Рис. 1.
Антенна, описанная в этой статье, являются гибридом двух конструкций, описанных в статьях "Вертикальная антенна 3,5 … 28 МГц" и "Вертикал без противовесов".
По своему функциональному назначению описываемая антенна очень близко к антенне из статьи "Вертикальная антенна 3,5 … 28 МГц". Близка настолько, что раздел Постановка задачи я здесь писать не стал. Просто перечитайте этот же раздел в статье "Вертикальная антенна 3,5 … 28 МГц". Но описываемая антенна выше: 13,4 м против 11 м.
От антенны, описанной в статье "Вертикал без противовесов", данная антенна унаследовала все недостатки (сложное питание и развязка, необходимость в хороших изоляторах). Но кроме недостатков – хорошее усиление и зенитные диаграммы направленности в диапазонах 10 ... 28 MHz и отсутствие противовесов для этих диапазонов.
Антенна показана на рис.1, её модель в файле GP_VD_80-10_1.maa
В диапазонах от 10,1 до 28 MHz (реле K1 и K2 выключены, в положении, показанном на рис. 1) антенна работает как "Вертикал без противовесов".
В диапазонах 3,5 и 7 MHz реле переключаются и антенна становится обычным GP. Поэтому на эти диапазоны требуются противовесы.
Какие преимущества по сравнению с предыдущими антеннами мы получили?
Рост усиления во всех диапазонах:
Диапазон 3,5 MHz. Известно, что активная часть входного импеданса укороченной антенны квадратично растет с увеличением физической высоты. Т.е. у антенны высотой 13,4 м Ra в 1,5 раза выше чем у антенны 11 м. Соответственно снижаются потери в системе заземления (в первом приближении мощность TX делится между Ra и сопротивлением заземления), потери в тюнере (из-за снижения нагруженной добротности) и расширяется полоса (по той же причине). Общий выигрыш усиления 1,5 ... 3 dB зависит от качества имеющихся заземления и тюнера. Чем хуже их качество – тем больше будет выигрыш при переходе от 11 м к 13,4 м.
Диапазон 7 MHz. По сравнению с GP 11 м мы выиграем ~0,25 dB за счет сужения ДН и десятые децибела от уменьшения потерь в заземлении (из-за роста Ra). Общий выигрыш ~1 dB.
Диапазоны 10,1 ... 28 MHz. В каждом их этих диапазонов мы выигрываем ~1,3 dB у 11-метровой вертикальной антенны 3,5 … 28 МГц. Выигрыш достигается за счет того, что во всех ВЧ диапазонах работает вся высота антенны 13,4 м (ДН по диапазонам см. в следующем разделе). А у предыдущей конструкции мы были вынуждены на ВЧ экранировать нижние 3,5 м, оставляя в работе только верхние 7,5 м. А, как описано в статье "Важны ли доли децибела?", рост уровня сигнала на 1 … 1,5 dB в разы сокращает время пробивания pile-up`a.
Отсутствие противовесов на 10,1 ... 28 MHz. Это экономит проволоку. А в случае подземных противовесов 3,5 и 7 MHz можно закопать их глубже (см. статью "Противовесы под землей" – с понижением частоты растет допустимая глубина укладки противовесов под землю) и использовать землю под ландшафт и\или сельское хозяйство.
Конечно, имеются и недостатки:
Требуются противовесы. Правда всего на 2 диапазона 7 и 3,5 MHz. Причина: любой укороченный вертикал (а в диапазоне 3,5 MHz антенна укорочена) обойтись без них не может в принципе.
Необходимость тюнера прямо в точке питания. Отнести его куда-нибудь подальше по двухпроводной линии здесь нельзя.
На нижнем конце антенны в диапазонах от 10 до 28 MHz присутствует максимум напряжения. Поэтому нужен качественный опорный изолятор выдерживающий высокое напряжение.
Мачта антенны телескопическая из алюминиевых труб. Алюминиевая трубка диаметром 10 мм и высотой 6,7 м расположена в ~15 см от мачты на диэлектрических распорках (в моем случае это обрезки стеклопластиковой арматуры).
Воздушный трансформатор Tr1 представляет собой две катушки по 9 витков одна внутри другой. 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).
Развязывающий дроссель Tr2 может быть выполнен любым образом так, чтобы обеспечить высокий (более 1 кОм) модуль импеданс в диапазонах от 10 до 28 MHz (в диапазонах 3,5 и 7 MHz требования к дросселю минимальны). Я использовал ферритовое кольцо Fair-Rite 5943003821 https://www.fair-rite.com/product/toroids-5943003821/ намотав на нем питающим кабелем 6 витков. Через этот же дроссель должна проходить линия питания\управления тюнером.
В диапазонах 3,5 и 7 MHz ДН рисовать бессмысленно. Их и так все знают: обычный GP электрической длиной 0,16λ и 0,31λ соответственно.
А вот в диапазонах от 10 до 28 MHz все не так очевидно т.к. антенна работает как вертикальный диполь без противовесов. Однако (как и у любой вертикальной антенны) ее усиление будет зависеть от проводимости грунта. Поэтому, чтобы видеть границы, в которых может меняться усиление на рис. 2 приведены ДН в свободном пространстве (т.е. с нулевой проводимостью подстилающей поверхности), а на рис.3 – над идеальной землей.
Видно, что при любой земле во всех диапазонах от 10 до 28 MHz излучение вдоль земли (т.е. антенна оптимальна на DX трассах) и усиление растет с частотой.
Реальное усиление будет ближе к рис. 3 (даже если земля плохая, то противовесы НЧ диапазонов её улучшат). На реальной земле излучение будет ослабляться под низкими углами тем больше, чем хуже качество земли (т.е. точно так же, как и у любой другой вертикальной антенны). Включите в модели реальную землю и посмотрите, меняя параметры грунта.
Мне думается эта конструкция является одним из оптимальных решений для небольшой дома с редким посещением. На постоянной основе монтируются мачта (пара ... тройка ярусов растяжек за столбы забора ничему особо не помешают) с параллельной трубкой и подземные противовесы (на 3,5 и 7 MHz их можно закопать так, чтобы они не мешали садоводству и они помещаются на нескольких сотках). А вся система питания (коаксиал, Tr1, Tr2,тюнер, реле) разворачивается и подключается к антенне "крокодилами" только когда вы на даче. В остальное время система питания убрана в дом, а мачта перемычкой заземлена на противовесы и заземление, работая при этом молниеотводом.
При этом вы полноценно будете присутствовать в эфире во всех диапазонах от 3,5 до 28 MHz, а при случае (если позволит тюнер) и подбирать некоторых DX даже на 1,8 MHz.
Будет очень хорошо, если удастся приподнять точку питания и противовесы на 2,5...3 м над землей. Помимо безопасности при работе на передачу, это заметно снизит влияние качества земли и повысит усиление под низкими углами (как и у любой другой вертикальной антенны) и снизит потери в земле на 7 MHz и особенно на 3,5 MHz.
12.06.2021