МНОГОДИАПАЗОННАЯ ВЕРТИКАЛЬНАЯ АНТЕННА

 Одним из вариантов создания многодиапазонных антенных систем считается объединение в единое целое нескольких одиночных антенн. Выбор, именно, такой схемы построения многодиапазонной антенны был продиктован следующими соображениями:

1. Антенна должна быть проста в изготовлении и настройке;

2. Она должна обеспечивать надежную грозозащиту, ее конструкция должна быть надежна при эксплуатации и, она не должна занимать много места;

3. Обеспечивать оптимальное согласование каждого из диапазонов с коаксиальным кабелем любого волнового сопротивления;

4. На каждом из диапазонов должна обеспечивать одинаковое усиление, иметь схожие диаграммы направленности и относительно малые углы излучения по отношению к горизонту для проведения дальних связей.

За основу одиночной антенны выбран полуволновой вертикальный вибратор с согласованием. Антенна не содержит противовесов, кроме самого низкочастотного, и высота установки над землей не влияет на качество согласования.

Рассмотрим процесс трансформации однодиалазонной антенны или объединение однодиапазонных антенн в многодиапазонную. Вполне реально установить металлическую мачту высотой 14 метров. Наиболее близкорасположенным является любительский диапазон 20 метров (14 МГц). Реальная длина полуволнового вибратора для середины этого диапазона определится из соотношения

1. = 143 / F  ;  L = 143 / 14150  ;  или L = 10,1 метра

Длина полуволнового согласующего устройства будет, соответственно, 10,1 / 2 = 5,05 метра. Общая длина антенны составит 10,1 + 5,05 15,15 метров. При такой высоте, мачту желательно собрать из труб разного диаметра, по типу телескопической антенны, для придания необходимой жесткости. В зависимости от используемых труб, будет и разный коэффициент укорочения. Кроме того, на мачте по всей ее длине могут быть расположены дополнительные детали антенн, лестничные ступеньки и узлы крепления оттяжек, рис. 1. Их наличие приведет к дополнительной коррекции коэффициента укорочения, и эта цифра в каждом конкретном случае окажется разной.

Зададимся высотой мачты 14,5 метра, если же потребуется удлинить вибратор при настройке, это всегда можно сделать с помощью емкостной нагрузки. Все неоднородности на мачте, с одной стороны, приводят к уменьшению линейных размеров (высоты антенны), с другой - ток в вибраторе распределятся более равномерно.

Представим себе, что на том же вибраторе мы сможем расположить точно такую же по своему построению антенну, но более высокочастотного диапазона. Например, на диапазон 144 МГц. В первую очередь, нас интересует, какое влияние окажет одна антенна на другую. для диапазона 144 МГц антенна 20-метрового диапазона является, всего лишь, не сущей конструкцией и ни какого влияния на параметры антенны 2-метрового диапазона не окажет. для диапазона 14 МГц антенна 2-метрового диапазона является неоднородностью на полотне вибратора, и работает, как емкостная нагрузка, немного укорачивая линейные размеры вибратора.

Таким образом, емкостная нагрузка позволяет уменьшить длину вибратора, не ухудшая его направленных свойств. Из вышеизложенного, можно сделать такой вывод — если антенны не оказывают влияния друг на друга, мы вправе их объединить. Каждая из антенн имеет свой кабель питания, проходящий внутри трубы-мачты. Количество диапазонов ограничивается только конструктивными соображениями, согласующие транс форматоры не должны мешать друг другу. Просматриваются варианты; 144, 29, 21, 14 или

430, 144, 50, 29, 21, 18, 14 МГц. Согласующие трансформаторы близлежащих диапазонов удобно размещать по разные стороны мачты под углами 1 80 или 120 градусов. для диапазонов УКВ верхняя часть антенны (мачты) делается из дюралюминиевой трубы, на диапазонах ниже 30 МГц допускается применение стальных труб, так как потери в проводнике на низких частотах незначительны.


Рис. 1. Многодиапазонная антенна EW8AU

На одной металлической мачте размещаются несколько “U-pole” вертикальных полуволновых антенн.

            Четвертьволновой трансформатор может быть изготовлен из различных профилей (полоса, квадрат, уголок). Ширина профиля примерно равна диаметру трубы мачты.

Для диапазонов 144 и 430 МГц возможно построение коллинеарных антенн с J- согласованием. Четвертьволновые согласующие устройства для каждого из диапазонов устанавливаются по предварительной раз- метке. Точное их положение определится в процессе настройки. Поэтому в местах вывода РК кабеля из трубы, делаются не круглые отверстия, а продольные пазы.

Настройка

Для настройки антенны используется ГИР или специальный ВЧ мост. Она производится последовательно - от высокочастотного диапазона к низкочастотному. Верхняя секция (УКВ диапазоны) может настраиваться отдельно на земле. Помните, антенна не зависит от установочной высоты. Точка включения коаксиального кабеля в согласующий трансформатор примерно 1:10.

Чтобы антенну правильно настроить, кабель каждого диапазона обязательно должен быть длиной 0,5лk или кратным этой величине.

Настройка антенны

Настройка производится в следующей последовательности. К кабелю соответствующего диапазона подключается ВЧ-мост. Переменный резистор моста устанавливается в положение 50 или 75 Ом, в соответствии с используемым кабелем. Изменяя частоту генератора ВЧ моста, по минимуму показаний индикатора, определяется резонансная частота вибратора. Перемещая трансформатор согласования ниже или выше, нужно добиться резонанса на требуемой частоте. Определив его, на этой же частоте измеряется входное сопротивление антенны. На самом деле оно не измеряется, а устанавливается, за счет сдвига точки питания на четвертьволновом согласующем устройстве. Стрелка индикатора ВЧ- мо ста должна уйти (упасть) на нулевую отметку. Если стрелка индикатора не доходит до нулевой отметки, значит, присутствует некоторая реактивность, которую требуется скомпенсировать, увеличением или уменьшением четвертьволнового отрезка согласующего трансформатора.

При изготовлении отрезка трубы для трансформатора, его нужно сделать немного длиннее расчетной. Настроив один диапазон, переходим к следующему, и так далее. Расстояние между мачтой и четвертьволновым отрезком согласующего трансформатора некритично. При большом расстоянии трансформатор начинает излучать, что в свою очередь приводит к потерям, при очень малом расстоянии - возникают потери в изоляторе. На конце замкнутой четвертьволновой линии со стороны разомкнутого конца развивается напряжение большой амплитуды, примерно в 10 раз больше, чем в точке подключения кабеля. При мощности 100 Вт на нагрузке, ВЧ напряжение составит около 90 вольт.

Если установить изоляторы из фторопласта, расстояние между мачтой и четвертьволновым отрезком можно сделать около 4 см. С этой антенной можно работать на диапазоне 7 МГц, с использованием гамма согласующего устройства. Только для этого диапазона придется установить противовесы. В отличие от других диапазонов на сороковке антенна работает, как четвертьволновый заземленный вибратор.

К недостаткам рассматриваемой конструкции можно отнести сравнительно большую высоту мачты и большой расход коаксиального кабеля. Если антенна расположена близко от радиостанции, кабели 5-б диапазонов заводятся, непосредственно, на рабочее место, если далеко, то у основания антенны устанавливается релейный коммутатор, от которого отходит только одиночный согласующий кабель.

К достоинствам антенны относится достаточная простота в изготовлении, отсутствие сосредоточенных 1С элементов. Качественная настройка снижает требования к электрической прочности коаксиального кабеля. При КСВ 1,0... 1,2 можно использовать коаксиальный кабель небольшого диаметра. Например, кабель с полиэтиленовой изоляцией РК-50- 4-11 нормально работает на мощностях до 400 Вт на частоте 100 МГц; с кабелем РК-75-4- 11 до 380 Вт. Кабель с фторопластовой изоляцией РК 50-4-21 на частоте 100 МГц выдерживает до 1,5 кВт, РК-75-4-21 до 1 ,3 кВт. Поэтому в трубах даже небольшого диаметра может разместиться достаточное количество отдельных коаксиальных фидеров.

Конечно, скептики станут подсчитывать затухание в ко аксиальном кабеле малого диаметра, забывая, что антенны с КСВ З уже обладают затуханием З дБ, плюс затухание в самом кабеле. Более того, значения КСВ > З еще больше увеличивает затухание.

Первоначально макетирование этой антенны проводи лось на высоких частотах. Напрашивается вывод, — если антенна хорошо настраивается и работает “наверху”, то при переходе в низкочастотную область результативность будет еще лучше. Стендовые испытания проводились при бором Р4-37 — измерителем комплексных коэффициентов передач. Совмещались диапазоны 800—600—400—350—200 МГц. Главное в антенной технике не изобретать велосипед, а пользоваться хорошо зарекомендовавшими себя конструкциями, доступными в понимании и настройке.

Вертикальный полуволновой вибратор с согласованием позволяет запитать направленную антенну “волновой канал”, без установки вращающихся переходов. Это актуально в диапазоне УКВ. Известно, что в диапазоне 430 МГц вращающиеся переходы обладают плохим КСВ, а также существуют проблемы с герметизацией, износом токосъемников и т.п.

Рис. 2.

Сама идея заключается в том, что мы вправе отнести от мачты не четвертьволновый отрезок трансформатора, а сам вибратор, рис..2. Схема питания антенны при этом не нарушается. Внутрь вибратора можно поместить вал привода и вращать антенну относительно постоянно закрепленного вибратора. В самой трубе вибратора по краям устанавливаются подшипники. горизонтальная часть антенны (бум) делается из диэлектрика. Хорошие результаты получаются, используя лыжную палку из стеклопластика. Рефлектор и директоры делаются также из стекло пластика - тонких трубочек от телескопических удочек. Эти элементы вклеиваются “на эпоксидку” в бум. для создания проводящего слоя на эти элементы наклеивается тонкая алюминиевая фольга, требуемой длины. Со стороны рефлектора в бум вклеивается дополнительный груз для балансировки антенной системы.

Получается очень легкая конструкция, которую легко вращать без редуктора и двигателя - только самим сельсином. Можно найти сельсины с усилием на валу, достаточным для этих целей. Такую антенну можно разместить на многодиапазонной вертикальной антенне, с учетом того, что управляющий кабель помещается внутрь основной трубы-мачты, рис.3.

Рис. 3.. Направленная антенна “волновой канал” с фиксированным вибратором