Вертикальная антенна рекордно низкой высоты: всего 5%λ. и при этом с вполне достойными КПД и полосой.

GP высотой 0,05λ

Постановка задачи

Возникла задача сделать приличную антенну диапазона 3,5 MHz с высотой не более 4 м (площадь при этом не ограничивалась).

Горизонтальная антенна при такой высоте не имеет смысла (большая часть излучения горизонтальной антенны при такой высоте обогреет грунт под антенной, а меньшая уйдет в зенит, где нет DX). Значит вертикал. С полноразмерными противовесами (ведь площадь есть), т.к. для укороченных вертикалов необходимо низкое сопротивление заземления, достичь чего укороченными противовесами нельзя (если только их количество не измеряется сотнями).

Обычно сильно укороченные GP (условно говоря, с физической высотой < 0,1λ) имеют невысокой КПД и узкую полосу согласования (особенно это ощущается на НЧ диапазонах, где и нужны укороченные GP). И потому не рассматриваются в качестве серьезных, основных антенн.

Ниже описана антенна диапазона 3,5 MHz в которой эти проблемы в значительной мере решены. При физической высоте всего 4 м антенна имеет входное сопротивлением 50 Ом и полосу ~150 kHz по КСВ < 2.

Разработка

Основной путь повышения сопротивления излучения Rизл короткого GP состоит в применении больших горизонтальных емкостных нагрузок (ЕН).

Развесив над вертикалом высотой 4 м четыре длинные горизонтальные ЕН по 13 м, можно скомпенсировать реактивность и получить чисто активное входное сопротивление Rвх, равное сумме Rизл (около 3,5 Ом в данном случае) и сопротивлению заземления Rз (если не пожадничать с количеством четвертьволновых радиалов на грунте, реально получить Rз < 10 Ом). КПД при этом получится около 25% (Rизл/(Rизл+Rз)), что совсем не мало: из подведенных, например 1,5 Квт, 375 Ватт уйдут в эфир.

Выглядит на первый взгляд неплохо. Но кроме КПД важна еще и полоса (чтобы не перестраивать антенну при смене частоты на несколько десятков kHz)

Чтобы подвести к такому вертикалу киловатт, придется предварительно трансформировать 50 Ом кабеля в низкое входное сопротивления вертикала. Т.е. использовать согласующее устройство. Которое (будучи резонансной LC цепью) сузит и без того узкую полосу вертикала. И полоса системы СУ + наш укороченный вертикал окажется совсем малой.

Да и горизонтальные габариты наружней (не считая противовесов) части такой конструкции совсем не радуют: 4 мачты по углам (для поддержки концов ЕН) квадрата со стороной 18 м, плюс одна мачта в центре (собственно излучатель).

 

Попробуем решить задачу по-другому. Известно, что увеличение толщины излучателя сильно снижает реактивность антенны JXa и скорость изменения JXa от частоты. То есть расширяет полосу. Поэтому разумно использовать крайние мачты (которые поддерживают концы ЕН) не просто как механические держатели, а как части излучателя, чтобы получить большую эквивалентную толщину излучателя, т.е. расширить полосу антенны.

Чтобы исключить сужение полосы СУ хорошо бы вовсе устранить согласование, т.е. сделать входное сопротивление антенны 50 Ом. Известно, что шлейфовое питание (как в петлевом диполе, например) повышает входное сопротивление. За счет того, что только часть полного тока антенны течет по питаемому проводу, а остальной ток – по шлейфам, замкнутым мимо источника. Чем больше таких шлейфов, тем выше коэффициент трансформации Rизл в Rвх.

В антенне со шлейфовым питанием Rвх кратно выше Rизл. Если потерь нет, диаметры шлейфа и питаемого провода равны, а шлейф только один, то Rвх 4 раза выше Rизл. Например, простой диполь диполь имеет Rизл = Rвх = 73 Ома, а петлевой диполь при том же сопротивлении излучения имеет Rвх = 292 Ома. Если шлейфов больше, а диаметр питаемого провода меньше, то повышение Rвх может быть очень значительным – десятки раз. Что нам в данном случае и требуется, чтобы повысить единицы ом Rизл укороченного GP до 50 Ом.

Поэтому разумно использовать крайние мачты как 4 шлейфа, повышающих Rвх до 50 Ом.

При конструировании выяснилось, что можно обойтись всего 4-мя мачтами по 4 м высотой каждая, расположенными по углам квадрата со стороной 8 м (т.е. довольно компактно), а вместо центральной пятой мачты использовать проволочное снижение.

Но, поскольку ныне бесплатный сыр не кладут даже в мышеловку, то имейте виду, что под каждым из 5 вертикальных элементов (4 мачты + центральное снижение) нужна полноценная полноразмерная система четвертьволновых радиалов с Rз < 10 Ом под каждым. Поэтому, если вы не готовы уложить на землю (или неглубоко прикопать) несколько десятков λ/4 радиалов (т.е. многие сотни метров провода), то дальше эту статью можете не читать: она вам не нужна.

Продолжим с теми, у кого есть под радиалы место и провод, а возможности увеличить высоту мачт нет и не предвидится.

Антенна

Получившаяся антенна показана на рис. 1 и в файле G80_H4m.maa


Рис. 1.

По форме и конструкции она напоминает большую палатку или павильон. 4 трубчатые мачты (каждая на изоляторе) стянуты вверху проволокой и дополнительно закреплены парой оттяжек (играющих роль дополнительных ЕН) каждая. Центральный проволочный элемент опускается от диагональных стяжек верхушек мачт на землю. В него подается питание.

В начала всех пяти вертикальных частей антенны (4 мачты и центральный элемент) включены удлинительно-настроечные катушки индуктивности.

Излучение антенны (диаграммы направленности излучения такие же, как и обычного GP) формируется всеми пятью её вертикальными частями (на рис.2 красным показаны вертикальные токи). Горизонтальные же части в излучении не участвуют, обеспечивая лишь правильное возбуждение мачт и расширение полосы.


Рис. 2.

Расчеты показывают, что Rизл антенны составляет ~5 Ом (т.е. ~ в полтора раза больше чем у штыря равной высоты, с 4-мя большими горизонтальными ЕН по 13 м). Рост Rизл объясняется тем, что излучает не только центральный элемент, но и все четыре угловые мачты.

Полоса антенны (при сопротивлении заземления под каждым из 5 вертикальных элементов Rз = 10 Ом) показана на рис.3. Антенна настроена на 3,65 MHz, катушки под каждой из мачт по 13,1 uH, под центральным питаемым элементом 5,4 uH.


Рис. 3.

Как видим, полоса антенны для своих размеров выдающаяся: 85 kHz по уровню КСВ < 1,5 и ~ 150 kHz по уровню КСВ < 2.

Тем не менее, на весь диапазон 3,5 MHz её не хватает (замечу в скобках, что то же относится и к большинству полноразмерных антенн этого диапазона). Поэтому возникает вопрос о перекрытии нужных участков.

Решений возможно три.

1. Если вас интересует только SSB участок или только участок CW/DIGI, то антенна просто настраивается в него. Например на рис. 4 показана полоса этой антенны, настроенной в CW/DIGI. 4 катушки под каждой из мачт получились по 14 uH, а под центральным излучателем 6,4 uH (файл модели G80_H4m_CW_DIGI.maa)


Рис. 4.

От 3,5 до 3,58 MHz КСВ не превышает 1,5.

2. Второй способ: переключать настроечную катушку под центральным элементом. Если при этом антенна настроена на КСВ = 1 на 3,65 MHz, то минимумы КСВ в CW и SSB участках (при переключении центральной катушки) будут не 1, а 1,2. Если такие минимумы кажутся великоватыми, то см. следующий способ.

3. То же самое, что и предыдущий, плюс переключение катушек (всех четырех одновременно) под каждой из мачтой. Мне это кажется избыточно сложным, но для перфекционистов может оказаться полезным.

Конструкция и настройка

Конструкция

Частично была описана выше. Четыре четырехметровые мачты стоят на изоляторах. В качестве оттяжек используются верхние горизонтальные и наклонные провода ЕН. Других оттяжек нет. Наземная часть антенны механически монтируется и поднимается примерно как каркас большого павильона или палатки.

Под каждым из 5 вертикальных элементов антенны монтируется своя система противовесов (чем их больше, тем выше КПД антенны). В точках пересечения противовесы электрически соединяются и дальше не идут. Противовесы самая трудоемкая часть антенны, но увы, необходимая.

Катушки мотаются из расчета, что при 1 кВт мощности ток в центральной катушке будет ~ 6,3 А, а в каждой из четырех под мачтами – по 4 А.

Настройка

Нужна, т.к. у вас будет другое Rз, чем 10 Ом для которого рассчитаны приведенные выше модели. А от Rз него зависит активная часть входного импеданса антенны Rа.

Методика наcтройки:

  1. На желаемой центральной частоте хорошим антенным анализатором измеряем Ra (на JXa пока не обращаем внимания).

  2. Если Ra больше 50 Ом, то увеличиваем одновременно все 4 катушки под каждой из мачт. А если Ra < 50 Ом, то уменьшаем. До тех пор, пока не получим Ra = 50 Ом.

  3. Подгоняя индуктивность под центральным вибратором (и уже не трогая катушки под мачтами) компенсируем JXa, т.е. добиваемся КСВ = 1.

Четыре катушки под мачтами (все одинаковые) дают возможность получить Ra = 50 Ом, т.е. работают как часть согласующего устройства. Ими можно компенсировать не только другое Rз, но и небольшие отклонения в размерах антенны (что полезно при вписывании конструкции в имеющийся участок). Потренируйтесь делать это на модели.

Обсуждение результатов

Даже при высоте 4 м можно получить вполне серьезную вертикальную антенну диапазона 3,5 MHz. Конечно, это оплачивается значительной площадью по земле и большим количеством противовесов. Но маленькие по всем размерам и при том эффективные антенны предлагают только шарлатаны.

В силу маленькой высоты антенна критична к затенению строениями и деревьями сопоставимой в ней высоты.

Такая антенна, пересчитанная на на диапазон 1,8 MHz при мачтах высотой всего 7 м обеспечивает перекрытие CW/DIGI участка в КСВ < 1,5.


07.08.2021

На главную - Main page