Исходными требованиями к проектированию этой антенны были:
Все диапазоны от 14 до 28 MHz.
Невозможность противовесов (на земле, приподнятых, и т.д).
Одна небольшая мачта без растяжек.
Высота антенны до 5 ... 6 м.
Габариты внизу никакие (только мачта), на высоте до 5 х 5 м.
Свободный проход и проезд под мачтой.
Работа антенны на DX сравнима с обычным GP с противовесами.
Проще говоря, у заказчика перед одноэтажным домом в отдалении нескольких метров был клочок земли под клумбу, вокруг котороой все заасфальтировано проходами. Копать под противовесы и делать точки крепления растяжек было нельзя. Но на этом клочке можно было поставить небольшую свободно стоящую мачту и занять место до 5х 5 м наверху мачты. Высоту конструкции ограничивали чужие провода на высоте 7... 8 м.
Картина вырисовывалась печальная. И отягченная тем, что при попытке заказчика работать на временную, высунутую из окна удочку и заземлять её на конструкции дома были помехи и на передаче (при мощности всего 100 W) и на приеме (в доме водились импульсные источники питания, которые сорили помехами в заземление дома).
При таких условиях вертикал не подойдет. Отсутствие заземления исключает GP. Требование прохода и проезда под мачтой вычеркивает какие-то конструкции внизу мачты (для электрического ее удлинения).
Простой горизонтальный диполь не помещается в имеющееся место. Да и мачт для него надо две, а не одна. И обе с растяжками.
На одной матче можно было бы разместить диполь Inv V. Если бы не да обстоятельства: 1) при высоте подвеса 5 ... 6 м зентиная ДН такого диполя будет весьма печальной, в смысле работы с DX, т.к. слишком близко земля; 2) мест крепления для растяжек (а, значит, и половинок диполя) у нас нет.
Следовательно, наша антенна должна:
Быть горизонтальной (вертикалы мы вычеркнули) и симметричной (для уменьшения помех дому и от него).
Полностью крепиться на какой-то растопыренной конструкции к верху мачты и ни к чему больше. Значит, мачта должна быть довольно прочная (во всяком случае не тонкая дюралевая трубка).
Не излучать в зенит (там нет DX), и в землю (зачем нам передатчиком греть грунт, да еще при столь малой высоте?)
Понятно, что при столь жестких ограничениях, даже речь не шла о согласовании иначе, как автоматическим тюнером в точке питания. Потратить 30...70 EUR (а именно столько стоит на Aliexpress наборы для самостоятельной сборки или готовый автотюнер N7DDC) на преодоление частокола вышеозначенных проблем – это совсем небольшие дополнительные расходы (цена даже на самую завалящую землю под более простую антенну, не требующую автотюнера, будет как минимум на порядок больше).
Низко висящая горизонтальная антенна, не излучающая в зенит и в грунт, возможно только одна: W8JK, т.е. два диполя в одной горизонтальной плоскости, запитанных противофазно. Их излучение вверх и вниз в точности взаимно компенсируется, поэтому такая антенна ”светит” в зенитной плоскости только в бока. Но не вверх и вниз.
Чтобы исключить тепловые потери ближних (еще взаимно не скомпенсированных) зон, диполи должны висеть не ниже 0,25λ на землей. Т.е. в нашем случае не ниже 5 м.
Но простые диполи и, соответственно, антенна W8JK имеют выраженную направленность в горизонтальной плоскости. Чего нам в данном случае не надо. Антенна планируется для работы во всех направлениях, а закон подлости по которому DX будет именно с того направления, где у антенны минимум, никто не отменял. Поэтому каждый из двух диполей лучше свернуть Г-образно. Заодно станут меньше габариты и упростится конструкция крепления к верху мачты.
Получившаяся в результате этих размышлений (ну и оптимизации, конечно) конструкция (модель для изучения и расчета) показана на следующем рисунке:
С виду напоминает горизонтальный проволочный квадрат на длинных наклонных изоляционных распорках. Но это два противофазных диполя.
Антенна размещена на небольшой телескопический мачте из двух стальных труб. Первая длиной 3 м и диаметром 48 мм, вторая 2 м длиной и диаметром 40 мм. Первый метр трехметровой трубы вставлен в прокрученное буром в грунте отверстие и забетонирован. Бетон не доходит до поверхности примерно 10 см, которые засыпаны землей. Потому клумба пострадала только на диаметр трубы. Верхняя труба вставлена в нижнюю примерно на 40 см и зашплинтована. Общая высота свободно стоящей мачты получилась 3,6 м.
Наверху мачты к ней U-образными шпильками прикручены перпендикулярные друг другу две половинки ”полуежа”. Каждая их них сварена из стальных уголков 25х 25 х 900мм. Делается так: отступая от краев уголка примерно по 40 см болгаркой делаются надрезы, уголок сгибается с двух сторон под нужный угол. Затем надрезы провариваются. Если есть сомнения в прочности сварки лучше усилить место сгиба, приварив перемычку до и после места сгиба (чтобы образовался жесткий треугольник).
В каждый из 4-х концов ”полулежа” вставляются диэлектрические распорки длиной по 3,2 м. Они не должны быть слишком тонкими и гибкими. Не для повторения (вы можете использовать другие распорки), а для информации: я использовал пропитанные деревянные ручки от грабель, соединенные вместе отрезком дюралевой трубы подходящего внутреннего диаметр длиной примерно 40 см (ручки просто вбиваются в эту трубу).
Дальние концы распорок стягиваются проводами антенны и (по диагоналям квадрата) полимерным шнуром, чтобы получилось что-то вроде раскрытого зонтика.
По двум противоположным распоркам к верху мачты к точке идут две питающие воздушные линии(их ширина несколько см, некритично). Для противофазного питания одна из линий перекрещена.
По двум другим распоркам идут короткие (90 см) разомкнутые отрезки воздушных двухпроводных линий (с таким же расстоянием между проводами, как и у питающих линий), они же загнутытые концы диполей. Озаботьтесь хорошей изоляцией этих линий, там пучность напряжения.
Питающие линии сходятся к вершине мачты, где расположен балун, способный работать при вашей мощности с высокой реактивностью входного импеданса. При мощности до нескольких сотен ватт балун может быть на большом качественном феррите (например, как в этой статье, только витков поменьше, у нас тут нижняя частота 14 MHz). При более высокой мощности лучше сделать воздушный балун без ограничивающих мощность сердечников. Недостатки такого балуна (большие размеры и вносимая реактивность) не имеют значения наверху мачты около выхода тюнера.
Важный конструктивный нюанс: провод балуна (любого), работающего с реактивностью должен быть примерно таким же, как в катушке П-контура лампового РА соответствующей мощности. Тонкие электрические осветительные провода при серьезной мощности не годятся, они сильно греются даже без сердечника.
Антенна собирается при вдвинутой на минимум верхней трубе. Т.е. низ полуежей на высоте ~ 2,2m, верхние полотна антенны – ~3,7m. Хорошей раскладной 2-х метровой стремянки хватит для сборки.
Точно выдерживать размеры антенны нет необходимости, отступления + 10 ... 15 см вполне допустимы. Важно, чтобы общая длина каждого из диполей получилась бы ~9,4 m (сейчас она 2 x 3,8 + 2 x 0,9 m). При увеличении этой длины несколько улучшается КПД на 14 MHz, но могут появиться заметные провалы в горизонтальной диаграмме направленности на 28 MHz.
О диаграммах направленности мы и поговорим в следующем разделе.
На следующих пяти рисунках приведены сравнительные ДН рассматриваемой антенны (черный цвет) и двух обычных (к нам не влезающих): GP высотой 5 m с такими же радиалами (зеленый цвет) и горизонтальный диполь длиной 8 m на высоте 5 m (коричневый цвет).
ДН в зенитной плоскости обычные. А вот все ДН в горизонтальной плоскости построены для фиксированного зенитного угла 100, чтобы видеть как работают антенны на DX трассах.
На 14 MHz при зенитном угле 100 мы почти не проигрываем GP, только 2 dB для направлений север-юг (верх-низ на рисунке) и много выиграваем у диполя.
На 18 MHz при зенитном угле 100 мы выигрываем у GP около 1 dB для направлений восток-запад, и ничего не проигрываем для других. Диполь хуже для всех направлений.
На 21 MHz при зенитном угле 100 мы выигрываем у GP около 1 dB для всех направлений. Диполь в сравнялся с нами в максимумах своей ДН, но сильно проигрывает во всех остальных направлениях.
На 24 MHz при зенитном угле 100 мы выигрываем у GP от 1 до 2 dB, в зависимости от направления. Диполь в максимумах своей ДН выигрыват у нас 1,5 dB, но проигрывает во всех остальных направлениях (в минимумах своей ДН сильно: 10 ... 15 dB).
На 28 MHz при зенитном угле 100 мы выигрываем у GP от 3 dB, в направлении север-юг и ничего не выигрываем по линии восток-запад. Диполь в максимумах своей ДН выигрывает до 4 dB, но проигрывает во большинстве других направлений (в минимумах своей ДН сильно: 10 ... 15 dB).
Антенна получилась сложная и дорогая (прочная мачта, длиные распорки, автоматический тюнер). Но наложенные на нее исходные ограничения еще сложнее. А купить землю под более простую и привычную антенну стало бы намного дороже.
Даже при очень жестких ограничениях места установки, с описанной антенной можно полноценно присутствовать в эфире. А не мучиться на сильно укороченных или суррогатных антеннах (вроде магнитных рамок, удочек в окно, проводов на ближайшее дерево и т.п.), от работы которых расстройства больше, чем пользы.
28.10.2020