Симметричный диполь, питаемый по воздушной двухпроводной линии – одна из лучших простых многодиапазонных антенн. Симметрия конструкции приводит к минимальному синфазному току, а, следовательно, и помехам.
КПД воздушной линии остается хорошим даже при высоких КСВ. Поэтому, невзирая на самые причудливые входные импедансы, антенна хорошо работает на всех диапазонах, начиная с того, где ее длина достигает хотя бы λ/3.
Единственная проблема в таком решении – это перестраиваемый (или переключаемый) симметричный тюнер, способный преобразовать комплексный импеданс нижнего конца линии в 50 Ом. Но "единственная" не значит простая. Если при небольшой мощности такой тюнер относительно несложен, то уже при сотнях ватт требуются очень качественные (на большое ВЧ напряжение и ток) КПЕ, вариометры (в перестраиваемом тюнере) или переключатели и постоянные катушки с конденсаторами (в переключаемом). А это дорого и сложно.
Поэтому хотелось бы антенную систему, имеющую все достоинства симметричного диполя с воздушной линией, но с простым тюнером.
Самый простой тюнер это тот, который состоит из одного реактивного элемента, включенного последовательно с согласуемым импедансом. Он прост и в изготовлении, и в настройке, и в коммутации.
Но чтобы такой тюнер был многодиапазонным, активная часть согласуемого импеданса не должна меняться от диапазона. Задача создания конструкции с такими импедансами весьма непроста. Ведь Ra диполя сильно и быстро меняется с частотой. И попасть графиком Ra(f) так, чтобы на средних частотах любительских диапазонов 7, 10, 14, 18, 21 , 24 и 28 МГц он бы имел более-менее одинаковые Ra не легче, чем одним выстрелом в семь зайцев.
C одиночным диполем такой фокус невозможен ни при каких его размерах. Просто потому, что одна степень свободы (размер диполя) явно недостаточна для регулировки Ra сразу на семи разных частотах.
Если смотреть импеданс не на диполе, а внизу двухпроводной линии, то тут ситуация не столь безнадежна, т.к. добавляются еще две степени свободы: длина линии и ее волновое сопротивление. Но и этого не хватает, чтобы свести в одной точке семь диапазонных графиков Ra.
А вот если в середину диполя добавить катушку, то эта четвертая степень свободы позволяет получить более-менее одинаковые активные части входных импедансов на семи диапазонах. Это решение показано на следующем рисунке:
Проволочный диполь 15,1 м с катушкой 11,2 мкГн в центре, питаемый по воздушной линии 500 Ом длиной 15,9 м (электрическая длина, а на рисунке указана физическая, учтен небольшой коэффициент укорочения) внизу этой линии имеет активную часть импеданса около 112 Ом на диапазонах 7, 10, 14, 18, 21, 24 и 28 МГц.
Параметры по диапазонам показаны на следующих скришотах GAL-ANA:
Итак, на входе тюнера на всех диапазонах около 112 Ом активного сопротивления. Реактивность JX, конечно, получилась самая разная. Её должен компенсировать единственный последовательный элемент тюнера (переключаемый или перестраиваемый по диапазонам). Оставшееся чисто активное сопротивление 112 Ом симметрирует и преобразует в 50 Ом широкополосный ферритовый трансформатор.
Схема тюнера, реализующая описанный алгоритм, показана ниже.
Переключение сделано парой "крокодиловых" переключателей (они описаны тут). Парой – потому что линия двухпроводная и при смене диапазона надо переключать надо оба ее конца одновременно.
Рассмотрим эту схему по диапазонам.
7 МГц. Импеданс внизу линии Z = 114 + j640 Ом (все приводимые импедансы округлены т.к. зависят от высоты над землей, емкости концевых изоляторов, расстояния до окружающих предметов, и т.д). Для настойки нужна последовательная емкость около 35 пФ. Поскольку линия симметричная, то набирается эта емкость из двух конденсаторов С1 и С5. Требования к этим конденсаторам (здесь и далее - для входной мощности 1 кВт, для своей мощности пересчитайте: реактивные мощности линейно, токи и напряжение в корень из отношения мощностей раз): напряжение 1000 В, реактивная мощность 2,9 кВАр.
10 МГц. Импеданс Z = 99 + j200 Ом. Для настойки нужна последовательная емкость около 80 пФ. Её дают конденсаторы С2 и С6. Требования к этим конденсаторам: напряжение 600 В, реактивная мощность 0,9 кВАр.
14 МГц. Импеданс Z = 97 – j495 Ом. Для настойки нужна последовательная индуктивность около 5,5 мкГн. Её обеспечивают катушки L1 и L4. Ток в них около 3 А.
18 МГц. Импеданс Z = 106 + j640 Ом. Для настойки нужна последовательная емкость около 14 пФ. Её дают конденсаторы С3 и С7. Требования к этим конденсаторам: напряжение 1000 В, реактивная мощность 2,9 кВАр.
21 МГц. Импеданс Z = 120 – j650 Ом. Для настойки нужна последовательная индуктивность около 5 мкГн. Её обеспечивают катушки L2 и L5. Ток в них около 3 А.
24 МГц. Импеданс Z = 133 + j520 Ом. Для настойки нужна последовательная емкость около 12 пФ. Её дают конденсаторы С4 и С8: по 800 В и 2,8 кВАр каждый.
28 МГц. Импеданс Z = 95 – j200 Ом. Для настойки нужна последовательная индуктивность около 1,2 мкГн. Её обеспечивают катушки L3 и L6. Ток в них около 3 А.
Антенна и линия питания выполнены из одного общего медного провода по этой технологии. Провод диаметром 1,6 мм (электрический "2,5 квадрата" очищенный от изоляции).
Расстояние между проводами линии 55 мм.
Катушка в середине диполя должна иметь добротность не ниже 200 и быть рассчитана на ток 3 А и напряжение на ней до 2 кВ (т.е. намотка с шагом). Число витков посчитайте сами под имеющийся каркас.
Линия питания должна иди так, чтобы в радиусе полуметра от нее не было бы предметов с ВЧ потерями (железо, стены, и т.п.).
Тюнер расположен в легкодоступном месте (большая длина линии позволяет это сделать): на балконе или прямо на столе (линия тонкая, ее можно просто провести между рамами половинок окна, не мучаясь, как с коаксиальным кабелем).
Все конденсаторы тюнера меньше 30 пФ – это отрезки коаксиального кабеля RG213A (его погонная емкость около 1 пФ/cм). C1, C2, C5, C6 состоят из постоянного конденсатора на 10...20 пФ меньше указанного на схеме номинала и параллельно подключенного отрезка коаксиала длинной 10...20 см (в качестве подстроечных конденсаторов).
Все катушки тюнера бескаркасные, намотаны на оправке 30 мм проводом диаметром 1,6 мм с зазором между витками, равным диаметру. L1, L3 содержат по 11 витков; L2, L5 - по 12 витков; L3 и L6 - по 5 витков.
Широкополосный трансформатор Tr1 намотан на ферритовых трубках ("бинокль"). Его первичная обмотка содержит 2 витка, вторичная – 3. Обе обмотки намотаны жгутом из нескольких проводов МГТФ. Сечение и количество проводов в жгуте подбирается так, чтобы обмотки плотно заполняли отверстия сердечников. Для киловатта сердечник состоит из 4 ферритовых трубок, срезанных со шнуров старых мониторов. Размер одной трубки: длина 25 мм, диаметр 17 мм. Трубки склеиваются в длину попарно, до длины 50 мм. На двух таких 50-ти миллиметровых трубках мотается трансформатор. При меньших мощностях можно ограничится парой трубок по 25 мм длиной. Если требуется снимать статику с антенны, то от середины вторичной обмотки делается отвод и заземляется через двухваттный резистор в несколько десятков килоом.
Тщательно отмерьте длину диполя и питающей линии, ошибки более 10 см нежелательны. Не применяйте изоляторы антенны (и концевые, и центральный) с заметной емкостью (керамические орешки - лучшее решение). Хорошо бы до установки измерить индуктивность средней катушки диполя: она должна быть в предела 11 ... 11,5 мкГн.
Настройка тюнера по диапазонам проста: подгоняете (конденсаторы из кабеля длиной, катушки - растяжением-сжатием) добиваетесь минимума КСВ. При правильной настройке он должен быть не выше 1,3 на резонансе каждого диапазона.
Поскольку при влиянии внешних воздействий активная часть импеданса меняется во много раз медленнее, чем реактивная (а последнюю вы скомпенсируете при настройке тюнера), то описанная антенная система может быть настроена с хорошим КСВ даже при заметном влиянии окружения.
Хотя антенна оптимальна при линейной форме, в крайнем случае она может быть сделана и как Inverted V. КСВ при этом на резонансах всех диапазонов кроме 10 МГц не выше 1,4, а на 10 МГц поднимется до 1,6 (на 10 МГц диполь почти полуволновой, и длина линии тоже близка к λ/2, т.е. к повторителю. Поэтому внизу линии в диапазоне 10 Мгц получается импеданс почти как как у слегка удлиненного полуволнового диполя. А при складывании такого диполя в Inverted V его активная часть его импеданса понижается и получается заметно ниже 100 Ом, отсюда и рост КСВ).
Bonn, 20.02.2013