Вседиапазонная КВ антенна

ref  в блоге  Антенны

Предлагаемая вниманию читателей антенна предназначена для работы на любительских диапазонах от 6 до 160 м (преимущественно для DX-связей) и является дальнейшим развитием кв антенн VMA-7 и VMA-9 NP. Питание антенны осуществляется одним кабелем РК-50 любой длины, переключение диапазонов — автоматическое, КСВ в пределах большинства диапазонов не превосходит 1,5.  




Максимальная допустимая мощность на 160 м — не менее 200 Вт, на остальных диапазонах — более 1 кВт. В 80-метровом диапазоне антенна одновременно согласована в CW  и SSB-участках. Максимальная высота антенны — около 11,6 м. Кроме того, для нее необходимы 6 проволочных радиалов, из них пять длиной от 7,7 до 9 м, длина шестого (для 160 м) в зависимости от местных условий может быть в пределах 8...20 м. Многодиапазонность работы антенны достигается за счет: 
  • параллельного включения нескольких вертикальных вибраторов, а также горизонтальных радиалов, работающих на разных диапазонах;
  • включения в определенном месте вибратора, индуктивности, которая позволяет получить необходимые значения входного сопротивления вибратора на двух и более диапазонах. При этом катушка совместно с концевой секцией КС действует как удлиняющая на НЧ-диапазонах и как укорачивающая — на ВЧ. На НЧ-диапазонах напряжение после катушки увеличивается, а на ВЧ уменьшается в несколько раз, т.е. катушка «мягко отсекает» концевую секцию вибратора. Такое объяснение работы связки индуктивность — концевая секция было дано в первых антеннах, а в дальнейшем удалось найти оригинальную трактовку этого явления, физические основы которого будут рассмотрены в конце данной статьи.

Схема антенны 

Общий вид антенны кв антенны VMA-10 NP показан на рис.1 (не в масштабе). Кроме того, некоторые элементы, такие как защитный шлейф ЗШ, согласующая цепь LTCr и т.д., показаны не на всех проекциях. Вертикальная часть антенны содержит:  

  • центральный вибратор ЦВ с емкостной нагрузкой ЕН1, работающие в диапазонах 10,20 и 30 м. ЕН1 является регулирующим элементом. Кроме того, ее применение позволяет несколько уменьшить длину ЦВ и улучшить форму диаграммы направленности в диапазоне 20 м. Снизу ЦВ соединяется с разъемом XS1 перемычкой длиной 100 мм, для надежности изготовленной из двух проводов. В некоторых случаях вместо перемычки может применяться регулировочная катушка L10, имеющая небольшую индуктивность;
  • катушку LB1 являющуюся удлиняющей в диапазонах 40 и 80 м, укорачивающей — на 20 и 30 м и отсекающей — на 10 м;
  • концевую секцию КС40 (с элементом регулировки ЕН2), образующую совместно с ЦВ и LB вибратор на 40 м;
  • катушку L80, которая работает как удлиняющая на 80 м и укорачивающая — на 40 м;
  • концевую секцию КС80, образующую совместно со связкой ЦВ+1_в+КС40+L80 вибратор диапазона 80 м;
  • три проволочных вибратора (ПВ12, ПВ15и ПВ17)на диапазоны 12,15 и 17 м
  • В точке соединения ПВ с ЦВ включены регулировочные катушки с небольшой индуктивностью L12, L15 и L17. Вибратор ПВ17 используется также в диапазоне 6 м;
  • провод защитного шлейфа ЗШ.

Горизонтально-наклонная часть антенны содержит: 

  • 4 проволочных радиала Р1… Р4 одинаковой длины, образующих противовес для диапазонов 10, 12, 15, 17 и 20 м;
  • излучающий радиал Р30/40;
  • радиал Р6, образующий совместно с ПВ17 и L17 антенну диапазона 6 м;
  • радиал Р160, состоящий из L160 и КС160 и образующий совместно с вертикальной частью антенну на 160 м;
  • согласующую цепь LTCT диапазона 160 м;
  • катушки L3,5 (2 шт.), L3,7 и L3.8, работающие как удлиняющие на 80 м и как отсекающие — на 10...20 м;
  • концевые секции КСЗ,5, КС3.7, КСЗ,8, определяющие настройку антенны в участках частот 3,5, 3,7 и 3,77 МГц. 

В состав антенны входят также защитный дроссель ЗД и кабель-трансформатор КТ-75, состоящий из двух отрезков кабеля РК-75, один из которых используется в ЗД. 

2.JPG 


Более наглядно конфигурации антенн для каждого из диапазонов приведены на рис.2. Сплошными линиями показаны рабочие части антенны, пунктирными — элементы, влияющие на настройку, но практически не участвующие в излучении. Входное сопротивление остальных элементов конструкции велико, поэтому ток в них мал, и его влияние на рабочую часть антенны незначительно.  

В диапазоне 6 м вертикальный излучатель образован ПВ17, длина которого на этом диапазоне близка к 5a/8. Вторым элементом антенны на этом диапазоне является радиал Р6. Катушка L17 необходима Кроме того, входное сопротивление ЦВ на 6 м низкое, поэтому, чтобы исключить его влияние, применен защитный шлейф ЗШ длиной около 0.25a, препятствующий прохождению тока в ЦВ. ЗШ образован проводником ЗШ и прилегающим участком ЦВ между точками тип (рис.1).  

В диапазоне 10 м длина ЦВ с ЕН1 близка к 0,75a, а длина каждого из четырех радианов противовеса — около 0.25a. ЗШ на этом диапазоне имеет малую длину (0,14Х) и создает в точке п небольшое индуктивное сопротивление Хзш. Меняя положение провода ЗШ по отношению к ЦВ, можно изменять Хзш от единиц до нескольких десятков ом, что приводит к сдвигу резонансной частоты антенны приблизительно от 30 (ЗШ располагается вплотную к ЦВ) до 28,2 МГц (ЗШ максимально отогнут от ЦВ). При любом из этих положений ЗШ обеспечивается достаточно удовлетворительное согласование в диапазоне 6 м.  

В диапазонах 12,15 и 17 м используются соответственно ПВ12, ПВ15, ПВ17 и общий противовес из радиалов Р1… Р4. В связи с тем что длины радиалов меньше 0,25a этих диапазонов, для получения резонансной настройки электрические длины ПВ должны быть больше 0,25a. Катушки L12...L17 на рис.2 условно не показаны.  

В диапазоне 20 м длина вертикала (ЦВ+ЕН1) — около 0.34a. Расположенные рядом проволочные вибраторы (в основном самый длинный — ПВ17) несколько понижают резонансную частоту антенны. Изменение положения ЗШ незначительно влияет на параметры антенны в этом диапазоне.  

В диапазонах 30 и 40 м размеры противовеса, образованного Р1… Р4, слишком малы для его эффективной работы, поэтому роль нижней излучающей половины антенны выполняет радиал Р30/40. 

«Изюминкой» антенны VMA-10 NP, не имеющей аналогов среди антенн этого класса, является ее способность работать в обоих участках (CW и SSB) диапазона 80 м без механической и электрической перестройки конструкции. В фирменных антеннах перестройка в пределах диапазона 80 м осуществляется механическим способом, например, изменением длины верхушки антенны (например, в R7000 и других конструкциях), заменой специального конденсатора наверху антенны (GAP TITAN), изменением длины спиц емкостной нагрузки (MFJ-1798) и т.д. Поскольку такая операция связана с демонтажом антенны, обычно настройка этих антенн в диапазоне 80 м осуществляется «раз и навсегда». 

Особенности конструкции антенны VMA-10 NP при работе в диапазоне 80 м (рис.2): 

  • вертикальный размер определяется, в первую очередь, высотой антенны 40-метрового диапазона, т.е. до катушки L80. Длина КС80 влияет на широ-кополосность антенны, поэтому принят минимально возможный размер, позволяющий реализовать трехчастотную схему согласования,  
  • широкополосность антенны также существенно зависит от длины радиалов, поэтому для них выбраны максимально возможные длины — 8,5...9 м, позволяющие компактно расположить антенну на стандартной крыше с поперечным размером около 11м;  
  • для работы в трех частотных участках используются радиалы разной комплектности. Радиал Р3,8 (состоящий из P1+L3.8+KC3.8) обеспечивает работу в полосе частот 3,74 ..3,81 МГц с КСВ не более 2; радиал 3,7 (P3+L3.7+KC3.7) — в полосе 3,68. 3,74 МГц, а два одинаковых радиала (для расширения полосы) Р3.5 (P2+L3,5+KC3,5; P4+L3.5+KC3.5) — в полосе 3.50..3.525 МГц.  

В диапазоне 160 м с целью упрощения конструкции используются те же составные части вертикала, что и на 80 м. Нижняя часть — горизонтально расположенный радиал (L160+KC160) — обеспечивает резонансную настройку антенны в районе DX-окна 1810 .1840 кГц (подстройкой КС160 и/или L160 можно перемещать рабочий участок в пределах всего диапазона). С помощью оригинальной согласующей цепи LTCT высокое входное сопротивление антенны на этом диапазоне трансформируется в требуемые 50 Ом.  

СПОСОБЫ СОГЛАСОВАНИЯ 

КВ антенны ВЧ и НЧ-диапазонов в VMA-10 NP построены поразному, поэтому разнятся и способы достижения согласования В диапазонах 10...20 м антенны представляют собой GP с одним общим противовесом, а их входные сопротивления RBX последовательно увеличиваются приблизительно от 50 (на 10 м) до 110 Ом (на 20 м). Для согласования с фидером сопротивлением 50 Ом на входе антенны применен кабельный трансформатор КТ-75 из кабеля РК-75 длиной около 0.22a для диапазона 20 м (часть КТ-75 используется и в ЗД). Выходное сопротивление КТ-75 хорошо согласуется с Rbx антенны на пяти ВЧ-диапазонах. Правда, на 12, 15 и 17м на выходе КТ-75 также будет присутствовать реактивная составляющая, и для ее компенсации длины ПВ этих диапазонов выбираются на 1 ...2% больше, чем требуется для достижения резонанса.    

КВ антенны НЧ-диапазонов представляют собой резонансные диполи с разной степенью укорочения (за счет включения катушек). Как известно, в центре диполя напряжение U минимально, ток I максимален, поэтому входное сопротивление RBX=U/I минимально. При смещении точек питания от центра, напряжение U возрастает, ток I уменьшается, соответственно, возрастает RBX. За счет асимметричного питания можно получить требуемое значение RBX даже в сильно укороченной антенне.  

Поскольку трансформатор КТ-75 продолжает работать и на НЧ-диапазонах, входное сопротивление антенны приходится выбирать с учетом его действия. В диапазоне 40 м физическая длина вертикала ЦВ+1в+КС40 с учетом ЕН2 — около 10 м, а эквивалентная электрическая длина (т.е. для вертикала без LB и ЕН2) приблизительно составляет 12,5 м. Совместно с радиалом Р30/40, имеющим длину около 8 м, получается полуволновой вибратор, похожий на повернутую антенну Inverted V, но с несимметричным расположением точки питания. В диапазоне 30 м рабочая часть вертикала определяется длиной ЦВ, длина нижней части (Р30/40) несколько больше вертикального размера. Входные сопротивления антенны на этих диапазонах получаются разными и хорошо согласуются с выходным сопротивлением трансформатора КТ-75.  

3.JPG 

В диапазоне 80 м отдельные радиалы настроены на разные частоты таким образом, чтобы совместно с вертикалом получить 3 резонанса в пределах участка 3,5...3,8 МГц. Собственная частота вертикала может быть 3730...3830 кГц и регулируется изменением длины КС80 с таким расчетом, чтобы получить «двухдуговую» кривую изменения КСВ в полосе 3,68...3,81 МГц (рис.3) и еще одну (к сожалению, узкую) область согласования в районе телеграфного DX-окна.  

В диапазоне 160 м степень асимметрии и входное сопротивление вибратора получаются слишком большими. Действие согласующей цепи заключается в том, что шунт Ст (рис.1) уменьшает RBX вибратора, а индуктивность LT компенсирует возникающую при этом реактивную составляющую. Параметры цепи LTCT выбраны с таким расчетом, чтобы не ухудшить согласование на других диапазонах. 

Разработка такой сложной кв антенны как VMA была бы невозможна без предварительного макетирования (в частотном масштабе 10:1), опробования большого количества вариантов и отбора лучших из них.  

ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ДАННЫЕ КВ АНТЕННЫ VMA-10 NP   

В конструкции использованы трубы марки Д16-Т. ЦВ выполнен из нескольких отрезков труб диаметрами (наружный/внутренний) 35/30+30/26+30/27 мм. Его общая длина — 6,8 м. Длина КС40 — 2,7 м, диаметр труб — 22/19+16/13 мм. КС80 имеет длину 1,88 м и составлена из трубки диаметром 8/6 мм (длиной 1,25 м) и стержня 05,7 мм (место их соединения позволяет регулировать длину секции). Размеры регулировочных ЕН будут зависеть от диаметра трубок ЦВ, КС и самих ЕН, высоты установки антенны над землей и других факторов. Например, в авторском варианте антенны длина ЕН1 — 0,5 м; ЕН2 — 0,8 м; применены трубки 08/6 мм.

Вибраторы ПВ изготовлены из луженого многожильного провода марки БПДО сечением 2,5 мм2 в термостойкой двухслойной изоляции. Полная длина вибраторов от верхнего изолятора до сборной платы СП составляет: ПВ12 — 2,65 м, ПВ15 — 3,1 м, ПВ17 — 3,6 м. В точке механического соединения с винтовой стяжкой ВС (см. ниже) ПВ припаивается к прочному кабельному наконечнику, который винтом М5 соединяется с ушком ВС.  

Радиалы Р1… Р4, Р30/40, и ЗШ изготовлены из провода БПДО сечением 2,5 мм2. Длина Р1… Р4 — 2,85 м; Р30/40 — около 7,7 м. Радиал Р6 имеет длину 1,85 м и диаметры применяемых труб 16/14+14/12+12/10 мм (места соединения труб позволяют регулировать длину радиала). Длина ЗШ — 1,45 м. 

Регулировочные катушки L10, L12, L15 и L17 намотаны проводом ПЭВ диаметром 2..2,4 мм на оправке 25 мм и содержат соответственно 2, 3, 4 и 5 витков. LB намотана на каркасе 39 мм из стеклотекстолита, провод МГТФ сечением 0,75 мм2 (диаметр по изоляции — 1,55 мм), количество витков п=21, индуктивность L=13 мкГн, измеренная добротность Q=250. L80 — каркас 039 мм из стеклотекстолита, МГТФ сечением 0,5 мм2 (диаметр по изоляции — 1,3 мм), п=58, L=61 мкГн, Q=240 (аналогичные катушки, намотанные на каркасах 33 мм, имели количество витков соответственно 25 и 71). Торцы трубок, между которым и находятся катушки LB и L80, должны отстоять от намотки минимум на 20 мм Фиксация трубок на концах каркасов катушек и их электрическое соединение с выводами катушек осуществляется с помощью зажимов-токосъемов ЗТ. Эскиз катушки LB вместе с ЗТ приведен на рис.1» ЗТ изготавливается фрезерованием из алюминия толщиной 8...12 мм. а U-образная шпилька — из нержавеющей проволоки 04 мм. От качества исполнения катушек LB и L80 зависят электрическая и механическая прочность антенны. Если отсутствует возможность качественно изготовить эти катушки, можно заказать готовые по E-mail: antennas@mail.ru  

L3,5 намотана на каркасе ПВХ-трубы диаметром 40 мм проводом МГТФ сечением 0,5 мм2, п=41, L=41 мкГн, Q=230; L3.7 и L3.8 — каркас ПВХ 40 мм, МГТФ 0,75 мм2, п=45, L=38 мкГн, Q=300.  

Эскиз катушки, изготовленной на ПВХ-каркасе, тоже приведен на рис.1 Выводы катушки (латунные винты М4х26) вставляются в стеклотекстолитовую пластину СТП с размерами 120x20x4 мм, которая принимает на себя растягивающие усилия. Радиалы и КС соединяются с катушками с помощью напаянных на их концы кабельных наконечников. Применение латунных гаек и защитной смазки обеспечивает долголетний надежный контакт. Концевые секции КС изготовлены из провода БПДО сечением 1,5 мм2. Исходная длина проводов всех четырех нижних КС — по 6,5 м. При настройке провод не обрезается, а заворачивается в концевом орешковом изоляторе и бандажируется. В авторском варианте после настройки получены следующие значения: КС3.5 — 5,75 м; КС3.7 — 5,4 м; КС3.8 — 5,2 м.    

L160 намотана на ПВХ-каркасе 40 мм проводом МГТФ 0,5 мм2, п=57, L=60 мкГн. LT — каркас 26 мм, МГТФ 0,5 мм2, n=4#, L=24 мкГн.  

Конденсатор Ст емкостью 52 пФ изготовлен из двух параллельно соединенных отрезков кабеля RG-58 с длиной внешней оплетки по 26 см (удельная емкость большинства 50-омных кабелей — около 100 пФ/м).  

КС160 изготовлена из провода БПДО сечением 1,5 мм2, исходная длина — 13,5 м (длина после настройки -12,5 м).  

Катушки наматываются плотно, виток к витку, а их гидроизоляция обеспечивается с помощью изоленты или термоусадочной трубки (гидроизоляцию зеленого цвета применять не следует — клюют птицы).  

Катушки L3.5...L3.8 могут иметь индуктивность 30...60 мкГн (чем меньше идуктивность, тем длиннее КС и несколько больше широкополосность антенны в диапазоне 80 м). Если местные условия позволяют разместить 4 радиала длиной около 9 м, все 4 катушки могут иметь индуктивность по 40 мкГн (Прим. автора провод МПО отличается от МГТФ наличием внешнего «чулка». Снимать его необходимо таким образом, чтобы он скользил по виткам фторопластовой изоляции, а не задирал ее («по шерсти»). Непригодны для изготовления каркасов катушек Le и L80 следующие материалы: фторопласт-4 — вследствие низкой прочности и огромного температурного коэффициента расширения, и конструкционный текстолит — вследствие больших диэлектрических потерь).  

Винтовые стяжки ВС длиной 120 мм изготовлены из нержавеющей проволоки и имеют резьбу М4, распорные планки РП — из текстолита (длина — 300 мм, толщина — 15 мм и ширина — 25 мм). В каждой РП делается углубление с радиусом, равным радиусу той трубки ЦВ, к которой она будет крепиться с помощью U-образной шпильки. РП расположены группами (по 3 штуки в каждой) со сдвигом в 120°= С помощью винтовых стяжек ВС из трех ПВ и шести РП создается предварительно напряженная конструкция, значительно увеличивающая жесткость нижней части вертикала.  

Конструктивное объединение вертикальной и горизонтальной частей антенны и ее крепление к опоре производятся с помощью нижнего узла НУ, в который входят. 

  • опорный изолятор И О из текстолита 90x220x25 мм (разметка отверстий показана на рис.1), к которому крепятся с помощью двух U-образных шпилек 06 мм ЦВ и уголок УГ (сталь, 50x50x130 мм толщиной 5 мм) — центр всей радиальной системы. К нижней полке У Г крепится гидроизолирующая пластина с установленным под ней разъемом XS1. Корпус XS1 проволочными перемычками соединен с ввернутыми на краях нижней полки УГ шпильками М5х45 мм, к которым с помощью напаянных кабельных наконечников крепятся все проволочные радиалы;  
  • муфта М1 с шестью наваренными гайками М8 и заваренным верхом (труба 2" и длиной 110 мм);  
  • соединительная П-образная пластина ПП — сталь 4 мм, ширина 100 мм, «крыша» 90 мм и боковины высотой по 68 мм). ПП крепится к И О болтами Мб и к М1 болтами М8 (по 4 шт.). Если два нижних болта М8 вывернуть, шарнирное соединение на двух верхних болтах позволит весь вертикал в сборе переводить из горизонтального положения в вертикальное и обратно. Для облегчения этого процесса используется рычаг РГ в виде двух отрезков труб 0,5й длиной по 0,8 м. Рычаг вставляется в муфты М2 (отрезки труб 0,75й длиной по 60 мм, приваренные по краям верхней полки УГ) и фиксируются в них Нижние концы труб рычага приварены к муфте МЗ (отрезок трубы 2й длиной 100 мм) В эту муфту можно вставить дополнительную трубу длиной 1.15 м, играющую роль механического противовеса-балансира. Такой рычажный комплект позволяет «опрокидывать» вертикал одной рукой с усилием не более 10 кг.

 

Установку антенны на мачте удобнее всего производить в два приема. Вначале на вершине мачты закрепляют только нижнюю половину антенны (ЦВ+ПВ+НУ) с вставленным рычагом РГ, и устанавливают ее вертикально. Затем вставляют и фиксируют трубу балансира и переводят эту часть антенны обратно в горизонтальное (наклонное) положение. После этого уже можно собрать всю антенну и установить ее вертикально. Чтобы не деформировать при сборке верхнюю часть антенны, желательно использовать дополнительную подпорку («рогатину») между крышей и ЦВ или КС40. Во время и после настройки антенны рычаг следует удалить.

Для защиты стальных и дюралевых частей антенны от коррозии можно использовать грунт.  

Защитный дроссель ЗД изготовлен из двухметрового отрезка кабеля РК75-4-21 (как уже указывалось, он «по совместительству» является частью трансформатора КТ-75), навитого на ферритовое кольцо 1000НН К100x60x15. Измеренная индуктивность дросселя — 63 мкГн. Намотка производится таким образом, что каждый виток растягивается на всю длину сердечника. Всего получилось 7 витков (витком считается каждое пересечение проводником внутренного отверстия сердечника). Если применяется более гибкий кабель, позволяющий сделать не 7, а 12...15 витков, можно применить сердечник меньших размеров и/или с меньшей проницаемостью.  

ЗД размещен в пластмассовой коробке и снабжен двумя коаксиальными разъемами. С входом антенны (XS1) дроссель соединен отрезком кабеля РК75-9 (вторая часть КТ-75) длинои 1,25 м. 

  На параметрах ЗД следует остановиться подробнее. Его защитное действие определяется индуктивностью Lд катушки, обмоткой которой является наружная оплетка коаксиала. Эту индуктивность можно измерить, подключив к измерителю индуктивности концы катушки, т.е. выводы оплетки (центральная жила не используется). Для надежной работы дросселя реактивное сопротивление Xl катушки Lfl должно быть не менее 1 кОм. Если исходить из этой величины, на частоте 3,5 МГц необходимо иметь:  

   f1.JPG

Если имеется ферритовый сердечник с неизвестной проницаемостью ц, ее можно рассчитать, измерив индуктивность катушки из 5...10 витков, намотанной на сердечник:

f2.JPG 
где L — в микрогенри; 

DCp — средний диаметр сердечника, см; 

S — сечение сердечника, см2. 

Можно отметить, что в конструкции кв антенны VMA есть ряд элементов, которые не являются принципиально необходимыми. К ним относятся устройство «опрокидывания» вертикала, диэлектрическая вставка на мачте, винтовые стяжки ВС и «напряженная» конструкция ЦВ, регулировочные катушки L10...L17, дроссель ЗД на фидере. Применение этих элементов усложняет антенну, но является оправданным, т.к. упрощает монтаж и настройку конструкции и повышает ее качество и надежность.  

НАСТРОЙКА 

Предварительные замечания. Настройка кв антенны заключается в установке частотных участков по диапазонам на «свое место», при этом КСВ< 1,5 обеспечивается конструкцией антенны.  

Как показала практика, при неблагоприятных атмосферных условиях (дождь, снег, гололед) антенна расстраивается всегда в одну сторону — сторону понижения частоты. Измерения, проведенные в конкретной ситуации — мокрый снег, перешедший в сильный гололед — показали, что понижение резонансных частот составило всего 0,5...0,8% в диапазонах, на которых используются ПВ малого диаметра (несмотря на наличие открытых регулировочных катушек), и 1,5...2% — на 10, 20, 30 и 40 м. Самое большое понижение резонансной частоты — до 3% — было отмечено в диапазонах 80 и 160 м. С учетом этого обстоятельства имеет смысл настраивать антенну на частоты вблизи верхнего края диапазонов. Это не ухудшит работу на нижнем краю, т.к. на большинстве диапазонов существует значительный запас по широкополосности (2...4 раза при КСВ<2).  

Для настройки кв антенны необходим только один прибор — КСВ-метр. К сожалению, далеко не все фирменные, а тем более кустарные приборы дают достоверную информацию при реальных КСВ=1,3 и более.  

Для проверки прибора необходимо изготовить эквивалент антенны сопротивлением 75 100 Ом (это соответствует КСВ=1,5...2). Если отсутствуют мощные непроволочные резисторы, такую нагрузку можно сделать из 10...20 штук МЛТ-2 (при кратковременных трехсекундных измерениях резисторы допускают пятикратную перегрузку). Тестирование КСВ-метра заключается в следующем:  

  • соединив выход передатчика с нагрузкой через КСВ-метр, проводят кратковременные измерения на частотах 80-метрового диапазона, начиная с малой мощности (10...20 Вт) и повышая ее до тех пор, пока показания прибора не перестанут увеличиваться. В дальнейшем при измерениях следует использовать этот или больший уровень выходной мощности передатчика;  
  • проводят измерения на частоте около 28 МГц. Затем удлиняют соединительный кабель между КСВ-метром и нагрузкой дополнительным кабелем, желательно с электрической длиной а/4 (т.е. около 1,7 м). Если показания прибора изменятся незначительно, он пригоден для дальнейших измерений.  
  • При использовании прибора MFJ-259 следует иметь в виду, что он чувствителен к внешним помехам (в основном, от недалеко расположенных СВ, УКВ-и ТВ-вещательных передатчиков). Как показала практика, в городских условиях при реальном КСВ=1,2 прибор может показать значение 1,8 и более. Во многих случаях влияние помехи можно устранить с помощью ФНЧ с частотой среза 50 МГц.  

Перед началом работ по настройке антенны будет не лишним: а) убедиться (с помощью омметра), что сопротивление «вертикала» от разъема XS1 до верхушки КС80 не превышает 1 Ом и б) проверить с помощью КСВ-метра и нагрузки 50 Ом фидерный тракт по элементам и в сборе (фидер РК50+ЗД+РК-75). На частотах 30...33 МГц КСВ всего тракта должен быть не хуже 1,2.  

В кв антенне на каждом из диапазонов имеется свой элемент регулировки. В трех случаях настройка одного диапазона влияет на настройку другого:    

  • настройка диапазона 20 м заключается в подборе длины ЕН1. При этом сдвиг частоты настройки этого диапазона, например, на 100 кГц, вызывает сдвиг частоты настройки диапазона 10 м около 200 кГц. Однако диапазон 10м имеет «собственные» настроечные элементы — шлейф ЗШ и катушку L10, регулировка которых практически не влияет на параметры антенны в диапазоне 20 м. Поэтому первоначально настраивается диапазон 20 м, а затем — 10 м; 
  • настройка диапазона 30 м производится изменением длины радиала Р30/40, при этом несколько изменяется настройка диапазона 40 м. Частота последнего может регулироваться изменением длины ЕН2, поэтому сначала следует настроить диапазон 30 м, а затем — 40 м;  
  • аналогично, диапазон 6 м настраивается изменением длины Р6 после настройки диапазона 17 м с помощью L17.  

В остальных случаях взаимовлияние элементов конструкции кв антенны незначительно и может не учитываться. Настройка производится в 2 этапа: сначала диапазоны 10...40 м, затем — 80,160 и 6 м.  

На первом этапе не требуются радиал Р160 и узел LTCT; обе КС3.5 заменяются капроновыми веревками (катушки L3,5 можно оставить). Установив рекомендованные размеры элементов, собранную антенну с помощью рычага переводят в вертикальное положение, подсоединяют 4 радиала (Р1… Р4) с продолжениями (L+KC или L+капрон или только капроновые веревки) и радиал Р30/40. Кабель питания РК-50 подключается обязательно через защитный дроссель ЗД и кабель РК-75. Нижний конец шлейфа ЗШ располагается на расстоянии 0,3...0,4 м от ЦВ.  

Затем с помощью КСВ-метра определяют частоты минимумов КСВ (fmin ксв) на каждом из диапазонов и записывают полученные значения. При первоначальном измерении частоты fmjn ксв могут быть значительно (до 1 МГц на WARC-диапазонах) выше или ниже требуемой частоты. Предварительная настройка диапазонов 12, 15и 17м достигается сжатием/растяжением витков соответствующих катушек, а диапазона 30 м — изменением длины Р30/40. Для настройки диапазонов 20 и 40 м антенну переводят в горизонтальное или наклонное положение, и изменением длин ЕН1 и ЕН2 сдвигают fmjn ксв этих диапазонов в нужном направлении. Возможно, с первого раза точно установить частоты не удастся (опущенная антенна не контролируется КСВ-метром), и операцию придется повторить. После установки «на место» диапазона 20 м, изменением положения ЗШ по отношению к ЦВ производится настройка диапазона 10 м. Если с помощью ЗШ не удастся «опустить» fmjn ксв до частоты 28,6 МГц, следует установить катушку L10 на входе ЦВ  

При желании (и/или необходимости) процесс настройки можно повторить для окончательной «шлифовки» параметров антенны. 

Что может помешать успешно настроить конструкцию и как с этим бороться? Вот краткий перечень возможных причин 

  1.  Малая высота установки антенны. Минимальная высота над бетонной крышей, при которой антенна будет «строиться» на всех диапазонах — 5 м, желательная высота — 7 м и выше. При установке на поверхности земли — 7 и 10 м соответственно.  
  2. Близкое взаимное расположение антенны и протяженных металлических предметов.  
  3. Опора (мачта) при определенных длинах может ощутимо повлиять на параметры антенны на одном или нескольких диапазонах. Чтобы обнаружить это явление, следует при измерении КСВ на диапазоне, где он значителен (скорее всего, на 20 м), прикоснуться к опоре рукой или металлическим предметом. Если КСВ изменился, значит, влияние опоры существует, и его необходимо устранить. Возможны два пути решения этой проблемы:  

      капитальный. Верхняя часть опоры (длиной около 1 м) изготавливается из диэлектрика или верхняя металлическая часть (также около 1м) отделяется от остальной опоры изолирующей вставкой;  

      — искусственный. К опоре присоединяют металлический предмет, например, проволоку и подбирают ее длину по минимуму воздействия на параметры антенны, контролируя процесс КСВ-метром
  4. Если КСВ велик на ВЧ-диапазонах, можно попробовать изменить настройку противовеса, добавив еще один ра-диал длиной 2,5^.2,9 м.  
  5. Для уменьшения КСВ в диапазоне 30 м радиал Р30/40 должен быть расположен по отношению к вертикалу под углом 120… 130°, что возможно при высоте основания антенны от 6 м и выше. При КСВ>1,5 можно попробовать уменьшить длину Р30/40 и подстроить ЕН2.  

Описывая второй этап настройки антенны, сразу следует оговориться, что опыт этой процедуры и работы конструкции в диапазонах 80 и 160 м имеется только в «крышном» варианте (т.е. работа антенн VMA-9 и VMA-10 над землей не проверялась).  

В результате настройки антенны для работы в SSB-участке диапазона 80 м следует получить кривую изменения КСВ, аналогичную приведенной на рис.3. Верхняя (3735...3810 кГц по КСВ<2) «дуга» КСВ — это результат работы пары вертикал V80 (состоящий из I4B+LB+KC40+L80+KC80) и радиал Р3,8 (РЗ,8=Р1 +L3.8+KC3.8); нижняя (3675...3735 кГц) — определяется парой V80+P3.7 (P3,7=P3+L3,7+KC3,7).  

Резонансные частоты этих пар соответствуют частотам, на которых КСВ минимален — около 3775 и 3700 кГц, на средней частоте fcp = 3735 кГц работают оба радиала. Оптимальная собственная частота вертикала fv = 3750 кГц.  

Регулировка Р3,7 и Р3,8 производится внизу изменением длин КС3.7 и КСЗ,8 и не представляет трудностей. А вот чтобы изменить частоту настройки вертикала (т.е. длину КС80), вертикал придется опустить. Чтобы не тратить в дальнейшем много времени на поиск нужной длины КС80, размеры узла L80+KC80 должны максимально точно соответствовать приведенным в разделе «Основные конструктивные данные VMA-10 NP». Если применяются трубки других диаметров, то чем толще трубка, тем меньше должна быть ее длина Например, при диаметре трубки 15 мм настроенная длина КС80 составила 1,6 м. На время настройки антенны в SSB-участке, КС3.5 лучше отключить. 

Можно рекомендовать следующий порядок настройки — сначала изменением длин КС3.7 и КС3.8 (по 5...10 см) необходимо попытаться получить симметричную двухдуговую форму кривой КСВ в пределах участка 3650...3850 кГц, а затем изменением длины КС80 передвинуть область согласования на необходимую частоту (ориентировочно изменение длины КС80 на 10 см сдвигает частоту на 20...30 кГц). При небольшом сдвиге (около 30 кГц) форма кривой почти не изменяется, при большем длины радиалов придется корректировать.  

Если эта процедура не получилась, значит, частота fv отстоит слишком далеко от необходимого значения (что вполне возможно при кустарном изготовлении L80 и других диаметрах примененных трубок в КС80), и ее требуется определить. Можно воспользоваться следующим приемом. Настроить радиал Р3.8 изменением длины КС3.8 (остальные 3 радиала отключены) таким образом, чтобы КСВ-метр показал минимум КСВ в фидере антенны на частоте 3750 кГц. Затем Р3.8 отключить, подключить Р3,7 и произвести аналогичную настройку также на частоте 3750 кГц. 

Затем следует снова подключить Р3.8 и определить новую частоту минимального КСВ при совместной работе обоих радиалов. Возможны 3 варианта: 

— частота нового резонанса fHp ниже 3750 кГц; следовательно, частота fv находится еще ниже. Ориентировочно fv = 3750 — 4(3750 — fHp); 

— частота нового резонанса выше 3750 кГц; следовательно, частота fv находится еще выше. Ориентировочно fv=3750 + 4(fHp — 3750); 

— частота не изменилась. Это значит, что собственные частоты радиалов и вертикала совпадают и в данном случае равны 3750 кГц. 

Оценив ориентировочно частоту fv, можно провести ее коррекцию, изменяя длину КС80, а затем повторить настройку радиалов. 

Можно отметить, что на частоте 3775 кГц активная часть входного сопротивления антенны несколько меньше, а на 3700 кГц — несколько больше, чем требуется для полного согласования. Изменением настройки КС80 и нижних КС можно получить полное согласование на одной из этих частот, но это приведет к ухудшению КСВ на другой. Также изменением КС можно уменьшить КСВ на fCp=3740 кГц, но при этом сузится общая полоса согласования. 

Определить, в какую сторону отличается RBX антенны от необходимого для полного согласования значения (больше или меньше), можно с помощью простого приема. Достаточно при измерении КСВ подключить параллельно входу антенны (разъем XS1) резистор сопротивлением 150...200 Ом. Если на резонансной частоте КСВ улучшился, значит, RBX слишком большое, в противном случае — малое. Необходимо иметь в виду, что при подключении резистора резонансная частота несколько изменяется, и следует подстроить частоту генератора (передатчика) на новый минимум КСВ. 

При настройке антенны в CW-участ-ке 80-метро во го диапазоне подключаются обе КС3.5, и одинаковым изменением их длин устанавливают еще одну область согласования в желательном месте CW-участка. Рабочая полоса по КС В <2 здесь значительно уже (около 25 кГц), что объясняется, в первую очередь, уменьшением электрической длины и сопротивления излучения вертикальной части антенны. При настройке следует поискать такое положение радиапов по отношению к крыше (точнее, той массе металла, которая там неизбежно находится) и их углы наклона, при которых получается минимальный КСВ. С аналогичной целью угол между радианами можно менять в пределах от 60 до 180°. 

В диапазоне 160 м в зависимости от местных условий могут использоваться следующие варианты настройки: подбор длины КС160 при установленной катушке L160 (30...70 мкГн) или подключение КС 160 максимально возможной длины (8...20 м), под которую подбирается индуктивность L160. Настройка контролируется КСВ-метром. ожидаемое значение — около 2,5. Первоначальная грубая настройка производится на частоте приблизительно на 50 кГц выше выбранной. Вместо LT устанавливается перемычка, конденсатор Ст отсутствует. Затем подключают временные маломощные элементы согласования (конденсатор переменной емкости с Стах=65 пФ и катушку 20...35 мкГн с регулируемой ферритовым сердечником индуктивностью). Устанавливают частоту 1830 кГц (или другую необходимую частоту в пределах диапазона), и последовательной регулировкой этих элементов добиваются достаточно низкого значения КСВ. Введение узла согласования несколько сдвигает установленную ранее резонансную частоту, поэтому длину КС 160 корректируют. Затем временные CrLT снимают, измеряют их значения и заменяют изготовленными постоянными элементами. 

Эта процедура достаточно трудоемка, но если использовать приведенные выше конструктивные данные, вся настройка сведется к установке области согласования в нужном «месте» регулировкой длины КС160  

Описанные выше процедуры настройки диапазонов 80 и 160 м были отработаны на макете, поэтому в реальной конструкции сразу были установлены найденные на практике индуктивности катушек и длины КС. Благодаря предварительному макетированию, процесс настройки занял всего около трех часов. 

Настройка диапазона 6 м сводится к установке такой длины Р6, при которой минимум КСВ будет около частоты 50,2 МГц (необходимо иметь в виду, что на 1 ...2 МГц выше и ниже этой частоты существуют паразитные резонансы). 

Примечания и дополнения 

КПД. Среди радиолюбителей распространено мнение, что многодиапазонные антенны всегда работают хуже и имеют более низкий КПД, чем однодиапазонные. Это, безусловно, справедливо для антенн с резонансными трапами. В данной конструкции КПД ощутимо падает только на диапазонах, использующих «большие» удлиняющие катушки, и ориентировочно составляет 60% на 160 м, 85% — на 80 м и более 90% на 40 м. На остальных диапазонах используются только алюминиевые трубки и медные провода, сопротивление потерь которых составляет доли ома. Та небольшая часть мощности, которая ответвляется в неработающие на данном диапазоне элементы, также излучается. Косвенным подтверждением высокого КПД антенны является значительный уровень мощности (1,5 кВт и более), который, как свидетельствуют владельцы антенн VMA, она выдерживает без повреждения.  

Реальные потери будут возникать при недостаточной высоте установки антенны по отношению к земле, бетонной крыше и окружающим предметам 

ДН. Макетные измерения показали, что диаграмма направленности в горизонтальной плоскости в диапазонах 10...20 м практически круговая. На остальных диапазонах значительная доля излучения приходится на горизонтальные провода, что вызывает небольшую (3...4 дБ) неравномерность ДН с максимумом, совпадающим с осью этих проводов. 

VMA-5 (укороченный пятидиапазонный вариант VMA). 

После предыдущих публикаций мне нередко задавали вопрос — как изменить (упростить) конструкцию VMА, чтобы оставить только ВЧ-диапазоны от 10 до 20 м? 

f3.JPG 

Простым исключением верхней части антенны (U+KC) эта задача не решается, т.к. для резонанса антенны в диапазоне 10м потребуется длина ЦВ почти на 0,5 м больше, чем для резонанса на 20 м. Возможное решение показано на рис.4. Включение емкостной нагрузки ЕН в определенной точке ЦВ оказывает значительное укорачивающее действие на частотах 10-метрового диапазона и небольшое — на 20 м. Это объясняется тем, что данная точка выбрана в районе максимума напряжения на антенне при работе на 10 м, где влияние ЕН максимально, а в диапазоне 20 м в этой точке напряжение и влияние ЕН значительно меньше. Дополнительный «сопрягающий» эффект дает включение на входе ЦВ катушки L10. 

Таким образом, пятидиапазонный вариант антенны VMA можно изготовить на основе следующих данных: длина ЦВ (труба 030 мм) равна 6,4 м, ЕН выполнена из трубки 015...20 мм длиной 1,5 м. Точка соединения ЕН с ЦВ находится на рас-тоянии 4,5 м от от вершины ЦВ. Катушка L10 — бескаркасная, намотана на оправке 025 мм, 5 витков провода ПЭВ 02...2,4 мм. Приведенные данные являются исходными и уточняются при настройке. Проволочные вибраторы ПВ12, ПВ15 и ПВ17, жесткий противовес ПР (или 4 проволочных радиала длиной по 2,85 м) и схема питания остаются без изменений [1]. 

Диапазон 80 м в VMA-7. Разработано дополнительное устройство к антенне VMA-7, позволяющее использовать ее без переделок и в диапазоне 80 м. Рабочий участок может быть установлен в любой части диапазона, ширина участка при КСВ<2 — не менее 50 кГц (заказ по E-mail: antennas@mai1.ru)- 

Результаты практического использования кв антенны   

Описанная антенна установлена на QTH UT1МА на высоте 3 м от конька шиферной крыши 4-этажного дома. Радиалы расположены наклонно под углом около 40° и капроновыми веревками крепятся к ограде. Использован один ярус из 6 оттяжек (полипропиленовые нити в вязаной оболочке 03 мм). Измерение КСВ антенны по диапазонам, включая полосу частот в пределах КСВ=2, производилось прибором DRAKE WH-7 при уровне мощности 100 Вт (длина фидера из кабеля РК50-7 — около 20 м) и мостовым КСВ-метром. Полученные результаты приведены в таблице и на рис.3 (в графическом виде для диапазонов 80 и 160 м). 

По оценкам местных корреспондентов, VMA-10 NP при сравнении с антенной Inverted V, установленной на этой же крыше, выигрывала на всех диапазонах в среднем около 1 балла, а на 80 м —10...15 дБ, что однозначно свидетельствует о большой интенсивности излучения под малыми углами к горизонту. При межконтинентальных связях на частотах около 3,8 МГц (W, J, LU) выигрыш был в пределах 5… 10 дБ. Связи с W получались даже на частотах, где КСВ достигал значения 5 (при использовании лампового РА). 

В диапазоне 160 м радиус уверенных связей — не менее 1500 км. На 6 м по данным UR5MF удавалось за 15 минут связаться с 5 континентами. 

Многочисленные сравнения VMA-ан-тенн с импортными показали, что не уступая фирменным по эффективности, VMA широкополоснее, выдерживают большую мощность и проще по конструкции  

4.JPGВ условиях ограниченного места для размещения антенн, «вертикал» VMA-10 NP поможет разрешить большинство проблем коротковолновиков, и это обстоятельство автор конструкции рискнул отразить в названии антенны — NP (NO PROBLEM).  

В процессе изготовления и настройки VMA существенную помощь оказали Василий, UR4MHJ, и Борис, UR4MIG, за что автор им благодарен. 

Идея VMA-10 NP и ее конструкция являются интеллектуальной собственностью автора. Коммерческое использование разрешается только по согласованию с автором. 

Применение реактивной нагрузки для антенного излучателя 

Прежде чем приступить к рассмотрению темы, указанной в подзаголовке, необходимо вспомнить ключевые определения теории антенно-фидерных устройств

Сопротивление — это коэффициент пропорциональности между напряжением и током на данном участке цепи Например, если входное сопротивление антенны Ra составляет 50 Ом, при любой подаваемой мощности напряжение U (в вольтах) на входе антенны в 50 раз больше входного тока (в амперах) 

В фидерной линии коэффициент пропорциональности называется волновым сопротивлением Z Например, в линии с Z=75 Ом в любом сечении отдельно для прямой и отраженной волн напряжение (в вольтах) будет в 75 раз больше тока (в амперах) 

Проводник антенны также характеризуется волновым сопротивлением Za Соотношения между напряжением и током в разных точках проводника различаются, и для расчетов применяют усредненное значение Za При выводе формулы для расчета Za используют ряд допущений, поэтому для определенного вида антенн применяется формула, наиболее точно описывающая данный вид Например, для вертикальных несимметричных полноразмерных антенн рекомендуется [4] формула 

 f4.JPG 

В обеих формулах l — длина проводника антенны, d — его диаметр  

С помощью формулы (2) волновое сопротивление Za может быть определено и для отдельных частей антенны 

Реактивная составляющая входного сопротивления вибратора зависит от его длины l и волнового сопротивления Za  

 f5.JPG 

Аналогично, для верхнего участка кв антенны — концевой секции (КС) вибра тора  

 f6.JPG 

Величина активной составляющей входного сопротивления антенны и вопросы согласования с фидером в настоящей статье не рассматриваются 

5.JPG 

На рис.5 показаны несколько вибраторов разной конфигурации, расположенных над «идеальной» землей и питаемых в точках АО  

а Принимаем, что первый (исходный) вибратор АВ имеет резонансную длину L=a/4 

6 Уменьшить длину вибратора, сохранив его настройку (те, Ха=0), можно за счет применения тн емкостной нагрузки ЕН1 (рис.56) Нагрузка характеризуется емкостным сопротивлением Хен> которое зависит от количества проводников ЕН, их длины (lен) и диаметра (deh) в Еще более короткий вибратор получится при использовании емкостной нагрузки больших геометрических размеров ЕН2 (рис.5в), соответственно имеющей меньшее значение (dен). 

в Еще более короткий вибратор получится при использовании емкостной нагрузки больших геометрических размеров ЕН2 (рис.5в), соответственно имеющей меньшее значение (Хен) 

г Уменьшить величину |Xeh| нагрузки можно не только за счет увеличения размеров ЕН, но и искусственно, включив последовательно с ЕН реактивное сопротивление противоположного знака — индуктивность L, индуктивное сопротивление которой Xl<|Xeh| (рис.5г) Например, допустим, что ХЕН1 =-j1000 Ом  
Хен2 = -J 400 Ом 

Если добавить к ЕН1 катушку L, имеющую Xl = j600 Ом, получим результирующую сопротивление нагрузки Хн = -J1000 + j600 = -j400 Ом Таким образом, включение индуктивности позволяет с ЕН1 меньших размеров получить эффект большой ЕН2 Однако следует иметь в виду, что вибратор, показанный на рис 5г, имеет более узкую частотную полосу, чем предыдущие (рис 5а в) 

Приведем пример Будем считать, что при небольшом (1 %) изменении частоты все реактивные нагрузочные сопротивления также изменяют свое значение на 1% В случае понижения частоты Xehi=-j Ю10, Хен2 = -J 404 и Xl=j594 Ом, поэтому новое значение Хн = -j 1010 + j 596 = -j 414 Ом Таким образом, при чисто емкостной нагрузке (ЕН2) изменение сопротивления нагрузки составило всего 4 Ом, а при комбинированной (ЕН1 и L) — в 3,5 раза больше (14 Ом) 

На вибраторе АВ (рис 5а) условно выделим отрезок ВС — так называемую концевую секцию (КС) Из условия равенства частот настройки вибраторов, показанных на рис 5а и 56, следует, что Xkc=Xehi Следовательно, роль Ещ может выполнять и одиночный вертикальный штырь (КС), включенный выше катушки L (рис.5д) Отличие КС от Ен состоит в том, что КС участвует в излусопротивление противоположного знака — индуктивность L, индуктивное сопротивление которой Xl<|XehI (рис.5г) Например, допустим, что ХЕН1 =-j1000 Ом    
Хен2 = -J 400 Ом 

Если добавить к ЕН1 катушку L, имеющую Xl = j600 Ом, получим результирующую сопротивление нагрузки Хн = -J1000 + j600 = -j400 Ом Таким образом, включение индуктивности позволяет с ЕН1 меньших размеров получить эффект большой ЕН2 Однако следует иметь в виду, что вибратор, показанный на рис 5г, имеет более узкую частотную полосу, чем предыдущие (рис 5а в) 

Приведем пример Будем считать, что при небольшом (1 %) изменении частоты все реактивные нагрузочные сопротивления также изменяют свое значение на 1% В случае понижения частоты Xehi=-j Ю10, Хен2 = -J 404 и Xl=j594 Ом, поэтому новое значение Хн = -j 1010 + j 596 = -j 414 Ом Таким образом, при чисто емкостной нагрузке (ЕН2) изменение сопротивления нагрузки составило всего 4 Ом, а при комбинированной (ЕН1 и L) — в 3,5 раза больше (14 Ом) 

д На вибраторе АВ (рис 5а) условно выделим отрезок ВС — так называемую концевую секцию (КС) Из условия равенства частот настройки вибраторов, показанных на рис 5а и 56, следует, что Xkc=Xehi Следовательно, роль Ещ может выполнять и одиночный вертикальный штырь (КС), включенный выше катушки L (рис.5д) Отличие КС от Ен состоит в том, что КС участвует в излучении, повышая тем самым эффективность вибратора Во многих случаях применение КС более рационально, чем Ен, тк на КС требуется, как правило, меньше материала, а конструкция вибратора получается проще    

Входное сопротивление Хкс по известным геометрическим размерам определяется с помощью формул (2) и (3). Возможно решение обратной задачи — по известному значению Хкс определить геометрические размеры КС  

е При равенстве (по абсолютной величине) обеих частей нагрузки ХL=[Хкс]  получится вибратор, показанный на рис.5е;  

ж. Если пойти дальше и задаться нагрузочной цепью с Xl>|Xkc|. для сохранения резонанса размер вибратора придется удлинить до ?>Х/4 (рис.5ж). 

Физика процессов, происходящих в рассмотренных вариантах вибраторов, заключается в следующем. В резонансном вибраторе длиной ?=Х14 (рис.5а), поступившая из фидера «очередная порция» тока при «движении» вдоль вибратора сохраняет фазу неизменной, и только в момент отражения от конца вибратора испытывает скачок фазы на 180°. Изменение фазы тока, непрерывно поступающего из фидера, к моменту возвращения отраженного также достигнет 180°, т.е. фазы токов совпадут, что и составляет суть резонанса.  

При реактивной нагрузке на конце вибратора также произойдет отражение тока. Если нагрузка емкостная, фаза отраженного тока будет меньше 180° (ток через емкость опережает напряжение), в результате для сохранения резонанса длину вибратора придется уменьшить на величину А?-\ т.е. уменьшить время движения волны по вибратору. Этот вариант иллюстрируется на рис.56...5г. И наоборот, если нагрузка индуктивная, фаза отраженного тока будет больше 180° (ток через индуктивность отстает от напряжения), что потребует удлинения вибратора на величину М2 (рис.5ж). 

Для расчета Аl была опробована формула, применяемая в теории однородных длинных линий в случае реактивной нагрузки Хн на конце линии [4, 5]. По аналогии  

   f7.JPG 

где Xh=Xl+X«c (или Xh=Xl+Xeh), а волновое сопротивление Za вибратора определяется его конструктивными размерами. Проверка на макете антенны показала хорошее совпадение расчетных и опытных данных. 

Рассмотрим еще один пример. Применим формулу (4) к рассмотренным выше вариантам вибратора, показанным на рис.5б...5г. Расчет произведем отдельно для проволочного и трубочного вибраторов длиной 10 м, диаметры которых соответственно 2 и 40 мм. По формуле (1) находим: 


 f8.JPG 

  Для вибратора, показанного на рис.5б, Хн=Хен1=-j1000 Ом, укорочение  

 f9.JPG 

Из этого расчета видно, что одна и та же емкостная нагрузка ЕН1 приводит к значительно большему укорочению «тонкого» вибратора, чем толстого. Для вибратора, показанного на рис.5в, Хн=Хен2= -j 400 Ом, соответственно, А^1-Пр =0,15Х и 

Для вибратора, показанного на рис.бг, Xh=Xl+Xehi= -j400 Ом, следовательно, А? такие же, как для предыдущего вибратора. 

Отметим, что в действительности ток отражается от конца проводников ЕН (КС), а роль реактивной нагрузки заключается в соответствующем изменении фазы тока. 

Вариант вибратора, показанный на рис.5ж, по понятной причине практически не применялся — он имеет большие размеры и конструктивно более сложен, чем четвертьволновой вибратор. Однако, как выяснилось, такой вибратор может использоваться для работы на двух различных частотах (в частности, на смежных КВ-диапазонах), благодаря чему представляет несомненный интерес для конструкторов антенн. 

Как правило, катушку, включенную в укороченную антенну, принято называть удлиняющей (при ХL<|Х«с1)- По аналогии, если Xl>|Xkc|. катушку можно назвать укорачивающей. Разница в «поведении» определяется тем, какого вида будет суммарная реактивность связки L+KC — емкостной или индуктивной. Это обстоятельство можно использовать для работы вибратора на двух частотах, подобрав значения L и КС таким образом, чтобы на одной (более низкой) частоте fH сопротивление связки было емкостным, а на другой (более высокой) fB — индуктивным. Разместив такую связку на вершине вертикального вибратора, получим антенну, у которой вместо прежней резонансной частоты появятся два новых резонанса на частотах ниже и выше прежней. На частотах f>2fB реактивное сопротивление катушки может быть столь велико, что она будет работать как отсекающая.  

Для антенн такого класса можно предложить название 2В1_С-антенны (2 Band Loading Coil — двухдиапазонная антенна с использованием нагрузочной катушки).  

6.JPG 

На рис.6 пунктиром условно показаны резонансные четвертьволновые вибраторы AD (длиной Л) и АВ (длиной ?2) соответственно на частоты fH и fB, а также призванный заменить их 2В1_С-вер-тикал, состоящий из вибратора АС длиной? а, катушки L и окончания КС. С учетом (4):  



где Xhi = Xli + Xkci — суммарное реактивное сопротивление связки (нагрузки) L+KC на частоте fH; 

Хн2 = ХL2 + Хкс2 — на частоте fB.  

В результате расчета должны быть определены значения Aа, L и геометрия КС. Т.к. в двух уравнениях (5) и (6) содержится 6 переменных, для расчета необходимо сделать ряд подстановок и допущений. Однако методика расчета выходит за рамки настоящей статьи и здесь не приводится.  

В частном случае, когда fH=0,5fB (например, диапазоны 7 и 14 МГц), 

Al + А?2 = ?2 = 0,25V  

В антенне VMA-7 

А2 = 0,04ХВ  

и 

Аl-\ = 0,2UB =0,105ХН.  

Распределение тока вдоль проводника 2В1_С-антенны показано на рис.7. На нижней резонансной частоте fH (рис.7а) ток от входной точки А до катушки L изменяется незначительно, а после катушки быстро убывает. На fB (рис.76) наличие участка ВС с током, текущим в обратном направлении, во многих случаях нежелательно, т.к. приводит к расширению ДН. Излучение участка ВС можно исключить, применив небольшую емкостную нагрузку ЕН (рис.7в). Размеры ЕН выбирают с таким расчетом, чтобы выполнялось условие Хен=Х|_+Хкс-Такую связку (EH+L+KC) можно рассматривать как своеобразный трап, в котором роль конденсатора выполняет ЕН, а индуктивным плечом является связка L+KC. 

Для расчета 2ВLС-антенн можно создать компьютерную программу или использовать уже существующие. Впрочем, понимание процессов, происходящих в такой антенне, делает несложной ее экспериментальную отработку. При этом необходимо иметь в виду, что настройка антенны зависит не только от индуктивности катушки (измеренной, как правило, на невысокой частоте, что характерно для большинства измерителей индуктивности), но и от ее собственной паразитной межвитковой емкости Со, под влиянием которой эквивалентная индуктивность цепи увеличивается Например, конкретная катушка на каркасе 039 мм с LB=13 мкГн (измерено прибором Е7-9) имела собственную резонансную частоту fo=28,4 МГц (измерено ГИРом). Следовательно, на этой частоте  

 f11.JPG 

  На частоте 14,1 МГц Хсо= -j4690 Ом, XL= J1155 Ом, сопротивление цепи из параллельно включенных Хсо и ХL составит:  

   f13.JPG 

  Эквивалентная индуктивность  

f12.JPG 


Соответственно, для диапазона 7 МГц L37 = 13,8 мкГн.  

Аналогичная катушка LB на каркасе 026 мм имела собственную резонансную частоту fo=38 МГц, соответственно ее эквивалентная индуктивность на частотах 7 и 14 МГц будет значительно ближе к номинальному значению 13 мкГн Следовательно, настройка КС (т.е. длина секции) будет зависеть не только от измеренной индуктивности катушки, но и от ее исполнения. 

Двухчастотная настройка антенны возможна и при отношении fB/fH, отличном от двух Включая последовательно несколько катушек со своими КС (или ЕН), можно получить несколько резонансных частот, что и реализовано в антенне VMA-10 NP. 

Возможно также использование нагрузочных катушек в симметричных антеннах, в частности, в активных и пассивных элементах антенн YAGI вместо резонансных трапов (естественно, при других размерах элементов). 

Корректность приведенных выше соотношений проверялась на макете антенны VMA-7 [1], снабженной жестким противовесом ПР и радиалом Р4 (Р30/40) и выполненной в масштабе 1:10 (размеры в 10 раз меньше, а частоты — в 10 раз выше; значения Х«с и Х(_ — без изменений). Для проведения измерений использовались мостовой КСВ-метр и генератор Г4-151 Для корректности результатов измерений были отключены проволочные вибраторы ПВ и удалена емкостная нагрузка ЕН Измеренное значение индуктивности LB — 1,3 мкГн, длина ЦВ регулировалась в широких пределах. 

Были проделаны следующие измерения- 

— при отключенных катушке LB и КС изменением длины ЦВ получен резонанс на частоте fi =70,5 МГц, при этом длина /ЦВ1 составила 1250 мм; 

— аналогично был получен резонанс на частоте f2=141 МГц при длине? цВ2 — 740 мм; 

— при включенной LB настройкой ЦВ и КС снова получены частоты резонансов 70,5 и 141 МГц. Соответствующая длина? цва — 820 мм, длина КС из провода 02мм составила 205 мм. 

Таким образом, укорочение на частоте 70,5 МГц 

Al = 1250 — 820 = 430 мм, удлинение на частоте 141 МГц — Al2 = 820 — 740 = 80 мм Расчетная разница между 4дВ1 и? ЦВ2 должна равняться-Х2/4=2120/4 = 530 мм. Реальная разница составляет 1250 — 740 = 510 мм. Небольшое расхождение можно объяснить разной величиной эквивалентных индуктивностей катушки LB на частотах fi и f2  

Во время измерений также фиксировалась рабочая полоса частот по уровню КСВ=2. В третьем варианте (при включении LB) полоса оказалась всего на 20… 25% уже, чем в двух предыдущих Целесообразно заметить, что применение резонансных трапов приводит к худшим результатам. 

Размеры вибраторов ЦВ1 и ЦВ2, использованные в эксперименте, отличались от четвертьволновых (это объясняется схемой антенны VMA), но в данном случае это не имеет значения, т.к важно было определить разность длин ЦВ1 и ЦВ2 по отношению к ЦВа. 

Параллельно проведена расчетная проверка полученных в эксперименте значений с помощью формул (1. .6). Исходные данные. КС — длина 205 мм, 02 мм; средний диаметр ЦВ — 3,5 мм; 

частоты настройки — 70,5 и 141 МГц, эквивалентные индуктивности катушки на fH и fB приняты соответственно 1,35 и 1,7 мкГн. 

Расчетные значения. Z«c = 305 Ом; гцв = 280 Ом. 

На частоте 70,5 МГц — 

Хкс= -j940 Ом, Xl = j600 Ом, 

Хн = -j340 Ом и A?i = 464 мм. 

На частоте 141 МГц — 

Хкс = -j420 Ом, ХL = l1510 Ом,  

Хн = j1090 Ом и А?2 = 85 мм. 

Учитывая относительную точность формул (1) и (2) и принятых значений эквивалентных индуктивностей La, совпадение расчетных данных с экспериментальными можно считать удовлетворительным  

Хотя рассмотренный выше способ создания двух- и многодиапазонных антенн вполне «конкурентоспособен» по сравнению с другими известными способами, он стал применяться только в самое последнее время. Пример тому — многодиапазонные антенны MFJ-1798 и AV-640 HY GAIN. Единственная известная автору публикация на эту тему была в апрельском номере журнала QST за 1961 г. (tnx UA2BD за копию статьи). W.Lattm, W4JRW, в статье «Multiband Antennas Using Loading Coils» описал двухдиапазонную антенну на 40 и 80 м в виде симметричного диполя с катушками в каждом плече (сведения из этой статьи были включены в популярную книгу [6, с. 187]) W4JRW писал, что не сумел обнаружить в литературе формул для определения взаимосвязи между длиной проводов, индуктивностью нагрузочных катушек и двумя рабочими частотами, и свою антенну настраивал опытным путем с помощью ГИРа. 

Возможно, именно неразработанность темы привела к забвению этого способа создания многодиапазонных антенн. Ключевые слова из заголовка упомянутой пионерской работы W4JRW использованы автором данной статьи в предложенной выше аббревиатуре — 2BLC. 

Литература 

  1. Э.Гуткин Многодиапазонная вертикальная антенна — Радиолюбитель. KB и УКВ, 2000, NN7-8.  
  2. Э.Гуткин Вертикальная многодиапазонная антенна VMA-9NP. — Радио, 2001, N4.  
  3. http // wwwkrasnodaronlme.ru/ hamradio  
  4. Г.З.Айзенберг. Коротковолновые антенны — Радио и Связь, 1985.  
  5. Х.Мейнке, Ф.Гундлах. Радиотехнический справочник. — ГЭИ, 1960  
  6. К.Ротхаммель. Антенны, 1979.  
  7. В Овсянников. Вибраторные антенны с реактивными нагрузками. — Радио и Связь, 1985. 

0 комментариев

Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.