Для испытаний мне попал в руки образец трансформатора 1:9, изготовленный Сергеем R2ALA. Данные трансформаторы используются для широкополосного согласования в антеннах типа "длинный луч". Я буду использовать свой "длинный луч" длиной около 40 метров.
Схема трансформатора:
Схема трансформатора второй вариант:
Внешний вид:
Любопытное авторское исследование оптимальных размеров феррита, количества витков в обмотках трансформатора можно почитать в статье "Самодельная End Fed антенна на 80 метровый диапазон." http://lasto.com/blog/index_post_1556953200.htm
Проведем измерение моего трансформатора и луча с помощью NanoVNA по полосе от 1 до 29 МГц:
Более-менее согласование получается на диапазоне 20М с КСВ около 1.8. На нем и проведем сравнение потерь в трансформаторе относительно LC согласующего устройства на "воздушных" элементах.
Для сравнения приведу график измерений трансформатора с отключенным лучом:
Во всем диапазоне от 1 до 29 МГц согласования нет, как вы уже догадываетесь, это хороший признак! Подключим теперь снова луч.
Циклы WSPR будут выполняться на 0.5 Вт, т.к. на 5 Вт были получены потрясающие результаты для обоих устройств.
20М два цикла WSPR, 0.5Вт, через 1:9 трансформатор
Первый цикл: 61 спотов
Второй цикл: 78 спотов
Суммарно: 139 спотов
20М два цикла WSPR, 0.5Вт, через LC
Первый цикл: 78 спотов
Второй цикл: 69 спотов
Суммарно: 147 спотов
Отличие по количеству спотов незначительно. Теперь проведем статистический анализ дял небольшой выборке из спотов по SNR.
В столбце "дельта" показана условная разница по уровням, положительное число показывает перевес SNR для варианта с LC - тюнером.
Ниже приведено усреднение, которое и является искомым ответом.
В итоге получаем:
на 20М разница 0.16 дБ в пользу LC. Можно считать, что разницы никакой нет.
Трансформатор 1 к 9 не вносит дополнительные потери относительно LC тюнера.
Объяснением этому может быть близкое активное сопротивление антенны-луча к 450 Омам, и, возможно, малое реактивное сопротивление на данном диапазоне.
Для испытаний мне попал в руки образец трансформатора на объемном витке, изготовленный Сергеем R2AKT. Данные трансформаторы используются для широкополосного согласования в антеннах Comet CHA250. https://radioaficion.com/cms/comet-cha250b-hf-vertical/
Схема трансформатора:
Фото трансформатора:
Внешний вид антенны Comet CHA250:
Что говорит нам разработчик антенны, Дэвид K3DAV?
Сначала оценка конкурентов:
Butternat со своей HF6VX - все неплохо, но для расширения количества диапазонов надо доплачивать.
Diamond с BB7V - дешевая конструкция, с хлипким проводом между катушкой и основным элементом.
Titan-DX Gap Antenna - Вертикальный диполь с центральным питанием, у этой штуки много радиалов, которые могут сломаться на ветру
Hustler 6-BTV - неплохая антенна, но загруженная "ловушками мощности" (я так полагаю речь идет о трапах)
Hy-Gain c AV18-AVQII c трапами и дополнительной катушкой на 80 метров.
Jetstream c JTV680 - внешняя копия Comet CHA250 под названием JTV680. Антенна сделана из более легкого алюминия, легко ломается на ветру, а катушка подобна толстому резистору на 50 Ом, который "ворует энергию".
Каждая из этих антенн имеет высокое КСВ на ВЧ и требует дополнительного согласующего устройства!
На этом "технический обзор" конкурентов заканчивается, и начинается обзор Comet CHA250.
- Работает "чертовски хорошо";
- Не содержит трапов;
- Не требует радиалов;
- Допустимая мощность до 100 Вт;
- Рабочие частоты от 3.5 до 57 МГц;
- КСВ 1.6 или меньше;
- Длина антенны около 7.07 метра;
- Возможно работать на 160М с КСВ более 3.
Самой антенны у меня нет, зато есть этот трансформатор и мой луч, длиной 40 метров. Радиолюбители подобрали оптимальные длины лучей, которые могут работать с данным трансформатором и свели в таблицу:
Можно считать что мой вариант луча близок к варианту 38.65 метра (если указана величина с учетом коэффициента укорочения), либо к варианту 42.08 м (если цифры без учета Ку). В любом случае я должен получить приемлемое КСВ на диапазонах 80,40,30,20 метрах, которые и проанализирую в тестах.
Проведем измерение с помощью NanoVNA по полосе от 1 до 29 МГц:
В данном измерении в качестве ВЧЗ - рама окна. НаноVNA подключен к компьютеру, который заземлен. Получаем следующие значения КСВ:
80М - не менее 3
40М - не менее 1.4
30М - менее 2
20М - около 1.1
В общем при частоте более 9 МГц КСВ везде менее 2!
Шутки ради я отключу сейчас полотно антенны от трансформатора и покажу полученные графики от Нано Вна.
Получаем следующие значения КСВ:
80М - не менее 3
40М - не менее 1.5
30М - менее 2
20М - около 1.1
Почти и как с антенной - лучом! В общем, при частоте более 4 МГц КСВ везде менее 2! Интересно, ведь?!
Теперь мы готовы сравнить работу (потери) трансформатора от CHA250 и LC - тюнера на воздушных элементах.
20М два цикла WSPR, 5Вт, через CHA250:
Первый цикл: 49 спотов
Второй цикл: 40 спотов
Суммарно: 89 спотов
20М два цикла WSPR, 5Вт, через LC:
Первый цикл: 84 спотов
Второй цикл: 65 спотов
Суммарно: 149 спотов
(10*LOG(149/89) )= 2.2 дБ разницы по количеству спотов (LC/CHA250).
Здесь и далее логорифмические оценки по количеству спотов приведены для грубой оценки, их точность невелика, т.к. связана с активностью того или иного скиммера на диапазоне.
30М один цикл WSPR, 5Вт, через CHA250:
Первый цикл: 65 спотов
Второй цикл: 58 спотов
Суммарно: 123 спота
30М один цикл WSPR, 5Вт, через LC:
Первый цикл: 72 спотов
Второй цикл: 74 спотов
Суммарно: 146 спота
Примечание: картинки на 30М получены только по первому циклу WSPR
(10*LOG(146/123) )= 0.7 дБ разницы по количеству спотов (LC/CHA250).
40М два цикла WSPR, 5Вт, через CHA250:
Первый цикл: 69 спотов
Второй цикл: 53 спотов
Суммарно: 122 спота
40М два цикла WSPR, 5Вт, через LC:
Первый цикл: 93 спотов
Второй цикл: 105 спотов
Суммарно: 198 спотов
(10*LOG(198/122) )= 2.1 дБ разницы по количеству спотов (LC/CHA250).
80М два цикла WSPR, 5Вт, через CHA250:
Первый цикл: 8 спотов
Второй цикл: 9 спотов
Суммарно: 17 спотов
80М два цикла WSPR, 5Вт, через LC:
Первый цикл: 46 спотов
Второй цикл: 43 спота
Суммарно: 89 спотов
Что мы видим из этих картинок? Варианты с LC выглядят понасыщеннее спотами, а от 40М и выше появляются даже DX "прострелы". В цифрах также LC дает больше спотов, особенно на 80М. (10*LOG(89/17) )= 7 дБ разницы по количеству спотов (LC/CHA250).
Выполним статистическую оценку по уровням SNR WSPR.
Данные измерения имеют вероятностный смысл и справедливы при большом количестве опытов. В данном эксперименте я отобрал значения сигнал/шум от тех скиммеров которые показали схожие результаты в двух циклах WSPR через согласующее устройство, и результаты в двух циклах WSPR через трансформатор. Оцениваем разницу в дБ, а также среднюю разницу дБ по серии экспериментов в пределах одного диапазона. Теперь, мы готовы посмотреть на результаты.
Таблица оценки уровней сигналов пущенных через LC согласующее устройство и через трансформатор CHA250:
В сравнении отобраны споты с SNR не менее -15 дБ. Точность измерения SNR скорее всего выше для больших SNR. В столбце "дельта" показана условная разница по уровням, положительное число показывает перевес SNR для варианта с LC - тюнером.
Ниже приведено усреднение, которое и является искомым ответом.
В итоге получаем:
на 20М CHA250 проигрывает не менее 4 дБ,
на 30М CHA250 проигрывает не менее 4 дБ,
на 40М CHA250 проигрывает не менее 3.9 дБ,
на 80М CHA250 проигрывает не менее 9 дБ, в последнем случае следует помнить про дополнительные потери на рассогласовании из-за повышенного КСВ.
КПД на 80М оценим как nl = 1 / [1 + 0.115*ai*(КСВ+1/КСВ)], ai примем 0.1 дБ на длине 2 метра
Трансформатор CHA250 позволяет работать на множестве диапазонов, (даже без полотна антенны), при этом потери в нём составляют от 4 до 9 дБ относительно тюнера на воздушных LC элементах.
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"
