2. Обоснование схемы и конструкция антенны

2.1 При разработке антенны постепенно пришло понимание , что очень важным узлом, во многом определяющим конструкцию многодиапазонной вертикальной антенны и возможность её использования на местности, является противовес ( ПР ). Стандартная конструкция ПР для GP ( три резонансных радиала ) в семидиапазонной антенне превращается в безнадёжную сеть из 21 провода, которую никогда не удастся правильно разместить, поднять на “недосягаемую” высоту и закрепить. Поиски более удачного варианта привели, в конце концов , к самой простой и , как оказалось, эффективной конструкции из двух “толстых” (Ж25…30мм ) радиалов в виде одной трубы длиной 5.2м (2х2,6м) .Такой ПР позволяет, как будет показано ниже, использовать очень простую схему согласования и получить на пяти верхних диапазонах КСВ<1.3.Длина радиалов такого ПР является резонансной на 10 метровом диапазоне ( 10 м.д.), на всех остальных входное сопротивление противовеса Xпр будет ёмкостным. Экспериментально было определено, что на 20 м.д. Xпр=-j125, на 30 м.д. Xпр=-j170 и на 40 м.д. Xпр=-j280 Ом, на остальных диапазонах ( 12, 15 и 17 м.д. ) Xпр не определялось за ненадобностью.

2.2 Рассмотрим антенну, которая состоит из “толстого” (Ж30мм) центрального вибратора (ЦВ) на 20 м.д., вокруг которого расположены на близком расстоянии проволочные вибраторы (ПВ) на диапазоны 10, 12, 15, 17 м, соединённые снизу с ЦВ, и “толстого” противовеса длиной 5,2 м. На 10 м.д. Xпр » 0, на 20 м.д. составляет -j125 Ом, на частотах диапазонов 12, 15, 17 м будут промежуточные, возрастающие (по абсолютной величине) значения. Диапазонные вибраторы должны иметь сопряжённые значения входных реактивных составляющих: Xв» 0 (10м.д.), Xв=+j125 (20м.д.) и т.д.; их длины будут ~0.25l на 10 м.д., больше четвертьволновой длины по возрастающей на 12, 15, 17 м.д. и около 0.31l (H» 6.7м) на 20 м.д., а активная составляющая Rв будет изменяться по диапазонам от ~35 Ом на 10 м.д. до ~110 Ом на 20 м.д. При питании такой антенны кабелем РК-50 напрямую удовлетворительное согласование (КСВ<1.5) на резонансных частотах можно получить на большинстве диапазонов, но высокий КСВ на 20 м.д. делает этот способ неприемлемым.

Почти идеальным согласующим устройством в этом случае может стать трансформирующий отрезок кабеля РК-75 с длиной lкт=0.25l для 20 м.д. Действительно, при включении между фидером РК-50 и входом антенны такого кабель-трансформатора (КТ) его выходное сопротивление будет на 20 м.д. 112.5 Ом (lкт=0.25l), на 10 м.д. - 50 Ом (lкт=0.5l), а на диапазонах 12, 15, 17м расчётные значения составят соответственно 55, 70 и 98 Ом, что достаточно хорошо согласуется с Ra по диапазонам. Конечно, следует учитывать что при lкт не кратном 0.25l на его выходе появится также и реактивная составляющая (по диапазонам соответственно -j16, -j28, -j29 Ом), что не позволит получить хорошее согласование с чисто активной (резонансной) нагрузкой. Решение проблемы очевидно - входное сопротивление антенны на этих диапазонах должно быть комплексно - сопряженным, т.е. иметь входную реактивность обратного знака j16, j28 и j29 Ом соответственно. На практике достигается это просто - небольшим (1…2%) удлинением ПВ по сравнению с резонансным (для ПВ+ПР) значением совмещают минимум КСВ с нужной частотой.

Экспериментальная проверка подтвердила, что на четырёх диапазонах минимальный КСВ был в пределах 1.1…1.3 при достаточной полосе пропускания и только на 10м.д. рабочая полоса антенны была значительно уже разрешённого диапазона и КСВ > 1.5.

Проблему 10 м.д. можно решить, если вместо проволочного использовать “толстый” ЦВ, удлинив его до H» 7.6 м (длина ЦВ около 0.75l). Ниже рассматривается, как улучшить 10 м.д. и не потерять при этом 20-метровый.

• Если к антенне с резонансной частотой fо, состоящей из вертикального вибратора высотой H и противовеса, добавить сверху катушку Lв с большим реактивным сопротивлением XL>900 Ом и дополнительную концевую секцию (КС), то антенна станет резонировать на двух новых частотах f1 и f2.

Частота f1 несколько выше fо, разница будет тем меньше, чем больше XL. При XL=j1000 Ом f1» 1.1fо, при XL=j2000 f1» 1.03fо и при XL=j3000 f1» 1.01fо.

Значение f2 будет определяться величиной XL и длиной КС и может быть в 2 и более раз ниже, чем fо.

Макетная проработка показала, что при Lв=10…14 мкГн катушка может выполнять роль широкополосного нерезонансного трапа на частотах 14 МГц и выше, отсекая КС, и являться удлиняющей на частоте 7 МГц в комплекте ЦВ+Lв+КС, образующем “вертикал” на 40 м.д.

В этом варианте ЦВ , помимо 20 и 40 м.д., можно использовать также и на 10 м.д. Действительно, если при добавлении Lв и КС необходимо сохранить резонанс на fо, длину вибратора придется увеличить. Применительно к антенне п.2.2 при использовании, к примеру, Lв=10 мкГн резонанс на fo=14,15 МГц наступит при H» 7,7м(вместо прежнего значения 6,7м).При этом ЦВ (совместно с ПР) будет резонировать также и на foo=28,6 МГц (ПВ10,как ненужный, отключен). Такое совпадение объясняется разной величиной сопротивления катушки на частотах fo и foo и , соответственно, разной степенью влияния на резонансный размер ЦВ.

В реальной антенне, с учетом использования её на 40 , 30 и 2 м.д., оптимальной будет величина Lв» 13мкГн.При такой Lв резонанс антенны на f=14,15 МГц наступит при H» 7,3м , при этом foo будет иметь слишком высокое значение 29,5...30МГц. Улучшить положение можно, включив на входе антенны(в цепи вертикала или противовеса ) небольшую катушку из 2…3 витков (L10=0,15...0,2мкГн), что приведет к смещению вниз foo на 0,5…0,7 МГц на 10 м.д. и всего 20…30 кГц на 20 м.д. Ниже рассмотрены варианты , при которых достигается оптимальное совмещение 10 и 20 м.д. Входное сопротивление ЦВ на 10 м.д. будет около 50 Ом , рабочая полоса частот перекроет весь диапазон. На 20 м.д. Rа увеличится незначительно , что объясняется специфической несинусоидальной кривой распределения тока на вершине ЦВ вблизи Lв.

2.4“Вертикал” в составе ЦВ длиной около 7,3м , катушки Lв » 13мкГн и КС длиной 2,2...2,4 м имеет на 40 м.д. Rв » 60 Ом и Xв» j100 (проверка на макете показала , что эквивалентным является вертикал без катушки длиной 12м).Расположенный на входе антенны кабель - трансформатор КТ имеет на 40 м.д. выходное сопротивление Z = 70+j28 Ом, следовательно, антенна должна иметь Zа =70-j28. Противовес 2х2,6 м на 40 м.д. имеет слишком большое значение Xпр = -j280 Ом и должен быть дополнен устройством , которое позволило бы получить нужную величину Xпр » -j130 , не меняя значений Xпр на других диапазонах. Варианты такого противовеса приведены на рис.3.

 а. В этом варианте нужный эффект достигается увеличением длины радиала Р1 с помощью катушки Lн и концевой секции КС1. Lн выбирается с расчетом, чтобы на 14 МГц и выше она играла роль отсекающего трапа, а на 7МГц была удлиняющей и совместно с КС1 обеспечивала нужное значение Xпр. Определение конкретных величин производилось экспериментально. Варьируя длину верхней КС (считая длину ЦВ и величину Lв уже определенными), а также длину КС1 и величину Lн, можно найти значения , обеспечивающие КСВ< 1,15. Вариации КС влияют в основном на Rа (величину КСВ ), а настройка нижнего узла - на Xа ( частоту минимума КСВ ). Реальные значения Lн =20...25мкГн , длина КС1 1,4...1,6 м , длина КС 2,2...2,4 м. Значение Lн некритично, окончательная настройка производится регулировкой КС1.

Первоначальная отработка этого и других вариантов производилась на макете , при переходе на реальную антенну ( с учетом масштаба 10 : 1 ) получено хорошее совпадение результатов.

Проверка ДН , произведенная на макете с помощью селективного микровольтметра STV - 401 , показала, что излучение в сторону КС1 на 4 , а в обратную на 3 дБ выше, чем в перпендикулярном направлении.

b. Вариант рис.3b может быть применен там, где есть место для размещения дополнительного проволочного радиала Р3 длиной 2,7 м с концевой проволочной частью КС2 длиной 1,6...1,7м. Р3 работает совместно с ПР в диапазонах 10...20 м, его реактивное сопротивление примерно в 4 разабольше ,чем Xпр , поэтому вызванная его применением расстройка невелика и легко компенсируется . Величина Lн и принцип действия этого варианта аналогичны предыдущему. Р3 следует располагать в плоскости , перпендикулярной противовесу.

c. Вариант рис.3c значительно отличается от предыдущих. Экспериментальной подборкой удалось найти такую длину дополнительного проволочного радиала Р4 ,при которой антенна нормально строится на 40 м.д. без дополнительных катушек. На верхних диапазонах низкое входное Xпр шунтирует более высокоомный вход Р4, поэтому параметры антенны на 10...17 м.д. практически не изменяются. Дополнительный положительный эффект этого варианта - сдвиг резонансной частоты 20 м.д. вверх на 0,25 МГц , что облегчает стыковку этого и 10 м.д. на ЦВ.

В этом варианте антенна оказывается работоспособной и в диапазоне 30 м. Примитивный анализ распределения напряжения вдоль ЦВ , который позволяет сделать СЛР, показывает, что если на 10 и 20 м.д. катушка Lв четко отсекает КС, на 40 м.д. работает вся длина антенны, то на 30 м.д. возникает некое промежуточное состояние, т.е. часть антенного тока отражается от катушки, а часть проходит в КС. Измерения показали ,что на этом диапазоне активная составляющая входа ЦВ около 40 Ом. При длине Р4 около 8,05 м и Lв » 13мкГн сумма активных сопротивлений верхней и нижней частей антенны около 100 Ом , а сумма реактивных разных знаков около -j30 Ом ,что хорошо согласуется с выходным сопротивлением КТ Zкт=90+j29 Ом. На 30 м.д. в излучении антенны будет значительная горизонтальная составляющая..

Таким образом, вариант c проще и интереснее предыдущих, но имеет 2 ограничения :

• нужно место для размещения Р4 длиной с изоляторами около 8,5 м ;
• оптимальные параметры антенны достигаются при наклонном под ~40О к горизонту расположении Р4, что предполагает большую высоту основания антенны. При угле наклона ~20О КСВ на 30 м.д. возрастает до значения 1.4 , на 20 и 40 м.д. ухудшения незначительны . Возможна такая вынужденная форма Р4, при которой большая часть радиала располагается под максимально возможным углом, а последние 2...3 метра отгибаются в удобном направлении.

Во всех вариантах, если позволяют местные условия, трубочный противовес может быть заменен четырьмя проволочными радиалами длиной по 2,7 м каждый, замена равноценная. В варианте b , где уже есть один проволочный радиал, можно обойтись тремя дополнительными .

Все описанные варианты проверены на практике и показали примерно одинаковые результаты .

2.5 Диапазон 6 м (УКРАИНА : 50,08..50,28 МГц )

Вибратор ПВ17 с включенной в основании катушкой L17 (п.3. 1 ) и дополнительным радиалом Р6 (трубка Ж 16мм длиной 1,5...1.65 м ) образуют эффективную антенну на 6 м.д. Величина КСВ в фидере зависит от конкретной длины согласующего КТ, возможные пределы 1,15...1,3 Для устранения шунтирующего действия ЦВ , который также имеет низкое Zв в 6 м.д., в нижней части ЦВ устанавливается запирающий шлейф ( ЗШ ) длиной , близкой к 0,25 l этого диапазона.

2. 6 Антенная опора - мачта, оттяжки антенны , кабель питания и прочие протяженные металлические предметы, подходящие вплотную к центру антенны, могут самым серьезным образом повлиять на её параметры - частоту настройки, КСВ и , возможно, ДН.

Дело в том, что вблизи точек питания действует максимальное в.ч. поле, создающее значительные токи в приближенных проводниках. Если в симметричной антенне INV VEE влияния половин антенны на опору и кабель питания противоположны и взаимно уничтожаются, то в несимметричной вертикальной антенне этого не происходит.

Проработка на макете показала, что ближайший к антенне участок мачты длиной ~ 0,05 l является как бы элементом связи, через который часть энергии перекачивается в опору. Максимальные наведенные токи и влияние на параметры антенны будут в случае ,если длина мачты оказалась кратной 0,5 l Если верхнюю часть мачты длиною в пределах 0,05...0,4 l сделать из изоляционного материала или верхнюю металлическую часть соединить с остальной опорой через изоляционную вставку, длину остальной опоры можно делать любой, заземлять или изолировать без ощутимых последствий.

Применительно к питающему коаксиалу защита может заключаться в установке на том же расстоянии 0,05 l от входных точек антенны запирающего дросселя ( ЗД ) из нескольких витков кабеля на подходящем ферритовом сердечнике. Дроссель должен иметь на минимальной рабочей частоте 7 МГц сопротивление XL > j 1000 Ом (т.е. L>23мкГн ) , что для токов на внешней стороне оплетки кабеля практически равносильно разрыву цепи. Поскольку защита от затекания токов в.ч. на оплетку кабеля в несимметричной антенне обязательна, один дроссель может с успехом выполнять обе эти функции.

Полезным поводом к “разбирательству” послужила почти детективная история, имевшая место в QTH UT1MA. Отлаженный многодиапазонный “вертикал” вдруг закапризничал, в основном на 20 м.д., - хаотичным образом “прыгал” КСВ с 1,15 до 1,5...1,8 . В поисках неисправного контакта вся антенна от низа до верха была перебрана - безрезультатно.

Причиной, как оказалось, был случайный контакт между опорой и металлическим коньком крыши. Когда верхний участок мачты был отделен текстолитовой вставкой , попытки воспроизвести ситуацию стали бесполезными. После завершения комплекса защитных мер - переноса защитного коаксиального дросселя от входа антенны вниз по кабелю на 1,2 м , переноса первых изоляторов верхних оттяжек почти вплотную к мачте и небольшой подстройки - рабочая полоса на 20 м.д. по КСВ = 1,5 расширилась с 320 до 430 кГц. Испытания на макете и антенне показали, что наиболее “чувствительным” оказался 20 м.д. ( вероятно в силу своей наибольшей асимметрии , т.е. максимального отношения длины вертикала к длине ПР ). Поэтому можно считать, что критическая длина 0,05 l = 1 м.

Применение ЗД на некотором расстоянии от точек питания может оказаться полезным в резко несимметричной антенне FD4 ( п.1.2 ) и при питании с верхнего угла антенны “дельта”.

2.7 Оценим величину потерь мощности в катушке Lв при работе в качестве запирающего трапа (10 и 20 м.д. ) и удлиняющей на 40 м.д. Данные : индуктивность Lв =1,3 х10-5 Гн , измеренная добротность в широком диапазоне частот не ниже Q =250.

На частоте 28 МГц XL = L = 2280 Ом, сопротивление потерь R = XL/ Q = 9,1 Ом. Эквивалентный потенциал верхнего конца ЦВ в точке соединения с Lв при подводимой к антенне мощности 1000 Вт составит ориентировочно 1000 В. Так как потенциал верхнего конца Lв близок к нулю, приложенное к катушке напряжение составит UL » 1000 В ток через катушку I » UL / XL = 0,44 А и тепловые потери P = I 2 R = 1,77 Вт.

В действительности, с учетом отраженного от стыка с КС обратного тока, суммарный ток через катушку и потери в ней будут еще меньше. Для сравнения оценим потери в обычном резонансном LC - трапе при прежних условиях. В таком трапе обычно C=25 пФ , XC = 1 / C = 227 Ом ., также и XL = 227 Ом, R = XL / Q =0,91 Ом , I » UL / XL = 4,4 А и потери P= I 2 R =17,5 Вт.

С учетом потерь в конденсаторе общие потери в трапе около 20 Вт ( мощность небольшого паяльника. )

Наиболее тяжелый режим для катушки будет на 40 м.д. Расчет показывает ,что при мощности 1000 Вт и Rа » 70 Ом ток на входе антенны Iа = 3,8 А , ток в пучности Iп » 4 А , ток в катушке ( средний ) Iк » 2,15 А и тепловые потери около 10,5 Вт.

• Семидиапазонная антенна ( 10...40 м.д. ) является базовой и имеет индекс VMA - 7 x, где x = a, b, c -вариант исполнения радиала 40 м.д. согласно п.2.4 . При необходимости можно добавить 6 м.д. ( VMA - 8 ), а также описанный далее вариант с антенной на 2 м.д. ( VMA - 9 ). Без ПВ получится изящная антенна на диапазоны 10, 20, 30 и 40 м ( VMA - 4 ).

На макете отработан вариант антенны, работоспособной также и на 80 м.д. В этом случае высота вертикальной части - 12,1 м , радиал Р4 удлиняется до 11,9 м, добавляются 2 катушки с индуктивностью 33 и 50 мкГн. Полоса частот в пределах 3,7...3,8 МГц перекрывается при КСВ < 2. По сравнению с VMA-7c на 40 м.д. рабочая полоса частот уменьшается в 1,5 раза, остальные диапазоны - без изменений