Всеволновая KB антенна "бедного" радиолюбителя
С.КАРФИДОВ, UT2LA, г.Первомайск.
"Тяжела ты, шапка Мономаха..." — в смысле бесправновного радиолюбителя-коротковолновика! При проектировании и эксплуатации своего "антенного поля" приходится постоянно лавировать на крохотном пятачке крыши между лифтовыми будками, шахтами вентиляции, всевозможными телевизионными, спутниковыми и прочими антеннами, различными кабельными коммуникациями, открытой проводкой радиовещания... К тому же, следует учитывать весьма пагубно действующую всесезонную "уборочную страду" [1] (hi!) и опасные стихийные явления природы — штормовые шквалы ветра, грозовую активность. А чего стоит, скажем, обледенение... Кстати, зимой 2011 г. с этим столкнулись многие радиолюбители средней полосы России. А ведь в Украине такие явления природы происходят ежегодно! Достаточно одного более или менее продолжительного дождя при "минусе" —даже без ветра — как тут же ваша красавица антенна, предмет былой гордости, прямо на глазах превращается в бесформенный обледенелый комок из искореженного металлолома, обломков стеклопластика и обрывков проводов!
Наверное, к стихиям же стоит отнести и налеты представителей родного коммунального хозяйства, а также прочих "органов, власть предержащих"? В первую очередь, естественно, это касается коротковолновиков, проживающих в стандартных многоэтажных домах.
Число счастливых обладателей капитальных и надежных суперантенн неуклонно растет, но пока не так высоко, как хотелось бы! В первую очередь капитал обычно тратится на приобретение "буржуйского аппарата", а на покупку фирменной антенны денег уже не хватает...
Что же тогда остается делать среднестатистическому отечественному радиолюбителю, у которого на крышу дома своего и доступа-то свободного зачастую практически нет? А ведь работать в мировом эфире хочется, да еще желательно не абы как, а с максимально возможной эффективностью.
Вот и изобретаются ("голь на выдумку хитра!") различные дешевые альтернативные варианты: оконные и балконные мини-конструкции, антенны "для экстренной работы" (hi!), "невидимые", "резервные", "одноразовые" — чуть ли не из тонюсенького медного проводка, "на пуговицах", как в эпоху "шпионской пятой категории"...
Выбрать оптимальную антенну, исходя из большого разнообразия форм и параметров, а также конкретных местных условий, не всегда достаточно просто. Все знают, что "хорошая антенна — лучший усилитель". Увы, далеко не все могут позволить себе иметь больше одной антенны, а уж по нескольку на каждый диапазон — вообще мечта... Кое-кто вынужден отказаться от работы, скажем, на соседнем с 7 МГц диапазоне 80 м только из-за того, что его "Инвертед" имеет там слишком высокий КСВ. Впрочем, к сожалению, бывает и так, что на согласование трансивера с антенной почти не обращается внимания. Лично сам знаю довольно курьезный случай, когда один коротковолновик, заменив старенького самодельного "Ла-повка" на импортный аппарат, "прицепил" его к привычной "веревке", наивно полагая, что "там же есть защита выходных транзисторов...".
В литературе неоднократно описывались "антенны бедного радиолюбителя" [2, 3], однако являющие собой далеко не самые простые и вовсе не дешевые конструкции. К сожалению, порой, по недосмотру авторов описаний, бывает, упускаются из виду и отдельные немаловажные детали — например, длина двухпроводной линии или материал мачты, которую иногда недопустимо выполнять металлической. Это затрудняет повторение конструкции неискушенными коллегами.
Начинающие (а, впрочем, чего греха таить, также и некоторые "заканчивающие", hi!) радиолюбители используют в основном простейшие антенны — "Delta Loop" диапазона 80 м (к тому же, часто имеющую неудачное расположение и запитанную как было удобнее по месту), "пресловутую" Inverted V да четвертьволновый Ground Plane... Для работы на других диапазонах (а желательно бы на всех!) может применяться то или иное согласующее устройство (СУ). Результаты работы антенны при этом, в зависимости от оптимизации на отдельном диапазоне, варьируются от очень хороших и до очень плохих. Кое-кто из коротковолновиков даже подбирает длину кабеля для "улучшения" КСВ...
Однако все же не стоит забывать о сути, о том, что никакое СУ, каким бы оно ни было хитроумным, не в состоянии уменьшить КСВ в фидере антенны. С его помощью можно добиться идеального согласования только лишь между нашей радиостанцией и самим СУ, расположенным на том же самом рабочем столе в шэке. Главный достигнутый эффект здесь в другом — передатчик, как говорится, "удалось обмануть", и выходной каскад выдаст всю возможную мощность. Но потери мощности непосредственно в самом фидере никуда не исчезли.
Как не раз отмечалось, обычный диполь с КСВ около 1, предназначенный для диапазона 80 м, на частоте 7 МГц (где он является уже волновым вибратором с входным сопротивлением около 4 кОм) будет иметь КСВ порядка 53, а в диапазоне 20 м получаем КСВ=57 [4]. Допустим, что с помощью некоего СУ удалось получить КСВ между трансивером и СУ и на этих диапазонах также равный 1. Но фидер-то все равно рассогласован с нагрузкой (излучателем). Применив двухпроводную линию, имеющую сравнительно низкие потери, на это можно было бы закрыть глаза, и все-таки с переменным успехом работать в эфире, но тут сразу возникает другая проблема — а как же конструктивно подвести ту самую открытую двухпроводную линию к столу оператора? Не будешь ведь то и дело выбегать на балкон к установленному там СУ! Если есть возможность пропустить проводники через окно — это прекрасно. А еспи нет? Да и стоит ли иметь возле своего рабочего места определенное ВЧ излучение? К тому же, СУ для симметричного фидера несравнимо сложнее конструктивно и в настройке, чем СУ для несимметричной нагрузки.
Предлагаемый вниманию читателей вариант антенной системы на основе давно опубликованной [5, 6] разработки Олега Сафиуллина, UA4PA, решает большинство поставленных вопросов. Такая антенна отнюдь не призвана заменить другие, гораздо более эффективные конструкции, но может заинтересовать тех радиолюбителей, которые не имеют достаточных ресурсов, свободной площади и подходящих опор для развешивания полотна антенны.
Многих начинающих коротковолновиков в базовом описании антенны UA4PA часто отпугивает необходимость установки на крыше вертикального штыря высотой 11,2 м и проблема расположения на ограниченном пространстве под ним противовесов такой же длины. Между тем, в журнале "Радио", в прежние годы едва ли не единственном источнике нужной для радиолюбителя информации, давно была предложена идея о применении данного способа согласования к диполю, имеющему практически любые размеры плеч [7,8]. При этом отмечалось, что за счет увеличения эффективной излучающей части такая антенна даже лучше относительно короткого вертикала работает на низкочастотных диапазонах, а также сам диполь может быть с успехом расположен и в виде Inverted Vee. На моей личной радиостанции (позывной в советское время — UB5LEW) почти 20 лет в качестве надежного резерва с успехом использовался простой наклонный луч длиной 35,5 м с питанием с конца, но при помощи соответствующего отрезка кабеля соединенный с аналогичным согласующим устройством [9].
Сама идея О.Сафиуллина получила дальнейшее развитие у других авторов [10, 11], а также довольно активно обсуждалась в радиолюбительских кругах и на соответствующих форумах в Интернете. Главным недостатком подобной антенны ее рьяные противники (впрочем, в основном "теоретики", даже не ставившие перед собой задачу практических испытаний конструкции) называли работу коаксиального кабеля в режиме стоячей волны — дескать, всем известные компьютерные программы при анализе потерь просто "приходят в ужас" (hi!).
Да, по-видимому, для сторонников QRO, любителей "закачать киловатт", эта антенна действительно не подходит — кабель может попросту расплавиться и выгореть.'.. Однако для многих коротковолновиков, довольствующихся стандартной колебательной мощностью импортного аппарата в 100 Вт, потери в кабеле, который функционирует в режиме 100% стоячей волны (в данном случае это же вовсе и не фидер, а часть самого антенного полотна, только лишь почти не излучающая!), отнюдь не так страшны, как их малюют!
Естественно, потери есть в любом реальном фидере, но их можно в какой-то мере снизить, используя, например, кабель с более высоким волновым сопротивлением или же лучшего качества.
Ранее я применял 100-омный кабель РК-100-4-31 диаметром около 8 мм с двойной оплеткой и омедненной стальной жилой, а в настоящее время — РК-75-7-11. Для того чтобы он, довольно толстый и упругий, не елозил по рабочему столу миниатюрным и легким коробком согласующего устройства, короткая часть линии вблизи СУ — длиной примерно до полуметра — вообще выполнена из тонюсенького RG-58.
Неоспоримое достоинство способа согласования, предложенного Олегом Сафиуллиным, — настройка всей антенной системы для работы на любом диапазоне непосредственно на рабочем столе коротковолновика. При этом между трансивером и СУ (а далее — начинается сама антенна!) легко достигается КСВ=1, т.е. выходной каскад выдаст "на-гора" все 100% положенной мощности, а единственный КПЕ позволяет при необходимости мгновенно подстроить антенну поточнее и на краях диапазонов.
К недостаткам такого СУ можно отнести лишь необходимость подбора отводов в катушке колебательного контура, а также ограниченность применения — исключительно с одной данной антенной в ее конкретном исполнении и расположении. Любые попытки применить готовое СУ с какой-либо другой антенной обязательно приведут к появлению определенного рассогласования, и неизбежно потребуется полная перенастройка всего устройства.
Отдельные радиолюбители, установив вертикальный излучатель высотой 11,2 м и подключив его через коаксиальный кабель произвольной длины и согласующее устройство Т-образного типа (например, фирмы MFJ), добились превосходных результатов. Что же, замечательно! Только не следует утверждать, что в данном случае яко-
бы используется "антенна UA4PA", не замечая при этом, что от самой идеи согласования "по Сафиулли-ну", кроме длины штыря, ничего не осталось...
Схема СУ приведена на рис.1 (для упрощения показаны отводы только для одного диапазона) и каких-либо особенностей не имеет — обычный параллельный колебательный контур (как и в оригинале антенны UA4PA) с индикатором протекающего в антенне тока. Сравнивая предлагаемое СУ с широко распространенными Т-образными, Г-образными и П-образными согла-сователями, легко заметить выигрыш по эргономичное™ (один переключатель диапазонов да всего одна ручка плавной настройки) и по габаритам. Впрочем, как говорится, и тут возможны варианты, вплоть до применения роликовых вариометров [11].
Рис. 1
Сама антенна (рис.2) представляет собой "уроненную вниз" одним концом известную конструкцию G5RV [12] с двухпроводной воздушной линией. Размеры вибратора (материал — биметалл медь/сталь 02 мм) — общей длиной около 31 м—выбраны исходя из имеющихся возможностей размещения на местности. Верхняя часть непосредственно активного полотна представляет собой некое подобие вертикала (к сожалению, в какой-то степени приближенного верхним концом к стене панельного девятиэтажного дома — а куда тут денешься?), а вторая половина — соответственно, противовеса. Двухпроводная линия, идущая к балкону, и далее, без каких-либо ухищрений, сам кабель (естественно, с учетом коэффициента укорочения) дополняют длину всей системы до требуемых 42,5 м.
Рис. 2
Размеры линии — длина каждого проводника по 10,4 м, материал — медный провод 01,8 мм, изоляционные распорки, установленные через каждые 30 см, выполнены из листового фторопласта толщиной 3 мм. Расстояние между проводниками не критично, и для волнового сопротивления 200 — 400 Ом находится в пределах 50 — 150 мм (в моей антенне — 50 мм).
При этом: а) отсутствуют дополнительные потери на участке "балкон — центр полотна" за счет замены коаксиального кабеля воздушной линией, и б) имеется достаточно комфортное продолжение антен-но-фидерного устройства непосредственно по квартире (в моем случае — в следующую от балкона комнату) коаксиальным кабелем.
Единственный критичный параметр — это необходимая длина отрезка кабеля от двухпроводной линии до СУ, которая рассчитывается по формуле:
где: lкаб — длина кабеля, м;
lиз — длина излучателя в метрах, которая в данном случае складывается из длины половины примененного диполя (15,5 м) и длины проводника двухпроводной воздушной линии (10,4 м), т.е. общая длина составляет 15,5+10,4=25,9 м;
е — коэффициент укорочения, для большинства отечественных кабелей с изоляцией центрального проводника из стабилизированного полиэтилена е =1,51.
Таким образом, в моем случае длина кабеля составляет:
Излишек в любом удобном месте можно свернуть в бухту. Сам О.Сафиуллин указывал в [6] на желательность применения кабеля с более высоким волновым сопротивлением (для снижения потерь), а также на возможность подстановки в формулу вместо значения 42,5 логически напрашивающихся кратных величин в 85 или же 21,3 м (в последнем случае антенна будет работать только в диапазонах от 40 до 10 м), а в [13] — и на довольно большую допустимую погрешность при выборе длины кабеля — ±10-15%! <
Конструкция согласующего устройства
Размеры примененного мной корпуса СУ невелики — всего лишь 190x125x70 мм, и он весьма гармонично смотрится в комплекте с трансивером Yaesu FT-897. Для достижения желаемой малогабарит-ности устройства я сознательно отошел от классически принятых канонов, уменьшив расстояние
между катушками и стенками корпуса в ущерб некоторой доле эффективности. Конструкция СУ показана на рис.3 — 6.
Рис. 3
Рис. 4
Рис. 5
Рис. 6
Переключатель SA1 (рис.1) — обычный ПГК, 11П4Н (11 положений, 4 направления). КПЕ С1 — с максимальной емкостью около 150 пФ. Можно применить КПЕ с большей максимальной емкостью, а то и вообще отказаться от дополнительных конденсаторов и галеты SA1.4, но при этом следует иметь в виду, что настройка контура станет значительно "острее".
Кстати, даже при небольшой мощности возбуждения напряжение на колебательном контуре может достигать значительной величины. Дополнительно "пристегиваемые" конденсаторы при подводимой мощности порядка 100 Вт (импортный трансивер либо UW3DI с выходным каскадом на лампе ГУ-29 и т.п.) должны иметь рабочее напряжение не ниже 2 кВ (обычные КСО-3 с напряжением до 500 В "прошивает").
Остальные детали обозначены на принципиальной схеме или видны на фото согласующего устройства и дополнительных пояснений не требуют.
Катушки для СУ каждый радиолюбитель свободно подберет из любых имеющихся в наличии с близкими параметрами — они абсолютно не критичны, общее количество витков вполне можно "прикинуть на глаз", исходя из самого низкочастотного требуемого диапазона, а отводы будут подобраны в процессе настройки. В подходе к выбору моточных изделий следует руководствоваться одним — желательно добиться как можно более высокой добротности катушки. Если есть возможность, катушки целесообразно выполнить из посеребренного провода (хотя бы L1).
Данные катушек индуктивности: L1 намотана на керамическом ребристом каркасе (а можно и без него) диаметром 32 мм и содержит 8 витков посеребренного провода 02,2 мм, намотка с шагом 5 мм; L2 намотана на керамическом каркасе 060 мм и содержит 23 витка провода ПЭВ-2 диаметром 1,2 мм, намотка с шагом 1,8 мм.
Переключаемые по диапазонам отводы от катушек, считая от верхнего (по схеме) вывода (указано их приблизительное положение), а также емкости подключаемых на низкочастотных диапазонах дополнительных конденсаторов приведены в таблице.
|
3,5 МГц |
7 МГц |
10 МГц |
14 МГц |
18 МГц |
21 МГц |
24 МГц |
28 МГц |
|
|
SA1.1 |
От 4-го витка L1 |
От 6-го витка L1 |
От 4-го витка L1 |
От 3-го витка L1 |
От 6-го витка L1 |
От 4-го витка L1 |
От 3-го витка L1 |
От 2-го витка L1 |
|
SA1.2 |
От 4-го витка L2 |
От 4-го вит-KaL2 |
От 4-го витка L2 |
От 4-го витка L1 |
От 3-го витка L1 |
От 3-го витка И |
От 3-го витка L1 |
От 3-го витка L1 |
|
SA1.3 |
— |
От 18-го витка L2 |
От 12-го вит-KaL2 |
От 8-го витка L1 |
От 8-го витка L1 |
От 6-го витка L1 |
От 5-го витка L1 |
От 4-го вит-каИ |
|
SA1.4 |
430 пФ |
220 пФ |
150 пФ |
— |
— |
— |
— |
— |
Настройка
После заделки разъемов, вооружившись терпением, пинцетом и паяльником, можно приступать к настройке СУ. На первоначальном этапе с помощью элементарных измерительных приборов — ГСС и лампового вольтметра, либо ГИРа — желательно подобрать отводы контура по диапазонам при среднем положении ротора КПЕ и отключенном от СУ передатчике. Затем,контролируя КСВ по включенному между трансивером и СУ КСВ-метру либо посматривая на запрятанный в "буржуйский" аппарат ЖКИ, подбирается согласование 50-омного выхода передатчика с контуром, т.е. отвод делается в той точке, где входное сопротивление будет около 50 Ом. При этом следует учитывать, что, скорее всего, может потребоваться и подбор точки включения в контур кабеля антенны на каждом отдельном диапазоне. Физические принципы компенсации реактивности антенны на различных любительских диапазонах с помощью параллельного колебательного контура и подробная методика настройки всей системы достаточно доходчиво освещены в [6, 10].
Конкретно все налаживание СУ не составляет особого труда и вполне доступно даже начинающему коротковолновику (в этом случае для простоты и приобретения начального опыта можно ограничиться одним диапазоном — 80 или 40 м). А в итоге радиолюбитель получает простую, дешевую, малозаметную и труднодоступную для посторонних людей коротковолновую антенну, позволяющую даже в стесненных городских условиях неплохо работать в эфире на всех любительских KB диапазонах!
Кстати, в диапазоне 160 м параллельный контур СУ у меня не используется, т.к. вибратор при имеющейся длине в 42,5 м является полуволновым только для 3,5 МГц. Примерно равный по длине четверти волны на 1,8 МГц, он согласовывается с помощью последовательно включенной небольшой дополнительной катушки (каркас — 025 мм, провод ПЭВ-2 — 01,5 мм, 18 витков, намотка — виток к витку). Для большей эффективности следует настроить и сам контур СУ на 160 м, при этом либо включить специальную удлинительную индуктивность между контуром и разъемом для кабеля, либо в формуле для расчета длины кабеля применить исходную цифру 85 м. В этом случае методика настройки СУ на 1,8 МГц будет аналогична другим диапазонам.
Результаты
И, в заключение, несколько слов об эффективности антенны. За счет наклонного расположения вибратора, в какой-то степени приближающегося к вертикали,значительная составляющая излучения в диаграмме направленности приходится на прижатый к земле лепесток, что благоприятно для проведения дальних радиосвязей. При установке антенны возможны любые практически осуществимые вариации как с пространственным расположением и длиной элементов в любом конкретном месте, так и с размерами согласующей линии — главное, лишь бы общие габариты вписывались в формулу.
Любители компьютерных расчетов могут смоделировать ожидаемые диаграммы направленности, а также посчитать КПД антенны и "недопустимые потери" в кабеле (hi!).
В процессе настройки СУ на трансивере FT-897 с выходной мощностью 100 Вт в диапазоне 1,8 МГц были проведены радиосвязи с OH3XR, UA9KAA, LA3XI; в диапазоне 3,5 МГц — с UA0WB, RK0UT, Е7ЮК9™;вдиапазоне7МГц — с 4S7AB, P40L, VQ9JC; в диапазоне 10 МГц — с 9M6XRO/P, TS7TI, OY6FRA; в диапазоне 14 МГц—х КН6МВ, 9Q50ON, WH0DX (с первого вызова!), в диапазоне 18 МГц — с KH0/KT3Q, ZS6X, 9М2ТО, в ди-апазоне 21 МГц — с BD6JJX; BD1ISI, HS0ZEE; в диапазоне 24 МГц — с VQ9LA, 5Р5Х, EX8MLE; в диапазоне 28 МГц — с 4J9M, OG20YL, IK2SND.
Справедливости ради отмечу, что все радиосвязи — телеграфные, поскольку из всех других видов излучения я предпочитаю именно этот.
Антенна в ежедневной практической работе на всех любительских диапазонах полностью оправдала ожидаемые рабочие характеристики и позволяет проводить уверенные радиосвязи со всеми континентами и различными экспедициями, не испытывая особой потребности в дополнительном усилителе мощности. Впрочем, исключив из схемы сравнительно слаботочный тумблер (здесь он применен сознательно, для удобства коммутации заземления антенны) и увеличив электрическую прочность КПЕ и катушек, вполне допустимо увеличить колебательную мощность передатчика до 300 — 500 Вт. Аналогичный вариант конструкции [9] длительное время эксплуатировался автором совместно с разными усилителями на лампах ГУ-50 (от 2 до 4 шт.), при этом сколько-нибудь заметного, а уж тем более, существенного нагрева кабеля, а также помех телевидению совершенно не наблюдалось.
При соответствующей настройке данное согласующее устройство можно с успехом применить и с другой антенной (например, Delta Loop) для повышения эффективности ее согласования при работе на всех любительских диапазонах.
Литература
1. И.Казанский, UA3FT. "Браво, радио!". — Радиомир. KB и УКВ, 2010, №10, С. 12.
2. И.Иващенко, RZ6ARF. Антенны "бедного" радиолюбителя. — Радиомир. KB и УКВ, 2001, №12, С. 31.
3. Ю.Басин, UF6VAI. Антенна "нищего" радиолюбителя. — Радиолюбитель, 1991, №8, С. 42.
4. В.Башкатов, US0IZ. Просто об антеннах, или измеряем КСВ. — Радиомир. KB и УКВ, 2001, №12, С. 32.
5.0.Сафиуллин, UA4PA. Пятиди-апазонная вертикальная антенна. Радио, 1969, №9, С. 25.
6. Наша консультация. Ответы на вопросы по статье О.Сафиул-лина "Пятидиапазонная вертикальная антенна". — Радио, 1972, №7, С. 61.
7. В.Кононов, UY5VJ. Пятидиапа-зонный диполь. — Радио, 1974, №7, С. 59.
8. В.Яшихин, UA4LBA. Вседиапа-зонный диполь. — Радио, 1976, №3, С. 27.
9. С.Карфидов, UT2LA. Записки старого радиста. — Радиомир. KB и УКВ, 2009, №9, С. 5.
10. В.Коротышкин, UA4QM. Компенсационный способ согласования антенн на КВ. — Радиодизайн, №24, С. 71.
11. В.Пахомов, UA3AO. Согласующее устройство для антенны UA4PA — универсальный согла-сователь для других антенн. — Радиодизайн, №23, С. 85.
12. Многодиапазонная антенна G5RV. — Радиомир. KB и УКВ, 2008, №1, С. 38; №2, С. 38; №3, С. 38; №4, С.40.
13.О.Сафиуллин, UA4PA. Многр-диапазонный вертикал. — Радиодизайн, №22, С. 81.
14. В.Гладков, RW4HDK. "Муль-тибендер" из вертикала на 40 м. Радиодизайн, №17, С. 67.
15. О.Игнатов, RA3GU. К антенне О. Сафиуллина, UA4PA. — Радиодизайн, №18, С. 84.
16. Коротышкин, UA4QM. Мобильная антенна для RDA экспедиций на 20 и 40 метров. — Радиодизайн, №24, С. 74.
РЛ KB и УКВ 7/2011