Вертикальная антенна Kinstar

В случае вертикальных антенн для нижних коротковолновых диапазонов (160 и 80 м) самой большой проблемой, помимо обширной наземной сети, является физическая высота самого излучателя. Поэтому антенны для этих диапазонов очень часто укорачивают, как правило, за счёт эффективности и полосы пропускания из-за адаптации.

Обычные методы укорочения, т.е. использование катушки или, возможно, компенсационного элемента в основании излучателя, катушки или линейного участка в любой части излучателя, представляющего собой индуктивную или ёмкостную нагрузку (шляпу), вызывают именно такие нежелательные эффекты на импедансе, а часто и на излучательных свойствах антенны.

Хотя на протяжении многих лет казалось, что вертикальный радиатор невозможно укоротить иным способом, кроме упомянутых, появилась новая функция, позволившая совершенно по-другому взглянуть на этот вопрос.

Антенна Kinstar представляет собой новое запатентованное решение [1] укороченной вертикальной антенны, предназначенной для средневолновых АМ-передатчиков. Автором патента является доктор Джеймс К. Брейколл из Пенсильванского университета. Благодаря своим свойствам эта антенна может стать источником вдохновения для создания совершенно нового типа вертикальной антенны для диапазонов 160 и 80 м, которая даже при уменьшении высоты до всего лишь 25% от высоты четвертьволновой вертикальной антенны достигает около 98% эффективности этого четвертьволнового полноразмерного излучателя.

Антенна Kinstar обычно имеет высоту 0,05 лямбда и занимает диаметр 0,4 лямбда. Обычно он состоит из 4 проводников, изогнутых в форме буквы L (рис. 1). Размеры, показанные на эскизе, уже соответствуют диапазону 160 м (1825 кГц).

Рис. 1. Схематическое изображение антенны Kinstar на 160 м

Для прототипа антенны, испытанного на частоте 1680 кГц на измерительной полевой станции WS2XTR, отдельные части радиатора были изготовлены из алюминиевой проволоки диаметром 11,4 мм (рис. 2).

Рис. 2. Прототип антенны Kinstar для 1680 кГц

Конструкция антенны хорошо видна на фотографии рис. 2. Деревянная центральная опорная стойка поддерживает все 4 части излучателя, остальные концы которого снова прикреплены к опорным стойкам.

Оптимальные свойства излучения достигаются путем регулировки источника питания. Питание всех 4 проводников осуществляется с помощью фазирующих секций, обеспечивающих сдвиг фаз 31,9°. В прототипе использованы фазирующие секции, изготовленные из кабеля с трубчатым внешним проводником диаметром 7/8″ (22,2 мм) типа LCF 78-50J. Деталь электропитания двух частей излучателя показана на рис. 3.

Рис. 3. Деталь источника питания двух частей антенного излучателя Kinstar

Помимо подключенных фазировочных секций на снимках также отчётливо видны натяжные винты и стержневой изолятор из слоистого материала.

Схематическое изображение источника питания антенны показано на рис. 4. Под подключением к земле понимается подключение к земле радиальной системы, которая в прототипе состояла из 120 лучей длиной 44,5 м (для 1680 кГц), что соответствует лямбда/4. Для 160 м соответствующая длина составит приблизительно 41 м.

Рис. 4. Схематическое изображение блока питания антенны Kinstar

Результаты сравнивались на том же измерительном поле, где был построен четвертьволновый монополь. Для измерения использовался передатчик, мощность которого была установлена ​​на уровне 250 Вт, а антенна была настроена с помощью Т-образного соединения.

На рисунке 5 показаны результаты сравнительных измерений напряжённости поля на различных расстояниях от антенны в случайно выбранном азимуте 30^о. Результаты также включали изменения проводимости почвы на разных расстояниях от антенны.

Верхняя, почти линейная зависимость соответствует опорному монополю, для которого была измерена интенсивность 153 мВ/м на расстоянии 1 км от антенны (зависимость, конечно, нелинейная, необходимо учитывать нелинейный масштаб графика). Нижняя кривая соответствует антенне Kinstar, последующие участки наглядно показывают снижение напряжённости поля, вызванное ухудшением проводимости почвы. Подробная информация об измерениях представлена ​​в отчёте Kinstar [2].

Рис. 5. Сравнительное измерение напряжённости поля, создаваемого опорным четвертьволновым монополем и антенной Kinstar

Антенна была пересчитана (масштабирована) на частоту 1825 кГц по образцу для 1680 кГц и проанализирована методом моментов с помощью программы NEC-2. Анализ полностью подтвердил выводы, содержащиеся в отчёте Kinstar. На рис. 6 и 7 показаны минимальные различия в коэффициенте усиления и угле излучения сравнительного четвертьволнового монополя и антенны Kinstar, изготовленной из неизолированной медной проволоки диаметром 3 мм.

Рис. 6. Сравнение диаграмм направленности опорного четвертьволнового монополя и антенны Kinstar в вертикальной плоскости

Рис. 7. Сравнение диаграмм направленности опорного четвертьволнового монополя и антенны Kinstar в горизонтальной плоскости

Сравнение проводилось с антеннами с идеальным заземлением; в случае реальной земли с заземляющей системой различия будут аналогичными. Учитывая, что пространство, занимаемое антенной, оптимально задано площадью круга, образованного радиальными лучами, а антенна Kinstar установлена ​​целиком внутри этого круга, а её высота составляет примерно четверть высоты сопоставимой четвертьволновой антенны, эти результаты действительно замечательны.

Коэффициенты сопротивления антенны Kinstar показаны на диаграмме Смита на рис. 8. Частотная зависимость КСВ соответственно. коэффициента отражения показан на рис. 9. На обоих рисунках описывается антенна без какого-либо согласующего элемента, т.е. кабель питания напрямую подключен к точке, где соединены все четыре секции фазированной решётки.

Рис. 8. Коэффициенты сопротивления антенны Kinstar, показанные на диаграмме Смита

Рис. 9. Частотная зависимость КСВ соответственно. Коэффициент отражения антенны Kinstar

Регулировку антенны можно осуществить не только с помощью Т-образного элемента, как упоминалось в оригинальном отчёте Kinstar, но также с помощью П-образного или Г-образного элемента. Благодаря природе импеданса схемы можно использовать как в низкочастотной, так и в высокочастотной конфигурации. Значения элементов адаптации по умолчанию показаны на рис. 10.

Рис. 10. Адаптер питания антенны Kinstar установлен по умолчанию

Практические значения элементов согласующего элемента могут существенно отличаться от значений, приведённых на рис. 10. На импеданс антенны в точке питания влияют свойства используемой системы заземления и проводимость грунта. В любом случае при практической реализации антенны необходимо будет измерить частотную зависимость КСВ аналогично рис. 9. Эта зависимость многое скажет о качестве наземной системы и общей эффективности антенны. Слишком пологая кривая указывает на то, что система заземления плохого качества и её необходимо улучшить.

Определённо было бы интересно спроектировать эту антенну для диапазона 80 м, где её высота составила бы примерно 6,5 м. Антенна Kinstar также станет хорошим объектом для экспериментов, стоит попробовать, например: использовать наклонные горизонтальные секции и таким образом избежать необходимости использования 4 опор на концах секции излучателя. Также стоило бы попробовать укоротить горизонтальные части и, возможно, удлинить их электрически, используя ёмкостную нагрузку, однако при этом необходимо учитывать снижение эффективности антенны.

Литература:

[1] Breakall; James K. (Port Matilda, PA): Low profile antenna, U.S. Pat. 6580398
[2] Breakall; James K., Jacobs; Michael W., King; Thomas F., Resnick; Alfred E.: Testing Results of the Low-Profile Kinstar AM Broadcast Antenna

OK1RR