Многодиапазонные вертикальные КВ-антенны получили широкое распространение у радиолюбителей. Об их популярности во всем мире говорит тот факт, что ведущие фирмы-производители имеют в своей номенклатуре по несколько типов таких антенн: CUSHCRAFT R7000 и АР8; HY GAIN DX-77 (88) и AV-620 (640); MFJ-1796 (1798); GAP TITAN и др., BUTTERNUT HF6VX (9VX), HUSTLER 6BTV и др.; FRIT2EL GPA404 и др.; SOMMERANTENNAS T25 (Т50), MOSLEY RV-6 (8). В некоторых из этих антенн используются новые разработки (вероятно, фирменные секреты); и анализ этих антенн сам по себе представлял бы несомненный интерес для радиолюбителей.

Ниже приведено описание разработанной автором девятидиапазонной антенны (2, 6, 10, 12,15, 17,20,30,40м).

Конструкция антенны показана на рис.1.

1. Введение.

Первоначальная отработка проводилась поэтапно на макете в масштабе 1:10 на частотах от 35 до 510 МГц. Соответственно длины и диаметры проводников, а также индуктивности катушек были в 10 раз меньше, чем у реального прототипа. Отработка заключалась в поисках конфигурации (взаимного положения и длины проводников, способов и схем согласования и т.п.), при которых антенна обеспечивала бы хорошее согласование в достаточной полосе частот на всех любительских диапазонах (кроме самых низкочастотных) без каких-либо переключений. При работе использовались КСВ-метр мостового типа, и в качестве датчика сигнала - измерительный генератор Г4-151. Уровень мощности в антенне (макете) весьма мал, что позволяло находиться в непосредственной близости, и просто пальцем руки проверять распределение напряжения вдоль проводников антенны. Действительно, прикосновение в точке с минимальным напряжением не вызывает изменения показаний КСВ-метра, зато вмешательство в область максимума напряжения (например, конец вибратора) полностью расстраивает антенну. Перемещение пальца по проводнику антенны хоть и косвенно, по изменению показаний КСВ-метра, позволяет увидеть картину распределения напряжения вдоль антенны, а при наличии расположенных рядом проводников прикосновение к ним позволяет оценить, влияют ли они на работу оцениваемого вибратора. Особенно полезен такой простой способ при отработке коллинеарных антенн УКВ, когда нужно добиться синфазности и равноценности токов в этажах антенны.

Этот способ в связи с внешней несерьезностью процедуры, получил шутливое название СЛР (способ любой руки).

Макетирование позволило выявить несколько любопытных закономерностей, слабо или совсем не освещенных в литературе.

1.2. При рассмотрении несимметричных антенн сложной конфигурации, каковыми, как правило являются многодиапазонные вертикальные антенны, возникает необходимость анализа плеч антенны по отдельности. Для этого следует представить полное входное сопротивление антенны Za=Ra+jXa в виде суммы входных сопротивлений первого и второго плеча (входное Z плеча можно, рассматривать по отношению к условной проводящей плоскости, проходящей между точками питания антенны). Например, у полуволнового симметричного вибратора Z1 = Z2 = 0,5Za, на резонансной частоте Za = Ra = 70 Ом и Z1 = Z2 = 35OM.

Если антенну запитать несимметрично, например, как это сделано в популярной многодиапазонной антенне FD4, плечи которой составляют 1/3 и 2/3 общей длины, резонансная частота будет такая же, как у симметричной антенны той же длины, но входные сопротивления плеч будут отличаться кардинально. Ориентировочные расчеты показывают, что такая антенна из провода 02 мм на основной частоте будет иметь Z1 = 10-j250, Z2 = 120+j250 и

Za = 10-j250+120+j250 = 130 Ом. Из этого примера видно, что Za остается чисто активным за счет взаимной компенсации реактивных составляющих плеч антенны. Входное сопротивление частей антенны Z1 и 22 определялось как половина Za симметричной антенны, оба плеча которой имели длины 1/3 /\o и 2/3 /\o соответственно.

Еще один пример на тему входных сопротивлений.

На рис.2а показана симметричная антенна, укороченная за счет применения на входе двух одинаковых катушек L (симметрирующий дроссель показан условно), на рис.2Ь - эквивалентная схема ее входной цепи.

На частоте резонанса f0 которую, можно определить по минимальному показанию КСВ-метра, равному К1, Xa=-2XL и Za=Ra. Что будет, если одну из катушек перенести в другое плечо (рис.2с)? Схема входа остается неизменной (тот же рис.2Ь). Измерения показывают, что также практически неизменными остаются значения fо и К1. Таким образом, если в первом случае каждая половина антенны была сбалансирована по реактивности Х1=Х2=0. то во втором такой баланс был только в целом по антенне, но на работе антенны это не отразилось. Применительно к вертикальным антеннам. отсюда следует практический вывод: если для настройки антенны необходимо включение на ее входе дополнительного реактивного элемента (L или С), он может быть с одинаковым результатом включен или в цепи 'вертикала", или на входе противовеса. Во многих случаях можно избежать применения дополнительной реактивности, соответственно удлинив или укоротив плечо антенны (при этом, естественно, необходимо считаться с изменением Ra).

Отметим, что при использовании схем согласования L-match, T-match, y-match и многих других, чисто активное входное сопротивление антенны получается (в большинстве случаев) при длине вибратора, отличной от резонансной.

1.3, Антенна Ground Plane (GP) состоит из вертикального излучателя длиной IB и противовеса (ПР) из 3 радиалов длиной !„ каждый. При 1в=1р=0,25Х, Za=Ra=35 Ом. Чтобы поднять Ra до 50 Ом, часто применяют удлиненный GP с IB=0,28>., а появляющуюся индуктивную составляющую входного сопротивления Хв компенсируют реактивностью противоположного знака за счет включения на входе вертикала конденсатора С (Хс = -Хв). Можно обойтись и без применения конденсатора, укоротив радиалы настолько, чтобы входное реактивное (емкостное) сопротивление противовеса Хпр было равно Хс. Так как радиалы включены параллельно, то Хпр=Хр/п, где Хр - входное сопротивление одного радиала, п - их число. Например, если вертикальная часть удлиненного GP имеет XB=J50 Ом, то для ее компенсации можно приме­нить два радиала, каждый из которых имеет X =-j100, или четыре с Xp = -j200 и т.д. Отметим, что выполненный из трубы 030 мм радиал имеет пример­но в два раза меньшее Х_, чем радиал такой же длины из провода 02 мм, поэтому по электрическим характеристикам два трубочных радиала примерно эквивалентны четырем проволочным.

Какое количество радиалов можно считать минимально необходимым? Если вертикальная антенна установлена непосредственно над землей, фактическим противовесом является земля - среда с большим сопротивлением для токов высокой частоты. Система из большого количества "земляных" радиалов (до п =120) позволяет существенно уменьшить потери, длина радиалов не критична и не влияет на частоту резонанса антенны.

По литературным данным, при размещении противовеса на высоте h = 2 м потери за счет земли на НЧ-диапазо-нах уменьшаются настолько, что тот же КПД может быть достигнут при числе радианов в три раза меньшем, а при п=Ю,5Д, достаточно всего трех радиалов,

При размещении антенны в свободном пространстве (п>1?) ее КПД практически не зависит от числа радиалов. Даже при минимально возможном противовесе из двух расположенных под углом 180" друг к другу радиалов, КПД антенны близок к единице, и диаграмма направленности (ДН) в горизонтальной плоскости, как показали измерения, отличается от круговой не более чем на 1 дБ.

Название антенны GP дает основания предполагать, что когда пользователи переходили от исторически первых, расположенных над землей "вертикалов", в свободное пространство, противовес рассматривался как эквивалент земли (ground plane), и первые модели имели большое число радиалов (п >4).

Достоверные данные о потерях при расположении вертикальной антенны над бетонной крышей отсутствуют, Можно исходить из того, что хотя противовес и не излучает энергию, вблизи каждого радиала в радиусе до 0,05А. существует интенсивное ВЧ-поле, а на концах радиалов напряжения достигают опасных для жизни значений. Поэтому, во избежание значительных потерь и случайного прикосновения, желательно располагать радиалы не ниже 2,5 м над крышей.

1.4. Несколько антенн GP на разные частоты, имеющих каждая свой вертикальный вибратор и систему радиалов, можно объединить в общую систему с одним питающим фидером. При этом за счет взаимных влияний несколько изменятся параметры каждого вибратора. Степень изменения зависит от количества параллельных проводников-вибраторов, расстояния S между ними и соотношения их длин.

Можно отметить следующие экспериментально полученные закономерности:

- входное сопротивление каждого из объединенных вибраторов, как правило, возрастает;

- более длинные из вибраторов для сохранения резонансной частоты приходится укорачивать, причем коррекция может достигать 10% и более;

- рабочая полоса частот сужается, особенно у более коротких вибраторов, и при S<100 мм может составлять всего 30...40% от исходных значений, а при 3=200...300 мм порядка 70... 80%.

- практически круговая форма диаграммы направленности (ДН) сохраняется при SO.05A.

Для наглядности приведем данные, полученные при установке антенны, рассмотренной в п,2.2. Антенна состояла из центрального вибратора (ЦВ) высотой Н = 6,7 м, параллельно которому по очереди подвешивались проволочные вибраторы (ПВ), соединенные снизу с ЦВ. Одиночный ЦВ имел два резонанса - полуволновой на fo = 15,2МГц и волновой на foo =31,6 МГц (частоты резонансов определялись по минимуму КСВ). После добавления самого длинного ПВ отмечены следующие резонансные частоты: fo =14,45, foo = 31,55 и f17 = 18,8 МГц, после добавления второго ПВ - fo = 14,32, foo = 31,5, f17 = 18,4 и f15=21,3 МГц. При полном комплекте из четырех ПВ - fo =14,2 МГц (изменение составило ~7%), a foo = 31,4 МГц, т.е. почти не изменилась.

2. Обоснование схемы и конструкции антенны.

2.1. При разработке антенны постепенно пришло понимание, что очень важным узлом, во многом определяющим конструкцию многодиапаэонной вертикальной антенны и возможность ее использования на местности, является противовес (ПР). Стандартная конструкция ПР для GP (три резонансных радиала) в семидиапазонной антенне превращается в без­надежную сеть из 21 провода, которую никогда не удастся правильно разместить, поднять на "недосягаемую" высоту и закрепить. Поиски более удачного варианта привели, в конце концов, к самой простой и, как оказалось, эффективной конструкции из двух "толстых" (025.. .30 мм) радиалов в виде одной трубы длиной 5,2 м (2х2,6м). Такой ПР позволяет, как будет показано ниже, использовать очень простую схему согласования и получить на пяти верхних диапазонах КСВ<1,3.

Длина радиалов такого ПР является резонансной на 10 - метровом диапазоне (10 м.д.), на всех остальных входное сопротивление противовеса Хпр будет емкостным. Экспериментально было определено, что на 20 м.д. Хпр = -j125, на 30 м.д. Xnp = -j170. и на 40 м.д, Xnp = -j280 Ом, на остальных диапазонах (12, 15 и 17 м.д.) Хпр не определялось за ненадобностью.

2.2. Рассмотрим антенну, которая состоит из "толстого" (диам. 30 мм) центрального вибратора (ЦВ) на 20 м.д., вокруг которого расположены на близком расстоянии проволочные вибраторы (ПВ) на диапазоны 10, 12, 15, 17 м, соединенные снизу с ЦВ, и "толстого" противовеса длиной 5,2 м. На 10 м.д. Хпр = 0, на 20 м.д. составляет -J125 Ом, на частотах диапазонов 12, 15, 17 м будут промежуточные, возрастающие (по абсолютной величине) значения. Диапазонные вибраторы должны иметь сопряженные значения входных реактивных составляющих: Хв=0 (10 м.д.), XB=+j125 (20 м.д.) и т.д.; их длины будут = 0.25Х на 10 м.д., больше четвертьволновой длины по возрастающей на 12, 15, 17 м.д., и около 0,31?. (Н = 6,7м) на 20 м.д., а активная составляющая RB будет изменяться по диапазонам от = 35 Ом на 10 м.д. до = 110 Ом на 20 м.д. При питании такой антенны кабелем РК-50 напрямую, удовлетворительное согласование (КСВ<1,5) на резонансных частотах можно получить на большинстве диапазонов, но высокий КСВ на 20 м.д. делает этот способ неприемлемым.

Почти идеальным согласующим устройством в этом случае может стать трансформирующий отрезок кабеля РК-75 с длиной Iкт = 0,25/\. для 20 м.д. Действительно, при включении между фидером РК-50 и входом антенны такого кабель-трансформатора (КТ), его выходное сопротивление будет на 20 м.д. 112,5 Ом (I^O^SX), на 10 м.д. - 50 Ом (1,^=0,5?.), а на диапазонах 12, 15, 17 м расчетные значения составят соответственно 55, 70 и 98 Ом, что достаточно хорошо согласуется с Ra по диапазонам. Конечно, следует учитывать, что при Lкт, не кратном 0,25Х, на его выходе появится также и реактивная составляющая (по диапазонам соответственно -J16, -J28, -J29 Ом), что не позволит получить хорошее согласование с чисто активной (резонансной) нагрузкой. Решение проблемы очевидно входное сопротивление антенны на этих диапазонах должно быть комплексно-сопряженным, т.е. иметь входную реактивность обратного знака J16, J28 и J29 Ом соответственно. На практике это достигается просто - небольшим (1 ...2%) удлинением ПВ (по сравнению с резонансным (для ПВ+ПР) значением) совмещают минимум КСВ с нужной частотой.

Экспериментальная проверка подтвердила, что на четырех диапазонах минимальный КСВ был в пределах 1,1... 1,3 при достаточной полосе пропускания, и только на 10 м.д, рабочая полоса антенны была значительно уже разрешенного диапазона и КСВ>1,5.

Проблему 10 м.д. можно решить, если вместо проволочного использовать "толстый" ЦВ, удлинив его до Н = 7,6 м (длина ЦВ - около 0,75Х). Ниже рассматривается, как улучшить 10 I/ д. и не потерять при этом 20-метровый.

2.3. Если к антенне с резонансной частотой f0, состоящей из вертикального вибратора высотой Н и противовеса, добавить сверху катушку LB с большим реактивным сопротивлением XL >900 Ом и дополнительную концевую секцию (КС), то антенна ста­нет резонировать на двух новых частотах - f1 и f2.

Частота f1 несколько выше fо, разница будет тем меньше, чем больше XL. При ХL = j1000 ом f1 = 1, 1f, при Х| = ]2000 f1=1,03 fo, и при XL=j3000 f1=1,01fo.

Значение f2 будет определяться величиной XL и длиной КС, и может быть в 2 и более раз ниже, чем f0.

Макетная проработка показала, что при Lв = 10...14 мкГн катушка может выполнять роль широкополосного нерезонансного трапа на частотах 14 МГц и выше, отсекая КС, и являться удлиняющей на частоте 7 МГц в комплекте ЦВ + Lв + КС, образующем "вертикал" на 40 м.д.

В этом варианте ЦВ, помимо 20 и 40 м.д., можно использовать также и на 10 м.д. Действительно, если при добавлении Lв и КС необходимо сохранить резонанс на fo, длину вибратора придется увеличить. Применительно к антенне по п.2.2, при использовании, к примеру, Lв = 10 мкГн, резонанс на fо = 14,15 МГц наступит при Н = 7,7м (вместо прежнего значения 6,7 м). При этом ЦВ (совместно с ПР) будет резонировать также и на fоо = 28.6 МГц (ПВ10, как ненужный отключен). Такое совпадение объясняется разной величиной сопротивления на частотах fo и foо, и соответственно, разном степенью влияния на резонансный размер ЦВ.

В реальной антенне с учетом использования ее на 40. 30 и 2 м.д., оптимальной будет величина индуктивности Lв = 13 мкГн. При такой Lв резонанс антенны на f =14.15 МГц наступит при Н = 7,3 м, при этом foo будет иметь слишком высокое значение - 29,5...30 МГц. Улучшить положение можно, включив на входе антенны (в цепи вертикала или противовеса) небольшую катушку из 2...3 витков (L10=0,15...0,2 мкГн), что приведет к смещению вниз f00 на 0,5...0,7 МГц на 10 м.д. и всего на 20...30 кГц на 20 м.д. Ниже рассмотрены варианты, при которых достигается оптимальное совмещение 10 и 20 м.д.

Входное сопротивление ЦВ на 10 м д. будет около 50 Ом, рабочая полоса частот перекроет весь диапазон. На 20 м.д. Ra увеличится незначительно, что объясняется специфической несинусоидальной кривой распределения тока на вершине ЦВ вблизи LB

2.4. "Вертикал" в составе ЦВ длиной около 7,3 м, катушки Lв=13 мкГн и КС длиной 2,2...2,4 м, имеет на 40 м.д. RB=60 Ом и Хв = j100 (проверка на макете показала, что эквивалентным является вертикал без катушки длиной 12 м). Расположенный на входе антенны кабель - трансформатор КТ имеет на 40 м.д. выходное сопротивление Z = 70+j28 Ом, следовательно, антенна должна иметь Za=70-j28. Противовес 2x2,6 м на 40 м.д. имеет слишком большое значение Xnp = -J280 Ом и должен быть дополнен устройством, которое позволило бы получить нужную величину Xпр = -j130, не меняя значений Хпр на других диапазонах. Варианты такого противовеса приведены на рис.3.а.

В этом варианте нужный эффект достигается увеличением длины радиала Р1 с помощью катушки LH и концевой секции КС1. LH выбирается с таким расчетом, чтобы на 14 МГц и выше она играла роль отсекающего трапа, а на 7 МГц была удлиняющей, и совместно с КС1 обеспечивала нужное значение X . Определение конкретных величин производилось экспериментально. Варьируя длину верхней КС (считая длину ЦВ и величину Lв уже определенными), а также длину КС1 и величину LH, можно найти значения, обеспечивающие КСВ<1,15. Вариации КС влияют в основном на Ra (величину КСВ), а настройка нижнего узла - на Ха (частоту минимума КСВ). Реальные значения: LH = 20...25 мкГн, длина КС1 - 1,4...1,6 м, длина КС - 2,2...2,4 м. Значение Lh не критично, окончательная настройка производится регулировкой КС1.

Первоначальная отработка этого и других вариантов производилась на макете; при переходе на реальную антенну (с учетом масштаба 10:1} по­лучено хорошее совпадение результатов.

Проверка ДН. произведенная на макете с помощью селективного микровольтметра STV-401, показала, что излучение в сторону КС1 - на 4 дБ, а в обратную - на 3 дБ выше, чем в перпендикулярном направлении.

b. Вариант рис.ЗЬ может быть применен там, где есть место для размещения дополнительного проволочного радиала РЗ длиной 2,7 м с концевой проволочной частью КС2 длиной 1,6...1,7 м. РЗ работает совместно с ПР в диапазонах 10...20 м, его реактивное сопротивление примерно в 4 раза больше, чем Хпр, поэтому вызванная его применением расстройка невелика и легко компенсируется. Величина LH и принцип действия этого варианта аналогичны предыдущему. РЗ следует располагать в плоскости, перпендикулярной противовесу. c. Вариант рис.Зс значительно отличается от предыдущих. Экспериментальной подборкой удалось найти такую длину дополнительного проволочного радиала Р4, при которой антенна нормально строится на 40 м.д. без дополнительных катушек. На верхних диапазонах низкое входное Хпр шунтирует более высокоомный вход Р4, поэтому параметры антенны на 10...17 м.д. практически не изменяются. Дополнительный положительный эффект этого варианта - сдвиг резонансной частоты 20 м.д. вверх на 0,25 МГц, что облегчает стыковку этого и 10 м.д. на ЦВ.

В таком варианте антенна оказывается работоспособной и в диапазоне 30 м. Примитивный анализ распределения напряжения вдоль ЦВ, который позволяет сделать СЛР, показывает, что если на 10 и 20 м.д. катушка LB четко отсекает КС, на 40 м.д. работает вся длина антенны, то на 30 м.д. возникает некое промежуточное состояние, т.е. часть антенного тока отражается от катушки, а часть проходит в КС. Измерения показали, что на этом диапазоне активная составляющая входа ЦВ - около 40 Ом. При длине Р4 около 8,05 м и LB=13 мкГн, сумма активных сопротивлений верхней и нижней частей антенны - около 100 Ом, а сумма реактивных разных знаков - около -J30 Ом, что хорошо согласуется с выходным сопротивлением КГ ZKT=90+j29 Ом. На 30 м.д. в излучении антенны будет значительная горизонтальная составляющая.

Таким образом, вариант с проще и интереснее предыдущих, но имеет 2 ограничения:

- нужно место для размещения Р4 длиной (с изоляторами) около 8,5 м;

- оптимальные параметры антенны достигаются при наклонном под = 40" к горизонту расположении Р4, что предполагает большую высоту основания антенны. При угле наклона = 20° КСВ на 30 м.д. возрастает до значения 1,4; на 20 и 40 м.д. ухудшения незначительны. Возможна такая вынужденная форма Р4, при которой большая часть радиала располагается под максимально возможным углом, а последние 2...3 метра отгибаются в удобном направлении.

Во всех вариантах, если позволяют местные условия, трубочный противовес может быть заменен четырьмя проволочными радиалами длиной по 2,7 м каждый, замена равноценная. В варианте Ь, где уже есть один проволочный радиал, можно обойтись тремя дополнительными.

Все описанные варианты проверены на практике и показали примерно одинаковые результаты.

Э.ГУТКИН(UТ1МА)

Радиолюбитель KB и УКВ 7/2000

материал подготовил А. Кищин (UA9XJK)