Записки программиста

Как было отмечено в посте Fldigi и цифровая радиосвязь в BPSK31/BPSK63, увеличить дальность связи можно тремя основными способами — используя либо усилитель, либо более эффективные виды связи, либо более эффективные антенны. На этот раз было решено попробовать другую антенну, а именно — delta loop. Данную антенну довольно легко построить и она имеет усиление 1.17 dB по сравнению с диполем. Кроме того, есть несколько способов сделать многодиапазонную дельту.

Теория

Delta loop, она же «дельта» или «треугольник», относится к классу рамочных антенн (loop antenna). Рамочная антенна представляет собой круг, квадрат, треугольник, трапецию, ромб или любую другую выпуклую фигуру с периметром около одной длины волны. Оптимальным вариантом в плане усиления является круг. Но поскольку построить ровный круг с периметром 40 или 80 метров — задача крайне непростая, на практике обычно строят квадраты (quad loop) или треугольники (delta loop).

Рассмотрим следующие варианты квадратов и треугольников по очереди, слева направо, сверху вниз (рисунки позаимствованы отсюда):

Квадрат, питаемый снизу (картинка 1), по сути представляет собой два изогнутых диполя, расположенных один над другим. Такой квадрат имеет усиление около 1.25 dBd, то есть, относительно диполя. Аналогично одному диполю, квадрат имеет горизонтальную поляризацию. Антенна является направленной и излучает перпендикулярно плоскости, в которой расположен квадрат. Входной сопротивление квадрата составляет около 117 Ом, и потому требует согласования с 50-и омным кабелем. Если запитать квадрат сбоку (картинка 2), он будет представлять собой два вертикальных диполя, и, соответственно, иметь вертикальную поляризацию.

Дельта, питаемая снизу (картинка 3), представляет собой не более, чем искривленный вариант первой антенны. Поэтому антенна также имеет горизонтальную поляризацию. Дельту проще построить, чем квадрат, поскольку ей нужна всего одна мачта. Но и усиление такой антенны чуть меньше, около 1.17 dBd. Дельта обладает входным сопротивлением около 106 Ом. Антенну можно запитать не только снизу, но и сверху (картинка 4), ее свойства от этого не сильно меняются. Перевернутая дельта (картинка 5) также обладает примерно теми же свойствами.

Как получить дельту с вертикальной поляризацией? Для этого нужно взять место запитки, при котором антенна имеет горизонтальную поляризацию, отсчитать в сторону λ/4, и запитать антенну в этом месте (картинка 6). Также допускается питать антенну и в ближайший угол, ее свойства от этого не сильно поменяются.

На иллюстрации приведены квадраты со стороной λ/4 и правильные треугольники со стороной λ/3. Однако антенну допускается вытягивать. Так на практике нередко используют прямоугольники с соотношением длин сторон от 2:1 до 3:1. Как правило, рамочные антенны располагают вертикально, но также допускается расположение под углом к земле, немного отличным от прямого. Помимо прочего, это позволяет уменьшить высоту мачты.

Горизонтально поляризованные дельты и квадраты должны быть расположены высоко (высота порядка λ/2) относительно земли, чтобы иметь небольшой угол излучения. Иначе антенна излучает в зенит, и с ее помощью возможны радиосвязи только на близкие расстояния. Рамочной антенне с вертикальной поляризацией достаточно быть поднятой от земли на пару метров (0.05 длины волны), при этом она пригодна для проведения дальних радиосвязей.

До сих пор речь шла о рамочных антенных, рассчитанных на один диапазон. Многодиапазонные рамочные антенны строят либо вкладывая одну рамку в другую и объединяя их места запитки (аналогично fan dipole), либо используя в месте запитки антенный тюнер. Последний способ проще и допускает использование укороченной антенны. Минусы подхода — нужен тюнер, а также не очень понятно, какой будет поляризация на «второстепенных» диапазонах.

Практика

Меня вдохновила статья One Stealthy Delta [PDF], написанная Steve Ford, WB8IMY и опубликованная в журнале QST за май 2002 года. «One Stealthy Delta» описывает delta loop с периметром 120 футов (36.6 метра), запитанную снизу и согласованную антенным тюнером. Сообщается, что такая антенна настраивается на все КВ диапазоны от 80 до 10 метров, а также на диапазон 6 метров, который, к сожалению, не разрешен в России. John Reisenauer, KL7JR в своей статье An Easy to Install Vertical Loop for 80-6 Meters подтвердил результаты, полученные WB8IMY, используя аналогичную антенну с периметром 150 футов (45.7 метра). История умалчивает о том, почему оба автора решили использовать горизонтальную поляризацию на 40 метрах.

Прикинув доступные мне варианты, я решил остановиться на следующем:

Антенна представляет собой перевернутую дельту с периметром около 37 метров, питаемую с одного из верхних углов. Согласование осуществляется при помощи антенного тюнера MFJ-971. Измеренная длина антенны получилось чуть больше, примерно 38 метров, поскольку провода провисают под собственным весом, и треугольник получается не совсем ровным. Дельта была сделана из «полевки» (провода П-274М), оставшейся у меня после экспериментов с антенной «длинный провод».

Тюнер располагается в доме, на окне второго этажа. Противоположный угол крепится на мачте. Мачта представляет собой 10-и метровое удилище, по заверению производителя сделанное из карбона / углеволокна. Верхние секции удилища слишком тонкие, и не годятся для использования в мачте. После их удаления осталась мачта высотой 6.2 метра. Одна из убранных секций была закреплена при помощи армированного скотча вверху мачты, перпендикулярно ей. В эту секцию продевается полотно антенны. Чтобы мачта не схлопывалась под воздействием ветра, ее секции были склеены клеем «Момент Универсальный Классик», и также скреплены армированным скотчем. Основание мачты крепится к забору, все тем же скотчем. Никаких оттяжек не используется. Нижний угол антенны находится на высоте 1.6 метра от земли. Этот угол был привязан веревкой к растущему рядом кусту.

Примечание: Допускается, чтобы мачта немного прогибалась под весом провода, но не сильно. Так называемый «карбон», используемый в удилищах, довольно хрупкий, и лишний раз прикладывать к нему силу не стоит.

Такая антенна должна иметь вертикальную поляризацию на диапазоне 40 метров. На более высокочастотных диапазонах поляризация будет не очень понятно какая. Но она и не так важна, поскольку большая часть антенны будет достаточно высоко от земли по сравнению с длиной волны. Плоскость антенны проходит с севера на юг. Соответственно, излучать она должна на запад и восток. В этих направлениях горизонт у меня достаточно чистый. Север закрыт домом, с юга достаточно близко находятся соседские дома.

В моем тюнере есть встроенный балун 1:4. Антенну я пробовал настроить как с этим балуном, так и без него. Работает и так, и так, но с балуном антенна настраивается заметно лучше. Отмечу, что использование встроенного балуна не отменяет необходимость во внешнем отсекающем дросселе. Без дросселя, конечно, все тоже будет работать, но вы получите сильные наводки в доме и высокий уровень шума в антенне, я проверял.

Антенна неплохо настраивается на диапазоны от 80 до 10 метров. При использовании встроенного балуна 1:4 КСВ не превышает 2 ни на одном из диапазонов, а без него не превышает 3.

В «основном» диапазоне 40 метров есть явное усиление на запад и восток. Первым же QSO ночью в режиме SSB при работе на 100 Вт был получен рапорт 59 из Франции (2700 км на запад). Казань (720 км на восток) рапортует 59+20. Тольятти (790 км на восток) сообщает 59+15. Киев (750 км на юго-запад) дает 59+15 с комментариев «ого, ну всех перекричал». Германия (2000 км на запад) дает рапорт 59+20. Екатеринбург (1400 км на восток) говорит 59. Уверенно отвечают Босния и Герцеговина (1900 км), Австрия (1800 км), Сербия (1800 км). Раньше на inverted-vee я регулярно принимал операторов, проживающих на юге от меня (Краснодар, Ставрополь, Астрахань). Теперь же радиосвязь в этом направлении удается провести довольно редко.

На «второстепенных» диапазонах антенна также работает неплохо. На 20 метрах в FT8 нередко удается провести QSO с Японией (7500 км). В режиме PSK31 удалось провести QSO с оператором W4PKU, проживающим недалеко от Вашингтона (7900 км). На юг в этом диапазоне антенна тоже как-то работает, в частности, отвечает Оман (4000 км). На 30 и 17 метрах в FT8 было проведено множество QSO с операторами из Европы. Из интересных станций на 17 метрах удалось связаться с Объединенными Арабскими Эмиратами (3700 км). На 80 метрах ночью в SSB уверенно отвечают Литва, Беларусь и Украина. В этом диапазоне рапорты бывают до 59+10.

Диапазоны 15, 12 и 10 метров я пока что особо не тестировал, поскольку активность на них небольшая. Скорее всего, на них тоже все неплохо.

Заключение

На момент написания этих строк я использовал описанную дельту в течение нескольких недель. Мачта держится. От соседей жалоб не поступало. Прямо скажем, какого-то чуда уровня «связь с Австралией как по Скайпу» не произошло. Но и придраться особо не к чему. Получилась просто нормальная антенна.

Есть у этой антенны и один неочевидный, но важный для меня плюс. Дело в том, что в силу ее расположения в доме стало намного меньше кабелей под ногами. Если раньше до диполя тянулось 50 метров RG58, то теперь от трансивера до тюнера идет всего 10 метров. Таким образом, потери в кабеле стали существенно меньше. Кроме того, во дворе теперь не осталось ни одной оттяжки.

Дополнение: Позже я понял еще несколько плюсов данной антенны. Во-первых, зимой антенна покрывается снегом и наледью, и деформируется под их весом. В результате входное сопротивление заметно меняется. Благодаря тюнеру под эти изменения легко подстроиться. Во-вторых, дельта представляет собой КЗ по постоянному току. Благодаря этому антенна не копит статику, как это делают диполи и вертикалы.

Дополнение: Доработка антенны описана в заметке Согласование импеданса с помощью LC-схем. Также вас может заинтересовать статья Простая антенна начинающего коротковолновика.

Метки: Антенны, Беспроводная связь, Любительское радио.