ДВУХДИАПАЗОННАЯ ВЕРТИКАЛЬНАЯ АНТЕННА
А. Чичко (UB5DW), г. Киев
На диапазонах 3,5 и 7 Мгц любители обычно используют проволочные антенны: диполь, VS1AA, G5RV, Inverted Vee. Эти антенны имеют горизонтальную поляризацию, требуют значительной высоты подвеса; наличие металлических в железобетонных конструкций вблизи антенны искажает диаграмму направленности и ухудшает согласование антенны с фидером.
Для проведения дальних связей более пригодны антенны с вертикальной поляризацией. Они к тому же просты по конструкции, занимают мало места и не портят архитектуру зданий. Основными параметрами, определяющими эффективность таких антенн, являются сопротивление излучения (Re) и к.п.д (nA).
У большинства описанных в радиолюбительской литературе укороченных антенн с вертикальной поляризацией величина Re, не превышает 37 ом.
К. п. д. антенны определяется отношением Re к сопротивлению потерь Rп. Рассчитать величину последнего трудно. Это сопротивление может быть пренебрежимо малым только при наличии идеальной искусственной земли (не менее 120 горизонтальных лучей), что практически почти не выполнимо. Поэтому обычно Rп у укороченных вертикальных антенн сравнимо с Re. Следовательно, малое сопротивление излучения вызовет уменьшение к. п. д., а также затруднит согласование антенны с фидером.
Существует способ повышения Rе без увеличения физической высоты антенны - путем увеличения ее электрической длины за счет включения конструктивного элемента в виде. сосредоточенной емкостной нагрузки в верхней точке антенны. Эта нагрузка может представлять собой диск, шар, цилиндр либо, в самом простейшем случае, один или несколько проводников.
По-видимому, значительное количество проволочных однофидерных антенн работает именно как антенны с вертикальной поляризацией и емкостной нагрузкой. Роль нагрузки при этом выполняет горизонтальная часть антенны, а излучающего элемента - фидер, работающий в режиме стоячей волны. Об этом говорят частые ссылки коротковолновиков на отсутствие выраженных минимумов излучения у антенн VS1AA и Windom.
Увеличение сопротивления излучения антенны с емкостной нагрузкой объясняется следующим образом. Обычно в диапазонах 3,5 и 7 Мгц антенна имеет физическую длину меньше (либо значительно меньше) четверти волны. Сопротивление же излучения пропорционально площади эпюры тока в антенне. В случае работы антенны с емкостной нагрузкой увеличивается эквивалентная высота антенны и, следовательно, увеличивается площадь распределенного вдоль антенны тока. Графически это представлено на рис. 1. На рис. 1, а показано распределение тока у вибратора длиной 0,1L, на рис. 1, б - у антенны той же физической длины, но нагруженной в верхней части таким образом, что эквивалентная длина всей системы равняется 0,25L.
рис. 1
Сравнение площадей эпюр токов (заштрихованных) у этих антенн, несомненно, говорит в пользу последней.
Величина емкости, которую могут иметь некоторые виды конструкций емкостной нагрузки, видна из графика рис. 2.
рис. 2
На радиостанции UB5DW емкостная нагрузка выполнена в виде четырех наклонных (под углом 45°) проводников, являющихся частью оттяжек, удерживающих антенну. Автор ставил своей целью получение, простой эффективной антенны для дальних связей в основном на диапазоне 7 Мгц. Предполагалось, что в диапазоне 3,5 Мгц антенна должна также работать удовлетворительно. В соответствии с этими требованиями эквивалентная длина антенны была выбрана таким образом, что резонансная частота ее находится между 7 и 3,5 Мгц. Эквивалентная высота антенны при этом больше четверти длины волны в диапазоне 7 Мгц, и меньше - в диапазоне 3,5 Мгц. Реактивные составляющие входного сопротивления антенны должны быть скомпенсированы включением укорачивающего конденсатора. Эти элементы могут включаться с помощью реле. На рис. 3 приведен один из возможных вариантов питания коммутирующего реле без дополнительных проводов. Однако контакты реле требуют ухода, поэтому более предпочтительно автоматическое переключение диапазонов, например включением в основание антенны параллельного контура.
рис. 3
Величина активной составляющей входного сопротивления антенны, приведенная к пучности тока, составляет 35 ом на частоте 7 Мгц а 10 ом аа частоте 3,5 Мгц. Антенна питается по коаксиальному кабелю с волновым сопротивлением 75 ом. Для согласования ее с фидером включен четвертьволновый (для диапазона 3,5 Мгц) трансформатор из 50-омного кабеля длиной 14,1 м. На рис. 4 приведена зависимость КСВ от частоты, а на рис. 5- общий вид и размеры антенны.
рис. 4
При настройке антенны понадобятся гетеродинный индикатор резонанса (ГИР), измеритель КСВ и, как вспомогательные элементы, конденсатор переменной емкости и вариометр.
Предварительно проверяют с помощью ГИРа резонансную частоту антенны, для чего вибратор подключают к системе проводников искусственной земли. Эта частота должна составлять примерно 5,5 Мгц. Затем между вибратором и системой искусственной земли включают контур из вариометра и конденсатора переменной емкости, предварительно настроенный на частоту антенны. Изменяя величины индуктивности и емкости, добиваются получения резонансных частот антенны с контуром, равных 7 и 3,5 Мгц.
После настройки вариометр и конденсатор переменной емкости могут быть заключены в водонепроницаемую коробку и использованы как согласующее устройство, однако желательно заменить вариометр на соответствующую катушку индуктивности, проверив резонансную частоту контура при неизменной емкости. Необходимо только, чтобы эта катушка позволяла производить изменение индуктивности в небольших пределах (путем замыкания части витков, например), что может понадобиться при настройке антенны по КСВ в диапазонах.
В диапазоне 7 Мгц антенна достаточно широкополосна. В диапазоне 3,5 Мгц настройка должна производиться более тщательно, так как на этом диапазоне антенна значительно укорочена и, следовательно, узкополосна. Поэтому указанные на рис. 5 величины элементов согласующего устройства являются ориентировочными и требуют подстройки в каждом конкретном случае.
рис. 5
Подключение к искусственной земле четырех радиальных проводников длиной по 20,5 м значительно улучшит эффективность антенны в диапазоне 3,5 Мгц.
Эквивалентная высота антенны составляет 14 м. Ее эффективность (рассчитанная по соотношениям площадей токов) выше в 3,3 раза и 2,2 раза на диапазонах 7 и 3,5 Мгц соответственно по сравнению с эффективностью антенны той же высоты, но без емкостной нагрузки.
Поскольку эффективная высота вибратора больше четверти волны в диапазоне 7 Мгц, пучность тока находится выше уровня элементов искусственной земли, и, следовательно, потери, вызванные рассеянием излучаемой энергии в окружающих антенну предметах (проводах трансляционной сети, выходах вентиляционных шахт, телевизионных антеннах и т. д.), значительно уменьшаются. Вследствие малого угла излучения в вертикальной плоскости облегчаются условия проведения связей с DX.
Проверка антенны в соревнованиях CQWWDX Contest показала, что антенна эффективна именно для связи с дальними корреспондентами, которые отвечали обычно после первого же вызова и хорошо оценивали сигналы передатчика с подводимой мощностью 200 вт (RS 56-58). В то же время европейские станции отвечали несколько хуже, нежели при использовании обычного диполя типа W3DZZ на высоте 20 м над землей. Помехи от близкорасположенных станций при работе на антенну с вертикальной поляризацией сказывались в меньшей степени.
На диапазоне 3,5 Мгц европейские корреспонденты оценивали силу сигнала не хуже, чем при использовании антенны W3DZZ.
В согласующее устройство можно добавить еще один реактивный элемент, чтобы получить резонанс на частоте 14 Мгц, однако следует учитывать, что увеличение эквивалентной высоты антенны более 0,5L приводит к подъему угла максимума излучения в вертикальной плоскости, и антенна становится малопригодной для проведения дальних связей.
Аналогичный принцип построения антенны может быть применен и для других диапазонов.
(РАДИО, № 9 1970 г., с.28-29)