Радиоантенны 
Преобразование обычного полуволнового диполя на 80 м в широкополосную антенну возможно за счёт изменения линии подачи и использования специальных конструктивных решений. Это позволяет добиться низкого коэффициента стоячей волны (КСВ) в большей части диапазона без необходимости применения антенного тюнера.
Такое превращение уже существующего 80-метрового диполя в широкополосную антенную систему может быть достигнуто путём модификации линии питания (полотно антенны остаётся на месте без изменений). Стандартный коаксиальный полуволновой диполь не обеспечивает оптимальное согласование импедансов во всём диапазоне, что представляет собой неудобство для пользователей, занимающихся и SSB, и CW на 80-метровой длине волны.
Для устранения этого ограничения были рассмотрены различные методы, за исключением использования антенного тюнера на станции. Выбранная антенна отличается конструктивной простотой по сравнению с другими аналогами и обладает следующими техническими характеристиками:
- КСВ должен быть 2:1 или меньше в большинстве или во всём 80-метровом диапазоне.
- Конструкция и внешний вид антенны аналогичны обычному полуволновому диполю, что делает её лёгкой и устойчивой к ветровым и ледяным нагрузкам.
- Антенна способна работать в широком диапазоне частот с использованием всего одной питающей линии.
- Потери, вызванные широкополосным согласованием, остаются допустимыми.
- Цена устройства сопоставима со стоимостью стандартного полуволнового диполя.
Все данные КСВ, приведённые в этой статье, были измерены на конце передатчика питающей линии. Опорный импеданс равен 50 Ом, поскольку большинство оборудования рассчитано на этот импеданс. Термин «антенная система», используемый в этой статье, включает не только излучающий провод, но и линию питания, балун (если используется), любые меры молниезащиты, антенный тюнер и так далее.
Сама дипольная антенна не является широкополосной, в системе используется широкополосный аналог. Ключевым широкополосным элементом этой антенной системы является резонатор линии передачи. Часть линии передачи компенсирует реактивное сопротивление, создаваемое диполем вдали от его резонансной частоты. Эта часть линии кратна половине длины волны электрического тока. Другая часть линии обеспечивает соответствующее сопротивление источника для резонатора линии передачи (TLR).
Сначала описана версия широкополосной антенной системы вместе с некоторыми практическими результатами. Затем рассмотрен важный вопрос о потерях в антенной системе. Ниже приведены некоторые варианты, соответствующие конкретным требованиям, и метод использования антенны для нескольких диапазонов. Также сравнится широкополосность линии передачи-резонатора с другими методами широкополосности.
Таблица 1. Расчётная и фактическая длины широкополосной дипольной антенны
80-метровая широкополосная антенная система
На рис. 1 показана простая широкополосная антенная система. Собственно антенна представляет собой полуволновой диполь с центральным питанием. Линия передачи разделена на одну электрическую длину волны 50 Ом по коаксиальному каналу и электрическую четверть длины волны 75 Ом по коаксиальному каналу.
Расчётная и фактическая длины приведены в таблице 1. Длины были рассчитаны с использованием формул, приведённых далее в этой статье, с использованием центральной частоты (Fo) 3,75 МГц и VF (коэффициента скорости) 0,66. Фактические длины были получены после того, как была выполнена процедура настройки, описанная ниже.
Производственные отклонения от опубликованных коэффициентов скорости кабеля и некоторое растяжение коаксиального кабеля способствовали разнице между фактическими и измеренными значениями. (Фактическая длина была измерена на ненатянутом кабеле.) Антенна установлена в виде перевёрнутой буквы V с включенным углом 140° и высотой вершины 60 футов. Размер провода #14, но это не критично.
Одна из форм простой широкополосной антенной системы. Она напоминает обычный диполь,
за исключением сегмента длиной волны 1/4 и 75 Ом. Точки А и В обсуждаются в тексте
Пропускная способность широкополосной системы КСВ 2:1 в 2,2 раза больше, чем у обычной системы, и единственное отличие заключается в конфигурации линии питания!
Потери в антенной системе
Потери в антенной системе играют ключевую роль, особенно для широкополосных конструкций. Незначительные потери могут существенно расширить возможности сети. В данном разделе мы рассмотрим конфигурации, представленные в статье, и их влияние на потери. Хотя существуют и другие источники потерь, мы сосредоточимся на двух основных: потерях в линии питания и потерях на рассогласование. Омические потери в антенном проводе остаются неизменными как для обычных, так и для описываемых широкополосных систем.
Потери в линии питания наиболее понятны. Они минимальны, когда линия питания плоская и коэффициент стоячей волны (КСВ) близок к 1:1. На высоких частотах эти потери возникают из-за омических потерь в медных проводниках.
Потеря рассогласования возникает, когда импеданс антенны не соответствует импедансу передатчика. В этом случае КСВ на передатчике отличается от 1:1. Например, для передатчика потери на рассогласование составляют 0 дБ при импедансе нагрузки 50 Ом. Если импеданс нагрузки отличается, потери на рассогласование могут составлять до 0 дБ, если передатчик с перестраиваемым выходным каскадом настроен на соответствующее согласование. Это также можно обеспечить с помощью антенного тюнера, но в этом случае потери от тюнера (до 1 дБ) заменяют потери на рассогласование в общем уравнении потерь. Этот аспект здесь не рассматривается.
Если вы не используете антенный тюнер и передатчик имеет фиксированный выход 50 Ом, рекомендуется использовать нагрузки, обеспечивающие КСВ менее 2:1. Влияние высокого КСВ на рассогласование будет подробно рассмотрено в следующем разделе.
Учёт потерь важен в долгосрочной перспективе. Все описанные широкополосные антенные системы имеют суммарные потери менее 3 дБ в наихудшем случае. Это значение недостаточно для значительного влияния на большинство 80-метровых QSO. (При потерях в 3 дБ половина выходной мощности передатчика излучается, а половина теряется). Основной эффект потерь — это нагрузка на компоненты системы: на передатчик из-за несоответствующей нагрузки и на линию передачи из-за нагрева.
Принцип работы
Для достижения широкополосного согласования с резонансной дипольной антенной применяется параллельно настроенная LC-цепь и соответствующее сопротивление источника. В публикации по радиочастотному проектированию представлен метод разработки таких цепей, включая резонаторы с потерями. На рисунке А в верхней части изображены эквивалентные схемы антенны и согласующей цепи, а в нижней части показаны соответствующие компоненты антенной системы.
Резонатором служит участок линии передачи, ближайший к антенне, длина которого должна быть кратна половине длины волны. Четвертьволновая секция «Q», выполненная из коаксиального кабеля, преобразует сопротивление передатчика 50 Ом в 112,5 Ом (752/50 = 112,5). Детали конструкции не рассматриваются, так как они освещены в другой работе.
Чтобы схема на рис. А обеспечивала широкополосное согласование, характеристическое сопротивление резонатора линии передачи и сопротивление передатчика должны соответствовать определённому диапазону значений. К счастью, широко распространённые линии передачи с характеристическими сопротивлениями 50 и 75 Ом отлично подходят для этой цели. Примеры широкополосных систем подтверждают эффективность данного подхода.
Рис. А — Эквивалентная схема широкополосной согласующей сети с потерями (вверху) и
соответствующие элементы простой широкополосной антенной системы (внизу)
Рис. Б иллюстрирует ещё один значимый аспект. В данном приложении сетевые характеристики одноволнового линейного резонатора (вверху) совпадают с сетевыми характеристиками полуволнового резонатора (внизу), если сопротивление верхнего резонатора уменьшить вдвое. Параллельное объединение двух одинаковых кабелей — эффективный метод для достижения меньших характеристических сопротивлений.
Рис. Б — Эти два резонатора линии передачи ведут себя в данном приложении по существу одинаково
Характеристический импеданс каждого сегмента кабеля одинаков, что делает характеристический импеданс нижнего резонатора вдвое меньшим, чем у верхнего.
Сравнение с аналогом с коаксиальным резонатором
Как простой широкополосный диполь, описанный в этой статье, соотносится с другими методами для достижения хорошего согласования в диапазоне 80 метров? Антенна с коаксиальным резонатором является одной из наиболее эффективных конструкций, представленных на сегодняшний день. Она обеспечивает широкополосное согласование за счёт интеграции коаксиального кабеля длиной ¼ длины волны в саму антенну.
Согласование с коаксиальным резонатором способствует низкому КСВ на питающей линии и минимальным потерям в линии. Однако, наличие коаксиального кабеля в конструкции увеличивает системные потери. В результате, общие потери остаются примерно такими же, но КСВ на передатчике снижается, не превышая 1,6:1 в диапазоне 3,5-4 МГц. Если КСВ меньше 2:1, это не критично, за исключением случаев использования передатчика, который значительно снижает мощность при таких значениях.
Важно отметить, что в описываемом подходе используется тонкий провод. В большинстве других широкополосных конструкций применяются дополнительные провода или излучатели, частично изготовленные из коаксиального кабеля, что делает их уязвимыми к повреждениям от ветра и обледенения. Дополнительный вес и сложность таких антенн также являются их недостатками.
Из вышеизложенного следует, что простая широкополосная антенная система, благодаря своей простоте, имеет преимущество перед антенной с коаксиальным резонатором, особенно в приложениях, где необходим более простой подход. Ограничения доступных коаксиальных кабелей ограничивают возможности для эффективного проектирования. С другой стороны, конструкция с коаксиальным резонатором обладает более широким диапазоном регулировки.
AI1H