Юрiй Фукс, AC6A
Нерезонансний диполь і PA0FRI S-Match на 80 метрах
На нашій позиції ARRL Field Day 2026 одночасно працювали 11 передавачів, що створило складне ВЧ-середовище для випробування антен. У цьому проєкті використовувалися нерезонансний дротяний несиметричний вібратор для 80-метрового діапазону, дешева відкрита двопровідна лінія живлення, саморобний тюнер PA0FRI S-match, коаксіальний 1:1 choke-balun та багатополюсний смуговий фільтр. Можна було й простіше, але хотілося зробити все правильно.
Метою було поставити під сумнів поширене припущення що антена обов’язково має бути обрізана до резонансної півхвильової довжини, щоб працювати ефективно. Резонанс може спростити однодіапазонну установку з коаксіальним кабелем, але він не є тотожним ККД випромінювання, діаграмі спрямованості чи практичній роботі. Нерезонансна антена може добре працювати, якщо випромінювач, фідер, узгоджувальний пристрій, придушення синфазних струмів, фільтрація та вся установка розглядаються як єдина інженерна система.
Антенна система
Антена являла собою дротяний диполь довжиною близько 50 м, встановлений як невелика інвертована V, з вершиною приблизно 12 м над землею. Вона не була ані ідеально горизонтальною, ані симетричною. На частоті 3,59 МГц довжина дроту становила приблизно 0,60λ, тобто була дещо більшою за півхвильовий диполь. Антена живилася приблизно 15 м відкритої двопровідної драбинної лінії.
S-match був встановлений на станційному кінці драбинної лінії. Він узгоджував імпеданс системи «антена—фідер» приблизно до 50 Ω. Його узгоджений вихід проходив через коаксіальний 1:1 choke-balun, а далі приблизно 30 м коаксіального кабелю до смугового фільтра та трансивера.
Драбинна лінія була ключовою частиною конструкції. Нерезонансна антена може створювати високий КСХ на фідері. У коаксіальному кабелі високий КСХ може істотно збільшити втрати; маловтратна відкрита лінія значно краще переносить високий КСХ. I зовсiм мали втрати.
ПЕРЕВАГА ПОЛЬОВОГО РОЗГОРТАННЯ Звичайний резонансний диполь може вимагати точного вимірювання, підняття антени, перевірки резонансу, опускання для підрізання та повторення циклу. Ми вибрали механічно зручну довжину дроту, яка відповідала наявним опорам, підняли антену один раз і виконали остаточне узгодження з робочого місця, с землi. |
Вимірювання все одно важливі. Слід документувати довжину дроту, довжину фідера, висоту встановлення та імпеданс на станційному кінці. Однак точне підрізання до резонансної частоти не було необхідною умовою для введення антени в роботу.
Ту саму систему з дроту та драбинної лінії можна використовувати на кількох аматорських діапазонах, якщо тюнер має достатній діапазон узгодження. На кожному діапазоні система матиме інший імпеданс, ККД та діаграму спрямованості, тому багатодіапазонну роботу необхідно оцінювати для кожного діапазону окремо.
Перед розгортанням ці компроміси можна оцінити за допомогою програм моделювання антен, наприклад MMANA-GAL або EZNEC. У модель слід внести реальні довжини дротів, геометрію антени, висоту встановлення та репрезентативні параметри ґрунту. Програма може оцінити імпеданс у точці живлення, КСХ, підсилення та діаграму спрямованості для кожного запланованого діапазону. Моделювання не замінює польових вимірювань, проте це ефективний спосіб виявити екстремальні імпеданси та неприйнятні компроміси до підняття антени.
Резонанс — це не вся характеристика
Таблиця 1.
Резонанс, узгодження імпедансу та ККД випромінювання описують різні властивості антенної системи.
Узгоджувальний пристрій був саморобним S-match за конструкцією Фрітса Геерлігса, PA0FRI. S-match — це симетричний тюнер зі змінним конденсатором, змінною індуктивністю та трансформаторною схемою. Він призначений для симетричних фідерних систем і забезпечує гальванічну розв’язку між колом трансивера та симетричним антенним колом.
У нашій реалізації збережено базову топологію PA0FRI S-match і додано коаксіальний 1:1 choke-balun на його 50-омному виході.
У тюнері використовувалися:
S-match мав високий навантажений Q і різкий максимум налаштування. За точного налаштування на робочу частоту він працював як настроюваний преселектор і послаблював частину позасмугової енергії до її потрапляння на вхід приймача.
Властивість | Значення |
| Резонанс | Малий або нульовий сумарний реактивний опір у заданій точці та на заданій частоті |
| Узгодження | Передавач бачить прийнятне навантаження, зазвичай близьке до 50 Ω |
| ККД | Частка прийнятої ВЧ-потужності, що випромінюється, а не втрачається в проводі, ґрунті, фідері або узгоджувальних компонентах |
Тюнер не робить сам дротяний випромінювач резонансним. Він перетворює імпеданс, який представляє повна система «антена—фідер».
Диполь, коротший за 0,5λ, стає дедалі більш ємнісним у міру вкорочення. Його опір випромінювання зменшується, струм в узгоджувальній мережі зростає, а втрати системи стають важливішими. Проте помірно вкорочений дріт може залишатися практичним рішенням за умови використання маловтратної симетричної лінії та придатного тюнера.
Довший диполь має інший компроміс. Коли його довжина перевищує 0,5λ, змінюються розподіл струму та діаграма спрямованості. Спрямованість може зростати в окремих напрямках, але діаграма також набуває вужчих пелюсток і глибших провалів.
S-Match PA0FRI
Узгоджувальний пристрій був саморобним S-match за конструкцією Фрітса Геерлігса, PA0FRI. S-match — це симетричний тюнер зі змінним конденсатором, змінною індуктивністю та трансформаторною схемою. Він призначений для симетричних фідерних систем і забезпечує гальванічну розв’язку між колом трансивера та симетричним антенним колом.
У нашій реалізації збережено базову топологію PA0FRI S-match і додано коаксіальний 1:1 choke-balun на його 50-омному виході.
У тюнері використовувалися:
- Роликовий індуктор для безперервного регулювання
- Порошковий тороїдальний осердь T-300A-2.
- Коаксіальний 1:1 choke-balun на 50-омному виході.
Трансформатор S-match забезпечує гальванічну розв’язку між колом трансивера та симетричним антенним колом. Додатковий коаксіальний choke виконує іншу функцію: він створює високий імпеданс для синфазного ВЧ-струму, що тече по зовнішній поверхні екрана коаксіального кабелю. Оскільки між тюнером і трансивером було приблизно 30 м коаксіалу, choke зменшував імовірність того, що зовнішній провідник коаксіалу, станційне обладнання та підключена проводка стануть ненавмисними частинами антенної системи.
S-match було обрано через його широкий практичний діапазон узгодження. Ми також використовували цю топологію з нерезонансними вертикальними та рамковими антенами. Це не означає, що всі антени мають однаковий ККД або однакову діаграму спрямованості. Це означає, що багато практичних імпедансів системи «антена - фідер» можна успішно узгодити в межах допустимих напруг, струмів і потужності компонентів тюнера.
Селективність і фільтрація
Коаксіальний 1:1 choke-balun на 50-омному виході S-match зменшував синфазний ВЧ-струм, що потрапляв у приблизно 30-метрову коаксіальну лінію до робочого місця. Окремий багатополюсний смуговий фільтр для 80 м, встановлений біля трансивера, забезпечував сильніше частотне придушення поза потрібним діапазоном.
Разом настроєний S-match, choke-balun і смуговий фільтр забезпечили роботу в умовах щільного майданчика ARRL Field Day. Вузьке налаштування S-match було корисним на вибраній цифровій частоті, але перехід до телефонної ділянки 80 м вимагав переналаштування роликового індуктора та конденсатора.
Цифрова станція працювала поруч із десятьма іншими передавачами без помічених завад, які перешкоджали б нормальній роботі.
Таблиця 2.
S-match, синфазний choke та смуговий фільтр виконують різні функції в 80-метровій станції.
Пристрій | Функція |
| PA0FRI S-match | Узгоджує систему з драбинною лінією до 50 Ω і додає вузьку, залежну від навантаження селективність настроюваного кола |
| Коаксіальний 1:1 choke-balun | Створює синфазний імпеданс на коаксіальному виході S-match і зменшує ненавмисний ВЧ-струм на коаксіальному шляху з боку трансивера |
| Багатополюсний смуговий фільтр | Забезпечує спеціалізовану фільтрацію для 80 м і сильніше придушення поза потрібною смугою |
Результати в польових умовах
Система використовувалася переважно для цифрового зв’язку на 80 м. Диполь довжиною 50 м та драбинна лінія плавно узгоджувалися S-match на робочій частоті. Незважаючи на нерезонансну фізичну довжину та недосконалу польову геометрію, система забезпечила надійний зв’язок в активному ВЧ-середовищі ARRL Field Day.
КЛЮЧОВИЙ ІНЖЕНЕРНИЙ ВИСНОВОК Нерезонансний диполь може бути ефективною антеною у поєднанні з відкритою фідерною лінією, широкодіапазонним симетричним тюнером, придушенням синфазних струмів та належною станційною фільтрацією. |
Висновок
Резонансна антена залишається простим рішенням, коли умови місця це дозволяють. Але тимчасові установки рідко мають ідеальні опори, ідеальну висоту, бездоганну геометрію або необмежений час. Цей проєкт показав, що резонанс не повинен бути перешкодою для розгортання:
- Використовуйте довжину та геометрію дроту, які безпечно підходять для майданчика; широкодіапазонний симетричний тюнер усуває потребу багаторазово опускати й підрізати антену для однієї резонансної частоти.
- Коли очікується значний КСХ, використовуйте маловтратну симетричну лінію для ділянки з високим КСХ або розміщуйте узгоджувальний пристрій у точці живлення чи поруч із нею, щоб довга коаксіальна лінія працювала з імпедансом, близьким до 50 Ω
- Моделюйте реальну установку в MMANA-GAL, EZNEC або подібній програмі до розгортання, а потім перевіряйте ключові припущення антенним аналізатором і роботою в ефірі.
- Перевіряйте кожен запланований діапазон окремо щодо імпедансу, підсилення та діаграми спрямованості.
- Використовуйте правильно охарактеризований 1:1 choke-balun для зменшення синфазного струму на коаксіальній лінії з боку трансивера.
- Використовуйте спеціалізовані смугові фільтри там, де цього вимагають щільні багатопередавачні позиції.
Диполь довжиною 50 м, відкрита драбинна лінія, S-match, choke-balun, приблизно 30 м коаксіального кабелю та багатополюсний смуговий фільтр утворили практичну 80-метрову систему ARRL Field Day без потреби в точно резонансній довжині дроту або багаторазовому підрізанні антени на висоті. Цю ж антену можна оцінити для роботи на додаткових діапазонах за умови окремого аналізу її імпедансу, діапазону узгодження, діаграми спрямованості та навантаження на компоненти.
Нерезонансна антена не є автоматично поганою антеною. Це антена, повну систему якої потрібно свідомо проєктувати.
Пропоновані ілюстрації
Рисунок 1. Диполь довжиною 50 м, встановлений як невелика інвертована V. Польові обмеження визначили остаточну геометрію дроту.
Рисунок 2. Блок-схема системи: 50-метровий диполь, 15 м відкритої драбинної лінії, PA0FRI S-match, коаксіальний 1:1 choke-balun, приблизно 30 м коаксіального кабелю, багатополюсний смуговий фільтр для 80 м та трансивер.
Рисунок 3. Внутрішній вигляд S-match: роликовий індуктор, змінний конденсатор, трансформатор і симетричні клеми фідерної лінії.
Рисунок 4. Спрощена схема S-match із трансформатором, змінним конденсатором, роликовим індуктором, входом трансивера та симетричним виходом.
Джерела
1. F. Geerligs, PA0FRI, “S-Match Universal Antenna Tuner.” http://www.pa0fri.com/ATU/Smatch/smatcheng.htm
2. F. Geerligs, PA0FRI, “Travel S-Match Antenna Tuner.” https://www.pa0fri.com/ATU/TravelS-match/TravelS-matcheng.htm
3. American Radio Relay League, “Transmatch/Antenna Tuner.” http://www.arrl.org/transmatch-antenna-tuner
4. American Radio Relay League, “Understanding SWR by Example.” https://www.arrl.org/files/file/Technology/tis/info/pdf/q1106037.pdf
5. American Radio Relay League, “Antenna Modeling.” http://www.arrl.org/antenna-modeling
6. W7EL, “EZNEC Antenna Software.” https://eznec.com/
7. MMANA-GAL, “MMANA-GAL Basic.” http://gal-ana.de/basicmm/en/
8. DJ0IP, “Open-Wire-Fed Antenna.” https://www.dj0ip.de/open-wire-fed-ant/
9. OnAllBands, “What Does a Common-Mode Choke Do?” https://www.onallbands.com/ham-radio-tech-what-does-a-common-mode-choke-do/
