ODXC

Часть I

Мне давно хотелось попробовать сделать приёмную антенну для 160-ти метрового диапазона в виде решётки из восьми коротких вертикалов. Но, то места не было, то времени, то средств. А тут команда RO2E выделила место, да ещё и пообещали оказать посильную помощь и участие в изготовлении и настройке антенны. Тем более, что на позиции уже давно использовались бевереджи на приём, следовательно можно легко сравнить качество приёма на решётку и на беверидж простым переключением тумблера. Хотелось сделать бюджетный вариант, с минимумом затрат. Из этих соображений был выбран 75Ω коаксиальный кабель РК75-4-11 для конструкции антенны, провод от полёвки и деревянные стойки для вертикалов. Правда место для установки решётки оказалось далековато от шека (~500м), следовательно потери в фидере ожидались большие. С учётом того, что расчётное усиление антенны -10дби и потери в фидере составили порядка -9дб, предполагалось, что антенна будет использоваться только совместно с предусилителем, который разработал и изготовил специально для данной антенны Сергей, RW3XA. Однако практика показала, что даже с учётом таких затуханий усилитель включается не всегда, т.к. без последнего приём, конечно же, комфортней если уровень сигнала достаточный.
За основу решётки был взят укороченный вертикал W8JI с учётом всех нюансов по противовесам и его длине, конструкции, чтобы не «изобретать велосипед». В качестве стойки для вертикала использован 8-ми метровый сухостой, заранее заготовленный RU3EG и RZ3EC. В качестве элемента, ёмкостных нагрузок и противовесов используется провод от полёвки. У каждого вертикала в землю забит полуторометровый стальной уголок заземления с приваренным болтом для подключения шлейфа заземления и  противовесов. К этому же колу прикручено проволокой основание вертикала для устойчивости. Провод от полёвки, длиной 7,5 метра, прикреплённый к вертикальной деревянной стойке растянут в четыре стороны за ёмкостные нагрузки по 7,5 метра каждая, под углом  45° в вертикальной плоскости (см. модель). По земле разложены по восемь десятиметровых противовесов симметрично от центра установки. Последующие измерения параметров вертикала в разные периоды года каких-либо существенных изменений не выявили, т.ч. дальнейшее добавление противовесов было бы нецелесообразно. Настройка каждого вертикала, подключенного через фидер, идущий к центру антенны свелась к подбору индуктивности последовательной катушки в резонанс на середину диапазона - 1850 кГц и резистора до подгона КСВ=1 (рис.1). Катушка намотана проводом ПЭЛ-0.5, 30 витков на кольце 30ВЧ с размерами 20х10х5мм, это около 30 мкГн. При настройке пришлось отмотать пару-тройку витков для резонанса. Можно использовать и стандартные дроссели нужного номинала, а резонанс получить подстройкой элементов, тех же самых ёмкостных нагрузок. Это кому как удобней.

Рис.1. Согласование вертикала

Что из себя представляет система из восьми фазированных вертикалов. На каждое направление работают только четыре вертикала одновременно (см. модель). Два стека по два элемета фазируются между собой при помощи коаксиальной линии. Вообще, оптимальное расстояние между двумя вертикалами в стеке по расчётам - 0.55λ, при этом достигается максимальное подавление боковых лепестков. При таком расстоянии в стеке решётка из восьми вертикалов позволяет получить RDF=13 дб . Расчётная диаграмма направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях ячейки из двух фазированных стеков показана на рисунке 2.

Рис.2. Диаграмма направленности антенны

Т.е. диагональ полученного прямоугольника (ячейки) из четырёх вертикалов и определяет диаметр круга на котором равномерно расставлены все восемь вертикалов - красные точки, длинная сторона это расстояние в стеке - синие линии, короткая - расстояние между стеками, зелёные линии,  рис.3. В нашем случае диагональ получилась 97.5 метра, при этом расстояние в стеке 90.1 метра ( 0.55λ). Величина фазового сдвига зависит от расстояния между двумя стеками и рассчитана в модели по максимальному подавлению заднего лепестка. В таком случае угол сдвига фаз получился 101° при расстоянии между стеками равным 37.3 метра (0.23λ), см. модель. Разметка круга производилась при помощи двух заранее отмерянных верёвок. Одна - длиной в радиус окружности, на которой расположены вертикалы, вторая - длиной дуги сектора 1/8 круга антенны.
Фазировка антенны осуществляется при помощи инвертирующего трансформатора Т3 и коаксиальной линии, см. схему коммутации. Соответственно 180°(тр-р)-101°(расч.)=79°(коакс), которые получаются при помощи двух отрезков кабеля соответствующей длины подключенных параллельно, для получения волнового сопротивления 37.5Ω. Каждый отрезок кабеля подключается к разъёмам J13-J15, J14-J16 соответственно, см. схему коммутации, рис.4. Сознательно здесь не привожу длину  кабеля, которая получилась у меня в итоге для 79°, т.к. эти вещи лучше измерить, при помощи того же MFJ-269, чем положась на заданный Ку кабеля, получить в итоге не то, что надо. К тому же, ввиду того, что наша антенна несколько раз подвергалась вандализму в течении трех лет эксплуатации, фазирующую линию приходилось менять, в частности сначала был кабель с литым полиэтиленовым диэлектриком, теперь с пористым. А это разные коэффициенты укорочения и следовательно длины фазирующих линий. От каждого вертикала кабели идут в центр антенны к коммутатору. Они могут быть произвольной  длины, т.к. вертикалы согласованы с фидером, но главное - все они должны быть одинаковые, в противном случае будет нарушена фазировка антенны. Я, всё-таки сделал все восемь отрезков кабеля кратными λ/2, на всякий случай и чтобы кабели были не в натяг, с запасом.

Рис.3. Расположение элементов и формирование диаграммы

Схема коммутатора представлена на рис.4. Восемь вертикалов подключаются к разъёмам J5-J12 в соответствии с нумерацией 1-8. Рассмотрим работу коммутатора антенны в одном из направлений. При подаче напряжения на реле RS1/RS5 включаются параллельно вертикалы 1/6 и 2/5 соответственно, т.е. два стека. В зависимости от положения реле RS9, которая коммутирует фазирующую цепь состоящую из трасформатора Т1 и параллельных коаксиальных кабелей с электрической длиной 79°, подключенных к разъёмам J9/J11, J10/J12, диаграмма направленности формируется под азимутальным углом 67.5° или 247.5°, если элемент 1 расположен чётко на севере,  т.е. 0° от центра окружности антенны. Реле RS9 подключается на противоположных направлениях через диоды D1-D4. Аналогично работают и остальные положения коммутатора. Т1 – инвертирующий трансформатор 1:1, намотан на бинокле BN-73-202 и содержит 2 обмотки по 2 витка. Т2 - согласующий трансформатор 1:4. Намотан на таком же сердечнике, что и предыдущий трансформатор и содержит одну обмотку - 2 витка, вторую - 4. Он согласует низкое сопротивление стеков включенных параллельно в сопротивление фидера. Первый стек напрямую, второй через фазирующую линию. Оба трансформатора намотаны проводом ПЭЛ-0.5.

Рис.4. Схемы локального и удаленного блоков

Схема блока питания коммутатора (локального блока в шеке) здесь не рассматривается, т.к. единственное требование к источнику - это соответствие выходного напряжения напряжению питания реле, применяемых в схеме коммутатора.
Блок питания предусилителей решётки и бевереджей на рис.5 особых пояснений не требует, за исключением сравнительно высоковольтного источника питания на LM317. Дело в том, что большим омическим сопротивлением шлейфа фидера (около 35Ω на длине 500м) обусловлено сравнительное большое падение напряжения на нём, т.к. предусилитель и реле питаются от 24 В и потребляют около 130 мА. Напряжение источника питания выбрано 32В, чтобы стабилизатор питания предусилителя работал в номинальном режиме, но в то же время априори не перегрузился бы избыточным напряжением, т.к. в предусилителе установлены саппресоры защиты на 32В по питанию.
Все схемы доступны единым файлом, а также прилагается разводка печатной платы.

Рис.5. Источник питания предусилителя

Что касается результатов, то они полностью оправдали все затраты - проведенные оценочные измерения показали подавление заднего и боковых лепестков минимум на -25...30дб. Видимо это за счет того, что решетка имеет более красивую и прогнозируемую диаграмму и, соответственно, лучше режет шумы с паразитных направлений, теперь появилась полная пространственная ориентация приема на 160м. Такая узкая диаграмма отлична для DX-инга и на "мультах" в контесте, но совсем не подходит для "рана" - приходится судорожно вращать диаграмму или принимать всю эфирную "кашу" на диполь, иначе с непрямых направлений решетки даже ближних LP-шников не слышно. Уровень сигналов с решетки сопоставим с бевериджами, но как правило, при устойчивом прохождении решетка явно выигрывает у одиночных бевериджей на DX по шумам, а на терминаторе бывает по-разному. В настоящее время уже есть мысли по оптимизации данной антенной решетки, но об этом чуть позже, после летних натурных изысканий и испытаний...

Рис.6. Конструкция удаленного блока

Часть II       (Cентябрь 2018)

После нескольких сезонов эксплуатации антенной решётки были выявлены недостатки и проблемные места конструкции, которые необходимо было устранить, а также, пришло время воплотить в жизнь и некоторые идеи для повышения эффективности антенны.
Новая версия антенной решётки принципиально не отличается от предыдущей, но есть существенные доработки, обусловленные опытом эксплуатации предыдущей.
1.    Добавлены предусилители на каждый элемент.
2.    Добавлена схема фазирующей линии на дискретных элементах.
3.    Добавлена обратная связь в источник питания.
4.    Изготовлены заводским способом печатные платы коммутатора и блока питания.
Принципы работы антенной решётки были рассмотрены выше, а здесь, для наглядности, добавлю картинку со схемой коммутации вертикалов:

Рис.6. логическая схема коммутации вертикалов

Красным выделены группы реле, которые включаются в зависимости от выбранного направления. Синий и зелёный круги – стеки вертикалов, полученные при коммутации реле.

Выбор направления вперёд-назад в выбранных стеках происходит переключением фазирующей линии между стеками. Предыдущий вариант фазирующей линии состоял из двух, включённых параллельно (для согласования) отрезков коаксиальных кабелей и находящихся снаружи коробки управления, которые, в свою очередь, привлекали слишком много «любителей цветмета» и просто вандалов. Фазирующие линии периодически приходилось восстанавливать или даже менять. В новой версии было решено применить LC схему для фазировки стеков в решётке. Собственно, остался и старый вариант, для подстраховки.
Схема предусилителя здесь рассматриваться не будет. Скажу только, что это пуш-пул на основе малошумящего усилителя Нортона на биполярных транзисторах с общей базой и ООС, так называемых CBTF с высоким, теоретически до +100 dВm IIP3. Что, в свою очередь, в условиях близко расположенного источника мощного сигнала позволило избавится от дополнительных мер по защите входа усилителя. Питание для усилителей подается по фидеру, а сигнал управления их включением подается по управляющему кабелю (сигнал VAMP). Питание по фидеру в нашем случае обусловлено тем, что это самый толстый проводник, идущий к антенне. При этом расстояние от блока питания (БП) до антенны около 500 метров. Падение напряжения при такой длине управляющего кабеля UTP будет фатальным при потреблении каждым из четырёх усилителей уже больше 50 мА, не считая реле. Для развязки питания усилителей по ВЧ, в блоке коммутации добавлен инжектор, который запитывает одновременно четыре активных, на выбранное направление антенны, усилителя. Теоретически усилители можно питать и через кабель управления, если омические потери в кабеле низкие, т.е. кабель короткий и/или сечение проводников кабеля достаточно большое. В таком случае можно поставить перемычку вместо резистора обратной связи для БП R2 (см. схему sw box) и подавать питание для предусилителей по выделенному проводу в кабеле, а не по фидеру. Если всё же питать усилители по фидеру, для оптимизации выбора напряжения питания в БП добавлена обратная связь, которая позволяет отрегулировать (в пределах) нужное напряжение на усилителях при помощи потенциометра (см. Рис.8). Обновленные схемы и фото приведены ниже:

Рис.7. Принципиальная схема удаленного блока управления
Рис.8. Принципиальная схема локального блока управления
Рис.9. Принципиальная схема модуля элемента антенны (настройка резонанса и КСВ)
Рис. 10. Фазовращатель	Рис. 11. КСВ выхода "RF Coax"