КОНСТРУКЦИЯ СОГЛАСУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ФИДЕРА С АКТИВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ АНТЕННЫ "ВОЛНОВОЙ КАНАЛ" НА 14 МГц

Диапазон 14 Мгц является одним из привлекательных диапазонов коротких волн, выделенных радиолюбителям для проведения радиосвязей. Этот диапазон решением IARU выделен радиолюбителям для использования на первичной основе.

Физические процессы, происходящие в околоземном пространстве обеспечивают наиболее благоприятные условия для проведения дальних и сверх - дальних радиосвязей на КВ диапазонах с радиолюбителями, находящимися на других континентах, при использовании сравнительно небольших энергетических устройств: радиопередатчиков и приемников, геометрические размеры вращающих антенн для этого диапазона имеют вполне выполнимые в домашних условиях размеры и могут быть подняты для проведения таких радиосвязей на оптимальные высоты.

На этом диапазоне работают всеми видами излучения, доступными на КВ радиолюбителям сравнительно высокой квалификации, поэтому во многих странах лицензии не выдаются новичкам!

Автор этих строк – радиолюбитель, получивший первый позывной в 1967 году, не имел возможности сразу работать на этом престижном диапазоне, но долгие годы готовил себя, соответствующую аппаратуру и антенные устройства для работы, в том числе, и на этом диапазоне.

Для диапазона 14 МГц автором была построена антенна "Волновой канал", состоящая из пяти элементов, установленных на почти 15–ти метровой траверсе и поднята на высоту 20 метров над уровнем земли.

Перед постройкой такой антенны были просмотрены многие конструкции подобных антенн, изготовленные радиолюбителями многих продвинутых в радиолюбительстве стран, а также фирмами, производящими подобные продукты для радиолюбителей.

Одним из важных вопросов стоял вопрос окончательной подстройки в резонанс на рабочей частоте активного вибратора антенны и согласование входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением питающего фидера на полной рабочей высоте антенны!

К большому сожалению, в практике радиолюбительства, при постройке больших направленных антенн, в Украине не обошлось без падений с высоты их создателей с большими травмами и даже со смертельным исходом. Об этом всегда необходимо помнить…

Размеры в плане подобной антенны определяют место активного вибратора на  расстоянии более 3 метров от закрепления траверсы на оси поворотного редуктора, который установлен на вершине мачты.

Даже находясь закрепленным страховками на мачте, в зоне редуктора, человеку руками невозможно дотянуться до активного элемента, а тем более произвести какие либо технологические операции по настройке антенны. Это очень неудобно, и тем более - очень рискованно!

Одним из способов проведения оптимального согласования активного вибратора с питающим антенну фидером на рабочей высоте антенны может быть способ питания дипольной антенны, известный как  Ɣ – согласование и его разновидность Ω – согласование.  Рассмотрим Ω – согласование.

Принципиально, активный вибратор антенны выполнен как цельный полуволновый элемент из дюралевой трубы (не надо путать с разрезным полуволновым вибратором!), который в геометрическом центре закрепляется перпендикулярно к несущей траверсе самой антенны, или может быть выполнен изолированным от неё. Параллельно активному вибратору на некотором расстоянии от него устанавливается согласующий элемент (шлейф), оборудованный скользящей перемычкой, которая может фиксироваться на трубе вибратора и трубе согласующего элемента, обеспечивая надежный электрический контакт. Труба согласующего элемента  имеет диаметр, меньше чем труба активного вибратора. Отношение диаметров в этой конструкции Da/dc=1,5,   выбрано, в основном, по конструктивным соображениям. Начало трубы согласования размещается по центру диполя, и две трубы, между собою, механически закрепляются изолирующей перемычкой. Расстояние между осями труб 155 мм. Эта подвижная перемычка участвует в настройке антенны.

Хочу напомнить конструкторам антенн о том, что при выполнении излучающих элементов, участвующих в формировании диаграммы направленности антенны, особенно работающих на открытом воздухе, желательно токопроводящие детали и их крепления между собой, выполнять из одних  тех же материалов.  В описываемой конструкции таких элементов используются детали из алюминиевых сплавов, при механическом креплении деталей сопрягаемые поверхности контактируют только по схеме Al Al, а сила прижатия поверхностей обеспечивается затяжкой стандартным стальным метизным комплектом.

Советуем широко использовать дополнительные шайбы из алюминиевых сплавов и при сборке хорошо очищать сопрягаемые поверхности контактов Al Al.  Исключением является только коаксиальный кабель. 

Мы не будем в рамках этой статьи глубоко останавливаться на физических процессах, да и в технической литературе достаточно хорошо описаны различные способы согласования коротковолновых антенн с фидерными линиями питания.

На рисунке 1 представлен фрагмент активного вибратора с согласующей перемычкой, а на рисунке 2 – сама перемычка. Это механическое исполнение индуктивной части Ω – согласования.

 

 

                    Рисунок 1. Активный вибратор с согласующей перемычкой.

Поз.1 – труба активного вибратора антенны; поз. 2 – согласующая перемычка; поз. 3 – согласующий элемент, с вваренной бонкой с резьбой М6 в торце трубы. Стрелка А показывает геометрический центр активного вибратора; стрелка Б (см. рисунок 3) обозначает точку болтового соединения согласующей перемычки с проводником от статоров конденсаторов С1 и С2.

 

Рисунок 2. Конструкция подвижной перемычки. Поз. 1 - жесткая (фрезерованная) перемычка; поз. 2 – стопорный винт фиксации перемычки к вибратору; поз. 3 – болтовой комплект зажима перемычки к трубам; поз.4 – стопорный винт фиксации перемычки к шлейфу.

Подвижная перемычка изготовляется методом фрезерования из дюралевого проката АМГ-6 толщиной 20 мм. Для стопорения образовавшихся хомутов используются стопорные винты и прижимные болты. Отверстия выполняются диаметром 25 и 16 мм.  На рисунке видны вмятины на верхней трубе от стопорного винта, образовавшиеся при предварительной настройке длины шлейфа.

Схема электрическая Ω – согласования представлена на рисунке 3.

 

 

Рисунок 3. Схема электрическая Ω – согласования для КВ антенны «Волновой канал». Точка по стрелке Б - подключение общего проводника из короба с элементами Ω – согласования С1 и С2.

Важным отличием Ω – согласования от  Ɣ – согласования в нашей конструкции является то, что в отличии от Ɣ – согласования, в Ω – согласовании нет необходимости производить при удаленной настройке, на рабочей высоте антенны, подстройку одновременно длинны шлейфа с надежным закреплением перемычки (подстройку индуктивной части Lх вх), что значительно усложняет и делает невозможным конструктивное исполнение этого узла.

При применении Ω – согласования подстройку индуктивной части (длину шлейфа) и фиксацию положения перемычки) выполняют при предварительной настройке, на монтажной высоте (высоте, достижимой с поверхности земли с использованием «строительных лесов»). А окончательную настройку на рабочей высоте антенны, выполняют дистанционно, без участия рук человека, изменяя емкостную составляющую Сх вх, при помощи вращения осей двух переменных конденсаторов реверсивными приводами, что значительно проще!

При этом необходимо отметить, что определение длины шлейфа и окончательную фиксацию положения перемычки необходимо определить с нескольких попыток.

В каждой попытке необходимо выполнить проверку возможности проведения согласования дистанционно с помощью изменения емкостей С1 и С2 и определения реального КСВ, но при этом определить, есть ли запас в сторону уменьшения или увеличения реальной емкости в конденсаторах. Остановиться в определении окончательной длины шлейфа можно только в случае нахождении запаса по емкости в конденсаторах при вращении ротора в обе стороны, для окончательной настройки на рабочей высоте.

При включенном передатчике на рабочую частоту, необходимо: управляя дистанционно из радиостанции, с пульта управления, вращением роторов двух конденсаторов переменной емкости реверсивными приводами поочередно, следить за изменением параметров КСВ на шкале прибора, стремящихся к минимуму (1,0). Окончание настройки - в идеале КСВ = 1,0!

Большим плюсом в этом техническом решении является то, что конденсаторы и привода сравнительно малогабаритны, и их легко поместить в хорошо защищенном от влаги кожухе.

В качестве привода использованы два реверсивных маломощных электродвигателя с редуктором РД-09, см. рисунок 4, которые широко использовались в приводах следящих систем автоматических потенциометров-самописцев, регистрирующих температуру, давление и другие параметры.

 

Рисунок  4. Поз. 1 – корпус реверсивного электродвигателя; поз. 2 – колодка подключения обмоток двигателя; поз. 3 – редуктор привода; поз. 4 - выходной вал привода.

В нашей конструкции конденсаторы использовались самодельные, с одним общим статором и двумя роторами, вращающимися без ограничений, с хорошими изоляторами из фторопласта и надежными токосъемниками. Габариты конденсаторов соответствовали возможности работы антенны предположительно во  влажном воздухе, при переходах температурных параметров через 0 ºС. Следует особо отметить, что емкость конденсаторов и пределы регулировок определялись на макете, с использованием переменных конденсаторов промышленного изготовления. Измерения проводились на монтажной высоте ~ (λ/4 ÷ λ/5). Определенные значения емкости конденсаторов замерялись поверенным измерительным прибором и использовались при проектировании штатных конденсаторов для согласующего устройства. При этом учитывались их будущие габариты  и габариты приводов.

Коаксиальный кабель (см. рисунок 5, поз. 2) от трансивера и кабель питания реверсивных приводов конденсаторов (поз. 4)  вводятся в уплотненный короб через сальники-уплотнители (поз. 3 и 5). Верхняя часть короба (поз. 6) выполнена из дюралюминиевых листов сваркой и крепится к траверсе антенны хомутами (поз. 7).

Нижняя часть короба (поз. 1) выполнена из стеклопластика методом формирования по деревянной модели. Верхняя и нижняя части имеют сопрягаемые поверхности (фланцы с отверстиями), которые скрепляются между собой (комплект метизов М5, винт, гайка, шайбы), образуя закрытый объем для монтажа элементов Ω – согласования антенны.

Из короба, со стороны нижней части, против выполненного в совмещенном общем статоре конденсаторов месте электрического вывода, в стеклопластиковом днище короба выполнить прорезь для плоского проводника (на рисунке 5 она не видна!). Проводник – алюминиевая пластина толщиной 1,5 мм и шириной до 20 мм, длиной в заготовке 200 - 250 мм. Координаты прорези необходимо смоделировать на макете с реально собранным и установленным на макете траверсе коробом, активным элементом антенны с установленным шлейфом индуктивной части  Ω – согласования. Для этого, необходимо иметь уже изготовленный короб с двумя конденсаторами С1 и С2, с совмещенным общим статором, и нанести координаты закрепления вывода статорной части конденсаторов.  Именно этот вывод необходимо далее кратчайшим путем вывести через днище стеклопластикового короба наружу, подогнуть «по месту» в сторону шлейфа Ω – согласования и выполнить укорочение для стыковки с торцом шлейфа и сверление отверстия под болт М6 на конце проводника.

При окончательной сборке узла согласования необходимо будет прикрепить болтом М6 проводник к торцу шлейфа Ω – согласования (точка Б показана на рисунках 1 и 3).

После выполнения сборки короба, необходимо выполнить приформовку проводника к стеклопластиковому днищу. Перед началом работ необходимо обезжирить сопрягаемые поверхности.

Использовать приготовленный жидкий раствор той же смолы, из которой выполнена нижняя часть короба, дополнительно использовать лоскуты стеклопластикового мата (обрезки). Особое внимание при остывании стеклопластика - необходимо следить за плотностью соединения стеклопластиковой стенки с поверхностью проводника, не допуская образование протеков смолы внутрь короба.

 Рисунок 5.  Герметичный, двухстворчатый короб, в котором смонтирована часть Ω – согласования. Поз. 1 – нижняя часть короба; поз. 2 – радиочастотный кабель 50 Ом; поз. 3 – сальниковое устройство; поз. 4 – кабель цепей управления; поз. 5 - сальниковое устройство; поз. 6 – верхняя часть короба; поз. 7 – кронштейны и хомут крепления короба к траверсе антенны (дюралевая труба диаметром 86 мм, материал АМГ-6); поз. А - Габарит короба - равный 355 мм.

Центральная жила коаксиального кабеля (поз. 2) внутри короба, с припаянным наконечником под винт М4, закрепляется к выводу ротора конденсатора С1 винтовым соединением. Ротор конденсатора С2 - через клеммное соединение с металлическим корпусом верхнего короба, а далее, через кронштейны закрепления к траверсе (поз. 7), а через кронштейн закрепления самого активного вибратора к траверсе - к центру активного вибратора (см. рисунок 3). Наружная оплетка коаксиального кабеля коротким проводником, с помощью метизного комплекта М4, также закрепляется внутри к металлическому корпусу короба и далее через кронштейн (поз.7) к центру активного вибратора. Электропривода и конденсаторы в коробе смонтированы на общем стеклотекстолитовом кронштейне, закрепленном в плоскости крепительных фланцев короба, при этом конденсаторы С1 и С2 расположены в нижней части короба, а электропривода - в верхней. Оси электропривода и конденсаторов механически объединены через упругие и изолированные по ВЧ муфты, обеспечивая свободное реверсивное вращение роторов вокруг оси конденсаторов. Следует обратить внимание на сравнительно большие  ВЧ – токи, проходящие через токосъемники конденсаторов, особенно С1, где будет передаваться вся подводимая к антенне мощность.

Параметры Ω-согласования указаны в таблице 1.

Таблица 1

Наименование элемента

Длина элемента и материал

Длина вибратора     

L вибр. = 10,41 м, материал  АМГ- 6

Длина согласующего шлейфа

L шлейфа = 0,695 м (0,735 м), материал АМ - 2

Ширина  перемычки

L пер.  = 0,155 м по осям труб, материал АМГ- 6

Диаметр трубы вибратора

D вибр. = 25 х 2,5 мм, материал  АМГ- 6

Диаметр трубы согласующего шлейфа

D  шлейфа = 16 x 1,5 мм, материал АМ - 2

 Для выполнения дистанционной настройки, на радиостанции, в стойке питания, был изготовлен и установлен дополнительный блок управления. Этот блок показан на рисунке 6. 

 

 

 

Рисунок 6. Блок управления. Поз. 1 – стойка питания радиостанции; поз. 2 – блок управления; поз. 3 – индикатор, микроамперметр 50 мкА; поз. 4 – регулятор «Ток антенны»; поз. 5 – двухпозиционный тумблер «Вкл,»; поз. 6 – двухпозиционный тумблер «Индикатор – рефлектометр»; поз. 7 – двухпозиционный тумблер «Падающая-отраженная» волна рефлектометра; поз. 8 –двухпозиционный тумблер «Привод конденсатора С1 – привод конденсатора С2»; поз. 9 – кнопка «Вращение конденсатора С1 или С2 по часовой стрелке»; поз. 10 - кнопка «Вращение конденсатора С1 или С2 против часовой стрелки».

 

В состав блока управления входят:

- поз. 3 - стрелочный микроамперметр 0 ÷ 50 µА, функционально двойного назначения: - индикатор рефлектометра, датчик которого установлен в антенно-фидерном блоке радиостанции и датчик тока антенны;

- поз. 4 - регулятор «Ток антенны»;

- поз. 5 - двухпозиционный тумблер «Вкл,» переменного тока для работы приводов;

- поз. 6 - двухпозиционный тумблер «Индикатор – рефлектометр», фиксация индикатором тока антенны или работа рефлектометра;

- поз. 7 - двухпозиционный тумблер «Падающая-отраженная» волна рефлектометра,  демонстрация «падающей» и «отраженной» волны в датчике рефлектометра;

- поз. 8 – двухпозиционный тумблер «Привод конденсатора С1 – привод конденсатора С2», переключатель - подача питания на привод С1 или на привод С2»;

- поз. 9 - кнопка «Вращение конденсатора С1 или С2 по часовой стрелке»;

- поз. 10 - - кнопка «Вращение конденсатора С1 или С2 против часовой стрелки».

 

Как пользоваться этим блоком?

 1. Для его использования при предварительной настройке параметров Ω – согласования необходимо проводить работу минимум вдвоем:

- выполнить сборку антенны на монтажной высоте и подключить шлейф с перемычкой, коаксиальный кабель, и два промышленных конденсатора переменной емкости, установленные на текстолитовой подложке, и собрать по схеме Ω – согласования, изображенной на рисунке 3. На роторы переменных конденсаторов закрепить изолированные ручки;

- далее работу выполняет один человек на «строительных лесах», а второй - возле радиостанции с установленным пультом управления, желательно каждый с переносными УКВ - ЧМ радиостанциями двухметрового диапазона, работать необходимо слаженно;

- установить шлейф питания и перемычку на размер, указанный в таблице 1 и предварительно закрепить перемычку;

- на блоке управления включить тумблеры поз. 5, поз. 6 в положение «ИНД», включить передатчик в режиме «Настройка» на рабочей частоте и зафиксировать ток антенны, установив его на 80 % шкалы индикатора, поз. 3, с помощью потенциометра, поз. 4;     

- переключить тумблер, поз. 6, в положение «реф», а тумблер поз. 7, в положение «пад» и отрегулировать  потенциометром, поз. 4, показание стрелки по максимуму. Затем необходимо переключить тумблер, поз. 7, в положение «отр» и зафиксировать положение стрелки по шкале прибора. Она должна находиться ниже половины шкалы, чтобы в дальнейшем Вы могли отмечать падение стрелки в сторону нуля при вращении вручную каждого конденсатора;

- вращая вручную медленно ротор конденсатора С1, по индикатору, поз. 3, замечаем стремление показаний прибора к минимуму, и далее вращаем конденсатор С2, внимательно слушая сообщения от коллеги про общий минимум показаний. На самом минимуме делаем остановку и замеры емкостей С1 и С2. Здесь надо или зафиксировать оси конденсаторов, или сделать метки положений каждой оси. Измеренные емкости конденсаторов необходимо занести в рабочую таблицу, там же, в отдельном столбце, поместить и значение величины показаний минимума тока прибора;

- увеличить длину шлейфа на 20 мм и выполнить вышеописанную процедуру несколько раз, увеличивая длину шлейфа еще на 60 – 80 мм, шагами по 20 мм, и в сторону уменьшения длины на такую же величину, шагами но 20 мм. Вы получите таблицу данных по емкости конденсаторов и значениям КСВ;

- по таблице сразу определяется положение шлейфа (минимальные показания, стремящиеся к нулю), его надо зафиксировать, и из этой же строки таблицы использовать значение емкостей С1 и С2 для конструирования конденсаторов для Вашего блока согласования.  

Хочу сразу Вам сказать, что эти практические работы может придется выполнить не один раз, приближаясь к истине! Что касается величин емкостей С1 и С2, то из всех значений для С1 и С2 в расчет надо заложить максимальную емкость для расчета примерно на (20 ÷ 40) % больше максимальной емкости по таблице – Вам необходим запас по емкости каждого конденсатора для окончательной настройке на рабочей высоте!

2. Для использования прибора при окончательной дистанционной настройки параметров Ω – согласования антенны необходимо:

- работы вести при поднятой антенне на рабочей высоте. Все конструктивные элементы должны быть собраны и закреплены, включая ящик с конденсаторами и приводами  Ω – согласования;

- работу выполняет один человек;

- на блоке управления включить тумблеры поз. 5, поз. 6 в положение «ИНД», включить передатчик в режиме «Настройка» на рабочей частоте и зафиксировать ток антенны, установив его на 80 % шкалы индикатора, поз. 3, с помощью потенциометра, поз. 4;    

- переключить тумблер, поз. 6, в положение «реф», а тумблер поз. 7, в положение «пад», и отрегулировать  потенциометром, поз. 4, показание стрелки по максимуму. Затем необходимо переключить тумблер, поз. 7, в положение «отр» и зафиксировать положение стрелки по шкале прибора. Она должна находиться ниже половины шкалы, чтобы в дальнейшем Вы могли отмечать падение стрелки в сторону нуля при вращении приводом каждого конденсатора;

- тумблер, поз. 8, установить в положение С1 и нажав кнопку, поз. 9 следить за падением стрелки индикатора. При достижении минимума показаний – прекратить нажатие кнопки и, если Вы немного «промахнулись» - вернуться обратно, нажав кнопку, поз. 10, до минимума показаний; 

- далее необходимо подстроить конденсатор С2, для этого надо переключить тумблер, поз. 8, в положение С2 и нажать кнопку, поз. 9, наблюдая за поведением стрелки;

- если стрелка стремится к минимуму – достигнуть его и остановить вращение, если Вы «промахнулись» - другой кнопкой вернуться на минимум, а далее переключиться на конденсатор С1 и вращая привода найти минимальный - минимум по КСВ  на этой высоте антенны и частоте. Он должен быть близок к единице. Если это так, то цель достигнута и вы можете убрать напряжение с блока ( тумблер, поз. 5, выключить, а тумблер, поз. 6 установить в положение «инд», при этом потенциометром, поз. 4, установить стрелку индикатора, поз. 3, показания 80 % при максимальной мощности Вашего передатчика.

3. В заключение, мне еще хочется Вам сообщить о еще одной интересной особенности Ω – согласования и его исполнения в конструкции этой антенны!

Когда это особо необходимо, а это бывает при проведении очень редкой радиоэкспедиции, когда сотни радиолюбителей с нетерпением ожидает появления ее в эфире, или при проведении престижных соревнований, используя предлагаемую антенную конструкцию можно изменять режим согласования, смещая рабочие частоты настройки антенны в некоторых участках диапазона, например на средину телеграфного участка, или средину телефонного участка, или на DX-частоты, добиваясь дистанционным способом согласования антенны по минимуму КСВ, что равносильно увеличению излучаемой мощности или улучшению чувствительности приемника. Иногда эта, казалось бы, небольшая прибавка - является решающей!!!  А вся эта процедура простая и быстро выполнимая! 

На рисунке 7 предоставлена антенна «Волновой канал» 14 МГц,  5 элементов на позиции домашней радиостанции автора этой публикации UT1HT.

Рисунок 7. Вращающая направленная антенна «Волновой канал»,  5 элементов (Mono band)

 

 

Игнатов Г.С., UT1HT

 

Зюков А.А., Шалиманов Ю.И. – редактирование  и компьютерный дизайн

 

Информационные ресурсы:

1.  И. Григоров, RK3ZK, г. Белгород;   Согласование вертикальных антенн.

2.  В. Постников (UA3ZD), г. Губкин, Белгородская обл.;   Антенна с Ω – согласованием.

3.  DL2KD.  Ɣ – согласование.

4.  Согласование антенны с фидером   https://r3rt.ru/

5.  http://chegdomyn.narod.ru/meny/radio/_an.html

6.  Двигатель РД 09 реверсивное включение

 

Последние изменения Понедельник, 01 Март 2021 17:10
krs