Антенна для дачи

Как сделать DX-антенну на все КВ диапазоны и 50 MHz на одной мачте 13,5 м и так, чтобы она помещалась в габариты дачного участка.

Постановка задачи

Идея сделать пристойную антенну на все КВ диапазоны на одной мачте весьма привлекательна. Но ее практическая реализация наталкивается на весьма серьезные трудности.

Пристойная (т.е способная работать с DX не в результате случайного везения, а систематически) дачная антенна на НЧ КВ диапазоны антенна может быть только вертикалом. Случаи очень высоких мачт (хотя бы в четверть λ для 1,8 MHz), на которых нормально заработает горизонтальная антенна, я не беру. Это в городе бывает можно зацепиться за многоэтажный дом такой высоты, что горизонтальная или слегка наклонная антенна будет прилично работать и на 160 м. А в сельско-дачной местности мы можем рассчитывать только на высоту своей мачты.

Для обеспечения приемлемого КПД на 1,8 MHz физическая высота вертикала не должна быть меньше 13 ... 14 м.

Но тут возникает проблема. Вертикал высотой 13 ... 14 м с емкостными нагрузками (а без них делать укороченную вертикальную антенну бессмысленно) имеет хорошую зенитную диаграмму направленности максимум до 10 MHz, т.е. на НЧ КВ диапазонах. А при дальнейшем повышении частоты основное излучение уходит вверх и антенна на ВЧ КВ диапазонах становится непригодной для работы с DX. Нет, конечно можно для хорошей формы зенитной диаграммы направленности на ВЧ электрическими методами (например трапами) отсечь верхушку антенну, оставив работать на ВЧ только нижнюю часть. Но это неэффективное использование высокой мачты. Намного разумнее заставить излучать на ВЧ верхнюю часть конструкции, удаленную от земли и связанных с ней потерь. Но это мало того, что трудновыполнимо, так еще и при большой (в λ) высоте антенны (а верх 13 ... 14 -метровой мачты – это довольно высоко в λ на ВЧ) вертикальная поляризация проигрывает горизонтальной.

Проблема решается, если на ВЧ антенна работает с горизонтальной поляризацией. Для этого на верху мачты должны быть какие-то горизонтальные или наклонные провода, способные работать как диполь. При высоте такого диполя над землей в 13 ...14 м его усиление на ВЧ под низкими зенитными углами будет выше, чем у любого вертикала.

Требования

Примем необходимым следующий список требований:

  1. Одна мачта не выше 13,5 м (ниже сильно упадут КПД и полоса на 1,8 MHz).

  2. Все проволоки и растяжки мачты должны помещаться в круг диаметром не более 25 м (обычные размеры дачного участка).

  3. Изучение мачты с вертикальной поляризацией на НЧ диапазонах (для максимума усиления под низкими углами).

  4. Излучение наклонных проводов сверху мачты с горизонтальной поляризацией на ВЧ диапазонах (для максимума усиления под низкими углами).

  5. Точка питания и согласования внизу мачты (диапазонов много, согласовывать точно придется, а летать мы не умеем).

На что мы заранее соглашаемся:

  1. Если мачта выше всего окружения (что желательно), то она будет громоотводом. Поэтому необходимо наличие хорошего молниеприемного заземления. Например трубы водяной скважины или нескольких металлических столбов забора по периметру участка, электрически соединенных между собой. Такое заземление требуется для любого громоотвода.

  2. Наличие хорошего высокочастотного заземления, способного работать от 1,8 до 10 MHz (без такового не будет нормально работать вертикал, тем более укороченный). Эти невидимые миру слёзы радиалы необходимы (прикиньте на местности длину 160 м, т.е. волну которую вы хотите эффективно излучить, и система радиалов в этом сравнении покажется не такой уж большой и громоздкой). Тут широкий простор для подгонки под местные условия: от нескольких полноразмерных (если нет соседей) до множества укороченных радиалов, прикопанных ниже глубины сельскохозяйственных работ. Если по периметру участка стоит забор на металлических столбах, то несколько толстых (мм 5...8 диаметром) проволок, по кругу соединяющих основание мачты со столбами забора, решат проблему и с молниеприемным, и с высокочастотным заземлениями.

  3. Наличие переключаемого или перестраиваемого вручную или автоматически согласующего устройства. Мы выжимаем приличную зенитную ДН и усиление под низкими углами во всех девяти диапазонах от 160 до 10 м от одной мачты. Поэтому было бы сказкой, утверждать, что мы еще и хорошее согласование без СУ можем сделать. Такое СУ – неизбежная плата за пристойную работу антенны во всех диапазонах.

  4. Механическое переключение (вручную или реле) поляризации излучения (сама она при переходе от НЧ к ВЧ диапазонам не переключится).

Если вас не испугал такой список, переходим к проектированию.

Решение

Для того, чтобы мачта высотой всего 13,5 м смогла относительно эффективно работать и на 1,8 MHz ей наверху нужны емкостные нагрузки. Наиболее разумно конструктивно выполнить их в виде отрезков верхнего яруса растяжек. Имея в виду ограничение габаритами дачного участка по земле, угол ЕН к мачте получается около 450 (если участка не хватает даже для такого угла, то на краях придется поставить небольшие столбы 1,5 ...2,5 м, например, для забора или навеса). Следовательно, чтобы не затенять проекциями ЕН на мачту более 1/3 её высоты, длина ЕН не может быть больше 6,5 м.

Из соображений полосы и КПД вертикал должен быть максимально толстым. Наиболее разумно сделать это, пустив несколько проводов вокруг тонкой металлической мачты (на некотором расстоянии) и соединив их параллельно, так, чтобы они образовали подобие цилиндра вокруг вертикала. Получится такая штука:

Это почти обычный вертикал с тремя емкостными нагрузками. "Почти ", потому что верхняя часть проводов, увеличивающих электрический диаметр мачты выполнена нестандартно. На высоте 10 м проволоки, ранее шедшие вдоль мачты, отходят от нее и идут к середине проводов емкостных нагрузок, образуя наверху что-то вроде небольшой проволочной пирамиды. Зачем это сделано?

На НЧ диапазонах такое изменение конструкции вертикала почти ни на что не влияет. Ну меняется слегка входной импеданс. Однако он в любом случае требует тюнера, так что это изменение импеданса нам малосущественно.

Но вспомним о ВЧ диапазонах. Там нам нужно излучение с горизонтальной поляризацией высоко поднятых проводов. В этой конструкции такими проводами могут быть только верхние 6,2 метровые емкостные нагрузки. Попробуем сделать из пары соседних проводов 6,2 м наклонный диполь (вроде Inv V). Как?

Поскольку середина диполя соединена с мачтой, то остается единственный вариант питания симметричной линией в две половинки диполя. А т.к. наверху нет ни одного изолятора (все соединено напрямую), то питание должно быть шунтовым.

Именно эту задачу и решают изогнутые част по 1,5 м наверху. На ВЧ диапазонах это шунты, обеспечивающие возбуждение верхних проводов как диполей. А вертикальные отрезки 10 м на ВЧ диапазонах служат просто двухпроводной линией питания.

Реализация этой идеи и распределение токов при работе на ВЧ (21 MHz) показаны на следующем рисунке:

Таким образом, сделав такую наверху цельнометаллическую "ёлочку" и переключая внизу три провода, идущие параллельно мачте мы получаем:

Для снятия статики с антенны параллельно изолятору, на котором стоит мачта, включена катушка 15 uH. Катушка должна быть из толстого провода (1,5 ...2 мм), т.к. она не только снимает статику, но и в диапазоне 1,8 MHz работает как часть колебательного контура, упрощая жизнь основному согласующему устройству.

Для грозобезопасности между мачтой и точкой подключения противовесов должен стоять искровой разрядник. На напряжение от 3 кВ (при киловаттом передатчике на 160 м напряжение на изоляторе достигает 2,9 кВ) и импульсный ток 20...50 кА. Лучше готовый газовый (например, V10-H30X, но в крайнем случае можно и самодельный: два заточенных на конус болта M10 ... M14 остриями друг к другу на расстоянии 3 мм.

Модели для изучения: вертикальная поляризация (НЧ диапазоны), горизонтальная поляризация (ВЧ диапазоны).

Диаграммы направленности и импедансы

На НЧ КВ диапазонах (при вертикальной поляризации) все азимутальные ДН, естественно круговые. А вот зенитные ДН и расчетные импедансы по диапазонам показаны на следующем рисунке. Сопротивление потерь в радиалах\земле принято 10 Ом (то есть весьма средненькая система заземления). На рисунке кроме максимальных, указаны усиления под зенитным углом 100 (позиция маркера), нас же DX интересуют.

На ВЧ КВ диапазонах (при горизонтальной поляризации) все ДН и расчетные импедансы по диапазонам показаны на следующем рисунке. На нём также маркер стоит в позиции 10 зенитных градусов.

Настройка и использование

Сама антенна несложна и не очень критична к размерам. Можно использовать другую мачту: от 13 и до сколько сможете. Длины верхних ЕН тоже не очень критичны и могут меняться от 5 до 7 м. Точка подключения шлейфов к ЕН без особого ущерба может смещена + 0,5 м.

Но такая всеядность и десятидиапазонность на одной мачте оплачивается довольно сложной коммутацией и настройкой.

Самый простой в реализации вариант, если есть дистанционный автотюнер, и вам не лень выйти на улицу к основанию мачты переключить поляризацию и\или направления азимутальной ДН (при горизонтальной поляризации). В этом случае потребуется только балун соответствующей мощности (например, MFJ-919) на выходе тюнера (все дистанционные автотюнеры имеют несимметричный выход) и несколько ”крокодиловых” переключателей на всех трех проводах, спускающихся вниз параллельно мачте и выходах тюнера. Просто подключайте ”крокодиловыми” переключателями желаемую конфигурацию (V или Н нужного направления), а остальное сделает автотюнер.

Если всякий раз выходить на улицу лениво, то потребуется несколько реле, реализующих тот же алгоритм. Предполагается, что вы в состоянии сами разработать нужную схему коммутации (если это не так, вам, пожалуй, стоит воздержаться от подобных конструкций). Требования к контактам и изоляции реле: при киловаттном передатчике 3 кВ/6 А (т.е. хорошие высоковольные) и при стоваттном 1 кВ/2 А (т.е. простые и недорогие электротехнические для работы в сети 220 В).

Если автотюнера нет и реле ставить неохота, то работает вариант: ”крокодиловые” переключатели плюс любой самодельный ручной тюнер с балуном и КСВ-метром на его входе. Подав ватт 20 с передатчика и прогулявшись к основанию мачты можно переключить и настроить антенну куда надо.

Бескомпромиссный вариант, но требующий ящика хороших реле: релейное переключение поляризации и направлений, плюс релейная же коммутация отдельных Г-образных согласующих LC-цепей на каждый диапазон. Для их расчета на двух предыдущих рисунках даны импедансы, а пользоваться окном СУ на LC в MMANA-GAL вы наверняка уже умеете (а если еще нет, то овладейте искусством вручную вбить два числа, выбрать диапазон и увидеть схему). Но реле надо действительно много: по паре входе и выходе каждой согласующей Г-образной цепи. А таких цепей надо на 1...2 больше, чем диапазонов, т.к полоса на 160 м всего ~30 кГц чтобы перекрыть весь участок 1,81... 1,9 МГц потребуется две... три отдельные цепи согласования.

Заключение

Основная идея этой конструкции – работа с DX на всех диапазонах от 1,8 до 50 MHz с единственной мачты относительно разумной высоты и с оттяжками, помещающимися в стандартные 6 соток дачного участка.

Сложность этой конструкции (ну, кроме её разработки, конечно) только в устройстве коммутации и согласования. Но бесплатный сыр сейчас отсутствует даже в мышеловке, а все работы по коммутации и настройке ведутся внизу.

Блок коммутации и настройки можно и нужно убирать, уезжая с дачи. Так, чтобы осталась просто мачта с растяжками, исполняющая роль постоянного громоотвода. Убирать электронику можно в двух вариантах:

  1. Вообще всё, включая катушку 15 uH и разрядник, параллельные изолятору. Тогда придется всякий раз при отъезде очень качественно шунтировать изолятор толстым (6...10 мм) проводником.

  2. Убирать только СУ и коммутатор, оставляя катушку 15 uH и разрядник, параллельные изолятору. В этом случае ничего дополнительного ставить не надо. Статика и наведенные импульсы уйдут в заземление через катушку, а прямой удар молнии пропустит на землю разрядник.



Bonn, 14.06.2014

На главную - Main page