Коллинеарная антенна на 70 см: расчёт и сборка из коаксиала

Когда четвертьволнового штыря уже не хватает, а ставить громоздкую решётку не хочется — на сцену выходит коллинеар. Это вертикальная антенна с усилением, которую можно собрать буквально из куска коаксиального кабеля. Платой за усиление будет капризность в повторении и настройке: без анализатора тут не обойтись. Разберём, как коллинеар устроен, как посчитать длину секций с учётом коэффициента укорочения кабеля и когда он реально оправдан.

Что такое коллинеар и зачем он нужен

Коллинеар (collinear) — это несколько синфазных полуволновых секций, выстроенных в одну вертикальную линию и излучающих в фазе. За счёт сложения полей в горизонтальной плоскости антенна даёт усиление выше одиночного штыря: типично 5–9 dBi в зависимости от числа секций.

Физически усиление берётся не «из воздуха», а из формы диаграммы направленности. Коллинеар прижимает лепесток к горизонту: энергия, которую штырь зря светит в небо и под ноги, собирается в плоский «блин» вдоль земли. Поэтому коллинеар особенно хорош для дальней связи на ровной местности — равнина, поле, вода. А вот в горах или сильно пересечённой местности узкий вертикальный лепесток может промахиваться мимо корреспондента, и тут выигрыша не будет.

Как работает коаксиальный коллинеар

Самый простой в повторении вариант — коаксиальный коллинеар из отрезков кабеля. Антенна набирается из полуволновых секций коаксиала, у которых на каждом стыке центральная жила и оплётка меняются местами (перефазировка): жила нижней секции паяется к оплётке верхней, и наоборот.

Этот «перехлёст» нужен, чтобы токи на наружной поверхности оплётки во всех секциях текли в одну сторону — то есть синфазно. Половина волны в кабеле как раз даёт нужный сдвиг фазы, и при перекоммутации все секции излучают согласованно. Сверху обычно добавляют четвертьволновый штырь (концевой излучатель), снизу — точку питания и развязку.

Расчёт длины секций: velocity factor критичен

Главная ловушка коаксиального коллинеара: внутри кабеля волна идёт медленнее, чем в воздухе. Насколько — задаёт коэффициент укорочения кабеля (velocity factor, VF). Для дешёвого RG-58/RG-174 это около 0.66, для вспененного фторопласта (foam) — 0.80–0.85, у качественных кабелей — выше. Поэтому полуволновую секцию из кабеля считают с поправкой на VF:

Длина секции (мм) = 150000 / F(МГц) × VF

где F — рабочая частота, VF — коэффициент укорочения именно вашего кабеля (берите из даташита, а не «по памяти»). Концевой четвертьволновый штырь, наоборот, идёт в воздухе и считается без VF — как обычная 1/4λ.

Пример для центра 70-см диапазона и кабеля с VF = 0.66:

Число секций и усиление

Каждая добавленная синфазная секция сужает вертикальный лепесток и добавляет усиление — но отдача падает с ростом числа секций:

Цифры выше — ориентир в dBi и для идеального сложения. У коаксиального коллинеара часть усиления «съедают» потери в самом кабеле секций, поэтому реальная прибавка обычно скромнее паспортной: классическая 8-секционная антенна N1HFX заявлена как «9 dB» (относительно диполя), а её укороченный 4-секционный вариант теряет ещё около 3 dB. На практике обычно ставят от 2 до 4 секций; больше — реже и только когда позволяет высота и есть чем настраивать. Чем длиннее антенна, тем уже лепесток в вертикали — и тем точнее её надо держать строго вертикально, иначе «блин» уйдёт вбок мимо корреспондента.

Согласование, дроссель и развязка

Точка питания у коаксиального коллинеара расположена снизу, а импеданс зависит от числа секций и обычно выше 50 Ом. В коротких 2–4-секционных вариантах при аккуратной геометрии его удаётся подвести близко к 50 Ом, а в более длинных антеннах ставят четвертьволновую согласующую секцию (стаб) — она работает трансформатором и «садит» импеданс на 50 Ом. Тонко подвинуть согласование можно смещением точки питания на пару сантиметров: выше — импеданс растёт, ниже — падает.

Обязательный элемент — запорный дроссель (choke) на входе. Без него ВЧ-ток «вылезает» на наружную оплётку питающего кабеля, кабель сам становится частью антенны, диаграмма плывёт, а КСВ начинает зависеть от того, как вы держите фидер. Делают дроссель так: несколько витков питающего кабеля в бухту у основания антенны или нанизанные на кабель ферритовые кольца/бусины. Это развязывает антенну от фидера и стабилизирует настройку.

Настройка по КСВ

Здесь коллинеар заметно сложнее простого штыря: точек, где «что-то не так», больше, а взаимодействие секций неочевидно. Поэтому анализатор обязателен — на слух и по КСВ-метру с двумя стрелками это не настроить.

1. Соберите антенну строго по расчёту с учётом VF, оставив запас на концевом штыре.
2. Подключите NanoVNA, снимите КСВ в полосе 420–450 МГц — смотрите, где минимум (резонанс). Никогда не подавайте на анализатор мощность передатчика — это мгновенно выжигает измерительный мост. Антенну на NanoVNA настраивают только при выключенной рации.
3. Минимум ниже рабочей частоты — антенна «длинная», подрезайте концевой штырь по 2–3 мм. Выше — длины секций маловато (чаще всего промах по VF, проще пересчитать).
4. Доводите согласование смещением точки питания, добиваясь КСВ 1.2–1.5 в нужном участке. Идеального 1.0 на коллинеаре ждать не стоит — это нормально.
5. Проверьте, что после установки дросселя КСВ не меняется при шевелении фидера. Меняется — дроссель недостаточный.