Антенны КВ Некоторые из нас предпочитают тратить много денег на огромные по высоте и стоимости вышки, с множеством элементов и антенн, а также с использованием максимальной разрешённой мощности. Остальным из нас, кто вынужден вычитать с трудом заработанные деньги из семейного бюджета, приходится разбираться в тонкостях эффективной передачи.
А также в проблемах распространения и множестве составляющих, если мы хотим и дальше наслаждаться своим хобби. Кажется, что современные высокие технологии привели это хобби к обескураживающему состоянию — мы больше не строим приёмники и передатчики, а что касается эксплуатации, то это бесконечная погоня за DX для получения отчёта и QSL, что, по-видимому, не является высшей целью нашего хобби.
Что нам остаётся, так это направить наши усилия на то, чтобы лучше понять, как правильно использовать антенны, оценить их эффективность излучения, узнать о загрязнении ионосферы, а также лучше различать dBi, дБд, дБ и т.д. и даже выяснить, что такое радиационная стойкость.
После долгих лет тщательного изучения литературы, интернета и других источников информации, а также создания и использования множества различных антенн автор пришёл к выводу, что один из лучших способов эффективно связаться с удалённой станцией на QSO продолжительностью не менее 10–20 минут — это использование вертикальных антенн мощностью не более 150-200 Вт.
Несмотря на то, что некоторые «великие мудрецы» утверждают, что «вертикальная антенна одинаково плохо передаёт сигнал во всех направлениях», нынешняя «домашняя антенна» автора представляет собой вертикальную петлю Delta Loop, настроенную на полную длину волны. Понял, что антенна с заземлением на 1/4 длины волны и антенна на 5/8 длины волны, которым нужно хорошее «зеркало» снизу, хорошо подходят для установки на металлическую крышу автомобиля, но могут навредить саду вашей XYL и газонокосилке, если вы попытаетесь установить их на домашней станции для работы на КВ.
Также понял, что, хотя трёх- или четырёхэлементный beam Yagi концентрирует свою мощность в узком горизонтальном секторе, его вертикальный «взлёт» страдает из-за высокого угла излучения ~30°, теряя много дБ при чрезмерном количестве скачков в ионосфере, в то время как хороший вертикальный monobander достигает dx с меньшим количеством скачков и почти такой же мощностью!
Также обнаружено, что по просьбе радиолюбителей, которые искали трансивер с одной кнопкой (вкл./выкл.) и без настройки, производители стали выпускать довольно компактные трансиверы, но без возможности настройки и подключения антенны. Вместо этого они предлагали внешний ATU, который нужно было подключать к оборудованию станции, что, конечно, требовало дополнительных затрат.
Это происходит также из-за желания радиолюбителей и во многих случаях их необходимости использовать одну антенну для как можно большего количества диапазонов, независимо от качества связи. В этом и заключается одно из заблуждений многих членов нашего сообщества. При подаче на диполь основной частоты, для которой он был создан, мы получаем его базовую, хорошо известную чистую диаграмму направленности. При использовании диполя той же длины на других частотах с ATU в качестве посредника, корректирующего неправильный импеданс, реактивное сопротивление и КСВ, чтобы передатчик работал нормально, НО:
- Согласно законам физики, антенна не обеспечит длину волны, которую ищет сигнал.
- Чистый базовый рисунок диполя искажается, превращаясь во множество дополнительных лепестков из-за основного лепестка.
- Низкий угол взлёта, необходимый для dx, повышается (чтобы прогреть облака), что приводит к большему количеству прыжков на долгом пути к станции dx.
- Эффективность излучения становится настолько низкой, что из наших 150 ватт в эфир попадает только 15 жалких ватт.
- Ионосфера, действуя как зеркало, поглощает часть нашего сигнала в качестве «платы за свои услуги», поглощая 8–10 дБ (при каждом прыжке) нашего слабого сигнала, который доходит до приёмной станции мощностью менее 1 Вт.
Правильно установленная передающая антенна — лучший «усилитель», который известен. Усиление в 3 дБ удваивает мощность вашего сигнала, а в 6 дБ — удваивает в четыре раза. Ваши 150 Вт передаются как 300 Вт! Добавьте эквивалентное усиление при низком угле наклона (меньше отражений), и вы получите больше, чем киловатт!
Это длинное предисловие написано для своих коллег-любителей, чтобы указать на некоторые подводные камни. Если мы будем знать о них, то сможем лучше понять, как и почему работают антенны, и повысить эффективность наших станций. Надеюсь, это вдохновит нас на создание и использование простых, дешёвых и эффективных монодиапазонных вертикальных антенн с низким углом излучения.
Вот модификация антенны Slim Jim, которую автор назвал «4X4 Slimtenna». Знаменитая антенна Slim Jim была изобретена Фредом Джаддом G2BCX на основе J-образной антенны, которая, в свою очередь, была основана на немецкой антенне Zepelin. Это был концевой диполь, питаемый открытой проволочной лестничной линией длиной 1/4 длины волны, свисающей с большого дирижабля. На самом деле она была изобретена австрийским инженером в 1908 году для использования на воздушных шарах в подвешенном состоянии. Нильс Рудберг OZ8NJ обнаружил этот поразительный факт в старом учебнике, быстро опубликованном в том же году доктором Й. Зеннеком, профессором физики в Мюнхене (RadCom, июнь 2006).
Рис. 1. Zepp и J Pole, разработка Slim Jim и его модернизация для КВ — «4X4 Slimtenna»
Изобретатели J Pole и Slim Jim использовали согласующий участок длиной в ¼ длины волны в сочетании с антенной длиной в ½ длины волны, то есть половину длины волны плюс ещё четверть длины волны. Под воздушным шаром или дирижаблем это было прекрасное и подходящее решение, так как антенну и согласующий фидер разворачивали при взлёте с барабана и сворачивали при посадке. Радиолюбителю, конечно, сложно справиться с такими огромными длинами, если он хочет использовать антенну в качестве вертикальной на КВ-диапазонах. Вероятно, именно поэтому эти прекрасные антенны использовались в основном в диапазоне УКВ.
Этот тип фидера может быть расположен на одной линии с концевой антенной или под углом 90° к ней. И J-образную антенну, и Slim Jim можно установить вертикально для работы на высоких частотах — это проще, если фидерная секция находится близко к земле или крыше. Не будем обсуждать J-образную антенну, так как она не даёт ничего, кроме полуволнового диполя с концевым питанием.
С другой стороны, Slim Jim — одна из очень хороших антенн, обеспечивающая высокую эффективность излучения:
a. Управляемый элемент, который объединяет «усилия» двух полуволн в фазе в довольно ограниченном пространстве с усилением около 3 дБ и невероятным углом подъёма 8° по направлению к горизонту — почти параллельно земле!
b. Его общая высота составляет не более половины длины волны.
c. Нет необходимости в (отталкивающем количестве) радиальных лучей, которые заменяли бы недостающую длину для нашей волны (в отличие от плоскости земли, которая ищет под собой «потерянную» четверть длины волны, поднимая свою часть к небесам за помощью… Жалкая сцена).
Хотя проще всего построить вертикальную антенну для 10-метрового диапазона, мы рассмотрим строительство вертикальной антенны для 20-метрового диапазона и выясним, что это вполне доступно радиолюбителю как в финансовом, так и в механическом плане. (См. рис. 2)
Рис. 2. Общий и подробный обзор компонентов, входящих в комплект 4X4 Slimtenna
Рис. 3. Зажимы «омега» и фланец на крыше 4X4LH
Высота всей конструкции составляет 10,5 метров. Каждая ножка состоит из 2, 3 или 4 отрезков алюминиевых труб подходящего диаметра. Начиная с нижнего размера ~1,5 дюйма, последующие отрезки входят в нижний как минимум на 10 дюймов. Если трубы не подходят плотно, используйте в качестве прокладки кусок алюминиевой банки из-под пива. Автор взял с собой в продуктовый магазин магнит, чтобы найти алюминиевые банки — остальные быстро заржавеют. Стейк, который был съеден, был доволен пивом, а трубы были довольны вставленными прокладками.
В верхней части каждой секции вырежьте двойной паз для крепления следующей трубы. Крепление осуществляется с помощью 2 омега-зажимов в каждом месте. Автор не полагался на хомуты для шлангов, которые не выдержат такой вес и механическое воздействие (см. рис. 3). Используйте винты, шайбы и гайки из нержавеющей стали одинакового размера ¼ дюйма (6 мм). Со временем это окупится! Кроме того, при выполнении работ вам понадобится только один размер гаечных ключей.
Основной питающий элемент опирается на бутылку, которая является очень хорошим изолятором. Другая ножка немного короче, например, на расстояние D, и может опираться на трубу из ПВХ соответствующего размера и длины, которая также является хорошим изолятором. Подготовьте 6 распорок из оргстекла (или других материалов). Автор намеренно оставляет их конструкцию на ваше усмотрение, если их размер соответствует приведённой ниже таблице (рис. 4) и если они удерживают два элемента параллельно. Расположите их на равном расстоянии вдоль антенны. Помните, что верхние трубы становятся тоньше, но D остаётся прежним. Здесь автор не вдаётся в подробности, чтобы эта статья не выглядела так, будто её взяли из кулинарной книги (hi).
Попробуйте найти в магазине сантехники 2 прочных алюминиевых или пластиковых фланца с 3 или 4 отверстиями и вставьте их на высоте ~1/3 и ~2/3 от дна для нейлоновых растяжек. Эти фланцы поддерживаются снизу парой зажимов омега-типа без сверления отверстий в трубах. (см. рис. 3)
Верхние концы двух элементов соединяются (электрически) алюминиевой полосой шириной 1/2 дюйма, которая охватывает обе трубы и плотно крепится с помощью предложенных выше винтов. Не забудьте закрыть концы труб от дождя чем-нибудь подходящим.
Таблица для определения расстояния D между двумя полуволнами в сантиметрах, а также для других диапазонов:
Рис. 4. Таблица расстояний D между двумя полуволнами в см, а также для других диапазонов
Попросите кого-нибудь помочь вам поднять всё это и надёжно закрепить на всех подготовленных заранее точках крепления. Автор никогда не привязывает более одной растяжки к одной и той же точке крепления, просто на всякий случай. Если точка крепления ослабнет и выйдет из строя, то удерживание более одной растяжки может привести к падению всей конструкции.
Как и любая хорошая антенна, эта также чувствительна к близлежащим объектам, таким как стены, металлические конструкции, деревья и т.д. Они смещают заданную частоту, обычно понижая её, и искажают ожидаемую картину, поэтому старайтесь находиться на открытом пространстве.
Правильная последовательность настройки антенны (любой антенны) заключается в том, чтобы настроить её на резонанс, добившись минимального КСВ на желаемой частоте, сначала отрегулировав её длину, а затем питание. Используйте измеритель КСВ, когда ваш передатчик работает в режиме AM и настроен на минимальную выходную мощность. Построив график, подобный приведённому ниже, и проверяя КСВ каждые 100 кГц (см. рис. 5), вы сможете определить, слишком длинная у вас антенна или слишком короткая. Регулировка обычно выполняется на более короткой ножке, где был зазор, но в некоторых случаях также и на основной ножке.
Рис. 5. На листе из учебника по математике отметьте частоту и коэффициент стоячей волны
Для питания вертикального кабеля с высоким импедансом можно использовать катушку и отвод для коаксиального кабеля, но такая катушка предъявляет множество требований (добротность, диаметр, количество витков, защита от дождя и т.д.) и может сама по себе излучать. Поэтому используется более простой и предпочтительный фидер из незащищённых проводов, в котором ток в одном проводе не совпадает по фазе с током в другом, что исключает излучение. Участок длиной ¼ длины волны с двойным проводом сопротивлением 300 Ом хорошо решает нашу проблему.
Его дальний конец закорочен, скручен и припаян. Один проводник двухпроводного кабеля подключается к нижней части основного элемента с помощью хомута для шланга, а другой провод остается неподключенным. Держите двухпроводной кабель на высоте изолятора бутылки. Необходимый импеданс специально разработанного для одной полосы согласования ¼ длины волны определяется по очень простой формуле для согласования двух (очень) разных импедансов:
Zmatch = √ Zant × Ztx
Нижний конец Slimtenna имеет расчётное сопротивление около ~1500 Ом, которое не удалось измерить. Добавим его в нашу формулу, и получится следующее
= √ 1500 × 50 = √ 75000 = 273,86 Ом
Для наших целей подойдёт качественный двойной провод сопротивлением 300 Ом. Ещё нужно найти реальную длину этого участка ¼ волнового сопротивления. Нам нужно будет учесть замедление нашей волны из-за пластиковой изоляции, покрывающей проводники двойного провода.
Введите коэффициент скорости. Для двойного провода он составляет около 0,73, в то время как, например, для коаксиального кабеля он снижается до 0,66. Нам нужно будет умножить ¼ длины волны нашего согласующего участка на коэффициент скорости (0,73), что фактически сократит путь, который должна пройти наша волна. Для этого нам нужно определить рабочую частоту — скажем, 14 200 МГц.
Длина волны в метрах = 300 / F МГц 300 / 14,200 = 21,12 метра, но нам нужна только ¼ от этого значения, поэтому 21,12 / 4 = 5,28 метра, теперь умножим на «коэффициент скорости» 5,28 × 0,73 = 3,85 метра
Это длина поводка Twin, который используется для питания нашей Slimtenna. Это не очень сложно.
Проткните изоляцию кабеля Twin на расстоянии ~40 дюймов от холодного конца и подсоедините два зажима типа «крокодил», прикреплённые к концу питающего коаксиального кабеля. Возможно, вам придётся сделать ещё несколько проколов, пока вы не найдёте точки с наименьшим КСВ. Поскольку очевидно, что кабель Twin — это, в конце концов, сбалансированный компонент, для его подключения к несимметричному коаксиальному кабелю необходимо использовать 1:1 BalUn, подключённый к найденным вами точкам, с небольшими перемещениями вперёд и назад для точной настройки. Если у вас есть только BalUn 4:1, вы можете использовать его вместо этого, найдя подходящие точки подключения (~200 Ом) дальше по кабелю Twin, ближе к антенне.
И последнее, но не менее важное: из верхнего конца коаксиального кабеля сделайте катушку из 8 витков (плотную намотку) диаметром около 20 см, не разрезая его. Вы можете намотать его на пластиковую форму для катушки диаметром ~20 см («одолжите» у XYL форму для торта) или навить его на воздухе. Закрепите его так, чтобы он выглядел как катушка и оставался в таком виде.
Это устройство не позволит внешней стороне коаксиального кабеля соединиться с остальной частью, превратившись в антенну, в то время как внутренний поток тока будет беспрепятственным. Это явление называется «токами в общей цепи», то есть токами, протекающими по внешней стороне коаксиального кабеля во время передачи. Говоря простым языком, это просто радиочастотный дроссель, который не позволяет вашим радостным звукам SSB появляться на телевизоре, Hi-Fi, компьютере, беспроводном телефоне и т.д. ваших «милых» соседей.
В последний раз проверьте самый низкий КСВ — 1,2:1 вполне приемлемо, и теперь вы можете припаять провода BalUn к проводу Twin и покрыть все уязвимые соединения горячим клеем, герметиком и т.д.
Эта 4X4 Slimtenna, если её правильно настроить и использовать в качестве однодиапазонной вертикальной антенны, станет вашим «домашним разрушителем помех» попробуйте.
4X4LH
