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.

Fun fact! Как альтернативный вариант, мачту можно спаять из медных труб. Трубы желательно выбрать потолще, диаметром не менее 20 мм. Такую мачту саму можно использовать в качестве элемента антенны.

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 посте Эксперименты с трапами различной конструкции.

Метки: , , .