Простая антенна начинающего коротковолновика

3 июня 2020

Поработав некоторое время в эфире, а также почитав про прохождение, антенны, согласующие устройства и всякое такое, я составил лучшее представление о том, что мне нужно от антенны. Было решено с учетом накопленных знаний и опыта сделать новую антенну, которая лучше подходила бы под мои текущие ограничения и интересы. Также хотелось получить как можно более дешевую и простую антенну, чтобы ее могли повторить другие начинающие радиолюбители.

Постановка задачи

В последнее время я использовал многодиапазонную дельту. Антенна верой и правдой прослужила мне больше года, давая выход на все КВ-диапазоны от 10 до 40 метров, и, с заметной потерей эффективности, даже на 80 метров. Было произведено множество QSO самыми разными видами связи, в том числе некоторое количество межконтинентальных, все с хорошими рапортами. В целом, получилась нормальная антенна.

Так в чем же ее проблемы:

  • Нижняя часть полотна антенны проходит на уровне человеческого роста. То есть, практически вплотную к антенне могут находится родственники или соседи. В дневное время приходится либо постоянно смотреть в окно, либо работать на передачу с пониженной мощностью;
  • Антенна расположена близко к дому, в связи с чем имеет высокий уровень шума и собирает внезапные импульсные помехи. Разница по сравнению с диполем, расположенным в 10 метрах от того же дома, заметна невооруженным взглядом;
  • Не очень понятна диаграмма направленности и поляризация антенны на каждом из диапазонов. Результаты моделирования расходятся с наблюдаемыми данными, тем же входным сопротивлением. Мне хотелось бы примерно представлять, в какую сторону и с каким усилением идет сигнал;
  • Неизвестные потери в согласующем устройстве и балуне 1:4. Видео How much power is your QRP antenna coupler losing, снятое Peter Parker, VK3YE, наглядно демонстрирует, что типичные потери в согласующем устройстве могут составлять порядка 1 dB, или 20% мощности;
  • Для смены диапазона приходится крутить ручки. Эту проблему можно решить при помощи автотюнера mAT-30. Но тогда антенна будет привязана к ограниченному числу совместимых с ним трансиверов, чего хотелось бы избежать. Кроме того, автотюнер — это лишние провода. Также, напомню, при использовании данного автотюнера Yaesu FT-891 снижает выходную мощность пропорционально КСВ;
  • Полоса антенны могла бы быть шире. При этом зимой полотно антенны может прогибаться под тяжестью снега, из-за чего меняется входное сопротивление. Как результат, только что согласованная антенна через десять минут может стать вообще не согласованной. Проявляется только во время снегопада;
  • Антенна была выполненна из провода П-274М. Это достаточно толстый провод черного цвета. Хотелось бы, чтобы антенна поменьше бросалась в глаза. Так, на всякий случай;
  • Такое чувство, что я сработал почти со всеми, с кем мог сработать на эту антенну. Новых корреспондентов удается найти довольно редко. Стоит сказать, что сейчас мне интереснее всего работать в телеграфе, и иногда в SSB. Новый корреспондентов хватает в FT8, но мне не очень интересно в нем работать;

Согласно журналу, 75% радиосвязей за все время работы в эфире я провел в диапазонах 20 и 40 метров. Я был готов пожертвовать остальными диапазонами, оставив лишь два самых часто используемых мной на практике. Для выхода на прочие диапазоны я всегда могу развернуть какую-то временную антенну.

Подготовительные работы

Простых и в то же время эффективных антенн не так много — это диполь, вертикал и рамочная антенна. Местом под две независимые антенны я не располагаю, поэтому нужна одна антенна на два диапазона. Многодиапазонную рамку сделать можно, но довольно хлопотно. Вертикал, чтобы рядом с ним не ходили люди, нужно ставить на крышу. Крыша у дома металлическая, что хорошо для вериткала. Но мне не хочется карабкаться на крышу посреди зимы, если с антенной что-то случится. Таким образом, остается диполь.

Многодиапазонный диполь можно сделать, используя либо две пары плеч, либо трапы, либо балун 1:4. Я остановился на первом варианте, поскольку он самый простой. Питать антенну было решено при помощи кабеля RG-213, поскольку это дает небольшие и заранее известные потери, а кабель можно использовать любой удобной длины. Таким образом, предстояло сделать балун по току 1:1.

Когда я делал балун в прошлый раз, он получился тяжелым и дорогим, поскольку я использовал ферритовое кольцо FT240-31. Было решено намотать балун на более дешевом и легком кольце с близкой начальной магнитной проницаемостью, и посмотреть, что из этого выйдет. В качестве кольца я выбрал М1500НМ3, 45х28х12. Кольцо обладает достаточным диаметром, чтобы на него можно было намотать кабель RG-58. Но я захотел использовать бифилярную обмотку, просто потому что никогда раньше не использовал ее в балунах.

На следующем фото изображен сам балун и то, как измерялась зависимость импеданса обмотки от частоты:

Балун по току 1:1 на базе кольца М1500НМ3

Импеданс, а также КСВ на эквиваленте нагрузки 50 Ом, получились следующими:

Импеданс и КСВ балуна по току 1:1

График, аналогичный первому, только для кольца FT240-31, ранее приводился в посте Антенный анализатор FAA-450 (EU1KY). Видно, что М1500НМ3 справляется похуже. Тем не менее, на частотах от 1 МГц до 14 МГц мы видим активное сопротивление более 500 Ом, а значит балун неплохо подавляет синфазные токи. Отмечу, что при использовании вместо бифилярной обмотки кабеля RG-58 график будет таким же.

Куда сильнее меня беспокоил КСВ. Видно, что на 14 МГц балун начинает вносить существенную реактивность. Рабочая версия заключалась в том, что эта реактивность будет скомпенсирована длиной плеч самой антенны. Также балун был проверен на эквиваленте нагрузки при подаче несущей с мощностью 100 Вт. В балуне нигде ничего не перегревается. Это свидетельствует в пользу того, что балун работает правильно.

Окончательный вид балуна получился таким:

Окончательный вид балуна по току 1:1

Я заметил, что в кольцо с намоткой идеально вставляется труба ПВХ диаметром 20 мм. Ее я и использовал в качестве каркаса. Снизу в трубку вставляется разъем SO-239, сверху крепится петелька. Петелька была отрезана от решетки-гриль с помощью ножниц по металлу. Решетка была куплена новая и оказалась слишком маленькой для мангала, вот и лежала без дела. С тем же успехом можно использовать толстую медную проволоку или любые другие доступные материалы. Держится все на эпоксидном клею.

В качестве эксперимента была сделана антенна inverted-V на самый сложный для балуна диапазон, 20 метров. Антенна была поднята на телескопической удочке на высоту 7 метров. Длины плеч я сделал ровно по 5 метров, и с перовой попытки попал почти куда нужно:

КСВ антенны inverted-V на диапазон 20 метров

Выглядит так, как если бы теория о компенсации реактивности подтверждалась. Было проведено несколько тестовых радиосвязей как в телеграфе, так и в SSB. Все они прошли без проблем. Таким образом я убедился, что балун работает как надо даже в диапазоне 20 метров.

Окончательное решение

Так выглядит антенна на два диапазона:

Двухдиапазонная антенна inverted-V

Графики КСВ:

КСВ антенны inverted-V на два диапазона

Результаты похожи на те, что были получены при изготовлении fan dipole из двухпроводной линиии. На этот раз плечи были расположены почти в одной плоскости, что не сильно повлияло на свойства антенны. Интересно, что графиком КСВ в диапазоне 20 метров можно манипулировать, регулируя расстояние между плечами с земли. Чем ближе плечи друг к другу, тем ниже по частоте будет резонанс на 20 метрах. «Бонусные» диапазоны на этот раз получить не удалось. На диапазонах, отличных от 20 и 40 метров, КСВ не опускается ниже значения 5.

В отличие от предыдущей версии антенны, здесь мы имеем существенно меньшие потери в линии запитки. К тому же, линия может быть произвольной длины. Провода и леска использовались те же, что в прошлый раз. Это делает антенну не сильно заметной на фоне неба. Ближе к земле леска была обклеена изолентой. Это сделано для того, чтобы кто-нибудь случайно на нее не налетел. Также изолента дает леске дополнительную защиту от трения о забор в случае сильного ветра.

С выбором мачты я немного прогадал. На eBay была куплена телескопическая удочка длиной 20 метров. Я надеялся, что смогу использовать под мачту метров 15. Но оказалось, что в этом случае нужно как минимум два яруса оттяжек, иначе мачта сильно гнется на ветру. А мои родственники без энтузиазма относятся к идее натянуть веревок по всему двору. В итоге высоту пришлось ограничить 10-ю метрами, а удочку закрепить лишь у основания, примотав ее к забору. По прошлому опыту мне известно, что такая конструкция выдерживает сколь угодно сильный ветер, даже при использовании куда более тонких удилищ.

Чтобы секции удочки не схлопывались на ветру, я закрепил их армированным скотчем. Чтобы со временем скотч не отклеился, и чтобы под него не затекла вода, сверху он был покрыт лаком Plastik 71. Изоляция места соединения коаксиального кабеля с балуном выполнена по тому же принципу, только вместо армированного скотча применено несколько слоев изоленты.

Важно! Не используйте лак в виде спрея. При неудачном дуновении ветра лак попадет в глаза вам или проходящим неподалеку людям.

Десять метров — это очень удачная высота для inverted-V на диапазон 20 метров. Антенна хорошо подходит для проведения дальних связей. Для диапазона 40 метров высота составляет λ/4. Диаграмма направленности при этом оставляет желать лучшего. Многие радиолюбители скажут, что такая антенна вообще ни на что не годится, поскольку она «излучает в зенит». Но я рискну поспорить.

Во-первых, даже если так, антенна для дальних связей у нас уже есть. Почему бы не настроить вторую так, чтобы она лучше подходила для ближних связей? Во-вторых, на самом деле, даже при такой высоте антенна может посоревноваться в усилении под углами 20-30 градусов с вертикалом:

Диаграмма направленности низко подвешенного inverted-v и вертикала

Настоящая проблема заключается не в самом усилении, а в том, что сигналы от дальних станций могут быть перекрыты сигналами от ближних. Но если мы говорим о телеграфе, то две станции, одновременно использующие одну частоту — явление редкое. Телефон же все равно не является лучшим видом связи для DX.

В-третьих, в книге Propagation and Radio Science за авторством Eric Nichols, KL7AJ убедительно показано, что радиоволны не отражаются буквально от поверхности земли. На самом деле, радиоволны проникают под землю, и существенно глубже, чем принято думать. Таким образом «отражение» происходит под землей. В результате низко подвешенный inverted-V работает лучше, чем должен, потому что его эффективная высота от земли получается больше.

Важно! С этой антенной обязательно используйте дроссель для защиты от статического электричества. Дроссель требуется правильно заземлить.

Результаты тестирования при помощи WSPR на мощности 5 Вт обнадеживают:

Тест антенны при помощи WSPR

Здесь мы видим, что мой сигнал принимали в принципе во всем мире, как на 20 метрах, так и на 40 метрах.

И действительно, с этой антенной нередко удается провести дальние связи. В диапазоне 20 метров по расстоянию пока ведут Япония (7500 км) и США (8600 км). В диапазоне 40 метров мне удалось провести QSO с радиолюбителями из Бразилии (12100 км), Австралии (12500 км), а также Новой Зеландии (16150 км). Дело было во время контекста CQ WPX CW 2020. Все радиосвязи — в телеграфе.

Такой вот занимательный результат. Хотя, казалось бы, ДН антенны на 20 метрах лучше и уровень шума в этом диапазоне намного ниже. UPD: Позже в диапазоне 20 метров были проведены не менее дальние связи, чем в диапазоне 40 метров.

Заключение

Получилась просто нормальная антенна, лишенная всех названных в начале статьи недостатков. Я пользуюсь ею один месяц. Мачта держится, леска не рвется, соседи не жалуются. Антенна рекомендуется для повторения и использования начинающим коротковолновикам.

Если после прочтения статьи у вас остались вопросы, не стесняйтесь задать их в комментариях. Также было бы интересно узнать, в каких радиолюбительских диапазонах вы обычно работаете, какую антенну используете в качестве основной, и какие радиосвязи удается провести.

Дополнение: Доработка антенны описана в постах Эксперименты с трапами различной конструкции и Траповый диполь на 10/20/40/80 метров.

Метки: , , .