Коллинеарные вертикалы. Предназначение и использование в них фазовращающих катушек ( Ф.В.К.) в диапазоне частот 144-146 МГц.
Юрий Юкин RK4FX
При разработке и сборке коллинеарной антенны в диапазоне 144-146 мгц. следует отнестись к фазовращающим индуктивностям ( катушкам) с особым вниманием которые играют не менее важную роль в работе всей антенной системы в целом.
Так фазоздвигающие индуктивности обеспечивают необходимое амплитудно -фазовое распределение токов в линейной решетке с последовательным питанием излучателей вдоль всего полотна антенны с помощью фазоинвертирующих элементов , чем обеспечивается синфазное возбуждение излучателей на рабочих частотах.
Коллинеар представляет собой ряд излучателей, каждый излучатель питается отдельно и фазируется таким образом, что бы излучение испускаемое первым излучателем ( от входа ) находилось в фазе с излучателями последующих уровней.
Благодаря сложению мощностей излучающих элементов обеспечивается высокое усиление при сохранении круговой диаграммы направленности по горизонту.
Такие антенны работают в режиме близкому к режиму нормального излучения с небольшим отклонением диаграммы направленности от нормали к оси решетки , при условии хорошего согласования антенны по входу.
При изменении частоты диаграмма направленности сканирует в пространстве , как у любой линейной антенной решетки с последовательным возбуждением элементов.
В этом случае все фазовращающие катушки должны работать именно в той полосе частот в котором вы собираетесь работать.
При этом значение большего или меньшего значения индуктивности и емкости повлияет не только на добротность Ф.В.К., но и в определенной мере изменит ее характеристики и частотный план.
Чем меньше индуктивность и емкость фазовращателя тем меньше требуется отступление от оптимального размера имеющих излучателей в коллинеарной антенне.
Все это необходимо для получения комплиментарности по реактивному сопротивлению и соответственно с численно обратным знаком. То есть в нашем случае – единство противоположностей.
Комплиментарность – ( как позитивное свойство и точное соответствие необходимых и заданных параметров ) , в качестве примера – катушка на резонансной частоте в последовательном контуре . В этом случае сопротивление реактивное катушки Ф.В.К. равно реактивному сопротивлению конденсатору,- но с обратным знаком в результате получаем «0» ( ноль) сопротивления.
В этом случае индуктивность этого узла требует изменения длины излучающих элементов так, что бы их реактивность была комплиментарной этой индуктивности и емкости, что в значительной степени улучшает все качественные показатели самой коллинеарной антенны.
Не менее важным параметром чем индуктивность в Ф.В.К. при расчете линий задержки является и добротность.
На качественные показатели фазовращающей катушки влияет как диаметр ее каркаса, так и диаметр провода или трубки ( только медный проводник или посеребренный, но не латунь и не «черный « металл ) так и расстояние между витками ( шаговое значение) катушки то есть ее индуктивно – емкостная составляющая, что в конечном результате скажется на ее полосе пропускания , добротности , индуктивности и в ее полосе рабочих частот.
Рассмотрим более подробно : сопротивление В.Ч. потерь в Ф.В.К. состоит из потерь обусловленных поверхностным ( скин ) эффектом и эффекта близости проводников обмотки. Оби эти составляющие имеют выраженную зависимость от диаметра провода намотки.
Именно такое свойство следует использовать для получения максимальной добротности путем выбора оптимального диаметра провода.
Из этого следует что и увеличение диаметра каркаса ( до определенного предела ) как и диаметра провода на катушках уменьшает ее омическое сопротивление и повышает ее добротность. В тоже время катушки с принудительным шагом обладают на УВЧ и СВЧ значительно большой добротностью за счет малой межвитковой емкости что имеет так же весьма немаловажное значение при применении их на высоких частотах.
Не менее важным значением для работы антенны в целом, является соблюдение полярности то есть правильного включения всех фазовращающих элементов в конструкцию излучателей коллинеара .
Об этом не следует забывать при изготовлении вашей антенны для ее нормальной работы.
При применении фазовращающих катушек ( в отличии от воздушных боковых шлейфов в вертикальном коллинеаре) , с фазовращающими катушками не дробятся энергетические лепестки и не тратится на них в пустую энергетика идущая под более крутыми углами к горизонту как в открытых шлейфах, что весьма положительно сказывается на работе антенны и приводит к более высокой плотности в концентрации напряженности ЭМВ ( электромагнитной волны ) под малыми углами к горизонту.
Данная особенность установки Ф.В.К. на коллинеар весьма практична, так как занимает минимум пространства в корпусе антенны, при этом отсутствует парусность в сравнении с открытыми шлейфами и энергетически выгодно при эксплуатации антенны имея в связи с этим определенный приоритет при работе с D – X операторами удаленных радиостанций .
Рассмотрим фазовый сдвиг более детально для частоты 145.500 мгц.
Длинна волны для частоты 145.500 мгц. соответствует 2м 06 см. при такой длине излучателя ( одна лямбда ) весь оборот сдвига фазы будет являться в два периода ( 2 х 180 ) ,- то есть в 360 градусов.
При длине излучателя в 0.5 лямбда ( это 1 метр ) будет составлять 180 градусов. При этом ток будет менять направление через каждые 0.5 лямбда. На противоположное так же как и при синусоиде – положительное и отрицательное значение полуволн то есть в пол периода что составляет 180 градусов.
При четверти длинны волны 0.25 лямбда ( 50 см. ) мы имеем и получаем 90 градусов.
При 0.125 от лямбда или 1\8 ( 25 см ) имеем значение в 45 градусов.
В связи с выше изложенным довольно легко рассчитать необходимые вам данные по фазовращающим катушкам исходя из вашей необходимости в достижении поставленной перед вами задачи в плане проектирования с заранее заданными параметрами Ф.В.К. и будущими характеристиками вашей коллинеарной антенны.
Следует учитывать при разработки коллинеарных вертикалов с последовательным питанием что при длине первого излучателя в 0.5 лямбда и или 5\8 лямбда антенна питается по напряжению .
При длине первого излучателя менее 0.5 лямбда ( 0.25 ) лямбда питание будет осуществляться только по току.
Тем не менее антенна имеющая излучатели 3х5\8 лямбда обладает гораздо большим коэффициентом усиления чем антенна 3х1\2 лямбда, но и в 3х1\2 лямбда имеются свои преимущества, так она предоставляет более широкую полосу , но имеет меньше коэффициент усиления.
Здесь следует выбрать значение , что именно для вас больше всего является приоритетом.
P.S. Правильно настроенная вертикальная коллинеарная антенна всегда должна иметь низкий KSW и малое значение реактивки что будет означать высокую отдачу по мощности.
Расчет фазовращающей катушки
Для этого вначале находим длину волны ( в метрах) которая равна…
300000: F ( 145.500) .= 2.06 метра.
Где F частота. 300000 – скорость распространения электромагнитной волны в пространстве.
Далее 2.06 х 0.96= 1.977. Где 0.96 коэффициент укорочения.
Получаемое значение 1.977 : 2= ( получаем полволны с заложенным уже коэффициентом укорочения) то есть 98.8 см.
Далее 98.8 см. ( 0.5 лямбда) : 2= 49.4 см. это длинна провода каждой из бифилярно намотанной катушки на одном основании. Для одной Ф.В.К.
Следует отметить что количество витков в двух секциях бифилярно намотанной фазовращающей катушки (в одно диапазонной антенне ) должно быть одинаковым, при условии индентичности излучателей. ( см. ниже).
Таким же образом делаем расчет и для второй фазовращающей катушки, но с учетом что если при длинне излучателей более 0.5 лямбда ( при длинне излучателей в 1\2 лямбда открытый шлейф равен 0.5 лямбда так же как и Ф.В.К. ) фазоздвигающая катушка будет «короче» на длину ушедшую в высоту.
Следует учитывать что каркас для фазовращающих катушек следует изготавливать из более практичного капролона так как фторопласт в данном случае менее пригоден для подобных целей по ряду причин.
Здесь следует отметить что количество излучателей в коллинеарном вертикале может иметь два, три или четыре элемента и даже более .
На практике считается более предпочтительным при работе с D-X операторами использование 3 х элементного либо 4 х элементного вертикала.
Использование более 4 х элементов в вертикале на 2 х метровом диапазоне не всегда является практичным решением из за появляющихся в связи с этим ряда существенных проблем.
В этом случае входное сопротивление коллинеара будет различным.
Чем больше элементов излучателей тем больше усиление коллинеарной антенны и тем более «сжатым» получается лепесток диаграммы с максимальным усилением к линии горизонта, что конечно нужно учитывать при конструировании и расчете антенны.
Сжатие лепестка диаграммы и увеличение коэффициента усиления можно достичь и другим способом не прибегая к увеличению количества излучающих вертикальных элементов , но более подробный анализ данной темы не входит в обзор данного материала.
Входное сопротивление коллинеарного многоэлементного вертикала может иметь значение от 50 ом и доходить до 3 х килоом .
В связи с чем в многоэлементных коллинеарах является обязательным условием применения на входе антенны LC согласования .
В зависимости от количества излучающих элементов и их длинны от лямбда соответственно, а так же применяемых и численности противовесов которые в значительной мере влияют на формирование угла излучения к линии горизонта и влияют на входное сопротивление антенны.
В ходе построения и эксплуатации коллинеарной антенны может иметь место изменение резонансной частоты- дрейф ( или полосы частот) , что зачастую связано с температурным коэффициентом расширения ( или сжатия ) материала от положительно- высокой либо низкой температуры окружающей среды.
Следует иметь в виду что различные цветные материалы имеют каждый свой коэффициент расширения и или сжатия что в свою очередь будет зависеть от общей площади самих излучателей.
Не мало важным значением является и применение качественного «цветного» металла на излучателях. Так при применении излучателей из мягкой меди проявляется эффект текучести ( вытягивание металла) что естественно отразится на значительном смещение рабочих частот в процессе эксплуатации антенны . Все данные обстоятельства обязательно необходимо учитывать при проектировании и сборке антенны.
При определенном дрейфе полосы частот от линейного расширения металла при изменении температуры окружающей среды нужно так же учитывать данное обстоятельство закладывая необходимые расчеты по металлу в проект самой коллинеарной антенны и делая полосу рабочих частот как можно шире.
Таблица линейного коэффициента расширения ряда цветных металлов.
| Тип материала | Коэффициент линейного расширения материала | Температура в градусах Цельсия |
| Золото | 14.2 х 10 ( -6 ) | 1 градус по цельсию |
| Медь | 17.0 х 10 ( -6 ) | 1 градус по цельсию |
| Бронза | 18.0 х 10 ( -6 ) | 1 градус по цельсию |
| Латунь | 18.7 х 10 ( -6 ) | 1 градус по цельсию |
| Серебро | 19.5 х 10 ( -6 ) | 1 градус по цельсию |
| Алюминий | 25.0 х 10 ( -6 ) | 1 градус по цельсию |
| Припой 50х50 | 24.0 х 10 ( -6 ) | 1 градус по цельсию |
Не следует забывать, что чем не больше диаметр провода на Ф.В.К. тем меньше происходит уровень потерь из за скин – эффекта в проводнике и тем более на высоких частотах.
В качестве примера : глубина проникновения в.ч. в медный проводник на частоте 145.000 мгц. составляет 5.4495 микрон, а удельное сопротивление 1.7. Для алюминия соответственно 6.867 и удельное сопротивление 2.7. Латунь имеет еще более худшие параметры – глубина проникновения в.ч . 9.3459 удельное сопротивление 5.0.
В этом случае становится понятно что чем не меньше ( тоньше ) диаметр проводника, тем проводник имеет гораздо более высокое сопротивление при прохождении по нему В.Ч. и тем ниже его добротность на высоких частотах и тем выше потери по В.Ч. В этом случае большая часть энергии будет идти на нагревание проводника и поглощения в.ч. в скин слое при его высоком сопротивлении .
При правильном расчете и подборе проводника на Ф.В.К что в значительной мере положительно сказывается и на добротности Ф.В.К., и на качественных показателях работы не только самой Ф.В. К. , но и на работе самой коллинеарной антенны в целом – все это дает весьма ощутимые – положительные результаты.
При измерении индуктивности Ф.В.К. следует учитывать что намотка катушки производится бифилярно,- таким образом вы сможете при необходимости произвести измерение и увидеть лишь одну из индуктивностей ( в мкгн ) в Ф.В.К. , а при изменении полярности и другую ее половину.
Ниже приводим практическую конструкцию Ф.В.К. на частоту 145.500 мгц.
При изготовлении следует учитывать равномерную шаговую намотку фазовращающих катушек и надежного закрепления начала и конца обмотки на латунном основании.
Следует отметить , что намотка Ф.В.К. медной шиной не желательно по ряду причин.
При этом выводы фторопластового высокочастотного высоковольтного конденсатора конечно желательно сделать именно медной шиной.
Так же следует учитывать в обязательном порядке определенный раздел между бифилярно намотанными фазовращающими катушками который должен иметь промежуток ( в зависимости от диаметра обмоточного медного провода ) порядка 15 – 20 мм.
Данный материал был подготовлен и размещен на сайте радиолюбителей Республики Мордовия по многочисленным просьбам радиолюбителей УКА вистов. Данный технический материал был размещен в целях повышения уровня практических навыков и теоретических знаний в построении перспективных коллинеарных антенных систем среди молодежи – радиолюбителей УКА вистов в Российской Федерации.
Материал дополнен и доработан 20.04. 2024 года.