Траповые вертикальные антенны своими руками
В преддверии лета встал вопрос об антенне для работы из полевых/гостевых условий. К такой антенне предъявляется несколько противоречивых требований:
Третье требование напрочь исключает любые антенны, кроме GP. Только вертикал можно ввинтить в небо на половине квадратного метра. А если вертикал небольшой, то нет для него лучшей конструктивной основы, чем стеклопластиковое рыболовное удилище. Практика показала, что при надежной фиксации первого колена удилища длиной 6. 7,5 м, оно надежно стоит без растяжек даже в сильные ветра.
Итак, физическая высота нашего GP 7,5 м. Поэтому низшим диапазоном может быть только 7 МГц – в диапазоне 3,5 МГц такая высота слишком мала для сколь-нибудь эффективной работы.
Для согласования лучшим (по КПД и КСВ) выходом было бы использовать тюнер в точке питания нашего вертикала. Но точка питания далеко не всегда доступна оперативной регулировке ручным тюнером при смене диапазона, а автоматический тюнер в точке питания, кроме того что тянет лишние несколько килограмм и сотен евро, так еще и ограничивает максимальную мощность.
Встроенный тюнер в трансивере? Да, это неплохо. Но есть два но. Во-первых КПД сильно рассогласованного кабеля весьма невысок (еще хорошо если там только половина мощности TRX затухнет), во-вторых не все TRX такой тюнер имеют.
Поэтому нам требуется антенна, которая без тюнера имеет низкий КСВ. То есть сама переключается по диапазонам. Неплохим автоматическим переключателем эффективного размера антенны, в зависимости от частоты является трап (параллельный LС контур). Трап, как переключатель, в разомкнутом состоянии хорош: на резонансной частоте его активное сопротивление возрастает до десятков килоом, что приводит к практически полному отключению проводов за трапом. А вот в замкнутом, увы. Ниже резонансной частоты трап имеет индуктивное сопротивление, которое приводит к укорочению антенны и связанному с этим букетом неприятной: росту КСВ, падению усиления, сужению полосы. Все это есть прямое следствие того, что на частотах ниже резонансной трапа антенна физически укорочена катушками трапов.
Поэтому простые траповые GP обычно имеют лишь 2. 3 диапазона. А если диапазонов больше, то в части из них антенна имеет либо повышенный КСВ, либо низкую эффективность, либо и то, и другое сразу.
Для преодоления этого безобразия надо, чтобы антенна трапами переключалась, но при этом бы не укорачивалась или почти не укорачивалась. Хорошее решение этой дилеммы описано в этой книжке. Для тех, кто почему-то до сих пор её не читал, повторю его: в основание трапового GP включается конденсатор, требующий физического удлинения антенны. На высшем диапазоне его –jX мало, поэтому физически удлинить часть антенны, работающую на этом диапазоне надо немного (при этом немного возрастет Ra). C понижением частоты –jX конденсатора растёт, поэтому антенну приходится удлинять всё сильнее. При грамотном выборе величины конденсатора это удлинение компенсирует укорочение за счет катушек трапов. За счет этого можно обеспечить низкий КСВ в 4. 5 диапазонах.
Схема антенны
Получившаяся в результате вышеизложенных раздумий антенна на диапазоны 7, 10, 14, 18 и 21 МГц показана на рис. 1.
Рис. 1
Это GP из одиночного многожильного изолированного толстого (диаметр по изоляции 2,5 мм, по меди примерно 1,5) провода, прихваченного капроновыми стяжками (которые применяются для вязки кабелей) к удилищу. Вернее отрезков провода пять штук, с небольшими «крокодилами» на концах. Между проводами включены коаксиальные трапы. Последовательный конденсатор 240 пФ в точке питания обеспечивает получение низкого КСВ на резонансной частоте каждого диапазона.
Рассмотрим работу антенны по диапазонам.
Обратите внимание, что GP хотя и укорочен в диапазонах 10 и 7 МГц, но работает эффективнее, чем простая проволока такой же длины, согласованная в точке питания. Дело в том, что электрически антенна этих диапазонах удлинена, поэтому распределение тока в ней отличается от обычного GP и на большей части длины близко к равномерному (именно это и является физической причиной повышения Ra).
Антенна нуждается в обычной системе резонансных радиалов. Их количество и длина зависят от положения антенны. Если она стоит на земле, то хватит нескольких проводов длиной по 5. 8 м, плюс нескольких по 3. 4 м (подробности о радиалах на земле). Если основание антенны приподнято, то весьма желательно иметь хотя бы по паре резонансных радиалов на каждый диапазон. В крайнем случае можно использовать подходящие металлоконструкции. Например, антенна успешно работала, будучи наклонно (градусов под 60) закрепленной на балконе гостиницы, а в качестве заземления использовались длинные трубы балконного ограждения. При установке на сырой земле вместо радиалов можно использовать какую-нибудь железяку (не ржавую!) вбитую в землю. Например, уголок, к которому крепится удилище.
Конструкция
Про мачту-удилище и провод вдоль неё вы уже поняли. Теперь займемся трапами. Они намотаны коаксиальным кабелем на отрезках пластиковой трубы диаметром 37 мм (водопроводная). Но схемы разная. Для диапазонов 21 и 18 МГц схема трапа показана на рис.2, а для диапазонов 14 и 10 МГц – на рис. 3.
Рис. 2 
Рис. 3.
Отличие невелико, но оно есть, и приводит к отличию индуктивности вчетверо. При мощности передатчика до 300 Вт (не пиковой, а длительной) все трапы можно намотать кабелем RG58 (теми его разновидностями, которые имеют сплошную внутреннюю изоляцию, вспененная тут не годится).
Число витков для диапазонов 21, 18, 14 и 10 МГЦ: 4, 5, 6 и 8 соответственно. Если у вас другой каркас, кабель или мощность (для которой нужен кабель потолще), воспользуйтесь программой расчета коаксиальных трапов. Причем имейте в виду, что для трапов 14 и 10 МГц может использоваться вдвое более тонкий кабель, чем для трапов 21 и 18 МГц. Например при киловатте для трапов 14 и 10 Мгц можно на пределе использовать RG58, а трапы 21 и 18 МГц при этом обязаны быть из кабеля минимум 11 мм толщиной. А вообще при серьёзной мощности лучше не пожадничать и сделать трапы из толстого кабеля (что-то вроде RG213).
Концы трапов запаиваются на предварительно облуженные медные шпильки диаметром 3 мм, плотно вставленные в каркас и загнутые с обеих сторон (на рис.2 и 3 шпильки показаны толстыми черными линиями). Они используются в дальнейшем как выводы трапа.
Трапы до установки на антенну необходимо настроить. Проще всего это сделать с помощью ГИРа, но можно и любым ВЧ генератором с чувствительным вольтметром (осциллограф или приёмник подойдёт).
При настройке учтите, что связь настраиваемого трапа с генератором должна быть предельно малой: даже 0,1 пФ от измерительных цепей сдвинут частоту на несколько сотен кГц. Поэтому же настраиваемый трап должен лежать подальше от металлических заземленных частей (корпусов приборов, например). После настройки хорошенько зафиксируйте витки трапа (например, длинными капроновыми стяжками, применяемыми для вязки кабелей и\или лаком), ибо если витки разъедутся в полевых условиях, то заново настроить их там будет весьма проблематично.
При мощности передатчика 300 Вт конденсатор С1 может быть типа КСО на 250 В. При более серьезных мощностях надо применять К15-У1. Если точка питания антенны будет доступна, то можно использовать КПЕ 100/450 пФ. Это позволит подстраивать минимум КСВ на любую частоту в пределах каждого из диапазонов.
Сборка, настройка, ремонт в поле
Если вы делаете постоянную антенну, то трапы лучше закрепить не «крокодилами», а пайкой, а длины отрезков провода подобрав отрезать раз и навсегда.
Напротив, если антенна предполагается для работы из разных мест, с разной высоты, почвой, окружением, то лучше подключать трапы на «крокодилах» и использовать провода на 2. 3% более длинные, чем это указано на рис. 1. Избыток провода всегда обмотать вокруг удилища (резонанс при этом повышается), зато в случае необходимости снизить резонансную частоту у вас всегда будет что вытянуть.
Кстати. При разъездах обязательно имейте с собой несколько отрезков термоусаживающейся трубки (диаметром чуть больше конца удилища, длиной см по 10) и кусочек упругой стальной проволоки диаметром 1. 1,5 мм и длиной около полуметра. При необходимости физически удлинить антенну (если резонанс на 7 МГц «вылетел» слишком высоко и длину удилища не хватает) отрезок стальной проволоки с усилием вставляется в верхний конец провода так, чтобы первые см 10 стальной проволоки шли вдоль конца удилища. Затем на это место надеваются термоусаживающаяся трубка и обжигается. Получается, что верхние 40 см стальной проволоки торчит как продолжение удилища вверх, удлиняя его
И еще о запасах в дороге. Обязательно имейте с собой большой моток хорошей изоленты, пачку широких (мм 5 минимум) капроновых стяжек. Крайне желательно также иметь отрезки термоусаживающихся трубок длиной см по 20, для каждого из колен удилища (с запасом по диаметру мм 10). Лучше всего, конечно, чтобы это не понадобилось, ибо все это приготовления на случай трещины или перелома мачты-удилища. Если такая беда все же случилась, то придется мачту ремонтировать (не оставаться же без антенны) прямо в поле.
Треснувшее и расслоившееся вдоль колено удилища лечится так: сначала поврежденный участок (с запасом см по 10 в обе стороны) обматывается несколькими слоями изоленты (при это важно не перетянуть ленту и сохранить круглую форму колена в месте повреждения), а затем поверх изоленты затягивается много капроновых стяжек: на поврежденном участке через 1..2 см, на соседних целых участках – через 2..5 см. На двух следующих фото показан процесс ремонта треснувшего колена удилища на антенне Spider beam`a и его результат. 
Если же мачта не только треснула, но и переломилась поперек, то перед обматыванием изолентой на место перелома либо накладывают несколько шинок (лучше всего – полоски жесткого металла длиной 20. 30 см). Затем на место перелома надевают термоусаживающуюся трубку и обжигают. А затем делают все то же самое, что и при ремонте трещины (изолента, стяжки). Если подходящих по диаметру термоусаживающихся трубок нет, то можно использовать вставленную внутрь круглую палку длиной сантиметров 20, оструганную точно под внутренний диаметр.
Прочность отремонтированного места вполне достаточна, чтобы выдержать несколько дней (по возвращении домой поврежденное колено конечно придется заменить на новое).
Траповые вертикальные антенны своими руками
| Категории каталога | |||
| |||
 |
| ||
Для устранения перетекания ВЧ энергии на внешнюю оплетку кабеля, необходимо сделать ВЧ дроссель из 10-12 витков кабеля питания. Диаметр витков 150 мм (по образцу). Если продеть витки кабеля через ферритовое кольцо 600НН от отклоняющей системы телевизоров, достаточно будет 3-4 витка.
Настройка антенны с помощью
При установке антенны на новом месте, в зависимости от высоты установки антенны, параметров реальной земли, длины питающего кабеля, частоты минимальных КСВ по диапазонам, могут незначительно измениться.
При необходимости, после установке антенны на новом месте, нужно путем изменения наклона противовесов, добиться минимального КСВ на самом высокочастотном диапазоне и проверить значение КСВ на остальных диапазонах. Подстройку резонансных частот вертикала по диапазонам можно выполнить путем регулировки длин секций вертикала в последовательности от секции 1 до секции 3.
Предлагается так же расширеный вариант трапового вертикала на 10, 15, 20, и 40метров(кликабельно)
Вариант установки антенны на мачте с применением противовесов и укорачивающего дросселя в секции №4 антенны
После настройки трапа он геметизируется толстостенной термоусадочной трубкой со слоем термоклея.
Для изготовления антенны применялись алюминиевые трубы Ø30х2; Ø25х1,5; Ø22х2; и Ø16х1.
Графики КСВ антенны, измеренные на опытном образце антенны антенным анализатором RigExpert AA-54
Растяжки вертикала следует выполнить из лески диаметром 2 мм или из шнура DANLINE.
Сравнение работы антенн длинный провод, траповый вертикал и 3-х элементный антенны волновой канал смотреть здесь
Трап. Универсальная конструкция.
Фильтры-пробки для антенн. Универсальная конструкция.
Эта история началась в июне 2018 года, когда один из моих давних знакомых попросил сделать трапы на 80 м для диполя.Оказалось, что у меня и материала-то нет. Пришлось импровизировать, искать конденсаторы. Но все получилось!
Затем, осенью другой приятель заказал трап для вертикала 80/160. И опять- поиски, новая конструкция. И опять все получилось!
Но меня постоянно мучал вопрос: а нельзя ли сделать идеальную и универсальную конструкцию? Чтобы уйти от вечного поиска конденсаторов и материалов.
Я начал со своего архива. Чего только не сделано за 20 лет! Мама-миа.
Вот на фото трапы и кабельные, и с сосредоточенными элементами, и с распределенными. И для вертикалов, и для Яги, и для диполей. А сколько конструкций! Сколько энергии, сколько времени потрачено!
Во всех этих конструкциях есть свои плюсы и минусы. Но огромный минус всех- отсутствие универсальности.
Лично мне трапы очень нравятся. Это основа создания многодиапазонных систем.
Впервые я столкнулся с изготовлением фильтров-пробок в 1999 году. Мы с Вадимом UR8LA повторили конструкцию А3S, но трапы изготовили своей конструкции.
К сожалению, фото тех первых трапов у меня нет, но антенна даже съездила в одну экспедицию и эта экспедиция получила приз «Экспедиция Года». Правда, на карточке экспедиционеры указали A3S.
Затем были антенны типа R7000, КТ34, AV-640, где также основа- фильтры-пробки.
После воспоминаний и листания фото своих конструкций, я начал изучать интернет. Но ничего особо нового не нашел. Хотя и «выудил» интересные фото.
Вот, например, как измеряют свои трапы в фирме Fritzel. Напомню, что эта фирма изготавливает трапные направленные антенны с двумя катушками в одной трубе. Антенна называется FB-33.
Изучение доступных источников немного разочаровало: интересного и универсального я не нашел.
Пришло время включать фантазию.
Для тех, кто только начинает изучать антенны освежим, что мы знаем о фильтрах-пробках.
Фильтры-пробки- это устройства, которые обладают минимальным сопротивлением для одних частот и максимальным для других. Если говорить доступным языком, это своебразный высокочастотный выключатель диапазонов.
Например, вы хотите сделать двух диапазонную антенну. Если это будет провод одной длины, то антенна будет работать везде плохо. Значит, вам необходимо поставить такое устройство, которое оптимизирует работу антенны на одном диапазоне и не сильно ухудшит работу на другом диапазоне. Таким устройством и является фильтр-пробка.
В применении к диполю это выглядит так: полноразмерный диполь на один диапазон (более высокочастотный)- фильтры-пробки по краям – удлинение до оптимальной длины на втором диапазоне.
Таким образом, вы получите полноценный диполь на один диапазон и немного укороченный на другой. При переключении диапазонов этот фильтр-пробка будет работать как выключатель, причем, без подвода дополнительного напряжения для переключения. И антенна использует всего один кабель на два диапазона.
Можно добавлять такие фильтры-пробки и получать многодиапазонные системы, а кабель будет всего один. Удобно, не правда ли?
Иностранцы такие устройства называют TRAP. И мы будем также называть, чтобы было короче- ТРАП.
Из чего же состоит трап?
Все гениальное просто- индуктивность и емкость, т.е. катушка и конденсатор. Их параллельное соединение называют параллельным контуром.
А основная характеристика параллельного контура- резонансная частота.
Я не буду сейчас писать формулы. Они есть в Интернете. Отметим только для понимания, что на резонансной частоте контур обладает огромным сопротивлением.
Т.е., если вам хочется сделать антенну на 40 и 80 с трапом, то нужен трап на 40 метров. При работе на 40 у трапа будет огромное сопротивление и полотно после трапа как-бы выключается из работы антенны. А на 80 в длину антенны просто войдет длина провода, намотанного на катушке трапа.
Итак, катушка и конденсатор. Какие они должны быть в трапе?
В этом вопросе есть варианты.
Например, антенны А3S, ТН-3, FB-33 имеют сосредоточенную индуктивность и распределенную емкость в виде труб.
В антенне КТ34 индуктивность распределенная, а емкость выполнена из труб.
В диполях делают все на сосредоточенных элементах.
В трапах на кабеле- оба параметра распределенные и определены видом кабеля.
В антенне AV-640- индуктивность сосредоточенная, а емкость выполнена в виде прутиков.
Как видите, инженерно все исполняется под конкретную задачу.
Но универсальности нет!
Подойдем к вопросу с другой стороны.
А какие требования предъявляются к катушке и конденсатору в трапе?
Катушка. От нее требуется, собственно, обеспечить индуктивность. Еще нужно, чтобы провод соответствовал току соответственно мощности передатчика. И, очень важно, чтобы выдержала изоляция температуру.
Дело в том, что при активной работе трапа энергия, которая им задерживается, превращается в тепло. И трап просто греется. Поэтому важно обеспечить провод термостойкой изоляцией или зазором между витками.
Какие требования к конденсатору в трапе?
Основное- обеспечение емкости. И высокая КВАрность, т.е. он должен выдержать мощные ВЧ поля. Недостаточно просто высоковольтность. В нашей стране такие конденсаторы из серии К15. Но и у них есть недостаток- они не любят механических нагрузок и разработаны, в общем, для работы в аппаратуре в помещении.
Как видим, к конденсатору предъявляются требования выше, чем к катушке.
И вот здесь возникает проблема. С каждым годом найти конденсатор нужного номинала становится сложнее. Одно дело, если это одиночный экземпляр, и совсем другое- массовость. А тем, кто живет вдали от городов и подавно сложно.
Потому каждый производитель по-своему решает эту задачу.
Самое интересное, что в первых конструкциях трапов изготовители ставили обыкновенные конденсаторы.
Это хорошо видно на фото антенны фирмы TELREX. Катушка, конденсатор, все залито герметом.
Фирма TELREX первая делала антенны для радиолюбителей с конца 40-х годов, но затем ее вытеснили монстры Cushcraft, Hi-Gain, Fritzel, TET. Но ее рекламу можно увидеть в старых QST еще за 80-е годы.
И тут меня осенило! Нужно сделать универсальный конденсатор!
Я смотрел на эти две детали (катушку и конденсатор) почти неделю. Они мне сниться начали. Вот просто каждый день сидел и тупо смотрел, что-то рисовал.
Пытался приспособить свои наработки по КТ34. У меня есть программа расчета цилиндрических емкостей. Но длина конденсатора 30 пФ получалась под 50 см, что очень много.
Пытался увеличивать емкость набором трубок. Вырисовывались какие-то монстроподобные конструкции, требующие фрезерных работ.
Я мыслил абсолютно линейно. И в этом была ошибка!
Я чувствовал, что решение где-то на поверхности, в чем-то совершенно простом и уже виденном мной очень часто.
И вдруг понял- переменный конденсатор. Действительно, кто мешает поставить в трап обыкновенный переменник? Он же тоже- КОНДЕНСАТОР. А необходимую кварность можно обеспечить зазором между пластинами.
Дальше дело было за конструкцией. Понятно, что городить оси, подшипники никто не будет. Нужно просто использовать принцип: плоский конденсатор с большим зазором.
Такой конденсатор поддается простому расчету.
Я быстренько «состряпал» первый экземпляр. Зазор обеспечивался гайками, накрученными на винт. Но конструкция была далека от совершенства, т.к. требовала точности сверления. На фото, думаю, понятно, что нужно было сверлить крепежные отверстия и два больших проходных.
Это не очень удобно и универсально.
Дальше мысль уже работала на упрощение.
И оно состоялось. Я избавился от необходимости проходных отверстий, расположив конденсаторные пластины как на фото.
На фото УНИВЕРСАЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ТРАПА.
Его универсальность заключается в том, что я сам могу контролировать емкость.
Могу снять пластину, могу добавить. Могу обрезать, могу отогнуть.
В данном случае, резонансная частота трапа с 4 мя пластинами получилась 8.8 МГц, при 3-х пластинах- 10.8 МГц, при двух- 12.1. МГц
Конструкция очень проста и технологична. И доступна любому радиолюбителю в селе.
Я использовал алюминиевую шину 30х2 мм., которая продается в магазине. Но можно и вырезать из любого листа алюминия.
Радостный и довольный, я хотел сразу поделиться своим открытием с миром!
Мир, смотри, я – Олег Сатырев- такой гениальный и умный! Я покорил тебя!
Хотелось петь и возвеличивать себя!
Гордыня обуяла меня!
Но на этом история не заканчивается.
Чтобы окончательно убедить мир в своей «гениальности», мне захотелось изготовить трап для антенны W3DZZ, как первой конструкции, где трап начали применять.
И я полез искать размеры антенны и параметры трапа.
В результате, я попал на старый знакомый сайт PA0FRI и был ошарашен!
Сайт Фрица был обновлен в сентябре 2018 года, т.е. примерно тогда, когда и я начал думать об этой задаче.
И вот на его сайте я вижу конструкцию трапа для W3DZZ от фирмы FRITZEL.
Специально скопировал в свой текст, но предлагаю зайти по ссылке и посмотреть больше фото.
Ничего не напоминает? Я очень удивился такому совпадению и обрадовался, что моя разработка, все-таки, более технологична и правильна.
Правильность моей конструкции, с точки зрения разделения полей образующихся в конденсаторе и индуктивности. А у FRITZEL конденсатор расположен внутри катушки. Это приводит к большему разогреву трапа и изменению резонансной частоты, т.к. в поле катушки попадает алюминий, т.е. частота резонанса растет.
Но меня заинтриговал еще и другой момент. Фритц упоминает G8KW как автора или даже первого изобретателя антенны, которую затем назвали W3DZZ. Т.е. G8KW изобрел прототип.
Я начал искать, кто же первый изобрел эту антенну.
Вы удивитесь! Но W3DZZ тоже не автор.
А история вот такая.
25 июля 1938 года некий Howard Key Morgan получил патент «Антенной Радио Системы» US2229865, где изложил принцип многодиапазонности при применении резонансных контуров.
Вот этот патент с сайта патентного бюро США.
Об этом человеке мне удалось найти совсем мало информации- родился в 1906 году, в 1945 году выпустил книгу о авиационном электро и радиооборудовании. Работал ведущим инженером, кажется, в Висконсине. И все. Был ли он радиолюбителем- неизвестно.
По поводу G8KW информации гораздо больше, т.к. он очень известный человек. Звали его Rowland Shears, но часто друзья упоминают его как Rowley. Позывной получил еще до Второй Мировой Войны. После войны в 1956 году совместно с Ken Ellis G5KW организовал выпуск аппаратуры для радиолюбителей, похожей на Collins, но гораздо дешевле и под своим брендом KW Electronics.
Интересно, что я даже нашел, что первые детали они покупали в Италии.
Список аппаратуры был большой: трансиверы, усилители, приемники, согласующие.
А вот про антенны нет ни слова.
Почему Фритц упомянул G8KW в одном ряду с W3DZZ для меня лично загадка.
В 1974 году фирму купила группа Decca, эта которая потом вошла в Racal Groupe.
Умер G8KW в 2009 году.
Позывной его сейчас отдали сыну и он раз в году выходит в эфир.
Ну, и про W3DZZ известно много. Даже фото его есть. Вот он- Chester L. Buchanan W3DZZ. В эфире он представлялся как Roy.
Это фото 1939 года.
Родился в 1915 году в Миннесоте.
Радиолюбителем стал еще до Второй Мировой и работал на самодельном приемнике и передатчике. Он увлекался экспериментами с антеннами и нашел оптимальные размеры и расположение трапа в полотне. В каждой связи подчеркивал, что у него антенна собственной конструкции.
В марте 1955 года в журнале QST стр. 23 была опубликовано описание его антенны.
Вот с тех пор антенна, в основе которой идея Моргана, стала известна всему радиолюбительскому миру.
В тоже время он начал производство антенн и трапов через нескольких диллеров по территории США.
W3DZZ получил докторскую степень и работал начальником океанской лаборатории ВМС США.
Умер он в 2010 году.
Я думаю, что вам было интересно, как и мне.
Как мне кажется, у такой конструкции трапа большое будущее. Вопросы герметизации я не развивал, т.к. это само собой разумеется. Но, если кто придумает что-то оригинальное, то будет интересно посмотреть.
