Наклонная антенна (Sloper)

В стремлении оптимизировать работу любой антенны или антенной мачтовой системы было решено использовать провода для крепления мачты в качестве дополнительных антенных излучателей. Хотя оттяжки выполнены из оцинкованной стали, это не является препятствием для их применения в данном качестве.

Стальные провода не оптимальны для антенн из-за своей высокой устойчивости к коррозии, но их больший диаметр компенсирует меньшую проводимость. Это позволяет использовать их для многодиапазонного диполя.

Для этого применения лучше всего подходит наклонная антенна (слопер), работающая на частоте 7 МГц и имеющая длину провода чуть больше четверти длины волны. Такая антенна с верхним питанием обеспечивает простую и эффективную установку, минимально влияющую на функцию провода — крепление мачты.

Слопер для диапазонов 40 и 15 метров, врезанный в опорный провод мачты

В 18-м дополнении к ARRL Antenna Book приведены два варианта конструкции слопера. Наклонный диполь λ/2 радиолюбители называют «полным наклонным диполем» или просто «наклонным диполем». Если использовать только половину этого диполя, он превращается в «наполовину наклонный диполь».

Основные характеристики этих двух типов антенн схожи. Они обладают определённой направленностью в сторону склона и излучают энергию под небольшими углами, близкими к горизонту. Поляризация волны вертикальная. Уровень направленности может варьироваться от 3 до 6 дБ в зависимости от конкретной установки и будет направлен в сторону наклона.

Все антенны с половинчатым наклоном имеют одну общую проблему: они усложняют процесс согласования. Для определения импеданса в точке подачи и, соответственно, коэффициента стоячей волны (КСВ), необходимо учитывать три основных компонента. Во-первых, длину излучающего элемента или провода, подключенного к мачте. Во-вторых, угол наклона излучающего элемента относительно мачты. И, наконец, саму мачту и прикрепленное к ней оборудование.

Значение КСВ можно регулировать путем изменения длины излучающего провода и угла его крепления. Мачта с антеннами и другим подключенным оборудованием предоставляет ограниченные возможности для настройки, за исключением усовершенствованных систем заземления и противовеса.

Когда используется существующий отводящий провод, для регулировки доступна только длина излучающего элемента. Положение отводящего провода определяется другими факторами. В примерах наклонных антенн, описанных в книге ARRL Antenna Book (18-е издание) и других источниках, угол наклона излучающего провода обычно составляет 45 градусов. Однако, поскольку положение направляющего провода задано равным 55 градусам, антенна должна работать с соответствующим полным сопротивлением нагрузки.

Принимая во внимание, что КСВ может быть неоптимальным, цель состояла в том, чтобы достичь максимально низкого значения с учетом ограничений установки. Для коррекции неидеального КСВ использовался антенный тюнер (ATU), насколько это возможно для трансивера. На частоте 7 МГц относительно короткий 21-метровый отрезок кабеля RG213 не должен вносить значительных потерь в систему. Например, при достижении КСВ 3:1 на частоте 7 МГц дополнительные потери коаксиальной линии составляют 0,28 дБ. На частоте 21 МГц эти потери увеличиваются до 0,35 дБ. См. рисунок 1 и график 1 для более подробной информации.

КСВ	7,1 МГц при 100 Вт		21,2 МГц при 100 Вт
	Потеря коаксиальной линии	Мощность на антенне	Потеря коаксиальной линии	Мощность на антенне
1:1	0,357 дБ	92.116 Вт	0,631 дБ	86.479 Вт
1:5	0.384 дБ	91,539 Вт	0.676 дБ	85,579 Вт
2:0	0,438 дБ	89,081 Вт	0,766 дБ	83,836 Вт
2:5	0.502дБ	89,081 Вт	0,871 дБ	81,836 Вт
3:0	0,571 дБ	87.689 Вт	0,981 дБ	79,774 Вт
3.5	0,641 дБ	86,282 Вт	1.094 дБ	77.729 Вт
4.0	0.712 дБ	84,885 Вт	1.207дБ	75,737 Вт
4.5	0,783 дБ	83.509 Вт	1.319 дБ	73,812 Вт
5.0	0,853 дБ	82.161 Вт	1.429 дБ	71,963 Вт

Рис. 1. Сравнительные потери в коаксиальной линии для 21-метрового участка коаксиального кабеля RG213 на частотах 7 МГц и 21 МГц при различных значениях КСВ

График 1. Сравнительная выходная мощность системы для 21-метрового участка коаксиального кабеля RG213 на частотах 7 МГц и 21 МГц при различных значениях КСВ для входной мощности передатчика 100 Вт

Конструкция

Конструкция элемента предельно проста: в существующую стальную проволоку с оцинкованным покрытием интегрированы два изоляционных элемента. Один из изоляторов размещен в верхней части конструкции, максимально близко к опоре, второй — ближе к точке крепления к земле. Длина проводника между изоляторами составляет примерно λ/4 на частоте 7 МГц с незначительным отклонением.

В изоляционный элемент, расположенный со стороны заземления, интегрирован провод с удлиненными концевыми участками длиной около одного метра, что обеспечивает возможность регулировки общей длины конструкции. После проведения тщательных измерений и настройки удлинительный проводник может быть аккуратно установлен в изоляционный элемент.

Коаксиальный кабель размещен в защитной алюминиевой коробке, предназначенной для обеспечения устойчивости к атмосферным воздействиям и способной функционировать в условиях агрессивных сред, практически не требуя технического обслуживания на протяжении всего срока эксплуатации антенного устройства.

Фото 3. Внутренний вид защищённой от атмосферных воздействий коаксиальной концевой коробки	Фото 4. Защищённая от атмосферных воздействий коаксиальная клеммная коробка. Распорный блок сзади предназначен для размещения антенного соединения подальше от вышки
Фото 5. Сборка торца мачты во время монтажа	Фото 6. Полностью установленный концевой узел мачты

Измерения

Антенный анализатор AIM 4170C выдал дисплей, который показывал, что антенна находится в шаровой зоне с двумя провалами КСВ; один чуть выше 7 МГц, а другой на частоте третьей гармоники около 20 МГц, чуть ниже 21-метрового диапазона.

Развёртка анализатора всего диапазона ВЧ 3-30 МГц, показанная на графике № 2, показала неожиданное полезное падение в районе 5-6 МГц.

Описание антенного анализатора AIM 4170C:

КСВ	Коэффициент стоячей волны.
Zmag	Полное сопротивление.
Rs	Резистивная составляющая полного сопротивления
Xs	Реактивная составляющая полного сопротивления также указывает знак + / — значения. Индуктивная — положительное значение, а емкостная — отрицательное.
Theta	Фазовый угол между напряжением и током.
Потери при возврате	Общая отражённая потеря системы.

Все показанные результаты получены с помощью антенны Sloper, которая была просмотрена с помощью антенного анализатора AIM 4170C на конце коаксиального кабеля, подключенного к трансиверу.

График 2. Антенный анализатор AIM 4170C КВ спектра от 3 до 30 МГц

График 3. Анализатор спектра ВЧ AIM 4170C от 6,5 до 7,5 МГц показывает, что, хотя антенна не подходит для прямого подключения к трансиверу с линейным ATU, она пригодна для использования с минимальными потерями в линии в диапазоне 40 м

График 4. Анализатор антенного спектра AIM 4170C КВ диапазона 20–22 МГц показывает, что антенна может быть напрямую подключена к трансиверу, однако предполагается, что ATU будет использоваться для работы в диапазоне 15 м

Эксплуатационные характеристики

Согласно имеющейся информации, антенна функционирует в соответствии с предполагаемыми техническими параметрами. В частности, отмечается значительное улучшение качества приёма сигналов с восточного направления, особенно с восточного побережья Австралии, по сравнению с многополосным диполем. Предполагается, что в многополосном диполе на 40-метровом диапазоне в восточном направлении существует небольшой нуль, и, следовательно, максимальная эффективность данной антенны заключается в устранении этого недостатка.

Для иллюстрации характеристик направленности 40-метровой и 15-метровой антенн были созданы модели диаграмм направленности. Эти модели не следует рассматривать как абсолютно точные, однако они предоставляют определенное представление о происходящих процессах. Первоначальная модель диаграммы направленности 40-метровой антенны была упрощенной и включала только излучающий элемент и мачту до точки крепления наклонной антенны, что демонстрировало почти всенаправленную диаграмму. Однако после включения в модель всей конструкции мачты был получен график, указывающий на наличие определенной направленности.

Данный факт свидетельствует о том, что конструкция мачты и любые прикрепленные антенны и оборудование оказывают значительное влияние на конечные характеристики наклонной антенны. Это подтверждается описанием антенны в «Книге антенн ARRL 18th Addition», где подчеркивается решающая роль мачты и оборудования в формировании окончательных характеристик наклонной плоскости.

Рис. 2. Диаграмма направленности антенны 40-15 м на частоте 7,15 МГц

Рис. 3. Диаграмма направленности антенны 40-15 м на частоте 21,2 МГц

Заключение

Несмотря на неидеальный оцинкованный стальной провод для антенного излучателя, более высокий, чем была надежда, КСВ антенны показал себя так, как и ожидалось. Было очевидно явное улучшение на 2–3 пункта S в восточном направлении усиления на диапазоне 40 м по сравнению с многодиапазонным диполем.

У ATU нет проблем с согласованием антенны как на 40, так и на 15 м. Антенна Sloper также может быть согласована на диапазоне 80 м с сопоставимой производительностью с многодиапазонным диполем, и хотя она не показывает никаких преимуществ, стоит отметить, что она работает так хорошо.

За очень небольшую стоимость теперь доступна дополнительная антенна, которая демонстрирует явное преимущество для определённых условий, где раньше была только растяжка.

Хотя антенна слишком хороша и удобна, чтобы её игнорировать, следует признать, что никакие две из этих антенн не будут одинаковыми из-за различных эффектов, и по мере добавления дополнительных антенн и удаления других, производительность антенны Sloper может ухудшаться.

VK6YSF