Универсальная антенна городского радиолюбителя

В начале лета 2016 года, на моей загородной позиции, не было ни одной антенны для работы на 20-м диапазоне. Зима и весна прошли и эффективность работы на НЧ упала. Хотелось что то сделать не сложное, что бы иногда в дневное время была возможноть выйти в эфир и на 20-ке.

Городить "огород" не было желания. Под руки попался вертикал, который я сделал двумя годами ранее на диапазон 28 мгц. Покрутив эту конструкцию в руках, стал размышлять, а как бы её заставить работать на всех диапазонах, начиная от 14 мгц и выше. Конечно, вариантов согласовать GP для работы во многодиапазонном варианте, огромное количество. Начиная от траповых схем, заканчивая отдельными СУ у основания антенны, которые можно например, коммутировать внешними реле.

Траповые схемы я отмел сразу. Ввиду их ненадежности и ограничений по мощности. Да и механически, сделать хороший трап в теле вертикала, то же не просто. Различные СУ, если делать антенну работоспособной на двух-трех диапазонах, то можно обойтись и без дополнительной коммутации, а если больше, то уже проблематично. В любом случае, это будут пассивные дополнительные L и С элементы, которые будут влиять друг на друга и тем больше, чем больше будет задействанно диапазонов одновременно.

Но основной подводный камень в таких многодиапазонных системах, это наличие своих, на каждый диапазон, настроенных противовесов, которые придется делать из расчета по 4 на каждый диапазон. Это если мы хотим иметь хорошее согласование и хороший КПД антенны. И хорошо, если есть место для их равномерного размещения, а если у радиолюбителя места нет? К тому же, перенос такой антенны на другое место, потребует опять поднастраивать всю систему заново. А это хлопотно. Вообщем, такая схематехника, как то не прельщала....

Просматривая подшивки исторических (Hi), журналов "Радио" за 50-ее годы, я обратил внимание на выходные каскады передатчиков тех лет. В те года, ипользование выходных ВКС передачиков классического " П - контура", было редким явлением. Скорей всего, по причине дефицитности коаксиальных кабелей. Применялись в основном контура с емкостной связью или индуктивной связью, посредством небольшой катушки связи. А сами антенны были с открытой линией питания или, что еще чаще, с питанием по типу Windom, которая просто подключалась к нужному отводу выходного контура согласно входному сопротивлению однопроводного фидера с последовательным конденсатором.

И тут мне пришла в голову, простая идея. Применить автотрансформаторную схему согласования. Такая схема очень удобна тем, что имеет отвод от катушки индуктивности, расположенный близко к земленному концу контура,чем и обеспечивается отличное согласование с входным сопротивлением кабеля 50 или 75 Ом! А что бы заставить такую систему работать на разных диапазонах, достаточно перестраивать весь этот контур по частоте, путем обычного переменного конденсатора включенного в параллель катушке. Главное условие для выполнения такой схемы согласования, это то, что бы вертикальная часть вибратора, для каждого диапазона равнялась бы не меньше 0.5 лямбда на диапазон.

Вот так выглядит система согласования.

Не долго раздумывая, я приступил к экспериментам на своем дачном участке. Нужно было опытным путем подобрать "универсальную" длинну вибратора, получить нужную индуктивность катушки и наглядно посмотреть сограсование с помощью антенного анализатора. "Играть" антенной начал, с высоты вибратора в 9 метров. В ходе эксперимента определился с длинной. Для перекрытия частотного диапазона от 14мгц до 30мгц, оптимальным оказался размер в 7.0 - 7.50метра.

С такой длинной вертикала, антенна настраивалась даже с частоты в 10мгц и до 25мгц, с КСВ 1.0 На частоте 27-30 мгц, КСВ был завышен, сказывалось слишком большая длинна трубки вибратора и потому, лучшего результата, чем КСВ 1.5 на 28 мгц, достичь не удалось. Укорачивание длинны вертикала, приводило к расстройке на диапазоне 14 мгц. Для того, что бы получить идиальное согласование, нужно вводить дополниельное реле, которое будет закорачивать часть витков катушки или, что еще сложней, ставить второй конденсатор переменной ёмкости последовательно, между контуром и вибратором. С помощью такого конденсатора, можно произвести электрическое укорочение длинны вертикала. Но лично меня вполне устроил вариант с КСВ 1.5, лишь бы система была проще. Да и 10-ка не так важна для меня, как скажем диапазон 14 мгц или 21 мгц. Отвод от катушки контура согласования,на всем протяжении частот менять не пришлось.

Когда замеры все были сделаны, была взята большая пластиковая коробка, в которой был смонтирован весь узел СУ. Катушка в моем варианте, выполнена медным проводом диаметром 3.0мм и намотана на каркасе диаметром 60 мм. Катушка имеет 10 витков, разреженного шага (шаг нужный подбирается путем растяжки витков на самом высокочастном диапазоне, при выставленной минимальной ёмкости переменного конденсатора). Отвод сделан от 3-го витка, начиная от начала катушки.

Конденсатор переменной емкости, любой, который имет вращение на 360градусов. В моем случае, из за отсутствия готового конденсатора, пришлось изготовить самодельный, с большим зазором между пластинами, по всем известной радиолюбительской технологии. Емкость перекрытия моего конденсатора получилась от 13пф и до 350пф при зазоре между пластинами в 3 мм. Такой конденсатор без проблем выдерживает мощность в 1 квт и даже выше... Ориентировачная ёмкость измеренная RLC-метром с данной катушкой для диапазона 14 мгц, примерно находится от 150-180пф. Оставалось решить проблему с дистанционным управлением поворота ротора переменного конденсатора.

Самым простым вариантом и самым удобным решением, это применение в СУ шагового двигателя. Такие движки можно без проблем найти в старых принтерах или других компютерных устройствах. Нужен двигатель с питанием от 7-12 вольт, имеющих в себе две обмотки (4 конца).Это так называемые биполярные двигатели, без отводов от середины на своих обмотках (в отличии от униполярных, где 6 концов). Эти биполярные моторы, отличаются несколько более сложной схемой их управления, но зато имеют более значительную тягу на валу. Для управления обмотками был использован микроконтроллер PIC12F629 и простые транзисторные H-мосты. Схема показана на рисунке.

Драйвер схемы управления шаговым биполярным двигателем

Типичные биполярные шаговики от струйных принтеров.

Алгоритм Драйвера управления работает следующим образом. При нажатии и удержании на одну из кнопок (Кн1 Кн2) двигатель начинается вращаться в ту или иную сторону. Когда обе кнопки отпущены - на двигатель ничего не подается. Ротор двигателя стоит. А если зажать обе кнопки, двигатель будет заторможен на текущем шаге. Усилие во время поворота, довольно большое. Скажем затормозить пальцем на валу, такой мотор, весьма не просто! Нужно также учитывать и кабель для управления. Сечение 4-х проводников в кабеле должно быть достаточным, что бы на выбранную дистанцию (погонную длинну) смог бы пройти импульс тока величиной в 1А без потерь, который будет осуществлять проворот ротора мотора на заданный градус. В моем случае, длинна кабеля управления порядка 45 метров. Для такой дистанции достаточно применения обычного телефонного кабеля с жилами 4х0.4мм. Можно применить и витой 8-ми жильный кабель ФТП, на более дальнюю дистанцию соединив жилы параллельно. PIC контроллер запрограмирован таким образом, что бы двигатель совершил 1.5 оборота в минуту.

Печатная плата драйвера управления

Один из возможных вариантов, по реализации данного СУ, может выглядеть так. Весь узел монтируется на листе из изоляционного материала с креплением по углам, в нужных местах, на нескольких уголках. Посредством которых, полностью рабочий узел будет втавлен и закреплен в пластиковой коробке нужного размера. Особое внимание, нужно обратить на переход - смычку, между осью двигателя и осью переменного конденсатора. Это должен быть обязательно диэлектрик необходимого диаметра и длинны, из учета подводимой мощности вашего передатчика. В остальном, все видно из фотографий данного узла.

Согласующее устройство антенны

Блок управления двигателем, в корпусе

Один и вариантов, как должен выглядеть блок управления СУ в корпусе. Собственно, все банально просто и понятно из фотографий. Кнопки управления поворотом "влево" и "вправо", светодиоды установлены для подсветки команд движения (импульсы идут -значит работает). Установлен дополнительный тумблер, для коммутации реле (как возможный вариант модернизации Согласующего Устройства). Общий тумблер включения питания. На обратной стороне, обычный 5-ти пиновый разъем под кабель управления еще советского образца. Две клеммы, одна "Земля", вторая, это + 12V/0.5А, для внешнего реле СУ.

Небольшое видео, для наглядности.

К моменту написания этой статьи, данная антенна у меня проработала в эфире более 5 месяцев. Проведено много радиосвязей и чисто субъективно, ни чем не отличается по своим характеристикам, как если бы были уставновлены отдельные 1/4 GP классического вида на каждый отдельный диапазон, даже скороей всего и лучше, ввиду того, что длинна излучателя на 15 метровый диапазон приближается к 1/2 лямбда, а значит должна иметь более прижатый лепесток к горизонту.

Диаграммы излучений, относительно длинны излучателя

Перекрыты диапазоны 10мгц,14мгц,18мгц,21мгц,24мгц,28мгц одним кабелем + кабель управления. Антенна установлена на земле, при помощи небольшой металической опоры высотой в 2.5 метра и имеет 4 противовеса по 5.20м из расчета максимальной её эффективности для 20-ти метрового диапазона. Настройка антенны на диапазон осуществляется по встроенному в трансивер КСВ-метру, визуально.

Следует понимать, что данная конструкция многодиапазонного вертикала, является компромиссной антенной, как и все антенны, расчитанные на такой широкий диапазон работы. Из положительных моментов, следует отметить, что сама антенна заземлена по постоянному току и не может накапливать статику. Кроме того,за счет дистанционного управления СУ антенны, позволяет производить коррекцию по минимуму КСВ и в плохую погоду, тогда, когда например происходит налипание мокрого снега или обледенения на вибратор антенны.

На мой взгляд , это неплохое решение для радиолюбителей, живущих в городских условиях, имеющих ограниченный доступ к крыше или минимальное пространство для установки антенн на своей радиостанции.

Скачать печатную плату PCB_Driver.lay
Скачать Хекс код для микроконтроллера soft_PIC

P.S. Хочется выразить благодарность Дмитрию YL3CL, за написание программы и прошивку микроконтроллера.

YL2MK
Ноябрь 2016 года.