Не сложная конструктивно и простая в настройке антенна была спроектирована для работы в диапазоне 40 метров. При соответствующей коррекции размеров элементов она может работать практически на любом KB диапазоне. Антенна относится к классу Crossed Field Antenna (CFA) — антенн на скрещенных полях, которые, подчиняясь общим законам физики отличаются от классических способом формирования фронта волны излучения. Теоретические предпосылки, послужившие основой к созданию этой антенны. разработаны шотландскими профессорами М. Хейтли и Б. Стюартом.
При просмотре в очередной раз настольной книги коротковолновиков изложенная К. Ротхаммелем логическая цепь в статье о преобразовании резонансного контура в магнитную антенну мне показалась незавершенной:
Радиолюбитель DL1BU наглядно представил формирование магнитной кольцевой антенны. Сначала рассматривается параллельный колебательный контур (рис. 1а).
При возбуждении такого контура на резонансной частоте его электрическая энергия колеблется между конденсатором (электрическое поле) и катушкой (магнитное поле). Поля обоих типов концентрируются в этой замкнутой системе, почти не выходя за ее пределы.
Если в замкнутом колебательном контуре (рис. 1а) развести пластины конденсатора (рис. 16), ранее замкнутая система оказывается разомкнутой и между пластинами возникает электрическое, преимущественно ближнее поле. Так как электрическое поле распространяется во внешнее пространство. можно говорить, что данный колебательный контур представляет собой электрическую антенну. Она соответствует сильно укороченному вибратору с концевой емкостью, известному как элементарный диполь, или диполь Гэрца.
Вернув пластины конденсатора в прежнее положение и растянув витки катушки так, чтобы из ее провода образовалось кольцо, получим магнитную рамочную антенну (рис. 1в).
Исходя из логики работы CFA, следует, что рамку, излучающую в основном магнитную составляющую, нужно оснастить элементами, способными излучать электрическую составляющую электромагнитной волны. И действительно, было бы логично конденсатор, образованный лучами, использовать для излучения электрической составляющей сигнала.
Антенна, выполненная в соответствии с электрической схемой, изображенной на рис. 2, по распределению тока и напряжения (и это проверено экспериментально) соответствует неразрывному полуволновому излучателю, и в кратком виде её работу можно описать так: Рамка, находясь в зоне максимального тока, формирует магнитную составляющую электромагнитной волны излучения, а лучи антенны, находящиеся в зоне максимального напряжения, — электрическую составляющую волны. Контур, образованный внутренним проводником рамки и конденсатором С1, расширяет рабочую частотную полосу антенны, обеспечивает синфазность этих составляющих и, тем самым, работу антенны в CFA режиме.
Конструкция антенны представлена на рис. 3. Рамка выполнена из радиочастотного коаксиального кабеля, применяемого для устройства фидерных линий при строительстве станций сотовой связи. Его наименование по документам — «кабель коаксиальный 1″ гибкий LCFS 114-50 JA, RFS (15239211)». Его внешний проводник выполнен в виде медной гофрированной трубы диаметром около 25 мм, внутренний проводник — медная трубка диаметром около 9 мм (фото на рис. 4, ниже). Черная ПВХ оболочка с кабеля удалена, и его внешний проводник покрыт несколькими слоями бесцветного лака марки «ХВ».
Полагаю, рамку также можно выполнить из спортивного обруча или металлопластиковой водопроводной трубы. Потребуется только поместить внутрь проводник подходящего сечения, исключив при этом возможность его перемещения внутри трубы (например, с помощью изоляционных шайб), и обеспечить хороший гальванический контакт с лучами и конденсатором.
Лучи антенны удобно использовать в роли оттяжек при её установке. Изначально у автора они были выполнены из антенного канатика диаметром 3 мм, но по прошествии нескольких дождей он настолько почернел и позеленел, что был заменен луженым многожильным медным проводом приблизительно такого же диаметра без изоляции. Также можно попробовать применить один провод от двухпроводного полевого кабеля П-274.
Конденсатор С2, подключенный к внешнему проводнику рамки, — двухсекционный КПЕ емкостью 12…495 пФ от старого радиовещательного приемника. Чтобы исключить влияние скользящих контактов ротора, к рамке подключены выводы статорных пластин, при этом секции КПЕ оказываются включенными последовательно, а емкость уменьшается вдвое. При указанной длине лучей для настройки антенны в резонанс достаточно ёмкости конденсатора 50…100 пФ. Можно также заменить переменный конденсатор постоянным и настройку антенны производить подборкой длины лучей. Но такой способ представляется слишком хлопотным. Так как конденсатор включен на участке с небольшим напряжением, требования к его электрической прочности невысоки. Конденсатор С1, подключенный к внутреннему проводнику рамки, — типа «бабочка».
Оба конденсатора размещены в герметичной пластиковой коробке подходящих размеров, приобретенной в магазине электротоваров (рис. 5).
Петля связи с антенной изготовлена из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом, по которому она питается. На конце кабеля и в месте, отстоящем от него на 1900 мм, удалена внешняя изоляционная ПВХ оболочка, а в середине этого отрезка на длину 10 мм удалена и оболочка, и внешний проводник — оплетка (рис. 6). Внутренний проводник припаивают на конце кабеля к оплетке. Затем этот конец кабеля накладывают на второй участок с удаленной внешней изоляцией и припаивают к нему. Полученную петлю (кольцо) прикрепляют к верхней части рамки антенны (рис. 6), которая, в свою очередь, закреплена на бамбуковом шесте высотой 5,5 м с помощью нейлоновых кабельных стяжек.
Для настройки антенны требуется минимум приборов — трансивер, КСВ-метр, индикатор напряженности поля или неоновая лампа. П-контур трансивера следует предварительно настроить на эквиваленте нагрузки на максимальную отдаваемую мощность в середине диапазона 40 метров (при последующей эксплуатации антенны конденсаторами П-контура можно будет в некоторой степени её подстраивать).
Подключают антенну к трансиверу, устанавливают ротор конденсатора С1 в положение, соответствующее ёмкости приблизительно 10 пФ, и конденсатором С2 настраивают антенну в резонанс по максимальной громкости принимаемых сигналов. Затем измеряют КСВ антенны в рабочей частотной полосе. Минимум КСВ в антенне совпадает с максимумом резонанса, поэтому проблем с настройкой нет. У автора при указанных размерах и высоте установки полоса пропускания антенны превышает 150 кГц при КСВ не более двух.
Также можно включить трансивер на передачу и настроить антенну по максимальному показанию индикатора напряженности поля или по максимальной яркости свечения неоновой лампы, поднесенной к одному из лучей.
Антенна прошла длительный цикл климатических испытаний. В зимнее время на её долю достались снегопады и обледенение, а также весьма серьёзные ветры, которые случаются в нашей местности едва ли не каждую зиму. Видимо, небольшая высота установки и применение неметаллической (бамбуковой) мачты избавили от проблем. Толщина обледенения достигала полутора сантиметров. Но к моменту, когда появилась возможность проверить работоспособность антенны в условиях обледенения, изоляторы уже успели оттаять, хотя вся остальная часть была покрыта добротной коркой льда. Как ни странно, это не отразилось на работоспособности антенны и её параметрах.
Беда пришла, откуда не ожидал. Подготавливая антенну к зиме, я старательно уплотнил все швы и соединения силиконовым герметиком. И как оказалось, зря. Частые зимние оттепели и повышенная влажность воздуха вызвали обильное образование конденсата в коробке с конденсаторами, что с течением времени привело к замыканию конденсатора С2. Проявилось это возрастанием КСВ до 5…6. Проблема разрешилась после удаления заглушек нижних отверстий в монтажной коробке (кстати, воды вытекло изрядное количество). Когда коробка и конденсаторы высохли, антенна опять заработала. Назад я эти заглушки не поставил, и подобной проблемы больше не возникало.
В процессе экспериментов с антенной было установлено, что:
1. При переключении лучей антенны к противоположным выводам витка рамки прием полностью прекращается. Отсюда можно сделать вывод, что необходимые фазовые соотношения образуются у лучей только со «своей частью рамки». Другими словами, рамка активно участвует в формировании диаграммы направленности. По мере увеличения длины лучей провал в диаграмме (в горизонтальной плоскости) уменьшается вплоть до полного исчезновения, и она приобретает вид эллипса, вытянутого в плоскости антенны. При повороте антенны на 90 град, уровень принимаемого сигнала на дальних трассах падает на 1,5…2 балла.
2. Угол вертикального излучения антенны уменьшается с увеличением длины лучей. То же происходит и при увеличении наклона лучей. Это хорошо определяется по уменьшению уровня сигнала ближних и увеличению уровня сигнала дальних радиостанций. При указанных на рис. 2 длине и угле наклона лучей радиостанции, расположенные ближе трехсот километров, не слышны либо их сигналы значительно ослаблены.
3. Увеличение длины лучей с пяти до восьми метров повышает уровень принимаемых сигналов на 6… 10 дБ, что несколько непропорционально и явно превышает увеличение сигнала, которого следовало ожидать. Причины непропорционального увеличения сигнала, видимо, объясняются образованием гребня падающей волны, описанного в [3]. Если это так, то описываемая антенна является первой конструкцией, использующей этот эффект! Чем длиннее лучи (в разумных пределах — не более 1/4 длины волны), тем шире полоса пропускания антенны и меньше напряжение на конденсаторе С2.
4. При изменении высоты установки рамки (от двух до четырех метров по нижней кромке) КСВ изменяется от 1,3 до 1. Для компенсации потребовалось увеличение емкости конденсатора С2 менее чем на 10 пФ. В остальном характеристики антенны остались прежними, не считая уменьшения угла излучения из-за увеличенного наклона лучей. Экспериментально установлено, что высоты установки примерно 1/8 длины волны достаточно, чтобы практически полностью исключить влияние эемли.
5. На работу антенны не влияет перемещение массивных металлических предметов или людей даже при высоте лучей над землей около двух метров. Она мало подвержена помехам вообще, и грозовым в частности. Удавалось без особых проблем работать в разгар грозы.
Уровень шума антенны при условии размещения на одной из центральных улиц города не превышает 4…5 баллов.
На основе всего вышеизложенного можно сделать ряд выводов. Так, при указанной незначительной высоте подвеса антенна, несомненно, превосходит волновой диполь, установленный на высоте четырех метров над крышей пятиэтажного здания.
На основании пунктов 1 и 2 экспериментальных наблюдений можно считать, что антенна, несомненно, относится к классу CFA, в котором формирование потока излучения происходит непосредственно у её элементов, а не на удалении, как у классических. Видимо, этим и объясняется малая чувствительность антенны к изменению высоты установки и наличию проводящих предметов непосредственно под антенной.
На основании пункта 2 с помощью несложных геометрических расчетов можно определить, что угол максимального излучения антенны в вертикальной плоскости равен 25 град. Фактор умножения для вертикального лепестка пренебрежимо мал по сравнению с фактором умножения для основного лепестка. В этом отношении, как ни странно, эта антенна соответствует полуволновому диполю, установленному на высоте 1/2X (для диапазона 7 МГц это 20 м). Оптимальные углы возвышения для диапазона 40 метров лежат в пределах 12…40 град. При высоте мачты 5,5 м в вертикальной составляющей диаграммы направленности зенитное излучение практически отсутствует. Вместе с тем, при высоте мачты 3,5 м и длине лучей 5 м, расположенных параллельно земле, антенна позволяет проводить как местные, так и относительно дальние радиосвязи.
Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости не имеет ярко выраженных минимумов, и антенна позволяет работать во всех направлениях.
За более чем годовое время эксплуатации антенны совместно с SDR-трансивером мощностью 100 Вт было проведено множество радиосвязей практически со всеми странами Европы, многими странами Азии и Африки. Наиболее экзотическими для меня являются связи с Азорскими и Карибскими островами, островом Цейлон, северными территориями Австралии, Бразилией, ну и,конечно, Японией.
После установки антенны на высоту 8м к вышеперечисленным странам добавились Индонезия, США, Гана, Венесуэла и редкая (для меня) связь с радиостанцией, находящейся в локаторе АО-42.
Александр ГРАЧЁВ (UA6AGW)