Вертикал верхнего питания

Вертикал верхнего питания
Владимир Поляков (RA3AAE), г. Москва

В статье рассмотрены принципы создания и практические конструкции многодиапазонных вертикальных антенн с верхним питанием. Они особенно удобны для работы в полевых или экспедиционных условиях, но тем не менее могут использоваться и в домашнем "шеке", занимая немного места и обеспечивая неплохие параметры.
Проблема создания простой и эффективной многодиапазонной антенны по-прежнему волнует почти каждого коротковолновика. Чаще всего внимание к себе привлекают конструкции вертикальных антенн, поскольку они занимают мало места, проще в установке и имеют оптимальную для DX-связей диаграмму направленности (ДН): с нулем в зенитном направлении и максимумом в направлении на горизонт и отсутствием азимутальной направленности, позволяющие проводить радиосвязи с корреспондентами в любых направлениях.
Многочисленные известные конструкции вертикалов, питаемых снизу, страдают недостатками, связанными с неэффективным использованием на высокочастотных диапазонах всей высоты мачты и трудностью настройки заграждающих контуров (трапов) или других устройств, расположенных на значительной высоте и, собственно, превращающих антенну в многодиапазонную. В первой части статьи будет рассмотрено, какие преимущества и удобства появляются при сдвиге точки питания вверх, вдоль излучающего проводника вертикала. Для краткости назовем описываемую антенну ВВП — вертикал верхнего питания.
Проектирование ВВП
Вдоль излучающего проводника вертикала, как и в любой другой антенне, устанавливается стоячая волна тока с нулем на вершине, поэтому точку питания нельзя разместить около самой вершины — входное сопротивление окажется слишком большим. Сдвигая точку питания вниз от вершины, мы попадаем в место, где ток уже значителен, а напряжение меньше, чем на вершине, поэтому входное сопротивление (равное отношению напряжения к току) понижается. В точке питания центральный проводник коаксиального фидера присоединим к верхней части вертикала, а оплетку... давайте вообще никуда присоединять не будем. Тогда ток потечет от точки питания по внешней поверхности оплетки, причем в том же направлении, что и в верхней части вертикала.
Эта концепция изложена в статье [1], в ее третьей части, относящейся к рис. 19. Там ток на оплетке предлагается использовать для улучшения ДН. Следуя этим рекомендациям, сделаем ток на оплетке частью основного, излучающего тока. Заметим, что токи на внешней и на внутренней сторонах оплетки фидера никак не связаны между собой из-за очень малой толщины скин-слоя в объеме проводника, они лишь равны друг другу на верхнем срезе оплетки.

Рис. 1
На рис. 1, а схематически показан проектируемый вертикал, а на рис. 1,б — распределение тока в нем. Точка питания А обозначена кружком (графика программы MMANA). Здесь центральный проводник соединен с верхней частью длиной 3 метра, а оплетка оставлена свободной. Синусоидальное распределение тока сохранится и на верхней части вертикала, и на оплетке. В точке В на расстоянии полуволны от вершины вибратора антенны в диапазоне 10 метров образуется узел тока (см. крайний левый график распределения тока на рис. 1, б). В этом месте надо поставить заграждающий контур, чтобы остановить дальнейшее течение тока вниз по оплетке.
Контур проще всего выполнить в виде бухты кабеля, не нарушая целости последнего [2, 3]. У нас уже получилась вертикальная антенна диапазона 10 метров. Ее конструкция показана на рис. 2, а.

Рис. 2
Антенну можно целиком выполнить из коаксиального кабеля, используя для верхней части только оплетку верхнего отрезка кабеля. Соединять или нет с ней внутренний проводник — безразлично, ток все равно потечет только по оплетке. Подвешивают антенну на диэлектрической оттяжке (толстой леске) к ветке дерева и т. п., необходимо лишь обеспечить прочную механическую связку отрезков кабеля в точке питания А, поскольку центральный проводник вряд ли выдержит вес всего фидера и "балуна".
Другой вариант — прикрепить антенну к тонкой мачте из сухой ели или сосны (сырое дерево вносит заметные потери) или к стеклопластиковому удилищу. В этом случае верхнюю часть целесообразно сделать из металлической трубки.
Вернемся к контуру. Бухта кабеля обладает значительной индуктивностью L и в то же время емкостью между отдельными витками, главную роль играет емкость между первым и последним витком. Общая эквивалентная емкость С замыкает бухту. Таким образом, бухта кабеля для ВЧ токов представляет собой параллельный контур, эквивалентная схема которого показана на рис. 2.б. Частоту его настройки можно изменять, подбирая число витков, их диаметр и порядок укладки — располагая первый виток ближе к последнему, увеличиваем емкость и понижаем частоту. Для настройки на частоту 28,5 МГц достаточно трех витков диаметром 13 см [3]. Любопытно, что даже при неполном запирании тока на оплетке оставшийся ток ниже контура потечет в том же направлении, что и в антенне — ведь контур инвертирует фазу, имея на выводах равные и противофазные колебания. Поэтому оставшийся ток на нижней части кабеля не будет портить ДН, даже несколько улучшит ее.
Теперь обрисовались немаловажные достоинства ВВП: первое — настраивать антенну (подбирать диаметр бухты кабеля и его положение по высоте вертикала) можно снизу, в пяти метрах ниже верхней точки, и второе — точку питания А можно располагать в любом месте вертикала, добиваясь нужного входного сопротивления антенны, никаких дополнительных симметрирующих устройств не потребуется.
Ориентируясь на доступный 75-омный телевизионный кабель, целесообразно немного сдвинуть точку питания А вниз относительно середины полуволны тока, при этом входное сопротивление немного повышается по сравнению с сопротивлением полуволнового вибратора, питаемого в середине (73,1 Ом для бесконечно тонкого и несколько меньше для вибратора конечной толщины). Учитывая часто встречающуюся длину дюралюминиевых труб, равную 3 метрам, и была выбрана длина верхней части. А почему не 2 метра? Для того, чтобы антенна лучше работала на других диапазонах.
В диапазоне 15 метров контур В уже не настроен в резонанс и представляет для этих частот лишь некоторое индуктивное сопротивление (см. рис. 1 в [3]), являясь как бы удлиняющей катушкой. В результате длина полуволны уменьшается с 7,1 до 5,82 м (см. рис. 1). На этом расстоянии от вершины вертикала будет узел тока, и здесь включим второй заграждающий контур С, настроенный на частоту 21,2 МГц (среднюю частоту диапазона 15 метров). Продолжая процесс далее, включим третий контур D, настроенный уже на частоту 14,15 МГц (середина диапазона 20 метров), и увидим, что для диапазона 40 метров длина нашего полуволнового вертикала составила всего 9 метров.
Столь значительное укорочение в диапазоне 40 метров произошло из-за совместного влияния контуров В, С и D, которые на частоте 7 МГц имеют индуктивное сопротивление и служат "удлиняющими" катушками. При укорочении полуволнового вибратора его сопротивление излучения, отнесенное к пучности (месту максимума) тока, падает. Зато точка питания А по мере понижения частоты оказывается все выше по отношению к максимуму тока и входное сопротивление, равное сопротивлению излучения, пересчитанному к точке питания, возрастает. Эти два процесса в значительной мере компенсируют друг друга, и входное сопротивление остается примерно постоянным при переходе от диапазона к диапазону.
Все это проектирование легко и быстро было проделано с помощью программы MMANA, а после некоторой оптимизации (не уверен, что нельзя еще улучшить) получилась антенна, изображенная на рис. 1. Входное сопротивление антенны в диапазонах 10, 15, 20 и 40 метров оказалось равным соответственно 78, 67, 69 и 61 Ом при нулевом реактивном сопротивлении, что обеспечивает неплохое согласование (КСВ менее 1,2 на средних частотах диапазонов). При расчете получились следующие значения параметров эквивалентных контуров (частота, индуктивность, емкость): В — 28, 5 МГц, 1,6 мГн, 19,5 пФ; С — 21,2 МГц, 2 мГн, 28 пф; D — 14,15 МГц, 3,2 мГн, 43 пф. Может быть, самое главное достоинство спроектированного вертикала — он не требует ни "земли", ни радиалов.
Остается решить, как вывести фидер далее вниз от нижней точки вертикала (см. рис. 1, а). Мы уже знаем — намотать еще одну бухту того же кабеля, чтобы она образовала контур, настроенный на 7,05 МГц. Возможно и другое решение — чуть ниже контура D присоединить к оплетке кабеля три— четыре коротких (длиной примерно по 1,5 м) горизонтальных или наклонных радиала. Они и доведут электрическую длину антенны до полуволны в диапазоне 40 метров. Короткие радиалы не усpтраняют необходимость в заграждающем контуре, но теперь он расположится прямо под точкой подключения радиалов. Индуктивная связь этого контура с контуром D (ведь теперь они близко) нежелательна. Вместо контура в этом варианте подойдут дроссели, намотанные тем же фидером на ферритовых кольцах.
Процесс настройки ВВП представляется несложным и достаточно очевидным. Начинают с самого высокочастотного диапазона 10 метров. Подбирая плотность намотки (диаметр) и в небольших пределах положение по высоте бухты В добиваются приемлемого КСВ в этом диапазоне. Закрепив бухту изолентой, переходят на 15-метровый диапазон и повторяют ту же операцию с бухтой С, уже не трогая настроенный контур В. И так далее, пока не будет настроена вся антенна на всех диапазонах.
Антенна из кабеля, например, РК-75-4-11 особенна хороша для полевых условий. Она и настроена, может быть в поле, если трансивер оснащен измерителем КСВ. В стационарных условиях ВВП, вероятно, можно изготовить из дюралюминиевых труб, разделенных диэлектрическими вставками в местах В, С, D и на нижнем конце. Поверх вставок размещают катушки, согнутые из мягкой медной или алюминиевой трубки (можно ленты). Конденсаторы контуров должны быть высоковольтными, поскольку контуры размещаются в пучностях напряжения. Кабель в этом случае должен проходить внутри всех труб прямо, но во избежание тока на оплетке на него надо надеть ряд ферритовых колечек, а около нижнего края ВВП намотать заграждающий дроссель или несколько дросселей на ферритовых кольцах большого диаметра. Такой вариант ВВП не просчитывался и не изготавливался.
В заключение этой части — еще один предполагаемый вариант ВВП. Чтобы заставить антенну работать еще и в диапазоне 80 метров, в нижней точке вертикала (см. рис. 1, а) надо установить заградительный контур, настроенный на частоту 7,05 МГц, а ниже его оплетку кабеля (нижнюю трубу в стационарном варианте) заземлить или соединить с системой радиалов длиной по 20 м. Тогда антенна будет работать на частоте 3,6 МГц как укороченный ин-дуктивностями четвертьволновый GroundPlane с поднятой точкой питания. Один из практически проверенных вариантов ВВП, выдержавший двухлетнюю эксплуатацию с неоднократной сборкой—разборкой, будет описан во второй части статьи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гречихин А., Проскуряков Д. Антенный эффект фидера. — Радио, 2000, № 12, с. 56 — 58; 2001, № 1, с. 64 — 66, № 3, с. 67.
2. Balun из фидера. — Радио, 2001, № 10, с. 65.
3. Поляков В. Balun или не balun? — Радио, 2002, № 1,с. 65.
(Окончание следует)