Широкополосный диполь на 80 метров
Возможна многополосная работа
Превратите существующий 80-метровый диполь в широкополосную антенну, просто изменив линию подачи.
Обычный коаксиальный полуволновой диполь не обеспечивает низкого КСВ во всём 80-метровом диапазоне - неудобство для тех из нас, кто любит использовать телефон и CW в этом диапазоне. Было описано несколько подходов к преодолению этого ограничения, за исключением антенного тюнера на станции. Описанная здесь антенная система проще, чем любая из её предшественниц, и обладает следующими особенностями:
- КСВ 2:1 или выше достигается во всем или большей части 80-метрового диапазона.
- Длина и внешний вид антенны такие же, как у обычного полуволнового диполя. Следовательно, она легкая и имеет небольшую нагрузку от ветра и льда.
- Конфигурация антенны обеспечивает многополосную работу с одной линией питания.
- Потери из-за широкополосного согласования приемлемы.
- Стоимость примерно такая же, как у обычного полуволнового диполя.
Все данные КСВ, приведённые в этой статье, были измерены на конце передатчика питающей линии. Опорный импеданс равен 50 0, поскольку большинство оборудования рассчитано на этот импеданс. Термин "антенная система", используемый в этой статье, включает не только излучающий провод, но и линию питания, балун (если используется), любые меры молниезащиты, антенный тюнер и так далее.
Сама дипольная антенна не является широкополосной; в системе используется широкополосный аналог. Ключевым широкополосным элементом этой антенной системы является резонатор линии передачи. Часть линии передачи компенсирует реактивное сопротивление, создаваемое диполем вдали от его резонансной частоты. Эта часть линии кратна половине длины волны электрического тока. Другая часть линии обеспечивает соответствующее сопротивление источника для резонатора линии передачи (TLR).
Сначала описана версия широкополосной антенной системы вместе с некоторыми практическими результатами. Затем рассмотрен важный вопрос о потерях в антенной системе. Ниже приведены некоторые варианты, соответствующие конкретным требованиям, и метод использования антенны для нескольких диапазонов. Также сравнится широкополосность линии передачи-резонатора с другими методами широкополосности.
Таблица 1 - Расчётная и фактическая длины
широкополосной дипольной антенны
80-метровая широкополосная антенная система
На рис. 1 показана простая широкополосная антенная система, используемая на станции. Собственно антенна представляет собой полуволновой диполь с центральным питанием. Линия передачи разделена на одну электрическую длину волны 50 Ом по коаксиальному каналу и электрическую четверть длины волны 75 Ом по коаксиальному каналу.
Расчётная и фактическая длины приведены в таблице 1. Длины были рассчитаны с использованием формул, приведённых далее в этой статье, с использованием центральной частоты (Fo) 3,75 МГц и VF (коэффициента скорости) 0,66. Фактические длины были получены после того, как была выполнена процедура настройки, описанная ниже.
Производственные отклонения от опубликованных коэффициентов скорости кабеля и некоторое растяжение коаксиального кабеля способствовали разнице между фактическими и измеренными значениями. (Фактическая длина была измерена на ненатянутом кабеле.) Антенна установлена в виде перевернутой буквы V с включенным углом 140 ° и высотой вершины 60 футов. Размер провода #14, но это не критично.
Рис. 1.
Одна из форм простой широкополосной антенной системы. Она напоминает обычный диполь,
за исключением сегмента длиной волны 1/4 и 75 Ом. Точки А и В обсуждаются в тексте
КСВ этой системы (на передатчике) в зависимости от частоты показан на рис. 2. Для сравнения также показан КСВ для того же диполя, питаемого коаксиальным кабелем RG-213 с длиной волны около 5/4 (214 футов). (Это та же общая длина, что и сегменты RG-213 и RG11, используемые в широкополосной системе.) Пропускная способность широкополосной системы КСВ 2:1 в 2,2 раза больше, чем у обычной системы, и единственное отличие заключается в конфигурации линии питания!
Потери в антенной системе
Важно знать потери в любой антенной системе. Это особенно верно для широкополосных антенн, потому что одни только потери могут привести к расширению сети антенной системы. Как показано в следующем разделе, конфигурации, представленные в этой статье, не приводят к значительным потерям. Хотя в антенных системах существуют и другие источники потерь, мы сосредоточимся на основных: потерях в линии питания и потерях при рассогласовании. Другие потери, такие как омические потери в проводе антенны, одинаковы как для обычных, так и для широкополосных систем, описанных здесь.
Потери в линии подачи понять проще всего. Они неизбежны и минимальны, когда линия подачи плоская (когда КСВ линии близок к 1: 1). На высокой частоте потери в питающей линии возникают в основном из-за омических потерь в медных проводниках.
Потеря несоответствия возникает, когда импеданс, наблюдаемый передатчиком, не является комплексно сопряжённым с импедансом передатчика (когда линейный КСВ на передатчике не равен 1:1). Для передатчика 5042 потери на несоответствие составляют 0 дБ при импедансе нагрузки 50 С2. Когда импеданс нагрузки не равен 50 С2, потери на несоответствие могут составлять 0 дБ, если передатчик с перестраиваемым выходным каскадом (например, обычный ламповый линейный усилитель) настроен на сопряженное соответствие. Такое соответствие также может обеспечить антенный тюнер. Однако в этом случае потери от антенного тюнера (возможно, до 1 дБ) заменяют потери от несоответствия в уравнении общих потерь. Эта тема здесь не обсуждается.
Если вы не используете антенный тюнер, а передатчик имеет выход с фиксированной настройкой 50 Ом, крайне желательны нагрузки, которые обеспечивают передатчику КСВ менее 2:1. Влияние высокого КСВ на потери при рассогласовании станет ясно в следующем разделе.
Потери следует учитывать в перспективе. Все описанные здесь широкополосные антенные системы имеют в наихудшем случае суммарные потери менее 3 дБ - этого недостаточно, чтобы заметить во многих 80-метровых QSO. (Если потери составляют 3 дБ, половина выходной мощности передатчика излучается, а половина теряется в другом месте). Основным эффектом потерь является нагрузка на компоненты системы: на передатчик из-за несоответствующей нагрузки и на линию передачи из-за нагрева.
Как это работает
Основной способ достижения широкополосного соответствия резонансной дипольной антенне включает в себя параллельно настроенную LC-сеть и соответствующее сопротивление источника. В статье о радиочастотном проектировании описан метод проектирования таких сетей даже с резонаторами с потерями. В верхней части рисунка А показаны эквивалентные схемы антенны и согласующей сети. Внизу рисунка А показаны соответствующие элементы антенной системы.
Роль резонатора играет ближайший к антенне участок линии передачи. Он должен быть кратен половине электрической длины волны. Четвертьволновая секция "Q", изготовленная из коаксиального кабеля 7542, преобразует сопротивление передатчика 50 Q в 112,5 Ом (752/50 = 112,5). Здесь не вдаёмся в детали конструкции; они являются предметом другой статьи.
Для того чтобы структура, показанная на рис.А, обеспечивала широкополосное соответствие, характеристический импеданс резонатора линии передачи и сопротивление передатчика должны находиться в пределах диапазона значений. К счастью, широко используемые линии передачи, которые доступны с характеристическим сопротивлением 50 и 75 Ом, хорошо подходят для этого применения. Широкополосные системы на рис. 3-5 демонстрируют полезность этого подхода.
Рис. А - Эквивалентная схема широкополосной согласующей сети с потерями (вверху) и соответствующие элементы простой широкополосной антенной системы (внизу)
На рис. Б показан ещё один важный момент. Для данного приложения сетевые параметры одноволнового линейного резонатора (вверху) аналогичны сетевым параметрам полуволнового резонатора (внизу) с половиной характеристического сопротивления верхнего резонатора. Параллельное соединение двух идентичных кабелей является удобным способом достижения более низких характеристических сопротивлений.
Рис. В - Эти два резонатора линии передачи ведут себя в данном приложении по существу одинаково
Характеристический импеданс каждого сегмента кабеля одинаков, что делает характеристический импеданс нижнего резонатора вдвое меньшим, чем у верхнего.
Сравнение с аналогом с коаксиальным резонатором
Как описанный здесь простой широкополосный диполь сочетается с другими подходами для достижения хорошего соответствия по всему 80-метровому диапазону? Широкополосный диполь с коаксиальным резонатором представляет собой одну из наиболее эффективных конструкций, опубликованных на сегодняшний день. Он обеспечивает широкополосное согласование антенны за счёт интеграции коаксиального кабеля с длиной волны ¼ длины волны в состав антенны.
Поскольку согласование с коаксиальным резонатором обеспечивает хорошее согласование антенны, КСВ на питающей линии низкое, а потери в питающей линии примерно такие же, как согласованные потери. Однако коаксиальный кабель в соединении сам по себе увеличивает системные потери. Конечным результатом является то, что общие потери примерно такие же при использовании коаксиального резонатора, но КСВ на передатчике ниже, никогда не превышая примерно 1,6:1 в диапазоне 3,5-4 МГц. Однако, если КСВ меньше 2:1, меньший КСВ не имеет большого значения, если только вы не используете передатчик, который значительно снижает мощность при таких КСВ.
Обратите внимание, что при подходе, описанном в этой статье, для антенны используется тонкий провод. В большинстве других широкополосных подходов используются дополнительные провода или излучатели, частично изготовленные из коаксиального кабеля, и они подвержены повреждениям от ветра и обледенения. Их дополнительный вес и сложность также являются ограничениями.
Из приведённого выше сравнения следует, что простая широкополосная антенная система благодаря своей простоте имеет преимущество перед коаксиально-резонаторной антенной системой, по крайней мере, в приложениях, где возможен более простой подход. Из-за ограничений доступных коаксиальных кабелей ограничены возможности для удовлетворительного проектирования. С другой стороны, сопряжение коаксиальный резонатор имеет больший диапазон регулировки.
AI1H
