Багатодіапазонні антени користуються у радіоаматорів великою популярністю. Радіоаматори можуть проводити радіозв'язку на 9 короткохвильових діапазонах, але рідко мають можливість встановити окрему антену на кожен з цих діапазонів. До вашої уваги цікаву конструкцію багатодіапазонними антени, в антенном полотні з набором лише котушки індуктивності і відсутні будь-які заграждающие фільтри-пробки (трапи). Однак така антена сильно вкорочена на самому низькочастотному з робочих діапазонів, внаслідок чого смуга її робочих частот кілька вже, ніж у повнорозмірною антени.
Однією з найвідоміших багатодіапазонних антен є, мабуть, антена з фільтр, що загороджує (наприклад, конструкції W3DZZ). Коливальні контуру (трапи), встановлені в полотні такої антени, служать для того, щоб антена була резонансною в декількох аматорських KB діапазонах.
Виготовити та встановити заграждающие фільтри в домашніх умовах може далеко не кожен радіоаматор. Окремою проблемою є електрична міцність конденсаторів, використовуваних в «трапах». Тому антени з коливальними контурами радіоаматори рідко виготовляють самостійно. А ось CWL-трап можна реалізувати взагалі без конденсатора. тільки за допомогою однієї котушки, виготовити яку не складає великих труднощів будь-якому радіоаматорові. Таким чином, відкриваються великі можливості для аматорського конструювання простих багатодіапазонних антен.
Розглянемо принцип роботи заграждающего фільтра, встановленого в полотні антени. Вище, на рис.1 показана типова схема двухдиапазонной трапової антени. У кожному плечі антенного полотна встановлений коливальний LC-контур. На своїй резонансній частоті цей контур працює як фільтр, що загороджує, який, теоретично, має нескінченно великий опір. Кінцеві частини антени поблизу резонансної частоти не мають жодного впливу на властивості антени, а випромінювання електромагнітної енергії забезпечують тільки внутрішні провідники. Отже, довжина Lа повинна бути обрана так, щоб антена на частоті f1 була в резонансі. На інших діапазонах фільтр, що загороджує не є ізолятором, а створює в антені комплексне опір, залежне від частоти. На частотах, що перевищують резонансну частоту заграждающего фільтра, воно ємнісне (тобто вкорочує електричну довжину антени), а на частотах нижче резонансної - індуктивний (тобто збільшує електричну довжину антени).
Таким чином, завдяки цим властивостям коливального контуру можна домогтися роботи антени ще на одному діапазоні. Найчастіше коливальний контур конструюється так, що другий діапазон (наприклад, f2 = 3,6 МГц) вибирається по частоті нижче першого (наприклад, f1 = 7 МГц), тому в діапазоні 3,6 МГц фільтр, що загороджує діє як подовжує котушка. Номінали L і С заграждающего фільтра, а також довжина кінцевих частин Lb (рис.1) полотна антени визначають другу частоту f2, на якій антена буде резонансною. Якщо в антенном полотні встановити кілька трапів, налаштованих на певні частоти, то можна виготовити антену, резонуючі в чотирьох і більше аматорських KB діапазонах.
Отже, коливальний контур в антені не обов'язково повинен діяти як фільтр, що загороджує. Крім того, LC-контур можна розміщувати в будь-якому місці антенного полотна. У разі правильного вибору номіналів L і С також можна досягти обох необхідних резонансів. Тоді коливальний контур повинен бути розрахований так, щоб в обраному місці антенного проводу для будь-якого діапазону досягалася бажана индуктивная або місткість навантаження. Такий вид коливальних контурів в антені менш відомий радіоаматорам, проте він досить поширений в промислово випускаються антенах.
Як ми вже відзначали, виготовлення і настройка заграждающих фільтрів для деяких радіоаматорів може бути проблематичною. Однак якщо взяти до уваги, що коливальний контур не обов'язково повинен працювати як фільтр, що загороджує, то конструювати багатодіапазонними антену стане значно простіше. Для фільтра необхідно тільки знайти таке місце на антенном полотні, яке забезпечить роботу антени в декількох діапазонах. При цьому, щоб не займатися точним настроюванням коливального контуру, можна змінювати загальну довжину антени, впливаючи тим самим на обидві резонансні частоти.
З іншого боку, радіоаматор, який виготовив коливальний контур, для настройки антени в резонанс може тільки трохи змінити довжину проводів Lа і Lb (рис.1) симетричних антенах важливо, щоб обидва коливальних контура були конструктивно однаковими і працювали на одній і тій же резонансній частоті . Втім, якщо залежить від антени, подібна W3DZZ, то найчастіше досить незначно змінити довжину проводів Lа і Lb щоб домогтися резонансу в бажаної смузі частот.
Нехай при заданій загальній довжині антени потрібно досягти резонансу в двох діапазонах. Залежно від того, де повинен бути встановлений коливальний контур в антенном полотні (при заданій його загальній довжині), отримаємо різні номінали L і С. Розмірковуючи далі, приходимо до висновку, що, підібравши такі умови, при яких з контуру можна видалити конденсатор ( тому що його ємність буде близька до нуля), можна залишити тільки «подовжує» котушку. Таким чином, встановивши в полотні антени тільки котушку, можна перекрити два діапазони.
Після декількох років досліджень Jurgen Weigl, OE5CWL, розробив методику розрахунку дротяної антени з котушкою індуктивності. Ця методика придатна для розрахунку антен з вільно обраними частотними співвідношеннями. Найпростіше сконструювати таку антену в тому випадку, якщо обидві резонансні частоти знаходяться не дуже близько один від одного.
Очевидно, що відсутність конденсаторів в таких антенах значно підвищує їх експлуатаційну надійність і практично знімає обмеження на підводиться до антени потужність.
Котушки дуже легко виготовити самостійно, і, крім того, зникає необхідність трудомісткої настройки заграждающего фільтра.
Проробимо простий умоглядний експеримент з фільтр, що загороджує, який складається з котушки і конденсатора, обкладки якого виконані у вигляді пластин. Конденсатор має порівняно маленьку ємність внаслідок щодо великої відстані між обкладинками, яка відповідає довжині котушки (рис.2).
Тепер зробимо обкладання дуже вузькими (рис.2б). Ємність конденсатора стане ще менше. Але дуже вузькі обкладання конденсатора можна замінити відрізками дроту, наприклад, що звисають з котушки, і, в кінцевому рахунку, байдуже, однакова (Ріс.2в) або різна (ріс.2г) довжина обох проводів. Довжина цих відрізків впливає виключно на ємність між ними, яка в будь-якому випадку зберігається (ріс.2д), але значення її невелика. Отже, два відрізка проводу і котушка є ланцюг, що складається з котушки і конденсатора, утвореного цими відрізками проводів. Ємність, утворена двома відрізками дроту завдовжки по 1 м, становить приблизно 4 пФ. Цього достатньо, щоб сконструювати фільтр, що загороджує для KB діапазону за допомогою однієї котушки відповідної індуктивності. Беручи до уваги ємнісне дію цих відрізків, такий ланцюг іноді називають «CWL-Trap» (від англійського Capacity by Wire Loading- ємність, створена проводами).
Тепер розглянемо схему, наведену на рис.3.
Котушка має індуктивність 27 мкГн. Загальна довжина проводу від точки А до точки В становить 2,5 м, діаметр дроту - 2 мм. При цьому котушка розташована на відстані 0,65 м від одного кінця дроту, отже, довжини відрізків і складають 0,65 і 1,85 м відповідно.
Моделювання такої схеми показує типову характеристику (рис.4) повного опору заграждающего фільтра.
На резонансній частоті 14,150МГц реактивний опір (штрихова лінія) приймає значення -8 до +8, а активний опір буде дуже високим (приблизно 2 МОм).
Ця проста конструкція, що складається з котушки і двох щодо коротких проводів (CWL-трап), діє точно так же, як фільтр, що загороджує (LC-трап) на діапазон 20 м. Тому CWL-трап можна підключити до диполю 20-метрового діапазону, освіченій проводами довжиною Lo (рис.5).
Внаслідок великого опору CWL-тpana в 20-метровому діапазоні диполь «не бачить» кінцеві частини L2. Насправді, зрозуміло має місце незначний вплив трапа на диполь, внаслідок чого змінюється коефіцієнт укорочення антени, і, отже, її фізичні розміри.
CWL-трап дозволяє змінювати розміри антени в широких межах. Залежно від того, в якому місці її полотна знаходиться котушка, потрібна різна індуктивність. Мінімальне значення індуктивність має точно в середині контуру, утвореного шматками дроту, тобто якщо L1 і L2 мають рівну довжину (штрихова лінія на рис.6).
Тільки в цьому випадку ємність, створювана обома проводами L1 і L2, є максимальною. Чим далі зміщується котушка до одного з кінців, тим менше буде діюча (активна) ємність і тим більше повинна бути індуктивність котушки для досягнення резонансу.
Тепер розглянемо докладніше двохдіапазонний диполь (рис.5), призначений для роботи на двох частотах - f1 і f2. Нехай f1> f2. Очевидно, що при виготовленні антени від точки харчування F до котушки L буде використовуватися суцільний дріт. Проте, для полегшення сприйняття принципу роботи такої антени цей провід розділений на два відрізки - L0 і L1. Довжина L0 становить лямда / 4 для першої резонансної частоти f1. Щоб отримати цей резонанс, решта антени, що складається з індуктивності L і відрізка проводу L2, як уже говорилося, повинна працювати як CWL-трап. Очевидно, що цього можна домогтися вибором довжини проводів L1 і L2 і індуктивності котушки. При заданій загальній довжині кінцевих відрізків L1 і L2 можна переміщати котушку всередині відрізка, утвореного L1 і L2, що, згідно з графіком на рис.6 (штрихова лінія), вимагає різних значень її індуктивності.
На частотах, які відхиляються від резонансної частоти f1 CWL-трапа, антена має або ємнісний, або індуктивний опір. Тому повинна бути задана друга резонансна частота f2 для всієї антени, яка визначається загальною довжиною антени, тобто L0 + L1 + L2 і індуктивністю L. При цьому встановлена в полотні антени індуктивність діє як подовжує котушка, отже, f2 є більш низькою частотою, ніж f1.
Тут має місце вплив на частоту f2 як індуктивності, так і положення котушки. Якщо змінити положення котушки всередині CWL-тpaпa при заданій загальній довжині L1 + L2 то отримаємо різні значення індуктивності L (суцільна лінія графіка на рис.6).
Як видно з рис.6, є одна точка, в якій перетинаються штриховая (для частоти f1) і суцільна (для частоти лінії графіків. Цій точці перетину на осі Y відповідає індуктивність котушки, яка дозволяє використовувати антену на обох частотах - f1 і f2, а на осі X - положення котушки всередині відрізка L1 + L2.
Залишається тільки показати, що завжди є точка перетину цих кривих, і тим самим, завжди знаходиться рішення для створення двухдиапазонной антени. При цьому загальна довжина антени в подальшому може вибиратися довільно, оскільки вона більше лямда / 4 для більш високочастотного діапазону. Крім того, обидва діапазони не обов'язково повинні мати «гармонійне» співвідношення.
Звичайно, щоб отримати індуктивність котушки, придатну для практичної реалізації, відрізки L1 і L2 не повинні бути занадто короткими. Для KB антен буде достатній відрізок проводу (L1 + L2) довжиною від 1 м і більше. Якщо в розпорядженні радіоаматора є тільки коротші дроти, то, зрозуміло, також існує розрахункове рішення. Але тоді індуктивність буде така велика, що CWL-трап уже важко реалізувати. При конструюванні антен з CWL-трапами можна орієнтуватися на котушки з індуктивністю від 1 до 300 мкГн.
Для створення Трьохдіапазонний (наприклад, 160, 80 і 40 м) антени потрібно включити ще один CWL-тpaп (рис.7).
У цій антені котушки індуктивності намотані мідним дротом діаметром 1 мм в лакової ізоляції на ПВХ-трубі діаметром 50 мм.
Як приклад розглянемо розрахунок дводіапазонного диполя на діапазони 80 і 40 м, який має загальну довжину 2 × 15 М. Прийнявши коефіцієнт укорочення антени 0,95, отримуємо, що для діапазону 40 м L0 = 10,11 м. Отже, загальна довжина відрізків L1 і L2 CWL-трапа становить 15-10,11 = 4,89 (м).
Для визначення індуктивності котушки в залежності від її положення між відрізками L1 і L2 скористаємося графіками на рисунку 8.
Точка перетину графіків, виходить при L1 = 1,9 м і індуктивності 56 мкГн. При зазначених розмірах і індуктивності котушки антена працює в діапазонах 80 і 40 м. Це підтверджують результати моделювання такої антени у вільному просторі (рис.9), які показують, що перший резонанс антени розташовується на частоті 3,55 МГц, а другий резонанс - на 7,2 МГц.
Але перш ніж почати виготовляти таку антену, необхідно взяти до уваги ще одну обставину. Будь-яка реальна котушка індуктивності має власну ємність. Типове значення власної ємності котушок, застосовуваних у CWL-трапах KB антен, становить від 1 до 2,5 пФ, що можна порівняти з ємністю, утвореної відрізками проводів. Тому в розрахунках антен з CWL-трапами власну ємність котушки також варто було б враховувати. Однак основна складність якраз і полягає в точному визначенні власної ємності. Можна рекомендувати оцінювати власну ємність одношарових котушок с. малою індуктивністю в межах 1,5 - 2 пФ, котушок з великою індуктивністю-від 2,5 до 3 пФ.
При виготовленні котушки для антени, призначеної для роботи в суміжних діапазонах (15/17 або 10/12 м), слід прагнути отримати її мінімальну власну ємність, тому необхідно застосовувати мідний дріт без ізоляції (або в лакової ізоляції), намотаний з кроком на високоякісному каркасі з кераміки, фторопласта і т.д. Очевидно, що індуктивність і власна ємність двох котушок, що встановлюються в плечі диполя, повинні мати мінімальний розкид параметрів.
У таблиці нижче наведені дані, якими можна скористатися для виготовлення двухдиапазонной антени з CWL-трапами (рис.5).
Налаштування антен з CWL-трапами проводиться підбором як загальної довжини полотна антени, так і положення котушки між відрізками проводів, що утворюють ємність. Вдаватися до зміни попередньо розрахованої індуктивності CWL- »трапа» слід тільки в самому крайньому випадку, коли зміна геометричних розмірів провідників антени не призводить до позитивного результату.
При налаштуванні необхідно уявляти, як поведе себе антена при зміні її довжини. Якщо загальна довжина антени збільшується подовженням відрізка L2, то тоді обидві резонансні частоти f1 і f2 (f1> f2) переміщаються вниз. При цьому результати можуть сильно відрізнятися. Якщо L2 більше L1, то L1, фактично, визначає ємність CWL-трапа і частоту резонансу f1. Подовження L2 має дуже незначний вплив на першу резонансну частоту f1. Але подовження антени завжди викликає зниження обох резонансних частот.
Якщо котушку при постійній загальній довжині рухати далі назовні (до кінців антени), то підвищується друга резонансна частота - і навпаки, ця резонансна частота знижується, якщо котушку рухати всередину. З огляду на ці фактори і запасшись терпінням, антену можна налаштувати на необхідні частоти.