Рис. 1.
Возникла задача добавить диапазон 14 MHz в уже существующий λ/4 GP диапазона 7 MHz, стоящий прямо на земле.
Решений двухдиапазонных GP описано немало (в том числе и на этом сайте). Но все они требуют высоты, которая на нижнем диапазоне не равна λ/4. Т.е. модернизировать уже существующий λ/4 GP теми решениями не получится. Нужно что-то другое.
Если однодиапазонный λ/4 GP НЧ диапазона стоит прямо на земле, то его входное сопротивление Rвх будет складываться из сопротивления излучения вертикалаλ/4 GP Ra = 37 Ом и сопротивления потерь в земле\системе заземления Rз, которое при средней земле и разумном количестве радиалов в диапазонах 7 и 3,5 MHz обычно лежит в пределах 5...20 Ом. Т.е. Rвх лежит в пределах 42 ... 57 Ом. Поэтому никакого согласования не требуется. Кабель подключают прямо к антенне (рис. 1).
Если теперь этот же вертикал попробовать использовать на второй гармонике, то он будет полуволновым, а его входной импеданс очень высоким. Для его трансформации в 50 Ом используют обычную Г-образную цепь рис.2. Конденсатор этой цепи мал (несколько десятков pF), а катушка относительно велика.
Посмотрим внимательно на рис 1. и 2. Как их можно совместить в одну общую схему, чтобы на нижней частоте получалось бы что-то эквивалентное рис.1, а на второй гармонике – рис. 2?
На нижнем диапазоне надо как-то убрать ненужное индуктивное сопротивление катушки (а маленький конденсатор параллельно изолятору можно оставить без внимания: он мал и влиять будет слабо). Простейшее решение: включить последовательно с катушкой еще один конденсатор С1 (рис. 3), так, чтобы он вместе с катушкой L1 на нижнем диапазоне образовывал бы резонансный последовательный контур. На резонансе сопротивление такого контура очень мало, что нам и требуется, чтобы приблизиться к рис.1.
На верхнем диапазоне, влияние С1 будет не слишком велико, т.к. с ростом частоты его реактивное сопротивление упадет. Конечно, индуктивное сопротивление последовательного контура C1L1 на этом диапазоне будет определяться не только L1, но и С1. Но это можно учесть.
Получившаяся схема двухчастотного согласования показана на рис 3.
В файле 7_14.maa показано описанное выше двухчастотное согласование телескопического штыря из труб от 40 до 16 мм диаметром и высотой 10,5 м, стоящего на прямо земле. С1= 152 pF, L1 = 3,44 uH, C2 = 35,5 pF (при изготовлении и настройке С2 не забудьте уменьшить его емкость на монтажную емкость опорного изолятора).
Зависимость КСВ от частоты на 7 MHz:
Зависимость КСВ от частоты на 14 MHz:
В обоих диапазонах полоса широкая, КСВ не превышает 1,3 (да и то лишь на верхнем краю, а в основных участках – ниже 1,2).
Умещается в электрической коробке для внешнего монтажа у изолятора вертикала.
Требования к деталям при 1 кВт входной мощности. Напряжение на С1 на 7 MHz достигает амплитуды ~1 кВ, а реактивная мощность в нём – около 7 кВАр. Амплитуда напряжения на С2 на 14 MHz около 2 кВ, реактивная мощность около 1 кВАр (отрезок кабеля типа RG-213 выдержит с запасом). Амплитуда тока в L1 ~6,5 A, исходя из этого выбирается провод).
Начинаем с верхнего диапазона. Вращая подстроечные конденсаторы (временно включенные вместо С2 и С1), добиваемся точного согласования. С2 меняем на постоянный (хорошая идея сделать его из отрезка толстого коаксиального кабеля, исходя и погонной емкости 50-ти омного кабеля со сплошным полиэтиленовым изолятором 1pF/см). И больше С2 никогда не трогаем.
В нижнем диапазоне, вращая С1 добиваемся согласования.
Возвращаемся на верхний диапазон и не трогая С1 подстройкой L1 (она должна иметь возможность небольшой подстройки, например, растяжением-сжатием) снова добивается согласования.
Возвращаемся к п. 2 и повторяем циклически пп. 2 и 3 пока не будет достигнуто точное согласование в обоих диапазонах
Заменяем С1 на постоянный конденсатор (точнее ближайший снизу номинал + отрезок коаксиала в качестве точной добавки).
Схема достаточно и устойчива к небольшим изменениям высоты GP. Так в файле 7_14_11m.maa показано такое согласование для штыря высотой 11 м с меньшим сопротивлением потерь в заземлении. С1 = 121 pF, L1 = 3,7 uH, C2 = 29,5 pF. Полоса остается стабильно широкой.
Для своей высоты и диаметра труб GP параметры цепи согласования можно узнать запустив двухчастотную оптимизацию по величине всех трех элементов цепи согласования. Или вручную имитировать процесс настройки, описанный выше.
В файле 3.5_7.maa показано описанное выше двухчастотное согласование телескопического штыря из труб из труб от 55 до 20 мм диаметром и высотой 20,8 м, стоящего на прямо земле. С1= 296 pF, L1 = 7,2 uH, C2 = 72 pF.
Зависимость КСВ от частоты на 3,5 MHz:
Хотя формально полоса в по KСВ < 2 около 300 kHz, но лучше сделать как показано на рис. 6: настроить антенну на низкий КСВ в CW и DIGI участках, а для перехода в участок SSB переключить С1 на 220 pF (рис.7). Это не свойство нашего согласования, аналогичное переключение конденсатора приходится делать и в обычном λ/4 GP диапазона 3,5 MHz.
Зависимость КСВ от частоты на 7 MHz:
На первый взгляд может показаться, что описанное здесь двухчастотное согласующее устройств мало отличается от описанного в статье GP на два диапазона (см. там рис. 3): та же Г-цепь, только конденсатор С1 стоит не на входе, а на выходе.
Но разница есть. СУ это не двухполюсник, а четырехполюсник, поэтому от перестановка C1 с выхода на вход – не эквивалентная процедура с точки зрения математики.
А с точки зрения пользователя описанная схема предназначена для других высот GP (0,25λ / 0,5λ), и позволяет в некоторых пределах менять высоту штыря (в отличие от описанной в статье GP на два диапазона), компенсируя это подстройкой СУ.