Многодиапазонные антенны пользуются у радиолюбителей большой популярностью. Радиолюбители могут проводить радиосвязи на 9 коротковолновых диапазонах, но редко имеют возможность установить отдельную антенну на каждый из этих диапазонов. Приводим вашему вниманию интересную конструкцию многодиапазонной антенны, в антенном полотне которой установлены только катушки индуктивности и отсутствуют какие-либо заграждающие фильтры-пробки (трапы). Однако такая антенна сильно укорочена на самом низкочастотном из рабочих диапазонов, вследствие чего полоса ее рабочих частот несколько уже, чем у полноразмерной антенны.
Одной из самых известных многодиапазонных антенн является, пожалуй, антенна с заграждающими фильтрами (например, конструкции W3DZZ). Колебательные контура (трапы), установленные в полотне такой антенны, служат для того, чтобы антенна была резонансной в нескольких любительских KB диапазонах.
Изготовить и настроить заграждающие фильтры в домашних условиях может далеко не каждый радиолюбитель. Отдельной проблемой является электрическая прочность конденсаторов, используемых в «трапах». Поэтому антенны с колебательными контурами радиолюбители редко изготавливают самостоятельно. А вот CWL-трап можно реализовать вообще без конденсатора, только с помощью одной катушки, изготовить которую не составляет большого труда любому радиолюбителю. Таким образом, открываются большие возможности для любительского конструирования простых многодиапазонных антенн.
Рассмотрим принцип работы заграждающего фильтра, установленного в полотне антенны. Выше, на рис.1 показана типичная схема двухдиапазонной траповой антенны. В каждом плече антенного полотна установлен колебательный LC-контур. На своей резонансной частоте этот контур работает как заграждающий фильтр, который, теоретически, имеет бесконечно большое сопротивление. Концевые части антенны вблизи резонансной частоты не оказывают никакого влияния на свойства антенны, а излучение электромагнитной энергии обеспечивают только внутренние проводники. Следовательно, длина Lа должна быть выбрана так, чтобы антенна на частоте f1 была в резонансе. На других диапазонах заграждающий фильтр не является изолятором, а создает в антенне комплексное сопротивление, зависящее от частоты. На частотах, превышающих резонансную частоту заграждающего фильтра, оно емкостное (т.е. укорачивает электрическую длину антенны), а на частотах ниже резонансной — индуктивное (т.е. увеличивает электрическую длину антенны).
Таким образом, благодаря этим свойствам колебательного контура можно добиться работы антенны еще на одном диапазоне. Чаще всего колебательный контур конструируется так, что второй диапазон (например, f2=3,6 МГц) выбирается по частоте ниже первого (например, f1=7 МГц), поэтому в диапазоне 3,6 МГц заграждающий фильтр действует как удлиняющая катушка. Номиналы L и С заграждающего фильтра, а также длина концевых частей Lb (рис.1) полотна антенны определяют вторую частоту f2, на которой антенна будет резонансной. Если в антенном полотне установить несколько трапов, настроенных на определенные частоты, то можно изготовить антенну, резонирующую в четырех и более любительских KB диапазонах.
Итак, колебательный контур в антенне не обязательно должен действовать как заграждающий фильтр. Кроме того, LC-контур можно размещать в любом месте антенного полотна. В случае правильного выбора номиналов L и С также можно достичь обоих требуемых резонансов. Тогда колебательный контур должен быть рассчитан так, чтобы в выбранном месте антенного провода для любого диапазона достигалась желаемая индуктивная или емкостная нагрузка. Такой вид колебательных контуров в антенне менее известен радиолюбителям, однако он довольно распространен в промышленно выпускаемых антеннах.
Как мы уже отмечали, изготовление и настройка заграждающих фильтров для некоторых радиолюбителей может быть проблематичной. Однако если принять во внимание, что колебательный контур не обязательно должен работать как заграждающий фильтр, то конструировать многодиапазонную антенну станет значительно проще. Для фильтра необходимо только найти такое место на антенном полотне, которое обеспечит работу антенны в нескольких диапазонах. При этом, чтобы не заниматься точной настройкой колебательного контура, можно менять общую длину антенны, влияя тем самым на обе резонансные частоты.
С другой стороны, радиолюбитель, который изготовил колебательный контур, для настройки антенны в резонанс может только немного изменить длину проводов Lа и Lb (рис.1) симметричных антеннах важно, чтобы оба колебательных контура были конструктивно одинаковыми и работали на одной и той же резонансной частоте. Впрочем, если используется антенна, подобная W3DZZ, то чаще всего достаточно незначительно изменить длину проводов Lа и Lb чтобы добиться резонанса в желаемой полосе частот.
Пусть при заданной общей длине антенны требуется достичь резонанса в двух диапазонах. В зависимости от того, где должен быть установлен колебательный контур в антенном полотне (при заданной его общей длине), получим различные номиналы L и С. Рассуждая дальше, приходим к выводу, что, подобрав такие условия, при которых из контура можно удалить конденсатор (т.к. его емкость будет близка к нулю), можно оставить только «удлиняющую» катушку. Таким образом, установив в полотне антенны только катушку, можно перекрыть два диапазона.
Действительно, некоторые радиолюбители (например, W.Lattin, W4RJW; G.Stancey, G3MCK, и т.д.) опубликовали описания подобных антенн, которые работают на двух «гармонических» диапазонах (например, 3,5/7 или 7/14 МГц). Однако было бы желательно иметь возможность конструировать антенны, которые работали бы в нескольких диапазонах, не обязательно гармонических (например, 7/10 МГц). При этом следует иметь в виду, что многодиапазонные антенны с катушками индуктивности, описанные в радиолюбительской литературе, зачастую сложны в повторении, если конструкция катушки отличается от используемой в оригинальной антенне. Дело в том, что, несмотря на одинаковую индуктивность, катушки могут иметь различную собственную емкость, которая влияет на частоту резонанса антенны.
После нескольких лет исследований Jurgen Weigl, OE5CWL, разработал методику расчета проволочной антенны с катушкой индуктивности. Эта методика пригодна для расчета антенн со свободно выбранными частотными соотношениями. Проще всего сконструировать такую антенну в том случае, если обе резонансные частоты находятся не слишком близко друг от друга.
Очевидно, что отсутствие конденсаторов в таких антеннах значительно повышает их эксплуатационную надежность и практически снимает ограничения на подводимую к антенне мощность.
Катушки очень легко изготовить самостоятельно, и, кроме того, исчезает необходимость трудоемкой настройки заграждающего фильтра.
Проделаем простой умозрительный эксперимент с заграждающим фильтром, который состоит из катушки и конденсатора, обкладки которого выполнены в виде пластин. Конденсатор имеет сравнительно маленькую емкость вследствие относительно большого расстояния между обкладками, которая соответствует длине катушки (рис.2а).
Теперь сделаем обкладки очень узкими (рис.2б). Емкость конденсатора станет еще меньше. Но очень узкие обкладки конденсатора можно заменить отрезками провода, например, свисающими с катушки, и, в конечном счете, безразлично, одинакова (рис.2в) или различна (рис.2г) длина обоих проводов. Длина этих отрезков оказывает влияние исключительно на емкость между ними, которая в любом случае сохраняется (рис.2д), но значение ее невелико. Следовательно, два отрезка провода и катушка представляют собой цепь, состоящую из катушки и конденсатора, образованного этими отрезками проводов. Емкость, образованная двумя отрезками провода длиной по 1 м, составляет примерно 4 пФ. Этого достаточно, чтобы сконструировать заграждающий фильтр для KB диапазона при помощи одной катушки соответствующей индуктивности. Принимая во внимание емкостное действие этих отрезков, такую цепь иногда называют «CWL-Trap» (от английского Capacity by Wire Loading— емкость, созданная проводами).
Теперь рассмотрим схему, приведенную на рис.3.
Катушка имеет индуктивность 27 мкГн. Общая длина провода от точки А до точки В составляет 2,5 м, диаметр провода — 2 мм. При этом катушка расположена на расстоянии 0,65 м от одного конца провода, следовательно, длины отрезков и составляют 0,65 и 1,85 м соответственно.
Моделирование такой схемы показывает типичную характеристику (рис.4) полного сопротивления заграждающего фильтра.
На резонансной частоте 14,150МГц реактивное сопротивление (штриховая линия) принимает значения -8 до +8, а активное сопротивление будет очень высоким (примерно 2 МОм).
Эта простая конструкция, состоящая из катушки и двух относительно коротких проводов (CWL-трап), действует точно так же, как заграждающий фильтр (LC-трап) на диапазон 20 м. Поэтому CWL-трап можно подключить к диполю 20-метрового диапазона, образованному проводами длиной Lo (рис.5).
Вследствие большого сопротивления CWL-тpana в 20-метровом диапазоне диполь «не видит» концевые части L2. В действительности, разумеется имеет место незначительное влияние трапа на диполь, вследствие чего меняется коэффициент укорочения антенны, и, следовательно, ее физические размеры.
CWL-трап позволяет изменять размеры антенны в широких пределах. В зависимости от того, в каком месте ее полотна находится катушка, требуется различная индуктивность. Минимальное значение индуктивность имеет точно в середине контура, образованного кусками провода, т.е. если L1 и L2 имеют равную длину (штриховая линия на рис.6).
Только в этом случае емкость, создаваемая обоими проводами L1 и L2, является максимальной. Чем дальше смещается катушка к одному из концов, тем меньше будет действующая (активная) емкость и тем больше должна быть индуктивность катушки для достижения резонанса.
Теперь рассмотрим подробнее двухдиапазонный диполь (рис.5), предназначенный для работы на двух частотах — f1 и f2. Пусть f1 > f2. Очевидно, что при изготовлении антенны от точки питания F до катушки L будет использоваться сплошной провод. Тем не менее, для облегчения восприятия принципа работы такой антенны этот провод разделен на два отрезка — L0 и L1. Длина L0 составляет лямда/4 для первой резонансной частоты f1. Чтобы получить этот резонанс, оставшаяся часть антенны, состоящая из индуктивности L и отрезка провода L2, как уже говорилось, должна работать как CWL-трап. Очевидно, что этого можно добиться выбором длины проводов L1 и L2 и индуктивности катушки. При заданной общей длине концевых отрезков L1 и L2 можно перемещать катушку внутри отрезка, образованного L1 и L2, что, согласно графику на рис.6 (штриховая линия), требует различных значений ее индуктивности.
На частотах, которые отклоняются от резонансной частоты f1 CWL-трапа, антенна имеет либо емкостное, либо индуктивное сопротивление. Поэтому должна быть задана вторая резонансная частота f2 для всей антенны, которая определяется общей длиной антенны, т.е. L0+L1+L2 и индуктивностью L. При этом установленная в полотне антенны индуктивность действует как удлиняющая катушка, следовательно, f2 является более низкой частотой, чем f1.
Здесь имеет место влияние на частоту f2 как индуктивности, так и положения катушки. Если изменить положение катушки внутри CWL-тpaпa при заданной общей длине L1+ L2 то получим различные значения индуктивности L (сплошная линия графика на рис.6).
Как видно из рис.6, имеется одна точка, в которой пересекаются штриховая (для частоты f1) и сплошная (для частоты линии графиков. Этой точке пересечения на оси Y соответствует индуктивность катушки, которая позволяет использовать антенну на обеих частотах — f1 и f2, а на оси X — положение катушки внутри отрезка L1+L2.
Остается только показать, что всегда имеется точка пересечения этих кривых, и тем самым, всегда находится решение для создания двухдиапазонной антенны. При этом общая длина антенны в дальнейшем может выбираться произвольно, поскольку она больше лямда/4 для более высокочастотного диапазона. Кроме того, оба диапазона не обязательно должны иметь «гармоническое» соотношение.
Конечно, чтобы получить индуктивность катушки, пригодную для практической реализации, отрезки L1 и L2 не должны быть слишком короткими. Для KB антенн будет достаточен отрезок провода (L1+L2) длиной от 1 м и больше. Если в распоряжении радиолюбителя имеются только более короткие провода, то, разумеется, также существует расчетное решение. Но тогда индуктивность будет так велика, что CWL-трап уже трудно реализовать. При конструировании антенн с CWL-трапами можно ориентироваться на катушки с индуктивностью от 1 до 300 мкГн.
Для создания трехдиапазонной (например, 160, 80 и 40 м) антенны потребуется включить еще один CWL-тpaп (рис.7).
В этой антенне катушки индуктивности намотаны медным проводом диаметром 1 мм в лаковой изоляции на ПВХ-трубе диаметром 50 мм.
В качестве примера рассмотрим расчет двухдиапазонного диполя на диапазоны 80 и 40 м, который имеет общую длину 2×15 М. Приняв коэффициент укорочения антенны 0,95, получаем, что для диапазона 40 м L0 = 10,11 м. Следовательно, общая длина отрезков L1 и L2 CWL-трапа составляет 15-10,11 =4,89 (м).
Для определения индуктивности катушки в зависимости от ее положения между отрезками L1 и L2 воспользуемся графиками на рис.8.
Точка пересечения графиков,получается при L1=1,9 м и индуктивности 56 мкГн. При указанных размерах и индуктивности катушки антенна работает в диапазонах 80 и 40 м. Это подтверждают результаты моделирования такой антенны в свободном пространстве (рис.9), которые показывают, что первый резонанс антенны располагается на частоте 3,55 МГц, а второй резонанс — на 7,2 МГц.
Но прежде чем начать изготавливать такую антенну, необходимо принять во внимание еще одно обстоятельство. Любая реальная катушка индуктивности имеет собственную емкость. Типичное значение собственной емкости катушек, применяемых в CWL-трапах KB антенн, составляет от 1 до 2,5 пФ, что сопоставимо с емкостью, образованной отрезками проводов. Поэтому в расчетах антенн с CWL-трапами собственную емкость катушки также следовало бы учитывать. Однако основная трудность как раз и заключается в точном определении собственной емкости. Можно рекомендовать оценивать собственную емкость однослойных катушек с. малой индуктивностью в пределах 1,5 — 2 пФ, катушек с большой индуктивностью—от 2,5 до 3 пФ.
При изготовлении катушки для антенны, предназначенной для работы в смежных диапазонах (15/17 или 10/12 м), следует стремиться получить ее минимальную собственную емкость, поэтому необходимо применять медный провод без изоляции (или в лаковой изоляции), намотанный с шагом на высококачественном каркасе из керамики, фторопласта и т.д. Очевидно, что индуктивность и собственная емкость двух катушек, устанавливаемых в плечи диполя, должны иметь минимальный разброс параметров.
В таблице ниже приведены данные, которыми можно воспользоваться для изготовления двухдиапазонной антенны с CWL-трапами (рис.5).
Настройка антенн с CWL-трапами производится подбором как общей длины полотна антенны, так и положения катушки между отрезками проводов, образующих емкость. Прибегать к изменению предварительно рассчитанной индуктивности CWL-»трапа» следует только в самом крайнем случае, когда изменение геометрических размеров проводников антенны не приводит к положительному результату.
При настройке необходимо представлять, как поведет себя антенна при изменении ее длины. Если общая длина антенны увеличивается удлинением отрезка L2, то тогда обе резонансные частоты f1 и f2 (f1>f2) перемещаются вниз. При этом результаты могут сильно отличаться. Если L2 больше L1, то L1, фактически, определяет емкость CWL-трапа и частоту резонанса f1. Удлинение L2 очень незначительно влияет на первую резонансную частоту f1. Но удлинение антенны всегда вызывает понижение обеих резонансных частот.
Если катушку при постоянной общей длине двигать дальше наружу (к концам антенны), то повышается вторая резонансная частота — и наоборот, эта резонансная частота понижается, если катушку двигать вовнутрь. Учитывая эти факторы и запасшись терпением, антенну можно настроить на требуемые частоты.
Funkamateur, №7/2007.