Коротковолновые антенны для передатчиков

pinup-girls-09Здесь речь пойдет о простых передающих коротковолновых антеннах для начинающих радиолюбителей.

Несмотря на множество публикаций и отзывов, выбор коротковолновой антенны для передатчика (трансивера) остается довольно сложной задачей для новичка. «Теория антенн» слишком громоздкая для понимая среднего радиолюбителя, поэтому я позволил себе привести несколько простых тезисов.

КПД антенны — практически не измеряемая величина. Нет такого прибора или метода, который бы позволил измерить коэффициент полезного действия той или иной антенны. Радиолюбители фактически на ощупь пытаются установить характеристики своей антенны. Один из «полу-объективных» параметров антенны — входное сопротивление, которое можно измерить, например, с помощью антенного анализатора (мостовая схема). Зависимость входного сопротивления от частоты также дает некоторое понимание характеристики антенны (так, например, определяется резонансная частота антенны).

К сожалению, еще не создан прибор, позволяющий непосредственно увидеть электромагнитное поле, создаваемое антенной (как, например, это делает тепловизор, при определении теплопотерь здания). В лучшем случае, можно измерить напряженность поля в конкретной точке. Поэтому главной измеряемой характеристикой антенны остается входное сопротивление антенны. Другая измеряемая величина антенн — частота резонанса. Её можно определить косвенно через изменение активного сопротивления антенны или при помощи гетеродинного индикатора резонанса (ГИР). О диаграмме направленности антенны можно ориентировочно судить по экспериментальным данным (измерение напряженности поля) и результатам расчетов программ, подобных NEC.

Сейчас появился более объективный способ оценки работы антенны. Благодаря развитой сети WEBSDR- приемников радиолюбители получили возможность дистанционно оценивать уровень своего сигнала в месте расположения антенны WEBSDR-приемника. Кроме этого, существует несколько сервисов, где сами радиолюбители докладывают о приеме вашего сигнала (вручную или автоматически).

Начинающему радиолюбителю нужна антенна «чтобы попробовать»: простая в изготовлении и установке, многодиапазонная и «всенаправленная». С простой антенной можно достаточно легко проводить радиосвязи в радиусе до 3000 км. Однако надо учитывать, что «простые» антенны могут «стрелять не туда» и ловить больше помех, чем полезных сигналов. Кроме этого, антенна может представлять серьезную опасность, если радиолюбитель не позаботиться о грозозащите.

Наиболее эффективны направленные вращающиеся антенны (волновой канал, квадраты и т.п.). Они имеют острую направленность, а основное излучение идет под низким углом к горизонту, что обеспечивает условия для проведения дальних связей (DX). Однако сооружение таких антенн — сложная техническая задача (и дорогая). Поэтому большинство радиолюбителей используют так называемые «проволочные антенны» (диполь, OCF, inverted V, T2FD, Delta Loop и другие) или вертикальные. Вертикальные антенны по сравнению с «проволочными» имеют относительно низкий угол излучения к горизонту, что конечно благоприятно для дальних связей (DX). Однако как приемные, штыревые антенны немного проигрывают «проволочным» в соотношении сигнал/шум. Кроме этого, вертикальные антенны типа «граунд плейн» (GP) требуют до 120 противовесов для «достаточного КПД», что в большинстве случаев просто невозможно устроить.

На низкочастотных диапазонах (160-30 метров) чаще используют проволочные антенны, а на высокочастотных диапазонах (20-10 метров) стараются использовать направленные антенны. Это в основном продиктовано тем, что направленные антенны (а тем более вращающиеся) на низкочастотные диапазоны слишком громоздки и технически трудно выполнимы. В тоже время, соорудить простой «двойной квадрат» или HB9CV на 10 метров не так уж сложно. И тем не менее, подавляющее большинство радиолюбителей работают на «проволочные антенны».

У «проволочных» антенн есть одно общее свойство: чем ниже они подвешены, тем «вертикальнее» основное излучение. Хотите дальних связей — подвешиваете антенну как можно выше.

Чтобы оценить способность выбранной антенны распространять радиоволны можно использовать специальное программное обеспечение, например, ITS HF Propagation или вебсервис VOACAP Online.

Полуволновый диполь (вибратор Герца)

Полуволновой диполь

Полуволновой диполь

Древнейшая антенна (диполь Герца). Фактически это развернутый колебательный контур. Входное сопротивление полуволнового диполя на резонансной частоте в свободном пространстве 72-73 Ом (реально с учетом земли получается около 60 Ом). Подвешивать диполь можно практически как угодно (вернее, как получится), но оптимальнее размещать его горизонтально на высоте полуволны (при этом главные лепестки в вертикальной плоскости направлены под углом 30 град к горизонту, а зенитное излучение отсутствует). Также следует учитывать влияние земли и окружающих предметов. Чем ниже антенна, тем меньше её входное сопротивление.

направленности диполя при полуволновой высоте подвеса

Диаграмма направленности диполя при полуволновой высоте подвеса

При малой мощности диполь можно непосредственно подключать к коаксиальному кабелю 75 или 50 Ом. Если мощность велика, то сильнее проявляется асимметрия токов (начинает заметно излучать оплетка кабеля), что приводит к искажению диаграммы направленности, помехам телевидению и радиоприему (TVI) и снижению КПД всего антенно-фидерного устройства (АФУ). В этом случае, необходимо между коаксиальным кабелем (фидером) и антенной включить симметрирующее устройство. Чаще всего радиолюбители используют так называемый «запорный дроссель» (balun 1:1) — несколько витков коаксиального кабеля наматывают на ферритовый сердечник. Такой дроссель не симметрирует антенну, а подавляет синфазные токи в оплетке коаксиального кабеля.

Inverted V

На самом деле, это вариант установки полуволнового диполя. При таком размещении диполя входное сопротивление близко к 50 Ом, а диаграмма направленности в горизонтальной плоскости почти круговая. Антенна также требует симметрирующего устройства при подключении коаксиального кабеля, хотя на малых мощностях можно обойтись и без него. Подробнее об этой антенне.

OCF (Off Centre Feed), Windom

Несимметричный диполь (антенна со смещенной точкой питания, «виндом», «американка» и т.д.) в своей сути — многодиапазонный вибратор, работающий на гармониках. Это, по-видимому, самая простая многодиапазонная коротковолновая антенна. Идея состоит в том, чтобы найти такую точку питания, где входное сопротивление антенны будет мало изменяться в зависимости от возбуждаемой гармоники. Более подробно об это антенне>

G5RV

Этот способ использовать диполь в качестве многодиапазонной радиолюбительской антенны предложил Льюис Варней. Хитрость состоит в том, чтобы двухпроводной фидер был активной частью излучателя. Более подробно об этой антенне >

T2FD

Это антенна малых возможностей, когда места для размещения антенны совсем мало, а хочется широкополосную антенну. Как и любой компромисс — за счет эффективности. В отличие от OCF диполя и G5RV эта антенна не многодиапазонная, а именно широкополосная, т.е. работает в широком диапазоне частот. Подробнее об этой антенне см. далее.

J-поль

Это полуволновая антенна, питаемая напряжением через четвертьволновый трансформатор. Это частный случай диполя, питаемого с конца («end off»). Эту антенну также можно по-разному располагать в пространстве (горизонтально, наклонно, вертикально).

Горизонтальный J-поль

Горизонтальный J-поль

J-поль можно питать коаксиальным кабелем. Точка питания выбирается экспериментально, в зависимости от конструкции четвертьволнового отрезка. Подробнее тут.

Vee-beam

Под этим названием встречаются несколько конструкций: с нагрузкой на концах и без неё, длинные и короткие. Наиболее популярна Terminated VeeBeam (с нагрузкой), т.к. это широкополосная антенна. Главный недостаток этой антенны — нужно место, ведь лучи антенны длинной примерно 120 метров. Подробнее >>

Delta Loop (треугольник, дельта)

Антенна относится к петлевым антеннам, также как и квадраты, но проще в изготовлении. Периметр антенны примерно равен длине волны с небольшим удлинением. Конструкции в основном отличаются подвесом антенны и точкой питания. На низкочастотных диапазонах часто используют «ленивые дельты» (т.е. подвешенные почти горизонтально), а на высокочастотных диапазонах чаще применяют вертикальные или наклонные «дельты». Низкочастотные «дельты» можно возбуждать на гармониках, кратных двум без изменения способа питания. Однако свойства «дельты» сильно зависят от конкретного размещения (особенно низкочастотные), поэтому имеют много противоречивых отзывов. Подробнее об этой антенне.

Loop Skywire

Это большой квадрат, подвешенный горизонтально над землей на высоте около 12 метров. Также, как и Delta Loop относится к петлевым антеннам. Это любимая антенна QRP-шников. Она дешевая и эффективная. Подробнее об этой антенне >>

Вертикальные антенны

Выбор вертикальных антенн не особо большой. В основном это различные модификации классической Ground Plane (GP), вертикального диполя, коаксиальной антенны и J-поля. Т.к. для низкочастотных диапазонов высота таких антенн слишком большая, то вертикальные антенны в основном применяются на высокочастотных диапазона (выше 14 МГц). Многодиапазонность GP достигается в основном  введение дополнительных вибраторов и «емкостей/индуктивностей», работающих как удлиняющие или режекторные элементы.

Основное достоинство вертикальных антенн — низкий угол излучения к горизонту. Основной недостаток — требуется «хорошая земля».