Укороченный вертикал на диапазон 28МГц

11.11.2023 15:24, автор EW1ADF

Фото и текст любезно предоставлены Никитой EW7RF.

 

Данная статья написана как для начинающих радиолюбителей, так и для тех, кто стеснен в месте для установки антенны или же тех, кто имеет нужду в максимально короткой и компактной антенне, например, для походов. Ссылки на источники будут приведены как в самой статье, так и в списке в конце.

Введение

У многих радиолюбителей возникает вопрос - какая антенна лучше? В наше время источников на эту тему действительно много - интернет-форумы, статьи, книги. От многообразия предоставленных в них вариантов разбегаются глаза. Часто муки выбора могут отнять времени куда более, чем постройка антенны. Еще одной из проблем является возможность установки той или иной антенны - у многих мало места/нет доступа на крышу/невозможно поставить мачту, чтобы подвесить антенну повыше от земли. Иногда приходится идти на компромиссы, ведь лучше пожертвовать каким-либо параметром и начать работать в эфире, чем долго мечтать об установке идеальной антенны. У меня была такая же проблема, поэтому я хочу рассказать как я решил для себя данную проблему и что из этого получилось.

Почему именно вертикал?

Обычно многие радиолюбители в качестве первой антенны выбирают диполь или его разновидность - Inverted V. Антенна действительно очень простая в изготовлении, настройка ее вполне интуитивна и она кажется идеальным вариантом. Однако, это правдиво только для определенных условий. Итак, первая проблема, которая возникает у нас при установке диполя -  ему надо две точки подвеса – в большинстве случаев это неудобно, кроме того, если мы рассматриваем вариант с антенной для полевых выездов с забросом обоих концов на дерево, становится не очень понятно как его настраивать - настройка диполя выполняется изменением длинны элементов. Обычно делают лучи чуть длиннее расчетных и потом подгибают концы, загоняя антенну в резонанс. Удобнее в этом плане антенна Inverted V - для ее установки, по сути, достаточно одной мачты да и настраивать ее удобнее.

 

 

Однако тут мы упираемся в другую проблему - низко установленный диполь имеет неудовлетворительную диаграмму направленности - основное излучение направленно в зенит и это плохо для дальних связей (https://lib.qrz.ru/node/1326)

 

 

Исходя из этого, для проведения дальних связей нам необходимо поднять антенну на высоту не менее ¼ длинны волны, а идеально - ½ . Если для ВЧ диапазонов это вполне просто реализуется, то для НЧ диапазонов это уже становится большой проблемой.

Отдельно хотелось бы отметить, что среди радиолюбителей ходит такое мнение, что якобы антенна Inverted V лишена этого недостатка. Отлично на этот вопрос ответил Александр Барский (VA3TTT) в своей статье «Inverted V - мифы и реальность», на которую я привожу ссылку http://www.cqham.ru/ant_iv3.htm

Кратко привожу его выводы:

1. Диаграмма направленности Inverted V не прижата к земле, это миф;
2. Более того, диаграмма Inverted V наоборот, имеет большую долю зенитного излучения (что плохо для DX);
3. При всех высотах подвеса Inverted V проигрывает диполю.

Исходя из всего этого можно понять, что самое простое - не всегда самое лучшее. А есть ли какие-то альтернативы диполю и его разновидностям? Да, это антенна называемая четвертьволновым вертикалом. Ее схематическая конструкция приведена на рисунке ниже:

 

 

Антенна представляет из себя вертикальный излучатель длинной ¼ длинны волны и некоторое количество противовесов (не обязательно 4, об этом мы поговорим ниже). Чем же эта антенна лучше диполя, ведь уже исходя из картинки мы видим, что конструктивно она более сложна? И тут главная фишка вертикала проявляется в полной мере - для него не так важна высота подвеса, даже стоящий на земле вертикал излучает под низкими зенитными углами, что как раз необходимо для проведения дальних радиосвязей. Однако считаю необходимым чтобы не быть голословным, сравнить эти две антенны. Благо до нас это сделал гуру моделирования Игорь Гончаренко DL2KQ  в третьей части своей книги «Антенны КВ и УКВ» в главе «V или H?». В этой главе идет речь о петлевых вибраторах, однако автор указывает, что приведенные рисунки верны для любых вертикальных и горизонтальных вибраторов (http://dl2kq.de/ant/kniga/435.htm).

 

 

Как мы видим из данного рисунка, при низкой высоте подвеса диполь значительно проигрывает вертикалу, если же есть возможность подвесить антенну около ½ длинны волны, то лучше применить диполь.

Итак, мы получили некоторые теоретические основы о горизонтальных и вертикальных антеннах. Я остановился на вертикальных антеннах и у меня для этого есть несколько причин:

1. У меня очень ограничены возможности высоты подвеса антенны, нет возможности ставить даже относительно невысокую мачту;
2. Даже установленная прямо на земле вертикальная антенна выиграет на длинных трассах у низко подвешенного диполя;
3. Простота монтажа - нам не надо нескольких точек подвеса. В моем случае достаточно просто вбитого в землю колышка на котором держится антенна;
4. Максимальная компактность - антенна планировалась для выездов - хотелось получить излучатель, который займет как можно меньше места в рюкзаке.

Антенна выбрана, приступим к практической реализации.

Почему вертикал укорочен?

Вообще, особого смысла делать укороченный вертикал на диапазоны 10 и 15 метров нет особого смысла, ведь их легко можно разместить на первой попавшейся удочки из магазина - длины излучателей около 2.5 и 3.75м соответственно. Однако я делал его укороченным по нескольким причинам: первая проистекает из пункта 4 прошлого параграфа - мне нужна была максимально компактная антенна - даже удочка была бы для меня слишком большой. Вторая причина - это спортивный интерес - это не первая моя укороченная антенна, правда, прошлая была на 20м - хотелось отточить навыки их расчета и оценить ее в работе, что можно выжать из штыря который будет чуть длиннее сиби антенны.

Естественно, чудес не бывает, и полноразмерная антенна всегда лучше укороченной. Подробно об этом можно почитать у Игоря Гончаренко DL2KQ в третьей части своей книги «Антенны КВ и УКВ» ( гл.3.7.2 «Укорочение индуктивностью»). Если же вас интересуют краткие выводы, то:

1. Сужается полоса;
2. Падает усиление.

С узкой полосой я был готов смириться - предпочитаю цифровые виды связи. А вот с усилением были вопросы, вдруг антенна окажется совсем неэффективной? Оценив все это я вспомнил присказку «теория без практики мертва» и решил все же изготовить антенну.

Проблема с тем, как сделать ее максимально компактной была подсмотрена в интернете - надо применить телескопическую антенну от радиоприемника. Поискав на местной интернет-барахолке мне попалась антенна советского производства от радиоприемника «Салют» (но это не точно). В сложенном состоянии она длиной всего 22см, а в разложенном - 170см. Отличная заготовка под вертикал!

 

 

Теперь нам надо основание, на котором мы закрепим саму антенну, удлиняющую катушку и сделаем контакт для противовесов. Не мудрствуя лукаво, поискал дома обломки стеклопластикового удилища и обрезал его так, чтобы само основание штыря входило с натягом в этот отрезок удочки. Важный момент: тут главное не переусердствовать, так как удилище легко раскалывается, что и произошло у меня. Если бы я изготавливал вертикал сейчас, я бы сделал его с небольшим натягом и вклеил бы все это на эпоксидную смолу. Перед тем как вклеивать вертикал, необходимо определиться с тем проводом, которым мы будем мотать катушку (о ее расчете ниже) и припаять ее к основанию нашей телескопической антенны (у меня для этого внизу предусмотрен контактный лепесток). Далее нам надо просверлить отверстие поближе к основанию нашего вертикала - через него мы пропустим провод для удлиняющей катушки (пропускаем его сразу после сверловки и только потом вклеиваем сам вертикал). Итак, приступаем к самому интересному - расчету удлиняющей катушки. Я всегда пользуюсь для расчетов простым онлайн калькулятором https://m0ukd.com/calculators/loaded-quarter-wave-antenna-inductance-calculator

Его интерфейс довольно прост, однако оставлю некоторые пояснения:

1. «Frequency» – частота. Эту частоту ставим примерно на середину бенда, но 28МГц у нас диапазон очень широкий, а вертикал у нас укороченный - можем не влезть по полосе, мне хотелось бы получить возможность работы в цифре и в SSB без переключений и отводов. Я выбрал частоту 28.250;
2. «Length of vertical or dipole element» - это высота нашего вертикала. В нашем случае это 170см;
3. «Coil position (Distance from feedpoint)» – расстояние от катушки до точки питания. Иногда удлиняющую катушку размещают не снизу, а посередине вертикала. Однако у нас это не так, мы применяем стандартную схему с удлиняющей катушкой снизу. Потому тут ставим 0;
4. «Wire diameter (Millimetres)» – это диаметр нашего вертикала. Тут есть некоторая сложность – так как у нас телескопическая антенна, ее диаметр разный, я ввел что-то среднее. Если в качестве полотна провод - то все проще, пишем его диаметр.

После ввода всех параметров нажимаем «Design», и в поле «Loading coil calculated inductance» мы получаем необходимую нам индуктивность удлиняющей катушки. Важное замечание: катушку всегда лучше сделать индуктивностью чуть больше - отмотать и отрезать лишнее всегда проще, чем припаивать недостающие кусочки.

Далее, у нас есть индуктивность и нам нужно рассчитать как воплотить нашу катушку в жизнь. Для этого воспользуемся сервисом COIL32 https://coil32.net/ru/calc/one-layer.html

Тут все довольно просто, главное точно измерить диаметр провода с изоляцией и без нее. Я отключал кнопку «Авто», так как применял провод в ПВХ изоляции. Тот конец, который мы припаяли к штырю, условно будем считать верхним.

Такая катушка получилась у меня:

 

 

Теперь нам необходимо изготовить крепление для наших противовесов. Для этого чуть ниже катушки сверлим отверстие под винт - в моем случае М5. В него продеваем винт и на него ищем гайку и шайбу.

 

 

Теперь нам необходимо изготовить противовесы. Их можно рассчитать, например, здесь https://lessonradio.narod.ru/RadioCalculat.htm

Однако вполне можно рассчитать их и так - зная длину волны делим ее на 4 и получаем необходимую длину. Можно, в принципе, вообще сделать их на глаз - для 10м отрезать куски провода по 2.5м, все равно их длину нам придется подстраивать, так как этот параметр сильно зависит от проводимости почвы. Для начала я их сделал 4шт. После того как мы нарезали противовесы, припаиваем их вместе по две штуки на клемму, которую затем мы будем накручивать на наш ранее установленный винтик.

 

 

Теперь нам осталось припаять кабель или разъем - центральная жила к нижнему отводу катушки (важно: для настройки я бы лучше подключил катушку через клеммник или же подключился крокодильчиком - нам придется не раз ее отмотать, паяться каждый раз будет неудобно и долго), а оплетку - к противовесам (для удобства можно припять такую же клемму как и на противовесы, чтобы все это удобно собиралось.

 

 

В моем случае я припаял разъем, чтобы не быть привязанным к определенному кабелю. Также необходимо подключать антенну через балун 1:1 или запирающий дроссель, чтобы не было тока оплетки, однако тут это не сделано в угоду компактности и простоты конструкции. Итак, наша антенна готова. Необходимо ее установить так, чтобы между противовесами было 90° (если их 4шт или 180° если их 2).

 

 

Настройка

Для настройки антенны нам понадобится антенный анализатор, на нем желательно установить диапазон с запасом, например, 26-30МГц, чтобы сразу было видно, где мы промахнулись (на самом деле попасть с первого раза очень сложно, если не сказать невозможно, именно поэтому ранее мы с вами делали катушку с запасом). На анализаторе мы смотрим минимум КСВ, скорее всего он будет ниже по частоте. Вгоняем отмоткой удлиняющей катушки этот минимум в нужный нам диапазон. Отматывать можно, например, по полвитка, процесс тонкий, но довольно логичный. Важно понимать, что сопротивление идеального штыря около 36Ом, поэтому КСВ всегда будет более единицы. КСВ до 1.5 будет вполне приемлем. Подскажу хитрость: в небольших пределах можно вполне сместить резонансную частоту играясь с длинной противовесов - немного укорачивая их (резать не надо, просто подгибаем назад), таким образом можно повысить резонансную частоту. Бывает такая ситуация, что КСВ упорно не хочет опускаться ниже 2, хотя на нужной нам частоте нет реактивности (как раз это и свидетельствует о резонансе). Я как раз попал в такую ситуацию. Как бы я не крутил катушку и не игрался с радиалами, у антенны было низкое сопротивление - менее 30Ом. Есть два варианта устранения этой проблемы - расчитать в ММАНА согласующее, это самый лучший вариант, и второй - попробовать убрать два противовеса, оставив их только два из четырех. Это приведет к еще большей потери эффективности, но этот вариант простой, а потому мы применим его. После того как я откинул пару противовесов, удалось добиться КСВ около 1.5. Запоминаем, что это уже второе допущение (ранее мы смирились с тем, что наша антенна укорочена). Кому интересно почитать о влиянии радиалов и их количества на параметры антенны, крайне рекомендую эту статью http://dl2kq.de/ant/3-33.htm

Что в итоге?

Как мы видим, антенна получилась компактной, удобной для транспортировки и с приемлемым КСВ (однако это не значит что наша антенна будет эффективна, хороший КСВ совсем не равен хорошей работе антенны, согласовать можно и гвоздь). Пришло время испытать ее в деле. Установлена она была на дачном участке, можно сказать в поле - до ближайших построек не менее 18м, они невысокие и большую часть горизонта занимает лес.

Немного про методы испытания антенны - я не очень люблю фразы вроде «антенна работает отлично» и т.п. Очень сложно из этого понять, насколько она хороша на дальних трассах, или же DXов мы будем ловить только в праздники. Для испытаний отлично подходят цифровые виды связи FT8/FT4, т.к. не собеседник нам будет говорить условные «слышу хорошо, 59», а уже компьютер будет давать нам рапорт. Тем более, мы можем увидеть картину в целом, как нас слышно по миру. Поэтому как раз на данные работы в цифровых видах связи я и буду опираться. Для этого есть отличный сайт https://pskreporter.info, на котором мы вводим нужный нам бенд, свой позывной, временной промежуток и видим, где нас слышно и с какими уровнями. Все испытания проводились мощностью 100Вт.

К сожалению, у меня не сохранилось картинки с pskreporter в первый день испытаний, однако у меня есть фото лога.

 

 

Сказать что я был удивлен, ничего не сказать. Похожая картина повторялась изо дня в день, дальние станции с удовольствием отвечали. Позже я решил поработать в SSB на эту антенну. Кроме горы испанцев, были и обьективно дальние связи: 31 марта сработал PY2GJ с рапортом 56 мне (11к км+), KP4JFR (8800 км+) – рапорта 57 в обе стороны. Самый DX, которого я смог выцепить на эту антенну был 5W1SA - Самоа (15к км+) в режиме FT4.

 

 

Как мы видим, антенна оказалась вполне рабочей.

Решено было переместить антенну в свой основной QTH - он далеко не самый благоприятный - с одной стороны дом впритык, а с другой - лес.

 

 

Однако и тут антенна проявила себя замечательно. Я работаю в основном FT4/FT8, приведу некоторые картинки с pskreporter.

 

 

Лог заполнялся DXами и было решено, что стоит зарегистрироваться на LOTW, чтобы отслеживать прогресс по собиранию стран на диапазоне 10м. В итоге, учитывая что были большие перерывы в работе, за полгода я выполнил диплом DXCC 10m.

 

 

Я думаю это неплохой результат, учитывая, что усилителя у меня нет, только голый трансивер. Для тех, кто не очень любит диги, хочу заметить, что при должном терпении и хорошем сетапе у вашего корреспондента, вполне удаются дальние связи в CW/SSB. Ради интереса я поработал на эту антенну в CQ WW DX SSB Contest, Япония, Бразилия и Северная Америка отвечали вполне охотно, особенно запомнилась связь с Каймановыми Островами.

Что в итоге?

В итоге я считаю, что работу этой антенны можно считать вполне удовлетворительной. Она подарила мне много счастливых минут проведенных в эфире, первые связи за 10к км в режиме SSB и принесла вожделенный диплом DXCC. Рекомендую ли я эту антенну? Нет, если у вас есть возможность сделать полноразмерную антенну и поднять ее повыше, то она будет намного лучше. Но если вы стеснены местом или вам нужна компактная антенна для походов, не стоит списывать со счета укороченный вертикал, как видно из этой статьи он может стать хорошим решением.

Вопросы о работе данной антенны можно задать в Telegram в группе Радиолюбители Беларуси https://t.me/hambelarus

 

До встречи на диапазонах!

Никита, EW7RF.
 

Список использованных источников:

1. https://lib.qrz.ru/node/1326
2. http://www.cqham.ru/ant_iv3.htm
3. http://dl2kq.de/ant/kniga/435.htm
4. https://m0ukd.com/calculators/loaded-quarter-wave-antenna-inductance-calculator
5. https://coil32.net/ru/calc/one-layer.html
6. http://www.cqham.ru/rk3zk/1-1-1.htm
7. http://dl2kq.de/ant/3-33.htm