Заземленная антенна для дачи

Антенна на диапазоны от 80 до 10 м на одной заземленной мачте высотой 9,3 м.

Постановка задачи

От антенны на даче весьма желательно получить все диапазоны от одной мачты (несколько высоких мачт обычно просто негде растянуть). Две предыдущие антенны аналогичной тематики требуют довольно высоких мачт 13,5 м и 21 м, причем изолированных от земли.

Исходными требованиями для данной разработки были:

Проектирование и компромиссы

Посмотрим, куда нас загоняет приведенный выше набор требований.

НЧ диапазоны

Понятно, что при мачте ниже 10 м антенна на НЧ диапазонах может быть только вертикальной. Ведь горизонтальная поляризация начинает выигрывать у вертикальной только при высотах больше 0,4..0,5λ.

Следовательно, потребуется полноценное ВЧ заземление, т.е. набор радиалов (наземных или подземных) с подключением их дальних концов ко всему проводящему, зарытому в землю. Имея в виду, что в диапазоне 80 м антенна физически укорочена, то ее КПД в основном будет определяться потерями в земле, поэтому экономить на системе заземления не надо. Тем более, что при заземленной мачте и хорошем заземлении это будет еще и громоотвод.

Но заземленная мачта плохо дружит с электрически укороченной антенной, размещенной на такой мачте. Ведь модуль входного импеданса самой антенны будет высоким из-за большой реактивности. И расположенная рядом заземленная мачта его сильно зашунтирует своей емкостью на землю. Причем, зашунтирует без всякой пользы: наведенные токи по мачте высотой ниже 10 м ничего заметного в диапазоне 80 м излучить не могут. Поэтому, чтобы на заземлений мачте все-таки разместить физически укороченную антенну, электрически она должна стать полноразмерной. Т.е. в данном случае, четвертьволновой, чтобы модуль ее входного импеданса стал бы низким и перенес бы емкостное шунтирование на землю заземленной мачтой.

Чтобы достичь этого в диапазоне 80 м к вершине провода высотой 9,3 м надо добавить пару емкостных нагрузок (ЕН) длиной по 8,5 м или четверку по 6,3 м (для угла наклона 450).

При этом импеданс системы антенна с ЕН + заземленная мачта 9,3 м не пострадает от влияния мачты. В диапазонах 40 и 30 м влияние заземленной мачты будет значительным, но там ее высота достаточна для эффективного излучения. Поэтому токи, затекшие с основной антенны на заземленную мачту в диапазонах выше 80 м не теряются бесполезно, а возбуждают мачту и она полноценно участвует в излучении.

BЧ диапазоны

На ВЧ при вертикальной поляризации при мачте высотой 9,3 м хорошей ДН выше 18 МГц не получить (если не принять специальных мер внизу, которые в данном случае не подходят из-за заземленной мачты). Поэтому разумно, чтобы от 18 МГц и выше антенна работала бы как горизонтальная. Для этого надо заставить излучать те провода, которые на НЧ были емкостными нагрузками, а из вертикального излучателя на НЧ сделать двухпроводную линию питания. В общем, повторить тот же самый фокус, что был успешно использован в антеннах 13,5 м и 21 м.

Но здесь для низкой мачты 9,3 м возникает проблема. При двух наклонных ЕН по 8,5 м они оказываются чересчур близко к земле, что ухудшает ДН на ВЧ. А при четырех коротких ЕН не существует решения, при котором можно запитать эти 4 наклонных провода как диполь с хорошей ДН от 14 МГц и выше (по крайней мере мне не удалось его найти).

Кроме того, т.к. провода расположены наклонно, то средняя высота этих частей будет ниже верхушки мачты, т.е. 6...7 м. Следовательно, уже для 14 МГц высота подвеса составит 0,28..0,3λ, что для простых горизонтальных антенн слишком мало.

Поскольку простые решения для горизонтальной поляризации здесь не подходят, обратимся к сложным.

Для того, чтобы низко подвешенная горизонтальная антенна не излучала бы в зенит, W8JK расположил рядом два горизонтальных диполя и запитал их противофазно. В результате их излучение вверх и вниз взаимно компенсировано. В результате нет потерь на паразитный обогрев земли и растет КПД и усиление.

Поэтому, что если в качестве ЕН вертикала использовать антенну W8JK из двух согнутых под 900 диполей, то задача, поставленная в начале статьи имеет решение.

Антенна

В результате сведения всех компромиссов получилась антенна, показанная на рис. 1. Модели: вертикальная поляризация, горизонтальная поляризация.


Рис. 1
.

Заземленная мачта высотой 9,3 м стоит прямо на грунте на\в котором расположена система ВЧ заземления для диапазонов 3,5 ...18 МГц. Описывать заземление здесь не буду, в каждом конкретном случае решение будет своим: от нескольких приподнятых резонансных радиалов, до множества подземных проволок разной длины. Почитайте статью про радиалы на грунте и подключайте к радиалам все заземленное железо в округе (правда, последнее может привести к помехам из-за растекания ВЧ тока по земле и далее в чужие провода и устройства).

Параллельно мачте вдоль нее на расстоянии в несколько см (некритично) идут два провода линии, как показано на рис.2.


Рис. 2.

Наверху к этим проводам подключены две наклонные воздушные двухпроводные линии (механически являющиеся частью растяжек верхушки мачты). идущие вниз примерно под 450. Одна из этих линий перекрещена.

К нижним концам этих линий подключены два горизонтальных уголковых диполя. Механически они закреплены между растяжками верхнего яруса.

В зависимости от диапазона и требуемой поляризации антенна внизу коммутируется:

  1. Для горизонтальной поляризации (диапазоны 14 ... 28 МГц) питание идет дифференциально, между проводами двухпроводной линии. Антенна работает как диполь два диполя W8JK.
  2. Для вертикальной поляризации (диапазоны 3,5 ... 18 МГц) провода линии соединяются между собой и питание подается между ними и ВЧ заземлением. Антенна работает как вертикальный излучатель с емкостными нагрузками.

Конструкция

Линия и горизонтальные диполи сделаны из провода диаметром 1 .. 1,6 мм.

Вертикальная двухпроводная линия закреплена и туго натянута вдоль мачты как показано на рис.2

Изолирующие распорки сделаны из отрезков стеклопластиковой арматуры длиной 12 ... 15 см. Эти отрезки закреплены на мачте хомутами из нержавейки с помощью небольшого отрезка упаковочной стальной ленты, обмотанной вокруг сложенных вместе хомута и отрезка стеклопластика. При затягивании хомута он изгибается, жестко фиксируя ленту и распорку.

Провода вертикальной линии закреплены около концов стеклопластикового отрезка. Для этого в нем пропилены небольшие углубления. Крепеж линии сделан обвязкой отрезками медного провода.

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 линии.

К этим верхним изоляторам подключаются два отрезка наклонных двухпроводных линии длиной по 4,45 м (не очень критичный размер, по месту можно менять на 10...30 см). Одна из линий перекрещена. Нижние концы этих линий проходят через орешковые изоляторы. Последние являются серединами уголковых диполей с плечами по 4,88 м (тоже не очень критично тоже можно менять по месту на 10...30 см).

Растяжек верхнего яруса 4 штуки. Две из них полностью из полимерного шнура Danline, а еще две сверху выполнены как двухпроводные линии, а затем вниз как полимерные шнуры. Дальние концы диполей механически соединены через орешковые изоляторы, которые крепятся к полностью полимерным растяжкам, так что образуется горизонтальный квадрат со стороной 4,9 м, в каждом углу которого по орешковому изолятору.

Узел верха растяжек и горизонтальных диполей конструктивно является самым сложным (плата за универсальность, хорошие ДН и заземление мачты). Надо исключить перехлест под ветром наклонных двухпроводных линий (для чего их хорошо натянуть и использовать жесткие распорки). Также надо обеспечить равномерное натяжение без заметного провисания горизонтальных диполей, для чего придется подбирать точки крепления растяжек внизу.

Если мачта телескопическая, имеет большой смысл подняв ее на половинную высоту сделать примерку. Растянув линии и диполи убедитесь, что растяжки можно натянуть так, чтобы ничего не болталось и заметно.

Питание

Антенна питается по коаксиальному кабелю. Внизу 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 коммутации поляризаций используется пара реле: одно на переключение, второе на замыкание, как показано на рис. 3.


Рис. 1
.

Для расчета отдельных Г-образных согласующих LC-цепей на каждый диапазон на скриншотах следующего раздела даны импедансы, рассчитанные при сопротивлении потерь в земле 10 Ом. Если у вас другие потери в земле и\или заметно изменены размеры, то импедансы лучше измерить.

Полученные импедансы забейте вручную в окно LC match программы GAL-ANA, которое покажет вам варианты схем, токи, напряжения и реактивные мощности на элементах.

Если у вас автотюнер, то надо иметь в виду, что напряжение на антенне при мощности передатчика 100 Вт может достигать 1 кВ и 3 кВ при передатчике 1 кВт (наиболее проблемный тут диапазон 24 МГц при горизонтальной поляризации, на остальных диапазонах напряжение в 1,5... 2 раза ниже). На это напряжение должны быть рассчитаны изоляторы, реле и выходные цепи тюнера.

Симметрирующий трансформатор Tr1 используется для перехода с симметричной дипольной антенны на несимметричный тюнер в ВЧ диапазонах 14...28 МГц. При мощности передатчика до 1 кВт Tr1 может быть намотан либо на кольце Fai-Rite 5961003821 (проницаемость 125) 2х7 витков провода сечением 1,5 мм2, либо на FT-240-K (проницаемость 400) – 2х5 такого же провода. Также может быть использован готовый балун на соответствующую мощность, способный работать в цепях с реактивностью.

Диаграммы направленности

Модели для изучения: вертикальная поляризация, горизонтальная поляризация.

Ниже приведены ДН антенны по диапазонам для разных поляризаций и средней земле. Все азимутальные диаграммы построены для фиксированного зенитного угла 100, нас ведь DX интересуют.

V-поляризация

Рис. 4 – 8 ДН по диапазонам 3,5 – 18,1 МГц.


Рис. 4.

Обратите снимание на низкую реактивность во входном импедансе. Это следствие того, что из-за большой площади емостных нагрузок в этом дмапазоне антенна электрически резонансна. Поэтому после согласования достигается полоса 100 кГц по уровню по КСВ<1,5 . Т.е. нужны два СУ: 80 CW и 80 SSB.


Рис. 5.

Рис. 6.

Рис. 7.

Рис. 8.
H-поляризация

Рис. 9 – 14 ДН по диапазонам 14 – 28 МГц.


Рис. 9.

Рис. 10.

Рис. 11.

Рис. 12.

Рис. 13.

Обратите внимание, во всех ДН для Н поляризации нет излучения в зенит (а, значит и вниз, в грунт под антенной). Это следствие противофазной запитки горизонтальных диполей по методу W8JT.

Также полезной особенностью являются почти круговые азимутальные ДН (т.е. не будет провальных направлений).

Заключение

Антенна требует одной заземленной мачты. Конструктивно сложная проволочная конструкция наверху, коммутация поляризаций внизу и тюнер (авто или переключаемый) являются платой за полноценную работу в 8 КВ диапазонах. Вся коммутация и настройка ведутся внизу, помощь требуется только при подъеме мачты.

Усиление данной антенны под зенитным углом 100 по диапазонам на 1...2 дБ меньше, чем антенны высотой 13,5м с изолированной мачтой. Мне кажется, это небольшие потери, если учесть меньшую стоимость и трудоемкость установки заземленной мачты 9,3 м.

Если нет возможности сделать ВЧ заземление и металлическую мачту, то часть антенны, работающую с H-поляризацией, можно использовать для работы от 14 до 28 МГц с питанием по двухпроводной линии и тюнером в шеке. При этом уровни излучения под низкими углами будут не хуже, чем у оптимальных вертикальных антенн, но не потребуется ВЧ заземление.


25.12.2019

На главную - Main page