Многодиапазонная антенна W3DZZ

Вместо линейных четвертьволновых отрезков линии можно использовать контур LC. При таком схемном решении на частотах, отличных от резонансных, контур вносит реактивное (индуктивное или емкостное) сопротивление.

Рис. 5.24. Схема антенны W3DZZ и распределение тока в ней в различных частотных диапазонах

Секрет популярности данной антенны состоит в том, что ее длина не превышает 33 м и что она хорошо работает в пяти диапазонах. Принцип действия рассматриваемой антенны достаточно просто уяснить при анализе рис. 5.24. Целесообразно привести следующую информацию:

  1. Основным элементом антенны является диполь, резонансная частота которого равна 7,05 МГц.
  2. Подключенные на концах диполя контура, настроенные на резонансную частоту 7,05 МГц, не вносят изменений в параметры антенны в этом диапазоне.
  3. Подключая за резонансными контурами отрезки длиной 0,7 м, получаем полуволновый диполь с несколькими резонансными частотами.
  4. Второй резонанс антенны получаем в диапазоне 80 м. Диполь имеет физическую длину меньше, чем λ/2 (33,14 м), но благодаря подключению катушек индуктивности электрическая длина увеличивается и резонанс в диполе достигается при частоте 3,6 МГц (λ/2 = 41,7 м).
  5. Третий резонанс диполя получаем в системе «внутренний отрезок — укорачивающий конденсатор — внешние отрезки — их емкость на землю». Резонанс получается в пределах от 4,2 до 4,7 МГц. Точное значение резонансной частоты определяется концевой емкостью диполя, емкостью диполя на землю (значение этой емкости зависит от окружающего антенну пространства, высоты подвеса антенны над землей и диаметра проводов).
  6. Четвертый резонанс появляется около частоты 14,2 МГц. Длина диполя превышает 3λ/2. Распределение тока в таком диполе показано на рис. 5.24д пунктирной линией. Включение емкости приводит к укорочению диполя. Теперь узлы тока должны приходиться на концы диполя. Однако из-за торцевых емкостей на концах диполя ток имеет некоторую, отличную от нуля, величину. Это обстоятельство и приводит к смещению резонансной частоты от точного значения 14 МГц.
  7. Существует и пятый резонанс. Он соответствует частоте около 21,1 МГц. Как и ранее, включение емкости С приводит к укорочению линии, а концевые емкости — к удлинению. Поэтому на частоте 21,1 МГц по длине диполя укладываются примерно пять полуволн. Точная резонансная частота диполя зависит от торцевых емкостей и может изменяться в пределах от 21,0 до 23,5 МГц. В этом диапазоне точкам подключения питания соответствует пучность тока, и поэтому входное сопротивление мало (около 120 Ом).
  8. Шестой резонанс соответствует частоте около 28,2 МГц. На этой частоте по длине диполя укладываются семь полуволн. В этом диапазоне влияние торцевой емкости сказывается наибольшим образом, внося во входное сопротивление антенны большую реактивную составляющую. При резонансе входное сопротивление антенны равно 130 Ом.

Эквивалентную схему антенны для диапазонов 10, 15 и 20 м можно представить себе так, как показано на рис. 5.25. На этом рисунке буквой С обозначена емкость, которой обладает резонансный контур LC (необходимый для работы в диапазоне 3,5 МГц), на более высоких частотах. Концевая емкость антенны обозначена CK.

Рис. 5.25. Эквивалентная схема антенны W3DZZ для частот выше 7 МГц

Контур, показанный на рис. 5.25, имеет резонансную частоту, находящуюся в пределах от 4,2 до 4,7 МГц. Высшие гармоники резонансной частоты определяются следующим образом: основная гармоника — 4,2; 4,3; 4,7 МГц; третья гармоника — 12,6; 12,9; 14,1 МГц; пятая гармоника — 21,0; 21,5; 23,5 МГц; седьмая гармоника — 29,4; 30; 33,0 МГц.

Из приведенных данных следует, что антенна не может быть одновременно резонансной точно во всех требуемых диапазонах.

В анализируемой антенне индуктивность катушки L = 60 мкГн, а емкость конденсатора С = 60 пФ. Обычно используют катушки без сердечников со следующими параметрами: а) диаметр 50 мм, длина 80 мм, число витков 19; б) диаметр 30 мм, длина 60 мм, число витков 25.

Как уже говорилось, емкость конденсатора С = 60 пФ.

Этот конденсатор должен сохранить работоспособность под напряжением около 3 кВ (на высших частотах), особенно в диапазоне 40 м, когда к обкладкам конденсатора прикладывается значительное напряжение.

Точная настройка антенны в резонанс на частоте 7 МГц, достигается путем настройки контура LC (обычно изменением числа витков катушки индуктивности). Система должна быть работоспособной в широком интервале рабочих температур, не подвергаясь при этом перестройке. Допустимое изменение резонансной частоты, вызванное температурным перепадом, не должно превышать ±20 кГц.

Обычно катушка контура после настройки помещается в изоляционную коробку — трубку. Конденсатор С обычно располагают в середине трубки. После вывода концов катушки ее торцы закрывают, чтобы уменьшить влияние влаги. С этой целью торцевые концы трубки заливают воском, смешанным с небольшим количеством канифоли.

Если требуемых для контура конденсаторов с емкостью нет в наличии, то в качестве емкости можно использовать отрезок коаксиального кабеля. Пользуясь мостом для измерения емкостей, подбирают точную длину отрезка коаксиального кабеля, соответствующую емкости С = 60 пФ. Для этого берут отрезок длиной 1,6... .. 1,8 м, измеряют его емкость и далее, укорачивая, находят точную длину отрезка. Желательно все же взять отрезок кабеля длиннее на 2—3 см.

Одну сторону коаксиального кабеля соединяют с катушкой индyктивности, а вторую оставляют свободной. После соединения кабеля с катушкой производят точное измерение необходимой длины кабеля, а излишек отрезают. Далее отрезок коаксиального кабеля укрепляют вдоль провода антенны.

Можно также самому изготовить конденсатор С в виде двух медных пластин, размеры которых и расстояние между которыми рассчитываются по известным формулам. Точную настройку такого конденсатора осуществляют опытным путем. Отметим, что конденсатор, изготовленный самостоятельно, несколько ограничивает мощность (до 1 кВт), которую подают на вход антенны.

Достаточно серьезной проблемой является питание и согласование антенны. Напомним, что при резонансе входное сопротивление вменяется (при переходе от диапазона к диапазону) в пределах от 0 до 130 Ом, причем значение этого сопротивления сильно зависит от высоты подвеса антенны.

Исследования некоторых вариантов антенны, проведенные авторами, дали следующие результаты, которые могут оказаться полезными для радиолюбителей при конструировании собственных антенн.

Рис. 5.26. Антенна W3DZZ

На рис. 5.27а—д представлены частотные зависимости коэффициента стоячей волны Kст U для антенны, показанной на рис. 5.26а:

  1. без симметрирующего устройства;
  2. с симметрирующим устройством (см. рис. 3.23), содержащим 2×3 витка диаметром 210 мм с индуктивностью L = ll мкГн. Пунктирная линия соответствует случаю, когда одно из плечей вибратора укорочено на 8 см, т. е. имеет длину 9,92 м (вместо 10,00 м);
  3. с симметрирующим устройством (см. рис. 3.23б), имеющим 2×3 витка с диаметром 130 мм с индуктивностью L = 5 мкГн;
  4. с симметрирующим устройством (см. рис. 5.26б), имеющим размеры: диаметр катушки 45 мм, l = 100 мм, число витков N = 10, индуктивность L = 3,9 мкГн, е = 2,5 мм, C1-2 = 180 пФ;
  5. без симметрирующего устройства, но с конденсатором Са емкостью 47 пФ на зажимах антенны.

Сравнивая представленные на рис. 5.27 кривые, можно заметить, что без симметрирующего устройства антенна работает удовлетворительно в диапазонах 3,5 и 21 МГц (в диапазонах 14 и 28 МГц антенна не находится в резонансе). В антеннах, характеристики которых представлены на рис. 5.27д, дополнительный конденсатор емкостью 47 пФ чуть-чуть ухудшает условия работы в диапазоне 21 МГц (Кст U возрастает до 2), но зато резко улучшает условия работы антенны в диапазоне 14 МГц (Кст U уменьшается до 2). Из графиков также следует, что незначительному ухудшению параметры антенны подвергаются в диапазоне 7 МГц и значительно ухудшаются в диапазоне 28 МГц. Симметрирующие устройства вносят дополнительные шунтирующие емкости и индуктивности. В антеннах, параметры которых представлены на рис. 5.27бг (в диапазоне 21 МГц), использовались симметрирующие устройства. Как известно, отсутствие симметрии создает различные условия для обоих плеч вибратора, в результате чего в антенне появляется ряд нежелательных резонансов, а ток асимметрии, протекая по поверхности экрана, создает большое электромагнитное поле в пространстве, окружающем передатчик. Антенна с симметрирующим устройством имеет ярко выраженный собственный резонанс, причем в этом случае частота резонанса далеко отстоит от диапазона 22,2 МГц. Антенну следовало бы электрически удлинить, хотя бы с помощью увеличения концевой емкости или высоты подвеса.

Рис. 5.27. Частотная характеристика антенны W3DZZ

В диапазоне 14 МГц применение симметрирующего устройства обеспечивает одновременно широкополосность антенны и малое значение Кст U (в случае 2 — до значения Кст U = 1,05, что свидетельствует об очень хорошем согласовании).

В диапазоне 7 МГц применение симметрирующего устройства, выполненного из коаксиального кабеля (см. рис. 5.27б, в), из-за емкости монтажа несколько увеличивает электрическую длину антенны, т. е. снижает резонансную частоту. Трансформирующее симметрирующее устройство (см. рис. 5.27г) несколько уменьшает электрическую длину антенны (сравни с рис. 5.27а), но в этом случае Кст U < 2.

В диапазоне 3,5 МГц применение симметрирующего устройства (см. рис. 5.27б и г) практически не влияет на параметры антенны, а в случае, соответствующем рис. 5.27в, приводит к ухудшению согласования (Кст U > 4,5). Это явление, по-видимому, может быть вызвано резонансом индуктивности и емкости симметрирующего устройства.

В диапазоне 28 МГц симметрирующие устройства (см. рис. 5.27б, г) несколько улучшают ситуацию (Кст U < 3), но, несмотря на это, антенна все же оказывается несогласованной. На рис. 5.27б дополнительно показано влияние укорочения одного плеча (пунктирная линия) на 8 см. Результаты экспериментов свидетельствуют, что небольшое укорочение оказывает значительное влияние на Кст U.

Из приведенного материала вытекает, в частности, и такой вывод: после изготовления рассматриваемой антенны крайне важно измерить Кст U и провести дополнительную подстройку антенны во всех диапазонах. Подстройку можно осуществлять следующими способами: изменением параметров симметрирующего устройства, изменением высоты подвеса антенны, изменением длины отдельных элементов антенны.

Однако при выполнении всех этих операций целесообразно соблюдать простое правило — не изменять резонансную частоту контура (7,05 МГц).

Характеристики направленности антенны зависят от частоты. Обратим внимание на тот факт, что характер распределения токов по длине антенны не является типичным и ранее нами не анализировался. Диаграммы направленности данной антенны приведены на рис. 5.28.

Рис. 5.28. Диаграмма направленности антенны W3DZZ в различных диапазонах