Многодиапазонных вертикалов описано уже немало. Зачем еще один? Затем что:
В большинстве описанных конструкций на ВЧ диапазонах работает не вся высота вертикала, а лишь ее часть, соответствующая четверти длины волны выбранного диапазона. Т.е., например при мачте 5 ... 7 метров на 21 и 28 МГц работают лишь первые 3,5 и 2,5 м соответственно. А оставшаяся высота (которая могла бы повысить усиление) не используется. Неразумно это.
В конструкциях, где полная высота вертикала работает на всех диапазонах, в точке питания необходим тюнер (входной импеданс по диапазонам получается самым разным и без согласования не обойтись).
Но тюнер надо коммутировать по диапазонам. Для этого потребуется непростой и недешевый переключатель или набор реле.
Во-первых, надо переключать и вход тюнер и его выход (т.е. нужен двухсекционный переключатель).
Во-вторых, требования к этому переключателю получаются очень жесткими. Особенно к выходной секции, коммутирующей вертикал. Входная секция переключателя работает в согласованной цепи 50 Ом (т.е. токи и напряжения относительно небольшие, скажем при передатчике 1 кВт это 4,5 А и 225 В эфф. соответственно). А вот выходная секция работает в резонансной цепи. Токи и напряжения там в Q раз выше, чем на активной нагрузке. Где Q нагруженная добротность тюнера, которая может быть примерно оценена, как отношение Xa/Ra. Если не брать сильно укороченные антенны, то Q составляет несколько единиц, обычно 2 ... 5. И во столько раз возрастут токи и\или напряжения на выходной секции переключателя.
Иными словами при киловаттом передатчике на антенном выходе тюнера потребуется ВЧ переключатель, выдерживающий 10 А и 1,2 кВ эфф. Представляете, сколько такой может стоить? А набор из нескольких таких реле (если тюнер дистанционно управляемый и\или автоматический)? А еще один набор реле попроще для переключения 50-ти омного входа тюнера?
Раз у нас работает весь вертикал, то мы не можем сделать его высоту слишком большой. Иначе на 28 МГц зенитная ДН сильно поднимется вверх, и вместо прибавки усиления относительно четвертьволнового вертикала, мы под низкими зенитными углами получим проигрыш.
Имея в виду, что нижний диапазон у нас 7 МГц, вертикал не может быть короче 7 метров. В противном случае на 7 МГц он будет сильно укорочен, что уменьшит и полосу, и усиление.
Кроме того, хотелось бы иметь удобные для согласования входные импедансы на всех диапазонах. А что значит "удобные"? Это такие, при которых:
На последнем остановимся особо. Если схема СУ такова, что не содержит параллельных элементов, а только последовательные (например GP с высотой 0,28 лямбда согласуется единственным последовательным конденсатором, а GP 0,68 лямбда -- единственной последовательной катушкой), то несколько таких СУ могут быть по входу включены параллельно. А это позволяет устранить входную секцию переключателя тюнера, оставив только одну выходную.
Но выходная секция должна работать с большими токами и напряжениями. Готовые такие переключатели дорогие (примерно как для КВ РА). Поэтому, сделаем его самостоятельно (не пугайтесь, ничего сверх владения паяльником, ножницами по металлу и отверткой для этого не потребуется).
Из материалов понадобятся: двусторонний фольгированный стеклотекстолит, керамические или пластиковые (фторопласт, полиэтилен, полистирол) изолирующие стойки, кусочек многожильного монтажного провода сечением от 3 мм2, зажим "крокодил" на ток не меньше максимально ожидаемого (недорогие "крокодилы" бывают на ток до нескольких десятков ампер, автомобильные например).
Наш высоковольтный, сильноточный, высокочастотный переключатель делается так:
Переключатель готов: руками перекидывайте "крокодил" на нужную пластину - выход диапазонного СУ (длина многожильного провода, на котором висит "крокодил" должна позволять это сделать).
Допустимое напряжение такого переключателя определяется только высотой изолирующих стоек и легко может достигать нескольких кВ. Допустимый ток - размерами "крокодила" (самые маленькие выдерживают 2 ..3 А, средние: длиной 40 мм и шириной 5 мм - 5 ... 6 А) и площадью контактной пластины из стеклотекстолита (а ее можно вырезать любого требуемого размера).
C выходной секцией переключателя вроде бы разобрались. А что делать со входной? Ведь невозможно во всех диапазонах сделать СУ без параллельных элементов. А такие СУ нельзя соединять по входу параллельно: параллельные элементы неработающих в данный момент диапазонов окажутся подключенными и испортят согласование на рабочем диапазоне.
На помощь снова приходит "крокодил". Его "пасть" ведь состоит из двух половинок. И может быть использована не только для подключения к одной контактной пластине, но и для одновременного подключения с замыканием между собой двух отдельных, параллельно расположенных рядом пластин.
Обычный одноплатный переключатель такого не умеет. А переключатель из "крокодила" вполне совмещает функции переключения и замыкания.
Эскиз конструкции такого "крокодилового" переключателя и его обозначение на схеме:
Замыкаемые пластины это верхняя и нижняя фольга на пластине стеклотекстолита.
При использовании "крокодилового" переключателя-замыкателя переключать входы СУ уже не надо. Их можно просто соединить параллельно. Ранее мешавшие нам параллельные элементы СУ нерабочих диапазонов теперь оказываются не подключенными ко входу и не влияют. А когда они понадобятся (т.е. когда мы выберем их диапазон), то они будут подключены к антенне половиной "крокодила".
При таком переключателе мы можем использовать СУ с параллельным элементом, т.е. Г-образное. Единственное ограничение: параллельный элемент СУ должен быть подключен к антенне.
Суммируя все ограничения, получаем, что всем нашим требованиям по импедансам в диапазонах, 7, 10, 14, 18, 21, 24 и 28 МГц отвечает GP высотой 7,55 м если он выполнен из трубок диаметрами 12, 10, 8 и 6 мм (трубки по 2 м длиной, телескопически вставлены друг в друга на 15 см каждая) либо 7,7 если он проволочный.
ВЧ-заземление (например, резонансные противовесы) такому вертикалу необходимо. На диапазонах 7, 10, 24 и 28 МГц - довольно хорошее, т.к. там низка активная часть входного импеданса антенны. На 14 и 18 - попроще, т.к там Ra увеличивается. На 21 МГц можно не делать отдельных противовесов - Ra высокое, поэтому ток, втекающий в заземление мал, и тут хватит противовесов других диапазонов.
S1 - переключатель диапазонов, как описано выше.
S2 замыкатель - на основе "крокодила" (та же конструкция, что и у переключателя, только без выхода), т.е. просто "крокодил" без провода замыкающий верхнюю и нижнюю фольгу контактной пластины S2 на 7 МГц (разомкнут на всех остальных диапазонах).
Рассмотрим эту схему по диапазонам.
28 МГц. Импеданс антенны Za = 45 -j70 Ом (все приводимые импедансы округлены т.к. ощутимо зависят от высоты над землей, качества ВЧ заземления, емкости изолятора, расстояния до окружающих предметов, толщины вертикала, и т.д). Для настойки нужна последовательная индуктивность около 0,4 мкГн. Ее обеспечивает часть катушки от входа до контактной площадки 28 МГц. Ток в катушке 4,5 А (здесь и далее - для входной мощности 1 кВт).
24,9 МГц. Za = 55 - j230 Ом. Для настойки нужна последовательная индуктивность около 1,4 мкГн. Ее обеспечивает часть катушки от входа до контактной площадки 24 МГц. Ток в катушке 4,5 А.
21 МГц. Za = 250 - j600 Ом. Для настойки нужно Г-образное СУ из последовательной катушки 2,2 мкГн и конденсатора около 15 пФ параллельно антенне. Индуктивность обеспечивает часть катушки от входа до контактной площадки 21 МГц. Подключение конденсатора - наш "крокодиловый" переключатель. Емкость конденсатора на схеме показана меньше расчетной, т.к. она уменьшена на величину конструктивной емкости изолятора GP.
Ток в катушке 4,5 А, Напряжение на конденсаторе 1300 В, реактивная мощность в нём 3,2 кВАр. Конструктивно конденсатор выполнен как разомкнутый отрезок коаксиального кабеля RG-58A длиной несколько см (50-ти омные кабели со сплошной полиэтиленовой изоляцией обычно имеют погонную емкость около 1 пф/см).
18 МГц Za = 1100 - j200 Ом. Для настойки нужно Г-образное СУ из последовательной катушки 2 мкГн и конденсатора около 35 пФ параллельно антенне. Индуктивность обеспечивает часть катушки от входа до контактной площадки 18 МГц. Подключение конденсатора - наш "крокодиловый" переключатель. Емкость конденсатора на схеме показана меньше расчетной, т.к. она уменьшена на величину конструктивной емкости изолятора GP.
Ток в катушке 4,5 А, Напряжение на конденсаторе 1200 В, реактивная мощность в нём 5 кВАр. Конструктивно конденсатор выполнен как разомкнутый отрезок коаксиального кабеля RG-58A длиной около 25 см.
14 МГц. Za = 200 + j300 Ом. Для настойки нужно Г-образное СУ из последовательной катушки 1,9 мкГн и конденсатора около 85 пФ параллельно антенне. Индуктивность обеспечивает часть катушки от входа до контактной площадки 14 МГц. Подключение конденсатора - наш "крокодиловый" переключатель. Емкость конденсатора на схеме показана меньше расчетной, т.к. она уменьшена на величину конструктивной емкости изолятора GP.
Ток в катушке 4,5 А, Напряжение на конденсаторе 850 В, реактивная мощность в нём 5,5 кВАр. Конструктивно конденсатор выполнен 3 параллельно включенных разомкнутых отрезка коаксиально кабеля RG-58A длиной около 25 см каждый.
10 МГц. Za = 50 + j15 Ом. Для настройки нужен последовательный конденсатор около 900 пФ. Он на схеме имеется: между входом и контактной площадкой 10 МГц. Напряжение на конденсаторе 230 В, реактивная мощность всего 140 ВАр (т.е простой КСО на 250 В подойдет).
7 МГц. Za = 20 - j200 Ом. Для точного согласования нужны две катушки: последовательная около 4 мкГн и параллельно входу около 1 мкГн. В принципе, без нижней катушки можно обойтись, если вас устроит КСВ на резонансе не точно 1, а 1,7 ... 2,5 (в зависимости от потерь в земле).
Последовательная катушка - это вся индуктивность между входом и контактной площадкой 7 МГц. Параллельная подключается дополнительным замыкателем-"крокодилом" (который на всех остальных диапазонах снят и, чтобы не потерялся, зацеплен за стенку корпуса тюнера). Токи: в нижней катушке 5 А, в верхней 7 А.
Входной импеданс вертикала и схема СУ подобраны так, что система тюнер + антенна могут быть настроены на всех рабочих диапазонах даже при значительном влиянии местных предметов на вертикал (например, установка на балконе или в окружении близко расположенных других проводов).
В самом деле, штырь чуть длиннее четверти волны на 10,1 МГц будет настраиваться:
Это означает, что СУ может быть настроено по диапазонам в практически любом случае, если выдержаны размеры вертикала. Поэтому отнеситесь к вышеприведенным данным конденсаторов и катушек СУ как к ориентировочным, которые придется уточнять при настройке конкретной, именно вашей конструкции.
Тем не менее, данные катушек все же приведу. Для ориентировки. Диаметр провода обеих катушек 1,7 мм, диаметры каркасов - по 30 мм. Катушки намотаны с шагом, расстояние между краями витков равно диаметру провода.
L2 содержит 8 витков (у меня при настройке получилось, что используется 6 витков, но намотайте с запасом - передвигать положение отвода при настройке намного удобнее, чем перематывать катушку).
L1 содержит 20 витков (у меня используется 18 из них, но см. выше про запас). Отводы (считая от нижнего по схеме вывода L1) от 4, 7, 9, 10 и 11 витков (подбиратеся при настройке с точностью до доли витка).
Перед настройкой убедитесь, что все требуемые по схеме отводы, припаяны к выходным контактным пластинам. Емкость последних хотя и невелика, но входит в СУ и влияет на всех диапазонах, особенно на 18 и 21 МГц.
Сначала настраивают диапазон 7 МГц. Подгоняя индуктивности L1 и L2 (подбирая отводы от намотанных с некоторым запасом катушек), добиваются точного согласования.
Затем подбирая последовательный конденсатор (точнее набирая его из нескольких имеющихся) устанавливают минимум КСВ на 10 МГц.
Настройка диапазонов 14, 18 и 21 МГц идентична по технологии. Вместо диапазонного конденсатора подключается КПЕ. Подается небольшая (10 ...20 Вт) мощность с передатчика. Вращая КПЕ находим минимум КСВ. Смещаем отвод катушки на полвитка и снова подстройкой КПЕ находим минимум КСВ. Если он меньше предыдущего - двигаем отвод дальше в ту же сторону, если больше - в обратную. Найдя положение отвода, соответствующее КСВ = 1, заменяем КПЕ на конденсатор из отрезка кабеля.
Диапазоны 24 и 28 МГц настраиваются по подбором положения соответствующих отводов.
Чтобы понять, что мы выиграли и проиграли в усилении, сравним ДН описываемой антенны с обычным резонансным четвертьволновым вертикалом (естественно, он будет своей высоты на каждом диапазоне). На всех приведенных ниже рисунках ДН нашего вертикала показана красным цветом, четвертьволнового - черным.
Будем сравнивать не максимальные усиления, а уровни излучения под зенитным углом 100 (нас ведь DX-ы интересуют, а они идут под низкими углами).
На 7 МГц мы проигрываем около 1,5 дБ (укорочение сказывается). На 10 МГц ДН не привожу т.к. наш вертикал там сам четвертьволновый. На 14 МГц увеличенная высота излучателя прибавляет 1,2 дБ (это, конечно, немного но все же прибавка мощности в 1,3 раза ощутима).
На 18 МГц выигрыш уже хорошо заметен: 2 дб (1,6 раза по мощности). И еще больше он на 21 МГц: 3 дБ (удвоение мощности).
На 24,9 МГц антенна имеет максимальное усилении и выигрыш у четвертьволнового GP 4,3 дБ (2,6 раза по мощности).
На 28 МГц ДН нашего штыря на первый взгляд плохая: основной лепесток поднялся вверх. Но присмотримся внимательнее: под зенитным углом 100 мы выиграли 3 дБ у четвертьволнового GP (с вроде бы красивой, однолепестковой ДН). Это, конечно, меньше, чем на диапазоне 24,9 МГц где антенна оптимальна. Но это все же прирост мощности в два раза.
И поднявшийся вверх основной лепесток - это не потеря. А приобретение. Посмотрите, максимальное усиление графика (приведено слева внизу каждого рисунка с ДН) на 28 МГц на 1,68 дБ (3,16 - 1,48). Т.е. та мощность, которая раньше просто обогревала землю, теперь излучается под высокими углами к горизонту. А на 28 Мц это даже полезно: из-за ярко выраженной мертвой зоны на этом диапазоне трудно собираются страны и корреспонденты лежащие на расстоянии 400 ...800 км. А для их обработки (short skip) нужны именно высокие зенитные углы(не знаю как у вас, а у меня при 258 сработанных странах на 28 МГц, только в последнем CQ WW и именно на эту антенну удалось закрыть страну GJ - 640 км от меня).
Bonn, 7.12.2011