Вертикальная антенна (Ground Plane) на диапазоны 14, 18, 21, 24 и 28 МГц

Довольно часто бывают обстоятельства, когда установить более одной антенны не удается. Но ведь кроме антенны для радиостанции на один диапазон нужны антенны на другие диапазоны. 

Вертикальная антенна (Ground Plane) на несколько диапазонов больше всего подходит для этой цели. 

В данной статье рассматриваются практические вопросы настройки и конструктивного исполнения штыревой антенны на диапазоны 14, 18, 21, 24 и 28 МГц. 

Вертикальные, или как их чаще всего называют на радиолюбительском жаргоне, штыревые антенны давно используются практиками для работы в эфире. 

Зная особенности распространения радиоволн на каждом любительском диапазоне, нужно разумно этим пользоваться. Ведь это не самоцель провести связь с данным корреспондентом, данным регионом или континентом именно на этом диапазоне, без учета условий прохождения радиоволн в данное время. Радиолюбители используют широкую сетку частот, чтобы обеспечить устойчивую связь в данное время с нужным корреспондентом, выбрав соответствующий диапазон, на котором вероятность связи будет максимальна. 

Все снова и снова коротковолновики спрашивают у своих старших коллег: "Какую антенну выбрать?" Точно ответить на этот вопрос невозможно, так как все зависит от того, для какой цели строится антенна. Если предполагаются связи во всех направлениях, для проведения ближних и дальних радиосвязей, очень удобны антенны с круговой диаграммой направленности. 

Вертикальная антенна (Ground Plane) – объект интереса и большой популярности у радиолюбителей всего мира. Принимая во внимание положительный опыт работы с ней, можно считать, что она одна из самых простых и популярных антенн. 

Начинающему коротковолновику неразумно выбирать своей первой антенной какую-либо громоздкую и сложную конструкцию, возможно ли будет изготовить такую конструкцию в домашних условиях. В процессе постройки, которой он по неопытности может наделать множество ошибок. 

Следует начинать с постройки простейших антенн и по мере роста опыта и знаний переходить к более сложным системам. 

На рис.1 показана вертикальная антенна, выполненная только на диапазон 14 МГц.

Антенны, одинаково подходящей на все случаи, нет. Радиолюбитель должен сам выбрать антенну, отвечающую основным его требованиям. А еще лучше построить две или три антенны и использовать их по мере необходимости. Реальное предпочтение нужно отдавать узкополосным однодиапозонным антеннам.

При выборе типа антенны нужно учитывать и то, какие основные материалы имеются в распоряжении конструктора. Если проблемно приобрести дюралевые трубы различных диаметров для антенных элементов, то штыревая антенна как раз подойдет для вас. 

Настройка антенны даже для специалиста отнимает много времени. А так как настройку антенны нужно проводить на высоте ее постоянной эксплуатации, это создает больше проблемы с подъемом и опусканием антенны или с установкой быстросъемных лесов. Настройка предлагаемой антенны предельно упрощает этот процесс.

На радиостанции UR5LAK длительное время была в эксплуатации штыревая антенна для диапазона 14 МГц и до сих пор прекрасно работающая. Хотя использование подобной антенны на один или два диапазона – это слишком расточительно. Вид антенны на диапазон 14 МГц показан на рис.2. 

При изготовлении антенн следует учитывать многие мелочи, на которые радиолюбители часто не обращают внимания. Эффективность работы антенны зависит от материала, из которого она выполнена. 

При постройке антенны использована стандартная дюралевая труба диаметром 30 мм, как по соображениям механической прочности, так и для получения достаточной широкополосности длиной 5,2 м. Составная телескопическая конструкция была отвергнута по целому ряду причин. Три противовеса такой же длины. Антенный изолятор является одним из конструктивных элементов антенны. Применен опорный изолятор от распределительных устройств 380 В. 
Вид данного узла крупным планом показан на рис.3.

Антенна установлена на фронтоне летней кухни на высоте 4 м над землёй. 

По КСВ–метру встроенному в трансивер FT-950, получились следующие параметры антенны, которые приведены в таблице 1. 
Таблица 1 
Частота    14,0    14,2    14,35    18,068    18,168    21,0    21,1    21,2    21,3    21,4    24,89    24,99    28,0    28,2    28,4    28,6
КСВ    1,5    1,4    1,4    2,2    2,3    3,2    3,2    3,2    3,3
Большое    4,0
Большое    Большое    Большое    3,2    3,2    2,2    2,2

Широкая полоса в диапазоне 14 МГц объясняется большим диаметром вертикального вибратора. 
Антенна хорошо согласовывалась на диапазонах 18 и 28 МГц.

Хотя антенна на диапазоне 21 МГц строилась в телеграфном участке. Но в телефонном участке имела высокое КСВ и антенным тюнером не удавалось согласовать трансивер с антенной. 
В диапазоне 24 МГц антенна имела большой КСВ и вообще отказывалась работать. 

Изучив много материалов и проанализировав советы радиолюбителей данные по эфиру, понял, что заслуживает внимания возможность установки дополнительных вибраторов на разные диапазоны к уже имеющему вертикальному штырю (рис.1, рис.2). 

Со временем модернизировал антенну для работы на диапазонах 14, 18, 21, 24 и 28 МГц. Получилась антенна на несколько диапазонов с круговой диаграммой направленности. Один из вариантов такой антенны приведен на рис.4. 

Решил добавить проволочный вертикал на 21 МГц и установил два противовеса на 21 МГц, к трем имеющимся на 14 МГц. По минимуму КСВ подобрал длину проволочного вертикала на 21 МГц.

Затем было решено сделать диапазон 24 МГц. Положил штырь, опираясь при этом на изолятор, закрепил на уже вымеренном расстоянии пластиковую трубку. В другую сторону трубки продел леску диаметром 1,2 мм для крепления и подъема проволочного вибратора на 24 МГц. Подобрал его длину по минимуму КСВ. Противовесов на 24 и 28 МГц не добавлял. 

Получились вот такие параметры антенны, которые приведены в таблице 2. 
Таблица 2
Частота    14,0    14,2    14,35    18,068    18,168    21,0    21,1    21,2    21,3    21,4    24,89    24,99    28,0    28,2    28,4    28,6
КСВ    1,5    1,5    1,5    1,8    2,2    1,5    1,0    1,1    1,2    1,5    1,2    1,5    3,2    2,2    1,7    1,5

Теперь модернизированная антенна могла быть успешно использована для работы в диапазонах 14, 18, 21, 24 и 28 МГц. 

Вид узла с изолятором, противовесами и присоединенным коаксиальным кабелем крупным планом показан на рис.5.

Диэлектрическую трубку для крепления дополнительных вибраторов, лучше изготовить из стеклопластиковых лыжных палок или пластиковых труб, применяемых для водопровода. Можно применять хороший диэлектрик, например, оргстекло. 

Вертикальный вибратор диапазона 14 МГц и дополнительные вибраторы рис.4 обеспечивают круговую диаграмму в горизонтальной плоскости. Угол между вибраторами и противовесами определяет волновое сопротивление антенны. 

При угле 90° волновое сопротивление равно примерно 36 Ом, при угле 180°- 70 Ом. Обычно выбирают угол 145°, что позволяет питать антенну коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом. Кабель центральной жилой подключают к вибраторам, установленным на изоляторе, а оплетка к противовесам. 

Для изготовления вертикального элемента антенны можно использовать дюралевую, алюминиевую, медную или стальную трубку, диаметром 20-30 мм. Диаметр провода дополнительных излучателей и противовесов может быть взят 1,5-2,5 мм или провода самого различного диаметра специально подготовленных для этого. У авторов применен провод из холоднокатаной меди ПЭЛ-2 диаметром 1,2 мм. Эта медь при сгибании слегка хрустит. Провод из такой меди достаточно прочен, хорошо паяется. Для увеличения сечения взято два провода и свиты из расчета 6-8 скруток на 1 метр. Дополнительные вибраторы находятся на расстоянии 250 мм от основного вертикального излучателя.
В качестве провода дополнительных излучателей и противовесов можно использовать антенный канатик диаметром 2,5 мм. Хотя его применение нецелесообразно, так как кислотные дожди могут служить причиной быстрого выхода из строя тонких жил. Достаточно устойчив к воздействию атмосферных осадков кабель, предназначенный для прокладки полевых линий связи, так называемый «полевик». Он обладает высокой прочность, так как в нем кроме медных, имеются стальные жилы. Изоляция достаточно устойчива к воздействию атмосферных осадков. 

Для растяжки антенны используется, капроновый шнур или еще лучше оттяжки из материала кевлар. Антенна с такими оттяжками работает много лет на открытом воздухе. Недостаток капронового шнура состоит в том, что она со временем растягивается. Поэтому после установки антенны растяжки сильно натягивают. Тогда дождь и сильный ветер не страшны. 

Антенна способна накапливать статический заряд, что может привести к выходу из строя трансивер и другую аппаратуру. Поэтому нужно предусмотреть грозозащиту антенны. Наиболее простой способ – шунтирование антенны на землю через резистор сопротивлением 5–100 кОм и мощностью более 2 Вт. Для защиты можно использовать ВЧ дроссель. Он выполняется тонким коаксиальным кабелем длинной 2-5 м, намотанным на ферритовое кольцо. Подходит доступное кольцо от отклоняющей системы (ОС-70) телевизора или видеоконтрольного устройства. 

Не рекомендуется использовать данную антенну во время грозы, так как возможно прямое попадание в нее молнии, особенно если штырь находится выше других мачт.

Начинающему коротковолновику не располагающему измерительной аппаратурой, лучше остановить свой выбор на данной антенне, которая наверняка будет хорошо работать без сложной настройки. 

В зависимости от наличия измерительных приборов, настройку достаточно вести по минимуму КСВ встроенным или внешним КСВ-метром.

Коротковолновику для настройки антенн необходимо иметь следующие приборы: ГИР, измеритель КСВ, генератор, полуволновой диполь, коротковолновый приемник с линейным индикатором силы принимаемого сигнала, аттенюатор с общим затуханием до 50 дБ и переключением ступенями через 3 дБ. 

Настройку антенн надо начинать с определения рабочей частоты системы в целом. Для этого в разрыв питающего фидера включают КСВ–метр и делают измерения по диапазону через каждые 50–100 кГц. По данным измерения строят график и по минимальному значению определяют частоту настройки. Изменением длины вибратора сдвигают минимум КСВ на заданную частоту.

После установки вибраторов дополнительных диапазонов необходима их настройка и добавление противовесов на соответствующий диапазон, чем обеспечивается достаточно низкий КСВ и хорошее согласование с фидером. 

При правильной настройке, КСВ должен быть около единицы на заданной частоте каждого диапазона. На краях диапазона он может повышаться. 

После постройки данной антенны в любительских условиях преимущества очевидны. После такой настройки антенна имеет достаточно хорошие характеристики.

Оптимальные характеристики, полученные на рабочей частоте, будут ухудшаться при расстройке по диапазону. Увеличение КСВ приводит к росту потерь полезной мощности в фидере. 

Потери мощности в антенно-фидерной системе в зависимости от КСВ приведены в таблице 3. 

Таблица 3
КСВ антенно-фидерной системы    Потери мощности, %    Реальная выходная мощность, %    Потери мощности, дБ
1:1,0    0,00    100,0    0,00
1:1,1    0,23    99,8    –0,01
1:1,2    0,83    99,2    –0,04
1:1,3    1,70    98,3    –0,05
1:1,4    2,78    97,2    –0,12
1:1,5    4,00    96,0    –0,18
1:1,6    5,33    94,5    –0,25
1:1,7    6,72    93,7    –0,28
1:1,8    8,16    91,8    –0,37
1:1,9    9,53    90,4    –0,44
1:2,0    11,1    88,9    –0,51
1:2,2    14,1    85,9    –0,66
1:2,4    17,0    83,0    –0,81
1:2,6    19,8    80,2    –0,96
1:2,8    22,4    77,6    –1,10
1:3,0    25,0    75,0    –1,25
1:3,5    30,9    69,1    –1,61
1:4,0    36,0    64,0    –1,94
1:5,0    44,4    55,6    –2,55
1:7,0    56,3    43,7    –3,60
1:10,0    67,0    33,0    –4,81
1:20,0    81,9    18,1    –7,42
1:50,0    92,3    7,7    –11,10

В качестве фидера следует отдать предпочтение светлому по цвету кабелю. Так как в черном полиэтилене в качестве красителя может использоваться сажа газовая. 
Поэтому кабель со светлым полиэтиленовым покрытием будет иметь меньшие потери в диэлектрике, особенно на высоких частотах.

Ни в коем случае при пайке не применяйте активный флюс, он проникает по оплетке глубоко под оболочку и со временем произойдет разрушение наружной оплетки кабеля. Это же касается и пайки выводов противовесов. 

Место пайки промывают спиртом и покрывают нитролаком или клеем БФ-2. После этого можно сделать бандаж клейкой полихлорвиниловой лентой. 
К активным (агрессивным) средам относятся и эпоксидные смолы. Перед заливкой эпоксидной смолой медных, латунных проводников или деталей следует предварительно покрыть их тонким слоем нитролака или клея БФ-2. Чтобы убедиться в активности эпоксидной смолы или какого–либо клея, попробуйте нанести эпоксидный клей на старый кусочек фольгированного стеклотекстолита. Вы увидите, что фольга под эпоксидной смолой очистится, изменив свой цвет, как будто вы капнули на медь азотную кислоту. Дело усугубляется еще и тем, что смолу разводят на глазок и передозировка отвердителя еще быстрее ускоряет процесс окисления. Если смола прозрачная, то через несколько месяцев вы увидите, что желтый цвет проводников изменился на зеленый. К агрессивным относятся и некоторые виды изоляционной ленты. Например, черная лента на тканевой основе способна разрушить даже эмаль на медном проводе. Из доступных материалов, клей БФ-2 не активен и имеет малые потери даже на сверхвысоких частотах. 
Перед распайкой кабеля обязательно проверьте его. Сначала визуальный осмотр по всей длине, кабель должен быть ровным, не иметь вздутий по диаметру и механических повреждений защитной оболочки. Затем следует проверить кабель на КСВ с согласованной нагрузкой. Обязательно проведя два измерения поменяв местами (условные) начало конец.

Включив трансивер, который желательно, что бы он был раскрыт во всем диапазоне. Мы проходим не только любительский диапазон, а даже больший диапазон, следя за показаниями КСВ-метра. Для ускорения процесса измерений, функцию настройки валкодера включают в режим быстрой перестройки «FAST» в 10 раз. Отметив, где показания КСВ были минимальны. Например, в начале или в конце диапазона, при этом КСВ, например, может измениться от 2 до 4. Само значение КСВ для нас сейчас не имеет значения. Мы определяем, что нужно делать с вибратором. Если КСВ в начале диапазона было меньше, значить вибратор нужно укоротить, если оно было меньше в конце диапазона вибратор нужно удлинить. Производим коррекцию размеров вибратора и измеряем КСВ. Конец вибратора предварительно размечаем фломастером или краской, чтобы при корректировке мы все видели и делаем записи в таблице. Риски на краю вибратора нанести с шагом 1 см. 
И так мы получили определенное минимальное значение КСВ в нужном участке диапазона.

В кабеле питания антенны, присутствует только бегущая волна. Но так как антенна обладает резонансными свойствами, малый КСВ будет только в нужном участке диапазона, там где мы ее настраивали. По краям диапазона КСВ увеличится. Равномерность КСВ по диапазону зависит от полосы пропускания антенны. 

После настройки антенна имеет достаточно хорошие характеристики на диапазонах 14, 18, 21, 24 и 28 МГц. 

Работа данной антенны на диапазонах 28 и 24 МГц сравнивалась с отдельно стоящей перестраиваемой антенной GP выполненной только на диапазоны 28 и 24 МГц. 

Вид на отдельно стоящий перестраиваемый штырь только на диапазоны 28 и 24 МГц, показано на рис.6. 
                 

Данные этой антенны на 28 МГц приведены в таблице 4. 
Таблица 4 
Частота    28,0    28,2    28,4    28,6
КСВ    1,5    1,3    1,3    1,3

Длина кабеля для антенны и угол наклона противовесов подбирался с использованием антенного анализатора АА Александра Тарасова UT2FW. 

Сравнительные эксперименты построенной антенны с классической однодиапозонной антенной, проводились на расстоянии нескольких километров при прямой видимости между антеннами, и дальних связях в несколько тысяч километров. Судя по показаниям S-метра трансивера FT-950, можно сделать вывод, что данная антенна на прием имеет незначительно большее усиление, однако заметного выигрыша нет. 

Увеличив размер основного штыря до 10 м, можно построить неплохую антенну для работы на 7-ми любительских диапазонах (40, 30, 20, 17, 15, 12 и 10 метров). 

При этом потребуется лишь увеличить размер основного штыря и добавить дополнительные проволочные вибраторы. Потребуется их коррекция в процессе настройки. 
Фотографии установки дополнительных излучателей на радиостанции Александра Опарина RL3DF показаны на рис.7 и рис.8.               

                                        
Его антенна называется Open Sleeve. Она внешне и в настройке во многом схожа с многодиапазонной штыревой антенной описываемой выше, только дополнительные вибраторы подключены к точке соединения противовесов и оплетки кабеля.

Основной вибратор антенны около 5,6 метра, выполнен из трубок различного диаметра в нижней части диаметр трубки всего 20 мм.

Так как длина вибратора больше требуемой длины для частот 20 метрового диапазона в основании стоит укорачивающий конденсатор. Это сделано для того, чтобы входное сопротивление антенны получилось около 50 Ом. Иначе, при длине вибратора около 5,3 м, и расположении противовесов под углом 90°, получалось сопротивление порядка 25 Ом, измеренном прибором MFJ.

Реактивность, которая получается на рабочей частоте, компенсируется конденсатором переменной емкости в основании. Он установлен в канализационной муфте, которую видно на рис.7 на крыше многоэтажного дома. Еще в этой муфте располагается разрядник и параллельно включенные резисторы для стекания статических зарядов. Коаксиальный кабель по вентиляционному каналу опускается в квартиру.

На первом этапе настраивается основной вибратор, а затем добавляются вспомогательные вибраторы. Размеры берутся из программы MMANA. Там есть модель антенны Open Sleeve. 

При настройке размеры основного и вспомогательных вибраторов немного изменились. Может измениться расстояние между основным вибратором и вспомогательными, но отталкиваться при конструировании нужно именно от модели в программе.

Для вспомогательных вибраторов взят электрический провод в изоляции сечением 2,5 мм квадратных. Вспомогательные вибраторы прикреплены к горизонтальным дюралевым планкам квадратного сечения с помощью диэлектрического шнура, выполняющего роль изолятора.
В качестве противовесов использован такой же провод, как и для вспомогательных вибраторов. Использовано 4 противовеса, перпендикулярно основному вибратору. Настроены парами как 2 диполя на желаемую частоту 20-ти метрового диапазона. Влияние плоской крыши заметное, сопротивление получается около 25 Ом. Может, есть смысл поднять всю конструкцию выше, при этом изменится угол противовесов и будет достигнуто входное сопротивление 50 Ом. 

Настройка антенны осуществляется как изменением длины дополнительных вибраторов, так и взаимным их расположением относительно основного вибратора. Для точной подстройки внизу из дюралевого уголка выполнена крестовина, соединенная со стойкой крепления и системой противовесов. Провода дополнительных вибраторов имеют возможность при настройке изменять место контакта с данной крестовиной с помощью автомобильных хомутов. Таким образом, можно выполнить точную подстройку дополнительных вибраторов после грубой настройки.

Коаксиальный кабель подключается через разъем, корпус которого прикручен к стойке крепления, а центральная жила через провод присоединяется к переменному конденсатору в канализационной муфте, диаметром 150мм, которая закрыта крышками-заглушками.
Модель этой антенны есть в MMANE. Она дается там, в качестве примера. Размеры могут отличаться от приведенных в MMANE, когда вы начнете настраивать антенну, так как влияют окружающие предметы, материалы и размеры, из которых выполнены основной и вспомогательные вибраторы тоже отличаются.

Перечень вариантов штыревой многодиапазонный антенны можно было бы продолжать. Разработаны конструкции антенн на большее количество диапазонов, но, нам кажется, в этом нет необходимости, так как основные выводы и рекомендации, к которым пришли авторы в результате экспериментов и расчетов, достаточно хорошо проиллюстрированы. 

Теперь для связи в диапазоне 14, 18, 21, 24 и 28 МГц на радиостанции UR5LAK используется штыревая антенна с вертикальной поляризацией рис.4. 
За время эксплуатации антенны установлено много ближних в несколько сот и дальних на тысячи километров связей. Большинство корреспондентов оценивали силу сигналов S9 при мощности передатчика всего до 100 Вт. 

Читатель заметит, что для данной антенны не приводятся технические подробности конструкции. Но это не должно помешать постройке, так как приемы работы и многие детали можно дополнительно посмотреть в справочной литературе для радиолюбителя. 

Литература 
1. Ротхаммель К. Антенны. М. "Энергия", 1969.
2. Бекетов, К. Харченко. Измерения и испытания при конструировании и регулировке радиолюбительских антенн. М. "Связь", 1971.
3. Надененко И. Антенны. М. Связьиздат, 1969.
4. Айзенберг 3. Коротковолновые антенны. М. Связьиздат, 1962.
5. Пистолькорс А. Антенны. М., Связьиздат, 1947.
6. Григоров И.Н. Антенны. Настройка и согласование. РадиоСофт, 2008.