Moja pierwsza antena KF – inverted Vee na pasmo 40 metrów

Po pomyślnym zdaniu egzaminu na Świadectwo Radiooperatora w Służbie Radiokomunikacyjnej Amatorskiej z końcem 2018 roku i otrzymaniu Pozwolenia Radiowego na początku roku 2019 równolegle ze studiowaniem literatury i zapisów w Internecie rozpocząłem kompletowanie sprzętu umożliwiającego mi rozpoczęcie pracy na KF-ie. Postanowiłem, że ze względów finansowych oraz zamiłowania do tematyki przesyłu informacji niską mocą (telemetria, modulacja LoRa) swoją przygodę z krótkofalarstwem, na falach średnich, rozpocznę od pracy QRP.

Uznałem, że nabywanie doświadczenia operatora radiostacji działającej z małą mocą może rozpocząć się od wykorzystania prostszego (i tańszego) modelu radia ponieważ pierwsze próby mają polegać na odkrywaniu tajników propagacji, obyciu się z jej zmiennością i zrozumieniu jak poprawnie korzystać z jej właściwości. Do wyboru pozostały: emisja i pasmo. Biorąc pod uwagę parametry mojego stałego QTH (lokalizacji radiostacji) zdecydowałem się na próby z emisją cyfrową FT8 wiedząc, iż przy dostępnych warunkach antenowych mogę nie mieć możliwości pracy głosowej. Miejsce przeznaczone na antenę znajduje się wewnątrz osiedla 2-piętrowych domów wielorodzinnych skąd wyście sygnału radiowego jest skutecznie tłumione praktycznie w każdym kierunku, za wyjątkiem strzelania w niebo po dużym kątem (i grzania chmur). Kilka watów mocy (~7[W]) , jakie oferuje radio Omega+, w emisji jednowstęgowej SSB na pewno nie dałoby sensownego zasięgu z tej lokalizacji w fonicznej części pasma. Dobrym wyborem mogłaby być zatem telegrafia, jednak tajników CW nie miałem okazji zgłębić jak dotąd. FT8 jako emisja wąskopasmowa wydała mi się szansą na dobre wykorzystanie dostępnej mocy nadajnika i osiągnięcie sensownych wyników wraz z rozpoczęciem praktycznej nauki o propagacji.

Jeszcze przed rozpoczęciem prac nad moją pierwszą anteną musiałem podjąć decyzję odnośnie pasma, na którym będę pracował. Ze względów praktycznych (łatwość budowy) postanowiłem, że będzie to antena jednopasmowa. Mając na uwadze koszty do wyboru miałem zbudowanie prostego dipola lub bazującej na jego konstrukcji anteny typu odwrócone V. Zaletą tej ostatniej jest to, iż wymagany jest tylko jeden punkt podparcia. Dodatkowo ograniczenia terenowe narzuciły budowę promienników, które muszą mieścić się na przestrzeni o długości około 9,5[m] w każdą stronę. Sytuacja taka powodowała, że można było rozważać budowę anteny na pasma od 40[m] w górę (promienniki o długości około 10[m] i krótsze). W związku z tym, iż chciałem mimo wszystko posiadać antenę pracującą w popularnym paśmie, gdzie możliwe są wszystkie rodzaje emisji zdecydowałem się na wybór pasma 40[m]. Nie bez znaczenia jest też fakt, iż to pasmo (obok równie popularnego pasma 80[m]) jest jednym z najczęściej otwartych, czyli umożliwiających prowadzenie łączności przez największą część roku. Zatem 40[m].

Do pełni szczęścia pozostało jeszcze rozwiązanie problemu miejsca na ramiona anteny. Ich wymagana długość to około 10[m] (ćwierć fali na każdy z przewodów), ja zaś dysponowałem wyłącznie zasięgiem około 9,5[m] w poziomie. Oczywiście podniesienie punktu zasilającego anteny na pewną wysokość (względem końców promienników) pozwala na zwiększenie długości ramion, jednak zasilanie wyniesione na wysokość zaledwie 3[m] nad poziomem gruntu nie robi szału i nie daje szans na uzyskanie przestrzeni na sensowne napięcie 10[m] przewodnika włączając w to przestrzeń na izolator i linę, zwłaszcza, że końce ramion nie mogły biec do samej ziemi, a na wysokość szczytu płotu czyli około 1,4[m] nad poziom gruntu. Na szczęście w toku nauki dotarłem do informacji, iż możliwe jest skracanie długości potrzebnej na rozpięcie promienników, wykorzystując technikę liniowego obciążania (linear loading). Polega ona na zawijaniu końców promienników z powrotem na same siebie umożliwiając przy tym posiadanie ramion o długości elektrycznej większej niż dostępne miejsce. Wymogiem jest jednak izolacja pomiędzy zawiniętymi częściami, aby elektrycznie nie skracać anteny. Ten typ obciążania, oczywiście, ma wpływ na sprawność i charakterystykę promieniowania anteny, lecz jeśli długość części zawiniętej nie ma znaczącego udziału w całkowitej długości promiennika wpływ ten jest do pominięcia.

Tak uzbrojony w wiedzę wyruszyłem na poszukiwanie potrzebnych elementów umożliwiających budowę zaplanowanej anteny. Na pierwszy ogień poszedł przewód elektryczny 1,5[mm2] w izolacji, który leżał na wyprzedaży w zwijce około 22[mb] w jednym ze sklepów wielkopowierzchniowych. Cena była atrakcyjna więc nie było co się zbytnio zastanawiać mimo, iż kolor nie należał do najszczęśliwszych – bo czerwony, a co za tym idzie bardziej rzucający się w oczy… Zakupiłem także kilka rur PCV 1/2” wraz ze złączami i zagięciami do budowy wspierającego masztu. Dodatkowo zaopatrzyłem się w grubą mufę hydrauliczną z zaślepkami do osłony baluna, kołowrotek z gwintem, linę oraz garść elementów towarzyszących (śrubki, złącza, motylki) i oczywiście opaski winylowe czyli tryty. Dokupiłem także lakier brązowy w spray’u, aby jakoś zamaskować moją artystyczną prowizorkę.

Na początek przyciąłem kabel na promienniki. Jako, że plan zakładał budowę anteny na pasmo 40[m] to długość ramion powinna wynosić mniej-więcej 10[m]. Połowa zakupionej linki to około 11[m] i aby nie zajmować się precyzyjnym docinaniem postanowiłem rozciąć przewód na dwie równe części. Liniowe obciążanie powinno pozwolić na całkowite wykorzystanie zdobytego materiału, którego nadmiar nie powinien stanowić znaczącego problemu. Z jednej strony przycięte odcinki zostały zakończone oczkami umożliwiającymi ich przykręcenie, nakrętką motylkową, do śruby osadzonej w elemencie mocującym kabel zasilający (mufa z zamontowanym wewnątrz balunem). Przeciwległe strony, przeznaczone do napinania linkami przymocowanymi do płotu, zostały zaplanowane jako zahaczane karabinkami w miejscach zagięcia promienników. Dokładne miejsce mocowania pozostawało jednak do ustalenia podczas strojenia anteny.

Linię zasilającą wykonałem z wykorzystaniem niskostratnego kabla koncentrycznego EKH-155 firmy Elektrokabel. Od strony radia zarobiłem złącze męskie UHF, zaś od strony anteny męskie N. Użycie złącza N podyktowane zostało jego konstrukcją umożliwiającą pracę w szczególnie nie przyjaznych warunkach zewnętrznych. Połączenie oparte o złącza N jest pewne i szczelne. Długość linii zasilającej wyniosła około 16[mb] i wynikała z faktu wykorzystania całego dostępnego odcinka leżącego od pewnego czasu i czekającego na dobrą okazję aby go spożytkować.

Kolejnym etapem było wykonanie masztu, który umożliwi zamocowanie zasilania anteny na wysokości około 3[m] nad powierzchnią gruntu. Użyłem do tego zakupioną rurę PCV, do środka której wprowadziłem kolejną o mniejszym przekroju podnosząc tym samym sztywność konstrukcji. Na szczycie masztu zamontowałem kolanko 90 stopni w które został wkręcony kołowrotek umożliwiający wciąganie i opuszczanie punktu zasilającego zaczepianego na linie.

Kolanko na szczycie masztu z wkręconym kołowrotkiem utrzymującym punkt zasilania anteny

Nieco poniżej maszt został rozcięty i połączony trójnikiem T umożliwiającym wpięcie poziomej rury łączącej maszt z pionową rynną budynku.

Stabilizacja masztu antenowego poprzez umocowanie do rynny i słupka ogrodzeniowego

Połączenie takie umożliwiło częściową stabilizację masztu od strony jego szczytu. Do szczęścia pozostała jeszcze stabilizacja od dołu co zostało zrealizowane poprzez spięcie masztu do słupka ogrodzenia przy pomocy trytów. Wcześniej elementy składowe, po wstępnych przymiarkach i jeszcze przed ostatecznym montażem, zostały pomalowane brązowym lakierem i pozostawione do wyschnięcia.

Następnym etapem było wykonanie punktu zasilania anteny. Wykorzystałem do tego celu mufę kanalizacyjną z uszczelnianymi zaślepkami. W jednej z nic umocowałem haczyk do zaczepienia liny naciągowej (zakończonej karabinkiem),

Uchwyt do mocowania punktu zasilania anteny przy pomocy karabika

w drugiej zaś umieściłem panelowe gniazdo żeńskie N.

Złącze sygnałowe punktu zasilającego antenę

Wewnątrz opakowania znalazł się prosty niskomocowy balun prądowy 1:1 wykonany na bazie rdzenia BN-43-202 (potrzebny do blokowania sygnału common-mode czyli prądu RF płynącego po zewnętrznej stronie oplotu kabla wynikającego z asymetrii wykonania promienników anteny, oraz wpływu pobliskich przedmiotów przewodzących) i śruby z nakrętkami motylkowymi wyprowadzające połączenia elektryczne na zewnątrz. Balun został wykonany według opisu SP5JNW dostępnego w raporcie z testów różnych konstrukcji dostępnym tutaj (5 zwojów na środkowej kolumnie rdzenia skrętki dwóch przewodów DNE 0.4[mm2] ze skrętem 3.5[zw./cm] dającym impedancję linii 50[OHm]).

Wnętrze punktu zasilania anteny z widocznym niskomocowym balunem prądowym

Całość po zmontowaniu wyglądała imponująco dobrze.

Zmontowany punkt zasilania anteny

Testy baluna wykonałem analizatorem RigExpert AA-30 ZERO zasilając go od strony złącza N i zwierając rezystorem 50[Ohm] śruby z motylkami. Mimo, iż rezystor nie był bezindukcyjny SWR w całym paśmie był niski (1.3 i mniej) i w miarę stały więc uznałem, że konstrukcja ma szansę pracować.

Po ostatecznym malowaniu i wyschnięciu nastąpił montaż całości i rozpięcie promienników przy pomocy lin zaczepionych na końcach ogrodzenia. Ze względu na chęć szybkiego uruchomienia anteny promienniki zostały dołaczone bezpośrednio do punktu zasilającego bez wykonywania odciążania (waga użytych przewodów oraz ich słabe napięcie nie powinny spowodować uszkodzenia połączeń). Końce promienników zostały wstępnie zawinięte na odcinku 97[cm] dając przy tym całkowitą długość 10[m] od punktu zasilania do napinacza.

Zmontowana antena – widok na punkt zasilający przymocowany do szczytu masztu z zaczepionymi promiennikami

Przewody nie były napięte mocno i wisiały dość luźno tworząc wklęsły łuk zahaczając po drodze o wszelkie przeszkody…

Widok na ugięty przewód promiennika idący w kierunku południowo-zachodnim

…stojące im na drodze.

Widok na ugięty przewód promiennika idący w kierunku północno-zachodnim

Istotnym komentarzem w tym miejscu jest to, iż oba promienniki nie rozchodziły się w tej samej płaszczyźnie, jak w przypadku prostego dipola, lecz pod pewnym kątem (większym niż 90[o]) zmieniając przy tym charakterystykę promieniowania anteny na bardziej wydajną w kierunku grota strzałki utworzonej przez opadające przewody (południowy-zachód i w górę).

Po dołączeniu linii zasilającej ponownie podłączyłem analizator, aby rozpocząć prace związane ze strojeniem nowej anteny. Testy pokazały, że antena stroi się szeroko (SWR <= 2 szerzej niż pasmo 40[m]) jednak rezonans wypadł zbyt nisko.

Pomiar rezonansu anteny z wstępnie zawiniętymi końcami promienników

Mając do dyspozycji niski SWR w szerokim zakresie postanowiłem, że zestroję antenę tak, aby rezonans wypadł, w miarę możliwości, w okolicach środka pasma czyli na częstotliwości około 7,1[MHz]. Jako, że za metodę strojenia wybrałem obciążanie liniowe zacząłem zwiększać zawinięcie końców promienników kolejno odcinkami po 10[cm]. Robiłem to naprzemiennie zwiększając zawinięcie to lewej, to prawej strony, kontrolując rezonans analizatorem i zapisując wyniki. Po kilku pomiarach i dopasowaniu krzywej strojenia (nieliniowa) wyznaczyłem sobie ostateczną długość promienników dającą mi (wg. obliczeń) rezonans w środku pasma. Ku mojemu zdziwieniu obliczenia przeprowadzone w arkuszu kalkulacyjnym pokryły się z rzeczywistością. Trafiłem w sam środek pasma! Atena została zestrojona.

Pomiar rezonansu anteny przy długości zawinięć promienników wyliczonych tak by trafić w środek pasma 40[m] (opracowane na podstawie wyników serii wczesniejszych pomiarów)

Ostatnim elementem prac było przeprowadzenie jednogodzinnej sesji próbnych łączności, aby ocenić dokąd dociera sygnał z mojej konstrukcji. Na potrzeby testu wybrałem cyfrową modulację FT8 i maksymalną moc nadajnika wynoszącą 7[W]. Do pracy wykorzystałem program WSJT-X. Zasięg i możliwości łącza oceniłem analizując raporty siły sygnału z przeprowadzonych QSO oraz z wykorzystaniem strony internetowej https://pskreporter.info/pskmap.html .

Podsumowując stwierdzam, iż moja pierwsza konstrukcja antenowa okazała się być sporym sukcesem. Przy jej budowie pokonałem szereg problemów natury mechaniczno-elektrycznej i zapoznałem się, w praktyce, z zagadnieniem strojenia anteny z wykorzystaniem techniki obciążania liniowego. Dużą pomocą okazało się wykorzystanie arkusza kalkulacyjnego, dzięki któremu po kilku iteracjach strojenia anteny byłem w stanie wyliczyć ostateczną długość zawiniętych promienników tak, aby z dużą dokładnością uzyskać żądaną częstotliwość rezonansową. Zakup narzędzia pomiarowego Rigexpert AA30-ZERO umożliwił mi łatwą analizę dostrojenia anteny co z kolei dostarczyło danych wejściowych do wspomnianego już arkusza kalkulacyjnego.

Mam nadzieję, że moja przygoda będzie dla Ciebie inspiracją do działania i wejścia w świat KF-u, oraz poczucia magii radia.

Miłego antenowania!