 3,5 м (критичный размер) вокруг штыря установлен цилиндрический сеточный экран, состоящий из 8 радиально расположенный тонких (диаметром 0,7…1,8 мм) проволок по радиусу 15 см (критичный размер). Внизу проволоки экрана прямо соединены с системой заземления. Вверху они замкнуты проволочным кольцом и изолированы от вертикала. Конструктивно проволоки экрана закреплены на прикрепленных к мачте диэлектрических распорках длиной 35 см.

В точке питания между вертикалом и заземлением (т.е. параллельно выходу тюнера) установлена не отключаемая катушка 7,5 мкГн. Она облегчат требования к тюнеру на 3,5 МГц и снимает статические заряды с вертикала. Для снижения потерь на 3,5 МГц и успешного «проглатывания» наведенных токов от близкого удара молнии провод катушки должен быть диаметром не менее 2 мм.

Система радиалов обычна для многодиапазонного вертикала. Если антенна установлена прямо на земле, то укладывается несколько (чем больше, тем лучше, минимум 4) нерезонансных радиалов длиной несколько метров (минимум 10 м для работы от 3,5 МГц) прямо на грунт (или неглубоко прикопанных).

Если основание антенны приподнято над землей, то потребуются резонансные противовесы на диапазоны 3,5 МГц, 7 МГц, 18 МГц и 24 МГц (их хватит и для остальных диапазонов). Их количество зависит от высоты расположения противовесов. При высоте 0,1 …1 м на 3,5 МГц и 7 МГц потребуется минимум по 4 противовеса на каждый диапазон. При высоте 2,5…3 м (например, антенна в саду и противовесы подняты, чтобы не мешать дачным делам) минимально хватит по паре диапазонных противовесов.

В любом случае не забывайте, что слишком хорошей земли для вертикала (особенно укороченного, а на 3,5 МГц он таким является) не бывает. Поэтому при возможности не скупитесь на количество противовесов.

Диаграммы направленности

При анализе высоких вертикалов, в качестве первого шага всегда следует смотреть их азимутальную ДН над идеальной землей. Пока в такой модели главный лепесток направлен вдоль земли, электрическая высота вертикала не избыточна. А как только максимум излучения над идеальной землей пошел вверх от нуля, то антенна электрически слишком длинна и для работы с DX малопригодна. Модель для изучения, а также для расчета входных импедансов и согласущих LC цепей по диапазонам.

Для анализа, насколько эффективен наш экран на 21 … 28 МГц, сравним диаграммы направленности над идеальной землей данной конструкции и обычного вертикала с той же высотой 11 м. На рисунках 4 (обычный GP) и 5 (описываемая конструкция) показаны ДН обоих вертикалов по диапазонам.


Рис. 4

Рис. 5

Хорошо видно, что обычный GP высотой 11 м на 21 и 28 МГц светит "в потолок" и для работы с DX непригоден. А описываемая конструкция не только удерживает излучение внизу, но и дает заметную прибавку в усилении: 3,4 дБ на 21 МГц и больше 4 дБ на 28 МГц. Причем эта прибавка (в отличие от простого вертикала, который тоже дает 1 …2 дБ прибавки к усилению) в направлении вдоль земли, т.е. на DX трассы.

На рисунках 6 и 7 представлено сравнении тех же вертикалов над реальной средней землей.


Рис. 6

Рис. 7

Видно, что с ростом частоты у нашего вертикала не только растет усиление, но и опускается вниз максимум главного лепестка. Конкретные цифры зависят от качества земли и количества радиалов. Чем лучше земля и больше радиалов, тем выше прибавка в усилении под низкими углами и ниже максимум излучения.

Заключение

Антенна относительно проста, но обеспечивает полноценную работу в 8 КВ диапазонах. Вся коммутация и настройка ведутся внизу или в шеке (в зависимости от типа линии питания и места расположения тюнера).



05.04.2019

На главную - Main page