ВСЕ (ИЛИ ПОЧТИ ВСЕ) О WINDOM

В.БАШКАТОВ, USOIZ, г.Горловка, Донецкой обл.

Антенна Wiridom относится к очень простым мнопэдиапазонным конструкциям с неплохими параметрами. Свое название она получила еще на заре любительской КВ-связи по имени американского коротковолновика Лорена Виндома (Loren Windom, W8GZ), впервые предложившего ее конструкцию (рис.1). Другое ее название - антенна со сдвинутой от центра точкой питания (off center feed antenna).

an-1021.gif
Рис. 1

В свое время указанная антенна была очень распространена среди коротковолновиков. Как правило, выходные каскады передатчиков были однотактными и имели небольшую мощность, которой, с учетом существовавшей тогда идеальной "помеховой" обстановки в эфире, вполне хватало для связи с другими континентами. Для советских коротковолновиков с конца 40-х годов прошлого столетия указанная антенна больше знакома под названием "американка" (по-видимому, по названию страны, в которой она впервые появилась).

В то далекое время коаксиальные кабели были еще очень мало распространены, и Windom запитывалась однопроводным фидером, что, конечно, подкупало простотой и доступностью. Тем не менее, однопроводное питание имеет и существенный минус-требуется хорошая "радиотехническая земля" или наличие определенного количества противовесов, иначе, как правило, возникают помехи телевизионному приему (TVI). К счастью, телевидение тогда только зарождалось и было большой редкостью. Многочисленные эксперименты с указанной антенной показали, что если точку запитки сдвинуть от конца полотна антенны на 0,18l, входное сопротивление антенны составит около 300 Ом, что и позволяет подключить однопроводный фидер. К тому же, довольно скоро выяснилось: если подобрать положение точки питания этой антенны, она становится многодиапазонной. В послевоенное время в радиолюбительской литературе публиковалось множество статей, посвященных конструкции и наладке этих антенн, из которых наиболее "знаменитая" - VS1АА. Эта антенна хорошо работает на 80,40,20 и 10 м (рис. 2).

an-1022.gif
Рис.2

Неэкранированный фидер антенны VS1AA значительную часть подводимой мощности излучает сам. Если длина фидера равна длине полотна, им излучается до 30% подводимой мощности. Кроме того, для нормальной работы антенны, как было сказано выше, требуется хорошее заземление, которое очень не просто реализовать в условиях современной жилищной застройки. По этим причинам антенна Windom с однопроводным питанием в настоящее время практически не применяется.

После того как в радиолюбительской среде коаксиальные кабели получили широкое распространение, на смену Windom пришли многодиапазонные антенны типа W3DZZ и др.

Однако законы диалектики гласят, что все возвращается на круги своя по спирали развития, т.е. на более высоком уровне, что и произошло с антенной Windom. С появлением качественных широкополосных трансформаторов на ферритовых кольцевых магнитопроводах интерес к Windom возродился вновь. Если подать питание на Windom по коаксиальному кабелю, а между кабелем и антенной включить согласующее устройство в виде трансформатора, можно получить простую в настройке многодиапазонную антенну, в которой отсутствуют сосредоточенные элементы (конденсаторы и катушки индуктивности), как в антенне W3DZZ. Модернизированный вариант антенны VS1AA с питанием коаксиальным кабелем показан на рис.3. Здесь для согласования антенны с волновым сопротивлением кабеля применяется ВЧ-трансформатор, выполненный на тороидальном сердечнике с ферритовым магнитопроводом марки 20...30ВЧ (или аналогичный) размерами 50х25х10 мм. Намотка выполняется двумя параллельными проводами с хорошей высокочастотной изоляцией (можно применять провод от кабеля РК со снятым экраном). Сечение провода должно быть не менее 2 мм , число витков - 2х7, начало одного провода соединяется с концом другого и с оплеткой кабеля, образуя среднюю точку. Строго говоря, подключение кабеля РК75 или РК50 к антенне неравнозначно, но сопротивление антенны Windom на различных КВ-диапазонах не всегда равно 300 Ом, поэтому согласование осуществляется с определенной долей приближения.

an-1023.gif
Рис.3

Простота и неплохие параметры антенны Windom особенно подкупают начинающих радиолюбителей. Дело дошло до того, что ее усовершенствованный вариант стали выпускать некоторые предприятия. Например, немецкая фирма Fritzel изготавливает антенну FD4 (рис.4). Как видно из этого рисунка, для лучшего согласования антенна бывает двух размеров: один - для работы в SSB-участке, другой - для работы CW (размеры даны в скобках).

an-1024.gif
Рис. 4
Антенна FD4 питается коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом, хотя не представляет никаких проблем запитать ее и кабелем РК75 (об этом будет сказано ниже). Немаловажен и тот факт, что антенна имеет низкую стоимость. Для согласования и симметрирования антенны применяется широкополосный согласующий трансформатор типа balun (рис.5), имеющий коэффициент трансформации 1:6, чем и обеспечивается согласование входного сопротивления 300 Ом с коаксиальным 50-омным кабелем.

an-1026.gif
Рис.5
При этом коэффициент трансформации определяется с помощью следующего выражения:

где Z1 -сопротивление обмотки со стороны подключения фидера;

Z2 -сопротивление обмотки со стороны подключения антенны; n - отношение числа витков обмоток (первичной ко вторичной).

Необходимо заметить, что применение отвода с конструктивной точки зрения не очень удобно. К тому же, получить точный коэффициент трансформации на практике не удается, да и как было сказано выше, в этом нет необходимости. Если применяется кабель с волновым сопротивлением 75 Ом, коэффициент трансформации должен быть равен 1:4, и не требуется отвод, показанный на рис.5.

Итальянский коротковолновик IK3CLX провел множество экспериментов с самодельной антенной FD4, запитывая ее коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом.

В качестве ВЧ-трансформатора он использовал кольцевой мапчитопровод из карбонильного железа с начальной магнитной проницаемостью 10, но можно было использовать и ферритовый магмитопровод с начальной проницаемостью 20...30. Габаритные размеры кольцевого магнитопровода: D=5,2 CM, d=3,2 см, Н=1,4 см (соответственно внешний и внутренний диаметры и толщина кольца). При использовании кольца из феррита число витков трансформатора уменьшается до 8, и отвод делается от 6-го витка. Сечение, а следовательно, и габариты кольца напрямую зависят от мощности, которую необходимо "закачать" в антенну. Проверено, что 1 см2 сечения феррита способен пропускать (трансформировать) без повреждения мощность до 0,3 кВт. Однако, как показал опыт эксплуатации ферритов в качестве согласующих устройств в антенных системах, больше всего подвержены повреждению при ударах молнии именно ферриты марки ВЧ. Трансформатор на карбонильном железе имеет 2х10 витков провода в хорошей фторопластовой изоляции. Намотка на кольце выполнена бифилярно, отвод сделан от 8-го витка. Экран коаксиального кабеля РК50 длиной 35 м подсоединяют клевому проводу (рис.5) первичной обмотки трансформатора Т1, а центральную жилу кабеля - к отводу. Измерения КСВ в полосе частот КВ-диапазонов от 1,5 до 30 МГц дали результаты, приведенные в табл.1.

Таблица 1.

Диапазоны, МГц

КСВ

1,8; 7,0; 14,0; 18,0; 24,0; 28

<2

3,5; 21.0

2...3

10,0

3,2


Не следует забывать, что КСВ, равный 3, вполне приемлем, т.к. в этом случае из-за рассогласования теряется только 25% мощности передатчика. С таким КСВ многие аппараты, в том числе и импортного производства (со встроенным в трансивер тюнером), имеющие транзисторный ШПУ, вполне работоспособны.

Одной из разновидностей антенны Windom является "Двойной Windom", которая представляет собой конструкцию из двух антенн с разной длиной полотен. Подробные исследования этой антенны провели немецкие коротковолновики DL1ВВС и DJ7SH (рис.6).

an-1027.gif
Рис. 6
Длинное полотно подвешено горизонтально на высоте 8 м от земли, а короткое - наклонно, с углом раскрыва при вершине около 100°. При указанных на рис.6 размерах антенна работает на всех КВ-диапазонах (в том числе и на WARC). Антенна "Двойной Windom" запитывается коаксиальным кабелем сопротивлением 50 Ом через ВЧ-трансформатор с коэффициентом трансформации 1:6. Если антенну запитывать кабелем 75 Ом, коэффициент транформации должен быть 1:4.

Значения КСВ для указанной антенны приведены в табл.2.

Как видно из этой таблицы, значения КСВ на всех диапазонах, включая WARC, приблизительно одинаковы и меньше 2 (за исключением 40-метрового диапазона, на котором КСВ достигает 11).

Табл.2

Диапазон, МГц

КСВ

3,5...3,8

1,05...11,45

7,0...7,1

11,4...1,6

10,1...10.15

<1.25

14,0...14,3

1,2... 1,55

18,05...18,17

<1,2

21,0...21,5

1,2...1,5

24,96...25,1

1,4...1,3

28.0...29,7

<1,2


Как было сказано выше, антенна Windom имеет входное сопротивление, близкое к 300 Ом, а волновое сопротивление самых распространенных коаксиальных кабелей - 50 и 75 Ом, поэтому можно подключить такую антенну к транcиверу с помощью специально рассчитанной двухпроводной воздушной линии, или используя согласующий трансформатор с коэффициентом трансформации 1:4. Ниже приводится два варианта подключения антенны Windom к коаксиальному фидеру.

В первом варианте согласующий трансформатор одновременно является симметрирующим, и его изготавливают из куска кабеля РК75 (из того же кабеля, что и основной фидер). Конструктивно согласующий трансформатор представляет собой бухту кабеля диаметром 10... 15 см, которая содержит 3...4 витка. Витки бухты кабеля фиксируют скотчем. Схема соединения согласующего трансформатора показана на рис.7.

an-1028.gif
Рис.7
Измеренные значения КСВ на различных КВ-диапаэонах приведены в табл.3.

На WARC-диапазонах испытания антенны не проводились.

Табл.3

Диапазон, МГц

3,5

7,0

14.0

28

КСВ

<1,8

<1,1

<1,3

<12,5


Второй способ согласования антенны Windom с коаксиальным кабелем- применение широкополосного трансформатора, выполненного на ферритовом стержне (или нескольких сложенных вместе стержнях) от магнитной антенны радиоприемника (рис. 8). При отсутствии стандартного ферритового кольца можно рекомендовать самодельную конструкцию, состоящую из определенным образом сложенных в пакет плоских ферритовых стержней от магнитных антенн радиоприемников. При этом образуется прямоугольный ферритовый сердечник, применяемый для изготовления широкополосного трансформатора. Конструкция самодельного трансформатора понятна из рис.8.

an-1029.gif
Рис. 8
Для его изготовления сердечник обматывается изолентой, и поверх него наматывают 10 витков сложенного вдвое медного провода в хорошей изоляции. Затем конец катушки L1 соединяют с началом катушки L2, образуя точку В, к которой подключается оплетка кабеля РК75. Центральная жила кабеля подключается к концу катушки L2, к которому также подключается длинный луч антенны (точка С). К началу катушки 11 подключают короткий луч антенны (точка А). Все соединения выполняют пайкой с креплением выводов на изолированной пластине из изоляционного материала (текстолит, гетинакс) толщиной 10... 15 мм, к которой крепят лучи антенны. КСВ такой антенны, как правило, не превышает 2.

Для устранения антенного эффекта фидера и, соответственно, TVI, можно рекомендовать использовать еще один эффективный апериодический balun дроссельного типа. Суть его заключается в том, что питающий антенну фидер свивается в бухту в виде плоской катушки, скрепленной скотчем. Поданным экспериментов американского коротковолновика W7EL, для многоциапазонного варианта антенны с питанием коаксиальным кабелем внешним диаметром от 5 до 11 мм (марка кабеля не критична), в диапазоне частот 3,5...30 МГц число витков в бухте должно равняться 7, а общая длина кабеля в бухте - Зм.

Литература

1. С.Г.Бунин, Л.П.Яйленко. Справочник радиолюбителя-коротковоновика. - Киев: Техника, 1984.
2. KB журнал, 1994, N2, С.42.
3. KB журнал, 1992, N1, С.26.
4.CQDL,1983,N9,C.427.
5. Радиоаматор, 1993, NN5...7, С.42

РМ. КВ-УКВ. 1/2002.