Как рассчитать начальную длину полуволнового диполя на 27 МГц с учётом коэффициента укорочения и концевого эффекта

Диполь выглядит обманчиво просто. Два куска провода, коаксиальный кабель посередине, ничего лишнего. Радиолюбители с опытом знают, однако, что этот нарочитый аскетизм таит в себе немало тонкостей. Антенна, намотанная строго по формуле, почти никогда не резонирует ровно там, где должна. Всегда оказывается, что провод нужно укоротить, и не по одному разу. Именно это и составляет суть практической настройки: не поиск правильной формулы, а умение работать с живой антенной в живых условиях.

На частоте 27 МГц, которая населяет диапазон гражданской радиосвязи, называемый Си-Би, дипольная антенна приобретает особую актуальность. Размеры ещё разумны, конструкция доступна, а требования к точности настройки вполне конкретны: диапазон 26,965-27,405 МГц, и в этих пределах антенна должна работать с КСВ, не превышающим 1,5-2,0.

Откуда берётся расчётная длина и почему она всегда неточна

Длина волны на частоте 27 МГц в свободном пространстве составляет ровно 300/27 = 11,11 метра. Полуволновой диполь, если бы он был бесконечно тонким проводником без каких-либо концевых эффектов, имел бы длину 5,56 метра, по 2,78 метра на каждое плечо. Волновое сопротивление такой идеальной антенны составляет 73,1 Ом, что достаточно близко к 75 Ом, чтобы питать её коаксиальным кабелем без дополнительного согласования.

Реальный вибратор с реальным диаметром провода ведёт себя иначе. Конечная толщина проводника вносит краевую ёмкость на концах плеч: каждый конец провода обменивается зарядом с окружающим пространством так, как будто антенна немного длиннее своих физических размеров. Это явление называется концевым эффектом. Из-за него для достижения резонанса на заданной частоте антенну нужно укоротить относительно половины длины волны. Коэффициент укорочения для проволочного диполя из провода диаметром 1-3 мм принимается равным 0,95-0,96 в зависимости от соотношения диаметра провода и длины волны. Для трубчатых вибраторов большего диаметра он снижается до 0,92.

Применив коэффициент 0,95, получают расчётную длину диполя на 27 МГц: 5,56 × 0,95 = 5,28 метра, по 2,64 метра на плечо. Но это ещё не конец истории. На реальную резонансную частоту влияют высота подвеса антенны над землёй, материал и сечение провода, способ крепления концов, наличие изоляции на проводе, близость строений, деревьев и металлических предметов. Всё это смещает резонанс, причём непредсказуемым образом. Именно поэтому любой опытный антеннщик изготавливает полотно с запасом в 5-10% от расчётной длины и потом методично подрезает, а не пытается сразу попасть в нужный размер.

Балун и почему без него начинать настройку не стоит

Прежде чем перейти к подрезке, нужно разобраться с одним принципиальным элементом, без которого настройка теряет смысл. Дипольная антенна симметрична: оба плеча работают в противофазе, токи в них одинаковы по амплитуде и противоположны по направлению. Коаксиальный кабель несимметричен: по его центральной жиле ток течёт в одном направлении, а по экрану в другом. Если подключить кабель к диполю напрямую, без устройства симметрирования, ток из антенны затекает на внешнюю поверхность оплётки кабеля. Оплётка превращается в третье плечо антенны, диаграмма направленности искажается, входное сопротивление меняется непредсказуемо.

Балун (BALanced-UNbalanced) разрывает этот паразитный путь. Простейший вариант для 27 МГц, который не требует ни намотки, ни специальных компонентов, это так называемый кабельный дроссель. Примерно метр коаксиального кабеля, идущего от точки питания антенны вниз, сматывается в катушку диаметром 10-15 сантиметров из 5-8 витков и перехватывается стяжкой. Индуктивность такой катушки на 27 МГц создаёт высокое сопротивление для тока, текущего по внешней поверхности оплётки, и эффективно подавляет его. Антенна начинает вести себя как симметричный вибратор, и только в этом состоянии измерения КСВ и резонансной частоты становятся достоверными.

Первое измерение и исходная точка для подрезки

Для определения резонансной частоты и КСВ нужен прибор. Антенный анализатор типа RigExpert, MFJ-259 или самодельный резисторный мост с приёмником дают возможность найти точку минимального КСВ, не включая передатчик. Это предпочтительный вариант: настройка с передатчиком требует постоянных включений на излучение, что нежелательно при рассогласованной нагрузке.

Если анализатора нет, используют метод с КСВ-метром и передатчиком. Передатчик включают на минимальной мощности, 0,5-1 Вт, и фиксируют показания. Это важно: при высоком КСВ мощная станция работает с перегрузкой выходного каскада, и многократные включения на плохую нагрузку сокращают жизнь транзисторам.

Итак, антенна подвешена с запасом по длине, балун установлен, прибор подключён. Предположим, первое измерение показывает минимум КСВ на частоте 26,2 МГц при длине плеч 2,75 метра. Это значит, что антенна слишком длинная, резонирует ниже нужной частоты 27,2 МГц. Для подъёма резонанса нужно укоротить плечи.

Зависимость резонансной частоты от длины вибратора линейна в небольшом диапазоне. Это позволяет рассчитать примерную величину подрезки. Разность частот 27,2 - 26,2 = 1,0 МГц составляет около 3,8% от рабочей частоты. Значит, плечи нужно укоротить примерно на 3,8% от 2,75 метра, то есть примерно на 10 сантиметров с каждой стороны. Первый рез делается не на расчётную величину, а с запасом процентов в 30, то есть на 7 сантиметров. Лучше подрезать несколько раз, чем срезать лишнее и укорачивать обе стороны снова ради симметрии.

Процедура последовательной подрезки

После каждого реза плечи выравниваются: длина правого и левого плеча должна отличаться не более чем на 5-10 миллиметров. Асимметрия плеч сдвигает точку питания из центра антенны и меняет входное сопротивление. Небольшое отличие в длине, которое неизбежно при ручном отрезании, на практике не критично, но систематическую асимметрию допускать не стоит.

Процедура выглядит следующим образом:

1. Измерить частоту минимального КСВ и его значение.
2. Рассчитать необходимое смещение частоты вверх в процентах.
3. Подрезать каждое плечо на 60-70% от расчётной величины.
4. Выровнять длины плеч.
5. Расправить антенну в рабочее положение, выдержать несколько минут.
6. Повторить измерение.

Шаг 5 не случаен. Провод, который скрутили при транспортировке или при отрезании, имеет остаточные напряжения. После расправления он слегка меняет свою геометрию, и резонанс немного сдвигается. Проводить измерение сразу после реза и сразу получать "финальный" результат ошибочно.

По мере приближения резонанса к целевой частоте шаг подрезки сокращают. На последних итерациях снимают по 1-2 сантиметра с каждого плеча. Диапазон 27 МГц имеет ширину около 440 кГц, и для перекрытия его с КСВ не выше 1,5 достаточно попасть в резонанс с точностью плюс-минус 100-150 кГц. Это соответствует точности длины плеча плюс-минус 15-20 миллиметров, что вполне достижимо при аккуратной работе.

Влияние высоты подвеса и окружающей среды

На частоте 27 МГц длина волны 11 метров, и влияние земли на параметры антенны ощутимо на высотах подвеса до двух-трёх длин волн, то есть примерно до 30 метров. Большинство самодельных установок монтируются на высоте от 3 до 10 метров, где земля заметно влияет на входное сопротивление.

При высоте подвеса центра диполя 3 метра входное сопротивление антенны в резонансе снижается до 50-60 Ом вместо теоретических 73 Ом. Это делает 50-омный коаксиальный кабель почти идеальной нагрузкой для антенны на этой высоте, что нередко приятно удивляет тех, кто ожидал необходимости согласующего устройства. На высоте 8-10 метров сопротивление приближается к 65-70 Ом, что ещё укладывается в рамки разумного КСВ с 50-омным кабелем.

Но высота влияет не только на сопротивление. Близость металлических конструкций, кровли из металлочерепицы, водосточных труб меняет эффективную длину антенны за счёт индуктивной и ёмкостной связи. Антенна, настроенная в подвешенном состоянии на 5 метров от земли над травяным полем, после переноса под крышей дачи с металлическим покрытием уйдёт по частоте на несколько сотен килогерц. Поэтому окончательную настройку всегда проводят в условиях, максимально приближенных к постоянным рабочим условиям.

Почему нельзя сгибать концы вместо подрезки

Соблазн велик: вместо того чтобы отрезать лишнее и потом не иметь возможности вернуться, загнуть конец провода под прямым углом вниз или назад. Многие так делают на первых порах. Это работает, но плохо. Загнутый конец продолжает нести ток, создавая паразитную вертикальную составляющую. Токи в прямом и загнутом участке частично компенсируют друг друга, но не полностью: остаточная составляющая деформирует диаграмму направленности и вносит реактивность в точку питания. КСВ при этом улучшается, но антенна уже не является чистым горизонтальным диполем.

Правильный путь только один: резать. Срезанные концы не возвращаются, зато антенна остаётся геометрически правильной. Именно поэтому и начинают с запасом в длине: это страховка, которая позволяет делать несколько резов, не опасаясь промахнуться.

Финальная проверка и признаки правильно настроенной антенны

После нескольких итераций подрезки минимум КСВ должен оказаться на частоте в середине используемого диапазона, например на 27,2 МГц для канала дальнобойщиков, или на выбранном рабочем канале. Значение КСВ в минимуме для горизонтального диполя на высоте 5-8 метров обычно укладывается в диапазон 1,1-1,3 при питании 50-омным кабелем. На краях диапазона, то есть на 26,965 и 27,405 МГц, КСВ вырастает до 1,4-1,8 в зависимости от добротности антенны, которая в свою очередь зависит от диаметра провода.

Толстый провод или трубка с диаметром 8-12 мм дают более широкую полосу и позволяют удерживать КСВ ниже 2 по всему Си-Би диапазону без перенастройки. Провод 1-2 мм работает как узкополосная антенна и требует настройки под конкретный канал. Это не недостаток, а свойство, которое нужно знать заранее и выбирать диаметр провода осознанно.

Правильно настроенная дипольная антенна не требует тюнера. Она согласована с кабелем естественным образом, принимает всю мощность передатчика и излучает её в эфир. Подрезка, которая кажется механической работой, на деле это последний шаг превращения куска провода в настоящий инструмент радиосвязи.