Вертикал без противовесов

Многодиапазонный вертикальный излучатель, не требующий противовесов, радиалов или заземления

Постановка задачи

Многодиапазонных вертикалов описано множество (в том числе и на этом сайте). К сожалению, все они требуют ВЧ заземления: или набор противовесов или установку прямо на хорошо проводящую поверхность (металлическая крыша, например). Это решение имеет много плюсов (высота вертикал может быть начинаться всего от 0,15...0,2λ, несимметричное возбуждение относительно заземления удобно для питания коаксиальным кабелем, много разных отработанных конструкций). И только один минус. Но существенный: нужна площадь под радиалы. Если она у вас есть, то эту статью можно дальше не читать.

А вот если места под радиалы нет и не предвидится (маленькая крыша или балкон, где они не помещаются; территория вам не принадлежит; или принадлежит, но есть место только в самом углу участка, основание вертикала хочется поднять повыше для ухода от помех дома, но на высоте радиалы растянуть не за что, и т.д.), то ниже описан многодиапазонный вертикал в них не нуждающийся.

Конечно, за отсутствие радиалов пришлось заплатить:

  1. Увеличенной высотой вертикала (раза в полтора, по сравнению с обычным GP с радиалами). Правда это увеличение дает соответствующий рост усиления антенны под низкими углами к горизонту.

  2. Сложным питанием (нужен автоматический тюнер или набор переключаемых диапазонных LC цепей).

  3. Высоким напряжением на изоляторе, требующим длинного и негигроскопичного изолятора и серьезных мер для подавления излучения линии питания.

  4. Сложной настройкой, которой даже не очень помогает моделирование. Za заметно зависит от: емкости изолятора, высоты над крышей/грунтом, степени подавления затекания антенного тока на оплетку питающего коаксиала и (если это подавление невелико) от длины и положения питающего кабеля. Единственное утешение – вся настройка делается внизу, у изолятора. Но потрудиться с антенным анализатором там придется.

Если цена проблем по этому списку слишком велика для вас, дальше читать незачем: ищите место под противовесы. А с теми, кто не испугался упомянутых трудностей, идем дальше.

 

Антенна

Никаких радиалов не требует вертикальный диполь (рис. 1а). Он изображен синими линиями.


Рис. 1.

Чтобы сделать диполь многодиапазонным, достаточно запитать его по воздушной двухпроводной линии (оранжевые провода на рис. 1). По классике эта линия должна быть перпендикулярна диполю (рис. 1b) на на расстоянии хотя бы половины λ (чтобы излучением диполя на линию не наводились заметные синфазные токи, нарушающие её симметрию). C помошью симметричного тюнера такой вертикальный диполь будет работать в полосе частот где его размеры от ~0,3λ (при меньших размерах падает усиление и КПД) до 1,25λ (при большей высоте основное излучение становился не перпендикулярным диполю, т.е. основной лепесток поднимается от земли, что плохо для эффективности на DX). Такая антенна (рис. 1b) хороша в работе, но требует два изолятора на мачте (у основания и в середине) и второй вспомогательной мачты, обеспечивающей горизонтальность линии питания. Это создает конструктивные трудности.

А что изменится, если мы питающую двухпроводную линию отведем не вбок, а вниз (рис. 1с)? C точки зрения работы антенны – абсолютно ничего: и антенна и линия остались теми же самыми. А вот для тюнера внизу линии поменяется многое. Поскольку линия идет параллельно диполю, то в ней наводится большой синфазный (он же антенный) ток. И тюнер теперь обязан не только согласовывать дифференциальный импеданс между проводами линии, но и сильно подавлять синфазный ток линии. Если последнего не сделать (или сделать недостаточно), то синфазный ток пройдет сквозь тюнер и пойдет дальше на оплетку питающего коаксиала и корпуса. Отчего они станут частью антенны и будут собирать помехи на приеме и жечься при передаче.

Немного подвинем линию вправо (рис. 1d). Понятно, что при этом никаких заметных изменений в работе антенны не произойдет. Но зато при этом исчезает центральный изолятор вертикала. Посмотрим внимательно на правую часть рис. 1d. Оранжевый (от линии) и синий (от диполя) провода идут параллельно. Вверху они закорочены между собой. Внизу разомкнуты, но там нет источника. Следовательно напряжение между этими проводами отсутствует. Поэтому, если их закоротить, то в распределении токов ничего не изменится.

Это показано на рис. 1e. Выглядит антенна непривычно: два параллельных проводника с отличающейся вдвое длиной и больше ничего. Но электрически она ничем не отличается от вертикального диполя, запитанного в середине двухпроводной линией (рис 1b). Радиалы такой антенне совершенно не нужны, как и её прародительнице с рис. 1b.

Верхняя часть антенны рис рис. 1e это просто половинка диполя, а нижняя, состоящая из двух проводов, это одновременно и половинка диполя и двухпроводная линия питания (строго говоря, синфазный ток этой линии и является антенным током половинки диполя).

Поэтому синфазный ток линии надо хорошо развязать от питающеего кабеля. Делается это в два этапа (см. рис. 1f где показана схема питания такой антенны):

  1. Антенный тюнер (находящийся у изолятора) подключается к антенне через воздушный трансформатор T1 с малой емкостью между обмотками (катушка в катушке). Эта маленькая емксоть первое препятствие на пути синфазного тока.

  2. Второе препятствие – развязывающий дроссель T2 на феррите по входу тюнера. На сердечнике этого дросселя кроме коаксиального кабеля должны быть намотаны линии питания\управления тюнером.

 

Конструкция

Антенна высотой 7,5 м, работающая от 14 до 50 MHz, показана в файле vD20-6.maa (провод 4 с маленькой емксотью 5 pF в модели изображают емкость изолятора на землю. Никакой другой цели этот провод и нагрузка не служаит). Диаграммы направленности по диапазонам показаны на рис. 2. Для корректного сравнения с простым GP (с радиалами), ДН даны над идеальной землей (хотя наша антенна может работать вообще без земли, в свободном пространстве).


Рис. 2.

На диапазонах 14 и 18 MHz наш диполь укорочен, тем не менее он выигрывает у λ/4 GP 0,6 dB и 1,2 dB соответственно (Ga обычного λ/4 GP в такой же ситуации будет 5,14 dBi).

От 21 до 28 MHz выигрыш растет от 1,6 dB до 2,6 dB. Причем усиление растет под низкими зенитными углами. На 50 MHz мы фактически имеем коллинеарную антенну 5/8λ над 5/8λ поэтому усиление достигает 4,3 dB, что уже сравнимо с небольшой направленной антенной.

Конструктивно антенна выполнена из голого электрического провода сечением 1,5 мм2 закрепленного стяжками на 8-ми метровой удочке. Удочка крепилась к ограждению балкона верхнего этажа.

Трансформатор T1 представлял собой две катушки по 6 витков. Диаметр внешней (подключенной к тюнеру) катушки 7 см. Диаметр внутренней (подключенной к антенне) 5 см. Катушки выполнены из жесткого голого электрического провода 6 мм2 и закреплены на пластине из огрстекла с соответствующими отверстиями (зазор между витками ~2 диаметра провода).

Имейте в виду, что напряжение на нижней части антенны относительно земли может достигать 300 В (при мощности TX 100 Wt).

О настройке. Автотюнер справлялся во всех диапазонах. Если же вы планитуете отдельные LC цепи на каждый диапазон, то:

  1. Пользоваться данными R и JX с рис. 2 бессмысленно. На практике они будут заметно отличаться из-за влияния трансформатора T1, емкости изолятора и окружения, высоты установки, импеданса T2 и даже положения оплетки питающего кабеля.

  2. Измерять реальное Za (по которому потом считать согласующую цепь) надо портативным прибором на батареях, подключенным и к T1 (по схеме), и к T2 (корпус прибора) соединить с обмоткой T2, подключенной к оплетке коаксиала. Коаксиал при этом должен быть нормальным образом подключен и к T2 и к TRX. Только таки можно учесть влияние всех факторов.

 

В файле VD30-10.maa показан КВ вариант этой антенны, работающий от 10 до 28 MHz. Мачта высотой 12,5 m выполнена из труб.

 

Заключение

Антенна проста в конструкции и почти не требует места (особенно, если мачту получится сделать свободностоящей). Качество работы на DX как минимум не хуже (а часто лучше), чем у других многодиапазонныхх вертикалов (но те требуют противовесов).

Но надо пониамть, что оплачиваются эти преимущества весьма сложной системой питания\развязки и увеличенной высотой антенны.

В проволочном варианте антенна может располагаться наклонно или горизонально, что может быть удобно при запитке ее с балкона или из окна, позволяя получить аналог LW, но без проблем с противовесами и\или заземлением.


15.02.2021

На главную - Main page