ВЕРТИКАЛЬНАЯ МНОГОДИАПАЗОННАЯ АНТЕННА VMA-9NP
Эрнест ГУТКИН (UT1MA)
Многие радиолюбители, проживающие в городе, нередко вынуждены ограничиться использованием одной многодиапазонной антенны. Антенна, о которой рассказывается в этой статье, работает на восьми из девяти любительских KB диапазонов и даже на выделенном в некоторых странах СНГ для любительской радиосвязи УКВ диапазоне 6 метров. Обладая вполне приличными характеристиками, она может стать решением антенной проблемы для многих коротковолновиков.
Антенна предназначена для работы (преимущественно с DX) на всех любительских диапазонах от 6 до 80 метров и представляет собой дальнейшее развитие антенны VMA-7, которая была подробно описана в [1, 2]. Питают антенну кабелем РК50. КСВ в пределах большинства диапазонов не превышает 1,5, причем в диапазоне 80 метров она имеет две области согласования: одну - в CW, а другую - в SSB участке. Допустимая мощность - не менее 1 кВт. Высота антенны - около 11,5м, она имеет пять проволочных радиалов длиной от 7,5 до 8,5 м.
Рис. 1
Конструкция антенны показана на рис. 1 (не в масштабе). Вертикальная ее часть содержит:
- центральный вибратор ЦВ с емкостной нагрузкой ЕН1 (элемент регулировки), работающий на диапазонах 10, 20 и 30 метров. Снизу ЦВ соединяется с разъемом XS1 100 мм проволочной перемычкой;
- катушку LB, выполняющую на высокочастотных диапазонах роль широкополосного заграждающего (отсекающего) элемента и являющуюся удлинительной на диапазонах 40 и 80 метров;
- концевую секцию КС40 с элементом регулировки ЕН2, которая совместно с ЦВ и LB образует вибратор на диапазон 40 метров;
- катушку L80, которая работает как отсекающий элемент на диапазоне 40 метров и как удлинительная на диапазоне 80 метров;
- концевую секцию КС80, которая совместно с UB+LB+KC40+L80 образует вибратор на диапазон 80 метров;
- три проволочных вибратора ПВ на диапазоны 12, 15 и 17 метров, в точке соединения которых с ЦВ включены небольшие регулировочные катушки L12, L15 и L17 (вибратор ПВ17 используется также и на диапазоне 6 метров).
Горизонтально-наклонная часть антенны содержит:
- 4 проволочных радиала Р1-Р4 одинаковой длины, образующих противовес на диапазонах 10, 12, 15, 17 и 20 метров;
- радиал Р5 для диапазонов 30 и 40 метров;
- 3 катушки L3,5 и одна L3,8, работающих как удлинительные на диапазоне 80 метров и как заграждающие на диапазонах 10-20 метров;
- концевые секции КС3.5 и КСЗ,8, определяющие настройку антенны в районе частот 3,5 и 3,8 МГц;
- радиал Р6, образующий совместно с ПВ17 и L17 антенну диапазона 6 метров.
Упомянутое выше применение катушек, как элементов двойного назначения (отсекающих и удлинительных), автор "подсмотрел" в антенне MFJ-1798. Поскольку никакого поясняющего и, тем более, расчетного материала в литературе обнаружено не было, пришлось провести несложные исследования [1,2]. По сравнению с резонансными LC-трапами потери в таких катушках меньше, выше электрическая прочность, допустима меньшая точность изготовления.
Более наглядно конфигурация антенны на каждом из диапазонов в отдельности приведена на рис. 2. Сплошными линиями показаны рабочие части антенны, штриховыми - влияющие на настройку, но в излучении не участвующие. Остальные элементы имеют такие длины, что их входное сопротивление велико, затекающий в них ток мал и влияние на рабочую часть антенны незначительно.
Рис.2
На диапазоне 6 метров вертикальный излучатель образован вибратором ПВ17, длина которого на этом диапазоне близка к 5l/8, а второй половиной антенны является радиал Р6 (катушка L17 принципиально необходима). Входное сопротивление ЦВ на диапазоне 6 метров низкое, и чтобы исключить его влияние, применен защитный шлейф ЗШ длиной ~0.25l, препятствующий прохождению тока в ЦВ (ЗШ образован проводником "ЗШ" и прилегающим участком ЦВ между точками тип).
На диапазоне 10 метров длина ЦВ с ЕН1 близка к 0,75l, а длина каждого из четырех радиалов противовеса ~0,25l.. ЗШ на этом диапазоне имеет малую длину (0,14Л.) и создает в точке п небольшое индуктивное сопротивление Xзш. Меняя положение провода ЗШ по отношению к ЦВ, можно изменять Хзш от единиц до нескольких десятков Ом, что приводит к сдвигу резонансной частоты антенны от ~30 МГц (ЗШ вплотную к ЦВ) до ~28,2 МГц (ЗШ отогнут максимально). При любом из этих положений ЗШ обеспечивается достаточная защита на диапазоне 6 метров.
На диапазонах 12, 15 и 17 метров используются соответственно вибраторы ПВ12, ПВ15, ПВ17 и общий противовес из радиалов Р1-Р4. Так как длины радиалов меньше 0,25l, этих диапазонов, то для получения резонансной настройки электрические длины ПВ должны быть больше 0,25l. Катушки L12-L17 на рис. 2 условно не показаны.
На диапазоне 20 метров длина вертикального излучателя (ЦВ+ЕН1) - около 0,34l. Расположенные рядом ПВ (в основном самый длинный ПВ17) несколько понижают резонансную частоту антенны, а катушка LB ее повышает. Изменение положения ЗШ влияет незначительно.
На диапазонах 30 и 40 метров размеры противовеса Р1-Р4 слишком малы для эффективной работы, роль нижней излучающей половины антенны выполняет радиал Р5. Эквивалентная электрическая длина излучателя на диапазоне 40 метров (ЦВ+LВ+КС40+ЕН2) - около 12м. Совместно с Р5 получается антенна полуволновой длины, похожая на повернутую антенну Inverted V, но с несимметричным расположением точек питания. Аналогичное положение на диапазоне 30 метров с той разницей, что длина горизонтальной части (Р5) больше длины вертикальной, поэтому в излучении на этом диапазоне будет значительная горизонтальная составляющая.
"Изюминкой" VMA-9NP, не имеющей аналогов среди антенн этого класса, является способность работать в обоих DX-окнах диапазона 80 метров (CW и SSB) без механической и электрической перестройки. В фирменных антеннах перестройка в пределах диапазона 80 метров осуществляется механическим способом, например, изменением длины верхушки антенны (R7000+ и др.), сменой специального конденсатора наверху антенны (GAP TITAN), изменением длины спиц емкостной нагрузки (MFJ-1798) и т. д. Поскольку такая операция связана с демонтажом антенны, то обычно настройка осуществляется "раз и навсегда".
Особенности антенны на диапазоне 80 метров.
1. Вертикальный размер определяется высотой антенны диапазона 40 метров, т. е. до катушки L80. Длина КС80 зависит от величины индуктивности катушки L80, принят минимально возможный размер, позволяющий получить удовлетворительные результаты.
2. Широкополосность антенны существенно зависит от длины радиалов. Приняты максимально возможные длины 7,5...8,5 м, позволяющие компактно расположить ее на стандартной крыше с поперечным размером ~11 м.
3. В VMA для двухчастотной работы используются радиалы разной комплектации (настройки). Радиал Р3,8 (P1+L3,8+KC3,8) работает в районе частоты 3,8 МГц и совместно с радиалами Р3,5 - на нижнем краю диапазона.
Способы согласования
Антенны высокочастотных и низкочастотных диапазонов в VMA-9NP построены по-разному, поэтому разнятся и способы достижения согласования. На диапазонах 10 - 20 метров антенны представляют собой GP с одним общим противовесом. Их входные сопротивления Pвx увеличиваются последовательно от ~50 Ом на диапазоне 10 метров до ~110 Ом на диапазоне 20 метров. Для согласования с фидером с волновым сопротивлением 50 Ом на входе антенны применен кабельный трансформатор КT из отрезка кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом длиной ~0,25l на диапазоне 20 метров. Выходное сопротивление КТ хорошо согласуется с Rвх антенны на пяти высокочастотных диапазонах. Правда, на диапазонах 12, 15 и 17 метров на выходе КТ будет также и реактивная составляющая, и для ее компенсации длины ПВ этих диапазонов выбираются на 1...2% больше резонансного размера.
Антенны низкочастотных диапазонов представляют собой резонансные диполи с разной степенью укорочения за счет включения в них катушек. В центре диполя, как известно, напряжение U минимально, ток I максимален и Rвх=U/I минимально. При смещении точек питания от центра напряжение U возрастает, а ток I уменьшается. Соответственно возрастает и Rвх. За счет асимметричного питания можно получить нужное значение Rвх даже в сильно укороченной антенне.
Поскольку трансформатор КТ продолжает действовать и на низкочастотных диапазонах, Rвx антенны приходится выбирать с учетом его действия. Согласование по входу на верхнем краю диапазона 80 м достигается за счет того, что электрическая длина вертикального излучателя больше, чем радиала, т. е. питание несимметрично. Подбором номиналов элементов L80, КС80, L3,8 и КС3,8 создается такая степень асимметрии, при которой получается нужная величина Rвx. Радиалы Р3,5 настроены значительно ниже по частоте, и их подключение - отключение практически не влияет на настройку антенны в районе частоты 3,8 МГц.
По другому достигается согласование в нижней части диапазона. За счет соответствующей настройки Р3,5 можно было бы получить второй резонанс антенны на частоте 3,5 МГц, но Rвx при этом будет слишком малым. Принятый способ заключается в том, что частота настройки Р3,5 выбирается выше с таким расчетом, чтобы совместное действие Р3,5 и Р3,8 обеспечили резонанс на частоте 3,51 МГц. Включение параллельно ветви Р3,5 с индуктивным входным сопротивлением ветви Р3,8 с емкостным сопротивлением действует таким образом, что общее входное сопротивление нижней части антенны, оставаясь индуктивным, возрастает по величине. Также возрастает и активная составляющая входа (сопротивление излучения + сопротивление потерь). Физика процесса заключается в том, что токи в Р3,5 и Р3,8 почти противофазны и за счет влияния Р3,8 в районе частоты 3,5 МГц суммарный входной ток нижней части антенны уменьшается, что равносильно увеличению Rвх системы радиалов и всей антенны.
Возможные варианты осуществления радиалов для диапазона 80 метров приведены на рис. 3,а-г.
Рис.3
Рис. 3,а - Уменьшается число радиалов Р3,5 с сопутствующим уменьшением рабочей полосы частот, длина КСЗ,5 также уменьшается.
Рис. 3,6 - Антенна используется совместно с жестким противовесом [1, 2], величины L3,5, L3,8 - без изменений, длины КС3.5 и КСЗ,8 уточняются на месте, угол наклона КС устанавливается по наилучшему согласованию.
Рис. 3,в - Наиболее компактный вариант. Роль КС выполняют "крест" из четырех трубок диаметром 8...12 мм и длиной до 1 м.
Рис. 3,г - Этот вариант обеспечивает работу только а одном секторе, зато при настройке на f=3,75 МГц можно получить полосу частот при КСВ<2 до 100 кГц. Длину Р5 для сохранения настройки на диапазонах 30 и 40 метров следует увеличить примерно на 0,35...0,5 м. Длина КС подбирается экспериментально, ориентировочный размер - 3 м. Возможна и двухчастотная работа с использованием дополнительного неоперативного выключателя S.
Варианты по рис.За, б, г опробованы на реальной антенне, вариант по рис. 3,в - только на макете.
Действие и конструкция защитного дросселя 3Д на питающем фидере подробно рассмотрены в [1, 2].
Отработка такой сложной антенны, как VMA, была бы невозможна без предварительного макетирования, опробования большого количества вариантов и отбора лучших из них.
Основные конструктивные данные
В конструкции использованы трубы марки Д16-Т. ЦВ выполнен из отрезков труб диаметром (наружний/внутренний) 35/30+30/26+30/27 мм, общая длина - 6,8 м. Длина КС40 - 2,7 м, диаметры труб - 22/19+16/13 мм, верхняя КС80 - из трубки 08/6 мм и стержня 05,7 мм (соединение регулируемое). Размер ЕН1 - 0,5 м, ЕН2 - 0,8 м, трубки - 08/6 мм. Вибраторы ПВ из многожильного провода сечением S=2,5 мм2 в термостойкой изоляции, полная длина от верхнего изолятора до сборной платы СП составляет: ПВ12 - 2,65 м, ПВ15-3.1 м-3,6м.
Радиалы Р1 - Р4 выполнены из многожильного провода сечением 2,5 мм2 и длиной 2,85 м, радиал Р5 имеет длину 8,1 м (провод ПЭВ диаметром 2 мм), КС3.5 - длину 4,65 м (провод ПЭВ диаметром 1,3 мм), КС3.8 - длину 5,6 м (провод такой же, как у КС3.5).
Радиал Р6 имеет длину 1,95 м, диаметры 16/14, 14/12, 12/10 мм, соединение- регулируемое. ЗШ - многожильный провод сечением 2,5 мм2 и длиной 1,45 м.
Регулировочные катушки L12, L15 и L17 намотаны проводом ПЭВ диаметром 2 мм на оправке диаметром 25 мм и содержат соответственно 2,3 и 4 витка. Данные других катушек: LB - каркас из стеклотекстолита диаметром 39 мм, провод МГТФ сечением 0,75 мм2, число витков 20, индуктивность 12,8 мкГн, измеренная добротность 250; L80 - такой же каркас, провод МГТФ сечением 0,35 мм2, число витков 58, индуктивность 61 мкГн, добротность 240; L3,5 - каркас из ПВХ (водопроводная разводка) диаметром 40 мм, провод МГТФ сечением 0,35 мм2, число витков 57, индуктивность 60 мкГн, добротность 230; 1-3,8 - каркас из ПВХ диаметром 40 мм, провод МГТФ сечением 0,75 мм2, число витков 45, индуктивность 38 мкГн, добротность 300. Намотка катушек плотная с гидроизоляцией изолентой NOVA ROLL.
Распорные планки РП - стеклотекстолит, длина - 570 мм, сечение верхней - 20х9 мм, нижней - 20х12 мм, винтовые стяжки ВС - из нержавеющей проволоки с резьбой М4. Нижний опорный изолятор ИО - размерами 90х220 мм и толщиной от 16 (стеклотекстолит) и 20 мм (текстолит). Уголковый профиль УГ - размерами 50х50х130 мм.
Результаты
Описываемая антенна установлена на QTH UT1MA на высоте 3 м от конька шиферной крыши четырехэтажного дома. Радиалы расположены наклонно под углом ~ 40° и капроновыми веревками крепятся к ограде. Использован один ярус оттяжек.
Измерение КСВ антенны по диапазонам, включая полосу частот в пределах KCBS 2, производилось с помощью прибора DRAKE WH-7 при уровне мощности 100 Вт (длина фидера РК50-7 - около 20 м). Результаты измерений приведены в таблице.
|
Частота, МГц |
3,51 |
3,79 |
7,07 |
10,12 |
14,1 |
18,15 |
21,25 |
25,0 |
28,6 |
50,2 |
|
КСВ |
1,2 |
1,2 |
1,15 |
1,4 |
1,15 |
1,1 |
1,3 |
1,2 |
1,1 |
1,25 |
|
Полоса, кГц |
30 |
70 |
240 |
450 |
950 |
400 |
900 |
750 |
2500 |
850 |
По оценкам местных корреспондентов, антенна VMA-9NP при сравнении с антенной Inverted V, установленной на этой же крыше, выигрывала на всех диапазонах в среднем около 1 балла, а на диапазоне 80 метров - 10...15 дБ. Это однозначно свидетельствует о большой интенсивности излучения под малыми углами к горизонту. При межконтинентальных связях в районе 3,8 МГц (W, JA, LU) выигрыш был в пределах 5...10 дБ.
Комплексная проверка антенны состоялась во время CQ WW CW CONTEST 2000. Примерно за 20 часов проведены связи с 37 зонами и 135 странами, а в сумме на пяти диапазонах - с 111 зонами и 225 странами.
Многочисленные сравнения владельцами VMA своих антенн с импортными показали, что не уступая фирменным по эффективности, VMA широкополосное, выдерживают большую мощность и проще по конструкции.
При ограниченном месте для размещения антенн "вертикал" VMA-9NP поможет разрешить большинство проблем, и это обстоятельство автор рискнул отразить в названии антенны - NP (NO PROBLEM). В процессе изготовления и настройки VMA существенную помощь оказали UR4MHJ, UY5ML и UR4MIG, за что автор им благодарен. Идея VMA-9NP и ее конструкция являются интеллектуальной собственностью автора. Коммерческое использование допустимо только по согласованию с автором.
Литература
1. Гуткин Э. Многодиапазонная вертикальная антенна. - Радиолюбитель. KB и УКВ, 2000, № 7, с. 32-35; № 8,0.30-35.
2. http://www.krasnodar.onlne.ru/hamradlo
Радио 4/2001, с.63-65.