Вертикальная антенна на 40 и 80 м
с линейной нагрузкой
Почему вертикальная антенна?
Как многие из вас поймут, для хорошей работы DX требуется низкий угол излучения антенны. Этого низкого угла можно достичь с помощью горизонтальной антенны, но только при условии достижения достаточной высоты над землёй. Хотя это возможно на более высоких диапазонах, это практически невозможно на 40 и 80 метрах.
Вертикальная антенна выглядит идеальным низкоугольным излучателем, за исключением одного... высота 1/4 l для 80 метров составляет 20 метров, что непрактично в конструкции, монтаже или, что более важно, сохранении установленного.
Автор начал эту статью со смелого утверждения, которое нуждается в некотором объяснении для тех, кто не понимает, как низкий угол излучения может улучшить работу DX. Итак, вот упрощённое описание того, как радиосигналы излучаются антенной.
На рисунке 1 сигнал, передаваемый от горизонтальной антенны, установленной на 1/4 l показана над идеальной землей. На рисунке 2 это показано с той же антенной на расстоянии менее 1/4 l над той же идеальной землей.
Идеальная земля рассматривается как плоская поверхность, которая является идеальным проводником и не содержит потерь на сопротивление. На практике это невозможно получить, но для целей этих иллюстраций этого достаточно, и объяснение остается ясным и легким для понимания. На рисунке 3 видно, что показанная вертикальная антенна имеет гораздо меньший угол излучения.
Теперь возникает вопрос - почему угол так важен. Ну, всё это связано с отражением сигнала от атмосферы... давайте посмотрим на следующие три рисунка.
На рисунке 4 показана антенна с рисунка 1, передающая сигнал от антенны в атмосферу, где он отражается и снова направляется к земле. На самом деле это будет происходить много раз, прежде чем попасть на станцию на дальнем конце, но для простоты автор показал только несколько отскоков.
На рисунке 5 угол атаки больше, следовательно, расстояние отражения короче, и, следовательно, не используется большой DX.
При вертикальной антенне и ее малом угле атаки отскок длиннее, а сигнал сильнее, потому что общий путь короче.Помните, что чем дальше должен распространяться сигнал, тем больше его теряется по пути.
Первые мысли автора о создании хорошей DX-антенны для низкочастотных диапазонов были сосредоточены вокруг использования обычного короткого излучателя с сосредоточенной константой в его основании или середине антенны.
С этим подходом связан ряд проблем, и на протяжении многих лет опробовано большинство из них с разной степенью успеха / неудачи.
Большинство проблем с самодельными антеннами - это то, что автор называет 3 'M's - то есть - это:
- materials (материалы),
- mechanical (механическая работа)
- man-power (человеческая сила).
Материалы обычно являются первым камнем преткновения, и хорошее воображение наряду с некоторыми экспериментами может обеспечить отличные результаты.
Экспериментируя с антеннами, автор использовал множество необычных предметов, от пластиковых коробок для сэндвичей до антенных блоков для электромобилей. Осмотр вашего любимого магазина самодельных изделий может привести к появлению множества полезных предметов; проверьте отдел сантехники на наличие любого количества различных пластиковых и металлических фитингов. В отделе оборудования можно приобрести металлические кронштейны, винты, болты и фитинги, а в отделе посуды - множество полезных пластиковых коробок (большинство из которых водонепроницаемы). Другим хорошим источником трубок является производитель офисной мебели, и зачастую они намного дешевле традиционных.
Когда дело доходит до проектирования вертикали с загрузочной катушкой, двумя основными элементами в списке покупок являются металлические трубки для элемента и соответствующий формирователь для катушки. По моему опыту, больше всего проблем всегда возникает с формирователем катушки. Лучшее решение, которое автор когда-либо находил, - это изготовить самостоятельно, используя соединяемый кусок трубки в качестве формы и заливая его эпоксидной смолой. Когда смола застынет, разрезать трубку вдоль, чтобы получить идеальный изолятор. Продаётся "заливочный компаунд", который работает очень хорошо. Однако, если речь идёт о нагрузочной катушке в основании высокого вертикала, то диаметр первой должен быть значительно увеличен, чтобы обеспечить достаточную прочность.
Механические проблемы, вероятно, занимают первое место в списках большинства пользователей, когда речь заходит о создании антенн. Для этого требуется лишь немного опыта, несколько базовых тестов и готовность переделать всё, что не сработает с первого раза. Не ожидайте "профессиональных" результатов от ваших первых усилий по созданию антенны, иначе вы будете прискорбно разочарованы. Вместо этого сначала попробуйте наладить работу антенны, протестируйте её и убедитесь, что она выдерживает суровые погодные условия, затем улучшите конструкцию и соберите версию 2.
Каждый эксперимент, который работает, следует детализировать и, возможно, использовать позже в другом дизайне. Изобретательность - ключ к успеху.
При проектировании вертикальной антенны обычно возникают проблемы в двух областях механической конструкции; первая заключается в том, как соединить все секции труб, чтобы они были механически прочными и электрически связанными, и вторая - соединения с питающей линией и согласующей сетью.
Большинство людей могут создать электрическое соединение, достаточное для экспериментальной антенны, но для постоянной установки окончательной версии необходимо учитывать тип материалов, используемых для винтов, фурнитуры и т.д., А также достаточную защиту от атмосферных воздействий. Это особенно верно, когда два (или более) разнородных металла соединены вместе. Это оставляет механическую сторону вещей для изучения. Поскольку не все материалы, которые вы могли бы использовать в своей антенне, были разработаны для особых условий использования самодельных антенн, вам необходимо поэкспериментировать и протестировать новые материалы.
Простые тесты, такие как соединение нескольких отрезков трубки вместе и проверка того, как она выдерживает легкий ветерок, зимнюю грозу или сильный дождь. Если вы проектируете горизонтальную балку, то поэкспериментируйте с длиной элемента, который вы можете изготовить, прежде чем требовать наличия фермы для поддержки концов и, при необходимости, наилучшего места для соединений фермы с элементом.
Ультрафиолетовая энергия солнца, кислотные дожди и колебания температуры разрушают множество материалов, в том числе некоторые, предназначенные для использования на открытом воздухе! Конечно, и изолятор также должен быть изолирующим, и я помещаю свои образцы примерно на 30 секунд в микроволновую печь, чтобы проверить нагрев. Если образец холодный, когда он выходит, то это хороший признак того, что он является изолятором для радиочастоты.
Моя последняя буква "М" означает man-power. Обычно, хотя и не всегда, самодельные антенны тяжелее и громоздче коммерческих антенн. Обычно это происходит потому, что они изготавливаются из доступных материалов, а не из компонентов, изготовленных на заказ. Из соображений безопасности и простоты установки обратитесь за помощью при монтаже, регулировке или демонтаже экспериментальной антенны (это, конечно, относится и к любым антенным работам, но в большей степени к самодельным).
Помните, что если антенна упадёт с крыши, вы окажетесь в груде металлолома, но если вы упадёте с крыши, то окажетесь в больнице. Безопасность превыше всего в любое время - ключ к успешной установке. Даже если вам повезло и у вас есть насосная или наклонная вышка, следите за линиями электропередач, телефонными кабелями и т.д.
Базовая конструкция
Обычным решением для проектирования короткого вертикала является использование катушки нагрузки (или сосредоточенной постоянной) у основания или в середине излучателя антенны. Метод линейной загрузки используется на ряде коммерческих лучевых антенн, но, только Gap использует линейную загрузку по вертикали. Это ещё одна причина попытаться спроектировать и построить такую антенну.
Ограничениями, которые были - это доступные размеры алюминиевых труб, которые могли бы стоять, не требуя оттяжек или других вспомогательных средств для поддержания их в вертикальном положении.
Оказалось, что её длина составляет примерно восемь метров при использовании опорной стойки в один метр, половина которой находится над землёй, а половина - под землёй.
Радиатор должен быть изолирован от опорной мачты, это сделано с использованием пластиковой водопроводной трубы длиной 300 мм, обрезанную вдоль одной стороны и надетую на нижнюю секцию радиатора, прежде чем прикрепить её к опорной мачте с помощью 2 зажимов jubilee.
Пластиковая водопроводная труба диаметром 32 мм, которую автор использовал, была самого близкого коммерческого размера и была слегка нагрета над конфоркой газовой плиты, чтобы сделать её достаточно гибкой, чтобы удобно скользить вокруг нижней части антенны.
Она удерживалась на месте, пока не остыла, с помощью изоленты и 2 зажимов jubilee.
Что такое линейная нагрузка и как она работает?
Линейная загрузка - это радиопередающий термин, обозначающий складывание части антенны обратно к себе, чтобы уменьшить общую длину четвертьволновой антенны до более приемлемого размера. Во всех примерах, которые исследованы, используя эту технику, общая длина может быть уменьшена до 40% от исходного размера в четверть длины волны без потерь, возникающих в результате использования катушки нагрузки.
С механической точки зрения антенна может быть изготовлена либо из одной длины лёгкой трубки, либо из нескольких длинных телескопических трубок, и она может быть самостоятельной. При вставке нагрузочной катушки в излучающий элемент отсутствует слабое место и отсутствуют потери из-за сопротивления катушки. Также нет необходимости в изоляторе в элементе или катушкообразователе. Защита излучателя от атмосферных воздействий значительно упрощается, а время сборки, настройки и тестирования антенны значительно сокращается. Механически это обеспечивает надежную стабильную антенну.
Итак, как это работает? Что ж, это интересная область обсуждения.
Электрически антенна выглядит и действует как вертикальный 1/4l излучатель, но с другим (более высоким) сопротивлением в точке подачи. При приёме он работает почти также хорошо, как полноразмерный излучатель на той же наземной плоскости. При передаче, похоже, она работает одинаково хорошо, с одинаковыми сообщениями, получаемыми с любой антенны. Импеданс в точке подачи изменяется из-за эффекта нагружения сложенной секции антенны и блока цилиндров, и это требует тщательного рассмотрения, когда дело доходит до резонирования антенны и согласования её с передатчиком.
Физически антенна просто выглядит короче, чем должна быть на самом деле. Для своей конструкции выбран излучатель, размер которого составил 73% от размера четвертьволновой волны на 40 м, или 7,736 метра. Это сделало излучатель довольно коротким на 80 м при всего 37% четверти волны, но это было лучшее, что можно сделать с материалами и ограничениями, которые наложены на эту конструкцию.
Окончательный размер, как и у всех многополосных антенн, был достигнут в результате компромисса между диапазонами, материалами и расположением. Это одно из лучших преимуществ при проектировании собственных антенн: вы можете адаптировать дизайн к пространству и окружению или материалам, соответствующим вашим собственным обстоятельствам.
Изготовление верхней емкостной крышки
Проверив точки КСВН 2:1 без верхней крышки (зонтика) в сборе и получив полосу пропускания 180 кГц 2:1 на 80 М, автор добавил верхнюю крышку к антенне.
Это, конечно, повлияло на резонансную частоту и входное сопротивление, но увеличило охват полосы почти до всего диапазона 80 М (3,500-3,800 МГц) и, как следствие, укоротило проволочные элементы (на 80 М почти на 3 метра). Итак, использован цилиндр, чтобы увеличить полезную полосу пропускания на 80 м, а также изменить входное сопротивление.
Она была создана с использованием четырёх цельнометровых алюминиевых полос размером 6 мм на 1 мм, прикреплённых к верхней части антенны двумя зажимами.
Отрезок трубки был зажат в тисках, чтобы выровнять стороны и обеспечить надёжное место крепления полос. Сами полоски просто помещались в тиски на 50 мм, слегка нагревались паяльной горелкой и сгибались под углом 90 градусов.
Позднее, для придания дополнительной прочности сборке цилиндра, поверх элемента была установлена небольшая (150 мм) круглая алюминиевая пластина для поддержки полосок емкостной нагрузки. Планки были плотно привинчены к пластине с помощью саморезов через отверстия в пластине. Это лишь незначительно изменило настройку.
Приобретены четыре двухметровые алюминиевых трубки, которые собирались в телескоп.
Это дало трубку диаметром 30 мм для базовой секции. В неё вставлена следующая секция, которая была 26 мм, затем секция 22 мм и, наконец, секция 18 мм.
Весь излучатель был уложен на землю, и было рассчитано равное перекрытие между секциями. Каждая секция имела перекрытие 88 мм в предыдущей секции, это было рассчитано следующим образом:
Общая длина трубки = 8000 мм
Требуемая длина = 7736 мм
Разница = 8000-7736 = 264 мм
следовательно, требуется 3 соединения = 264/3 = 88 мм каждое.
Мне всегда проще преобразовать все члены моих уравнений к наименьшему общему основанию, прежде чем выполнять вычисления, в данном случае я выбрал миллиметры.
В нижней части радиатора пластиковая дренажная труба использовалась для изоляции радиатора от монтажного кронштейна и системы заземления. Чрезвычайно важно, чтобы в этом месте радиатор был изолирован от земли.
В нижнюю секцию трубки был вставлен винт для соединения проволочных частей излучающего элемента.
Были измерены и обрезаны по длине два отдельных отрезка цельного медного провода с изоляцией 2,5 мм (16 калибров). Для 40 м длина рассчитывается следующим образом:
Скорость света = 300 000 000 метров/сек.
Одна волна на 40 м (7050 кГц) равна 300000000/7050000 = 42553 мм или 42,55 метра
1/4 волны при частоте 7050 кГц = 42553/4 = 10638 мм или 10,64 метра
Длина секции трубчатого излучателя = 7736 мм
Следовательно, требуемая длина провода = 10638-7736 = 2902 мм
Из-за эффекта сокращения пропускной способности, который также увеличивает полосу пропускания за счёт снижения добротности антенны, скорректированная длина для резонанса и хорошее соответствие импедансу 50 Ом составляет:
2902 мм X 0,9614 = 2790 мм
И для провода длиной 80 м:
Одна волна на 80 м (3600000 Гц) равна 300000000/3600000 = 83333 мм или 83,33 метра
1/4 волны при частоте 3600 кГц = 83333/4 = 20833 мм или 20,83 метра
Следовательно, требуемая длина провода без верхней крышки будет составлять: = 20833-7736 = 13097 мм
Коэффициент преобразования в цилиндр для истинной длины рассчитывается как:
13097 X 0,8270, что соответствует 10832 мм требуемой длине провода.
Каждый провод был отмерен и согнут пополам, чтобы получить точную середину каждой длины.
На протяжении 40 м в центре была сформирована петля диаметром 100 мм путём намотки провода на жестяную банку удобного размера, найденную на кухне.
Аналогичным образом была сформирована петля диаметром 300 мм на участке длиной 80 м.
Провод достаточно жёсткий, чтобы сохранять эту форму с помощью съёмных изоляторов при любых погодных условиях, кроме самых неблагоприятных на открытом воздухе.
Изготовлены изолирующие элементы из пластиковой полоски, которая используется для окантовки мебели из МДФ. Полоска была нарезана по длине и прикручена к основному радиатору саморезом. Вырезано 5 полос по 50 мм, 14 полос по 120 мм и одна полоса 320 мм, для чего была использована большая часть пластиковой полосы длиной 2,75 метра.Этот тип полосы имеет окантовку с каждой стороны, и по этим краям были просверлены отверстия для размещения проводов.
После окончательного тестирования и выравнивания каждый провод был закреплен на изоляторе с помощью клея-расплава.
Расстояние между проводами составляло 40 мм для участка длиной 40 м и 100 мм для участка длиной 80 м.
Затем два провода и изоляторы были привинчены к центральному излучателю, по одному с каждой стороны, для уменьшения эффекта сцепления, с помощью винтов из листового металла.
Одна сторона каждого из удлинителей была соединена с винтом в основании излучающего элемента, а свободные стороны были оставлены открытыми для подключения к передатчику.
Вся антенна была установлена в саду, подключена к наземной плоскости и проверена с помощью GDO на резонансные частоты.
Для этого теста каждый излучающий элемент проверялся отдельно, и рисунки показаны ниже:
без регулировки - 7040 кГц
80 метров без регулировки - 3565 кГц
Очевидно, что антенна была немного длинновата как на 40, так и на 80 м. Провод постепенно укорачивался на 10 мм, и после нескольких попыток это, похоже, сделало своё дело.
Согласование, резонанс и КСВН
Наиболее эффективное согласование достигается без использования согласующей сети, поэтому много проэкспериментировано с трубками разной длины и проводами разной длины, чтобы попытаться добиться хорошего согласования непосредственно с 50-омным коаксиальным кабелем для 40-метровой версии антенны.
В конце концов, дошло до 7,736-метрового излучателя и остальной части провода. Это обеспечило хорошее соответствие импедансов на частоте 7050 кГц. Она была слегка емкостной, но соответствие КСВН коаксиальному кабелю 50 Ом и передатчику было достаточно хорошим.
Для 80 м была масштабирована конструкция длиной 40 м и она была проверена (длина провода составила 12,59 м). При измерении резонансная частота была слишком низкой, и соответствие было не слишком хорошим, поэтому был обрезан элемент, понемногу за раз, пока не было найдено хорошее соответствие и резонанс в диапазоне.
После согласования антенны с передатчиком все провода приклеены горячим расплавом к пластиковым изоляторам и сделаны постоянные соединения с двумя линиями питания внутри пластиковой коробки, защищённой от атмосферных воздействий, которая была установлена на нижней части элемента излучателя.
Первоначально была спроектирована антенна только на 40 м, а затем добавлена и на 80 м, основываясь на успехе, которого удалось добиться с 40-метровой версией.
Обе антенны установлены на одном телескопическом излучателе, и каждая питается от отдельного коаксиального фидера. В основании может быть установлен переключатель или реле, чтобы обеспечить подачу одного фидера в корпус. Опробовано соединение обоих элементов вместе и подача на них питания от одного фидера, и 40M работали отлично, однако 80M было непригодно для этой конфигурации, поскольку длина 40M эффективно закорачивает 80M элемент.
Чтобы сделать антенну портативной, можно было обрезать провода элемента и повторно соединить их с помощью "шоколадного блока электриков", чтобы антенну можно было легко демонтировать и транспортировать. Попробовав это, была собрана вся антенна заново, и вся антенна была протестирована ещё раз. Тесты показали, что ничего особенного не изменилось.
Зная, что не у всех любителей может быть такой big groundplane, как у автора, он сделал четыре 20-метровых радиуса и линейно разместил их на площади 10 квадратных метров, пытаясь имитировать обычный сад. Затем была установлена антенна и она была закреплена на наземной плоскости и снова проверен КСВН. Практически не было разницы в показаниях КСВН (1,5:1 вместо 1,2:1), однако DX, которых можно было слышать и работать, шли немного слабее, чем когда антенна находилась в середине big groundplane.
The Total Cost of the Antenna
Необходимые материалы указаны в таблице с указанием их соответствующей длины.
Одна из замечательных особенностей этой антенны заключается в том, что для её изготовления не требуется специальных инструментов или навыков, вам не нужно отрезать какие-либо трубки, делать какие-либо причудливые кронштейны, покупать какие-либо специальные детали или сооружать сложную согласующую сеть. Все необходимые инструменты - небольшая дрель, рулетка, отвёртка, немного клея или термоклеевого пистолета и пара бокорезов.
Патент, регистрация® и авторское право©1998
Автор подал заявку на получение патента, регистрацию и обладает авторскими правами на конструкцию этой антенны, любой желающий изготовить эту антенну на коммерческой основе или для продажи в любой стране мира должен связаться с Автором и произвести соответствующие платежи и признание. Для частных лиц, которые желают изготовить эту антенну для собственного использования, разрешение предоставляется Автором, однако коммерческая выгода, будь то денежная или в виде товаров / услуг, полученная от продажи этой конструкции, будет подпадать под действие закона, регулирующего юрисдикцию. Патент подан в 1998 году D.A.Reid.
Выводы
Автор обнаружил, что создавать антенну было легко и интересно. Сравнивал её с Cushcraft AP8A vertical, антенна намного лучше работает с DX как на 80 м, так и на 40 м. Для сравнения построена полноразмерная вертикальная антенна 1/4 волны на 40 м, и DX был одинаковыми для обеих антенн на 40 м.
David A.Reid PA3HBB / G0BZF
