Возвращение к забытым антеннам с управляемым распределением тока
(CCD "Controlled Current Distribution").
Листая как-то на сайте Московского городского радиоклуба материалы по антенной тематике, наткнулся я на статью CCD антенна для городских и полевых условий. Показалось интересно. Перечитал первоисточники, на которые были ссылки на сайте www.ccdantennas.com. Потом попался мне уничижительный отзыв Гончаренко об этой антенне на вопрос о ней на его форуме:
Ответ DL2KQ :
«А почему Вы решили, что включение нескольких десятков конденсаторов в диполь вдруг наделит его помехоподавляющими свойствами?
И кстати, вообще в имеющихся описаниях ССD сказка на сказке. И про якобы равномерное (на самом деле - обычное, синусоидальное) распределение токов, и про усиление (на самом деле при удвоенных с полуволновым диполем размерах к усилению добавляется что-то вроде 0,9 дБ), и про малое влияние высоты подвеса (на самом деле - точно такое же, как у обычного диполя). Вот модель, поизучайте.
Помехозащищенность CCD – тоже сказка.
В общем, CCD: пример того, как антенну делать и описывать не надо. Большой расход места, материала и элементов, а результат - пшик (зато сказок в описании). Если убрать все конденсаторы и просто запитать диполь двухпроводкой – будет как минимум не хуже. А по усилению лучше (снимите в модели птичку "Включить нагрузки" – увидите).»
Взял я его модель, подвигал частоту, и убедился, что антенна–то работает! Прежде всего, сразу видно, что диполь длиной λ по всей длине не имеет провала в эпюре тока, как у обычного диполя длиной λ. Да и эпюра тока довольно пологая, меняя частоту, можно добиться довольно равномерного распределения тока по полотну, только на концах падение до нуля, конечно. Но если нагрузить концы на емкости, можно сделать эпюру тока практически равномерной по всей длине полотна (см. файл 1 приложения). Стало совсем интересно…
Тогда я составил свои модели, взяв умеренное число элементов (от 20 до 30, как советуют американцы в поздних публикациях. И вот модели показали те самые результаты, которые описаны в статьях:
- - умеренное входное сопротивление диполя CCD длиной в одну волну (от 50 до 450 Ом, в зависимости от высоты подвеса);
- - увеличенное, по сравнению с полуволновым диполем, на 1 дБ усиление CCD антенны при равных высотах подвеса (практически получается больше);
- - возможность получить второй резонанс не на утроенной частоте, как в обычных диполях, а на удвоенной, что дает возможность сделать эту антенну двухдиапазонной.
Для того чтобы проверить это на практике, я решил изготовить эту антенну.
Прежде всего, нужно было найти 30 конденсаторов КСО-1 одинаковой емкости с допуском 5% и напряжением 250 В.
Эти конденсаторы, столь доступные в период ламповой аппаратуры, стали большим дефицитом, их уже никто в России, видимо, не производит. Однако на одном из складов удалось найти коробку КСО-1 с требуемыми параметрами емкостью 220 пФ. Всего по 3 рубля за шт. Подходят для CCD антенны на диапазон 40 м. По расчету с помощью калькулятора, имеющегося на сайте www.ccdantennas.com получилось: число секций - 28, число конденсаторов - 26, длина секции - 1,53 м, общая длина - 42,8 м.
За два вечера изготовил эту антенну и трансформатор 50:450.
Полотно антенны изготавливалось из расплетенного кабеля П-274М «Полевка», конденсаторы КСО-1 и концы провода распаивались на маленькие платы из стеклотекстолита толщиной 2 мм (рис 1).
Рис. 1. Плата
Концы провода продевались в отверстия, загибались и пропаивались. При этом получилось полотно, обладающее высокой прочностью на растяжение (рис. 2).
Рис. 2. Плата в сборе
Еще более прочное полотно, способное выдержать любое обледенение, можно изготовить из тонкого троса из нержавеющей стали, покрытого пластиком. В этом варианте печатные платы должны изготавливаться из стеклотекстолита толщиной 4-5 мм.
Для защиты конденсаторов и паек от осадков можно одеть на платы отрезки термоусаживаемой трубки, до усаживания заполнив их бескислотным силиконовым герметиком (продается в магазинах автозапчастей). При такой конструкции полотно еще и не цепляется конденсаторами за что попало при установке антенны.
Рис.3. Вариант защиты платы с конденсатором.
При подвесе точки питания антенны на высоте 9 м и концов на высоте 3 м получилась кривая КСВ с минимумом (1,9) в диапазоне частот 7,0 – 7,2 МГц.
Измеренное входное сопротивление антенны в этой полосе составляло 230-250 Ом (значения пересчитаны к выходу трансформатора, т.е. ко входу антенны).
При высоте точки питания 6 м, концов 3 м, настройка не изменилась, входное сопротивление снизилось до 170-180 Ом. При установке антенны на высоте 3 м настройка не изменилась, входное сопротивление снизилось до 150 Ом. Когда антенну растянули по снегу, настройка сдвинулась вверх на 300 кГц, входное сопротивление осталось на уровне 150 Ом.
Стало понятно, что для питания антенны нужен трансформатор 50:200, а не 50:450. Удивительно, что входное сопротивление антенны слабо изменяется от высоты ее подвеса, вплоть до уровня снега (0,3 м от земли).
Несмотря на КСВ около 2,0 из-за неоптимального трансформатора, антенна легко подстраивалась до КСВ < 1,2 тюнером, и во всем диапазоне его настройку можно было не изменять. Пора было попробовать ее при работе в эфире.
Работа велась с выходной пиковой мощностью 100 Вт SSB. Середина дня, диапазон 40 м. Сравнивались хорошо согласованная антенна Inverted V (IV) и CCD антенны путем быстрого переключения.
Первая связь – с UA3HR, расстояние 30 км.
H=6 м: IV- 55., CCD - 56.
H=0 м (на снегу): IV – не слышна, CCD – 53 - 54.
Вторая связь – с EW7LO, расстояние 470 км.
H=6 м: CCD слышна на полбалла громче IV, при меньшей глубине QSB.
H=0 м: CCD слышна с QSB от 59 до 55, IV – от 56 до полного пропадания.
Затем при H=6 м были проведены связи в диапазоне 40 м:
| Позывной | RS отпр. | RS прин. | Расстояние, км |
| UR5SEQ | 59 | 58 | 1200 |
| UA4COP | 59+ | 59 | 800 |
| UU2JB | 59 | 59 |
1300 |
| US7IT | 59 | 59 | 950 |
| RN3QOY | 59+ | 59+10 дБ | 520 |
| RN3KI | 59+ | 59+30 дБ | 520 |
| UA1CAD | 59+ | 59 | 540 |
Впечатление от первого дня испытаний на ближних трассах: по уровню шума CCD не отличается от IV, выигрывает по усилению примерно 1 б. при высоте подвеса 6 м и сохраняет работоспособность (в отличие от IV) даже при высоте 0,3 м от земли (на снегу).
К следующему выходному был изготовлен трансформатор 50:200 Ом
Рис.4. Конструкция трансформатора 50:200
При работе в эфире на 100 Вт SSB были проведены связи:
В диапазоне 40 м:
| Позывной | RS отпр. | RS прин. | Расстояние, км |
| RN3REZ | 59 | 59+5 дБ | 517 |
| UT5AFK | 59+ | 59+20 дБ | 643 |
| UA3RNO | 59 | 59+15 дБ | 517 |
| RA6PKB | 57 | 55 | 1550 |
| UT0MO | 59+ | 59 | 884 |
| RA3QQ | 59 | 59+10 дБ | 520 |
| UR3LE | 59 | 59+10 дБ | 724 |
| US2LA | 59 | 59 | 724 |
| RK4FAV | 57 | 59 | 625 |
| RN4ZT | 59 | 59 | 654 |
В диапазоне 20 м с подстройкой тюнером:
| LZ170MDS | 59 | 59 | 1700 |
В диапазоне 17 м с подстройкой тюнером:
| HB9ENF | 59 | 57 | 2200 |
| ON5CQ | 59 |
58 | 2206 |
Таким образом, CCD антенна на 40 м достаточно эффективна при работе на ближних трассах при высоте подвеса 6 м и может быть с успехом использована и в диапазонах 20 и 17 м. При связях упоминание об используемой антенне неизменно вызывало интерес корреспондентов, как отечественных, так и зарубежных, никогда не слышавших о ней и удивлявшихся, что она хорошо работает при столь малой высоте подвеса.
Для изготовления CCD антенны на диапазон 80 м удалось найти в продаже импортные слюдяные конденсаторы SM 300 пФ 5% 500 В. Расчет по калькулятору для частоты 3,7 МГц дал число элементов - 21. Увеличили до четного числа - 22. Число конденсаторов - 20.
Длина секции – 3,75 м, общая длина - 82,5 м. При подвесе точки питания (без трансформатора) на высоте 10 м с концами на высоте 1,5 м частота настройки оказалась равной 3,5 МГц. Откусили 4 секции (по две с каждого конца), частота настройки – 3,66 МГц. Приемлемо. Минимум КСВ (1,7 -1,9) в полосе 3,6 – 3,7 МГц. Входное сопротивление – близко к 100 Ом.
Таблица 1
|
Частота, МГц |
3,6 |
3,7 |
3,8 |
|
Rвх, Ом |
102 |
87 |
147 |
Проверяем частоту второго резонанса: Ура! Он оказался точно в диапазоне 40 м! Измеренное и пересчитанное ко входу антенны сопротивление практически чисто активное (таблица 2).
Таблица 2
|
Частота, МГц |
7,0 |
7,1 |
7,2 |
|
R вх, Ом |
136 |
102 |
134 |
Для данного варианта подвеса эта антенна хорошо согласуется в диапазонах 80 и 40 м и для ее питания нужен трансформатор 50:100 Ом. Он легко выполним при соотношении витков 2:3.
Работа в эфире также подтвердила эффективность этой антенны. Было проведено 18 QSO на диапазонах 80 и 40 м на трассах от 100 до 2500 км, все с хорошими рапортами корреспондентов. В результате вместо четырех антенн типа IV на мачте была оставлена всего одна CCD антенна 80+40 м. Проверка ее на верхних диапазонах (20, 17, 15 м) на трассах средней и большой протяженности показала, что она уступает по усилению вертикалу Gap Titan около 2 б.
К дополнительным достоинствам CCD антенны можно отнести ее нечувствительность к смещению точки питания (до четверти длины волны от середины), близости к зеленым растениям и изгибам плеч в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Это особенно важно при размещении этой антенны удвоенной длины на ограниченной площади. Ее можно разместить по деревянному забору или по растущим на участке деревьям, полностью скрыв от недружественных глаз.
При изготовлении желательно добавить по одной секции к каждому плечу, после установки антенны при ее настройке можно удалять по одной секции. Длину конденсатора, ввиду ее малости, мы не учитывали. Не использовали мы и антистатических резисторов, упоминаемых в некоторых статьях, поскольку при таких маленьких емкостях конденсаторов сочли их ненужными. Кстати, американская фирма, изготавливающая CCD антенны на продажу, тоже их не использует.
В приложении приведены файлы моделей CCD антенн на 80 м (файл 2), 40 м (файл 3), двухдиапазонных на 80+40 м (файл 4) и 40+20 м (файл 5), а также моделей антенн, концы которых опущены к земле, подобно IV(файл 6 , файл 7) . Моделируйте сами. (Архив с файлами в конце статьи. - прим. ред.)
В заключение приводим конструктивные параметры CCD антенн, проверенных практически (таблица 3).
Таблица 3
|
Вариант |
Емкость конденсатора |
Число секций |
Число конденсаторов |
Длина секции |
Общая длина антенны |
Трансформатор |
|
CCD на 40 м |
220 пФ |
28 |
26 |
1,53 м |
42,8 м |
50:200 Ом |
|
CCD на 80+40 м |
300 пФ |
18 |
16 |
3,75 м |
67,5 м |
50:100 Ом |
В результате измерений изготовленной CCD антенны на диапазоны 80 и 40 м выяснилось, что при высоте подвеса точки питания около 10 м входное сопротивление примерно равно 100 Ом. Был изготовлен трансформатор 50:110. Измеренное со входа трансформатора сопротивление антенны и ее КСВ приведены в таблице 1. Знак реактивной части сопротивления не определялся.
Таблица 4
| Диапазон 80 м | Диапазон 40 м | ||||||||
| Частота, МГц | 3,5 | 3,6 | 3,7 | 3,8 | 6,9 | 7 | 7,1 | 7,2 | 7,3 |
| R, Ом | 25 | 48 | 52 | 27 | 81 | 75 | 59 | 46 | 47 |
| X, Ом | 2 | 13 | 20 | 19 | 27 | 2 | 10 | 13 | 26 |
| КСВ | 1,7 | 1,3 | 1,5 | 2,1 | 1,9 | 1,5 | 1,3 | 1,3 | 1,7 |
Как видим, в средней части обоих диапазонов активная часть сопротивления близка к 50 Ом, наличие небольшой реактивности говорит о необходимости небольшой корректировки длины плеч антенны. Впрочем и без этого трансивер нормально работает на эту антенну. Несколько слов о конструкции трансформатора 50:110 (рис.5).
Рис.5. Конструктивное исполнение трансформатора 50:110.
Сердечник – 4 ферритовых трубки 9,5х17,5 длиной 35 мм (FRR-9,5), сложенных «биноклем». Первичная обмотка -2 витка провода ПЭВ-0,5, вторичная обмотка – 3 витка того же провода. Провод первичной обмотки и провод двух витков вторичной обмотки плотно свиты между собой. Провода обмоток продеваются в термоусаживаемые трубки длиной 70 мм, помещенные в отверстия ферритовых трубок таким образом, что выводы первичной и вторичной обмоток выходят в противоположные стороны, после чего трубки усаживаются горячим воздухом. Параллельно входу 50 Ом подключен компенсирующий конденсатор емкостью от 51 до 75 пФ. Благодаря сильной связи между обмотками полоса частот трансформатора, нагруженного на резистор 110 Ом – от 1,7 МГц до 40 МГц при КСВ< 1,2.
Для защиты от осадков трансформатор помещен в пластиковую бутылку с отрезанным дном.
Решайте сами, нужна ли вам такая антенна. Желаю успеха!
Признательность
Благодарю всех радиолюбителей, проявлявших живой интерес к моим экспериментам и помогавшим в поисках КСО-1 (RA3AAP).
Особая благодарность Юрию UA3HR, помогавшему в проведении измерений и не ленившемуся топтать высокие сугробы на морозе!
Владислав Щербаков, RU3ARJ
