Антенна дальней связи на шхуне "Чава"

Я написал этот текст, потом понял, что нужно немного объясниться. Для большинства моих собеседников КВ радиосвязь и ее технические особенности выглядит седой историей, что-то соответствующее лошадиной упряжи, прямому парусному вооружению и способам добывания огня трением. Вытащил телефон, набрал номер... "алё...". Вопросов нет, пока мы находимся в населенном мире, больше ничего не надо - вайфай, три жи, четыре жи, пять жи, за сущие копейки... Задача полностью меняется, достаточно уйти из радиуса действия сотовой связи. А это совсем недалеко, каких-то двадцать-тридцать миль в море. Казалось бы, в чем проблема - связи нет? Вытащил спутниковый телефон... Однако скорость радиообмена, а главное, его стоимость кардинально меняются. Со связью особо не разгуляешься, а бюджет кусается. Такая ситуация остается неизменной уже десятки лет, в позитиве только обещания Илона Маска и конкурентов.

Мир быстро меняется. В двадцатом веке, взяв с собой радиоприемник "Спидолу" и забравшись в глухую тайгу или на дальние острова, можно было выбрать любую из сотен радиостанций всего мира, - музыка, новости, пропаганда на любом языке были в эфире 24 часа в сутки. Сейчас в эфире остался лишь Восток - японцы, китайцы и северокорейцы. Современный стиль жизни подразумевает, что человек должен находиться в коллективе, под контролем, на него и работают сотовые, ФМ, и прочие башни ПБЗ. Огромное большинство сидящих под колпаком это вполне устраивает. Особо одаренные - желающие странного одиночки, либо остаются полностью отрезанными от цивилизации, либо платят за спутниковую связь.

Как обычно, небольшое, но важное "но" присутствует. Мировая секта ретроградов-радиолюбителей продолжает поддерживать радиообмен между собой на коротких волнах, мало того, у этой общественной организации есть Винлинк - созданная в прошлом веке система глобальной электронной почты на КВ, которая все еще жива и даже развивается. Подробней о системе - здесь.

Спутниковую связь я попробовал, в походе вокруг Японии, тогда это явно меня не устроило по ряду причин. В то же время старая добрая радиосвязь с применением цифровых протоколов связи оказалась бесплатным, и вполне рабочим вариантом для применения в открытом море. Из моих контактов с парусным сообществом Тихого океана я вынес, что на большинстве лодок близких с "Чавой" размеров и сходных решаемых задач используется именно КВ радиосвязь и Винлинк. Будущее здесь пока не наступило, поэтому реалистам, уходящим в дальние дали, советую учить азбуку Морзе и получать позывной. Это - работает.

Теперь конкретно об антенне

Через пятнадцать лет использования коротковолновой радиосвязи в дальних походах я вдруг задумался об оптимизации антенны. Все эти годы в качестве антенны использовался штырь длиной несколько метров, установленный на корме, длина которого определялась сначала длиной использованного ствола бамбука, а затем длиной стеклопластикового стержня неизвестного назначения, подобранного на свалке. То есть - была случайной, и никак не привязывалась к резонансу антенны. Для настройки антенны использовался автоматический антенный тюнер - устройство согласования, которое через кусок коаксиального кабеля длиной около 7 метров подсоединялось к штырю и противовесу, в качестве которого использовался стальной корпус лодки и хорошо проводящая морская вода. Для того, чтобы по оплетке фидера не протекал ток во время работы передатчика, на коаксиал надеты, равномерно распределены и закреплены ферритовые кольца - "заглушки". В такой схеме подключения главная задача тюнера - обеспечить комфорт для передатчика, чтобы он работал на штатную активную нагрузку 50 Ом. По-видимому, в основном благодаря такой хорошей "земле" антенна неплохо работала, обеспечивая связь с базовыми станциями на дистанциях в несколько тысяч морских миль при мощности передатчика до сотни ватт.

Однако такой вариант согласования довольно неэффективен. Большая часть электромагнитной энергии теряется в кабеле и "заглушках", антенна излучает "абы как" из-за того, что не настроена в резонанс и ее активное сопротивление мало. Поскольку меня интересовали узкие, выделенные для цифровых видов связи участки любительских диапазонов, а именно - 7.09 - 7.16 МГц, 10 - 10 МГц, 14 - 14 МГц, 18 - 18 МГц, 21 - 21 МГц, нужно было сделать согласующее устройство на каждый из этих участков, переключаемое вручную. Такое СУ, или тюнер, описано в статье Гончаренко, я просто повторил его и разместил непосредственно возле штыря антенны. Статья довольно подробно описывает конструкцию и процесс настройки, так что повторяться не буду, добавлю от себя только некоторые детали.

Во-первых, наша специфика плавания на металлической посудине по электролиту, заставляет обращать особое внимание на устранение гальванического контура по постоянному току. То есть - на лодке есть единое место соединение "минуса" всех электрических цепей, и расположено оно в центре лодки возле двигателя. Вертикальная антенна - наш штырь на транце, будет работать только при условии хорошего заземления, в качестве которого используется стальной корпус лодки. Если просто взять и соединить оплетку коаксиального кабеля - фидера, идущего от передатчика с корпусом - мы получим вторую точку "минуса" с текущими по корпусу гальваническими токами, которые вызовут знатный электрохимический процесс с чудесами неожиданных разрушений узлов и систем. Поэтому разрываем цепь, идущую с оплетки фидера на "корпус" по постоянному току набором керамических конденсаторов. Лучше поставить несколько, разной емкости, набрав в общей сложности 0,3 - 0,5 мкФ. На радиочастоте их сопротивление ничтожно, и качество антенной "земли" от этого не страдает.

Во-вторых, поскольку мощность нашей системы ограничена ста ваттами и антенна работает в морских условиях, я заменил конденсаторы из отрезков коаксиала в конструкции Гончаренко на обычные трубчатые.

Начинаем с 30-метрового диапазона (10 МГц). Штырь (на этот раз настроенный, а длина которого при настройке у меня получилась около 6,5 м) подсоединен к фидеру через конденсатор 320 пФ. Точная подстройка резонанса на 10,14 МГц проводится изменением длины штыря. Причем на этапе точной настройки мне уже не нужно было валить антенну на палубу для настройки, я просто приподнимал или приопускал штырь в гнезде, меняя общую длину. Когда резонанс был найден и определена точная длина полотна антенны, лишний провод был обрезан и сделана герметизация термоусадкой.

Тюнер собран в пластиковом контейнере для ЗИПа надувной лодки. Катушки намотаны эмалированным медным проводом диаметром 2мм на каркасе из пластиковой дюймовой водопроводной трубы. Диапазоны переключаются перестановкой зажима "крокодил" на другую контактную пластину, все сделано предельно просто. Повозиться с настройкой пришлось, тем не менее - все в конечном итоге заработало, и заметно лучше, чем раньше. При первых же тестах прямо на стоянке в закрытой бухте удались устойчивые связи "цифрой" с RT9K (Тарко-Сале), второй Winlink станцией РФ, Западная Сибирь, дистанция больше 4 тыс. км.

Второй вопрос, который меня всегда занимал, но руки до него не доходили - как влияет рангоут стальной шхуны на диаграмму направленности и эффективность антенны, установленной на транце. То есть, когда-то экспериментальным путем я выяснил, что штырь на корме работает заметно лучше, чем провод, поднятый от того же транца к топу грот-мачты. На этом я тогда успокоился, как выяснилось - временно. Когда мне на глаза попалась программа моделирования антенных систем с теплым названием Мманя, я потратил вечер, чтобы перенести в нее парусный план своей лодки - мачты и стоячий такелаж. В результате расчетов получились довольно интересные картинки. Шхуна со штырем на корме в морской воде образовала довольно приличную направленную антенну на 20, 30 и 40 метровом диапазонах, основных, используемых для связи в море. Эксперименты в море подтверждают теорию, стоит развернуть лодку кормой к корреспонденту, скорость обмена заметно возрастает. Единственное неудобство, что прицеливать такую антенну приходится изменением курса, но преимущества, которые дает усиление в корму в 6-8 DBi его компенсируют с лихвой.

Модель, которая использовалась при расчетах диаграммы направленности

Сборка согласующего устройства

Диаграмма направленности на 40 метровом диапазоне

Диаграмма направленности на 30 метровом диапазоне

Диаграмма направленности на 20 метровом диапазоне

На высокочастотных диапазонах направленность пропадает и антенна начинает "лупить" в зенит.

Диаграмма направленности на 17 метровом диапазоне

Диаграмма направленности на 15 метровом диапазоне

Это было интересно и принесло практическую пользу для понимания работы антенной системы в море.

Кстати, КВ радиосвязь на лодке - наша основная система связи в море, которая обеспечивает работу электронной почты, получение GRIB-файлов прогноза погоды по району плавания, выдачу в интернет текущей позиции лодки, причем на бесплатной основе. Еще раз - подробности о работе системы Winlink - в статье "Глобальная почта..."