Записки программиста

Не секрет, что радиолюбительский диапазон 15 метров, 21 МГц, является третьей гармоникой диапазона 40 метров, 7 МГц. Теоретически это означает, что диполь на 40 метров должен хорошо работать и на 15 метрах. Но на практике он там не работает. Давайте разберемся, почему так, и можно ли это исправить.

Теория

Мы не раз убеждались, что реальный диполь получается на 6-8% короче расчетных «скорость света в вакууме делить на частоту, пополам». Тому есть несколько причин. Ток в антенне течет не в вакууме, а по медному проводу. Скорость распространения сигнала меньше, и антенна выходит короче. Кроме того, ток на концах антенны на самом деле не равен нулю. Это называется концевым эффектом (end effect). Благодаря ему увеличивается электрическая длинна антенны.

Вспомним, что мы имеем дело с переменным током, а он умеет проходить сквозь конденсаторы. Наша антенна вместе с землей и другими окружающими предметами работает, как большой конденсатор. Если держать это в уме, то концевой эффект перестает казаться чем-то совершенно безумным. На самом деле, электроны никуда не убегают с концов антенны. Просто они накапливаются в виде заряда, как на пластинах конденсатора. Отсюда и возникает отличный от нуля ток.

Пусть на основной частотае 7 МГц плечо антенны имеет длину 98% и еще 2% для полной электрической длины дает концевой эффект. Тогда на третьей гармонике электрическая длина антенны составит 98%×3 + 2% = 296%. Антенна получилась на 4% короче, чем требуется. Значит, резонанс будет не на 21 МГц, а выше по частоте, где-то в районе 21.800 МГц. Все потому что на гармониках концевой эффект работает только один раз.

Можно сделать диполь на частоту ниже 7 МГц. Тогда на третьей гармонике резонанс как раз попадет куда-то в конец диапазона 15 метров. Технически, это не будет антенной на какой-либо из радиолюбительских диапазонов. Однако на нее удастся провести радиосвязи, особенно с тюнером. Само собой разумеется, эффективность антенны будет оставлять желать лучшего. Высокий КСВ на диапазоне или использование тюнера — оба варианта означают лишние потери.

Оказывается, что есть лучшее решение. Оно заключается в том, чтобы добавить в антенну емкостные шапки (capacitance hats):

Иллюстрация позаимствована из статьи Antenna Here is a Dipole [PDF], написанной James Hearly, NJ2L и опубликованной в журнале QST за июнь 1991 года. Емкостные шапки представляют собой отрезки толстого одножильного провода, согнутые в форме восьмерки и припаянные к полотну антенны. Сначала делается обычный диполь на 40 метров. Затем на расстоянии 1/3 длины плеча от места запитки припаиваются шапки. Они не влияют на антенну в диапазоне 40 метров, но увеличивают ее электрическую длину на 15 метрах. Таким образом, резонанс на третьей гармонике смещается вниз по частоте.

Почему шапки оказывают влияние на одном диапазоне, и не оказывают на другом? Можно думать о них, как о пластинах одного конденсатора. Чем больше напряжение на пластинах, тем больше заряд. Чем больше заряд, тем больше электронов затекло, и тем больше конденсатор изобразил концевой эффект. На 15 метрах шапки находятся в пучности напряжения (узле тока) и потому копят большой заряд. На 40 метрах они практически ни на что не влияют.

Практика

Все это, конечно, здорово. Но работает ли антенна в реальном мире, или делает это лишь на бумаге? Давайте проверим.

Шапки у меня получились такими:

Здесь использована эмалированная проволока толщиной 1.5мм. На каждую восьмерку ушло по 60 см проволоки.

Были получены следующие графики КСВ:

Измерения проводились через 10 метров кабеля RG58, для которого была выполнена OSL-калибровка антенного анализатора. То есть, значения входного сопротивления, которые мы здесь видим, должны быть довольно точны.

Входное сопротивление антенны на 40 метрах в этот раз получилось низковато, и это не из-за шапок. Дело может быть в том, что я использовал в антенне более толстый провод, чем обычно. Думаю, что поэкспериментировав с высотой мачты и углом между плечами антенны, можно добиться лучшего согласования. Я не стал вкладывать в это время, потому что меня интересовало другое.

По графикам мы видим, что резонанс антенны на третьей гармонике пришелся примерно на 21.300 МГц. Это с шапками. Без шапок резонанс попадает на 21.600 МГц. На диапазон 40 метров, как и ожидалось, шапки почти не влияют. Поигравшись с точным положением шапок, а также их формой и размером, резонанс наверняка удастся сместить и на телеграфный участок.

На диапазоне 15 метров была замечена активность в FT8. Другой активности не наблюдалось, поэтому антенна тестировалась в этом режиме. И что вы думаете? В первые несколько минут мой сигнал принял Weon, ZS6LKF из ЮАР (9000+ км). Было проведено и несколько других интересных радиосвязей, но на более скромные расстояния (~4000 км). В диапазоне 40 метров, само собой разумеется, антенна тоже работает. Но поскольку я использовал мачту высотой 7 метров, тут дальних связей не было, да и не ожидалось.

Заключение

Антенна работает. Мне кажется, такой прием будет интересен радиолюбителям, уже имеющим диполь на 40 метров. Емкостные шапки позволяют получить выход на еще один диапазон, приложив минимум усилий и не компрометируя антенну на основном диапазоне.

Метки: Антенны, Беспроводная связь, Любительское радио.