Польовий день 2026: Дослідження та розробка в польових умовах Юрiй AC6A
З завершенням чергового Польового дня ARRL 2026 року, ми скористалися можливостью протестувати кілька нових ідей для приймальних (RX) та передавальних (TX) антен. Польовий день — це випробувальний полігон для апаратури швидкого розгортання. Працюючи в жорстких умовах радіоефіру (загалом 11 передавачів у безпосередній близькості), ми зосередилися на високоефективних та бюджетних інженерних рішеннях. У наступних кількох дописах я планую поділитися нашим практичним досвідом, даними щодо ефективності та уроками, які ми винесли з цьогорічних польових виїздів. А почнемо ми цей цикл із нашого першого експерименту з передавальною антеною: малогабарiтної, високодобротної (high-Q) магнітної рамкової антени (magnetic loop), зібраної із залишків матеріалів з будівельного магазину.
Кожному оператору, який брав участь у Польовому дні, знайомий цей класичний головний біль: як розгорнути ефективну антену для цифрових видів зв'язку без великих витрат і багатогодинного підйому важких щогл? Магнітна рамка може бути повноцінною заміною повнорозмірним антенам у таких сценаріях. Проте в радіоаматорському середовищі існує стереотип, що компактні рамки — це лише компроміс, а для побудови робочої конструкції обов’язково потрібні важкі мідні труби та коштовні вакуумні змінні конденсатори. Я вирішив перевірити цей міф. Мета полягала у створенні антени, яка має mini габарiти, швидко збирається, легко розгортається в польових умовах і має низьку вартість. Основним матеріалом була обрана металопластикова труба PEX-AL-PEX діаметром 1-1/4" (32 мм). Труба PEX-AL-PEX легка — за паспортом усього близько 360 г/м, — завдяки чому її зручно транспортувати, переносити та піднімати порівняно з жорсткими мідними трубами. Завдяки використанню природної власної ємності труби, ця саморобна антена забезпечила стабільну роботу поруч із CW та Phone станціями на тому самому діапазоні, повністю виключивши взаємні завади.
Розрахунок на межі власного резонансу
Головна рамка діаметром 1.2 метра була виготовлена з труби PEX-AL-PEX з номінальним маркуванням 1-1/4 дюйма. Параметри антени моделювалися за допомогою онлайн-калькулятора магнітних рамок VK3CPU для наближення до порогу власного резонансу близько 0.26 lambda. На частоті 21.074 МГц, з урахуванням обчислених 0.0573 Ом втрат в алюмінієвому шарі провідника та додаткових втрат через близькість до оточуючого середовища на рівні 0.051 Ом, моделювання показало, що для досягнення резонансу необхідна ємність 9.8 пФ. Оскільки периметр рамки становить 3.77 метра (0.265 lambda), розрахунковий опір випромінювання зростає до 0.974 Ом. Цей високий опір випромінювання відносно загального опору втрат забезпечує ефективність всієї системи на рівні близько 90 відсотків відносно ідеального диполя при робочій смузі пропускання 60 кГц по рівню половинної потужності.
Однією з експлуатаційних переваг магнітної рамкової антени є її стійкість до втрат у землі порівняно з традиційними дротовими антенами. У той час як стандартний диполь або вертикал необхідно піднімати високо вгору для формування низького кута випромінювання до горизонту та уникнення поглинання сигналу оточенням, магнітна рамка реагує переважно на магнітну складову електромагнітної хвилі, а не на електричну. Завдяки цій властивості антена не потребує значної висоти підйому для роботи на повну потужність. Під час нашого розгортання на Польовому дні рамка працювала на висоті всього 2 метри від землі. Це спростило механічну конструкцію, позбавило потреби у високих щоглах із відтяжками чи пошуку високих дерев і дозволило виконати монтаж силами однієї людини за лічені хвилини.
Для розрахунку глибини скін-шару алюмінію на робочій частоті ми використовуємо стандартне електромагнітне рівняння:
Де:
rho = Питомий опір алюмінію (2.65 x 10^-8 Ohm*m)
f = Робоча частота (21.074 x 10^6 HZ)
mu_0 = Магнітна проникність вільного простору (4 * pi x 10^-7 H/m)
mu_r = Відносна магнітна проникність алюмінію (1.0)
Підстановка частоти 21.074 МГц дає глибину ВЧ скін-шару рівну 17.85 мкм. Щоб знайти кінцевий опір змінного струму (Rac) всієї рамки діаметром 1.2 метра (загальна довжина провідника L = 3.77 м, виміряний діаметр алюмінієвого провідника d = 0.0311 м), ми використовуємо формулу:
Rac = ( rho * L ) / ( pi * d * delta )
Rac = ( 2.65 x 10^-8 * 3.77 ) / ( pi * 0.0311 * 1.785 x 10^-5 ) = 0.0573 Ом
Оскільки геометрія одновиткової рамки розносить провідники далеко один від одного, коефіцієнт ефекту близькості (proximity effect) приймається рівним 1.0. Це дає загальний опір змінного струму провідника 0.0573 Ом, підтверджуючи, що внутрішній алюмінієвий шар забезпечує шлях із низькими втратами, який можна порівняти зі звичайною міддю.
Одночасна робота трьох станцій (Digital, CW та Phone) на 15-метровому діапазоні вимагала чіткого контролю потужності. Потужність цифрової станції була обмежена до 10 Вт (режим QRP) для запобігання перевантаженню сусіднього CW-приймача. Висока добротність (Q) магнітної рамки забезпечила вузькосмугову фільтрацію як на прийом, так і на передачу, що відсікало позасмугові сигнали та усунуло потребу в зовнішніх коаксіальних смугових фільтрах. Саме ця гостра селективність забезпечила необхідну ізоляцію для роботи без перехресних завад між станціями. Крім того, малі рамки мають чіткі нулі в діаграмі спрямованості, орієнтованими перпендикулярно площині рамки. Така діаграма дозволяє операторам мінімізувати локальні джерела завад шляхом фізичного повертання рамки, хоча рівень фонового шуму під час цього тесту не вимагав активного регулювання.
Петля зв'язку була виготовлена з відрізка 1/4 дюйма напівжорсткого коаксіального кабелю у вигляді екранованої петлі Фарадея. Хоча стандартна документація рекомендує обирати діаметр петлі зв'язку рівним 1/5 від діаметра головної рамки, у цьому варіанті було використано збільшену петлю розміром приблизно 1/4 діаметра. Такий ширший профіль зв'язку спростив узгодження імпедансу в межах цифрової ділянки діапазону. Це дозволило переходити між частотами FT8 (21.074 МГц) та FT4 (21.140 МГц) за допомогою незначних повертань петлі зв'язку відносно площини головної рамки. Вся 1.2-метрова конструкція підтримувалася щоглою, зібраною зі звичайних ПВХ-труб та фітингів. Інтегрований конденсатор з перекриттям PEX показав мінімальний дрейф частоти при зміні температури зовнішнього повітря, продемонструвавши стабільні механічні та електричні характеристики.
Система живлення та механічна стабільність
Дл петлі зв'язку (coupling loop) я використав старий 1/4" коаксіальний
джампер із жорсткою лінією (hardline) зі своїх запасів, сформувавши з
нього жорстку екрановану петлю Фарадея. Стандартна технічна
документація зазвичай рекомендує робити діаметр петлі зв’язку рівним
1/5 від діаметра головної рамки. Проте я збільшив свою петлю приблизно
до 1/4 від діаметра великої рамки.
Цей збільшений розмір був тактичним рішенням: він розширив смугу
узгодження, дозволивши мені коригувати КСВ антени та проводити точне
підлаштування частоти. Оскільки калькулятор довів, що ми маємо солідні
60 кГц робочої смуги, така конструкція дозволила мені швидко
переходити з частоти FT8 (21.074 МГц) на FT4 (21.140 МГц) — просто
шляхом незначного фізичного повертання петлі зв’язку всередині площини
головної рамки.
Щоб реалізувати це на практиці в польових умовах, я закріпив петлю
зв’язку на щоглі з ПВХ-труби за допомогою пластикових стяжок. Зусилля
затяжки було підібрано так, щоб стяжки надійно утримували петлю під
час вітру, але залишали можливість провернути її рукою, коли потрібно
змінити частоту підлаштування.
Вся 1.2-метрова конструкція трималася на простій щоглі, зібраній зі
звичайних ПВХ-труб та фітингів. Попри коливання температури на вулиці
протягом вихідних, наш саморобний конденсатор з PEX-труби не показав
помітного дрейфу частоти під час роботи, зарекомендувавши себе як
легка, стійка до негоди та дешева антена за принципом «поставив і
забув».
⚠️ Критично важливі питання безпеки та ВЧ-випромінювання
Високодобротні резонансні рамки генерують високу напругу та значну локалізовану електромагнітну енергію в ближній зоні. Моделювання показує, що вхідна потужність 10 Вт створює приблизно 1130 В (RMS) на ділянці ємнісного перекриття. Якщо потужність станції буде збільшено до стандартного рівня 100 Вт, напруга на конденсаторі зросте приблизно до 3580 В (RMS), що створює пікову напругу понад 5000 В. Достатня товщина ізоляції в місці перекриття є обов'язковою для запобігання діелектричному пробою або дуговому розряду при цих вищих порогах потужності, а прямий дотик під час передачі призведе до важких ВЧ-опіків. Оскільки антена була розташована на висоті менше 2 метрів від землі, необхідно оцінити межі випромінювання в ближній зоні. Для 1.2-метрової рамки, що працює на частоті 21 МГц, користувачі повинні розрахувати зони контрольованого та неконтрольованого гранично допустимого опромінення (MPE).
Точні межі опромінення можна оцінити за допомогою калькулятора ARRL RF Exposure Calculator відповідно до правил FCC. Спеціалізовані інструкції щодо безпеки при роботі з рамковими антенами наведені в ARRL Antenna Book, розділ 2 щодо RF Environmental Safety. Згідно зі стандартною практикою безпеки, антена має бути ізольована від операторів, пішоходів та глядачів. У нашій конфігурації рамка була розташована на відстані 80 футів від операторського намету, що повністю задовольняє нормативні критерії безпеки для 10-ватної та 100-ватної зони опромінення. Антена демонструвала стабільну роботу протягом усього періодуексплуатації. Працюючи в помірному темпі, станція занесла до
апаратного журналу понад 130 цифрових зв'язків у режимах FT8 та FT4
сумарно. Робота потужністю 10 Вт із рамкою, виготовленою зі звичайної
господарської труби та залишків коаксіального кабелю, підтверджує
можливість реалізації ефективних цифрових польових станцій без
використання спеціалізованих конструкційних компонентів.
Ukrainian Version – AI translation
