Друзья, привет!
Не смотря на некоторые успехи, достигнутые мною при помощи магнитной рамочной антенны, почивать на лаврах я считаю преждевременным. Да, эфир можно послушать. Да, мои передачи слышат европейские корреспонденты (а точнее скиммеры - автоматические сканеры). Но, нет - к великому сожалению, принимать я могу лишь радиостанции с относительно большой мощностью. Речь идет о десятках и сотнях Ватт. Не об этом я мечтал, когда изучал морзянку! Для начала, конечно неплохо, но хотелось бы полноценно влиться в ряды настоящих QRP-шников (QRP - работа малой мощностью, не более 5 Ватт для телеграфа). А что у меня? Сколько я не сканировал QRP-пятачок на 20 метрах (14,055...14,065 МГц) услышать слабые сигналы QRP-операторов мне не удавалось. Подозреваю, что и работа на общий вызов была безрезультатной (а давать CQ я одно время старался каждый день) потому что я просто не слышал вызывавших меня корреспондентов.
Проблема в городских шумах - QRM на радиожаргоне. Они у меня очень высоки. По шкале S-метра я наблюдал и 7 и 8, а то и все 9 баллов! И это на магнитную рамку, которая считается менее шумной антенной, нежели все остальные. В общем, нужны были дальнейшие изыскания. Об них и пойдет речь в сегодняшнем материале.
Четвертьволновый вибратор
Итак, если домовые помехи от бытовых приборов создают настолько мощный фон, то антенну следует от них максимально отдалить. То есть, попробовать вынести антенну за периметр дома на некоторое расстояние. Действительно, расположение рамки внутри домовых конструкций, приводит к тому, что ее буквально окружают излучатели электромагнитных помех: розетки, проводка, арматура, алюминиевые рамы, светодиодные лампочки... Попробуем увеличить расстояние от них, насколько это возможно.
В качестве основного инструмента дистанцирования я решил использовать стеклопластиковое удилище длиной 6,5 метров, с которым ранее проводил эксперименты в природных условиях (вот где тишина была).
Прежде всего я решил проверить, как мне казалось, самый простой вариант - четвертьволновой вибратор. По сути, это тот же самый Ground Plain, который состоит из собственно вибратора и противовеса или заземления, создающего емкостную составляющую антенны для компенсации индуктивности вибратора.
С вибратором все просто. Отрезок провода длиной 5,2 метра, который можно проложить вдоль удочки. Если не уместится, то его можно намотать спиралью на саму удочку. А вот с противовесом все сложнее. Хорошего заземления в моем многоэтажном доме нет. Да если бы оно и было, то наверняка собирало бы все те же наводки от бытовых устройств. Значит, противовес. В простейшем случае это тоже кусок провода длиной 5,2 метра, только спущенного вниз или проложенного, скажем, вдоль стены. Ни один из этих вариантов мне не подошел. Вниз бросить не смогу из-за соседей, а вдоль стены провести не смогу из-за сложной, ступенчатой конфигурации этой самой стены.
Уже не помню, в какой момент ко мне пришла идея попробовать использовать в качестве противовеса стальной отлив балконного окна. Чем не противовес? И делать-то ничего не нужно! Выкрутить один саморез, зачистить под ним поверхность и зафиксировать отвод тем-же саморезом. Я решил внимательно изучить конструкцию балконного отлива.
Прямо под одной из оконных створок я обнаружил ржавый саморез. Причем, практически над ним располагалось дренажное отверстие, через которое удобно было бы пропустить провод. Сам отлив имел длину около 3 метров. Этого могло быть недостаточно, но я решил, что если понадобится, то наращу провод от отлива то точки запитки антенны.
Саморез я открутил (отлив не свалился - хорошо), а место вокруг отверстия зачистил шкуркой.
Затем, подготовил провод ПуГВ, сечением 1,5 кв.мм и длиной около одного метра, сделав на его конце облуженную петельку и прикрутил ее саморезом чуть большей длины.
Провод пропустил через дренажную щель и вывел внутрь рамы.
Ну и наконец такой же провод ПуГВ 1,5, длиной 5,2 метра я использовал для изготовления вибратора. К сожалению просто проложить его вдоль удочки не удалось. Он заходил далеко вглубь балкона. А мне хотелось, чтобы точка запитки антенны была на уровне рамы. Поэтому провод пришлось навить на удочку.
Для создания точки запитки я использовал туже конструкцию с байонетным гнездом, что и в предыдущих антеннах.
С другого конца антенна опиралась на подоконник окна на балкон при помощи тисков, подвешенных на веревке. А для страховки я дополнительно прикрепил ее к столярному столику.
На столике, кстати, удобно разместились все необходимые инструменты и приборы.
Настало время экспериментов. Первое подключение антенны к NanoVNA показало следующую картинку.
Представляете, какая шикарная картинка! Острый резонанс! минимальная реактивность в точке резонанса. Активная составляющая сопротивления близка к идеальному значению. Почти вожделенные 50 Ом! Но... И это "но" мне показалось небольшой ложкой дегтя - резонанс был гораздо ниже по частоте, чем мне требовалось. Примерно 11,5 МГц.
Такой уход частоты вниз мог быть по двум причинам. Во-первых, намотка вибратора на антенну создала "удлинняющую" индуктивность. Теперь такого длинного провода не требовалось. Да и про коэффициент укорочения изолированного провода не стоит забывать. А во-вторых, по-видимому и емкость, создаваемая отливом также была избыточной. Минимальная реактивность в точке резонанса как раз и говорит, что отлив полностью скомпенсировал индуктивность вибратора. Значит, нужно было укорачивать как длину вибратора, так и длину отлива! Ну ладно, провода, соединяющего отлив с точкой запитки! Я решил начать со второго, чтобы понять, какой резерв снижения длины вообще есть в моем распоряжении. Начал потихоньку откусывать провод отлива.
Резонанс сместился примерно к 12,1 МГц. Согласование по-прежнему очень неплохое. Пожалуй, даже чуть лучше чем было. На этом этапе я не придал большого значения тому, что правая часть графика КСВ (желтый) стала чуть более пологой у основания. А зря! Потому что при дальнейшем откусывании картинка стала вот такой.
Резонанс еще сместился вверх. Теперь его частота стала около 12,45. Но теперь стало очевидно, что на графике КСВ стал появляться некий второй горб, а активная составляющая стала расти. Отрезать от противовеса мне почти ничего не осталось, тем не менее, стало очевидно, что придется. И я отрезал еще раз.
На этом лимит укорочения противовеса был исчерпан. Характер графика КСВ мне объяснить было трудно. Появился на только второй резонанс, но и третий. Причем как раз в точке середины телеграфного диапазона 20 метров - 14.050 МГц. Реактивное сопротивление практически не росло, а активное уже требовало согласующего устройства. Конечно трансформатор сделать не проблема, но нельзя ли улучшить характеристики укорачивая основной вибратор? Однако, прежде чем продолжать дальнейшую настройку я решил послушать эфир на получающейся у меня конструкции. Подключил ее к своему трансиверу и просто оглох от уровня помех! S9+20 дБ и даже выше! А еще я не смог услышать практически не одной станции ни в CW ни в SSB поддиапазонах. Те, что угадывались просто тонули в жутких помехах.
Плохо! Я-то рассчитывал, что вынеся антенну за контур балконной рамы я, наоборот, уровень помех уменьшу. Ан нет! Все стало гораздо хуже, чем с магнитной рамкой.
Не стал я кромсать вибратор, а взял паузу для раздумий. Бессонной ночью я сообразил, что отлив при помощи тех же саморезов электрически соединяется с алюминиевой рамой балконного окна. А рама, это ни что иное как приемное устройство, в котором ЭДС наводится всеми теми-же домовыми помехами. Наводится и благополучно попадает в приемный тракт трансивера. Объяснение мне показалось здравым настолько, что я решил прекратить эксперименты с отливом в качестве противовеса. Путь был явно тупиковый.
Укороченный вибратор
Невеселы были мои раздумья об оконных рамах! Если они так хорошо собирают помехи, то ничто им не мешает их и переизлучать. Значит нужно любыми способами максимально отдалить антенну от рамы. Желательно еще получить такую диаграмму направленности, которая бы имела минимум в направлении рамы. А какая антенна у нас обладает ярко выраженными направленными свойствами? А все та же магнитная рамка. Минимум ее диаграммы направленности расположен вдоль оси, перпендикулярной плоскости рамки. Однако это значит, что нужно рамку выносить далеко за пределы балкона. А она у меня довольно тяжелая. Или делать рамку меньше и легче, теряя эффективность. Или...
А еще ярко выраженными направленными свойствами обладает полуволновой диполь! Минимум его диаграммы направленности направлен вдоль его оси. А что если разместить диполь вдоль удочки. Тогда, минимум диаграммы направленности будет, как раз, направлен на окно. Отлично! Только вот полуволновой диполь диапазона 20 метров имеет длину около 10 метров. Тут никакой удочки не хватит! Не хватит, верно! Но только если решать задачу методом "в лоб". А ведь длину диполя можно и сократить без существенной потери его свойств если использовать удлиняющие индуктивности в его плечах.
Я начал ковырять эту тему и очень быстро набрел на сайт радиолюбителя RN6LLV. Алексей разработал программу, которая позволяет быстро рассчитать параметры укороченного диполя. В своей статье он говорит, что размеры диполя при помощи удлиняющих катушек может быть сокращены до уровня 0,2 длины волны без особой потери в эффективности. В моем случае это означает, что длина диполя составит всего 0,2*20 = 4 метра. При такой длине и размещении диполя от кончика удилища остается еще 2,5 метра до его окончания. Примерно 1,3 метра нужны для организации крепления на балконе. Получается, что удаление диполя от рамы составит более метра. Не много, но если еще учесть, что и диаграмма направленности будет иметь минимум в сторону окна, то вполне может что-то получиться!
Используя программу Алексея я рассчитал необходимую индуктивность катушек. Получилось около 15 мкГн. Для достижения такой индуктивности катушки пришлось сделать диаметром около 50 мм. Расчеты катушек я выполнил в программе Coil64.
Каркасы катушек были напечатаны на 3D-принтере. Для намотки я решил использовать такой же провод ПуГВ 1,5 кв.мм, что и для полотна антенны.
Расчет в программе Coil64 показал, что нужно будет намотать 23 витка. Для фиксации концов провода я предусмотрел отверстия в начале и конце обмотки. Кстати, модель каркаса катушки я, как обычно, положу в архив в конце статьи. Катушка напечатана из ABS-пластика. Начальному и конечному отверстиям нужно придать небольшой скос при помощи дрели, так, чтобы провод плавно входил в них.
Катушка печатается без поддержек. Усадку можно не учитывать. Индуктивность все равно получилась больше (примерно 18 мкГн). Это даже лучше, поскольку позволяет отодвинуть катушку чуть ближе к концам диполя, что повышает эффективность. Готовая катушка выглядит следующим образом.
На катушку уходит более 3-х метров провода. В принципе, ее не обязательно делать отдельно можно использовать для намотки непосредственно провод антенны. Тогда общая длина провода составит примерно 6,5 метра. Из них 70 сантиметров от конца вибратора до катушки, 1,3 метра от катушки до точки запитки. Вторая часть симметрична первой относительно точки запитки.
Смонтированная на удочке антенна, подготовленная для измерений внутри дома выглядела так:
Витки катушек я закрепил изолентой. А в точке запитки подключен NanoVNA. Параметры которые я получил оказались вот такими:
Резонанс антенны оказался на частоте примерно 13,750 МГц, а сопротивление всего 22 Ома. Соответственно КСВ не слишком хороший - около 2,2. Я решил отрезать по одному сантиметру с концов.
Резонанс смесился в нужную сторону на 100 кГц. Однако сопротивление еще уменьшилось. Стало понятно, что без согласования импедансов не обойтись. Я решил по-быстрому сделать согласующий трансформатор из подручных средств. Взял какое-то низкочастотное ферритовое кольцо диаметром миллиметров 20 и высотой около 10, и при помощи витой пары от Ethernet-кабеля изготовил трансформатор (витую пару скрутил потуже, чтобы получилось примерно 2 скрутки на сантиметр).
Десять витков скрученной пары и потом 7 витков только одним проводом (потом сделал 6). Для подключения к антенне я спроектировал модель новой точки запитки, в которой предусмотрел место под трансформатор.
И с другой стороны.
Плечи антенны будут подключаться к винтам M3x20.
Результат согласования получился очень неплохой. Правда один виток одиночного провода с трансформатора пришлось отмотать
Что ж, можно приступать к натурным испытаниям! Вот так антенна выглядела будучи установленной на балконе.
Кабель запитки RG58, снабженный запорными кольцами в точке запитки был пропущен через верхнюю часть оконной форточки.
Вдоль удочки его проводить нельзя во избежание паразитного влияния токов антенны и кабеля. Казалось бы все нормально. Самое время включить трансивер! Нет! Так просто ведь все быть не может! Дело в том, что характеристики диполя при размещении за окном изменились кардинально! Во-первых, резонанс уполз вверх, килогерц на 300! Я пожалел о том, что откусывал кончики антенны! Пришлось наращивать! А во-вторых, сопротивление диполя изменилось, приблизившись к величине 75 Ом, что, кстати, и является нормальным для диполя! Выходит, что в комнате антенны налаживать нельзя! Уж очень сильно влияние сторонних факторов.
Теперь сопротивление антенны следовало не увеличивать при согласовании, а, наоборот, уменьшать. Я использовал тот-же трансформатор, с которого отмотал еще несколько витков одиночного провода. Оставил только два. И поменял обмотки местами.
Разумеется, подключить NanoVNA к точке запитки, удаленной от края балкона на 3 метра было нереально. Однако для анализа характеристик антенны я использовал 7-метровый RG-58, который, с учетом коэффициента укорочения, будет "прозрачным" для волн диапазона 20 метров. Изучал характеристики через него. После небольшой подгонки концов (точнее я подгонял только один конец, ближайший к окну), удалось получить следующую картину:
Антенна получилась достаточно широкополосной. С КСВ не хуже 1,5 можно перекрыть весь диапазон 14,000...14,350 МГц. Но, меня интересует только телеграф, поэтому резонанс я подогнал к QRP-участку 14,060 МГц.
Пришла пора испытаний. В тот вечер у меня было мало времени, чтобы хорошенько послушать эфир, поэтому я решил запустить маяк и заняться своими делами. Картинка, которую выдал reversebeacon.net выглядела так:
Не смотря на то, что из-за магнитных бурь прохождение в эти дни было не самым лучшим, сигнал на германских скиммерах достигал 20 дБ! Расстояние около 2000 километров. Количество же скиммеров, которые меня засекли было не в пример больше чем в случае с магнитной рамкой.
На следующий день под вечер я занялся приемом. Сразу обратил внимание, что уровень шума возрос примерно на 0,5...1 балла. Я уж было совсем приуныл, но, тем не менее, начал сканирование диапазона 14 МГц. Огромное количество станций! Правда это была суббота и шел очередной контест, но я точно могу сказать, что столько станций я еще никогда не слышал. Море! Толкотня! С замиранием сердца я подошел к QRP-пятачку. А тут меня ждал еще больший сюрприз! Наконец-то, я что-то услышал! Правда сигналы были слабыми и с замираниями, но я их точно слышал, а иногда мог разобрать одну...две фразы, типа name, om или tks! Вот этот факт стал для меня реальной наградой. Да, пока еще шумно, но еще один шаг к QRP все же сделан! На диполь ловится явно больше станций, а главное станций тихих. Видимо шумы от дома он тоже ловит неплохо, но слабые сигналы чуть лучше. Конечно, антенну на удочке устанавливать немного хлопотно, но, что не сделаешь ради азарта, любопытства и радости творчества! Движемся дальше...
Модели для изготовления катушки и точки запитки можно скачать по ссылке.
Спасибо, что читаете-смотрите Terrabyte! Подписывайтесь, если вам интересна радиолюбительская тематика, микроконтроллеры, мини-ПК, необычные компьютерные решения и инновационные разработки! Спасибо всем, кто поддерживает меня своими советами, комментариями и лайками!
Группа ВК: https://vk.com/terrabyte
Канал на VK-Video: https://vk.com/video/@terrabyte/all