Вертикальная антенна, независимая от земли — C-Pole

В статье представлен проект C-образной антенны — компактной, независимой от заземления вертикальной антенны, разработанной для радиолюбителей. Она имеет складную полуволновую дипольную конфигурацию, которая устраняет необходимость в радиальных элементах, что делает её подходящей для установки в различных местах, особенно в районах с ограничениями.

C-образная антенна обеспечивает эффективную работу с КСВ 2:1 и полосой пропускания около 3%, и её можно легко сконструировать из обычных материалов. Кроме того рассмотрены аспекты преобразования импеданса точки подключения и конструкция согласующего устройства для оптимизации работы и минимизации потерь.

Изначально у автора не было желания усеивать домашний газон проводами противовесов или радиалов, да и полноразмерный вертикальный диполь на 30 футов и более на 20 метров слишком высок для места его установки (местные ограничения, соседи и т.п.).

Учитывая все эти соображения, в поиске была найдена интересная конфигурация антенны. Она не зависит от земли, имеет точку питания 50 Ом на уровне земли, меньше половины высоты полноразмерного полуволнового диполя, очень эффективна и имеет полосу пропускания 2:1 КСВ около 3 процентов. Её можно подвешивать к любой удобной опоре, сворачивать в крошечное пространство и она становится хорошей антенной для Field Day.

Основное

Антенна состоит из вертикального полуволнового диполя, который был сложен виртуально пополам, как показано на рисунке 1. При установке этого чуть выше уровня земли токи значительно уменьшаются по сравнению с четвертьволновым монополем, установленным на земле. Диаграмма направленности излучения в H-плоскости для этой антенны практически всенаправленная.

Рис. 1. Вертикальный полуволновой диполь, согнутый практически пополам

Как показано на рисунке 1, антенна симметрична относительно точки питания и известна как открытый свёрнутый диполь. Сопротивление точки питания можно изменить, изменив соотношение диаметров вертикальных проводов. Однако, автор  намеревался использовать  подвешенный провод в качестве элемента.

Антенну можно проанализировать почти также, как и обычный свёрнутый диполь, и оказывается, что её можно рассматривать как короткий диполь, нагруженный с помощью короткозамкнутой линии передачи. Было решено пойти по лёгкому пути и смоделировать её с помощью EZNEC.

Есть две практические проблемы с антенной на рисунке 1:

  • Сопротивление точки питания слишком низкое, и точка питания находится в неправильном месте.
  • Сопротивление точки питания зависит от геометрии, но при расстоянии между вертикальными проводами около 20 дюймов на 15 метрах сопротивление точки питания составляет около 25 Ом. Его необходимо преобразовать до 50 Ом. Также крайне желательно, чтобы точка питания находилась на уровне земли, так как в противном случае кабель питания придётся отводить от антенны, чтобы токи не индуцировались в фидер. Эти токи могут привести к нежелательным эффектам радиочастот в шэке и изменению диаграммы направленности излучения. Точка питания на уровне земли также лучше, потому что кабель можно закопать на небольшую глубину под газоном.

Обе эти проблемы можно устранить, переставив антенну, как показано на рисунке 2.

Рис. 2. Изогнутый диполь со смещённой точкой питания

Перемещение точки питания от узла напряжения в  центре антенны увеличивает импеданс точки питания и точное соответствие 50 Ом можно получить, сместив положение зазора на концах диполя. К сожалению, это помещает точку питания в положение, где имеется значительный синфазный потенциал. То есть, два вывода  точки питания антенны имеют одинаковый потенциал относительно земли (в дополнение к нормальному дифференциальному потенциалу через точку питания), и этот потенциал может составлять несколько сотен вольт для уровня входной мощности 100 Вт.

Если коаксиальный кабель подключен непосредственно к точке питания, естественный резонанс антенны разрушается, и она становится бесполезной. Есть несколько способов решить эту проблему, включая использование индуктивно связанной петли, но было решено использовать симметрирующий трансформатор.

Балун

Единственная проблема с балуном заключается в том, что он должен работать с высоким синфазным потенциалом в точке питания, и это может привести к проблемам. В частности, некоторые балуны, которые используют ферритовые сердечники, могут вызывать потери мощности и интермодуляционные искажения в условиях высокого синфазного потенциала. Этот факт не подчёркивается в литературе по балунам, но важен для всех антенн с точкой питания, которая не находится в узле напряжения, таких как неуравновешенные диполи, нецентральные питаемые диполи и многодиапазонные длинные провода.

Автор разработал два различных балуна для этих антенн:

1) Простой балун с воздушным сердечником, состоящий из 60 витков RG-58/U, намотанного на трубе ПВХ диаметром 2 дюйма (всего около 33 футов RG-58/U) обеспечивает отличное дросселирующее действие и снижает линейный ток до 1/10 тока точки питания. Это будет работать нормально от 14 МГц до 30 МГц, но поглощает довольно много мощности, в основном за счёт потерь в кабеле. Общие потери составляют около 14% (около 0,6 дБ) на 20 метрах и увеличиваются до около 18% (около 0,8 дБ) на 10 метрах. Этот симметрирующий трансформатор имеет то преимущество, что быстрая поездка в RadioShack и ваш местный хозяйственный магазин может предоставить вам необходимые материалы.

2) Альтернативная конструкция с использованием ферритовых тороидов снижает потери мощности более чем в два раза до <7% (0,3 дБ) на всех диапазонах.

Две разные конструкции, одна для 20 метров, а другая для 17 метров и выше, необходимы для поддержания низких потерь мощности в  сердечнике. Балун на 20 метров состоит из 19 витков коаксиального кабеля RG-174/U на сердечнике FT-240-61. Для более высоких частот используйте 15 витков RG-174/U на сердечнике FT-240-67. Возможно, что близко расположенная обмотка того же количества витков 14-го калибра или аналогичного провода даст меньшие потери, чем RG-174/U, а также будет выдерживать более высокую мощность, но автор этого не пробовал.

Конструкция антенны

Размеры для диапазонов 20, 17, 15, 12 и 10 метров показаны в Таблице 1.

Таблица 1

Размеры (в дюймах) смоделированных антенн. Диаметр провода составляет 1/16 дюйма. Высота нижнего горизонтального провода составляет от 12 до 24 дюймов (некритично). Подробности размеров см. на рис. 3.

Рисунок 3 для размерного ключа. Вы заметите, что  расстояние между вертикальными проводами составляет 20 дюймов для 15 и 10 метров, но 40 дюймов для 20 метров. Это потому что автор хотел втиснуть антенну в имеющееся пространство. Двадцать дюймов также подойдёт для 20 метров, если вы отрегулируете вертикальную длину проводов.

Рис. 3. Размерные данные антенн. См. Таблицу 1

Указанные размеры используются в моделях. Обратите внимание, что фактические размеры будут отличаться от этих. Это связано с  эффектами опорной конструкции, близостью к объектам поблизости и влиянием земли на импеданс точки питания. У автора антенны для 15 и 20 метров резонировали слишком низко по частоте, и их пришлось немного укоротить. Это было отчасти потому, что использовался провод с покрытием из ПВХ, и отчасти потому, что они были подвешены близко к верхней палубе. Диэлектрическая проницаемость дерева снизила резонансную частоту антенны.

Элемент антенны может быть изготовлен из чего угодно, от тонкой медной проводки с покрытием из ПВХ до алюминиевой трубки, с подходящими небольшими изменениями в длине элемента. Тонкий провод будет иметь более высокие потери, чем толстый провод, а также будет иметь более высокий синфазный потенциал в точке питания.

На 15 метрах потери, приписываемые сопротивлению элемента, составляют 0,57 дБ (14% потерь мощности) при использовании медного провода 32 mil (калибр 20). Это падает до 0,3 дБ (потери 7%) при использовании 1/16-дюймовой меди и до 0,15 дБ (потери 3,5%) для 1/8-дюймовой меди.

Автор использовал провод с покрытием из ПВХ, потому что голый медный провод выглядит уродливо после воздействия атмосферы даже в течение короткого времени. Также обратите внимание, что реактивное сопротивление дросселя симметрирующего устройства несколько изменит резонансную частоту антенны. Индуктивность 25 мкГн на 20 метрах сместит резонансную частоту вверх примерно на 1,7%, или 250 кГц.

Сборка

Метод сборки, который использовался, показан на рисунке 4.

Рис. 4. Детали конструкции антенны

Здесь подходящие отрезки трубы ПВХ 3/4 дюйма schedule-40 используются в  качестве верхних и нижних распорок, провод элемента просто проталкивается через трубки. Распорка в зазоре представляет собой 6-дюймовый отрезок той же трубы с отверстиями, просверленными насквозь с интервалом 4 дюйма (10 дюймов и 8 дюймов соответственно  для 20-метровой версии). Начните сборку, отрезав каждый кусок провода элемента до указанных размеров, плюс 2 фута или около того.

Эта дополнительная длина позволяет закрепить провода на распорке и для регулировки резонансной частоты и КСВ. Сделайте распорки и распорку, как показано. Просверлите подходящие отверстия в верхней распорке для подвесного шнура, если это способ, которым вы его поддерживаете. Просверлите два отверстия около центра нижней распорки, чтобы провода могли выйти из распределителя в точке подачи. Также рекомендуется просверлить несколько отверстий в распорках, чтобы вода могла выходить.

Положите распорки в их приблизительных положениях на земле и проденьте через них провода. Временно закрепите провода в точке подачи лентой.

Сделайте симметрирующее устройство и припаяйте провода точки подачи к кабелю симметрирующего устройства. После того, как вы сделаете все необходимые регулировки, следует загерметизировать эти соединения от попадания воды. Поднимите антенну в положение и потяните за любой вертикальный провод, чтобы нижняя распорка стала горизонтальной. Основание антенны может быть на высоте от 1 фута или около того от земли до любой желаемой высоты. Показанный заземляющий стержень не является обязательным — он полезен для закрепления балуна, чтобы основание антенны не развевалось на ветру.

Теперь вы можете проверить резонансную частоту и КСВ. Маловероятно, что вы получите её точно правильно с первого раза, но, если вы используете голый медный провод, а антенна находится в открытом состоянии, то с указанными размерами она должна быть довольно близкой. Если резонансная частота слишком низкая, опустите антенну (илииспользуйте стремянку), расплетите провода выше и ниже распорки и укоротите элемент на равное количество с обеих сторон распорки, затем снова скрутите провода.

Как только резонансная частота будет правильной, проверьте КСВ. Если ваш КСВ-метр показывает, что сопротивление точки питания слишком высокое, то необходимо поднять положение распорки. Это легко сделать, расплетая провода и переместив распорку  дальше по верхнему проводу. Обязательно сохраните общую длину провода неизменной, иначе резонансная частота сместится. Затем снова скрутите. Низкое сопротивление в точке питания потребует опускания распорки. Если ваш измеритель КСВ не показывает, высокое или  низкое сопротивление, вам придётся угадывать, в какую сторону переместить распорку.

Это звучит как сложная процедура настройки, но на самом деле это очень быстро и легко сделать, особенно там, где распорка легко доступна с земли. С вертикальной антенной можно получить КСВ, очень близкий к 1:1 на вашей любимой частоте. Если вы не можете получить КСВ ниже 1,5:1, то подозревайте, что что-то не так. Кроме того, как только вы установите антенну на место, проверьте полосу пропускания КСВ 2:1. Она должна быть примерно такой, как показано в таблице размеров. Если она значительно шире, вы должны  подозревать, что потери выше, чем должны быть. Наконец, когда все выглядит хорошо, найдите неиспользуемую частоту и подайте питание на минуту или около того, затем проверьте, что балун не нагревается. Это большое преимущество наземной точки питания!

Дополнительные примечания

Вероятно, «sloper» версия будет работать хорошо, и её, очевидно, легко поддерживать. Если вы используете более 100 Вт, автор предлагает использовать балуны с воздушным сердечником. Как указывалось ранее, балуны с ферритовым сердечником могут быть проблематичными в ситуациях, где существует значительный синфазный потенциал.

Потери на гистерезис сильно зависят от частоты и плотности потока. Для заданной частоты потери на гистерезис пропорциональны чему-то между квадратом и кубом плотности потока. Это может вызвать искажения и проблемы с нагревом. Описанные здесь балуны с ферритовым сердечником будут работать при 100 Вт, но автор не рекомендовал бы выходить за пределы этого значения.

Название, которое придумано для этой антенны, — «C-Pole», из-за её формы и потому, что популярный «J-Pole» так назван из-за своего сходства с формой этой буквы.

Работает ли она?

Доказательства, которые есть, что это эффективная антенна, частично научные, частично наблюдательные. Научная часть относится к наблюдению, что добротность антенны, измеренная по полосе пропускания КСВ 2:1, соответствует ожидаемой, а ожидаемая добротность включает эффекты идентифицируемых механизмов потерь. Наблюдательная часть проста — очень легко работать с DX-станциями, хотя автор никогда не выдаёт более 100 Вт.

Частично это, несомненно, из-за прекрасного расположения (QTH Florida), но антенна действительно играет значительную роль. Вы можете сказать, когда используете хорошую антенную систему — с эффективной антенной работа становится удовольствием, а не борьбой. Так было с этой конструкцией антенны, и если вы её аккуратно соберёте, есть уверенность, что вы получите от нее такое же удовольствие, как и автор.

KF2YN