Антенна "Длинный луч" в городе. Все секреты. [Long Wire antenna secret's in town]

 Для полноценного участия в эфирных мероприятиях в городе незаметно можно установить не так уж много антенн. Miniwhip - не пойдет - это только прием, Magnetic Loop - сложен в согласовании и перестройке по диапазонам, другие антенны не так уж и просты в размещении и эксплуатации, поэтому остается лишь вариант - "Длинный луч", Long Wire (LW). Начало луча закрепляется в зоне доступа радиолюбителя на окне, карнизе балконе изолированно от металлоконструкций здания. Второй конец отводится как можно дальше и выше от здания. Длина луча примерно соответствует половине длинны волны самого низкочастотного диапазона, предполагаемого для работы. Это условие обеспечит высокое входное сопротивления луча, которое связано с сопротивлением излучения антенны, которое в свою очередь связано с коэффициентом полезного действия соотношением:

КПД = Rизл.антенны / [Rизл.антенны + Rпотерь] 

Где Rпотерь - сопротивление случайного высокочастотного заземления (ВЧЗ), которое и будет использоваться радиолюбителем. Большая величина R изл.антенны обеспечит хороший уровень КПД. Положим сопротивление потерь в ВЧЗ около 100 Ом, и при сопротивлении излучении антенны, например в 500 Ом, КПД составит 83%, что совсем не плохо!

Посмотрим на модель антенны в программе MMANA:

Определим оптимальные длины луча по диапазонам, импедансы антенны для длины луча 40.6 метра и уточним данные по ядру NEC-2  для MMANA:

Оптимальная длина луча отличается для разных диапазонов, поэтому можно выбрать компромиссный вариант между 40.6 и 41.7 метра (без учета коэффициента укорочения). 

Для расчета я выбрал 40.6 метра. Из таблицы видно что импедансы по диапазонам от 80М до 10М больше 50 Ом.

В качестве луча я использую провод - нерасплетенную полевку П-274, она обеспечит необходимую жесткость, и электрическую проводимость. Если имеется несколько кусков полевки, их можно соединить, скручивая металлические жилы и пропаивая медные. Далее защитить лаком, и закрыть термоусадкой или изолентой.

Для протяжки провода между веток деревьев можно использовать удилище длиной 8 метров с грузиком на конце, а также веревку длиной 20 метров, которая пригодится для фиксации Long Wire на высоте.

Мне удалось закрепить ближний край луча на высоте 4.5 метра, середину на высоте 6-7 метров и дальний конец на высоте 7-8 метров.

(нижний провод на фото)

В качестве ВЧЗ буду использовать металлическую раму окна. Питающий кабель перед согласующим устройством нужно сбухтовать или использовать отсекающий дроссель.

Это обеспечит минимум шумов от помещения, и минимум излучения оплеткой питающего кабеля. Для подключения луча к питающему кабелю используем согласующее устройство (СУ), в простейшем варианте LC, можно использовать Т и П схемы, а иногда и повышающие трансформаторы, например 1:9.

Рассмотрим простейший вариант согласования - LC цепочку, включенную по схеме ФНЧ, для работы с высокоомной нагрузкой. (Hi-Z).

Высокое входное сопротивление отмечено звездочкой справа на диаграмме Смита. Изменяя емкость конденсатора, изменяем активное и реактивное сопротивление до попадания на окружность 50 Ом, вращая индуктивность компенсируем остаточную реактивность до минимальных значений. 

Для диапазона 80М (и выше) должно хватить максимальной индуктивности 25 мкГн и ёмкости 330 пФ. Грубый шаг переключения индуктивности может не дать получить оптимальную настройку с КСВ близким к 1. С этим приходится мириться, либо повышать дискретность переключений, либо использовать вариометр, и прочие хитрости: http://lavrinenkov.blogspot.com/2021/03/lc-l-match-vk3ye2e0bax.html

Теперь посмотрим на измерения полученные с помощью NanoVNA. Подряд три картинки: 

прямое измерение луча с ВЧЗ (максимальные сопротивления на 2.5 МГц, 5.6 МГц, 9.07 МГц), измерение трансофрматора 1:9 и измерение трансформатора с подключенным лучом и ВЧЗ.

Трансформатор снижает КСВ до уровня не более 4 почти во всём в диапазоне коротких волн, обычно так и представляют такие виды антенн, как универсальные многодиапазонные. Однако работа с повышенным КСВ вряд ли понравится вашему передатчику. В моем частном случае КСВ не более 1.5 получился только для диапазона 15М. 

КПД передачи мощности передатчика  на неоптимальную по КСВ нагрузку можно оценить по формуле:

n = 4 / [2 + КСВ + 1/КСВ] 

Или посмотреть по таблице:

КСВ	1	2	3	4	5	7	10	20
β	100%	88%	75%	64%	55.6%	44%	33%	18.1%

Я бы не рекомендовал работать с передатчиком при КСВ нагрузки более 3.

Теперь подключим согласующее устройство и посмотрим на полосы согласования по коротковолновым диапазонам:

Как видим, согласование достигается на всех показанных диапазонах, кроме 160М, где согласование может быть получено при использовании более объемного ВЧЗ или системы противовесов.

Теперь посмотрим на диаграммы направленности антенны длинный луч (LW) из NEC-2. Для анализа выбраны небольшие зенитные углы, соответствующие наиболее вероятным рабочим углам.

Основная поляризация - горизонтальная, отмечена зеленым. По мере роста частоты количество лепестков увеличивается. Главные лепестки прижимаются к оси луча, усиление главных лепестков растет. 

Для небольшой высоты подвеса, ошибка вычисления усиления и импедансов на ядре MININEC (MMANA) может достигать больших значений. Для сравнения приведу таблицу по MININEC и NEC-2:

Ошибка определения усиления в MININEC может достигать 6 дБ на диапазоне 80М!

Теперь проведу тестовые включения WSPR, 1 цикл 5 Вт на четырех диапазонах.

20m-5w-1600z-15.07.2021-!

30m-5w-1752z-15.07.2021-!

40m-5w-1718z-15.07.2021-!

80m-5w-1928z-15.07.2021-!

Тест с неоновой лампочкой показал ее зажигание при контакте с горячим концом луча, при мощности 2.5...5 Вт на диапазонах 80М и 40М, на остальных зажигание не возникало. Необходимо оценивать потенциальный риск касания такого конца антенны, находящегося под высоким ВЧ напряжением во время передачи!

Далее для теста луча проведены свзяи:

RA3ZDM 58 мне, 59 ему, SSB, 20M, 5W, 2021.07.17 11:17z

LA5FJA 599 мне, 559 ему, CW, 20M, 5W, 2021.07.17 11:59z

Таким образом антенна длинный провод, луч или Long Wire рассмотрена и может быть повторена радиолюбителями на желаемые диапазоны или исходя из возможностей размещения. Если этой заметки оказалось недостаточно, можно посмотреть видеоматериал:

или почитать необходимый раздел книги Игоря Гончаренко "Антенны КВ и УКВ"

Лавриненков Игорь / R2AJA