У статті розглянуті принципи створення і практичні конструкції багатодіапазонних вертикальних антен з верхнім харчуванням. Вони особливо зручні для роботи в польових або експедиційних умовах, але тим не менш можуть використовуватися і в домашньому "шеке", займає небагато місця і забезпечуючи непогані параметри.
Проблема створення простої та ефективної багатодіапазонної антени раніше хвилює майже кожного коротковолновіка. Найчастіше увагу до себе привертають конструкції вертикальних антен, оскільки вони займають мало місця, простіше в встановлення і мають оптимальну для DX-зв'язків діаграму спрямованості (ДН): з нулем у зенітному напрямку і максимумом в напрямку на горизонт і відсутністю азимутальної спрямованості, що дозволяють проводити радіозв'язку з кореспондентами в будь-яких напрямках.
Численні відомі конструкції вертикалов, що живляться знизу, страждають недоліками, пов'язаними з неефективним використанням високочастотних діапазонах всієї висоти щогли і складністю налаштування контурів загороджуючих (трапів) або інших пристроїв, розташованих на значній висоті і, власне, перетворюють антену в багатодіапазонну. У першій частині статті буде розглянуто, які переваги і зручності з'являються при зсуві точки харчування вгору, вздовж випромінюючого провідника вертикала. Для стислості назвемо описувану антену ВВП - вертикал верхнього харчування.
Проектування ВВП
Уздовж випромінюючого провідника вертикала, як і в будь-якій іншій антені, встановлюється стояча хвиля струму з нулем на вершині, тому крапку харчування не можна розмістити біля самої вершини - вхідний опір виявиться занадто великим. Зсуваючи точку харчування вниз від вершини, ми потрапляємо в місце, де струм вже значний, а напруга менше, ніж на вершині, тому вхідний опір (що дорівнює відношенню напруги до струму) знижується. У точці живлення центральний провідник коаксіального фідера приєднаємо до верхньої частини вертикала, а оплітку... давайте взагалі нікуди приєднувати не будемо. Тоді струм потече від точки харчування по зовнішній поверхні оплетки, причому в тому ж напрямку, що і у верхній частині вертикала.
Ця концепція викладена в статті [1], в її третьої частини, що відноситься до рис. 19. Там струм на оплітці пропонується використовувати для поліпшення ДН. Слідуючи цим рекомендацій, зробимо струм на оплітці частиною основного, випромінюючого струму. Зауважимо, що струми на зовнішній і внутрішній сторонах обплетення фідера ніяк не пов'язані між собою з-за дуже малої товщини скін-шару в об'ємі провідника, вони лише дорівнюють один одному на верхньому зрізі обплетення.
На рис. 1, а схематично показаний проектований вертикал, а на рис. 1,б - розподіл струму в ньому. Точка живлення А позначена гуртком (графіка програми MMANA). Тут центральний провідник з'єднаний з верхньою частиною довжиною 3 метри, а оплетка залишена вільною. Синусоїдальна розподіл струму збережеться і на верхній частині вертикала, і на оплітці. В точці В на відстані від напівхвилі вершини вібратора антени в діапазоні 10 метрів утворюється вузол струму (див. крайній лівий графік розподілу струму на рис. 1, б). У цьому місці треба поставити заграждающий контур, щоб зупинити подальший перебіг струму вниз по оплітці.
Контур найпростіше виконати у вигляді бухти кабелю, не порушуючи цілості останнього [2, 3]. У нас вже вийшла вертикальна антена діапазону 10 метрів. Її конструкція показана на рис. 2, а. Антену можна цілком виконати з коаксіального кабелю, використовуючи для верхньої частини тільки оплітку верхнього відрізки кабелю. З'єднувати або немає з нею внутрішній провідник - байдуже, струм все одно потече тільки за оплітці. Підвішують антену на діелектричної відтягненні (товстої волосіні) до гілки дерева і т. п., необхідно лише забезпечити міцну механічну зв'язку відрізків кабелю в точці живлення А, оскільки центральний провідник навряд чи витримає вагу всього фідера і "балуна".
Інший варіант - прикріпити антену до тонкої щоглі з сухої ялини або сосни (сире дерево вносить помітні втрати) або до стеклопластиковому вудилища. В цьому випадку верхню частину доцільно зробити з металевої трубки.
Повернемося до контуру. Бухта кабелю володіє значною індуктивністю L і водночас ємністю між окремими витками, головну роль грає ємність між першим і останнім витком. Загальна еквівалентна ємність З замикає бухту. Таким чином, бухта кабелю для ВЧ струмів являє собою паралельний контур, еквівалентна схема якого показана на рис. 2, б. Частоту його налаштування можна змінювати, підбираючи число витків, їх діаметр і порядок укладання розташовуючи перший виток ближче до останнім му, збільшуємо місткість і знижуємо частоту Для налаштування на частоту 28,5 МГц достатньо трьох витків діаметром 13 см [3]. Цікаво, що навіть при неповному замиканні струму на оплітці залишився струм нижче контуру потече в тому ж напрямку, що і в антені - адже контур інвертує фазу, маючи на висновках рівні і протифазні коливання. Тому залишився струм на нижній частині кабелю не буде псувати ДН, навіть дещо поліпшить її.
Тепер окреслилися важливі переваги ВВП: перше - налаштувати антену (підбирати діаметр бухти кабелю та його положення вь соте вертикала) можна знизу, в п'яти метрах нижче верхньої точки, і друге - точку А можна харчування розташовувати в будь-якому місці вертикала, добиваючись потрібного вхідного опору антени, ніяких додаткових симетрувальних пристроїв не потрібно.
Орієнтуючись на доступний 75-му-ний телевізійний кабель, доцільно трохи зрушити точку харчування, А вниз відносно середини півхвилі струму, при цьому вхідний опір трохи підвищується в порівнянні з опором полуволнового вібратора, питомого в середині (73,1 Ом для нескінченно тонкого і дещо менше для вібратора кінцевої товщини). Враховуючи часту довжину алюмінієвих труб, що дорівнює 3 метрам, і була обрана довжина верхньої частини. А чому не 2 метри? Для того, щоб антена краще працювала на інших діапазонах.
В діапазоні 15 метрів контур вже не настроєний у резонанс і представляє для цих частот лише деякий індуктивний опір (див. рис. 1 в [3]), будучи як би подовжує котушкою. У результаті довжина півхвилі зменшується з 7,1 до 5,82 м (див. рис. 1). На цій відстані від вершини вертикала буде вузол струму, і тут включимо другий заграждающий контур, настроєний на частоту 21,2 МГц (середню частоту діапазону 15 метрів). Продовжуючи процес далі, включимо третій контур D, вже налаштований на частоту 14,15 МГц (середина діапазону 20 метрів), і побачимо, що для діапазону 40 метрів довжина нашого полуволнового вертикала склала всього 9 метрів.
Настільки значне вкорочення в діапазоні 40 метрів сталося через спільного впливу контурів В, С і D, які на частоті 7 МГц мають індуктивне опір і служать "подовжують" котушками. При вкороченні полуволнового вібратора його опір випромінювання, віднесене до пучности (місцем максимуму) струму, падає. Зате точка живлення А по мірі зниження частоти виявляється все вище по відношенню до максимуму струму і вхідний опір, рівний опору випромінювання, перерахованому до точки харчування, зростає. Ці два процеси в значною мірою компенсують один одного, і вхідний опір залишається приблизно постійним при переході від діапазону діапазону.
Все це проектування легко і швидко було виконано з допомогою програми MMANА, а після деякої оптимізації (не впевнений, що можна ще поліпшити) вийшла антена, зображена на рис. 1. Вхідний опір антени в діапазонах 10, 15, 20 і 40 метрів виявилося рівним відповідно 78, 67, 69 61 Ом при нульовий реактивному опорі, що забезпечує непогане узгодження (КСВ менше 1,2 на середніх частотах діапазонів). При розрахунку вийшли наступні значення параметрів еквівалентних контурів (частота, індуктивність, ємність): - 28, 5 МГц, 1,6 мГн, 19,5 пФ; З - 21,2 МГц, 2 мГн, 28 пф; D - 14,15 МГц, 3,2 мГн, 43 пФ. Може бути, саме головне достоїнство спроектованого вертикала - він не вимагає ні "землі", ні радиалов.
Залишається вирішити, як вивести фідер далі вниз від нижньої точки вертикала (див. рис. 1, а). Ми вже знаємо - намотати ще одну бухту того ж кабелю, щоб вона утворила контур, настроєний на 7,05 МГц. Можливе й інше рішення - трохи нижче контуру D приєднати до обплетенні кабелю три - чотири коротких (довжиною приблизно по 1,5 м) горизонтальних або похилих радиала. Вони доведуть електричну довжину антени до напівхвилі в діапазоні 40 метрів. Короткі радиалы не усувають необхідність у загороджувальному контурі, але тепер він розташується прямо під точкою підключення радиалов. Індуктивний зв'язок цього контуру з контуром D (адже тепер вони близько) небажана. Замість контуру в цьому варіанті підійдуть дроселі, намотані тим же фідером на феритових кільцях.
Процес налаштування ВВП є нескладним і досить очевидним. Починають з самого високочастотного діапазону 10 метрів. Підбираючи щільність намотування (діаметр) і в невеликих межах положення по висоті бухти В домагаються прийнятного КСВ в цьому діапазоні. Закріпивши бухту ізолентою, переходять на 15-метровий діапазон і повторюють ту ж операцію з бухтою, уже не чіпаючи налаштований контур Ст. І так далі, поки не буде налаштована вся антена на всіх діапазонах.
Антена з кабелю, наприклад, РК-75-4-11 особливо хороша для польових умов. Вона і налаштована,може бути у полі, якщо трансивер оснащений вимірювачем КСВ. В стаціонарних умовах ВВП, ймовірно, можна виготовити з алюмінієвих труб, розділених діелектричними вставками в місцях В, С, D і на нижньому кінці. Поверх вставок розміщують котушки, зігнуті з м'якої мідної або алюмінієвої трубки (можна стрічки). Конденсатори контурів повинні бути високовольтними, оскільки контури розміщуються в пучностях напруги. Кабель в цьому випадку повинен проходити всередині всіх труб прямо, але щоб уникнути струму на оплітці на нього треба надіти ряд феритових кілець, а близько нижнього краю ВВП намотати заграждающий дросель або кілька дроселів на феритових кільцях великого діаметра. Такий варіант ВВП не прораховувався і не виготовлявся.
На закінчення цієї частини - ще один ймовірний варіант ВВП. Щоб змусити антену працювати ще і в діапазоні 80 метрів, в нижній точці вертикала (див. рис. 1, а) треба встановити загороджувальний контур, настроєний на частоту 7,05 МГц, а нижче його оплетку кабелю (нижню трубу в стаціонарному варіанті) або заземлити з'єднати із системою радиалов довжиною по 20 м. Тоді антена буде працювати на частоті 3,6 МГц укорочений індуктивностями четвертьволновый GroundPlane з піднятою точкою харчування.
Портативний двохдіапазонний ВВП
Перший практичний варіант ВВП був зроблений терміново, "на коліні", коли виникла необхідність розгорнути радіостанцію редакції журналу "Радіо" на виставці НТТМ-2002. Величезний павільйон з ажурними металевими перекриттями і металевою арматурою засклених стін виключав розміщення антени усередині будівлі через повної екранування сигналів і високого рівня перешкод. На щастя, вдалося встановити вертикал на даху вентиляційної будки і пропустити кабель вентиляційну шахту.
Через рік, за кілька днів до відкриття виставки "Експо-Наука 2003" (див. "Радіо", 2003, № 8, перша обкладинка), доля піднесла неприємностей сюрприз. Дах аналогічного павільйону, де розгорталася виставка, що представляла собою рівне поле, більше футбольного, покрите руберойдом. Колупати його, вбивати цвяхи, крюки і т. д., так само, як і використовувати вентиляційні шахти, категорично заборонялося. Мова могла йти лише про вільно стоїть антени з фідером, спускається вздовж зовнішньої стіни і входить в будинок крізь щілину у двері. Ситуація здавалася безвихідною, але кілька годин моделювання програми MMANA і два вечори "доведення" ВВП вирішили проблему.
Потрібні були хоча б два діапазони: 20 і 40 метрів. Саме на них і була спроектована антена. В розібраному і зібраному вигляді вона вмістилася в пакет діаметром 30 і висотою 160 см, її легко переносили однією рукою (не зважували, але бухта кабелю багато разів важче) і привезли на виставку в метро. Після години-півтори, витрачених на її установку і рішення організаційних проблем (проводка фідера, мережа, стіл тощо), вона забезпечила зв'язку з Сибіром, Західної Європою, а потім і дальшими кореспондентами.
Ескіз антени показаний на рис. 3. Верхня частина ВВП вище точки А живлення виготовлена з трьох дюралюмінієвих трубок, що вставляються одна в іншу (середня - лижна палиця, верхня - зовсім легка і тонкостінна). Отточки живлення А до контуру випромінюючим елементом 1 служить оплетка кабелю, його центральний провідник з'єднаний з верхньою частиною антени 2. Нижче контуру з обплетенням кабелю з'єднані чотири радиала 3, виготовлених із сталевого тонкостінного профілю прямокутного перерізу (від віконних гардин). Зовнішні кінці з'єднані радиалов між собою відрізками відслужило свій вік коаксіального кабелю довжиною до 2,5 м (використана тільки оплітка). Це збільшує ефективну поверхню утворилася "віртуальної землі".
Оскільки антена проектувалася як двохдіапазонна, вирішено було використовувати один паралельний контур, настроєний трохи вище частоти 7 МГц. В діапазоні 40 метрів він має індуктивний опір і служить подовжуючої котушкою, налаштовуючи антену в резонанс. В діапазоні 20 метрів контур має ємнісний опір і вкорочує електричну довжину антени, знову-таки налаштовуючи її в резонанс. Параметри контуру при заданих розмірах антени оптимізували за допомогою програми MMANA, помістивши радиалы на висоті 0,2 м над ідеально провідної землею (так ми намагались врахувати вплив залізобетонного даху павільйону).
Моделювання дало частоту настройки контуру 7,6 МГц при індуктивності 1,24 мкГи ємності 355 пФ. З бухти кабелю контур з настільки великою ємністю зробити не можна, тому використовували звичайні конденсатори і циліндричну котушку з кабелю, забезпечує велику добротність.
Конструктивні особливості виготовленого ВВП пояснює рис. 4. Контур поміщений в циліндричний корпус 4, що має міцне дно, відлите з алюмінієвого сплаву, і відносно тонкі дюралюмінієві стінки. Автор використав бачок віджимання від старої пральної машини (наприклад, "Сибір"). Розміри корпусу некритичні (25...30 см в діаметрі і в висоту). Наявні в дні отвору не закривають - вони служать за прямим призначенням для зливу випадково потрапила дощової води і конденсату.
До дна корпусу 4 гвинтами прикріплюють радиалы 3. Особливої міцності в цих з'єднаннях не потрібно, оскільки радиалы вільно лежать на поверхні даху. Нижній несучий елемент вертикала 1 зроблений з відрізка пластикової сантехнічної труби діаметром 2.5...3 дюйма. Для закріплення труби 1 до дна корпусу 4 і для кріплення верхнього випромінюючого елемента 2 служать циліндричні бобишки 5. Їх можна виготовити як з металу, так і з діелектричного матеріалу. У верхній бобышке просвердлено радіальний отвір, крізь який центральний провідник кабелю з'єднується з верхнім випромінюючим елементом 2 клемою 6. Вона ж додає механічну міцність цього сайту. Перед загвинчуванням клеми на трубу 1 одягають легку пластикову кришку (на рис. 4 не показана), в якій пророблені отвори для труби і кабелі. Кришка опускається до корпуса 4, захищаючи від контур опадів.
Верхній кінець кабелю треба оснастити контактним пелюсткою з отвором, підходящим під клему 6. Пелюстка треба міцно закріпити на зовнішньої ізоляції кабелю, ізолювавши його від обплетення. З пелюсткою з'єднують центральний провідник без його натягу, що обереже провідник від обриву при збірках і розборках ВВП.
Ще чотири клеми закріплюють на зовнішніх кінцях радиалов 3, а до кінців відрізків кабелю 7 "штучної землі" заздалегідь припаюють контактні пелюстки, що значно прискорює збірку антени. Остаточну міцність всієї конструкції надають чотири розтяжки з тонкої рибальської волосіні, показані штриховими лініями на рис. 3. Їх прив'язують до елемента 2 в місці верхнього зчленування трубок і до клем на кінцях радиалов.
Конструкція контуру зрозуміла з рис. 4. На бічній стінці корпусу закріплені 4 коаксіальний роз'єм 8, бажано такий же, як і в радіостанції (це дозволить не думати при складанні антени, який кінець основного фідера повинен йти до антени, а який до трансиверу), і монтажна планка з двома пелюстками 9. Ще один пелюстка, що має контакт з корпусом 4, закріплюють під гвинт роз'єму 8. До нього припаюють оплетку кабелю, з якого намотана котушка, і один висновок конденсатора 10. Пелюстки монтажної планки 9 контакту з корпусом 4 мати не повинні. До одного з них припаюють два центральних провідника, а до іншого - обплетення відрізків кабелю та іншої висновок конденсатора 10. Конденсатор складено, для надійності, з двох послідовно включених конденсаторів КСВ на робоче напруга 500 В ємністю по 680 пФ. Допустимо використовувати і інші високовольтні конденсатори з достатнім ступенем герметизації, щоб протистояти атмосферних впливів.
Котушка контуру містить 7 витків кабелю РК-75-4-11, намотаних впритул на пластикову трубу 1. Індуктивність котушки підлаштовують двома способами: або переміщаючи всю котушку по висоті труби (наближення її до дна корпусу 4 зменшує індуктивність, підвищуючи частоту настройки контуру), або піднімаючи верхні витки, збільшуючи довжину намотування за рахунок утворюються зазорів між витками (індуктивність при цьому також зменшується). Після налаштування витки закріплюють ізоляційною стрічкою або провощенным шпагатом.
Налаштування антени нескладна. Зібравши її і встановивши на робочій позиції (на випадок сильного вітру кінці радиалов 3 корисно "утяжелить" мішками з піском або іншими підручними важкими предметами), з'єднують антену з трансивером основним кабелем. Знявши частотну залежність КСВ в діапазоні 40 метрів, визначають, куди потрібно зрушити частоту настройки контуру, щоб мінімум КСВ потрапив на середину діапазону. Наприклад, якщо мінімум КСВ виявився нижче 7 МГц, індуктивність котушки треба зменшити, а якщо вище 7,1 МГц - збільшити. Як правило, достатньо однієї, максимум двох корекцій.
Потім перевіряють КСВ в діапазоні 20 метрів. Там антена дуже широкополосна, і корекції, як правило, не потрібно. Якщо все ж така необхідність виникла, то треба змінити співвідношення L і З контуру і знову налаштувати антену в діапазоні 40 метрів. Збільшення індуктивності контуру при одночасному зменшення ємності знижує частоту настройки антени в діапазоні 40 метрів і підвищує в діапазоні 20 метрів, тобто "розсовує" резонансні частоти антени. У нас після одноразової підстроювання антена, встановлена на залізобетонній даху, забезпечувала КСВ, близький до одиниці в обох діапазонах.
При експлуатації антени з'ясувалося, що вона непогано працює і в діапазоні 15 метрів, хоча КСВ там вище. Можливостей автоматичного тюнера трансивера IC-746 цілком вистачило для її налаштування.
Запропонована концепція ВВП відкриває широкі можливості конструювання простих багатодіапазонних вертикальних антен. Навіть якщо радіоаматорові і не вдасться добре налаштувати ВВП, все одно він може бути впевнений, що верхня, приблизно п'ятиметрова, частина його вертикала буде випромінювати, причому туди, куди треба - в напрямку на горизонт, а це і є запорука успішних результатів у DХ-інге.
Література
Автор: Володимир Поляков (RA3AAE), р. Москва