Главная
Выгребная яма
Вертикал на 80 метров своими руками. Вертикальная рамка

Вертикал на 80 метров своими руками. Вертикальная рамка

Практический опыт построения эффективных антенн на диапазон 80 метров

Часть I. Антенна RZ6AU.

1. Краткая предыстория. Весной 2005 года коллективная радиостанция RK6AXS лишилась своего помещения – история по нынешним временам обычная. Поиски места для новой позиции продолжались несколько месяцев – место мы нашли. Причём, такое, которое позволяет не слишком сдерживать воображение в планировании строительства антенн. После того, как был установлен необходимый минимум, позволяющий вести относительно полноценную работу в эфире (TH7DX от HyGain на ВЧ, Inv V и дельта 40м на НЧ), встал вопрос о строительстве того, ради чего мы, собственно, и искали место: серьёзного контестового антенного хозяйства. Поскольку зима была на носу, начать решили с диапазонов 80 и 160 м.

2. Буридановы муки. Многие радиолюбители нас поймут: когда после городской тесноты получаешь десяток гектар под антенное поле, хочется реализовать всё, о чём в городе только мечталось. Всерьёз для диапазона 80 мы рассматривали 6 вариантов:

  • система вертикальных фазированных штырей с переключаемой диаграммой направленности.
  • 2 el rotary YAGI
  • 3 el rotary YAGI
  • 2 или 3 el wire YAGI (две антенные системы, переключаемые в основных направлениях – для UA6A это W(EU)-VK и JA-SA)
  • 2 el Delta Loop по образу и подобию того, что пока ещё не упало на лунную антенну RN6BN.
  • Антенна, разработанная столичным ренегатом (и нашим старым другом) Валерием Шиневским, RZ6AU. Оригинальное описание этой антенны можно посмотреть или KB и УКВ 9/2000.

Для диапазона 160 м список был вдвое короче:

  • система штырей с переключаемой ДН.
  • 2 el Delta Loop
  • Антенна RZ6AU.

Сразу хотим внести ясность: за годы существования RK6AXS накоплен достаточный опыт строительства и согласования серьёзных антенных систем. Ресурсы, необходимые для подъёма любой из вышеперечисленных антенн, у RK6AXS также имеются. YAGI на восьмидесятку мы пока не поднимали, но сходные задачи решать приходилось.

Не будем описывать долгие ломания копий, аргументы и контраргументы. От идеи быстрого (до начала зимы) подъёма YAGI пришлось отказаться сразу же. Сложная и тяжёлая конструкция требует многих месяцев труда и серьёзных вложений в строительство. А хотелось начать работать уже зимой, в пик прохождения. Два элемента Дельта Луп в практической эксплуатации проявили себя исключительно хорошо, но, однако, не лучше системы из 4-х фазированных штырей (при аналогичных, если не бОльших затратах труда и денег). Антенна RZ6AU манила нас, как сыр лисицу. Простая, лёгкая, очень дешёвая и с выдающимися заявленными характеристиками. Подумать только: 5.5 дБ усиления! 30 дБ подавления заднего лепестка! НА 160 МЕТРОВ!!!

После долгих консультаций с самим RZ6AU было решено начинать именно с неё. Сразу на 160-метровый диапазон. Валера настойчиво нам её рекомендовал. Дополнительно он дал несколько советов:

  • диэлектрическая мачта заметно улучшит характеристики антенны. Как минимум, хорошее подавление заднего лепестка будет осуществляться в более широкой полосе.
  • в качестве согласующего устройства лучше всего применить резонансный автотрансформатор.
  • особое внимание уделить качеству заземления.

3. Как это выглядит. Для тех, кому лень идти по приведённой выше ссылке, кратко обрисуем, что собой представляет антенна RZ6AU. Цитирую автора:

Антенна представляет собой систему из двух одинаковых вертикальных полуволновых петлевых вибраторов с активным шунтовым питанием. Для уменьшения высоты и упрощения конструкции верхние углы вибраторов на изоляторах сведены к вершине мачты высотой 25,00 м (в участке 3,75...3,8 МГц высота мачты 13 м, далее в скобках будут указываться размеры для DX-окна 80-метрового диапазона) и отстоят от нее на 0,20 (0,20) м.


Рис.1.

Наличие неизолированной металлической мачты указанной длины внутри рамок на параметры антенн не влияет.

Четыре верхних части вибраторов длиной по 25,88 (13,04) м расходятся от мачты под прямыми углами, опускаясь к земле до высоты 6,00 (3,00) м.

В этих местах полотно вибратора пропускается сквозь изолятор и, изгибаясь, уходит к точке питания, отстоящей на 10,00 (4,72) м от основания мачты.



Рис.2.

К изоляторам прикреплены четыре растяжки, служащие как бы продолжениями верхних частей вибраторов, вместе с которыми они крепят вершину мачты (подобно элементам двухдиапазонного Inverted Vee).

Длина части вибратора от изолятора до точки питания составляет 14,07 (6,08) м (рис.5 и 6).

Рамки выполнены из канатика или биметалла диаметром 3...4 мм.

Два отрезка 75-омного кабеля длиной по 10,00 (4,72) м подключаются к противоположным рамкам и сходятся к основанию мачты.

Один конец рамки подключается к системе заземления, второй к центральному проводнику.

Возле мачты оплетки кабелей также заземляются, а между центральными проводниками включается фазосдвигающий конденсатор. Изменение направления излучения производится подключением выхода согласующего устройства к соответствующему концу конденсатора (посредством управляемого из Shack"a реле). Кабель питания от трансивера подключается ко входу согласующего устройства. Схема СУ может быть любой. Конец цитаты.


Рис.3.


Рис. 4.

Заявленные характеристики антенны:

  • подавление заднего лепестка: на частоте 1830 кГц -22 дБ, на 1845 кГц -31 дБ, на 1860 кГц -19 дБ;
  • усиление антенны соответственно 5,3...5,5...5,7 дБ.

4. Стройка. Сами виноваты. Серьёзное строительство начали со 160 м.

Модель на 7 мгц, выполненную на телескопической удочке с десятком противовесов, ставили в спешке, сравнение с таким же телескопическим штырём на диапазон 40 метров носило несколько поверхностный характер. Антенна работала, принимала, вроде, не хуже штыря, демонстрировала наличие хорошей диаграммы направленности. Моделирование происходило в чистом поле, испортившаяся погода не позволила сравнить антенны скурпулёзно. Единственное QSO с VK, проведённое телефоном мощностью 100 Ватт, убедило нас в том, что антенна работает .

В R-Quad (спасибо UA6BGB) были закуплены стеклотекстолитовые трубы. Поскольку авторитет RZ6AU и его репутация разработчика реально работающих антенн очень высоки, трубы были закуплены в количестве, достаточном для изготовления 4-х диэлектрических мачт на 80 м и двух на 160 м. К заземлению подошли максимально ответственно: в точках заземления в грунт были забиты квадратом 4 арматуры длиной 2 м и обварены по периметру такими же двухметровыми отрезками арматуры. По диагонали с соблюдением надёжного электрического контакта были прикручены два отрезка биметалла Ф4 мм – к ним потом припаивались противовесы.

Собранная диэлектрическая мачта высотой 24 метра, оказалась слишком гибкой. Поднять её не удалось даже методом «падающей стрелы» с семью ярусами растяжек. Дело в том, что наибольший из доступных диаметров стеклотекстолитовых труб составляет всего 45 мм – он, соответственно, и был у нас стартовым. Финишный – 18 мм. Мачта падала раз за разом, едва преодолев угол 45 градусов. По нашим оценкам, стартовый диаметр стеклотекстолитовой трубы для обеспечения необходимой упругости при такой длине мачты должен составлять 80-90 мм – купить такие негде. Финишный – не менее 30. Затею с подъёмом антенны на диапазон 160 м пришлось отложить.

Зато восьмидесяточную мачту высотой 14 метров из тех же труб мы подняли одной рукой минуты за три. О конструкции мачты: концы труб вставлялись один в другой (диаметры подобрали соответствующие) на длину 30 см и фиксировались саморезами. Ещё полчаса потратили на выравнивание растяжек и придание полотнам антенны нужной геометрии. В качестве оттяжек применялась обычная капроновая верёвка. Тут всплыло первое несоответствие реальной конструкции авторскому описанию. Показанное красным цветом на рис. 5 расстояние никак не может быть равным ТРЕМ метрам. После подъёма антенны от обеих точек заземления рамок было проложено по 100 медных противовесов длиной (опять-таки, рекомендации автора) 10 метров. Точки заземления были подготовлены так же, как и для антенны на 160 м – арматура, электросварка, биметалл, пропайка.


рис. 5.

5. Настройка. Второе несоответствие – гораздо более серьёзное – всплыло на стадии согласования антенны. Точнее, ещё на стадии моделирования её на 7 Мгц. Если заземлить отрезки кабеля в точках, выделенных на рис. 6 красным цветом, как того требует авторское описание, никакой диаграммы направленности у антенны не будет. Почему – пусть разбираются теоретики, если кому-то из них вдруг станет любопытно. Данная статья написана исключительно на практическом материале.


рис. 6.

Это несоответствие стоило нам нескольких драгоценных часов на стадии моделирования – именно с ним мы проваландались настолько долго, что не успели потом как следует сравнить антенну с классическим штырём. Найти причину отсутствия диаграммы направленности нам помог сам автор – по телефону он порекомендовал отключить заземление отрезков кабеля в этих точках – и антенна сразу заработала.

Впрочем, «сразу» это преувеличение. Антенна весьма и весьма непроста в настройке и согласовании. За долгие часы, проведённые на морозе (большую часть – ещё и в темноте, с антенной возились после работы) мы выработали такую методу:

1. В качестве С1 берём обычный КПЕ от вещательных приёмников, либо другой, подходящей ёмкости. 2. Подключаем трансивер непосредственно к контактам реле К1. 3. Встроенный тюнер трансивера ОТКЛЮЧАЕМ. 4. Определяем резонансную частоту антенны. КСВ будет заметно >1 (у нас – чуть меньше 2). При необходимости – удлиняем или укорачиваем рамки. 5. Не обращая внимания на КСВ, отстраиваем антенну по максимуму подавления заднего лепестка. 6. Подключаем согласующее устройство. Настройки антенны изменятся. 7. Если настройки антенны изменились существенно – применяем другой способ согласования. 8. Подстраиваем антенну по КСВ. Настройки снова изменятся. 9. Подстраиваем антенну по максимуму подавления. КСВ увеличится. 10. Повторяем пункты 7 и 8 до получения максимального подавления при минимальном КСВ. 11. Измеряем емкость С1 и меняем его на постоянный с соответствующим номиналом ёмкости и КВАР. В случае использования емкостей в СУ – измеряем и их и также заменяем на постоянные.

Капризничала антенна не переставая. Уровень КСВ и подавления менялся в зависимости от количества людей, участвовавших в согласовании, от высоты стола с аппаратурой, от силы ветра, так или иначе менявшего геометрию рамок, от наличия в радиусе 30 метров каких-либо крупных металлических предметов и т.д. Из за этого, например, пришлось отказаться от идеи подсветить операционное поле фарами подогнанной машины: рамка, к которой автомобиль подъехал на 20 метров, сразу и сильно уплыла вниз по частоте. Но, как бы то ни было, антенну мы настроили.

6. Ходовые испытания. К моменту завершения настройки антенны RZ6AU на позиции RK6AXS имелась только одна антенна на диапазон 80 метров – Inv V с высотой подвеса 19 м.

Первый этап испытаний заключался в сравнении с этим самым «инвертедом».

Что и говорить, у «инвертеда» она выигрывает заметно. Это слышно сразу, причём на всех трассах. Первое что «бросается в уши» она гораздо меньше шумит. То есть, при аналогичном уровне полезного сигнала, уровень шумов у Inv V выше на три балла. На ближних трассах она не проигрывает «инвертеду» по уровню, на дальних – заметно у него выигрывает. Всё это, разумеется, в направлении лепестка ДН. В других направлениях, она, как и положено, проигрывала соответствующее количество баллов.

Тем, кто долго работал на «верёвки» а потом поставил себе штырь, должно быть знакомо это чувство: на верёвку ты не слышишь ничего, а переключаешься на штырь – бах! – и из под уровня шумов отчётливо слышен сигнал какого-нибудь VK9. Снова переключаешься на верёвку – нет на частоте даже признаков никакого VK9. А на штырь – вот он, принимай на здоровье.

Так вот. Ничего подобного в сравнении с Inv V антенна RZ6AU не продемонстрировала. Выигрыш – да, диаграмма – да, но то, что было слышно на неё – было слышно и на «инвертед». Хуже. Иной раз на два-три балла хуже. Но слышно. Позже, на очень длинных трассах мы смогли отметить немногочисленные случаи, когда на RZ6AU что-то принять было можно, а на «инвертед» нет, но того волшебного эффекта, которого мы ожидали, исходя из своего опыта эксплуатации вертикальных антенн – не было и в помине. Вот тут мнения в коллективе разделились. UA6CW (начальник) утверждал, что такого эффекта быть и не должно, есть выигрыш – и ладно, UA6CT (скептик) настаивал на необходимости дополнительных затрат и подъёма полноразмерного четвертьволнового штыря – «чисто для сравнения». RA6ATN сохранял нейтральную позицию.

Второй этап испытаний антенны случился в перерыве телеграфного Кубка РФ. UA6CW, будучи на RZ6AZZ (там – штырь высотой 24 метра и вертикальный биквадрат на стометровой высоте) повесил CQ USA, UA6CT, находясь на RK6AXS в 22 километрах южнее, включался в каждое QSO, имитируя «антенну номер два», с просьбой дать реальный рапорт «каждой антенне». Мощность при этом была одинаковой на обеих позициях. Ох, какой обнадёживающий получился результат…

По оценкам корреспондентов из NA антенна RZ6AU не проигрывала биквадрату и во многих случаях – до 60% выигрывала у штыря от 5 до 10 дБ. Европа принимала сигналы всех трёх антенн с примерно одинаковым уровнем. После этого этапа испытаний споры скептиков и начальников обострились – установка штыря (согласитесь, немаленькой и не такой уж простенькой антенны) «только ради сравнения» уже не казалась такой уж хорошей идеей. И это очень хорошо, что скепсис иногда побеждает.

Третий этап. Поднаторевши на подъёме гибких мачт, штырь высотой 22,5 метра (дюралевые трубы, конец – отрезок биметалла, изолятор – стеклотекстолит, три яруса капроновых растяжек) мы поставили менее чем за час. И потом ещё восемь часов прокладывали противовесы, общим количеством 100 штук, длиной по 20 метров, с точкой заземления, подготовленной аналогично вышеупомянутым.

А теперь представьте наши эмоции, когда штырь, изготовленный из чего попало, поднятый кое-как и вообще никак не согласованный (КСВ на 3520 получился около 1,5 – нас это устроило) буквально надрал результат наших долгих и тяжких трудов на всех трассах и во всех направлениях . Штырь, конечно, не имеет направленности в горизонтальной плоскости, штырь, конечно, гораздо сильнее шумит (на три-четыре балла), да и вообще, само название «штырь» звучит уже несколько банально…

Штырь выигрывает от 0 (на ближних трассах) до 10 (на дальних) дБ в ста процентах случаев. А в некоторых – и нередких – случаях этот выигрыш является дискретной величиной «слышу/не слышу». Максимально зафиксированный выигрыш штыря составил 20 дБ, в двух или трёх случаях на совсем уж близких корреспондентах антенна RZ6AU выиграла у него пару-тройку дБ. Вот и всё.

Стоит лишь отметить, что пики QSB штыря не совпадают с пиками QSB антенны RZ6AU. Выдержка из аппаратного журнала RK6AXS приведена ниже.

Позывной Принятый рапорт (антенна RZ6AU) Принятый рапорт (штырь)

K4JJW 579 579 N4GI 569 589 NB3O 579 599 K8AJS 589 599 OK2SFO 599+10 599+40

Автор антенны, которого мы ознакомили с результатами своих экспериментов, отреагировал лаконично. «Быть этого не может!» сказал наш старый друг Валерий Шиневский. И занялся исследованием возможных причин возникновения такой существенной разницы между характеристиками антенн. Предположение о том, что мы что-то сделали неправильно, отпало после детальной перепроверки последовательности наших действий и конструкции антенны. Предположение о влияния кабеля (от шека до антенны RZ6AU было почти вдвое дальше, чем до штыря) отпало после того, как мы подключили к антеннам кабели одинаковой длины. Предположение о взаимном влиянии антенн не нашло своего подтверждения в силу довольно значительного – 120 метров – удаления их друг от друга и взаимного расположения – штырь не попадает в ДН антенны RZ6AU. Осталось последнее предположение: «Противовесы у штыря двадцать метров, а у рамок – всего по десять. Удлиняйте противовесы!» Мы проложили дополнительно к имевшимся ещё 40 противовесов длиной 20 метров. Ничего не изменилось. Антенна RZ6AU работала точно так же (по уровням, по рапортам корреспондентов, по сравнению с Inv V и по нашим субъективным ощущениям) как и до установки штыря, штырь всё так же у неё выигрывал. Мы детально перебрали всю систему фазового сдвига и согласования. Мы пробовали менять длину рамок и их геометрию. Мы провели ещё одну ночь на снегу под антенной. Лучше она работать не стала. Результаты сравнений зафиксированы в аппаратном журнале, эксперимент признан завершённым.

7. Выводы.

Вывод радиотехнический. Антенна конструкции RZ6AU несомненно является работающей антенной системой, обладающей хорошей ДН и некоторым усилением относительно низко висящего диполя. Однако, КПД антенны оказался ниже, чем у четвертьволнового вертикального вибратора. Форма ДН, приведённой автором, полностью соответствует нашим эфирным впечатлениям, однако, заявленного усиления на практике достичь не удалось. Антенна чрезвычайно чувствительна к внешним влияниям. Наличие поблизости металла, как то: мачты приёмных ТВ-антенн, громоотводы, провода и т.п., могут существенно осложнить процесс её настройки и полностью нейтрализовать главное достоинство этой антенны – её диаграмму направленности.

Вывод спортивный. ДЕСЯТЬ дБ – это много. Для того чтобы достичь десятидецибельного преимущества в тесте, команды радиоспортсменов городят целые антенные поля, строят усилители, для питания которых требуются отдельные подстанции, забираются на горы и совершают прочие необъяснимые логически поступки. Если даже брать среднюю разницу со штырём на трассе UA6A – USA в 5 дБ – это всё равно много. Почти в четыре раза по мощности. В понимании RK6AXS такая антенна для работы в соревнованиях непригодна.

Вывод практический. Антенну RZ6AU можно смело рекомендовать радиолюбителям, проживающим в сельской местности и имеющим в качестве антенн «верёвки» она однозначно лучше низкого инвертед Ви. Наличие направленности и возможность переключения («отвернуться», например, от наших западных соседей при работе на 80 и 160 м иногда бывает жизненно необходимо) делают эту антенну весьма привлекательной и при этом относительно недорогой конструкцией. Кроме того, антенну в её варианте на 40 или 30 метров можно рекомендовать радиолюбителям, живущим в многоэтажках: места занимает немного, высоких мачт не требует, а шумит на порядок меньше штыря. UA6CT намерен дождаться исследований В. Шиневского по поводу возможности размещения на одной мачте антенн двух диапазонов и, в случае положительного результата, поставить аналогичную антенну на 40 и 30 м на крыше своего дома: в центре Краснодара уровень индустриальных помех велик настолько, что любой штырь превращается в генератор шума, подключённый ко входу трансивера.

Вывод перспективный. В 2006-м году RK6AXS для работы на НЧ-диапазонах будет использовать системы фазированных вертикальных четвертьволновых вибраторов. Эксперименты подтвердили высокое электрическое качество земли на позиции, кроме того, в их ходе был получен ценный опыт фазирования антенн. После подъёма YAGI на 40м будет проведён эксперимент по сравнению волнового канала и системы вертикальных вибраторов для диапазона 40 метров, на основании которого будет принято решение о целесообразности строительства YAGI на диапазон 80 метров.

Вывод маркетинговый. RZ6AU использовал для расчёта своей антенны популярную программу MMANA. Собственно, немалая часть аргументации Валерия сводилась к однозначному «MMANA не врёт!», а проигрыш штырю в конце концов был объяснён «несовершенством удалённого конструирования». Имея в своём коллективе специалистов по формированию масс, RK6AXS с сожалением констатирует возникновение среди радиолюбителей очередного религиозного феномена. Компьютерному моделировщику сейчас модно доверять больше, нежели практическим результатам. Видимо, не за горами времена, когда все проявления HAM-ства, включая строительство антенн, участие в соревнованиях, экспедиции, будут происходить лишь внутри компьютерных симуляторов. По твёрдому нашему убеждению, любая компьютерная программа есть не истина в последней инстанции, а всего лишь инструмент. И как инструмент, она не может быть совершенной. Известны случаи, когда, например, антенна YAGI, посчитанная в YAGI-оптимайзере работала расчётно, без настройки – и сразу! а аналогичная антенна, посчитанная в MMANA, на практике не обеспечивала расчётных характеристик. Известны случаи, когда реально работающая антенна, смоделированная в том же YAGI-оптимайзере, будучи перенесённой в MMANA, показывала совершенно иные характеристики, близко не корреллирующие с её измеренными на практике показателями. Известны и обратные случаи. За некоторые результаты разного подхода к программированию нам приходилось платить из собственного кармана. Наш уровень лояльности к YAGI-оптимайзеру бесконечно выше, но мы никому не навязываем своего взгляда на вещи и своей привычки к удобным нам инструментам. Проведённый эксперимент лишний раз подтвердил известное всем высказывание: «Практика – критерий истины».

8. Дополнение.

29.01.06, уже после написания этой статьи, мы подняли и согласовали в дополнение к нашему штырю ещё один – на расстоянии четверти волны. Выписку из аппаратного журнала приводить не буду, однако результат сравнения двух штырей с рамочной антенной был вполне предсказуем: минимум 6, в среднем 10 дБ выигрывала система двух фазированных штырей. Очень хорошая, кстати, система. Рекомендуем. J В скором будущем будут опубликованы результаты наших экспериментов со штырями.

Фотографии всех антенн можем выслать по запросу – пишите: [email protected] .

9. И последнее. Эксперимент обошёлся RK6AXS в цену неплохого трансивера – чуть больше тысячи долларов по курсу на декабрь 2005 г. (трубы, кабель, полотна, металл, инструменты, КПЕ, КВАРы и т.д.). Желающие могут его повторить J. Мы – отдаём своё предпочтение проверенным на практике конструкциям.

RK6AXS crew: UA6CW RA6ATN UA6CT Как я и планировал, прошедшим летом я полностью переделал свой вертикал . Антенна теперь представляет из себя вертикальный штырь из труб Д-16Т (телескопирование от ф58мм до ф36мм) длиной 21м, наверху подключен трап на 3,5 МГц из коаксиального кабеля РК-50-7-11 (использовал трап от старой антенны), и после трапа горизонтальная часть из медного провода длиной около 26м.

Система противовесов осталась старая. У основания антенны установлено согласующее устройство.

Антенна имеет 4 яруса оттяжек из капронового шнура.

В телеграфном участке 80м. диапазона антенна запитана напрямую 50-омным кабелем. В верхнем SSB-участке (3700-3800 кГц) согласование выполнено в виде последовательно включенного конденсатора емкостью 540 пФ.
На диапазоне 160м. антенна имеет электрическую длину больше чем четверть волны, за счет этого активная составляющая импеданса получилась около 45 ом, а реактивность скомпенсирована последовательно включенной емкостью 200 пФ.
Антенну можно согласовать и на 40 и 30 метрах, используя простое Г-образное LC-согласование, но в целях упрощения коммутации и повышения надежности я от этой затеи отказался.
Коммутация в согласующем устройстве сделана на вакуумных замыкателях В2В. Сначала попробовал использовать реле РЭН33, но они мгновенно сгорели (пробой ВЧ-напряжения на катушку реле). В2В пока работают:).

Работой антенны доволен, даже на прием работает весьма неплохо. Из DX-QSO за последние месяцы при не очень активной работе могу отметить:
На 80м – 3B7SP, 3D2MT, 3B7C, A52AM, C52C, PJ4E, V47KP, FY5KE, V26B, TS6A, XU7MDY, VR2MY, V8FWU
На 160м – 3B7C, VQ9LA, VR2MY, TF3KX, KV4FZ, W’s, VE и JA
Хотя конечно бевериджи делать надо – и это в планах на ближайшее будущее.

Михаил Владимирович Бондарев (R3BM)

info - www.r3bm.ru
Поделитесь записью в своих социальных сетях!

Одной из самых эффективных антенн для низкочастотного DX-инга является система фазированных вертикалов, то есть два…четыре вертикальных четвертьволновых излучателя (штыря), находящихся на расстоянии 1/8…1/4 длины волны друг от друга с непосредственным возбуждением каждого излучателя отдельной линией питания. Такие антенны при внешней простоте имеют выдающиеся показатели - усиление от 4 до 7 дБ по отношению к полуволновому диполю на высоте в 0,5 длины волны, подавление заднего лепестка до 20…30 дБ, вертикальный угол излучения от 15 до 30 градусов.

Дело за малым - найти свободную площадку размером в половину футбольного поля, раздобыть две (а лучше - четыре) дюралевых трубы высотой с двенадцатиэтажный дом, и нанять вертолет для их установки. Затем придется обложиться кучей радиотехнических букварей, чтобы понять толком - что же такое активное питание, поскольку доступная радиолюбительская литература, к сожалению, практически не дает необходимой информации, а антенны, описанные в классике типа Ротхаммеля, уже давно изучены, и очередное перелистывание новостей не приносит.

Осознание вышеизложенного, как правило, оптимизма не добавляет, и поэтому большинство радиолюбителей на TOP BAND обходится любым Inverted Vee (почему-то упорно именуемым «Инвентором» определенной частью, видимо, начинающих, коротковолновиков), либо «Дельтой», которые, впрочем, из-за малых (относительно длины волны) высот для действительно дальних связей малопригодны. Отдельные счастливчики ухитряются ставить укороченные вертикалы метров до тридцати. Остальные могут эту статью не читать.

Благодаря своевременным идеям Евгения (RU6BW), после нескольких бессонных ночей за монитором появилась предлагаемая конструкция.

Автор в этой статье не ставил цели вдаваться в теоретические глубины, касающиеся работы антенн с фазированным питанием. Многие пока скептически относятся к компьютерным расчетам в радиолюбительской практике. Но эта антенна работает весьма неплохо. Для начала можно попробовать соорудить «модель» на 80 метров.

Для начала рассмотрим смоделированные компьютером диаграммы направленности в вертикальной (рис.1) и горизонтальной (рис.2) плоскостях и графики зависимости подавления заднего лепестка (рис.3) и усиления (рис.4) от частоты:

— ширина главного лепестка в горизонтальной плоскости по уровню -3 дБ - 136 градусов;
— ширина главного лепестка в вертикальной плоскости по уровню -3 дБ - от 6 до 54 градусов (с максимумом 20 градусов);
— подавление заднего лепестка: на частоте 1830 кГц - -22 дБ, на 1845 кГц - -31 дБ, на 1860 кГц - -19 дБ;
— усиление антенны - соответственно 5,3…5,7 дБ.

Указанные параметры моделировались для системы заземления, состоящей из 16 дважды закольцованных (по периметру и посередине) противовесов длиной по 10 м над почвой средней проводимости. В точках питания внешнее кольцо подключено к вбитым в землю двухметровым трубам.

Не правда ли, антенна с такими параметрами очень похожа на полноразмерный трехэлементный «Волновой канал» на высоте 80 м? Впрочем, такое «чудовище» может только присниться.

Проанализируем эти цифры
1. Горизонтальный лепесток в 136 градусов при переключении излучения на противоположное без особых потерь в усилении перекроет большую часть направлений (впрочем, ориентировать антенну по излюбленным азимутам все равно желательно). В условиях RU6BW - это 80/260 градусов.
2. Вертикальный лепесток с одинаковой легкостью будет работать с отражениями на расстояния от сотен до тысяч километров.
3. Усиление в пределах рабочего участка практически не изменяется.
4. Подавление имеет приличные характиристики в участке всего 30 кГц, тем не менее, DX-окно перекрывается. Ниже будет рассмотрен вопрос о способе расширения участка.

Антенна представляет собой систему из двух одинаковых вертикальных полуволновых петлевых вибраторов с активным шунтовым питанием. Для уменьшения высоты и упрощения конструкции верхние углы вибраторов на изоляторах сведены к вершине мачты высотой 25,00 м (в участке 3,75…3,8 МГц высота мачты - 13 м, далее в скобках будут указываться размеры для DX-окна 80-метрового диапазона) и отстоят от нее на 0,20 (0,20) м. Наличие неизолированной металлической мачты указанной длины внутри рамок на параметры антенн не влияет.

Четыре верхних части вибраторов длиной по 25,88 (13,04) м расходятся от мачты под прямыми углами, опускаясь к земле до высоты 6,00 (3,00) м. В этих местах полотно вибратора пропускается сквозь изолятор и, изгибаясь, уходит к точке питания, отстоящей на 10,00 (4,72) м от основания мачты. К изоляторам прикреплены четыре растяжки, служащие как бы продолжениями верхних частей вибраторов, вместе с которыми они крепят вершину мачты (подобно элементам двухдиапа- зонного Inverted Vee). Длина части вибратора от изолятора до точки питания составляет 14,07 (6,08) м (рис.5 и 6).

Рамки выполнены из канатика или биметалла диаметром 3…4 мм.

Два отрезка 75-омного кабеля длиной по 10,00 (4,72) м подключаются к противоположным рамкам и сходятся к основанию мачты. Один конец рамки подключается к системе заземления, второй - к центральному проводнику. Возле мачты оплетки кабелей также заземляются, а между центральными проводниками включается фазосдвигающий конденсатор. Изменение направления излучения производится подключением выхода согласующего устройства к соответствующему концу конденсатора (посредством управляемого из Shack’a реле). Кабель питания от трансивера подключается ко входу согласующего устройства. Схема согласующего устройства может быть любой. На испытанной антенне использовался резонансный автотрансформатор.

Настройка

Весь процесс происходит на земле под мачтой и на операторском столе. При точном изготовлении подбирать длину вибраторов не нужно.

1. Настраиваем трансивер на середину рабочего участка. Включаем вместо фазосдвигающего конденсатора КПЕ с максимальной емкостью 1000 пФ. На входе согласующего устройства устанавливаем КСВ-метр, рассчитанный на измерения в линиях с сопротивлением применяемого кабеля (можно согласовать как 50, так и 75-омный коаксиал). Устанавливаем фазосдвигающий КПЕ в среднее положение.
2. В случае применения резонансного автотрансформатора, настраиваем согласующее устройство по минимуму КСВ подбором точки отвода контура и параллельной емкости. Желательно предварительно согласовать активную нагрузку с сопротивлением используемого кабеля, и в дальнейшем настройку не изменять.
3. Следующий этап - установка фазового сдвига. Запускаем в нескольких сотнях метров в направлении, перпендикулярном плоскости рамок, маяк с вертикально поляризованной антенной. Автор использовал каарцевый генератор на 1845 кГц с усилителем на КТ922, нагруженный на оплетку кабеля снижения TV-антенны, расположенный в полутора километрах от RU6BW. В крайнем случае, настраиваем трансивер на работающую станцию, расположенную в створе рамок, поближе к середине рабочего участка. Включаем противоположную рамку (можно ориентироваться по падению уровня сигнала) и настраиваем КПЕ по максимальному подавлению сигнала маяка.
4. Повторяем пункты 2, 3, 4 до получения отношения вперед/назад не менее 4…5 баллов.
5. Если при переключениях сильно изменяется КСВ, значит, допущены ошибки при отрезании антенного полотна, либо вблизи одной из рамок расположены проводники или другие отражатели. После настройки рамок вышеописанные процедуры необходимо повторить.
6. После окончательной настройки можно измерить емкость КПЕ и заменить его на постоянный конденсатор хорошего качества с соответствующей реактивной мощности.

Примечание

Хорошее подавление заднего лепестка, к сожалению, получается в достаточно узкой полосе частот RU6BW применил дистанционное управление вращением фазосдвигающего КПЕ с использованием микроредуктора с электродвигателем. Результат - превосходный. Теперь практически в любой точке диапазона без изменения геометрических размеров антенны стало возможным быстро и достаточно эффективно подавлять сигналы станций, находящихся в заднем секторе шириной около 90 градусов. При желании то же можно делать вручную, но с гораздо меньшими удобствами.

Приведенные компьютерные расчеты после изготовления системы в натуре и эфирной обкатки (TNX RU6BW) полностью подтвердились. Думается, это совсем неплохая альтернатива «Инвентору» при почти таких же затратах.

Тем не менее, хочется добавить следующее.

К сожалению определенная часть радиолюбителей думает, что наличие антенны с описанными параметрами автоматически гарантирует работу, скажем, Украины с Азией в любое время суток (к примеру, в обеденный перерыв). Вынужден разочаровать TOP BAND так назван потому, что это диапазон высшей категории сложности, и для серьезных достижений на нем необходимо многое знать и много работать. Способы получения результатов описаны. Приведенная разработка - лишь один из эффективных вариантов, надеюсь, достаточно доступной конструкции.

Установка 27 метрового вертикала.

Предыстория.....

Для работы по выполнению программы DXCC, необходимо постоянно набирать новые территории и страны на НЧ диапазонах, особенно на 160 м. Наличие в антенном хозяйстве только дельты на 80м и Inverted L на 160м. и низкое их расположение не позволяли решать эти задачи. Компромиссное решение - использовать имеющеюся 20 метровую мачту (яги на 40м) в качестве вертикала на 80/160м, давало возможность уверено работать на 80м диапазоне и удовлетворительно на 160м, дополнительно на TOPе были большие наводки на аппаратуру шека.

Еще в далеких 90 годах я приобрел маленькие брошюрки « Коротковолновые антенны» украинских радиолюбителей И. Зельдина и др., в которых описывались вертикальные антенны, особо приглянулась одна из них. Это был 27метровый вертикал на 40/80/160 метров с удлиняющей линией на 160м (разработанный бельгийским радиолюбителем Дж. Деволдером), электрическая длина антенны на 160м составляет ¼ лямбды, на 80м -3/8лямды, на 40м- 5/8лямды.

Схема антенны представлена на фото.

Тогда же я начал собирать на эту антенну трубы и заготавливать проставки для их соединения. Но к реализации идеи, вернее, мечты вернулся только через долгих 18лет, только в 2013 году. Многолетний опыт работы радиолюбителей на ТОР диапазонах, говорит, что выполнить DXCC на 160 и 80м без специальных приемных и передающих антенн не возможно.

По состоянию на февраль 2014 г. у меня было подтверждено (только в LOTW) на 160м-76 стран, а на 80м- 127 стран. Поэтому я основательно занялся обновлением своего антенного хозяйства на НЧ. С приемными антеннами вопрос был решен ранее, имеются K9AY и разворачиваемые на тесты и экспедиции двунаправленные антенны Бевереджа по азимутам С-В и Ю-З, и вторая Ю-В и С-З. А также система автоматики, позволяющая выборочно их коммутировать.

На передачу первоначально планировал использовать вертикал только на 80 и 160 м, т.к. на 40 м имею уже две антенны (Яги и IV), но интерес узнать, как работает вертикал на 40м (5/8лямды) и сравнить его с другими антеннами, привел к решению включить в СУ и 40 м.


Предполагаемая конструкция антенны.


Для первой секции вертикала решил использовать треугольную ферму 30 х30см, длиной 5.20 м, далее идут дюралевые трубы диаметрами от 82 до 36 мм. Планируемое количество ярусов оттяжек – 4шт., в каждом ярусе по 4 оттяжки. Удлиняющую линию изготовить из медного кабеля диаметром 11мм.


Подготовка основания под антенну.

Основание под антенну обычное. Яма глубиной 80см и шириной 60 х 60 см. В бетон замуровывалась металлическая конструкция (предварительно сваренная) с выходящими на 18см 25 мм шпильками. В качестве изолятора предусматривалось использование 60 мм текстолита (вернее его остатков), к которому предполагалось крепить за проушины ферму вертикала. Ввиду того, что подъем вертикала, планировался методом «падающей стрелы», в конструкции предусмотрена возможность вращения фермы (и всей антенны) для придания вертикального положения.

Якоря антенны представляют собой забетонированные ямы размером 40х40х90см с профилем для крепления оттяжек.


Сборка антенны.

«Трубную» часть антенны собирал последовательно (по диаметрам) на козликах, предварительно закрепив U образным хомутом, чтобы избежать вращения. Соединения труб осуществлял с помощью предварительно выточенных проставок под внутренние диаметры труб (сейчас так не делают, а подбирают трубы так чтобы они входили одна в другую).

На трубы в местах крепления оттяжек (этажах) одевал специально выточенные из текстолита и дюраля диаметром 120- 60 мм и толщиной 6мм диски для крепления оттяжек.


В виду того что, якоря от основания антенны отстоят на разных расстояниях, все длины оттяжек были предварительно вычерчены на мм. бумаге поэтажное с добавлением +1 м на запас. Тросы были прикреплены к телу антенны, пронумерованы на каждом этаже и закреплены каждый за своим якорем.

Существуют определенные правила крепления оттяжек к телу вертикала:

  • Верхний ярус крепится на 3-4 метра ниже кончика антенны (в зависимости от диаметра труб используемых в верхнем ярусе);
  • Расстояние между ярусами не должно быть большим, чтобы при обледенении тросов под их тяжестью вертикал не выгнулось в сторону и не сломался;
  • Тросы для вертикала, орешки и зажимы должны иметь небольшой вес.

Исходя из этого, я для растяжки нижней секции (фермы) использовал трос диаметром 4 мм и зажимы на 5мм. Для остальных ярусов использовал трос 2,5мм, зажимы использовал только для крепления оттяжек к телу антенны.

Кроме того, троса ярусов были разбиты орешками. Для заделки тросов использовал медные трубки, т.к. мелкие зажимы имеют очень нежную резьбу, которая часто повреждается при затягивании.

Троса я проварил в смеси пушечного сала и масла, при этом предварительно снимал опознавательные шильдики.


Собранные трубы были перенесены к месту подъёма и вставлены в ферму. В ферму были установлены (вварены) треугольные площадки, центры которых были профрезерованы под диаметр первой трубы антенны, т.е. 82мм. На этих площадках были приварены уголки, с помощь которых труба зажималась U образными шпильками. Что бы труба не проскочила вниз, в нее в нижней части вставлен шток диаметром 18мм, который опирается на площадку.



Подготовка к подъёму антенны.

К подъёму длинной антенны методом «падающей стрелы» необходимо готовиться серьезно. Опыта поднятия таких конструкций у меня не было, да и в Интернете информации мало. Вот одна полезная схема.

Выручил Павел (RZ3AL), который достаточно потренировался в подъеме- опускании подобной конструкции, правда его антенна была более жесткой. Совместно с ним разработали конструкцию и сварили «стрелу», которая была на одной оси с поднимаемой антенной.

По оси, перпендикулярной антенне, на расстоянии 5м в каждую сторону были вбиты уголки, к которым в дальнейшем закрепили оттяжки от трех ярусов, чтобы антенна при подъеме не уходила в сторону.

Падающую стрелу установили вертикально, с одной стороны она растягивалась тросом к ферме, с другой стороны трос шел на лебедку. Так как лебедка стояла в стороне от антенны, то пришлось трос пропустить через блок, который был закреплен тросом 8мм к основанию другой антенны.


Тросы от 2,3,4 ярусов также закрепил на вершине «падающей стрелы», получилась следующая конструкция:



Подъем Антенны .

При холостом подъеме ферма устанавливалась в вертикальное положение за 15 минут. Рассчитывал за 1-1,5 часа поднять антенну, планировал пригласить 6 человек, но смогли собраться только вчетвером.

Первая попытка не увенчалась успехом, после подъёма градусов на 25-30 верхушка антенны сворачивалась дугой в сторону падающей стрелы, затем уходила вниз и возникала угроза ее слома, слева и справа троса верхнего яруса держали руками (пока они не перейдут высоту столбов забора). Как, оказалось, так делать нельзя. Темнело, поставили прожекторы, но ночью такие работы проводить нельзя, не видно верхушки антенны, тросы путаются под ногами и т.д. Работы отложили. Несколько попыток установить вертикал в следующие дни также не увенчались успехом.

Решить проблему помог «звонок другу» (Александру RW5C), который подсказал, что за верхний ярус тянуть вертикал нельзя и прислал видеофильм, на котором американцы поднимают 40 м штыри, правда, легкие). Определил и ошибки при планировании подъема:

Первое - у меня верхний ярус отстоял от вершины всего 1,2 м. пришлось место крепления тросов опустить от вершины на 4 метра.

Второе - последний ярус оттяжек не заводить на падающею стрелу, пусть конец антенны (7-8м) будет свободен и провисает вниз при подъеме.

Третье - увеличить высоту падающей стрелы, она должна составлять лучше 1/3 от высоты антенны, т.е. 8-9метров. (У меня была первоначально 4,5м).

Четвертое - чтобы антенна не пошла в сторону троса лебедки, предусмотреть страховочный трос, на это выделил одну оттяжку.

Пятое – расстояние между первым ярусом (верх фермы) и вторым (верх труб 82мм) крепления оттяжек оказалось большим, более 9метров. Даже при подъеме антенны уже наблюдался прогиб труб. Что бы не испытывать судьбу принял решение поставить еще один ярус растяжек, как раз по центру этого 9метрового куска труб.

Только выполнив все эти мероприятия, мы вчетвером смогли установить антенну в вертикальное положение. К сожалению, фото и видеосъёмки нет т.к. просто не было свободных рук.

Закрепив антенну временно оттяжки, приступили к следующей стадии, снять антенну с поворотного механизма (попросту выдернуть лом из проушин). Предварительно, необходимо было поднять текстолитовые плиты к лапам мачты. При подъёме падающей стрелы они были опущены вниз, что бы лапы антенны могли пройти при повороте. С помощью гаек и больших шайб, которые установлены под плитами, площадки подняли и отгоризонтировали, опустили на них лапы антенны, которые болтами прикрепили к изоляционным площадкам.

Далее с помощь уровня «отвертикализировали» ферму антенны и закрепили её оттяжками. На следующий день, начиная со второго яруса и контролируя вертикальность антенны, натягиваем и закрепляем все оттяжки. Антенна установлена. Через 2-3 недели после ветров опять подтянул оттяжки и отвертикализировал антенну.

Для надежности электрического контакта между фермой и дюралевой трубой пробросил дополнительно кабель диаметром 12мм., второй конец которого закрепил на болт питания антенны.



Изготовление удлиняющей линии.

Для изготовления линии использовал медный изолированный трос в оплетке, диаметром 12 мм. На ферме закрепил прямоугольные стеклопластиковые трубы, к которым с помощью металлических хомутов и стрипов закрепил линию.


Противовесы

Противовесы изготовил из «полевки», попарно настроил их с помощью прибора АА330. Закрепил их к ферме через изоляторы, отведя от фермы на 2,5-3м. Пока установил по 4 противовеса на 80 и 160 метров. Внизу из медной трубки сделал сборную шину, к которой через стеклопластиковые трубы подключил противовесы.


Согласующее устройство .

СУ помещено в пластиковый ящик, имеет два входа 1й-на 160м, 2й для 40 и 80 метров.

Для защиты от внешних осадков блок с СУ поместил в ящик, изготовленный из обрезков оконных пластиковых подоконников.

Настройка вертикала

Настройку проводил с помощью прибора АА-330, который был подключен через СОМ порт к ПК. Графики позволяют панорамно оценивать характеристики антенны и произвести её настройку. Настройка заключалась в подгоне количества витков катушки по диапазонам, а емкости позволяли компенсировать реактивности и добиться приемлемого КСВ.

На 80м график показывает, что необходимо ещё увеличить количество витков катушки, чтобы получить КСВ не более 2 на частоте 3800кгц. Наступившие холода отложили работы по подстройке антенны до весны.

График на 160м. выглядит следующим образом.

Подъем реактивного сопротивления на частоте 1810, по всей видимости, свидетельствует о влиянии соседней 20м мачты, которое с приходом весны попробуем компенсировать. Антенну на 40м не настраивал из-за отсутствия противовесов, вернее нет возможности вкопать столбы в мерзлую землю, все также перешло на весну. Но даже при первичной настройке антенна функционирует нормально, необходимо протестировать её за зимний сезон, сделать анализ и доюстировать до полной законченности.

В основном закончилась модернизация домашнего антенного поля, итоги подводить еще рано, но усилия по модернизации антенн уже дают первые результаты:

Вот промежуточный итог работы антенн в Олимпийском марафоне, на 19.02.2014г:

ТОP 100 RU- 40 место;

TOP 100 EU – 92 место ;


А вот итоги работы по DX экспедиции FT5ZM:

ТОP 100 EU RU- 12 место;

При изготовлении GP на низкочастотные диапазоны радиолюбители обычно вынуждены выбирать между эффективностью антенны и ее размерами. Поскольку действующая высота GP диапазона 80 метров около 13 м, то следует ожидать, что при оптимальном использовании "удлиняющих" элементов антенна такой длины будет достаточно эффективной. Настроить короткую антенну в резонанс можно концевой емкостной нагрузкой или/и катушкой индуктивности.

Емкостную нагрузку обычно выполняют в виде нескольких проводников, расположенных перпендикулярно полотну излучателя и находящихся у его вершины. Такой вид согласования обеспечивает максимальный КПД антенны и. следовательно, является приоритетным. Из конструктивных соображений длину проводников выбирают не более 0,03л, что ограничивает возможности этого метода.

Использование катушки индуктивности менее желательно, поскольку она заметно снижает как КПД антенны в целом, так и ее полосу рабочих частот. Однако для эффективного укорочения антенны на практике часто используют оба метода. Потери в катушке можно уменьшить, если выполнить ее в виде одного или двух витков достаточно большого диаметра. Хотя такие катушки индуктивности сложнее в изготовлении, они обеспечивают большую полосу пропускания (при диаметре катушки около 0.01а она работает частично как излучатель).

Преимущество подобной конструкции еще и в том, что катушка вносит определенную емкость относительно "земли", что дополнительно укорачивает антенну.

Комбинация этих двух методов и использована в антенне для диапазона 80 метров (рис. 1).

Основание антенны - металлическая труба, выступающая над поверхностью земли на 3 м. В нижней части к основанию присоединены пять радиально расходящихся и углубленных на 10 см в грунт проводов заземления длиной по 25 м. Провода заземления изготовлены из оцинкованной стальной проволоки. В верхней части к основанию подключены шесть радиально расходящихся противовесов длиной по 19 м.

На основании закреплен (через изолятор) излучатель высотой 10.5 м. состоящий из двух отрезков металлических труб длиной 3 м (нижний) и 7,5 м (верхний). Отрезки излучателя механически соединены между собой через изолирующую втулку с крестовиной, на которой расположена катушка индуктивности L.

Конструкция катушки индуктивности L показана на рис. 2.

В изолирующей втулке закреплены четыре бамбуковые палки длиной 1 м. На концах палок установлены фарфоровые роликовые изоляторы, причем на одной из палок таких изоляторов два. Катушка, изготовленная из антенного канатика диаметром 5 мм. закреплена на этих изоляторах и своими концами подключена к верхней и нижней частям излучателя Емкостная нагрузка на вершине излучателя выполнена из четырех электрически соединенных с ним отрезков антенного канатика длиной 2.5 м и диаметром 3...5 мм. растянутых вдоль бамбуковых шестов (рыболовных удилищ). Чтобы эти шесты не прогибались, их поддерживают капроновые шнуры.

Излучатель в рабочем положении удерживают два яруса капроновых растяжек (по четыре в каждом).

Питают антенну 75-омным коаксиальным кабелем длиной 12 м. Между кабелем и трансивером включено согласующее устройство (см. статью "Спиральный" GP для НЧ диапазонов " в "Радио", 2000, №1, с. 64).

Антенна хорошо показала себя при работе на сверхдальних трассах, обеспечивая связь со всеми континентами.



Разделы