Эта конструкция - завершение множества экспериментов с разными вертикалами. Ставилась задача одной мачтой относительно разумной высоты качественно закрыть все низкочастотные диапазоны на все случаи жизни:  и на DX и на contest. Многократно повторена, отзывы только хорошие (это вообще редкость, обычно хоть кто-нибудь, да обругает). Переведена на испанский (журнал Radioaficionados) и болгарский языки.

Антенна на диапазоны 1,8...10,1 MHz

Известно, что лучшими (из ненаправленных) антеннами DX для связей на НЧ диапазонах являются вертикальные, имеющие низкий зенитный угол излучения. Но высота в четверть волны на 1,8 МГц (39 м) остановит кого угодно. Следовательно, надо применять укороченные антенны.  А как известно, оптимальным способом укорочения является емкостная нагрузка наверху.

Осталось требования теории привести в соответствие с такими практическими мелочами, как:

• всегдашняя нехватка места;
• укороченная вертикальная антенна на 160 м – сооружение весьма внушительное и грешно не использовать его заодно на 80 и 40 м;
• крайне желательна простая схема СУ и невысокие требований к его деталям.

Проще всего обеспечить указанные требования, используя вертикальный излучатель с парой наклонных емкостных нагрузок (ЕН) как показано на рис.1. ЕН выполнены как часть верхнего яруса растяжек, поэтму антенна умещается даже на узком многоэтажном доме.

Антенна, показанная на рисунке 1, хорошо работает на диапазонах 1,8; 3,5 и 7 MHz, а при использовании блока согласования, приведенного далее на рисунке 4 - и в диапазоне 10 MHz. Антенна имеет электрическую длину 0,15λ на 1,8 MHz, 0,29λ на 3,5 MHz, 5/8λ на 7 MHz и 0,75λ на 10 MHz. Согласование достигается блоком, устанавливаемым у основания антенн и переключаемым но диапазонам постоянным управляющим напряжением, подаваемым на центральную жилу питающего кабеля.

Диаграммы направленности по диапазонам показаны на 4 следующих рисунках.   Файл модели антенны в антенны, в программе GAL-ANA (для просмотра и расчета данного файла достаточно демо-версии). Данный файл не имеет СУ, одинаково считается и MININEC3 и NEC2.

Конструкция

Мачта высотой 16,5 м собрана из алюминиевых или стальных труб (в последнем случае вдоль труб надо проложить несколько алюминиевых или медных проводов, равномерно распределив их по окружности трубы, закрепив их хомутиками или липкой лентой через 1..1, 5 м) и удерживается 4 ярусами растяжек.

Растяжки выполнены из оцинкованного стального провода или промасленного стального тросика разорванного изоляторами на куски по 3...4 м. Использование; полимерных растяжек на высоких мачтах, как показала практика, крайне нежелательно. Под действием влаги и тепла их размеры немного меняются, а даже совсем небольшое изменение длины растяжки верхнего яруса на несколько см (это еще минимальная цифра для длины растяжки верхнего яруса в 18 ... 20 м) совершенно достаточно, чтобы мачта (особенно дюралевая) изогнулась и стала S-образной. При полимерных растяжках мачта в зависимости от влажности и температуры воздуха, будет по-разному изгибаться, и хотя это забавно выглядит и позволяет узнать погоду, но даёт большую механическую нагрузку на мачту, и ничем кроме полного, неустранимого перегиба или излома мачты кончиться не может. Поэтому растяжки должны быть только из металла.

Провода емкостной нагрузки выполнены из стального нержавеющего троса (токи наверху малы, поэтому даже не самый лучший антенный материал сталь в данном месте подходит) или биметалла и являются частью растяжек верхнего яруса. Выполнение этого яруса для случая установки на узкой крыше многоэтажного здания показано на рисунке 2

Конструктивно выполнение емкостной нагрузки в виде двух проводов значительно надежнее и удобнее, чем в виде "шляпы" из дюралевых трубок, и не требует много свободного места во всех направлениях, как в случае с четырьмя проводами емкостной нагрузки. При необходимости можно изменять высоту мачты в пределах + 0,5 метра, соответственно изменяя длину проводов емкостной нагрузки.

Отмечу, что указанные на рис. 1 размеры соответствуют углу примерно 50⁰ ...60⁰  между мачтой и емкостными нагрузками. Если у вас из-за нехватки места угол получается меньше, то для сохранения прежней электрической длины антенны физическую длину ЕН надо несколько увеличивать. Угол меньше 40⁰ использовать крайне нежелательно из-за затенения верхушки мачты горизонтальными проекциями ЕН.

Система заземления

Все что написано для системы заземления - противовесов традиционного GP, справедливо и в этом случае. Кое-что прочесть об этом можно в Антенной переписке. Совсем подробно о заземлении GP написано во второй части книги "Антенны КВ и УКВ". При расположении на крыше высотного дома лучше использовать по 4 четвертьволновых противовеса, на каждый диапазон, расположенных под углом 90 градусов. У меня, в силу того что дом окружен по периметру открытыми токоведущими проводами (и поэтому развешивать над ними провода крайне опасно – прикиньте кто и как будет отвечать, если за ваш противовес, упавший на токонесущие провода кто-нибудь возьмётся руками), противовесы пришлось изогнуть вдоль крыши, как показано на рисунке 3.

Шесть штук на 1,8 MHz и по 4 на остальные диапазоны. Общая длина каждого противовеса (уточняется при настройке противовесов в резонанс) должна составлять: 18 м на 3,5 MHz и 37 м на 1,8 MHz. Размеры указанные на рисунке 3 относятся не ко всей длине противовеса, а только к прямой его части и даны лишь для того, чтобы сориентироваться как и где изогнут обычный l/4 противовес. Противовесы выполнены из изолированного провода, их концы растянуты полимерными шнурами. Крайне желательно настроить противовесы в резонанс. Практика показала, что вынос противовесов на распорках (даже коротких по 1м) за габарит дома значительно увеличивает эффективность заземления.

Блок согласования

Катушка L1 намотана проводом диаметром 2,5 мм На каркасе диаметром 55 мм с шагом 4 мм. Содержит 29 витков, отводы от 6-го и 20-го витков считая снизу. Точное число витков и положение отводов подбирается при настройке. Удобно намотать катушку с запасом в несколько витков и сразу зачистить торцы витков. Это упрощает подбор индуктивности и отводов. Данные L1 могут быть и иными. Главное нужная индуктивность и большая толщина провода (ток по L1 протекает большой) и наличие зазора между витками (напряжения там тоже немаленькие).

L2 – любой ВЧ дроссель, не имеющий резонансов в рабочем диапазоне. У меня это 150 витков диаметром 0,36 на каркасе диаметром 30 мм, виток к витку, что впрочем, совсем непринципиально.

VD1, VD2 – любые диоды, выдерживающие ток реле.

Конденсаторы С3, С5 любого типа, С2 типа КСО на напряжение >250 В, С1 и С4 на соответствующую мощности передатчика реактивную мощность, на напряжение 500 В, например типов КСО, К15У-1. Набирая С1 и С4 из нескольких конденсаторов, имейте в виду, что допустимая реактивная мощность одного конденсатора типа КСО 75 Вт (это по паспорту, реально они выдерживают раза в три больше).

К1...КЗ - низкочастотные силовые реле с расстоянием между контактами не менее 1 мм. При замене на другие типы реле следует помнить что ток через замкнутые контакты достигает 4 А, а К1 и К3, кроме того, должны выдерживать 1000 В между разомкнутыми контактами и между контактными группами и обмотками. Этим требованиям удовлетворяет большинство низкочастотных силовых реле с включенными параллельно контактными группами. Практика подтвердила, что нет необходимости использовать ВЧ реле (хотя, конечно, можно), поскольку паразитные индуктивность и емкость контактов входят в состав реактивных элементов блока согласования и полностью компенсируются при настройке.

Нет особой необходимости использовать герметизированные реле, так как блок согласования все равно придется помещать в герметичную коробку, а открытые контакты реле значительно проще почистить при профилактических работах.

Управление переключением реле, конечно, можно производить по отдельному кабелю, но показанная на рис.1 схема длительно и надежно работала при мощности в кабеле в несколько сотен ватт.

Настройка

160 метров. Подав на центральную жилу кабеля управляющее напряжение Uynp отрицательной полярности через блок управления. Это громкое название носит любой регулируемый источник питания, выходное напряжение которого через ВЧ дроссель, аналогичный L2, подано на центральную жилу кабеля у TRX. Естественно, что высокочастотный сигнал от TRX подается на кабель, через разделительный конденсатор. Изменяя общее число витков L1 достигают резонанса на 1,8 MHz, а перемещая нижний отвод L1 добиваются КСВ=1 на этом же диапазоне.

Есть тонкий момент в настройке этого диапазона. Можно попасть в ложную настройку, когда резонанс обеспечивает часть катушки от отвода до антенны, а часть катушки от отвода до земли просто шунтирует кабель. КСВ тогда, менее 1,5...2 не получается (при правильной же настройке КСВ на 160 метров должен быть равен в точности 1). Если упорно не выходит (резонанс острый и можно легко проскочить) можно порекомендовать следующее:

1. Отвод катушки временно отключить от входа.
2. Временно отсоединить от земли нижний вывод катушки и подключить его прямо к центральной жиле кабеля.
3. Меняя общее число витков катушки добиться резонанса на выбранной частоте 160-м диапазона (быстрее будет если есть высокочастотный мост). КСВ при этом будет неважный, но на этом этапе главное установить реактивное сопротивление всей катушки равным реактивности антенны.
4. Вернуть нижний вывод катушки на землю, кабель на место.
5. Перемещением только нижнего отвода добиться минимального КСВ.
6. Затем небольшой (в пределах 1 витка) точной подстройкой индуктивности всей катушки (верхний вывод) установить КСВ=1. Если КСВ не равен 1, повторите несколько раз с уменьшающимся шагом пункты 5 и 6.

Файл модели антенны вместе с СУ в диапазоне 160m  в программе GAL-ANA (для просмотра и расчета данного файла достаточно демо-версии) можно считать только MININEC3. Дело в том, что СУ в данном случае симулировано набором коротких проводов в точке питания. А  ядро NEC2 совершенно не приспособлено для расчета нескольких коротких проводов в точке питания и дает в таком случае большие ошибки.

80 метров. Подав Uynp положительной полярности (диапазон 3,5 МГц), подбором емкости С1 добиваются резонанса на 3,65 MHz.  Файл модели антенны вместе с СУ в этом диапазоне  в программе GAL-ANA (для просмотра и расчета данного файла достаточно демо-версии)можно считать только MININEC3. Дело в том, что СУ в данном случае симулировано набором коротких проводов в точке питания. А  ядро NEC2 совершенно не приспособлено для расчета нескольких коротких проводов в точке питания и дает в таком случае большие ошибки.

40 метров. Не подавая Uynp (диапазон 7 MHz), подбором положения верхнего отвода L1 добиваются резонанса на 7,05 MHz. Активная часть входного сопротивления антенны в этом диапазоне заметно зависит от соотношения диаметров мачты и проводов емкостных нагрузок (у меня мачта диаметром 60 мм до уровня 12 м, выше две трубы 40 мм и 30 мм, провода нагрузок- 2 мм). Если у вас иное соотношение, то входное сопротивление на этом диапазоне изменится. Измерьте мостом входное сопротивление на резонансе (через настроенный блок согласования). Если оно меньше 40 Ом, то провода емкостных нагрузок надо немного УКОРОТИТЬ (не опечатка, именно так: если малое сопротивление, то укоротить), если больше 60 Ом - УДЛИНИТЬ.

Если подстраивать длину емкостных нагрузок затруднительно, то придется сделать еще один отвод от L1 (на 1..3 витка ниже верхнего отвода) и поставить еще одно реле, на диапазоне 7 МГц замыкающее этот отвод на землю. Схема согласования при этом получается такая же как и на 160 м , и та же методика настройки. КСВ на резонансе в этом варианте становиться равным точно 1.

Файл модели антенны вместе с СУ в диапазонe 40m в программе GAL-ANA (для просмотра и расчета данного файла достаточно демо-версии)можно считать только MININEC3. Дело в том, что СУ в данном случае симулировано набором коротких проводов в точке питания. А  ядро NEC2 совершенно не приспособлено для расчета нескольких коротких проводов в точке питания и дает в таком случае большие ошибки.

30метров. При использовании блока согласования, показанного на рисунке 4 настройка диапазонов 1,8 и 7 MHz выполняется точно так же, как было описано выше. Файл модели антенны вместе с СУ на этом диапазоне  в программе GAL-ANA (для просмотра и расчета данного файла достаточно демо-версии)можно считать только MININEC3. Дело в том, что СУ в данном случае симулировано набором коротких проводов в точке питания. А  ядро NEC2 совершенно не приспособлено для расчета нескольких коротких проводов в точке питания и дает в таком случае большие ошибки.

Для включения диапазона 10 MHz подается Uynp= +18...20 В, при этом срабатывает только реле К1 (имеется в виду, что напряжение срабатывания К1 < 18 В), поскольку ключ на транзисторе VT1 из-за стабилитрона VD5 (на 22 В) открыться при таком напряжении не может. Настройка антенны ведется изменением емкости C4.

Для включения диапазона 3,5 MHz подастся Uynp= + 25...27 В. При этом также срабатывает К1, кроме того, открывается стабилитрон VD5 и через ключ на VT1 срабатывает K3. При этом параллельно с C4 включается конденсатор C1, изменением емкости которого и достигается резонанс на 3,65 MHz. Следует так конструктивно размещать ключ на VT1, чтобы исключить влияние высокочастотного сигнала на его работу. Может потребоваться блокировочный конденсатор между базой и эмиттером VT1.

Результаты настройки

1. На 1,8 MHz на резонансе КСВ = 1. Ширина полосы пропускания зависит, помимо прочего, от эквивалентного сопротивления потерь в земле и системе противовесов. Так, приподнятая над землей на 6 м система из 4-х резонансных противовесов даёт полосу антенны в 50 kHz. В моём случае ( противовесы на жилом доме, как показано на рис. 3) - около 70 kHz. Если полоса у Вас выйдет больше, не спешите этому радоваться, это говорит о слишком высоких потерях в земле (и соответственно плохом КПД всей антенны). В этом случае систему заземления надо улучшать (скажем увеличивать число противовесов, и\или выносить их в воздух, и\или приподнимать над грунтом). То, что антенна не перекрывает весь отведенный диапазон не должно серьёзно волновать. Анализ моего лога показал, что абсолютно все редкие и интересные DX связи проведены в участке 1810...1860 kHz, поэтому даже 50 kHz хватит.

2. На 3,5 MHz КСВ на резонансе (в середине диапазона) около единицы (точное значение зависит от потерь в земле и её параметров, но более 1,3 ни у кого не выходило), на краях диапазона (3,5 и 3,8 MHz) КСВ поднимается до 1,7..1,8. В этом диапазоне сопротивление излучения антенны высокое (намного выше потерь в земле), поэтому широкая полоса пугать не должна. В данном случае это нормально даже при очень хорошей земле.

3. На 7 MHz на резонансе у меня составил КСВ<1,2 , на краях диапазона КСВ<1,4 (при использовании блока согласования рисунка 1), а если сделать дополнительный отвод L1 и поставить дополнительное реле - КСВ на резонансе 1, на краях диапазона - 1,2

4. На 10 MHz во всем диапазоне КСВ 1,3. ДН в вертикальной плоскости на этом диапазоне, несмотря на большую электрическую длину, тем не менее не задирается вверх как можно было ожидать, а из-за влияние емкостных нагрузок сохраняется почти такой же как у обычного штыря. На этом диапазоне ДН в горизонтальной плоскости уже не точно круговая (в отличие от; диапазонов 160...40 метров), а эллиптическая, уровень излучения в стороны емкостных нагрузок примерно на 3 dB ниже.

При необходимости, для питания антенны можно использовать и 75-омный кабель. При этом на 1,8 MHz КСВ останется прежним (конечно, придется при настройке переместить выше на 1...2 витка нижний отвод L1). На 3,5 MHz КСВ на резонансе возрастает до 1,3...1,4, на 7 MHz согласование практически не изменяется, на 10 MHz КСВ возрастает  до 1,5...1,7.

Результаты работы

Антенна работала с весны 1996 года по февраль 1999-го. Наработано:

160 m - zone 23wkd/22cfm, country: 105wkd/105cfm, получен DXCC160m#856.

80 m - zone 36wkd/35cfm, country: 153wkd/ 149cfm, получен DXCC80m#1731.

40 m - zone 40wkd/40cfmcountry: 206wkd/ 192cfm, получен DXCC40m#3588.

30 m - zone 38wkd/35cfm, country: 157wkd/148cfm (за этот диапазон DXCC не выдают).

Мне кажется, цифры нагляднее слов. Стоит добавить, что в то время я не имел кластера, и был в эфире лишь от случая к случаю. При наличии кластера и времени результаты были бы ощутимо выше. Все приведенное: передатчик 500...900 Вт, и сработано практически только на эту антенну. До нее у меня был диполь Inverted V (на той же самой мачте) почти ничего интересного я на него не сработал. Разница с этой антенной очень велика.

На 160 метров стали отвечать и приходить на CQ USA и станции Карибского региона упрямо не слышавшие меня на Inv V. Есть подтвержденные QSO c P4 при мощности в 50 Вт (страна была уже подтверждена и я пробовал чего можно достичь на одном трансивере). В этом диапазоне ощущалась малая длина горизонтальной части и от ближних станций (до 500..700 км) рапорты обычно были невысокими 58...59, плюсов почти никогда не давали. Зато эти самые плюсы давали обычно давали станции, лежащие в 1000...1500 км. На более длинных трассах сигналы конечно уменьшались, но оставались достаточно высокими - я всегда выигрывал у полноразмерных горизонтальных диполей и рамок, развешанных между высотными (9....12 этажей) домами.

Ну и в подтверждении сказанного, вот выдержка из кластера OH2AQ:

DX-SUMMIT Spot Database:

Конечно и прохождение было, и EU1 для янок страна, но тем не менее. Два часа на CQ и pile-up из NA. Причем pile-up не абы какой, а при изрядном количестве 4 зоны, и даже нескольких станциях третьей! Смотрите - в числе спотящих N2KK. Не верьте глазам своим - это не NY и не NJ, это Калифорния ( из QRZ.com - N2KK DAVID N SCHOEN 25852 MC BEAN PKY 129 SANTA CLARITA CA 91355 USA).

Он на QSL даже график силы моего сигнала на West coast нарисовал. Пишет слышно там меня было минут 45.

На 80 метров я мог легко стоять на CQ в телефонном участке и собирать станции обоих Америк поверх Европы, которая к ним ближе. В этом диапазоне антенна оптимальна (надеюсь вы это почувствуете и оцените сами) и возникает непривычный эффект - практически все станции от 100 до 2000 км дают одинаковый рапорт.

На 40 метров проигрывал только обладателям направленных антенн. Экспериментально проводил QSO c обеими Америками при выходной мощности 2 (два) ватта, с вполне приличными рапортами.

На 30 метров на DX трассах при одинаковой мощности передатчиков, всегда выигрывал 1..2 балла у соседа, использующего вертикальный, запитанный с угла треугольник с периметром 30м, размещенный на той же высоте.

Заключение

Хотя с момента разработки этой антенны прошло уже более 10 лет, но и сегодня она представляется мне наиболее оптимальным компромиссным решением для всех низкочастотных диапазонов и одной мачты.

Уменьшенный вдвое вариант антенны при высоте всего 8,75 м закрывает 4 диапазона 3,5, 7, 14 и 21 MHz. Недостаток такого вариант а только в том, что на 80 m придется выбирать куда настроить антенну в SSB или в CW участок - полоса антенны составит 100 ... 120 kHz.