Рис. 1
В преддверии лета встал вопрос об антенне для работы из полевых/гостевых условий. К такой антенне предъявляется несколько противоречивых требований:
Третье требование напрочь исключает любые антенны, кроме GP. Только вертикал можно ввинтить в небо на половине квадратного метра. А если вертикал небольшой, то нет для него лучшей конструктивной основы, чем стеклопластиковое рыболовное удилище. Практика показала, что при надежной фиксации первого колена удилища длиной 6...7,5 м, оно надежно стоит без растяжек даже в сильные ветра.
Выбираем в качестве основы стандартное удилище физическо длиной 7,5 м (только имейте в виду, что большинство хитрых производителей в длину удилища включают еще и руку рыбака. Поэтому удилище, маркированное производителем как "7,5 м" на самом деле будет иметь физическую длину сантиметров на 60 меньше. Т.е. ищите удилище, которое маркировано 8 или 8,3 м, чтобы физическая длина была бы 7,5 м. Его вес всего 0,5 кг, а размер в сложенном состоянии 125 см. Оно легко приторачивается к любой сумке-чемодану, и не вызывает вопросов у служб таможни и безопасности: видно же, человек едет ловить рыбу - hi.
Итак, физическая высота нашего GP 7,5 м. Поэтому низшим диапазоном может быть только 7 МГц – в диапазоне 3,5 МГц такая высота слишком мала для сколь-нибудь эффективной работы.
Для согласования лучшим (по КПД и КСВ) выходом было бы использовать тюнер в точке питания нашего вертикала. Но точка питания далеко не всегда доступна оперативной регулировке ручным тюнером при смене диапазона, а автоматический тюнер в точке питания, кроме того что тянет лишние несколько килограмм и сотен евро, так еще и ограничивает максимальную мощность.
Встроенный тюнер в трансивере? Да, это неплохо. Но есть два но. Во-первых КПД сильно рассогласованного кабеля весьма невысок (еще хорошо если там только половина мощности TRX затухнет), во-вторых не все TRX такой тюнер имеют.
Поэтому нам требуется антенна, которая без тюнера имеет низкий КСВ. То есть сама переключается по диапазонам. Неплохим автоматическим переключателем эффективного размера антенны, в зависимости от частоты является трап (параллельный LС контур). Трап, как переключатель, в разомкнутом состоянии хорош: на резонансной частоте его активное сопротивление возрастает до десятков килоом, что приводит к практически полному отключению проводов за трапом. А вот в замкнутом, увы. Ниже резонансной частоты трап имеет индуктивное сопротивление, которое приводит к укорочению антенны и связанному с этим букетом неприятной: росту КСВ, падению усиления, сужению полосы. Все это есть прямое следствие того, что на частотах ниже резонансной трапа антенна физически укорочена катушками трапов.
Поэтому простые траповые GP обычно имеют лишь 2...3 диапазона. А если диапазонов больше, то в части из них антенна имеет либо повышенный КСВ, либо низкую эффективность, либо и то, и другое сразу.
Для преодоления этого безобразия надо, чтобы антенна трапами переключалась, но при этом бы не укорачивалась или почти не укорачивалась. Хорошее решение этой дилеммы описано в этой книжке. Для тех, кто почему-то до сих пор её не читал, повторю его: в основание трапового GP включается конденсатор, требующий физического удлинения антенны. На высшем диапазоне его –jX мало, поэтому физически удлинить часть антенны, работающую на этом диапазоне надо немного (при этом немного возрастет Ra). C понижением частоты –jX конденсатора растёт, поэтому антенну приходится удлинять всё сильнее. При грамотном выборе величины конденсатора это удлинение компенсирует укорочение за счет катушек трапов. За счет этого можно обеспечить низкий КСВ в 4...5 диапазонах.
Получившаяся в результате вышеизложенных раздумий антенна на диапазоны 7, 10, 14, 18 и 21 МГц показана на рис. 1.
Это GP из одиночного многожильного изолированного толстого (диаметр по изоляции 2,5 мм, по меди примерно 1,5) провода, прихваченного капроновыми стяжками (которые применяются для вязки кабелей) к удилищу. Вернее отрезков провода пять штук, с небольшими "крокодилами" на концах. Между проводами включены коаксиальные трапы. Последовательный конденсатор 240 пФ в точке питания обеспечивает получение низкого КСВ на резонансной частоте каждого диапазона.
Рассмотрим работу антенны по диапазонам.
Обратите внимание, что GP хотя и укорочен в диапазонах 10 и 7 МГц, но работает эффективнее, чем простая проволока такой же длины, согласованная в точке питания. Дело в том, что электрически антенна этих диапазонах удлинена, поэтому распределение тока в ней отличается от обычного GP и на большей части длины близко к равномерному (именно это и является физической причиной повышения Ra).
Распределение тока и прочие характеристики можно изучить в файле модели антенны(для просмотра и вычисления этого файла достаточно демо-версии GAL-ANA). Небольшое различие размеров в этом файле и на рисунке 1 связано с тем, что на рис. 1 даны практические размеры, получившиеся с учётом укорачивающего влияния изоляции провода и пластика удилища, а в файле описан голый провод без изоляции.
Антенна нуждается в обычной системе резонансных радиалов. Их количество и длина зависят от положения антенны. Если она стоит на земле, то хватит нескольких проводов длиной по 5...8 м, плюс нескольких по 3...4 м (подробности о радиалах на земле). Если основание антенны приподнято, то весьма желательно иметь хотя бы по паре резонансных радиалов на каждый диапазон. В крайнем случае можно использовать подходящие металлоконструкции. Например, антенна успешно работала, будучи наклонно (градусов под 60) закрепленной на балконе гостиницы, а в качестве заземления использовались длинные трубы балконного ограждения. При установке на сырой земле вместо радиалов можно использовать какую-нибудь железяку (не ржавую!) вбитую в землю. Например, уголок, к которому крепится удилище.
Про мачту-удилище и провод вдоль неё вы уже поняли. Теперь займемся трапами. Они намотаны коаксиальным кабелем на отрезках пластиковой трубы диаметром 37 мм (водопроводная). Но схемы разная. Для диапазонов 21 и 18 МГц схема трапа показана на рис.2, а для диапазонов 14 и 10 МГц – на рис. 3.
Отличие невелико, но оно есть, и приводит к отличию индуктивности вчетверо. При мощности передатчика до 300 Вт (не пиковой, а длительной) все трапы можно намотать кабелем RG58 (теми его разновидностями, которые имеют сплошную внутреннюю изоляцию, вспененная тут не годится).
Число витков для диапазонов 21, 18, 14 и 10 МГЦ: 4, 5, 6 и 8 соответственно. Если у вас другой каркас, кабель или мощность (для которой нужен кабель потолще), воспользуйтесь программой расчета коаксиальных трапов. Причем имейте в виду, что для трапов 14 и 10 МГц может использоваться вдвое более тонкий кабель, чем для трапов 21 и 18 МГц. Например при киловатте для трапов 14 и 10 Мгц можно на пределе использовать RG58, а трапы 21 и 18 МГц при этом обязаны быть из кабеля минимум 11 мм толщиной. А вообще при серьёзной мощности лучше не пожадничать и сделать трапы из толстого кабеля (что-то вроде RG213).
Концы трапов запаиваются на предварительно облуженные медные шпильки диаметром 3 мм, плотно вставленные в каркас и загнутые с обеих сторон (на рис.2 и 3 шпильки показаны толстыми черными линиями). Они используются в дальнейшем как выводы трапа.
Трапы до установки на антенну необходимо настроить. Проще всего это сделать с помощью ГИРа, но можно и любым ВЧ генератором с чувствительным вольтметром (осциллограф или приёмник подойдёт).
При настройке учтите, что связь настраиваемого трапа с генератором должна быть предельно малой: даже 0,1 пФ от измерительных цепей сдвинут частоту на несколько сотен кГц. Поэтому же настраиваемый трап должен лежать подальше от металлических заземленных частей (корпусов приборов, например). После настройки хорошенько зафиксируйте витки трапа (например, длинными капроновыми стяжками, применяемыми для вязки кабелей и\или лаком), ибо если витки разъедутся в полевых условиях, то заново настроить их там будет весьма проблематично.
При мощности передатчика 300 Вт конденсатор С1 может быть типа КСО на 250 В. При более серьезных мощностях надо применять К15-У1. Если точка питания антенны будет доступна, то можно использовать КПЕ 100/450 пФ. Это позволит подстраивать минимум КСВ на любую частоту в пределах каждого из диапазонов.
Если вы делаете постоянную антенну, то трапы лучше закрепить не "крокодилами", а пайкой, а длины отрезков провода подобрав отрезать раз и навсегда.
Напротив, если антенна предполагается для работы из разных мест, с разной высоты, почвой, окружением, то лучше подключать трапы на "крокодилах" и использовать провода на 2...3% более длинные, чем это указано на рис. 1. Избыток провода всегда обмотать вокруг удилища (резонанс при этом повышается), зато в случае необходимости снизить резонансную частоту у вас всегда будет что вытянуть.
Кстати. При разъездах обязательно имейте с собой несколько отрезков термоусаживающейся трубки (диаметром чуть больше конца удилища, длиной см по 10) и кусочек упругой стальной проволоки диаметром 1...1,5 мм и длиной около полуметра. При необходимости физически удлинить антенну (если резонанс на 7 МГц "вылетел" слишком высоко и длину удилища не хватает) отрезок стальной проволоки с усилием вставляется в верхний конец провода так, чтобы первые см 10 стальной проволоки шли вдоль конца удилища. Затем на это место надеваются термоусаживающаяся трубка и обжигается. Получается, что верхние 40 см стальной проволоки торчит как продолжение удилища вверх, удлиняя его
И еще о запасах в дороге. Обязательно имейте с собой большой моток хорошей изоленты, пачку широких (мм 5 минимум) капроновых стяжек. Крайне желательно также иметь отрезки термоусаживающихся трубок длиной см по 20, для каждого из колен удилища (с запасом по диаметру мм 10). Лучше всего, конечно, чтобы это не понадобилось, ибо все это приготовления на случай трещины или перелома мачты-удилища. Если такая беда все же случилась, то придется мачту ремонтировать (не оставаться же без антенны) прямо в поле.
Треснувшее и расслоившееся вдоль колено удилища лечится так: сначала поврежденный участок (с запасом см по 10 в обе стороны) обматывается несколькими слоями изоленты (при это важно не перетянуть ленту и сохранить круглую форму колена в месте повреждения), а затем поверх изоленты затягивается много капроновых стяжек: на поврежденном участке через 1..2 см, на соседних целых участках – через 2..5 см. На двух следующих фото показан процесс ремонта треснувшего колена удилища на антенне Spider beam`a и его результат.
Если же мачта не только треснула, но и переломилась поперек, то перед обматыванием изолентой на место перелома либо накладывают несколько шинок (лучше всего – полоски жесткого металла длиной 20...30 см). Затем на место перелома надевают термоусаживающуюся трубку и обжигают. А затем делают все то же самое, что и при ремонте трещины (изолента, стяжки). Если подходящих по диаметру термоусаживающихся трубок нет, то можно использовать вставленную внутрь круглую палку длиной сантиметров 20, оструганную точно под внутренний диаметр.
Прочность отремонтированного места вполне достаточна, чтобы выдержать несколько дней (по возвращении домой поврежденное колено конечно придется заменить на новое).
Антенна испытывалась при установке в нескольких разных местах: прямо на земле (с несколькими нерезонансными противовесами), приподнятой примерно на метр над землей (по паре резонансных радиалов на каждый диапазон), на балконе с местными металлоконструкциями вместо радиалов. Во всех случаях КСВ на резонансах не превышал 1,4 (в основном не хуже 1,2) а полоса по КСВ<2 во всех диапазонах кроме 21 МГц (там полоса антенны 400 кГц) превышала разрешенные участки (имеется в виду обычный диапазон 7 МГц, шириной 100 кГц).
При работе в эфире ощущения укороченной антенны не возникало – обычный GP. Конечно простой GP на ВЧ диапазонах далеко не предел мечтаний. Но зато весь набор антенны: удилище, провода (включая моток обмоточного провода 0,5 мм для радиалов и кабель питания RG58 длиной 10 м), трапы, и ремонтный комплект (стяжки и прочее) весит менее 3 кГ и занимает немного места в любой дорожной сумке.