Изогнутый вертикальный диполь

Хорошо известно, что для работы на дальних трассах вертикальная антенна имеет преимущество перед горизонтальным диполем, так как её диаграмма направленности в горизонтальной плоскости круговая, а главный лепесток диаграммы в вертикальной плоскости прижат к горизонту и имеет малый уровень излучения в зенит.

Однако изготовление вертикальной антенны сопряжено с решением ряда конструктивных проблем. Это и применение алюминиевых труб в качестве вибратора, и необходимость для его эффективной работы установить в основании "вертикала" систему "радиалов" (противовесов), состоящую из большого числа проводов длиной в четверть волны. Если использовать в качестве вибратора не трубу, а провод, мачта, его поддерживающая, должна быть выполнена из диэлектрика и все оттяжки, поддерживающие диэлектрическую мачту, также должны быть либо диэлектрическими, либо разбиты на нерезонансные отрезки изоляторами. Всё это связано с большими затратами и часто невыполнимо конструктивно, например, из-за отсутствия необходимой площади для размещения антенны.

Также необходимо учитывать, что входное сопротивление "вертикалов" обычно ниже 50 Ом, что требует дополнительных мер для его согласования с фидером.

С другой стороны, горизонтальные дипольные антенны, к которым можно отнести и антенны типа Inverted V, конструктивно очень просты и дёшевы, чем и объясняется их популярность. Вибраторы таких антенн можно выполнить практически из любого провода, и мачты для их установки также могут быть изготовлены из любого материала. Входное сопротивление горизонтальных диполей или Inverted V близко к 50 Ом, и нередко можно обойтись без дополнительного согласования. Диаграммы направленности антенны Inverted V приведены на рис. 1.

Рис. 1.  Диаграммы направленности антенны Inverted V

К недостаткам горизонтальных диполей можно отнести их некруговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и большой угол излучения в вертикальной плоскости, приемлемый в основном для работы на коротких трассах.

Желание сохранить преимущества и уменьшить недостатки этих двух типов антенн и привело авторов к конструктивному решению, описанному ниже.

Обычный горизонтальный проволочный диполь поворачиваем вертикально на 90^о и получаем вертикальный полноразмерный диполь. Для уменьшения его длины (в данном случае высоты) используем известное решение - "диполь с отогнутыми концами". Например, описание такой антенны есть в файлах библиотеки И. Гончаренко (DL2KQ) к программе MMANA-GAL - AntShortCurvedCurved dipole.maa. Отгибая часть вибраторов, мы, конечно, несколько теряем в усилении антенны, но значительно выигрываем в необходимой высоте мачты. Отогнутые концы вибраторов должны быть расположены друг над другом, при этом компенсируется излучение колебаний с горизонтальной поляри- зацией, вредное в нашем случае. Эскиз предлагаемого варианта антенны, названной авторами Curved Vertical Dipole (CVD), представлен на рис. 2.

Рис. 2. Эскиз предлагаемого варианта антенны

Моделирование в программе MMANA показывает, что такой изогнутый вертикальный диполь легко согласуется с коаксиальным кабелем 50 Ом. Он имеет малый угол излучения в вертикальной плоскости и круговую диаграмму направленности в горизонтальной (рис. 3).

Рис. 3. Диаграмма направленности

Начальные условия: диэлектрическая мачта высотой 6 м (стеклопластик или сухое дерево), концы вибраторов оттянуты диэлектрическим кордом (леска или капроновый шнур) под небольшим углом к горизонту. Вибратор изготовлен из медного провода диа- метром 1…2 мм, голого или в изоляции. В точках излома провод вибратора прикреплён к мачте.

Если сравнить расчётные параметры антенн Inverted V и CVD для диапазона 14 МГц, легко увидеть, что из-за укорочения излучающей части диполя антенна CVD имеет на 5 дБ меньшее усиление, однако при угле излучения 24^о (максимум усиления CVD) разница оказывается всего 1,6 дБ. Кроме того, антенна Inverted V имеет неравномерность диа- граммы направленности в горизонтальной плоскости, достигающую 0,7 дБ, т. е. в некоторых направлениях она выигрывает у CVD по усилению всего 1 дБ. Поскольку расчётные параметры обеих антенн оказались близкими, окончательный вывод могли помочь сделать только экспериментальная проверка CVD и практическая работа в эфире. Были изготовлены три CVD антенны на диапазоны 14, 18 и 28 МГц по размерам, указанным в таблице. Все они имели одинаковую конструкцию (см. рис. 2). Размеры верхнего и нижнего плеч диполя одинаковы. Вибраторы у нас были выполнены из полевого телефонного кабеля П-274, изоляторы - из оргстекла. Антенны поднимались на стеклопластиковую мачту высотой 6 м, при этом верхняя точка каждой антенны была на высоте 6 м над землёй. Отогнутые части вибраторов оттягивались капроновым шнуром под углом 20…30^о к горизонту, поскольку мы не располагали высокими предметами для крепления оттяжек. Авторы убедились (это подтвердило и моделирование), что отклонение отогнутых участков вибраторов от горизонтального положения на 20…30^о практически не сказывается на характеристиках CVD.

Конструктивная простота позволяла менять одну антенну на другую в течение пяти минут даже в темноте. Для питания всех вариантов CVD - антенны использовася один и тот же коаксиальный кабель. Он подходил к вибратору под углом около 45^о. Для подавления синфазного тока рядом с точкой подключения на кабель установлен трубчатый ферритовый магнитопровод (фильтр-защёлка). Несколько аналогичных магнитопроводов желательноустановить и на участке кабеля длиной 2…3 м в близи от  полотна антенны.

Поскольку антенны изготавливались из "полёвки", её изоляция примерно на 1% увеличивала электрическую длину. Поэтому антенны, изготовленные по размерам, приведённым в таблице, нуждались в некотором укорочении. Подстройка производилась регулировкой длины нижнего отогнутого участка вибратора, легко достижимого с земли. Сложив часть длины нижнего отогнутого провода в двое, можно осуществлять тонкую подстройку резонансной частоты, передвигая конец загнутого участка вдоль провода (своеобразный подстроечный шлейф).

Резонансная частота антенн измерялась антенным анализатором MF-269. Все антенны имели чётко выраженный минимум КСВ в пределaх любительских диапазонов, непревышавший значения 1,5. Например, у антенны на диапазон 14 МГц минимум КСВ на частоте 14155 кГц был 1,1, а полоса пропускания - 310 кГц по уровню КСВ 1,5 и 800 кГц по уровню КСВ2.

Для сравнительных испытаний использовалась антенна Inverted V диапазона 14 МГц, установленная на металлической мачте высотой 6м. Концы вибраторов у неё были на высоте 2,5 м над землёй.

Чтобы получить объективные оценки уровня сигналов в условиях QSB, антенны многократно переключались с одной на другую с временем переключения не более одной секунды.

Таблица

Были проведены радиосвязи в режиме SSB при мощности передатчика 100 Вт на трассах протяжённостью от 80 до 4600 км. На диапазоне 14 МГц, например, все корреспонденты, находившиеся на расстоянии более 1000 км, отмечали, что уровень сигнала с антенной CVD был на один-два балла выше, чем с Inverted V.  При расстоянии менее 1000 км некоторое минимальное преимущество было у Inverted V.

Эти испытания проводились в период относительно плохих условий прохождения радиоволн на ВЧ-диапазонах, чем и объясняется отсутствие более дальних связей.

В период отсутствия ионосферного прохождения в диапазоне 28 МГц мы провели из нашего QTH с этой антенной несколько радиосвязей поверхностной волной c московскими коротковолновиками на расстояние около 80 км. На горизонтальный диполь, даже поднятый несколько выше CVD-антенны, никого из них услышать было не возможно.

Рис. 4. Внешний вид антенны

По мнению авторов, эта антенна - наиболее простая из антенн, пригодных для дальних связей. Она удобна для быстрого возведения в полевых условиях: на даче, в походе. Антенна изготавливается из дешёвых материалов и не требует много места для размещения. При использовании в качестве оттяжек капроновой лески она вполне может маскироваться под флагшток (кабель, разбитый на участки по 1,5…3 м ферритовыми дросселями, при этом может идти вдоль или внутри мачты и быть малозаметным), что особенно ценно при недоброжелательных соседях по даче (рис. 4).

Авторы будут благодарны всем радиолюбителям, которые изготовят и испытают этот тип антенны и пришлют свои результаты.

Файлы в формате .maa для самостоятельного изучения свойств описанных антенн находятся здесь.

Авторы: Владислав Щербаков (RU3ARJ), Сергей Филиппов (RW3ACQ), г. Москва