|
Народная мудрость гласит: "Первый блин комом..." и еще: "Беда не приходит одна - она приходит с подругой". Но причем здесь ЕН антенны? В этой статье пойдет речь об антенне на диапазон 137 КГц и практике ее изготовления, настройки и эксплуатации. |
Кононов Владимир ( UA1ACO )
С-Петербург
Начать надо с того, что радиолюбителям выделен диапазон частот в районе 137 кГц. 137 кГц - это длинноволновый диапазон, с длиной волны 2200 метров. Зная соотношение длины волны и размеров стандартной дипольной антенны, можно сделать вывод, что для эффективной работы антенны, длина полноразмерного диполя должна быть 1100 метров (больше километра!) и антенна должна быть поднята на такую же высоту!!! Естественно, что это не реально. Какой же найти выход из этого положения, какие антенны используют радиолюбители на этом диапазоне?
А используют на этом диапазоне антенны самых разнообразных конструкций, в зависимости от того, кто какую имеет возможность для размещения антенны. Чем длиннее антенна и чем выше она поднята - тем эффективнее. Размеры антенн обычно составляют от нескольких десятков, до нескольких сотен метров. Для электрического удлиннения антенн используют удлинняющую катушку (от добротности и качества которой тоже очень многое зависит). В таких вариантах эффективность (КПД) антнны оценивается от единиц до десятых долей процента! Поэтому, например, в некоторых западных странах установлена максимальная излучаемая мощность в 1 ватт!, при подводимой мощности до 1 киловатта! (в России же максимальная подводимая мощность ограничена 100 ваттами).
Таким образом, регламент России будет в более выгодном положении при использовании более эффективных антенн на этот диапазон. Сравните например радиолюбителя из Германии, подводящего к антенне мощность в 1000 ватт и имеющего излучаемую мощность в 1 ватт (при КПД антенны в 0,1%) и гипотетичекого радиолюбителя подводящего к антенне 100 ватт, антенна которого излучает 10 ватт! (при КПД антенны в 10%).
Таким образом, эффективность антенны (ее КПД) в диапазоне 137 кГц играет решающую роль.
Теперь вернемся к ЕН антеннам. Из практики их использования, мы знаем, что эффективность ЕН антенн (их КПД) приближается к стандартным дипольным антеннам. Т.е. сделав малогабаритную ЕН антенну, мы будем иметь ее эффетивность как у полноразмерного диполя. Что это значит для диапазона 137 кГц, объяснять не приходтся. Каковы же будут размеры ЕН антенны на этот диапазон? Опять таки из практики использования ЕН анетенн знаем, что размеры ЕН антенны примерно в 40 раз меньше диполя, и поднимать их можно на высоту в 5 раз меньше, чем диполь, при той же эффективности. На рисунке Рис. 1 показаны размеры обычного диполя и ЕН антенны на диапазон 137 кГц при одинаковой их эффективности.
Рис. 1 Сравнение размеров диполя и ЕН на частоту 137 кГц.
Сейчас мы не будем говорить о сооружении полноразмерного диполя на диапазон 137 кГц - конечно это не реально! Но даже размеры ЕН антенны на этот диапазон очень внушительны, не говоря о "высоте подвеса". Такую ЕН антенну тоже трудно сделать, а тем более поднять ее на 220 метров.
Поэтому жертвуя эффективностью и высотой установки антенны (как это было сделано с ЕН антенной на диапазон 160 метров ), сделаем ЕН антенну длиной всего 3 метра!!! и установим ее на высоте 2 метра над крышей!!! на двухэтажном доме. Естественно, эффективность такой ЕН антенны будет низкой. Ее размеры почти в 20 раз! меньше расчетных, а высота установки меньше необходимой в 110 раз!!!
Но имея прекрасный опыт изготовления и эксплуатации ЕН антенны на диапазон 160 метров, попробуем рискнуть и посмотреть, что же из этого получится?!
И так был взят за основу размер 3 метра (длина трубы), и диаметр трубы 110 мм. Чертеж ЕН антенны на диапазон 137 кГц показан на рисунке Рис. 2.
Рис. 2 Конструктивные размеры ЕН антенна на диапазон 137 кГц.
Сразу хочу предупредить - не начинайте делать антенну, не дочитав статью до конца.
При расчете этой антенны пришлось идти на несколько компромиссов. Размер антенны - 3 метра вместо 55 метров. Значит длина цилиндров более чем в 15 раз меньше, а значит и емкость между цилиндрами также меньше. Как мы знаем, ЕН антенна - это последовательный колебательный контур. Уменьшая емкость контура (емкость между цилиндрами), мы вынуждены увеличить индуктивность контура (катушки настройки). Но увеличивая индуктивность катушки настройки и применяя провод приемлемого диаметра, например 1,5-2 мм, мы получим длину катушки (при диаметре 110 мм.) огромной величины. Что делать? Выход один - уменьшить диаметр провода катушки настройки. Будем использовать провод диаметром 0,38 мм. Конечно это плохо. Очень плохо, так как активное сопротивление катушки настройки увеличится и составит целых 55 Ом!!! Из-за этого резко упадет эффективность антенны (ее КПД), значительная часть подводимой мощности рассеится на активном сопротивлении катушки настройки и не будет излучена в эфир, а уйдет в тепло. Но что делать, выхода нет. В конце концов, мы делаем экспериментальную антенну.
И так, антенна готова и ее внешний вид показан на рисунке Рис. 3.
Рис. 3 Внешний вид ЕН антенны на диапазон 137 кГц.
Характеристика ЕН антенны на диапазон 137 КГц показана на рисунке Рис. 4.
Рис. 4 Характеристика ЕН антенны на диапазон 137 кГц.
Центральная частота ЕН антенны на характеристике равна 135,5 кГц и при поднятии антенны на крышу и использовании защитного чехла увеличится до 137,7 кГц. полоса пропускания антенны равна 720 Гц... именно Герц!
После изготовления ЕН антенны, было решено установить ее на крышу 2-х этажного здания и провести эксперимент.
Диапазон 137 КГц имеет свои особенности. Для работы на передачу нужна высокая стабильность частоты. Выпускаемые серийно трансиверы (в том числе и зарубежные), не поддерживают работу на диапазоне 137 кГц. Даже "раскрытые" на передачу трансиверы, не могут работать на передачу. Для работы на передачу можно использовать несколько вариантов.
В результате был выбран такой вариант: использовался "раскрытый" трансивер ICOM-7000 на частоту 13,777.7 МГц с выходной мощностью 1% и делитель частоты на :100. Был изготовлен усилитель мощности на мощных полевых транзисторах IRFP-450A (изначально использовались IRFP-140N). Выходная мощность усилителя, при питании от 13,8 вольт, была около 40-50 ватт. Схема усилителя мощности и сам усилитель, представлены на рисунках Рис. 5 и Рис. 6.
Рис. 5 Схема усилителя мощности на диапазон 137 кГц.
Рис. 6 Внешний вид усилителя мощностина диапазон 137 кГц с измерителем КСВ.
Все было подготовлено, аппаратура установлена. Использовались два трансивера ICOM-7000, один на передачу, второй на прием и для контроля. На прием применялась программа "ARGO". На передачу, программа "QRS" для использования медленного телеграфа, который обычно применяют для связей на диапазоне 137 кГц. Внешний вид рабочего места можно увидеть на рисунке Рис. 7.
Рис. 7 Внешний вид рабочего места.
Кроме того, использовался еще один стационарный компьютер, подключенный к интернету, на котором имелась возможность проверять содержимое грабберов RA9CUA (ор. Сергей) и RA1QIB (ор. Сергей). Выражаю огромную благодарность этим операторам за помощь в осуществлении эксперимента.
Аппаратура была установлена и подготовлена. Осталось установить антенну. Этому препятствовал непрерывный дождь. В конце концов, когда дождь немного поутих, к концу пятницы решено было выйти на крышу и установить антенну. Антенна устанавливалась под дождем. Кроме того при установке антенны на крышу, необходимо было также подстроить антенну по месту установки, что тоже делалось под дождем. Конечно во время настройки, влага могла попасть под защитный чехол из полиэтилена. Установленную на крыше антенну можно увидеть на рисунке Рис. 8.
Рис. 8 Установленная антенна на крыше - идет дождь.
И так антенна установлена. Спускаюсь вниз... быстро перекусываю (целый день не ел ничего, некогда было) и приступаю к контролю настройки и работе. Стемнело (хотя у нас уже "белые ночи"), виноваты тучи и дождь. Контролирую грабберы... Пока программу "QRS" не использую... просто даю нажатие в CW своей "лягушкой", минуту... три минуты... Время уже скоро 8 вечера...
И тут замечаю, что измеритель КСВ показывает не те уровни, которые были при настройке. Все проверяю... Явно что-то изменилось. На грабберы уже и не смотрю. Поднимаюсь на крышу (на всякий случай беру с собой фонарик).
К своему изумлению, замечаю, что на высоте около 3-х метров в защитном полиэтилене появилась дыра. Включаю фонарик... свечу... точно дыра, а в дыре видно что-то черное! Спускаю антенну (дождь хоть и уменьшился, но еще не перестал). "Заваливаю" антенну, снимаю защитный чехол... и ... вижу то, что представлено на рисунке Рис. 9.
Рис. 9 Пробой между катушкой настройки и нижним цилиндром.
фотография осветлена
Становится ясно, что пробой произошел из-за попадания влаги под защитный чехол во время настройки антенны. После тщательного изучения по горячим следам, причина локализуется. Пробой произошел по дорожке от стекающей капли воды между нижним цилиндром и катушкой настройки. Также есть подозрение, что этому способствовал защитный чехол из полиэтилена. Длина пробоя около 100 мм. и это при мощности всего 40-50 ватт! Да, добротность антенны сыграла свою роль.
Снимаю антенну и несу ее в помещение. Связываюсь с Сергеем (RA1QIB) сообщаю о постигшем несчастье. В ответ он говорит: посмотрите на граббер, кажется там следы вашей передачи. Включаю интеренет, смотрю что было слышно в Вологде (550 км.)... действительно видны следы сигнала (см. Рис. 10). Но мой это сигнал или нет, точно сказать нельзя... к сожалению не протоколировал свою передачу, и не передавал свой позывной - думал все впереди, когда начну работать по настоящему.
Рис. 10 Следы сигнала на граббере.
Высверливаю сгоревшее место. Тщательно зачищаю поверхность снаружи и внутри трубы. Кстати, около места пробоя, медь сильно окислилась и приобрела зеленый цвет. Снимаю несколько витков с катушки настройки, и наматываю дополнительную катушку на новой оправке. Включаю основную катушку и дополнительную последовательно. На все это уходит несколько часов.
Рис. 11 Пробой высверлен и намотана новая дополнительная катушка.
Работать с антенной трудно, все таки размеры антенны большие - три метра. Проверяю настройку антенны. Антенна готова для установки на крышу... но, опять идет дождь. Выжидаю... прогноз погоды неутешительный... Дождь не кончается... жду. Время идет... К тому же у Сергея (RA1QIB) сбилась программа на граббере в 02-48.
Проходит ночь... дождь. Всю субботу дождь... все время выхожу на крышу и смотрю на горизонт... сплошная серая темная облачность - дождь. Связываюсь по Skype с Сергеем (RA1QIB), он восстанавливает граббер. Жду... жду... жду... идет дождь! Даже не хочется работать в эфире на других диапазонах, хотя прохождение есть и не плохое. Обедаю, ужинаю... Наступает ночь.
Ночью устанавливаю антенну! В 5 утра выхожу на крышу... рассвет и сплошной туман.
Рис. 12 Утро...рассвет (5 часов утра). Туман. Антенна в росе.
Вся антенна в росе. Включать не решаюсь, жду когда окончательно рассветет и высушит антенну. Дождя нет.
Постепенно небо проясняется, сквозь тучи проблескивает солнышко. 10 часов утра воскресенья! Опускаюсь с крыши к аппаратуре, начинаю все проверять... Все в норме, КСВ нормальный... и вдруг стрелка КСВ-метра опять прыгает! КСВ становится очень плохой. Чертыхаясь, поднимаюсь на крышу и вижу (антенна без защитного чехла)... опять пробой, но теперь уже выше - между цилиндрами (см. Рис. 13).
Рис. 13 Опять пробой! Но уже в новом месте.
Опускаю антенну и вижу капли дождя на корпусе! Но дождя нет! Даже солнце проблескивает. Оглядываюсь и вижу единственную, черную тучку убегающую в сторону... она и "полила" мою антенну! Было желание взять топор и перерубить антенну пополам :)
Что делать, не судьба. Тем не менее, дальнейшая работа с ЕН антенной на 137 кГц отложена на неопределенное время, по причине, не зависящей от меня.
А теперь подробности о настройке антенны и рекомендации для тех радиолюбителей, кто решит потратить свое время в несколько недель и потом три дня без сна испытывать антенну (шутка с долей правды :).
Во первых хочется сказать, что еще после рассчета ЕН антенны на диапазон 137 кГц, возникли сомнения, а стоит ли ее делать? Почему возник такой вопрос? Об этом мы говорили в начале статьи.
Вторая болшая проблема заключалась в том, что после начала изготовления антенны, стало ясно, что закончить все работы практическими экспериментами может быть и не удастся по той причине, что в здании отключается 220 вольт по техническим причинам (что и случилось). И только благодаря тому, что электричество было временно подано (по технологическим причинам) на одну неделю, антенну удалось срочно доделать и эксперимет удалось провести.
Другое дело, что на нормальную настройку антенны времени не оставалось и к началу эксперимента так и не удалось совместить минимум КСВ с максимум поля от антенны (иногда эта разность достигала 500 и более Герц), а для ЕН антенн такое совмещение является ключевым моментом.
Еще один важный момент. Размеры антенны довольно большие (3 метра), поднимать и опускать антенну - процесс не быстрый, на это уходит много времени. Поднять антенну, спустится вниз, замерить параметры... потом опустить антенну изменить ее настройку, опять поднять.. спустится вниз, измерить параметры и т.д... и так несколько десятков раз. А времени на настройку нет.
Например: частота минимального КСВ в помещении - 134,900 кГц
Частота максимума поля в помещении - 135,400 кГц
Частота минимума КСВ на крыше - 136,100 кГц
Частота максимума поля на крыше - 137,700 кГц
Эти результаты получены после многих десятков спусков и подъемов антенны, не говоря уже о предварительной настройке в помещении.
Определенные затруднения возникли из-за того, что выходное сопротивление усилителя мощности оказалось не 50 Ом, а переделывать выходной трансформатор усилителя под 50 Ом было уже поздно. Пришлось действовать от обратного, т.е. подстраивать входное сопротивление антенны под выходное сопротивление усилителя. Но опять возникали трудности из-за того, что и измеритель КСВ, и векторный анализатор антенн, рассчитаны на 50-омную технику.
Конечно и намного уменьшенные размеры антенны, маленькая высота установки, высокое активное сопротивление катушки настройки (55 Ом!), а также плохая настройка антенны и ее согласование, не дали возможности получить от антенны максимальные характеристики. Два подряд пробоя антенны из-за дождя окончательно довершили начатое. Тем не менее, на мой взгляд, получен неоценимый опыт изготовления и настройки антенны на LW диапазон, который другим путем получить нельзя (не делали еще ЕН на диапазон 137 кГц).
Чтобы как-то отвлечься от мрачных мыслей, включаю любимую 20-ку PSK-31 (тоже на ЕН антенну длиной 50 см.)... первая связь с A41OO... отлегло...
Успехов всем!
73!
UA1ACO op. Vlad
г. С-Петербург
06.2010г.
UA1ACO op. Vlad
г. С-Петербург
06.2010г.