Полуволновые петлевые вибраторы на низкочастотных KB диапазонах

Рейтинг: 5 / 5

Подробности: Категория: КВ антенны; Опубликовано: 15.03.2017 12:29; Просмотров: 34861

Понравилась статья - поделись с друзьями

Владимир ЕФРЕМОВ (UA6HGW), г. Ессентуки Ставропольского края.
Многие радиолюбители не имеют возможности проводить дальние связи на популярном диапазоне 80 метров из-за отсутствия эффективных антенн. Главная причина, не позволяющая построить такую антенну, в большинстве случаев обусловлена неблагоприятными местными условиями. В последнее время эти проблемы обострились в связи с принятием нового Жилищного Кодекса РФ. Это вынуждает радиолюбителей искать компромиссные решения, большинство из которых сводится к созданию конструкций более компактных антенн, сохраняющих относительно высокий КПД.

Согласно данным литературы и практическому опыту коротковолновиков, на низкочастотных KB диапазонах хорошо зарекомендовали себя петлевые антенны. Классическая петлевая антенна представляет собой замкнутый контур из проводников, в разрыв которого включен питающий фидер. К замкнутым петлевым антеннам относятся шлейфовые вибраторы, а также различные рамочные — ромбические, треугольные, кольцевые и другие антенны, сходные по типу и близкие по форме к указанным. Их резонансная длина должна быть чуть больше длины волны. В этом случае они легче согласовываются с волновым сопротивлением наиболее распространенных фидеров. При этом небольшие изменения конфигурации многих петлевых антенн не оказывают решающего влияния на активную составляющую их полного входного сопротивления. Для классических петлевых вибраторов его значение чаще всего лежит в пределах от 240 до 450 Ом. Для других видов перечисленных антенн — это 50... 150 Ом.
Если произвольно уменьшать периметр вибратора петлевой антенны,
помимо снижения его КПД и значительного изменения активной составляющей входного сопротивления будет наблюдаться рост реактивных составляющих полного входного сопротивления Это приведет к дополнительным трудностям согласования с фидером. Решить возникшие проблемы можно, например, используя для согласования антенные тюнеры. При этом наиболее предпочтительным вариантом является установка автоматического или дистанционно управляемого согласующего устройства как можно ближе к точкам питания вибратора.
Еще один способ заключается в том, что в разрыв вибратора включается одна или несколько активных балластных нагрузок. При этом антенна становится более широкополосной, не имеет ярко выраженных резонансов и хорошо работает на частотах, кратных расчетной, но ее КПД получается низким, причем его значение падает с понижением рабочей частоты.
Но есть способ, который можно считать более эффективным. Он подразумевает использование укороченных петлевых антенн с реактивными нагрузками. Такие антенны, согласно [1], при периметре вибратора не менее полуволны сохраняют высокий КПД и позволяют получить необходимый резонанс при правильном выборе параметров реактивных нагрузок и точек их установки.
Не останавливаясь на подробностях, можно сказать, что наиболее эффективным является использование емкостных нагрузок, которые не только сохраняют относительно высокий КПД антенны, но и имеют преимущества при согласовании с фидером. Резонансная частота и входное сопротивление таких антенн зависят от периметра петли вибратора, высоты его подвески и положения в пространстве, параметров реактивной нагрузки и места ее включения, а также проводящих свойств поверхности, находящейся в непосредственной близости от антенны.
Как уже отмечалось, для рамочных антенн, близких по типу, форма вибратора в меньшей степени влияет на входное сопротивление антенны. Изменяя периметр рамки, входное сопротивление можно менять в более широких пределах, добиваясь резонанса компенсацией реактивных составляющих полного входного сопротивления антенны.
В зарубежных радиолюбительских журналах имеется много примеров
использования укороченных петлевых антенн на низкочастотных KB диапазонах. Так, W9JJV предложил [2] проволочную вертикальную рамку "Delta Loop" с уменьшенными размерами использовать для работы в диапазонах 80 метров и 40 метров. Во втором случае размеры рамки будут оптимальными. Устройство антенны показано на рис. 1,а, а на рис. 1,б — график зависимости ее КСВ от частоты.

Из графика следует, что для работы в используемых в России участках этих диапазонов необходимо немного увеличить периметр рамки. К недостаткам конструкции в целом следует отнести наличие значительных ВЧ потенциалов на нижних частях антенны и воздушной линии, что налагает повышенные требования к обеспечению безопасности людей при ее эксплуатации. От воздушной линии можно отказаться, подключив согласующее устройство (СУ) непосредственно к вибратору. W9JJV расположил свою рамку под антенной "Волновой канал", использовав заземленную металлическую мачту.
Интересную конструкцию комбинированной антенны "Grounded Half-Quad Loop", показанную на рис. 2,

предложил W1HXU [3]. Она сочетает в себе некоторые положительные качества антенн Loop, Ground Plane и в какой-то мере Long Wire, работающих на гармониках. Такое сочетание дает хорошие возможности для работы с DX как на низкочастотных KB диапазонах, так и на
высокочастотных Напомним, что для полной реализации этих качеств необходимо наличие хорошего радиочастотного заземления непосредственно под основанием антенны. В данном случае — под левой по рис. 2 вертикальной ее частью, так как в этом месте протекает наибольший ВЧ ток. Причем система искусственной земли должна покрывать как можно большую площадь, что особенно важно для работы на низкочастотных KB диапазонах.
Антенна представляет собой четырехугольную заземленную рамку, питаемую в одном из нижних углов Внешняя часть рамки общей длиной 42,36 м (около полуволны в диапазоне 80 метров) может быть выполнена из медного или биметаллического провода или антенного канатика диаметром 2...3 мм. Согласование непосредственно с выходом передатчика или коаксиальным фидером достигается применением универсального СУ. Антенна может быть согласована практически на любом любительском диапазоне, правда, лишь в том случае, если СУ позволяет осуществить это не только по активному сопротивлению, но и компенсировать реактивные составляющие полного сопротивления антенны в точке питания.
Левую вертикальную часть вибратора можно выполнить в виде телескопической металлической мачты, например, из набора дюралюминиевых или стальных труб. В последнем случае
вдоль труб необходимо проложить медный провод. От его основания к СУ в земле на небольшой глубине следует проложить дополнительный провод, который заземляется также со стороны СУ. Для заземления здесь используются металлические штыри, забитые в землю на глубину не менее одного метра. Напомним, что к СУ в этой антенне предъявляются дополнительные требования к качеству его деталей. При перестройке по диапазонам на его элементах могут образовываться пучности тока либо напряжения. Поэтому необходимо обеспечить безопасность — нижний конец правой вертикальной части вибратора и его ввод в помещение должны быть выполнены таким образом, чтобы исключить возможность случайного прикосновения к ним людей во время работы передатчика.
Выбирая конструкции радиолюбительских антенн, соответствующих затронутой теме, в этот обзор я старался включить лишь те антенны, которые менее известны нашим радиолюбителям и, по моим сведениям, не публиковались в российских радиолюбительских изданиях. Следующая антенна, которую я решил обязательно включить в данный обзор, описана OK3TDC в 1977 г. [4], а затем получила известность в других странах Восточной Европы. По утверждениям ее автора, антенна обладает хорошими характеристиками для работы с DX. Она достаточно широкополосная — в пределах всего диапазона 80-метров ее КСВ не превышает 1,5.
В целом ее конструкция достаточно проста. К недостаткам, ограничивающим ее повторение, следует отнести необходимость иметь достаточно высокую мачту (около 15 м) из диэлектрического материала. Но в настоящее время изготовить такую мачту стало проще, так как появилось значительное количество различных изделий, позволяющих выполнить ее, используя синтетические материалы.
Однако для этой антенны необходимо наличие площади для размещения системы противовесов, что, впрочем, характерно и для других антенн такого типа. Конструкция антенны OK3TDC показана на рис. 3.

Она представляет собой замкнутый полуволновый вертикальный вибратор, выполненный в виде петли "экспоненциальной" формы. Ее питание осуществляется внизу, где в разрыв петли подключают коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 См. Для этого нижняя часть петли выполнена в виде перехода, напоминающего по форме дельта-трансформатор.
Для диапазона 80 метров высота этой части над землей 1,8 м, а наименьшее расстояние между проводниками в нижней части — 0,4 м. Эти размеры фиксированы с помощью изоляционных распорок и растяжек. Точку соединения вибратора с оплеткой коаксиального кабеля подключают к системе радиальных проводов. Она может состоять из 8—20 радиальных лучей, закопанных в землю на глубину 20...30 см. При установке антенны на некоторой высоте или на крыше здания можно применять обычную систему противовесов. Антенна, сконструированная для одного из низкочастотных диапазонов, может работать и на более высокочастотных. Так, антенна, рассчитанная на 80-метровый диапазон, хорошо работает на 40-метровом и 20-метровом диапазонах. При этом необходимо добиться оптимального согласования подключением конденсаторов к точкам питания рамки.
Ознакомившись с большим объемом информации на эту тему, я решил провести эксперимент с антенной Delta Loop, построенной ранее для 40-метрового диапазона. Схематично эта антенна показана на рис. 4, а конструктивное исполнение — на рис. 5 (в плане) и рис. 6 (вид сбоку).

Рамка выполнена из антенного канатика диаметром 1,5 мм и располагается под углом к горизонту, а под ней находится металлическая крыша из оцинкованной стали, которая электрически соединена с оплеткой кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом, питающего антенну.
Основной мачтой служит бамбуковый шест, обмотанный несколькими слоями обычного бинта, хорошо пропитанного олифой и окрашенного масляной краской. Многолетняя практика показала, что подобная обработка во много раз повышает прочность и живучесть таких мачт. В месте подключения кабеля к нижнему углу рамки была установлена металлическая труба высотой 1,8м, внутри которой проходил фидер (рис. 7).

Его оплетка была соединена с трубой, а труба в нижней точке — с металлической крышей. Чтобы получить резонанс в диапазоне 80 метров, я включил в разрыв рамки со стороны питающего фидера конструктивный конденсатор в виде отрезка коаксиального кабеля (той же марки, что и фидер, показан как конденсатор С1 на рис. 4)! Он разомкнут на противоположном конце. Первоначальная длина отрезка была больше 5 метров. Подключение
питающего кабеля и отрезка кабеля, образующего конденсатор С1, к рамке иллюстрирует рис. 7.
Согласование осуществлялось как с помощью изменений периметра рамки, так и подбором (укорочением) отрезка коаксиального кабеля, т. е. емкости С1. Сказать точно, какая длина оказалась оптимальной, сейчас уже трудно, но КСВ, который я получил, при этом был меньше двух. Полоса пропускания антенны в диапазоне 80 метров оказалась достаточной. При этом ее резонанс и минимум КСВ были хорошо выражены. Это из моей личной практики работы с различными антеннами свидетельствует о том, что антенна должна иметь неплохой КПД. Низкий КСВ при значительной широкополосности некоторых антенн часто указывает на большое сопротивление потерь.
Окончательная подстройка антенны в телефонный участок 80-метрового диапазона обеспечила КСВ 1,5. При практических испытаниях антенны в эфире меня поразило, что многие виды помех как индустриального, так и атмосферного характера, которые раньше наблюдались и сильно меня беспокоили, например, с антенной типа "Inverted V", с этой антенной значительно снизились. При этом работой на передачу я также остался доволен. При небольшой мощности передатчика (около 50 Вт) мне удавалось успешно проводить связи как с ближними, так и с дальними корреспондентами.
Перестраивать антенну в пределах всего диапазона 80 метров можно, подключив к открытому концу отрезка кабеля (конструктивного конденсатора) дистанционно управляемый конденсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком.
Радио №12, 2010г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Овсянников В. В. Вибраторные антенны с реактивными нагрузками. — М.: Радио и связь, 1985.
2. Richard О. Gray. The Two-Band Delta-Loop Antenna. — QST March, 1983, p. 36, 37.
3. John P. Tyskewicz. Grounded Half-Quad Loop, All-Band Antenna. — CO, April. 1984, p. 37.
4. Vladimir Dancik DX antena pre 3,5 MHz. — Amaterske Radio, № 5, 1977, s. 194, 195.