Мои самодельные КВ-антенны для QRP
Эта тема — не для краткой статьи, а для массивной книги, коих написано великое множество, в том числе, по вопросам работы в полевых условиях. Поэтому традиционно я здесь напишу лишь о тех антеннах, которые лично рассчитал, изготовил и опробовал в деле. Если я не упомянул те или иные конструктивы — значит, у меня просто до них не дошли руки (или они по той или иной причине мне не подходят).
Моя настольная книга — «Антенны КВ и УКВ» за авторством И. В. Гончаренко (DL2KQ), весит эта книга больше 2 кг. Для расчёта антенн я пользуюсь бесплатной программой MMANA-GAL от того же автора.
Общие соображения
Поскольку на момент написания статьи я работаю только на малой мощности (QRP, 7-10 Вт) и преимущественно в походных условиях, возникают определённые особенности выбора конструкции антенны, которые я постараюсь раскрыть далее.
О компромиссах в конструкции антенн
Важно понимать, что ваша антенна будет представлять собой целый набор компромиссов, обусловленный в первую очередь ограничениями по массогабаритам носимого оборудования, возможностью оперативного свёртывания-развёртывания, а также банальным удобством.
Начать нужно с того, что при выборе желаемой конструкции антенны стоит нацеливаться как минимум на два диапазона — ночной (обычно 40 метров, реже 80) и дневной (20 м и выше). Это позволит работать, не привязываясь к времени суток зимой и к нюансам прохождения радиоволн — летом.
Увы, тем самым мы сразу отсекаем гигантский класс «бескомпромиссных» однодиапазонных антенн и переходим в главу про многодиапазонные, где всё уже не настолько радужно — «голову вытащили, хвост увяз».
Диапазоны выше 20 метров популярны в Европе, и там можно проводить запоминающиеся QSO (а не ожидать окошка в долгих разговорах о погоде — англ. rag chewing).
Диапазон 80 м на портативной антенне — довольно специфическая штука, где из-за описанных ниже нюансов дальние связи для вас будут сложны. На мой вкус, не стоит размахиваться на 80 метров без нужды или спортивного интереса.
Антенны для КВ так или иначе будут масштабными — простейшая полноразмерная антенна имеет общую длину полотна в половину длины волны, то есть в нашем случае порядка 20 метров. Есть варианты сократить размер антенны тем или иным способом, однако при этом ее эффективность упадёт на тот же порядок, насколько вы сократили размер. Имея лишь 5-10 ватт в наличии, расходовать их таким образом — расточительно.
Хорошая новость — самодельные КВ-антенны не очень дорогие по сравнению с фирменными, и свои первые радиосвязи можно успешно проводить буквально на кусок аудиокабеля подходящей длины, если знать, как его правильно приготовить (искать speaker wire antenna).
Кстати, вот очень познавательная статья DisLord про нынешнее состояние рынка ***VNA. А то там чёрт ногу сломит! Тут же сам (со)автор разъясняет.
О важности высоты установки антенны
Вспомним, как распространяются короткие волны при дальних связях:
Здесь высота установки антенны (в частности, горизонтальной, к которым относится большая часть проволочных антенн) очень важна для успеха, особенно когда у вас нет запаса мощности. Чем больше длина волны, тем выше стоит вешать антенну — в идеале, ни один из горизонтальных элементов антенны не должен висеть ниже чем 0,16 длины волны (т.е. 3 метра на волне 20 м, 12 метров на волне 80 м).
В противном случае, с низко расположенной антенной (например, разложенной по окрестным кустам или висящей на высоте человеческого роста):
- Вы тратите мощность передатчика на обогрев земли, поскольку она находится в ближней зоне антенны.
- Диаграмма направленности задирается вверх, в результате солидная доля энергии передатчика пробивает ионосферу над вами и улетает в космос без какой-либо пользы.
- Однако при достаточно большой длине волны (80 метров) радиоволны будут отражаться обратно на землю даже из зенита, таким образом, будет работать ближняя радиосвязь (NVIS). Впрочем, это не поможет вам с дальними связями.
Увы, в полевых условиях у нас нет возможности строить 15-20-метровые мачты, приходится работать с тем, что есть...
— Карбоновое удилище длиной 6-10 метров (без колец и прочей фурнитуры)
Это самый легковесный вариант походной мачты — привязывается парой ремней к любому деревцу или даже к прочному кусту. Соответственно, если в сложенном виде удилище совсем короткое (сантиметров 45), то получаем порядка 5,5 метров высоты, а если подлиннее (сантиметров 80) — то 9 метров. Больше — лучше. Последнее самое тонкое колено (или два) стоит вклеить термоклеем в предыдущее, а то они под весом антенны гнутся так сильно, что начинают смотреть вниз и уменьшают высоту фактически.
Надо отметить, что хотя карбон имеет определённую проводимость, бояться этого не стоит — при работе антенны это не будет заметно, даже в случае с вертикалом. Единственное, что не нужно обматывать полотно вокруг карбоновой трубки или пропускать его внутри.
Не стоит надеяться, что удочка выдержит что-то помимо антенного провода — никаких балунов и свисающих с них коаксиалов. Для таких целей используют куда более массивные стационарные или возимые мачты, например, из стальных, алюминиевых или стеклопластиковых труб. На маркетах такие есть в продаже.
— Грузик с линем через ветку дерева
У меня неплохо себя показала идея с забрасыванием грузика через ветки — разумеется, в условиях, когда деревья имеются в наличии, имеют достаточную высоту, и сам лес не очень дремучий (если ветки начинаются с нижнего яруса, то ничего не получится). Идеально подходит лес с редко стоящими соснами.
С этой целью продаются специальные мешочки-грузики, но можно сделать подобный мешочек и самому — с помощью горсти свинцовых грузил общим весом грамм 200-300:
Напрашивающийся вариант вместо недешевого грузика использовать гайку М33 не подходит тем, что если она отрикошетит от ствола дерева в вашу сторону, то уничтожит всё на своём пути.
В качестве линя я использую косичку из UHMWPE длиной >25 метров (номинальная прочность 1000 фунтов) — при толщине в пару миллиметров она прочная, лёгкая и, главное, скользкая. Учтите, что обычный репшнур или просто какая попало верёвка будут работать гораздо хуже (путаться в ветках и сами по себе).
Реальная высота, на которую можно забросить грузик, очень сильно зависит от вашего навыка и конфигурации веток у деревьев, но в среднем на те же 10 метров можно рассчитывать. Достоинство грузика в том, что при наличии у вас дополнительной 15-метровой верёвки можно поочерёдно забрасывать грузик на разные деревья и поднимать высоко оба конца антенны.
Ещё можно использовать рогатку! Например, рыболовную для прикормки, или же специализированную альпинистскую, но те намного дороже. Планирую однажды попробовать.
Здесь требование к установке на высоте не предъявляется, такую антенну можно поставить на лёгком штативе (или забив в землю кол) даже при полном отсутствии деревьев, и она будет хорошо работать — но при условии наличия разложенных по земле противовесов (чем больше их, тем лучше, минимум 4).
Проблема в том, что полноразмерная вертикальная антенна имеет длину в четверть длины волны, и уже в случае с 40-метровым диапазоном 10-метровый вертикал возвести в полевых условиях будет затруднительно. Придётся его укорачивать с потерей КПД и полосы, и вдобавок добиться многодиапазонности у вертикала (как и у диполя) — это отдельная задача.
С другой стороны, в водных походах часто рядом с вами нет вообще никаких намёков на деревья, и в подобный поход логично захватить именно вертикал.
Проблема с длиной и массогабаритами антенного кабеля
При высоком расположении антенны неизбежно возникнет проблема с потребной длиной питающего кабеля — и самого кабеля потребуется больше, и его калибр придётся нарастить, чтобы потери не сожрали мощность вашего передатчика. А это — существенный рост массогабаритов (и цены).
Для примера, в полевых условиях, когда точка запитки антенны на высоте моего роста, я использую 10 метров тонкого кабеля RG174. В таком кабеле потеряется порядка 20% мощности — не так мало, но жить можно, особенно когда антенна согласована и не требуется тюнер.
С кабелем короче 10 метров уже есть риск, что кабель не дотянется до палатки, поскольку не всегда палатку можно поставить вблизи удобного дерева.
Если тюнер всё же требуется, то учитывайте, что при росте КСВ свыше 2 потери в линии начинают расти, и при КСВ=5 увеличиваются вдвое. В ваших интересах точку запитки антенны располагать как можно ближе к тюнеру и питать как можно более жирным кабелем — ну или двухпроводной линией любой длины, что однако уже не очень вяжется с портативностью.
А вот если развесить антенну на высоте 10 метров, то понадобится уже метров 20 кабеля, и в случае с RG174 там потерялось бы 40% мощности. Чтобы сохранить потери хотя бы в пределах 20%, нам придётся перейти как минимум на качественный кабель RG58. А это:
- Масса 780 г против 150 г (здесь и далее сравнивается 20 м RG58 против 10 м RG174).
- Объём мотка с учётом минимального радиуса изгиба больше в 8 раз (ориентировочно 2 л против 0,25 л).
- Стоимость, разумеется, также выше как минимум вдвое.
Я в полевых условиях не использую самую распространённую антенну — диполь — в том числе потому что её тяжелый балун в центре придётся на веревке поднимать на высоту (удочка его не выдержит), и вдобавок поднятый вверх балун приведет к соответствующему увеличению массогабаритов кабеля.
Успешные конструкции моих антенн
EFHW (полуволновый диполь, запитанный с конца)
Многодиапазонная антенна «полуволновый диполь, запитанный с конца» (end-fed half-wave aka EFHW) — моя самая ходовая антенна, она же — самая популярная на Западе для работы в поле.
Антенна представляет собой 40-, 20- или 10-метровый провод (на самом деле, процентов на 5 длиннее), подключающийся к трансиверу через трансформатор коаксиальным кабелем длиной 6-10 метров (он же работает противовесом, но при желании можно и отдельный противовес добавить). В зависимости от длины полотна, антенна позволяет без тюнера и перестройки работать на следующих диапазонах:
- 10-метровое полотно — 20 и 10 метров;
- 20-метровое полотно — 40, 20, 15 и 10 метров (самый мой ходовой вариант);
- 40-метровое полотно — в теории, все диапазоны с 80 по 10 метров. Но реально тут всё сложнее, т.к. диапазон 80 метров очень широк, и если настроиться на его верхнюю SSB-часть, то верхние диапазоны уедут вверх. А если настроиться на верхние диапазоны, то для SSB 80 м антенна окажется на 1-1,5 метра длиннее требуемого. Кроме того, такое количество диапазонов в одной антенне уже вероятно в некоторых случаях потребует использование тюнера (пусть даже самого простого ручного).
Достоинство антенны EFHW — возможность работать на нескольких кратных диапазонах без тюнера, подстроив длину антенны на самой большой длине волны из желаемых. Также она питается с одного конца, что позволяет использовать довольно короткий коаксиал (что снижает массогабариты и потери) и поднять лёгкую центральную часть (и/или конец антенны) высоко вверх на удочке. Стоит отметить хорошую скрытность антенны — проходящий где-то высоко провод заметить весьма сложно, вас выдаст лишь трансформатор с коаксиалом.
Для питания EFHW-антенны потребовалось самому изготовить трансформатор 64:1 на дорогом ферритовом кольце Amidon FT82-43 (от $10 за штуку), с конденсатором, по схеме QRPguys. Из-за высокого коэффициента трансформации какой попало феррит категорически не подойдёт, да и так потери в трансформаторе — порядка 25%.
Позже я сделал трансформатор 49:1 на более крупном кольце FT140-43, что призвано повысить эффективность, особенно на мощностях свыше 10 Вт.
На самом конце антенного полотна сделана петля с палаточным натяжителем шнура, которая позволяет в пределах полуметра скорректировать длину антенного полотна для настройки резонансных частот под конкретные условия.
✅ Несколько диапазонов в одной антенне с «автоматическим» переключением
✅ Предельная простота установки
✅ Легко переделать на любой желаемый диапазон, лишь заменив провод
⛔️ Нужно спаять трансформатор 49:1 (или 64:1) на дорогом ферритовом кольце
⛔️ Нужно каким-то образом поднять середину антенны как можно выше
⛔️ Потери в трансформаторе выше, чем у других антенн
Доработанная антенна EFHW с трапами
Эта антенна используется с тем же трансформатором, что и предыдущая. Общая длина полотна антенны — чуть меньше 40 метров. Благодаря наличию отсекающих колебательных контуров (трапов) на отметках в 10 и 20 метров, радиопередатчик «не видит» «лишний хвост» антенного провода, и на диапазоне 20 метров «думает», что антенна длиной всего 10 метров, на диапазоне 40 метров — словно длина 20 метров, а на диапазоне 80 метров работает вся длина антенны.
Каждый трап (в колбочке от бахил) — это параллельный LC-контур с заранее рассчитанными значениями ёмкости и индуктивности, настроенный так, чтобы его резонансная частота была немного выше, чем верхняя граница соответствующего диапазона. Соответственно, на резонансе антенный провод электрически размыкается.
По правде, принцип работы EFHW как раз не требует обязательного наличия трапов (в отличие от многодиапазонного диполя, где трапы необходимы). Однако было бы нереально добиться работы антенны одновременно на трёх диапазонах (80, 40, 20 метров) без тюнера, а использование трапов позволяет этого избежать (теоретически). Кроме того, на 20 метрах без трапов диаграмма направленности стала бы уже откровенно некрасивой, похожей на ежа-мутанта. Ещё и вверх какой-то мощный выброс...
40-метровое полотно антенны развешивается на двух 10-метровых карбоновых удочках.
С этой антенной удавалось проводить дальние связи на 20 метрах и в меньшей степени на 40 метрах. Также меня иногда слышали на 80 метрах, но только вблизи (около 200 км), поскольку на такой большой длине волны антенна неэффективна из-за низкого размещения, а мощности у меня мало.
✅ Три диапазона в одной антенне, причём можно без тюнера обойтись
✅ Приличная эффективность на 20 и 40 метрах
⛔️ Нужно спаять трансформатор 49:1 (или 64:1) на дорогом ферритовом кольце (от $10 за штуку)
⛔️ Высокая сложность в расчёте, изготовлении и настройке трапов, и это совершенно не факт, что даёт какой-то выигрыш по сравнению с банальным тюнером
⛔️ Длина провода в 40 метров вынуждает использовать аж две 10-метровые удочки для его развешивания
⛔️ Большие массогабариты в сложенном виде
⛔️ Потери в трансформаторе выше, чем у других антенн
В антеннах EFHW трапы имеют практический смысл для включения некратных диапазонов, например, 30 метров на полотне длиной 20 м.
Горизонтальная рамка периметром 80 метров — Skyloop
Антенна имеет размеры примерно 18х27 метров в плане, стационарно установлена на даче с использованием самодельных мачт высотой 6-10 метров из бруска (40х40х3000 мм), алюминиевого профиля, 10-метровых карбоновых удочек, а также закинутых грузиков на ветки деревьев. Моя антенна представляет собой неправильный шестиугольник, но может быть и любым другим многоугольником, в зависимости от местных условий.
После первичной установки антенны она пробивается анализатором на самой низкой из желаемых частот, оценивается необходимое направление и величина ее удлинения/укорочения, длина полотна подгоняется соответственно (поэтому целесообразно изначально длину провода взять с запасом, а в процессе настройки лишнее отрезать — это проще, чем напаивать дополнительные куски провода).
После первоначального подбора длины по нижнему диапазону производится финишная доводка длины по более высокочастотным, чтобы на них резонанс также располагался где нужно. Финишную доводку удобно проводить, формируя с помощью стяжек мотки провода размером с монету, при этом такой моток является индуктивностью и электрически удлиняет антенну.
Параллельно оценивается номинал потребного трансформатора (2:1, 2.25:1, 4:1...) — в моём случае на всех диапазонах значение R вышло в среднем 50 Ом (плюс-минус лапоть), и без трансформатора тюнер (ATU-10 от N7DDC) нормально справлялся, поэтому я просто сделал дроссель-балун 1:1 для отсечки синфазных токов оплётки.
С этой антенной можно успешно работать вообще на всех любительских КВ-диапазонах от 80 метров, причём начиная с 30 метров резко увеличивается усиление в направлениях, противоположных точке запитки (поэтому точку запитки следует располагать так, чтобы антенна не светила на Новую Землю). На мощности 8 ватт удавалось проводить голосовые связи на расстоянии 3700 км (Португалия), связи в цифре — на 7500 км (Япония), а чисто физически слышно меня в Новой Зеландии. Впервые удалось проводить дальние связи на расстояние больше 1000 километров на 80 м с рапортами 59.
Поскольку точка запитки этой антенны фиксирована, то при необходимости запитывать ее с большого расстояния я планирую растянуть самодельную двухпроводную линию, которая обойдётся намного дешевле жирного коаксиального кабеля, а потери в такой линии будут ниже.
✅ Работает аж на 8 диапазонах (80-40-30-20-17-15-12-10 метров), если есть тюнер
✅ Выраженное усиление на 30 метрах и выше, что даёт уверенные связи на 2000 км и более.
✅ По отзывам других радиолюбителей, это действительно очень эффективная антенна как на приём, так и на передачу
✅ Петлевая конструкция снижает уровень помех на входе приёмника
⛔️ Сугубо стационарная антенна для большого дачного или приусадебного участка (но можно уменьшить периметр до 40 метров, урезав перечень диапазонов вдвое — до 40—20—15—10 метров).
⛔️ Нужен тюнер, который вносит потери + потери в кабеле от тюнера до точки запитки
⛔️ Масштабные строительные работы
Компактная вертикальная антенна на 20, 30, 40 метров
Изготовлена по схеме QRPGuys с тем отличием, что у меня за переключение диапазонов отвечает один трёхпозиционный переключатель.
Эта антенна — полноразмерная для 20-метрового диапазона, а на 30 и 40 метров применяются коммутируемые удлинительные катушки. Антенна устанавливается с помощью 6-метровой карбоновой удочки и легкого карбонового штатива. Также возможна установка с помощью металлического кола, забиваемого в землю.
Используется 4 приподнятых противовеса длиной 5 метров (реально длина меньше, т. к. они вьются), но можно взять и 8 штук — будет только лучше.
Антенна показала себя достаточно эффективной, особенно на диапазоне 20 метров, поскольку вертикал излучает под небольшим углом к горизонту, и в космос ваша энергия не улетает.
Обратная сторона медали — невероятно длительная и трудоёмкая настройка антенны (а также процесс изготовления, но это уже следствие моих личных заморочек со сверхкомпактными корпусами). По сравнению с этим, любая стандартная антенна EFHW — «plug-n-play».
При настройке проблема в том, что на 40 метрах эта антенна крайне узкополосная за счёт большого укорочения, поэтому длина вашего антенного провода должна подбираться с точностью до сантиметра (и всё равно КСВ лишь со скрипом удастся сделать ниже 2 на 40 метрах во всем диапазоне). Также вам вероятно потребуется 1-2 раза всё разбирать и с паяльником наращивать/убирать витки на катушках. И при каждой установке потребуется снова поиграться с необходимой длиной провода для данных условий.
Между антенной и фидером я подключаю устройство подавления синфазных помех — синфазный дроссель-унун по схеме бифилярной намотки PA9X на сердечнике FT82-43.
✅ Хорошая эффективность на 20 метрах
✅ Требование к высоте установки не применяется
✅ Высота антенны лишь 6 метров
✅ Разворачивается даже в чистом поле лишь на одной компактной удочке
⛔️ Чрезвычайно трудоёмкий процесс первичной настройки, сложная конструкция блока коммутации катушек
⛔️ На 40 метрах из-за укороченности слишком узкая полоса, КСВ на границах диапазона подбирается к 2, и эффективность средненькая — отдаваемая в эфир мощность процентов на 25 ниже, чем у полноразмерного вертикала
⛔️ Требовательность к хорошему высокочастотному заземлению. От основания антенны должны расходиться минимум 4 радиальных 3...5-метровых противовеса.
⛔️ Нет автоматического переключения диапазонов
⛔️ Никакой скрытности — любому понятно, что это антенна, причём большая
Сравнение эффективности различных антенн
Благодаря существованию сайта pskreporter.info, у радиолюбителей есть возможность очного сравнения эффективности различных антенн между собой. Достаточно лишь отработать минут 10 по протоколу FT8 — и на карте появится множество точек, в которых ваш позывной был услышан. Поскольку у меня есть два позывных, я после этого подключаю другую антенну, ввожу второй позывной, работаю еще 10 минут — и сравнение двух карт наглядно показывает, какая антенна добивает дальше в данных условиях.
Если позывной только один, то можно воспользоваться тем, что PSKreporter даёт возможность отобразить лишь точки, полученные за последние 15 минут.
Разумеется, картинки распространения радиоволн, сделанные в разные дни и даже в разные часы, нельзя сравнивать между собой — кроме как для оценки флуктуаций распространения с одной и той же антенной.
Сравнение вертикала и Skyloop на 20 и 40 метрах
Skyloop — это весьма серьёзная антенна, которая эффективна на всех поддерживаемых диапазонах.
Очевидно, что укороченность вертикала не идёт ему на пользу на 40 метрах, и дальние связи на этом диапазоне невозможны. Тогда как на 20 метрах вертикал полноразмерный и показывает неплохую эффективность, особенно с поправкой на то, что он не висит высоко в воздухе, а стоит во дворе дачного дома.
Сравнение вертикала и EFHW на 20 и 40 метрах
На 40 метрах аналогичная ситуация — EFHW с 20-метровым полотном показывает хорошую эффективность (с поправкой на не очень выгодную диаграмму направленности из-за малой высоты подвеса), а вертикал проигрывает, как и положено укороченной антенне.
А вот на 20 метрах ситуация перевернулась, хотя расчётная модель EFHW показывает как раз-таки неплохое усиление. Единственное объяснение, которое я нахожу, — направления на запад (Великобритания) и на восток просто попали в минимум диаграммы направленности этой конкретной EFHW:
Чтобы реабилитировать EFHW, прогоняем её на 15 и 10 метрах, и видно, что там с дальнобойностью как раз всё замечательно, не хуже, чем в аналогичных условиях показывает Skyloop:
Владимир Горбунов (R1BNG)
2024 год
P.S. Мои неудачные опыты с антеннами
«Длинный луч» (LW)
Свои поиски в области антенн я начал с очень простой конструкции типа «длинный луч» (LW) — пары длинных кусков провода, подключаемых непосредственно к выходу трансивера через переходник. Настройка антенны осуществляется методом проб и ошибок с помощью антенного анализатора, подбирая длину проводов и их взаимное расположение (один провод идёт по земле и служит противовесом, другой — развешивается по веткам деревьев и кустов как можно выше).
Удалось провести радиосвязь на 620 км при длине волны 40 м, однако слышно меня было плохо. Это неудивительно с такой примитивной и, главное, низко висящей антенной. Но ее можно развить до неплохой многодиапазонной антенны типа Random Wire, добавив трансформатор 4:1 (или 9:1) и тюнер, а также развесить повыше.
✅ Предельная простота и дешевизна
⛔️ Очень длительная настройка под нужную частоту в отсутствие тюнера
Укороченный ручной телескоп
Ради пробы изготовил укороченную антенну на диапазон 20 метров от DL1DN, купив на Али телескопическую штангу длиной 1,5 метра. В качестве основы для удлинительной катушки подошла 40-мм надвижная втулка от внутренней канализации с парой пробок. Такая антенна показала себя неудобной, поскольку питерская осень — не тот сезон, чтобы стоять на улице с трансивером в руке. Хочется всё же работать, не вылезая из спальника или греясь у печки. Кроме того, риск выломать разъём из трансивера крайне высок.
Впоследствии сделал из этой антенны мобильный телескоп на маленьком штативчике.
⛔️ Работа возможна только с передатчиком в руке, есть риск выломать антенный разъём
⛔️ Неэффективна, особенно на длинах волн свыше 20 метров
⛔️ Длительная первичная настройка с подбором размещения отвода
Двойная дельта на 20 метров (направленная)
Антенна представляет собой подвешенные на двух 10-метровых удочках два треугольника из провода, периметр каждого из них — около 22 метров, один немного больше другого. К меньшему из них подводится питание, и он называется вибратором. Больший — просто висит в воздухе и называется рефлектором.
Коэффициент усиления такой антенны высок — на 7 дБ больше, чем у EFHW (x5 по мощности) — и это позволит гораздо более эффективно использовать мощность трансивера, нацеливая луч куда-то на юго-запад или на юго-восток.
Проект показал себя неудачным — антенна настолько тяжёлая, что удочки ее не выдерживают и пригибаются к земле, вдобавок распутывание и последующее развешивание 45 метров провода (и ещё столько же верёвочек) — занятие не для слабонервных. Учитывая, что антенна изначально предполагалась для работы лишь на одном диапазоне, это со стороны больше похоже на акт отчаяния, чем на реалистичный проект.