Существующий метод активного питания с помощью кабельных линий задержки имеет один существенный недостаток. Все дело в том, что расчетная длина линии задержки в такой системе зависит от входного импеданса антенны в который входит и сопротивление потерь в системе радиалов. Антенный симулятор не может расчитать сопротивление потерь в земле, поэтому выдает импеданс антенны без учета потерь. Чтобы получить реальный импеданс антенны вам придется вручную вводить сопротивление потерь в расчитанный программой импеданс. К примеру если при расчете длины линии задержки вы ввели сопротивление потерь 2 Ом, а у фактические потери получились  10 Ом, то можно с уверенностью сказать, что такая расчитанная длина линии задержки в данном случае будет не верна и конечно же работать система правильно не будет. Например, VE3EJ уложил под своей системой вертикалов на 1,8 Мс суммарно 20 км проводов в качестве радиалов, да и к тому же вертикалы стоят в чистом поле. В этом случае сопротивление потерь земли очень мало, доли Ома и импеданс антенн практически совпадает с расчитанным на антенном симуляторе. Иными словами кабельная линия задержки определенной длины работает под строго определенный входной импеданс антенны т.е. активные системы на основе кабелей достаточно капризны в работе. Не все могут уложить под каждый вертикал по 100 и более радиалов, да и место установки свободное от окружающих предметов тоже далеко не все могут обеспечить. В итоге и получается, что фактический импеданс антенн довольно сильно отличается от расчетного и как результат  - кабельные линии задержки работают неправильно. Может быть этим и объясняется тот факт, что нет такой фирмы, компании, которая бы выпускала готовые отрезки кабелей для активных систем, хотя расчитать их хотя бы с помощью программы APAK совсем просто.

Значительно проще в этом смысле и надежнее в работе системы на основе, гибридных ответвителей. Здесь пришедшая к антенне фаза не зависит от импеданса антенны, поэтому в любом случае антенна будет запитана нужной фазой. 

,,Неправильные импедансы,, лишь могут изменить КПД системы, но сами антенны работать будут правильно.

Один из методов активного питания антенных систем был предложен Фредом Коллинзом W1FC в 80-х годах прошлого века. Этот метод свободен от вышеизложенного недостатка. Рассогласование в данном случае лишь выразится в слегка повышенном КСВ, но система работать будет хорошо. Этот метод основан на применении гибридного ответвителя. В принципе для радиолюбителей выпускаются такие ответвители изготовленные по методу Леволлена http://www.arraysolutions.com/Products/foursquare.htm , который был мной уже описан ранее http://www.qsl.net/ve3xax/new_page_68.htm  и по методу Коллинза http://www.comteksystems.com/ . Стоимость их 400и более долларов, поэтому есть смысл изготовить это самому. Первый отличается от второго тем, что в нем для сдвига фаз используются катушки индуктивности. Во втором используются катушки на ферритовых кольцах. Эти системы имеют свои достоинства и недостатки. Первый метод имеет достоинства:

  1. Выше КПД, практически вся подведенная мощность уходит в антенну.  
  2. Возможность получения практически любой фазы.

Недостаток:

  1. Узкополосность системы, как правило не превышающая 100 кГц.
  2. Необходимость взаимной экранировки катушек.  
  3. Сложности с точной настройкой катушек в металлической коробке.

 

Второй метод имеет достоинства:

  1. Широкополосность системы.
  2. Простота изготовления.

Недостаток:

  1. Пониженный КПД, который тем меньше, чем больше отличается рабочая частота от расчетной.  
  2. Возможность получения фаз, только кратных 90 гр. 
  3. Необходимость иметь мощный нагрузочный резистор.

В чем это выражается? Если в узкополосной системе вы далеко перестроились от расчетной частоты то система начинает выдавать неправильные фазы и как результат ДН антенны резко становится хуже.

Во втором случае, даже если вы ушли очень далеко от расчетной частоты ДН антенны сохраняется, но увеличиваются потери, которые рассеиваются на нагрузочном резисторе. Я считаю, что для станции важнее сохранить ДН даже ценой потери части мощности

 

Это основные достоинства и недостатки систем, которые помогут вам выбрать нужную систему. К примеру, если вам нужна широкополосная система скажем для работы в полосе 3,5 – 3,8 Мс то лучше использовать вторую систему.

Итак сердцем системы по методу Коллинза является гибридный ответвитель на ферритовых кольцах.  Сразу оговорюсь, что для успешного изготовления потребуется LC измеритель с точностью измерений не хуже 5%.

 

Ответвитель выдает  фазы  0 гр,  90 гр., и -90 гр.  Сразу надо отметить, что эта система как и другие однодиапазонная. Схема достаточно простая и пояснений не требует. Требуются 2 кольца от Амидон Т200-2. Кольцо имеет диаметр 50 мм и легко работает до мощности 2 квт. Если планируется ответвитель для работы на 14 Мс и выше, то видимо, в этом случае лучше будет применить кольца Т200-6. У них меньше проницаемость(u=8), поэтому кол-во витков должно быть больше чем на Т200-2. Например, у меня на кольце Т200-6 от фирмы Micrometals индуктивность обмотки 0.56 мкГн это 5 витков. Намотку кольца лучше всего делать скрученным(1 скр на 2 см) многожильными изолированными лучше разноцветными проводами диаметром 1,5-1,7 мм. Намотка на кольце располагается равномерно. Для того чтобы знать какое количество витков намотки надо провести несложные вычисления. Индуктивность каждой из обмоток кольца должна быть:

 L=  Xo/6.28 f     , где Хо – системный импеданс, обычно 50 Ом

f – рабочая частота.  Для частоты 7,05 Мс индуктивнсть будет 1,13 мкГ.

 Далее считаем конденсаторы.

Хс1 = Хс2 = 2 х 50 = 100 Ом

 С1=С2= 1000000/6,28 х 7,05 х 100 = 226 пФ

 Вот и все расчеты.

Теперь скрученным вдвое проводом наматываем на кольце Т1 примерно 10 витков. Зачищаем оба конца одной из обмоток и измеряем LC метром индуктивность намотки. Она должна быть 1,13 +/- 5%. Можно перемещать витки по кольцу и достигнув нужной индуктивности зафиксировать пластиковыми фиксаторами, которые применяют электрики. С обмоткой пока все закончено. Теперь измерим емкость между обмотками. Подключим LC метр к началам разных обмоток и к примеру измеренная емкость получиться 25 пФ. Теперь из вычисленной нами ранее емкости 226 Пф вычтем 25 Пф. Получается 201 Пф. Это значит, что в схему нам надо будет установить два конденсатора по 201 +/- 5% пФ.

Второй трансформатор Т2 наматывается аналогично Т1 т.е. столько же витков скрученными проводами. В принципе, вместо Т2 можно использовать отрезок кабеля 50 Ом и длиной 0,5 волны для частоты 7,05 Мс. Он выполнит ту же самую функцию, что и Т2. Но технологичнее, я считаю, использовать все же Т2 на кольце.

Обратите внимание на фазировку обмоток. У Т1 начала обмоток слева по схеме а у Т2 начала обмоток сверху.

Конденсаторы С1 и С2 должны быть мощные керамические с минимальным ТКЕ т.е. термостабильные  или же слюдяные на напряжение 1 кВ.  Это могут быть параллельно соединенные  конденсаторы, но точность емкости должна быть до 5%. От этого зависят фазовые углы а значит качество работы антенны.

Собирается ответвитель в металлической коробке, защищенной от влаги, пыли и пр. Элементы монтируются на стеклотекстолите и соединяются либо печатным методом либо навесным методом. В первом случае следует учесть ширину дорожек печатного монтажа т.к. при мощностях 2 квт ожидается протекание весьма высоких ВЧ токов. Лично я делал это навесным монтажом на куске стеклопластика без фольги. В любом случае, длина соединений должна быть минимально короткой и диаметр проводников должен быть 1,5 – 2 мм.

На фото показан ответвитель на 7 Мс. Он прекрасно отработал 24 ч.контест мощностью TL-922.   

 

После того, как Т1 будет установлен на плату из стеклоплатика и закреплен пластиковыми фиксаторами к плате рекомендую еще раз убедиться в том, что намотка имеет нужную индуктивность т.е. 1,13 мкГ. В случае необходимости нужно подвигать витки намотки на кольце. Кольца можно устанавливать как вертикально так и горизонтально на плате. Это не критично т.к. кольца не восприимчивы к внешним полям, компонентам и т.д.  На фото показан возможный вариант монтажа. Здесь использовались не скрученные провода, но все же желательно использовать скрученную пару т.к. в этом случае емкости конденсаторов будут меньше, да и скрученные пары имеют волновое сопротивление ближе 50 Ом нежели не скрученные. Сверху два коакс.разъема, левый из них для нагрузки а правый - вход. Слева и снизу разъемы - антенные порты. Справа расположен разъем питания реле. Очень желательно все соединения между реле  и кольцами делать коаксиальным кабелем 50 Ом вплоть до 5 см. длиной. Это поможет сохранить системный импеданс 50 Ом. Желательно также после сборки ответвителя  проверить КСВ в диапазоне на который он расчитан. Не забудьте нагрузить при этом порты ответвителя на 50 Ом нагрузку. КСВ должен быть не более 1,2 - 1,3.

Реле должны быть мощные, желательно герметизированные и все на напряжение желательно 24 в, чтобы было меньше падения напряжения на линии управления реле. Каждое реле должно иметь по две группы контактов. К шунтирующим диодам нет особых требований.

Все порты ответвителя должны быть пронумерованы в точности со схемой.

Питается ответвитель кабелем 50 Ом любой длины.  

Схема блока управления проста и думаю, пояснений не требует. Переключатель направлений установлен в положение N-E т.е. все реле обесточены.

Таблица истинности для реле выглядит так:

           K1         K2        K3

N-W    1            1           1

N-E      0            0           0

S-E       1            1           0

S-W      0            0           1

К порту Load 50 OHM следует подключить нагрузку – резистор мощностью 250 Вт, если вы будете работать мощностью 2 квт или более. Если же работа предполагается 500 -800 ватт, то достаточно будет и 100 Вт нагрузки. На резонансной частоте на нагрузке рассеивается порядка 15 Вт при работе более чем 1 квт.

Я лично использовал MFJ-250X с маслом.

В качестве разъема можно использовать любой разъем на 3 и более контакта. Особых требований здесь нет. Я использовал DB-9.

Вот и все по ответвителю.

Теперь перейдем непосредственно к самим антеннам. Это должны быть 4 вертикала высотой по 10,7 м каждый. Почему увеличенная высота? Это связано с тем, что будучи в системе вертикалы по 10,2 м окажутся настроенными на частоту примерно на 95 - 110 кГц выше расчетной. Для компенсации этого сдвига вверх и взята высота вертикалов по 10,7 м. По данным с сайта YCCC следует резонанс одиночного  вертикала установить  на 5% ниже рабочей частоты и все остальные вертикалы сделать такой же длины.  Тогда такие вертикалы будут совместно работать на заданной рабочей частоте.

Вертикалы устанавливаюся по углам квадрата со стороной 10,2 м.  Каждый вертикал имеет строго свой номер, согласно рисунка. К каждому вертикалу следует подключить 1 - 8 радиалов по 10 м изолированным проводом. Радиалы следует располагать в секторе примерно 45 гр.  по направлению от центра квадрата. Иными словами крайне нежелательно чтобы радиалы соседних вертикалов пересекались или шли параллельно друг-другу. Высота радиалов над землей может быть от 0,5 м.

Сами вертикалы у меня были телескопическми от 27 мм внизу и до 12 мм вверху. Если используются другие диаметры труб, то высота вертикала может отличаться от 10,7 м. В любом случае, резонансная частота одиночного вертикала должна быть 6,96 Мс, тогда в системе резонансная частота будет 7,05 Мс.  

Желательно вертикалы из труб а не проволочные. В этом случае широкополосность системы будет больше. КСВ такой системы например от  3,5 до 3,8 Мс изменяется в пределах от 1,15 до 1,35.

Теперь перейдем к фидерной системе. Каждый вертикал запитывается отрезком кабеля 75 Ом и длиной 0,25 волны.  Поскольку ответвитель равноудален от всех вертикалов то надо брать кабель питания с Ку=0,76 минимум а лучше 0,82 или больше. В этом случае вам хватит длины 0,25 волны отрезка. Если нет кабеля с Ку=0,76 и выше то в этом случае надо брать 4 отрезка по 3/4 волны или 21,05 м для 7,05 Мс. Отрезки кабеля могут быть смотаны в бухты возле каждого вертикала. Очень рекомендую нанизать на конец каждого кабеля, который будет соединяться с вертикалом ферритовые кольца. Суммарное индуктивное сопротивление по оплетке может быть 1кОм, что соответсвует примерно 22 мкГ. Чтобы узнать сколько потребуется колец на кабель, надо лишь через пробный отрезок провода пропустить столько колец, чтобы получилась индуктивность примерно 22 мкГн. Затем все эти колечки надеть на кабель. Это делается для того, чтобы кабель не излучал оплеткой и не портил ДН антенны. Можно так же каждый кабель намотать на большое ферритовое кольцо, количество витков кабеля зависит от параметров кольца.

Очень желательно кабель питания реле так же развязать подобным образом. ДН антенны выглядит вот так. Антенна максимально излучает по диагоналям квадрата. На рисунке показана ДН антенны в положении переключателя на N-W.


 

В основном это и есть полное описание антенны. Дополнительной настройки эта система не требует и начинает работать сразу после правильного подключения. Если есть желание измерить резонансную частоту системы то для этого лучше всего контролировать рассеиваемую на нагр. резисторе мощность. Для этого можно применить простейший детектор ВЧ, который будет выпрямлять часть напряжения с нагруз. резистора и далее это напряжение можно послать в шэк  по двухпроводной линии, защищенной от наводок ферритовыми колечками,  на измерительный прибор. Минимум этого напряжения по прибору и укажет вам на резонансную частоту. Если же еще это откалибровать, то ваш прибор может указывать и мощность, которая рассеивается в данный момент на нагр. резисторе. Резистор нагрузки следует соединить с ответвителем по возможности коротким отрезком кабеля к примеру RG-58 с Z= 50 Ом.

Если есть в наличии двухлучевой осциллограф, то при желании можно проверить правильность фаз ответвителя. Для этого надо обязательно нагрузить вход и все антенные порты резисторами 50 Ом. На вход подать с ГСС сигнал рабочей частоты. К антенным портам подключить каналы осциллографа и сравнить фазы и амплитуды. По моим измерениям разность фаз получается правильной а вот амплитуды отличаются примерно на 20%. В этом нет ничего страшного т.к. это лишь незначительно снизит подавление заднего лепестка ДН.

В заключении хочу сказать, что данная система на 7 Мс была опробована в экспедиции в Квебек 25 - 31 Декабря 2007 г. Пробы в эфире показали очень хорошую работу этой системы. Были опрошены VE3EJ, VE3YAA, CO2FC, а также ряд американских станций и станция из Украины. Все оценки были таковы – разница 4 балла или 24 дб. 

Если нет возможности установить 4 вертикала, то можно установить два вертикала. В этом случае не нужен Т2 и нужно только одно реле для того, чтобы запитать один излучатель с фазой -90 а другой с фазой 0 гр.  В этом варианте следует использовать 2 отрезка кабеля по 50 Ом и длиной 0,25 волны. Кабель может иметь Ку=0,66.  Два порта ответвителя в этом варианте не используются.  

Хочу отметить, что данным ответвителем(вариант для 2 вертикалов) можно питать не только вертикалы, но и слоперы, диполи, рамки, подвешенные как вертикально так и горизонтально(диполи) и разнесенные на 0,25 волны. Впрочем эти варианты можно смоделировать программой ММАНА или EZNEC-M.  Есть положительный опыт использования и многодиапазонных вертикалов типа 5BTV, R8 и т.д. в таких системах, но я считаю не совсем целесообразным использовать многодиапазонные штыри в однодиапазонной системе.  Совсем не обязательно использовать полноразмерные вертикалы для таких систем. Вполне смогут работать и укороченные вертикалы.

Рисунки к тексту взяты с сайта TK5EP и исправлены. Ну лень мне было рисовать схемы :-)

Alex Barski

VE3KF, TO3T

Литература:

 ,, Low -band DXing,, ON4UN