/
Автор: Григоров И.Н.
Теги: общая радиотехника электроника радиотехника антенны телекоммуникации радиолюбителям
ISBN: 5-89818-061-3
Год: 2000
Текст
О ОЩЬ А ОАЮВИТЕАЮ
\р/
Магнитные рамочные, магнитные петлевые, 6-метрового
диапазона, простые Си-Би, Бевереджа, DDRR и др.
-<?■
\ТГ.5ЯГ * Т^ н i
7 t 3 ' Р
* о-
„-■ h
_J
»
VI
\ •■•;
«И
v»
N
\ \
.26 n«
4
M^
\*
\ i *
\v
В помощь радиолюбителю
Григоров И. Н.
Практические конструкции антенн
Москва, 2000
ББК 32.845
Г83
Григоров И. Н.
Г83 Практические конструкции антенн. - М.: ДМК, 2000. - 352 с: ил.
(В помощь радиолюбителю).
ISBN 5-89818-061-3
Книга предназначена для радиолюбителей, желающих расширить
свои знания в области построения и практического использования
антенных устройств. Здесь можно найти описания антенн различных
типов -вертикальных, рамочных, магнитных, ромбических, антенн
Бевереджа, малогабаритных и так называемых «дачных»,
«шпионских» и «невидимых», позволяющих использовать радиостанции без
наружных антенных устройств. В издании впервые представлен обзор
укороченных штыревых антенн Си-Би диапазона, позволяющий
выбрать оптимальную конструкцию. Рассмотрено также построение
самодельных линий передачи, использование симметрирующих
устройств и коаксикальных кабелей в работе любительских станций.
Описываются эффективные методы избавления от помех при работе
на передачу и прием в диапазонах KB и УКВ. Особое внимание
уделено вопросам практического изготовления и эксплуатации антенн,
а там, где это необходимо, изложена теория их работы.
ББК 32.845
Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть
воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без
письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но,
поскольку вероятность технических ошибок все равно существует,
издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность
приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за
возможные ошибки, связанные с использованием книги.
© Григоров И. Н., 2000
ISBN 5-89818-061-3 (рус.) © ДМК, 2000
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие 11
ЧАСТЬ I. Теория и практика построения
любительских антенн 13
Штыревые антенны 15
Петлевые рамочные антенны 65
Магнитные рамочные антенны 123
Антенна Бевереджа 149
Ромбические антенны 171
Антенна DDRR 183
ЧАСТЬ П. Практические конструкции
любительских антенн 203
Простые Си-Би антенны 205
Малогабаритные антенны
переносных станций Си-Би связи 219
Антенны 6-метрового диапазона 247
Типы суррогатных антенн 251
Использование ТВ антенн в диапазоне KB, 265
Антенны для экспедиционной работы 273
Линии передачи 285
Фильтры в радиолюбительской практике 301
Источники возникновения и пути проникновения помех 313
Алфавитный указатель 325
Глоссарий
334
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие 11
ЧАСТЬ I. Теория и практика построения
любительских антенн 13
А Штыревые антенны 15
Основные характеристики 16
«Земля» штыревой антенны 18
Размеры вибраторов штыревой антенны 22
Диаграммы направленности
при разной высоте подъема антенны 24
Согласование штыревых антенн 26
Типы штыревых антенн 28
Влияние близлежащих предметов на работу штыря 33
Воздействие атмосферного
электричества на штыревую антенну 35
Защита штыревой антенны
от внешних атмосферных воздействий 37
Согласование штыревых антенн
передвижных УКВ радиостанций 37
«Земля» электрически коротких штыревых антенн 41
Нужно ли закапывать противовесы 43
Принципы построения направленных
многоэлементных штыревых антенн 45
Направленные антенны с пассивными элементами 48
Фазируемые вертикальные антенные системы 52
Несимметричные антенны диапазона волн 160 м 56
Широкополосная фазированная вертикальная антенна
с регулируемой диаграммой направленности 59
Литература 64
СОДЕРЖАНИЕ
5
Петлевые рамочные антенны 65
Что такое рамочная антенна 66
Входное сопротивление, КПД, коэффициент усиления
и диаграмма направленности
классической рамочной антенны 67
Размеры классической рамочной антенны 69
Работа рамки с периметром,
значительно превосходящим длину волны 71
Питание рамочных антенн 73
Горизонтальные рамки 78
Вертикальные рамочные антенны 81
Наклонные рамки 84
Свернутые рамочные антенны 86
Укороченный шлейфовый квадрат 88
Трехдиапазонная рамочная антенна 92
Укорочение рамки емкостью и индуктивностью 92
Шунтовая рамка 97
Спиральные рамочные антенны 99
М ноговитковые рамочные антенны 100
Широкополосные нагруженные рамки 101
Двойная рамочная антенна 102
Широкополосные и укороченные
зигзагообразные антенны 105
Открытые рамочные антенны 106
Многоэлементные рамочные антенны
с активным питанием элементов 108
Многоэлементные рамочные антенны
с пассивными элементами 111
Размеры и исполнение
многоэлементных рамочных антенн 114
Многоэлементные рамочные антенны
с открытыми рамками 116
Двухэлементная антенна G4ZU 117
Расположение рамочных антенн
относительно других предметов 119
Атмосферные воздействия
на рамочную антенну 120
Литература 121
6
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ АНТЕНН
Магнитные рамочные антенны 123
Диаграмма направленности
магнитных рамочных антенн 124
Ферритовые антенны 126
Антишумовые антенны 128
Действующая высота рамочной антенны 128
Входное сопротивление рамочной антенны 129
«Земля» в работе рамочной антенны 130
Связь коаксиального кабеля
с передающими магнитными рамочными антеннами 131
Размеры и исполнение магнитных рамочных антенн 132
Коэффициент полезного действия
магнитных рамочных антенн 135
Расположение магнитной антенны
относительно других предметов 137
Воздействие на магнитную антенну
атмосферного электричества и осадков 138
Магнитные антенны с кардиоидной
диаграммой направленности 138
Телевизионные приемные магнитные антенны 141
Магнитные рамочные антенны УКВ диапазона 146
Литература Л 48
Антенна Бевереджа 149
Идеальная антенна Бевереджа 150
Система заземления 154
Четвертьволновые противовесы в качестве «земли» 156
Нагрузка антенны Бевереджа 158
Длина полотна антенны 159
Коэффициент полезного действия 159
Изменение диаграммы направленности 161
Практические конструкции
питающего и нагрузочного участков 164
Упрощенная антенна
с переключаемой диаграммой направленности 166
Установка антенны . 167
Защита от грозы 169
Литература 170
СОДЕРЖАНИЕ
Ромбические антенны 171
Переход от антенны Бевереджа к ромбической 172
Неоптимальная ромбическая антенна 173
Оптимальная ромбическая антенна 174
КПД, мощность 175
Диаграмма направленности 177
Суррогатные ромбические антенны 179
Грозозащита 179
Влияние на работу антенны окружающих предметов 181
Литература 182
Антенна DDRR 183
Класс антенн DDRR 185
Антенна DDRR - вертикальный излучатель 185
Питание антенны 188
КПД антенны DDRR 191
Полуволновая антенна DDRR 192
Спиральная и прямая антенны DDRR 193
Атмосферные воздействия на антенну 194
Влияние окружающих предметов 195
Практическое выполнение элементов питания 195
Широкополосные антенны DDRR 196
Практическое выполнение антенны 197
Вертикальное расположение антенны DDRR 201
Литература 202
Часть П. Практические конструкции
любительских антенн 203
Простые Си-Би антенны 205
Согласующие устройства в Си-Би связи 206
Простые «дачные» Си-Би антенны 208
Антенна Бевереджа для Си-Би диапазона 210
Городские Си-Би антенны 212
Рамочная оконная антенна 213
Заключение 217
8
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ АНТЕНН
О Малогабаритные антенны
переносных станций Си-Би связи 219
Работа электрически коротких антенн
переносных станций 220
Типы коротких штыревых антенн 222
Спиральная антенна 222
Практические конструкции спиральных антенн 225
Изготовление и настройка спиральных антенн 229
Резонансные штыревые антенны,.
удлиненные пид\ кпшностью 231
Практические конструкции штыревых антенн,
удлиненных индуктивностью 235
Нерезонансные штыревые антенны 238
Магнитные рамочные антенны
переносных Си-Би радиостанций 240
Методы настройки и измерения
параметров антенн переносных Си-Би станций 241
Заключение 245
'Литература 246
Q Антенны 6-метрового диапазона 247
Обзор антенн, работающих в 6-метровом диапазоне 248
Литература 250
4 А Типы суррогатных антенн 251
Суррогатные несимметричные антенны 252
Несимметричные наружные антенны 255
Дипольные суррогатные антенны 257
Вседиапазонная «невидимая» антенна 258
4 4 Использование ТВ антенн в диапазоне KB 265
Работа ТВ антенн в режиме приема в диапазонах KB 266
Работа ТВ антенн в режиме передачи в диапазонах KB 268
4 О Антенны для экспедиционной работы 273
Дипольные и рамочные антенны 274
Лучевая антенна 276
Штыревые антенны 277
Дачная антенна 280
Литература 284
СОДЕРЖАНИЕ
9
4 О Линии передачи 285
Работа линий передачи 286
Коаксиальные линии передачи 286
Двухпроводная линия передачи 288
Работа линии передачи с КСВ > 1 289
Суррогатные линии передачи 291
Изготовление открытой линии в домашних условиях 292
Практическое определение
волнового сопротивления линии передачи 294
Измерение потерь в линиях передачи 294
Верны ли показания КСВ-метра 296
Причины рассимметрирования антенн 297
Способы симметрирования 299
Литература 300
4 / Фильтры в радиолюбительской практике 301
Практические схемы фильтров 302
Поглощающие фильтры 307
Фильтр G8NDL 309
Результаты испытаний фильтров 311
Литература 312
4 EJ Источники возникновения и пути проникновения помех 313
Помехи в старых усилителях мощности передатчиков 314
Режекторные контуры в сети питания 315
Контактные помехи приему телевидения 316
Устранение помех приему в диапазонах СВ-КВ 318
Устранение помех от УКВ станций 322
Алфавитный указатель 325
Глоссарий
334
Автор выражает признательность ЗАО «РАДИОЛЮБИТЕЛЬ» за
предоставление права на публикацию ряда материалов в данной книге
ПРЕДИСЛОВИЕ
При построении радиолюбительских антенных систем обычно
возникает множество вопросов: какой тип антенны выбрать, как
выполнить ту или иную конструкцию практически, каким образом
устранить помехи, создаваемые радиостанцией. Помочь разобраться во
всем этом - вот цель, которую ставил перед собой автор при
подготовке данной книги.
В ней вы найдете описания антенн различных типов - и хорошо
знакомых радиолюбителям, и малоизвестных. Особое внимание
уделяется вопросам практического изготовления и эксплуатации антенн,
а там, где это необходимо, изложена и теория их работы. В
некоторых главах приведены формулы, позволяющие лучше представить
себе взаимосвязь между различными параметрами антенн, но этот
материал не выходит за рамки программы средней школы.
В ходе развития антенной техники часто использовались
результаты, полученные на практике. С их помощью проверялись
теоретические утверждения и соответствующий математический аппарат.
Иногда приходилось основываться лишь на данных экспериментальных
исследований, не подкрепленных до поры до времени
соответствующей теорией. Эта книга рассчитана на радиолюбителя, у которого нет
времени или не хватает терпения и подготовки для основательного
изучения теории антенн, но есть желание строить свои конструкции
на основе собственного экспериментального опыта и описаний,
имеющихся в популярной радиолюбительской литературе.
Возможно, некоторые сведения, изложенные в книге, будут
отличаться от ваших представлений шш тех данных, которые вы
встречали в других источниках. Проверьте на практике правильность тех или
иных рекомендаций, приведенных в книге. При построении антенн,
как показывает опыт, маленькая практика лучше большой теории.
На этих страницах использованы как термины, принятые в
профессиональных кругах, так и жаргонные слова и выражения,
распространенные среди радиолюбителей. Все их значения раскрыты в
помещенном в конце словаре, так что, может быть, есть смысл прежде
всего, посмотреть именно этот словарь.
Необязательно читать книгу от начала и до конца. Можете начать
с той главы, которая в данный момент окажется полезной при
настройке конкретного антенного устройства.
12
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ АНТЕНН
И помните - с практикой придут и опыт, и знание.
Автор попытается ответить на все вопросы, возникшие у вас при
чтении этой книги (желательно наличие конверта с обратным
адресом).
Мой адрес: а/я 68, г. Белгород-15, 308015, Россия.
Успехов вам! 73!
ЧАСТЬ
СТРАНИЦА
Часть I
ТЕОРИЯ
И ПРАКТИКА
ПОСТРОЕНИЯ
ЛЮБИТЕЛЬСКИХ
АНТЕНН
Глава 1. Штыревые антенны
Глава 2. Петлевые рамочные антенны
Глава 3. Магнитные рамочные антенны
Глава 4. Антенна Бевереджа
Глава 5. Ромбические антенны
Глава 6. Антенна DDRR
Часть II
7
8
9
10
11
12
13
14
15
. Практические конструкции
любительских антенн
Простые Си-Би антенны
Малогабаритные антенны
переносных станций Си-Би связи
Антенны 6-метрового диапазона
Типы суррогатных антенн
Использование ТВ антенн
в диапазоне KB
Антенны для экспедиционной работы
Линии передачи
Фильтры
в радиолюбительской практике
Источники возникновения
и пути проникновения помех
203
205
219
247
251
265
273
285
301
313
14
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПОСТРОЕНИЯ ЛЮБИТЕЛЬСКИХ АНТЕНН
В литературе - и в популярной, и в научной - крайне скупо освещена
та часть теоретических основ работы антенн, которая обычно чаще
всего требуется радиолюбителям. Научная литература предлагает
громоздкие формулы и методы построения и настройки антенн,
зачастую неприемлемые для радиолюбителей. В популярной
литературе, напротив, наблюдается другая крайность - слишком упрощенный
подход к основополагающим проблемам, касающимся не только
конкретных антенн, которые используют радиолюбители, но и антенн
вообще (диполей, штырей и т.д.).
В первой части книги предпринята попытка популярного
изложения некоторых основных принципов функционирования различных
типов антенн, как хорошо знакомых радиолюбителям, так и не очень
известных, но представляющих для них практический интерес.
Учитывая некоторые различия в подходах к обоснованию работы
антенн, трудно предложить концепции, которые удовлетворили бы
одновременно всех читателей этой книги. Были выбраны
общепризнанные теоретические положения, в наибольшей степени
отвечающие нуждам радиолюбительской практики и понятные читателю, не
имеющему специального образования в этой области.
СТРАНИЦ/
ШТЫРЕВЫЕ
АНТЕННЫ
Основные характеристики 16
«Земля» штыревой антенны 18
Размеры вибраторов штыревой антенны 22
Диаграммы направленности
при разной высоте подъема антенны 24
Согласование штыревых антенн 26
Типы штыревых антенн 28
Влияние близлежащих предметов
на работу штыря 33
Воздействие атмосферного
электричества на штыревую антенну 35
Защита штыревой антенны
от внешних атмосферных воздействий 37
Согласование штыревых антенн
передвижных УКВ радиостанций 37
«Земля» электрически коротких
штыревых антенн 41
Нужно ли закапывать противовесы 43
Принципы построения направленных
многоэлементных штыревых антенн 45
Направленные антенны
с пассивными элементами 48
Фазируемые вертикальные
антенные системы 52
Несимметричные антенны
диапазона волн 160 м 56
Широкополосная фазированная
вертикальная антенна с регулируемой
диаграммой направленности 59
Литература 64
16
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
Вертикальные, или, как их чаще всего называют на
радиолюбительском жаргоне, штыревые антенны давно используются практиками
для работы в эфире.
В специальной и популярной литературе приведено множество
конструкций таких антенн, отличающихся друг от друга лишь
некоторыми деталями. Зачастую авторы считают именно свою
разработку идеальной и приписывают ей неограниченные возможности.
Настоящая, глава как раз и призвана дать ответы на многие спорные
вопросы, возникающие при конструировании штыревых антенн.
Здесь рассмотрены различные типы вертикальных антенн - от
классического четвертьволнового штыря до редко применяемых
радиолюбителями вертикальных фазируемых систем.
Познакомившись с основными сведениями о работе штыревых
антенн, радиолюбитель сможет остановиться на самом подходящем, по
его мнению, типе вертикальной антенны с учетом возможности
выбора места под ее установку и имеющихся материалов для изготовления.
Читать главу можно с любого места - все зависит от того, что
именно вам требуется для практической работы.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Несимметричными (штыревыми, если речь идет, как в нашем случае
о вибраторных антеннах) называются линейные антенны, имеющие
асимметричную конструкцию или расположенные непосредственно
вблизи земли (либо проводящего экрана, размеры которого можно
считать большими по сравнению с размерами антенны)
перпендикулярно (реже наклонно) к ее поверхности.
Если считать землю идеально проводящей и учитывать
создаваемое в ней электромагнитное зеркальное отображение антенны, то
несимметричный вибратор, запитываемый у своего основания,
можно рассматривать как половину эквивалентного ему симметричного
вибратора (рис. 1.1).
На базе этого предположения и рассчитываются все основные
характеристики несимметричного вибратора (штыря).
Можно утверждать, что у несимметричного вибратора и
сопротивление излучения, и входное сопротивление в два раза меньше, чем
у эквивалентного ему симметричного вибратора, поскольку при
одинаковых токах первый излучает в два раза меньшую мощность (нет
излучения в нижнее полупространство) и напряжение питания у него
вдвое ниже (рис. 1.2).
Коэффициент направленного действия (следовательно, и
коэффициент усиления) у несимметричного вибратора в два раза выше, чем
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
17
Напряжение питания
экбибалентного
симметричного бибратора
и
Напряжение питания
штыря
/////А/У///////
I :%г;
Зеркальное отражение
бибратора б 'земле"
Рис. 1.1. Несимметричный вибратор над землей
°1 ////// ///V///// б)
Рис. 1.2. Диаграммы направленности штыря (а) и диполя (б)
у эквивалентного ему симметричного, так как при одинаковой
мощности излучения первый обеспечивает вдвое более высокую
плотность потока мощности, поскольку излучает лишь в верхнее
полупространство.
Все сказанное выше справедливо для идеального
несимметричного вибратора, то есть такого, по отношению к которому землю можно
считать идеальным проводником. Если же проводящие свойства
у земли плохие или изменяются со временем (зависят от погоды,
сезона и т.д.), то характер распределения тока в земной поверхности
будет другим, в результате чего изменится и поле излучения вибратора.
Снижение проводимости почвы приводит к уменьшению амплитуды
тока в вибраторе и, следовательно, к повышению его активного
сопротивления и падению излучаемой мощности. Почву, у которой
плохая проводимость, можно рассматривать как диэлектрик с высокой
18
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
диэлектрической проницаемостью. Принцип зеркального
отображения антенны в этом случае нарушается: изменяется электрическая
длина мнимого диполя, искажается распределение поля в
пространстве и токов проводимости в почве. В результате значительно
трансформируется диаграмма направленности (ДН) - лепестки
диаграммы отклоняются вверх и снижается излучение под малыми углами
к горизонту. Кроме того, повышается входное комплексное
сопротивление штыря (рис. 1.3), в основном - его реактивная составляющая.
По этой причине на практике в качестве «земли» используют не
почву, а так называемую «искусственную землю».
L1 " L2 где t - диэлектрическая постоянная почбы
Сформиробанная ДН
Мнимый диполь Токи смешения Мнимый диполь
о)
61
Рис 1.3. Участие «идеальной» (а) и реальной (б) земли в формировании диаграммы
направленности антенны
«ЗЕМЛЯ» ШТЫРЕВОЙ АНТЕННЫ
Как указывалось в предыдущем разделе, важную роль в работе
штыревой антенны играет заземляющая система. Теоретические расчеты
показывают, что наибольшие потери имеют место в цилиндрической
области вокруг антенны с радиусом 0,35Х [1], где X - рабочая длина
волны антенны. Поэтому желательно провести в этой зоне
«металлизацию» земли, то есть применить радиально расположенные
проводники, соединенные между собой перемычками (рис. 1.4).
Такая конструкция позволяет уравнять потенциалы штыревой
антенны в «земле» и уменьшить ее входное сопротивление, а
следовательно - повысить эффективность работы. Это имеет особое значение
в случае укороченных антенн. Желательно, чтобы подобная
металлизация проводилась по всей длине так называемых противовесов
(системы проводников, имитирующих проводящий металлический экран).
«ЗЕМЛЯ» ШТЫРЕВОЙ АНТЕННЫ
19
Рис. 1.4. Схема заземления штыревой антенны
Резонансные противовесы (то есть проводники с длиной, кратной
А/2) следует располагать на некотором удалении от земли (рис. 1.5),
чтобы уменьшить влияние слабо проводящей почвы на их
резонансную частоту.
Должны быть изолированы от земли и концы противовесов.
Только в одном случае их можно не изолировать: когда они надежно
соединены кольцом-перемычкой (рис. 1.6). При этом земляная система
антенны из резонансной превращается в зеркальную широкополосную.
Следует обратить внимание на то, что идеальная штыревая
антенна имеет коэффициент полезного действия (КПД) около 47%, а
антенна с тремя противовесами, расположенными близко к земле, -*
менее 5%. Это значит, что при работе со штыревой антенной и тремя
/УУ У У У УУ У У У У УУ У
Рис. 1.5. Расположение резонансных
противовесов
20
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
Рис. 1.6. «Земля»
штыревой антенны
противовесами напрасно теряется
мощность передатчика и попутно создаются
помехи приему телевидения. Многие
процессы в ионосфере нелинейны, поэтому
коэффициент отражения радиоволн от нее
зависит от уровня падающей мощности.
Отраженный сигнал, например,
обнаруживается, когда подводимая к вашей антенне
мощность составляет 7 Вт, и уже полностью
пропадает при 5 Вт. Таким образом,
экономия на проводе для противовесов может
привести к потере уникальных
возможностей DX QSO (прямой дальней связи). По теореме взаимности [4]
параметры антенны на передачу или прием одинаковы, поэтому
экономия на противовесах при приеме означает большие потери полезного
сигнала (что на практике выражается повышением шумовой
составляющей принимаемого сигнала).
Следует учитывать и искажения ДН при малом количестве
противовесов: из полусферической она становится лепестковой -
направления максимумов излучения располагаются вдоль противовесов
(рис. 1.7). Далее приведем полученное с помощью ЭВМ решение
задачи нахождения оптимального количества противовесов (при
других начальных условиях решение, возможно, будет несколько иным).
Здесь сделана попытка задать
усредненные характеристики
моделируемым антеннам. Решение
представлено на рис. 1.8, из
которого видно, что минимально
необходимое количество противовесов
равно 12, поскольку при
дальнейшем увеличении их числа резкий
рост КПД прекращается.
Противовесы следует
располагать на одинаковом расстоянии
друг от друга. Угол между
противовесами и штырем должен составлять от 90 до 135° (рис. 1.9). При
больших и меньших углах КПД падает и диаграмма направленности
искажается. Кроме того, при больших углах штырь вырождается
в вертикальный диполь. Необходимо, чтобы противовесы были не
короче основного штыря. Это требование объясняется тем, что ближнее
Рис. 1.7. Дробление диаграммы
направленности на лепестки
вдоль противовесов
«ЗЕМЛЯ» ШТЫРЕВОЙ АНТЕННЫ
21
кпд
'Идеальная'земля
47%
19%
90* < а < 135'
Рис. 1.8. Зависимость КПД штыревой антенны
от количества противовесов
электромагнитное поле антенны, которое участвует в создании ДН,
занимает определенный объем пространства, поперечное сечение
которого близко к длине штыря. Уменьшение длины противовесов,
а значит, и сокращение объема пространства, служащего для
формирования ДН, существенно ухудшает
характеристики антенн. На рис. 1.10
показано распределение ближнего
поля вертикального штыря и его ДН,
когда длина противовесов меньше
(рис. 1.10а) длины штыря или равна
ей (рис. 1.106).
С большим приближением можно
сказать, что каждой точке на штыре
соответствует своя зеркальная точка
на противовесе и между этими
точками протекают токи смещения. Рис 19' Угол Расположения
противовесов относительно штыря
Токи смещения
42 Л L/2
О) б)
Рис. 1.10. Токи смещения и диаграмма направленности
22
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
Создаваемая диаграмма направленности и будет суперпозицией
(наложением) электромагнитных полей, возбуждаемых этими
токами. При использовании противовесов, более коротких, чем основной
штырь, не будет надлежащего распределения поля в пространстве.
Однако нет необходимости применять также и противовесы, которые
длиннее основного штыря.
Токи смещения сосредоточены в объеме, который ограничен
радиусом, равным длине штыря (рис. 1.11).
За пределами этого объема токи смещения малы и не играют
заметной роли в создании ДН, хотя и приводят к некоторому
увеличению излучения под небольшими углами к горизонту.
///////У//////?
Рис. 1.11. Основной объем пространства
формирования диаграммы направленности штыря
РАЗМЕРЫ ВИБРАТОРОВ ШТЫРЕВОЙ АНТЕННЫ
Как известно, в выражение для сопротивления излучения
вибраторной антенны Лизл входит эквивалентное волновое сопротивление,
которое пропорционально логарифму отношения 1/d, где 1 - длина, a d -
диаметр вибратора (рис. 1.12). В то же
время добротность антенны вычисляется
по формуле Q = Rh3ji / Ra, где Ra -
активное сопротивление антенны.
Отсюда следует, что с уменьшением
отношения 1/d антенна становится более
широкополосной. Растет также и ее КПД -
за счет уменьшения активного
сопротивления вибратора и улучшения
взаимодействия токов в вибраторе и противовесах.
Следует учесть, что при использовании
толстых вибраторов возникает так
называемый торцевой эффект, обусловленный
/777
/ / /
777
Рис. 1.12. Вибратор
штыревой антенны
РАЗМЕРЫ ВИБРАТОРОВ ШТЫРЕВОЙ АНТЕННЫ
23
//////////
Рис. 1.13. «Торцевой эффект»
толстого вибратора
емкостью между торцами вибратора и
землей (рис. 1.13).
Физически этот эффект выражается
в том, что антенна получается «длиннее»
расчетной, и для его учета вводят
коэффициент укорочения К. В результате длина,
например, четвертьволнового штыря,
будет определяться как КЯ/4. Примеры
значений К, в зависимости от толщины
вибратора d, приведены в табл. 1.1 [5]. Для
его уменьшения широкополосным
штырям в нижней части (а если необходимо,
то и в верхней) придают конусообразную
форму (рис. 1.14). Точное определение значения К для штыря
затруднительно, и поэтому с остающейся после компенсации
реактивностью приходится либо ми- Т z ,, , . .
г Таблица 1.1. Зависимость коэффициента укорочения
риться, либо принимать от отношения X/d
дополнительные меры.
Расчеты показывают,
что минимальная
толщина противовесов,
необходимая для эффективной работы антенны, составляет d - D / (2,4 п),
где d - диаметр противовесов; D - диаметр штыря; п - количество
противовесов.
Часто радиолюбители не могут по каким-либо причинам
применить штырь длиной Х/А и используют гораздо более короткие
отрезки. В принципе с помощью согласующих устройств можно
согласовать с кабелем штырь любой длины.
На графиках (рис. 1.15) из [5]
показаны значения сопротивления
излучения короткого штыря в зависимости от
длины штыря, выраженной в градусах
фазового угла на рабочей длине волны.
Известно, что штырь, имеющий малое
активное и большое реактивное
сопротивление, будет согласован весьма не
оптимально (на самих согласующих
устройствах может рассеиваться до
90% энергии). А если к тому же
используются и суррогатные короткие
к
Полуболнобои диполь.
Волнобой диполь. \/д
0.86
12
60
0.88
20
80
0.89
24
100
0.9
27
КО
0.92
50
300
0.9U
280
1300
//////////
Рис. 1.14. Устранение влияния
торцевой емкости
24
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
противовесы, эффективность антенной системы будет весьма
низкой. Тем не менее такие системы часто применяют в средствах
подвижной связи, поскольку другие виды укороченных антенн
работают там не лучше.
50 60
Рис. 1.15. Зависимость активной составляющей R^ вертикального вибратора
от его длины
ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ
ПРИ РАЗНОЙ ВЫСОТЕ ПОДЪЕМА АНТЕННЫ
Многих интересует, как высота подъема штыря влияет на его
диаграмму направленности и изменяется ли его сопротивление
излучения с высотой подвеса.
В случае идеальной системы противовесов распределение токов
в штыре не зависит от высоты его расположения над поверхностью
земли. Практически это означает, что на какой бы высоте от
поверхности земли штырь вместе со своей заземляющей системой ни
находился, его сопротивление излучения будет постоянным (рис. 1.16).
Если штырь настроен в резонанс с рабочей длиной волны и на его
нижний конец приходятся пучность тока и узел напряжения, то
в этой точке его можно заземлить. Питать штырь при этом можно
в любой другой точке (рис. 1.17).
ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ПРИ РАЗНОЙ ВЫСОТЕ ПОДЪЕМА АНТЕННЫ 25
Сопротибление Ru3/I
штыря не забисит от
бысоты подбеса штыря h
//////////
Рис. 1.16. Поднятая над землей
штыревая антенна со своими противовесами
//////////
Рис. 1.17. Штырь
с заземленным основанием
На таком принципе и созданы некоторые разновидности
штыревых антенн (флаг-антенны, мачты-антенны), нижний конец которых
соединен с землей и которые питаются с использованием
гамма-согласования или каким-либо другим способом, более удобным в
каждом конкретном случае.
^зсГТ
/У
*==*ст
0J75X
*=<Л
//////////
Рис. 1.18. Диаграммы направленности полуволнового симметричного вибратора
при разной высоте его подъема над землей
Диаграммы направленности симметричного полуволнового
вибратора, аналогичные ДН соответствующего Л/4-штыря, поднятого с его
противовесами над поверхностью земли, приведены на рис. 1.18 [1].
26
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
Из этого рисунка видно, что чем выше поднимается антенна, тем
ближе к горизонту направление излучения. Это объясняется
сложением двух волн - излученной штырем и отраженной от земли. Если
почва обладает плохими проводящими свойствами, то диаграмма
направленности будет близка к ДН штыря над землей. Поднимать
антенну на высоту, превосходящую рабочую длину волны, не имеет
смысла, гак как при этом угол между максимумом излучения и
землей перестает уменьшаться, а верхние боковые лепестки начинают
дробиться. Тот же результат получается при высоте, большей Х/А. На
рис. 1.19 представлены диаграммы направленности штырей разной
длины, размещенных над идеально проводящей землей [5]. Следует
обратить внимание на интересную особенность штырей длиной X
и более. Они используются в профессиональной связи как антифедин-
говые антенны [4]. Такие антенны без проблем принимают сигнал,
который на Х/4-штыре или на Х/2-диполе принимается с замираниями.
Рис. 1.19. Диаграммы направленности штырей различной длины
в вертикальной плоскости
СОГЛАСОВАНИЕ ШТЫРЕВЫХ АНТЕНН
Для успешной работы штыревая антенна должна быть согласована
с линией питания и настроена в резонанс с излучаемым ею сигналом.
Несмотря на все кажущееся многообразие штырей (и согласующих
устройств), их можно разбить на три группы:
СОГЛАСОВАНИЕ ШТЫРЕВЫХ АНТЕНН
27
• настроенный штырь, электрическая длина которого равна Л/4;
• штырь с электрической длиной больше Л/4 (эту «лишнюю»
длину убирают с помощью емкости);
• штырь с электрической длиной меньше Л/4 (недостающую йли-
ну добавляют катушкой индуктивности).
Примеры согласования штырей различной длины с коаксиальным
кабелем питания показаны на рис. 1.20.
Для реализации высокого КПД антенны необходимо, чтобы
конденсатор и катушка имели максимально возможные значения
Х/4
////У/
//////
м н
Х/4
— v*
/77777
_LJ
/77777
/77777
Х/4 -\
Х/4
h (
////У/ ////У/ У У У У У У
Рис. 1.20. Согласование штырей различной длины
28 ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
добротности. Желательно также, чтобы их ТКЕ и ТКИ (температур-,
ные коэффициенты емкости и индуктивности соответственно) были
как можно выше. Обычно емкость укорачивающего конденсатора
находится в пределах 100 пФ на частотах 18-28 Мгц, 150-200 пФ на
частотах 7-14 МГц и более 250 пФ - в остальных низкочастотных
диапазонах. Индуктивность удлиняющей катушки обычно
составляет единицы мкГн на частотах до 21 МГц и десятки мкГн на частотах
до 3,5 МГц. Теоретическое определение точного значения
индуктивности затруднительно из-за необходимости учитывать влияние
множества параметров - коэффициента укорочения вибратора, торцевых
емкостей относительно земли и других. Поэтому согласующие
реактивности часто подбирают экспериментально. Желающие выполнить
такие расчеты могут воспользоваться работами [3,7,8].
В заключение следует отметить, что подобная практика
согласования применима и к штырям с длиной, кратной Х/А.
ТИПЫ ШТЫРЕВЫХ АНТЕНН
Несимметричный вибратор над экраном конечных размеров, или
классический штырь, применяют в основном радиолюбители. В
качестве экрана обычно используют противовесы длиной не менее Х/А
(рис. 1.21). Расчет диаграммы направленности такой антенны,
работающей в реальных условиях, достаточно сложен, поэтому среди
практиков обычно принимается, что ее ДН совпадает с диаграммой
идеального штыря над бесконечно проводящей землей. Реальная
полупроводящая поверхность земли может серьезно исказить ДН,
особенно когда длина противовесов мала по сравнению с длиной штыря.
Находит применение и несимметричный
петлевой вибратор. Его конструкция и
обозначения размеров приведены на рис. 1.22.
Его диаграмма направленности такая же,
^г—гн—^^ как у классического штыря. Однако такой
>/<Г \ I / ^>\ вибратор обладает тем преимуществом,
А ~^^У\^^ \ что °ДИН из его концов в любом случае за-
( ^^Yy^r\^Z ) земляется.
\^ / \ \ ^"^у Подбором утолщений at и а2 и расстоя-
х/ I \у/ ния d можно изменять входное сопротив-
^ ление петлевого вибратора в широких
Рис. 1.21 Несимметричный пределах. При ^ - а2 его сопротивление
вибратор над экраном равно 146 Ом. Для тех, кто хочет самостоя-
конечных размеров тельно рассчитать входное сопротивление
ТИПЫ ШТЫРЕВЫХ АНТЕНН
29
L1 = L2=*A
Рис. 1.22. Несимметричный
петлевой вибратор
несимметричных вибраторов разной
толщины, приводим формулу из [2]: Ra =
=( 1 + п2) х 36,6, где n = In (d/at) / In (d/a,)
Широкодиапазонные
несимметричные вибраторы (рис. 1.23), как и
симметричные, изготовляются из толстых
труб, штырей, пластин. Они могут быть
коническими, ромбовидными,
цилиндрическими, сплошными или
решетчатыми. Перекрытие диапазона рабочих
частот зависит от соотношения d/L: чем
оно больше, тем широкополоснее
вибратор.
Из широкополосных несимметричных вибраторов хорошо
известна антенна UW4HW.
Дискоконусные антенны - частный случай широкополосных
вибраторов (рис. 1.24). Поле излучения создается токами, обтекающими
конус, а диск играет роль экрана и почти не излучает.
При угле а = 60° достигается наибольший коэффициент
перекрытия диапазона частот (примерно 5), которому соответствует
коэффициент бегущей волны (КБВ), равный 0,5 в фидере с волновым
сопротивлением 50 Ом, и максимальная длина волны, составляющая 3,6 Ь.
Диаграмма направленности дискоконусной антенны в диапазонах
коротких (KB) и ультракоротких (УКВ) волн примерно такая же, как
и у обыкновенного штыря.
////////////////////У///
Рис. 1.23. Виды широкополосных несимметричных вибраторов
30
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
/////////////У/
о) б)
Рис. 1.24. Дискоконусные антенны для диапазонов УКВ (а) и KB (6)
Антенны-мачты [2], широко используемые и профессионалами,
и радиолюбителями, можно выделить в самостоятельный класс. Их
особенность состоит в том, что нижний конец вибратора у них
заземлен.
Антенна-мачта верхнего питания (рис. 1.25) возбуждается с помощью
фидера, проложенного внутри мачты. Это принципиально,
поскольку при его наружной прокладке возможно уменьшение поля
излучения антенны. Диаграмма направленности у этой антенны такая же,
как и у обычного штыря, но потери при излучении и приеме больше,
поскольку радиоволна переотражается от земли.
Нижний конец антенны, расположенный около земли, может
находиться на изоляторе или быть электрически соединен с землей.
В первом случае длина вибратора антенны не ограничивается, но
НапраЬление
излучения
радиоболны
Изолятор Л4 р
///////////////////////////
Рис. 1.25. Антенна-мачта верхнего питания
ТИПЫ ШТЫРЕВЫХ АНТЕНН
31
>&'
/WV
/ / /
Рис 1.26. Антенна-мачта
среднего питания
следует принять меры по согласованию
штыря. При заземлении нижнего конца
устанавливается такое распределение напряжения и тока
по длине вибратора, что месту соединения
антенны с землей соответствует пучность тока
и минимум напряжения.
Антенна-мачта среднего питания (рис. 1.26),
состоящая из двух частей, возбуждается
последовательно в точках 1 и 2 напряжением,
которое подается через фидер, проложенный
внутри нижней части мачты. Ее
сопротивление в точках питания Ra e Rb/ cos2klt, где к -
коэффициент укорочения; Rb -
сопротивление «чистого» вибратора в точке 3.
Путем подбора соотношения длин участков
lj и 12 можно согласовать антенну с фидером
питания. Принципиально, чтобы фидер
проходил внутри нижней части мачты. Недостатки
этого варианта связаны с трудностями
практического выполнения изолятора для верхней
части антенны.
Здесь в точке заземления нижнего конца вибратора необходимо
получить пучность тока и минимум напряжения. Такие антенны
часто используются в тех случаях, когда конструкции антенных мачт
уже установлены.
Антенна шунтового питания (рис. 1.27)
возбуждается параллельно при помощи
шунта, присоединенного к мачте на
некоторой высоте 12, которая обычно
выбирается в пределах 0,15-0,25 от общей
длины вибратора \{ +12. Последняя
является резонансной для данного диапазона
частот. По входному сопротивлению
в точке 1 антенна эквивалентна
параллельному контуру. Подбором 12
обеспечивается наилучшее согласование с
фидером питания. Характер распределения
токов в этой антенне обуславливает
частичное ослабление ее поля
излучением шунта, поэтому шунт должен иметь
«I 1
//////////
Рис. 1.27. Антенна
шунтового питания
32
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
минимально необходимую для согласования с кабелем длину
Классическая реализация шунтового питания - гамма-согласование.
Часто при построении антенн для низкочастотных диапазонов нет
возможности установить вибратор вертикально. При наклонном
расположении штыря относительно земли антенная система остается
работоспособной, но искажается ее диаграмма направленности и
меняется входное сопротивление.
Предугадать точно, насколько сильно изменится ДН, трудно,
однако можно руководствоваться несколькими простыми правилами:
• постарайтесь расположить возможно большее число
противовесов под наклонной частью антенны (этим вы улучшите качество
заземления);
• по возможности поднимите противовесы таким образом,
чтобы они образовали с антенной угол, не превышающий 135°
(рис. 1.28);
• помните, что такую антенну (в отличие от вертикальной)
труднее согласовать с коаксиальным кабелем из-за значительной
реактивной составляющей входного импеданса антенны.
Рис. 1.28. Расположение противовесов под наклонным штырем
ВЛИЯНИЕ БЛИЗЛЕЖАЩИХ ПРЕДМЕТОВ НА РАБОТУ ШТЫРЯ
33
1м
ВЧ пробник
&
АЛ 307
1м
Штыребая антенна
Рис. 1.29. Индикация высокочастотного тока в проводящих предметах
вблизи штыря
ВЛИЯНИЕ БЛИЗЛЕЖАЩИХ ПРЕДМЕТОВ НА РАБОТУ ШТЫРЯ
Любой радиолюбитель может провести простой, но наглядный
эксперимент со штыревой антенной. Для этого нужно включить на
передачу трансивер, присоединенный к штырю (лучше в телеграфном
режиме - ключ устанавливается в положение «точки», чтобы не
перегревался выходной усилитель мощности). С помощью устройства,
изображенного на рис. 1.29, вы сможете увидеть, как передатчик
заставляет светиться светодиод, расположенный около антенны. Если
мощности передатчика недостаточно для зажигания светодиода, то
подключите вместо него ВЧ вольтметр.
Перемещая этот простой пробник, вы заметите, что светодиод ярче
всего горит при параллельном расположении пробника и штыря и не
светится вовсе (или очень слабо), если они перпендикулярны.
Теперь посмотрите на предметы, находящиеся около штыря на
крыше. В любом проводе, параллельном штырю, возникают
наведенные токи, на что будет тратиться мощность вашего передатчика.
Часто вертикальные мачты, установленные на крыше и служащие
опорой для телевизионных (ТВ) антенн и проводов радио или
телефона, укрепляют с помощью биметаллической или стальной
проволоки. В местах соединения окисленных материалов может
проявляться нелинейный эффект. На таких контактных полупроводниках
34
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
возможно появление продуктов
биения сигналов на частоте
вашего передатчика и какого-нибудь
другого мощного сигнала, в
результате чего образуются новые
сигналы на различных
комбинационных частотах.
Поскольку эти
полупроводники подвержены атмосферным
воздействиям, нелинейный эффект
(и, следовательно, помехи
телевидению) может по-разному
проявляться в сухую и сырую погоду
или носить нестабильный и
нерегулярный характер.
Если какие-либо вертикальные мачты расположены от штыревой
антенны на расстоянии, равном их высоте или высоте штыря, то
в диаграмме направленности антенны, как правило, появляются
искажения.
Для устранения этих нежелательных эффектов следует соблюдать
следующие правила:
• желательно, чтобы в зоне штыревой антенны, ограниченной
длиной волны, не было никаких вертикальных предметов;
Рис ).30. Разделение изолятором
металлических контактов
Шаыребая антенна подняла
над осени i
Мачта радиодещаноя
и телефонной соям
Рис 1.31. Устранение влияния на штырь проводящих предметов
ВОЗДЕЙСТВИЕ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА НА ШТЫРЕВУЮ АНТЕННУ 35
• если это невозможно и при работе со штыревой антенной
возникают помехи телевидению, можно попытаться понизить
добротность мешающих штырей. Для этого достаточно покрыть их
краской, смешанной с графитом, или густо натереть графитом
(в городах на конечных остановках троллейбусов часто можно
найти большие куски графита, которые при ремонте пантографа
просто выбрасываются). Нужно проследить, чтобы в конструкции
антенны не было контакта «металл-металл», а там, где он есть,
«разбить» его изолятором (рис. 1.30);
• при невозможности выполнить первый и второй пункты
попытайтесь поставить штыревую антенну так, чтобы вертикальные
мешающие предметы оказались под экраном из противовесов
(рис. 1.31).
ВОЗДЕЙСТВИЕ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
НА ШТЫРЕВУЮ АНТЕННУ
Радиолюбители, которые применяют изолированный от земли штырь,
подключенный к коаксиальному кабелю напрямую или через
катушку индуктивности (рис. 1.32), могут провести очень наглядный опыт.
Для этого летом перед грозой или зимой в сухую морозную погоду
присоедините неоновую лампочку к коаксиальному кабелю, идущему
от вашего штыря. Вы увидите, что лампочка периодически
вспыхивает. Теперь включите параллельно лампочке конденсатор емкостью от
200 до 1500 пФ (именно такова суммарная емкость П-образного
контура в диапазоне от 10 до 160 м). Вспышки станут заметно мощнее,
а при емкости конденсатора более 1000 пФ «неонка» может даже
выйти из строя.
ТН-0.2
МН-3
1
Т
200-1500 пФ
Рис. 1.32. Индикация накопленного антенной заряда
36
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
Теперь предположим, что такая антенна подключена к реальному
передатчику. Если он транзисторный, то заряд, накопившийся на
конденсаторах за счет статического атмосферного электричества,
может пробить выходной транзистор. При наличии в радиоаппаратуре
радиолампы с малым зазором анод-катод (например, типа ГИ-7Б)
такой заряд в состоянии прожечь и ее. Даже если пробоя и не
происходит, существует вероятность, что большой накопленный заряд
испортит конденсаторы П-образного контура, специально
рассчитанные на невысокое напряжение.
При включении антенны по схеме, показанной на рис. 1.33,
опасности подвергается подстроечный конденсатор.
Чтобы избежать подобных неприятностей, необходимо снять со
штыря статическое электричество. Для этого штырь целесообразно
соединить с противовесами резистором от 10 до 100 кОм, мощностью
не менее 2 Вт. Заземлять противовесы на электрическую «землю»
через такой резистор желательно непосредственно на крыше - это
существенно обезопасит вашу работу. Не рекомендуется использовать
штыревую антенну во время грозы, так как возможно прямое
попадание в нее молнии, особенно если штырь находится выше других
мачт.
Следует отметить, что штырь весьма чувствителен к помехам от
грозовых разрядов. К сожалению, от таких помех практически нельзя
избавиться. Эта объясняется, во-первых, тем, что спектр
электромагнитного импульса, возникающего при разряде молнии, очень широк.
Во-вторых, существует еще один механизм появления помех. На
входе приемника стоят колебательные контуры, настроенные на рабочую
частоту. Антенну тоже можно счи-
П тать контуром, настроенным в
резонанс с рабочей частотой. При
воздействии разряда молнии в этих
контурах возникают затухающие
колебания на их резонансных частотах,
совпадающих или близких к частоте
I I приема. Такие колебания восприни-
J24 ^/^ маются приемником как помехи.
— IC^—J_^ Известно, что штыревые антенны
^^\j » к тР°нсибвРУ весьма восприимчивы к воздей-
^ ^ ствию бытовых и индустриальных
Рис 133. Согласованная емкостью радиопрмех. Эти помехи часто поля-
штыревая антенна ризованы как по вертикали, так и по
ЗАЩИТА ШТЫРЕВОЙ АНТЕННЫ ОТ ВНЕШНИХ А ТМОСФЕРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ 37
горизонтали, и трудно сказать, какой вид поляризации преобладает
в месте установки штыря. Во всяком случае, высокий уровень помех
в этом случае объясняется более эффективной, по сравнению с
диполем, работой штыря. Кроме того, в горизонтальной плоскости штырь
имеет круговую диаграмму направленности и принимает помехи
отовсюду.
ЗАЩИТА ШТЫРЕВОЙ АНТЕННЫ
ОТ ВНЕШНИХ АТМОСФЕРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Для предотвращения окисления материала, из которого выполнена
антенна, противовесы и сам штырь должны быть покрыты защитной
краской. Окисление вибратора приводит его в негодность по
следующим причинам:
• тонкая пленка окисла имеет значительное сопротивление, и
определенная часть энергии передатчика поглощается этой пленкой
с выделением teплa, поскольку на высоких частотах сильно
выражен поверхностный эффект;
• как правило, пленка окислов является полупроводником, что
приводит к излучению антенной, наряду с гармониками
основной частоты (nF, где п - целое число), также и ряда
комбинационных частот типа n^ + n2F2 где F{ - частота передатчика; F2 -
частота любого другого мощного ВЧ сигнала, например от
местного телецентра, соседнего ведомственного передатчика и т.п.
Для защиты от окисления желательно использовать специальную
радиопрозрачную краску (например, такую, которой красят
локаторы на аэродромах, кораблях и т.д.). В крайнем случае можно
воспользоваться и обычной краской, хотя содержащиеся в ней частички
красителя могут поглощать ВЧ энергию.
СОГЛАСОВАНИЕ ШТЫРЕВЫХ АНТЕНН
ПЕРЕДВИЖНЫХ УКВ РАДИОСТАНЦИЙ
Ранее описывались способы согласования и питания штыревых
KB антенн. Эти методы пригодны и для использования в УКВ
диапазоне. На передвижных станциях со штыревыми антеннами часто
применяется согласование с помощью индуктивной петли (рис. 1.34).
Такое согласование с коаксиальным кабелем в УКВ диапазоне
более технологично по сравнению со способами, описанными выше.
УКВ антенна над металлической поверхностью (корпусом
автомобиля) близка по своим параметрам к идеальной штыревой антенне
38
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
и имеет входное сопротивление около 36 Ом
(рис. 1.35). Для согласования ее с
кабелем, волновое сопротивление которого
составляет 50 или 75 Ом, необходимо
подключиться к участку антенны с
входным сопротивлением, равным волновому
сопротивлению кабеля (рис. 1.36).
Размер этого участка может оказаться
достаточно большим. Для уменьшения
длины проводов между регулярной
частью коаксиального кабеля, обладающей
указанным волновым сопротивлением,
и точками его присоединения к антенне
данный участок штыря необходимо
согнуть, как показано на рис. 1.37.
Такой способ согласований носит название hair pin, что означает
«шпилька для волос», так как изгиб штыря напоминает по форме эту
деталь. Входное сопротивление этого участка антенны имеет
индуктивный характер (рис. 1.38).
Такое согласование используется в диапазоне от 100 до 1000 МГц.
Диаметр согласующей петли обычно не превышает диаметра УКВ
штыря. Размер L должен составлять около 0,02-0,03 от длины волны,
Рис. 1.34. Согласование
штыревой антенны
индуктивной петлей
R6x = 360м
УКВ антенна
Прободящий
металлический
корпус
Рис 1.35. Оптимальное расположение
УКВ антенны на крыше автомобиля
Участок антенны,
где ее бходное
сопротибление рабно
|" 50 или 750м
Рис. 1.36. Подключение
коаксиального кабеля к заземленной
УКВ антенне
СОГЛАСОВАНИЕ ШТЫРЕВЫХ АНТЕНН ПЕРЕДВИЖНЫХ УКВ РАДИОСТАНЦИЙ 39
^Ч
^г
J
///////////////
Рис 1.37. Согласование типа hairpin
=>
Ир)
//////////
Рис 1.38. Эквивалентная схема согласования hairpin
ad- примерно одну четверть от L Точный подбор размеров
согласующего устройства следует осуществлять во время настройки
антенны с помощью КСВ-метра (измерителя коэффициента стоячей
волны).
Иногда на УКВ используют согласование с помощью
четвертьволнового трансформатора (рис. 1.39).
40
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
Как известно, соотношение между комплексными
сопротивлениями нагрузки, кабеля и согласующего трансформатора
(соответственно R | Zk и Zt ) определяется из формулы
Z2
Смысл используемых здесь величин понятен из рис. 1.40.
Исходя из этого и учитывая, что входное сопротивление идеального
штыря составляет 36 Ом, получаем возможные значения волновые
сопротивлений для четвертьволнового трансформатора и питающего
кабеля антенны - 50 и 75 Ом соответственно (расчетная величина 69 Ом).
При таком способе питания есть несколько неудобств:
• необходимы два типа кабеля с разными волновыми
сопротивлениями;
• не всегда точно известна диэлектрическая постоянная изоляции
кабеля, вследствие чего не удается сделать трансформатор
строго четвертьволновым (не забывайте, что речь идет о четверти
длины волны, распространяющейся внутри кабеля). В
результате возможно некоторое рассогласование антенной системы;
• требуется высококачественный опорный изолятор.
Если антенну устанавливают не на крыше автомобиля или какой-
либо металлической поверхности подвижного объекта, а над ними, то
для ее согласования с кабелем противовесы наклоняют на некоторый
угол относительно штыря. Этот угол равен 135° (рис. 1.41), когда
волновое српротивление питающего кабеля, составляет 50 Ом, и 180е -
если сопротивление 75 Ом. В качестве «земляного» вибратора часто
применяется металлическая труба (рис. 1.42). Следует заметить, что
А/4
Х/4
75 Ом у
Кабель любой длины
длины болны б кабеле
Рис. 139. Согласование с помощью Рис. 1.40. Согласуемые параметры
четвертьволнового трансформатора кабеля и антенны
«ЗЕМЛЯ» ЭЛЕКТРИЧЕСКИ КОРОТКИХ ШТЫРЕВЫХ АНТЕНН
41
180'
=>•
75 0м
коаксиальный
кабель
Рис 1.41. Согласование штыря
с кабелем 50 Ом
Рис 1.42. Согласование штыря с кабелем 75 Ом
многие автомобильные антенны на магните выполнены с
упрощенным согласованием, без учета сказанного выше.
«ЗЕМЛЯ» ЭЛЕКТРИЧЕСКИ КОРОТКИХ ШТЫРЕВЫХ АНТЕНН
Ранее уже указывалось на важность использования
соответствующих заземляющих устройств для штыревых антенн, особенно если
они электрически короткие.
Действительно, входное сопротивление антенной системы с
заземлением можно представить в форме Ric = Ra + R3 где Rac -
полное входное сопротивление антенной системы; Ra - сопротивление
штыря антенны; R3 - сопротивление заземляющей системы
антенны (рис. 1.43).
Рис 1.43. Эквивалентная схема антенной системы «штырь-противовесы»
42
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
60 Ч
Сопротибление системы
протибобесоб.
Ом
Число
протибобесоб
1 Ю 100 1000
Рис. 1.44. Трафик сопротивления системы противовесов
На графике (рис. 1.44) показано сопротивление заземляющей
системы, выполненной из медных проводов диаметром 1 мм, на
частоте 7 МГц при длине противовесов к/4. Расчет произведен с
некоторыми приближениями.
Используя представленные выше данные о сопротивлении
короткого штыря, можно найти минимальное число противовесов,
необходимых для короткой антенны. В дальнейшем при определении
КПД антенной системы мы увидим, что для ее эффективной работы
необходимо стремиться к тому, чтобы Ra не превышало R3.
Например, штыревая антенна высотой Х/8 имеет активное входное
сопротивление около 6 Ом. В этом случае надо иметь хотя бы 10
противовесов длиной Л/4 (а лучше - вдвое большее количество), чтобы 50%
подводимой к антенной системе энергии использовалось в штыре на
излучение. Рекомендуется придерживаться такого правила: чем
короче излучающий штырь, тем большее число противовесов
требуется для его эффективной работы.
Это относится как к антеннам высотой в четверть длины волны,
так и к более длинным. Такая «высокая* антенна будет работать
и при наличии всего лишь нескольких противовесов, но, как
показывает тщательный анализ, чтобы она была эффективной, надо иметь
хотя бы двенадцать противовесов. В этом разделе не
рассматривались потери на согласующих устройствах, которые в общем случае
могут быть также очень высокими.
НУЖНО ЛИ ЗАХАПЫВАТЬ ПРОТИВОВЕСЫ
43
Электромагнитная
Ьолна
Коэффициент поглощения. дБ
30 МГц 20 МГц
10 МГц
1МГи
Глубина
проникновения.
12 3k
Рис. 1.45. Проникновение электромагнитной волны в почву
НУЖНО ЛИ ЗАКАПЫВАТЬ ПРОТИВОВЕСЫ
До сих пор еще можно услышать или прочитать рекомендации
некоторых радиолюбителей о необходимости закапывать противовесы.
Попробуем разобраться в этом вопросе. Из-за поверхностного
эффекта глубина проникновения электромагнитной волны в почву
находится в пределах 5-10 м для частоты 1,8 МГц и до 1 м для частоты
28 МГц (рис. 1.45).
Эти данные относятся к «средней» почве Центральной России.
Для мокрых, засоленных или, напротив, песчаных почв значения
будут другими. Противовесы эффективны в том случае, когда они
взаимодействуют по меньшей мере с 90% электромагнитного поля.
Теоретически это означает, что достаточно закапывать противовесы,
предназначенные для работы в диапазоне волн 160 м, на глубину не
более 40 см, а в диапазоне 10 м - не более чем на 10 см. При этом
следует принимать все меры по обеспечению защиты противовесов от
коррозии, то есть использовать провод в хорошей пластиковой
изоляции.
Очевидно, что общее сопротивление помещенных в землю
противовесов складывается из их собственного сопротивления на рабочей
частоте и сопротивления потерь в почве (рис. 1.46). Последнее
непостоянно во времени и зависит от состояния почвы, что усложняет
согласование антенн. Возникают искажения диаграммы
направленности, обусловленные переходом токов смещения через границу сред
почва-воздух (см. рис. 1.46). При этом токи частично рассеиваются
в полупроводящей почве, и их распределение в пространстве
изменяется.
44
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
R протибобесоб полное = Я противовеса * R потерь б почбе
\
Токи смещения
*почбы
^
Я протибобеса -\- flowflo —7^- ff протибобеь
Закопанные протибобесы
Происходит искажение, затухание,
рассеяние токоб смешения б почбе
Рис. 1.46. Влияние расположенных в земле противовесов на поле антенны
Исходя из этого, а также имея в виду, что противовесы мешают
проходу людей на участке, где они расположены, можно
рекомендовать либо поднять антенну, а вместе с ней и противовесы, либо
применить антенну-мачту верхнего питания.
Нет смысла закапывать противовесы, если используются их
резонансные свойства, поскольку резонансная частота при этом
изменяется и резко падает добротность. Это относится к любым
узкополосным штыревым антеннам, содержащим по 2-3 противовеса. В то же
время размещение в земле противовесов широкополосных
вибраторных антенн (типа UW4HW) дает положительный эффект.
Закапываемые противовесы могут быть любой длины, лишь бы их
было достаточно много. Для эффективной работы антенны типа
UW4HW требуется иметь в земле не менее пяти противовесов,
а в случае узкополосной - уже не мецее десяти. Длина каждого из них
должна быть не меньше высоты штыревой антенны. На радиоцентрах
ПОСТРОЕНИЕ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ НАПРАВЛЕННЫХ АНТЕНН
45
для штыревых антенн применяют искусственную «землю» в виде
расположенной под ними металлической сетки.
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ШТЫРЕВЫХ АНТЕНН
Напомним основы построения направленных антенн, чтобы
неподготовленному читателю был более понятен материал, изложенный
дальше.
Предположим, что мы возбуждаем вибратор А (рис. 1.47).
Излученная им электромагнитная волна наводит токи в расположенном
рядом вибраторе В, который благодаря этому, в свою очередь,
переизлучает электромагнитное поле. Последнее аналогичным образом
воздействует на вибратор А.
Каждый из вибраторов А и В имеет свою диаграмму направленности
(рис. 1.48). Общая ДН будет в некотором смысле их суммой.
То же происходит с сопротивлениями вибраторов. Если вибратор
А имеет входное сопротивление Ra, то при размещении рядом с ним
вибратора В его полное входное сопротивление будет равно Ra + R bb,
где R bb - сопротивление, вносимое в вибратор А вибратором В.
На рис. 1.49 показан упрощенный, составленный на основании
качественных соображений график зависимости сопротивления,
вносимого вторым вибратором в первый. Более подробно эти графики
рассмотрены в [6].
Из графика на рис. 1.49 видно, что вносимое сопротивление
изменяется в зависимости от расстояния между вибраторами по закону,
близкому к синусоидальному.
Имея это в виду, предположим, что
можно найти такое местоположение вибраторов,
чтобы заданная диаграмма направленности
формировалась как сумма их элементарных
ДН. Такая работа была проделана в Японии
в 1926 году специалистом в области
электродинамики С. Уда (S. Uda). Статья с
изложением полученных результатов написана его
коллегой X. Яги (Н. Yagi). Свои опыты С. Уда
проводил с вертикальными вибраторами.
Антенна Уда-Яги состоит из нескольких
вибраторов, один из которых является
активным, то есть непосредственно присоединен
к передатчику или к приемнику, а остальные -
©
Рис 1.47. Расположение
элементов направленной
антенны
46
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
U
\ '
й
/Itf бибратора В
ДН бибратора А
S
Суммарная ДН
антенны
Рис. 1.48. Влияние близкорасположенных вибраторов друг на друга
пассивные, возбуждаемые косвенно через свободное пространство
(рис. 1.50).
Размеры вибраторов llfl2...ln и расстояния между ними d1,d2...dn t
выбраны таким образом, чтобы формировалось однонаправленное
излучение. Обычно задний вибратор делается длиннее, а передний -
короче активного вибратора.
Есть еще один способ создания заданной диаграммы
направленности, который заключается в активном питании вибраторов токами
разных фаз (рис. 1.51).
Естественно, что и в этом случае вносимые сопротивления будут
участвовать в формировании диаграммы направленности. Но
поскольку мощность, поступающая от генератора в вибратор В при его
активном питании, гораздо выше, чем при пассивном, то важнейшим
фактором, определяющим ДН такой антенной системы, становится
разность фаз питающих токов. Варьируя эту разность, можно в
широких пределах менять результирующую ДН системы (см. рис. 1.52[5]).
ПОСТРОЕНИЕ МНОТОЭЛЕМЕНТНЫХ НАПРАВЛЕННЫХ АНТЕНН
47
&
\жвн
\ 0.5 I
1 >
L 15 ,
(7
<л
Рис 149. Зависимость вносимого сопротивления из вибратора В в вибратор А
дн
Аквибный
ч '
•
Рефлектор
V'. V-v' ^
11>12>13>1П-1
У У У У У У У У У У У У У У У
Рис 1.50. Нааравленная антенна Уда-Ягн
48
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
0
Из представленных данных можно сделать
вывод, что антенная система с фазированным
питанием предпочтительнее антенн Уда-Яги.
Действительно, антенна Уда-Яги строго однодиа-
пазонная. Существуют определенные трудности,
связанные с настройкой ее пассивных элементов.
При использовании вертикальной антенны Уда-
Яги в диапазонах, лежащих между 40 и 160 м,
пожалуй, даже и думать не приходится об
изменении направления ее излучения.
С другой стороны, поставив, к примеру, два
вертикальных вибратора с активным питанием
для работы в диапазоне 160 м (что хотя и трудно,
но реально), можно переключать ДН антенны
«вперед-назад» не только в этом, но и в других
любительских диапазонах. Кроме того, путем
изменения фазы токов питания вибраторов достаточно просто получать
суммарные ДН различной формы.
Рис. 1.51. Активное
питание вибраторов
многоэлементной
антенны
НАПРАВЛЕННЫЕ АНТЕННЫ С ПАССИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
Существуют два основных варианта построения антенн Уда-Яги -
использование либо четвертьволнового, либо полуволнового
активного вибратора (рис. 1.53).
У четвертьволнового вибратора пучность тока находится около
заземленного конца штыря, и такую антенную систему несложно питать
с помощью коаксиального кабеля. Обычно для согласования
последнего с активным вибратором используют гамма-согласование. При этом
самое серьезное внимание необходимо уделить заземляющей системе.
Двенадцати противовесов для ее эффективной работы в этом случае
уже не хватит. Их число следует увеличить хотя бы вдвое. Это
объясняется уменьшением сопротивлений вибраторов из-за их взаимного
влияния. При установке противовесов для отдельных вибраторов
следует обеспечить их хорошую изоляцию друг от друга (рис. 1.54а), а еще
лучше сделать общую «землю», как показано на рис. 1.546.
У активного вибратора размером в половину длины волны на
«земляном» конце окажется пучность напряжения. Такую систему
питают с помощью четвертьволновой, закрытой с одного конца линии,
которая обеспечивает пучность напряжения на открытом конце или
гамма-согласование в центре вибратора.
НАПРАВЛЕННЫЕ АНТЕННЫ С ПАССИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
49
45'
SOUS'
180'
< = Т/8Л
/ = 3/8 \
I = 1/2\
§ ©
/,-v*
Рис. 1.52. Диаграммы направленности в горизонтальной плоскости вибраторов
при питании их токами разных фаз
50
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
rwv
v*
Х/4
=>
/////
50-75 Ом
//////
№
750п
75 0«
*=*с
V?
Изоляторы
///////// ////V//////Y///
Рис 1.53. Активные элементы антенны Уда-Яги
Если для четвертьволнового штыря система противовесов
совершенно необходима, то в случае полуволнового вибратора это
требование не такое жесткое, особенно при питании через
четвертьволновую согласующую линию. Тем не менее желательно иметь хотя бы
по 4 противовеса под каждым вибратором.
При длине активного вибратора Х/4 необходимо обеспечить,
чтобы пассивные элементы антенной системы были тщательно
соединены с противовесами. Последние должны иметь длину также в
четверть волны. Если же активный вертикальный вибратор является
полуволновым, то требуется изоляция пассивных элементов системы
от противовесов, наличие которых желательно. Они в определенной
степени устраняют «влияние почвы» на антенну, расположенную на
поверхности земли. При размещении ее на крыше здания
противовесы препятствуют излучению антенны во внутренние помещения,
а также минимизируют вредное воздействие находящихся под ней
НАПРАВЛЕННЫЕ АНТЕННЫ С ПАССИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
51
предметов, проявляющееся в искажении ее диаграммы
направленности. Длина противовесов должна составлять приблизительно
половину длины волны.
Часто при использовании трехэлементных антенн пассивные
элементы конструируют таким образом, чтобы иметь возможность
менять их длину. В этом случае, преобразуя рефлектор в директор
и наоборот, как показано на рис. 1.55, можно изменять направление
максимума ДН на 180°. При этом необходимо использовать
высококачественные реле, поскольку при образовании четвертьволнового
вибратора через замкнутые контакты реле протекает значительный
ток, а если вибратор полуволновой, то в разомкнутом реле возникает
высокое напряжение между его корпусом и контактами (рис. 1.55).
Рис 1.54. Варианты заземляющей системы многоэлементной антенны
52
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
дн
«=■(
дн
)■=>
Директор
Рефлектор
Рефлектор
Директор
/y//9//9/)br7r7r /7/y/У//Г7-7-7
ъ
V
Рис. 1.55. Изменение диаграммы направленности антенны переключением
ее пассивных элементов
ФАЗИРУЕМЫЕ ВЕРТИКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ
Из литературы известно, что фазируемые, вертикальные антенны
могут работать в широком диапазоне частот и дают возможность
изменять направление максимума диаграммы направленности
антенной системы.
Это обусловило их широкое применение в военной и
коммерческой радиосвязи и вещании. Обычно расстояние между вибраторами
оставляют неизменным, хотя существуют антенные системы, в
которых его можно регулировать. Типичная схема фазируемой антенной
системы представлена на рис. 1.56.
Ее конструкцию обычно составляют от 2 до 10 вибраторов. На
каждом из них устанавливается согласующее устройство 1, которое
позволяет согласовать волновое сопротивление линии передачи 4
с входным сопротивлением вибратора. По линиям передачи, обычно
одинаковой длины, сигнал подают на согласующие устройства
вибраторов от соответствующих фазирующих устройств 2. С помощью
последних можно изменять фазы сигналов в каждом канале и тем
самым перенастраивать диаграмму направленности антенны.
Фазирующие устройства через линию передачи 6 связаны с сумматором
мощности 3, на котором мощность сигнала от передатчика 5
распределяется на все вибраторы антенны.
. На первый взгляд такая схема питания кажется сложной, тем не
менее в любительских условиях она вполне может быть реализована.
Вибраторы размещают друг от друга на расстоянии в четверть
длины волны, соответствующей самому низкочастотному рабочему
диапазону системы. В этом случае активное сопротивление, вносимое
ФАЗИРУЕМЫЕ ВЕРТИКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ
53
Рис. 1.56. Многоэлементная фазируемая вертикальная антенная система
в вибраторы другими вибраторами, мало, а реактивное сравнительно
несложно компенсировать. Собрать согласующее устройство для
штыря на более высоких частотах тоже не составляет труда.
В качестве фазирующего устройства, обеспечивающего
необходимую разность фаз, можно использовать коаксиальный кабель или LC-
цепь, состоящую из катушек индуктивности и конденсаторов.
Последнее проще и дает возможность плавно регулировать фазу проходящего
сигнала. Сумматором-распределителем служит выходной
П-образный контур передатчика. Полная схема питания двухэлементной
антенной системы изображена на рис. 1.57.
Естественно, что^ при соответствующем выполнении П-контура
к нему можно подключать и большее количество вибраторов. В
некоторых случаях может оказаться необходимым согласование каждого
из вибраторов с помощью такого контура (рис. 1.58).
54
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
В2
Рис. 1.57. Двухэлементная вертикальная фазируемая антенна
Результирующие фазы в вибраторах зависят не только от фазовых
набегов, задаваемых фазирующими устройствами, но и от степени
согласования каждого из вибраторов со своим кабелем, от
совершенства заземляющей системы, которую предпочтительно устанавливать
индивидуально для каждого вибратора, от влияния на вибраторы
посторонних предметов. Поэтому даже при использовании в качестве
фазирующего устройства коаксиального кабеля известной длины
часто не удается добиться нужной разности фаз, например точно в 90
или 135°. Но и с погрешностью в питании такая антенная система
обеспечит удовлетворительные результаты.
ФАЗИРУЕМЫЕ ВЕРТИКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ
55
Кбибратору 1
-TV>r\_
7Г
7Г
Выходной П -контур трансибера
Кбибратору N
тг
Рис 1.5В. Индивидуальное согласование вибраторов многоэлементной антенны
-SW\
УУ
УУ
777
У 777
777
777
777
V77
777 777
777
Вид сберху на антенную систему:
о
Рис. 1.5°. Расположение вибраторов фазируемой антенны
Желающим провести тщательную регулировку этой системы
нужно помнить, что при настройке вибраторы влияют друг на
друга, а общая настройка всей системы может потребовать
последовательной многократной подгонки согласования пггырей с кабелем
и с П-контуром.
56
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
Удобно снимать диаграммы направленности антенной системы
с помощью измерителя напряженности поля.
Допускается расположение вибраторов (до 4 штук) в линию. Можно
поэкспериментировать и с их нетрадиционным размещением на
плоскости, например в вершинах и в центре квадрата или креста (рис. 1.59).
Все зависит от наличия места под установку антенны.
НЕСИММЕТРИЧНЫЕ АНТЕННЫ ДИАПАЗОНА ВОЛН 160 М
Если у радиолюбителя нет возможности соорудить классический
полноразмерный диполь на 160-метровый диапазон, можно
попробовать воспользоваться штыревой антенной. Во многих случаях
штыревая укороченная антенна работает даже лучше, чем
полноразмерный диполь, подвешенный на небольшой высоте над землей.
Рассмотрим, с чем приходится сталкиваться при установке
укороченной штыревой антенны для диапазона 160 м.
Как было показано в [4], электрически короткий штырь имеет
малое сопротивление излучения. Возьмем для примера штырь в одну
шестнадцатую длины волны (10 м). Активная составляющая его
входного сопротивления равна 2 Ом, а реактивная составляющая -
приблизительно в 100 раз выше. Ранее говорилось о том, что должна
представлять собой «земля» электрически короткой антенны.
Для уменьшения реактивности этой антенны (рис. 1.60а)
используют емкостную нагрузку, которая выполняется в виде горизонтального
провода (рис. 1.606), удлиняющего антенну до ее физической длины,
равной четверти рабочей длины волны.
Следовательно, общая длина этой антенны \{ + 12 будет равна
приблизительно 40 м в 160 м диапазоне. Это наиболее простой вариант
согласования. Следует заметить, что в этой антенне горизонтальная
часть излучает слабо, поскольку токи в ней и в противовесах
компенсируют друг друга. В то же время горизонтальная часть снижает,
а в идеальном случае сводит к нулю, реактивную компоненту
входного импеданса антенны.
Не всегда удается сделать такую длинную горизонтальную часть
и осуществить ее точную подстройку. Выходом из этого положения
может быть установка нескольких коротких горизонтальных проводов
(рис. 1.61а) или одного горизонтального широкополосного вибратора
из нескольких замкнутых с обоих концов проводов (рис. 1.616).
Обычно количество горизонтальных проводников не превышает 5-8.
Для уменьшения площади, занимаемой антенной, проводники
емкостной нагрузки можно расположить наклонно (рис. 1.62).
НЕСИММЕТРИЧНЫЕ АНТЕННЫ ДИАПАЗОНА ВОЛН 160М
57
Электрически
короткая
антенна
с I =X/W
/7*/? = хЛ
ГГ $
//////// ////////
а) б)
Рис. 1.60. Короткая вертикальная антенна с горизонтальным удлинением
тг $
//////// ////////
о) б)
Рис. 1.61. Два варианта короткой вертикальной антенны с емкостной нагрузкой
п
////////
Рис. 1.62. Короткая вертикальная антенна
с емкостной нагрузкой
и уменьшенной занимаемой площадью
//////////У//
Рис. 1.63. Компенсация реактивной
составляющей входного сопротивления
антенны с помощью индуктивности
58
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
При таком расположении не кбмпенсируются токи, протекающие
в противовесах и удлиняющих проводниках. Поэтому
эффективность антенны возрастает за счет излучения последних. Расстояние
от их нижних концов до земли должно быть не менее 1-2 м. Эти
удлиняющие отрезки могут служить и растяжками мачты основной
антенны.
Дальнейшим естественным усовершенствованием такой антенны
будет полная компенсация реактивного сопротивления с помощью
катушки индуктивности, подключенной к концам удлиняющих
отрезков (рис. 1.63). Индуктивность этой катушки для диапазона 160 м
может составлять от 10 до 200 мкГн, в зависимости от размеров
вертикальной части антенны, а также от количества и длины ее наклонных
частей. Катушка должна быть выполнена как можно более
высококачественно. Классический вариант выполнения - намотка на
стеклянную бутылку провода диаметром 2 мм.
Определим теперь активную составляющую входного
сопротивления этой антенны. Для этого просуммируем сопротивление штыря
(в нашем случае 2 Ом) и сопротивление излучения компенсирующей
части, Которая в общем случае в 2-3 раза выше.
Следовательно, активная составляющая входного сопротивления
антенны, изображенной на рис. 1.63, оказывается в 3-4 раза больше
соответствующего сопротивления антенн, показанных на рис. 1.61. Если
реактивность на входе антенн на рис. 1.61 составляет 300-600 Ом, то
на входе антенны на рис. 1.63 она может быть скомпенсирована до
величины 30 Ом и даже меньше.
Такую антенну несложно согласовать с коаксиальным кабелем.
На рис. 1.64 приведены следующие варианты согласующих
устройств: индуктивно-емкостное (а), с П-образным контуром (б), с
параллельным контуром (в), с Г-образным контуром (г).
Варианты согласования, показанные на рис. 1.64аДв, подходят для
антенн, изображенных на рис. 1.60-1.63, а вариант на рис. 1.64г - для
представленных на рис. 1.60а и 1.61.
В этих антеннах большая часть мощности излучается под
большими углами к горизонту, а меньшая - под малыми, что дает
возможность осуществления как местной (QSO), так и прямой дальней (DX
QSO) связи. Во всяком случае, такая антенна может оказаться
значительно более эффективной, чем диполь, подвешенный на малой
высоте (ниже четверти длины волны).
Хотя укороченные штыревые антенны используются чаще всего
в диапазонах 160 или 80 м, создание таких малогабаритных антенн
ФАЗИРОВАННАЯ ВЕРТИКАЛЬНАЯ АНТЕННА С РЕГУЛИРУЕМОЙ ДН
59
о)
61
в)
К антенне
Рис. 1.64. Варианты согласующих устройств
представляет интерес для работы в более высокочастотных
диапазонах. Так для работы в 10-метровом диапазоне можно применить
укороченный штырь высотой около 50-80 см, который легко установить
на балконе или даже на корпусе трансивера. При конструировании
электрически коротких антенн заземление должно быть выполнено
согласно рекомендациям, которые изложены выше.
ШИРОКОПОЛОСНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ ВЕРТИКАЛЬНАЯ
АНТЕННА С РЕГУЛИРУЕМОЙ
ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ
Обычно все излучающие элементы в фазированной направленной
антенне запитываются от общего генератора (передатчика), но
каждый из них получает сигнал с индивидуально регулируемой фазой
(рис. 1.65). Это обстоятельство выгодно отличает ее от направленных
60
ШТЫРЕВЫЕ'АНТЕННЫ
у
"i
ч
д
у
"г
/ у расстояние между антеннами:
(р (р - фазирующие устройстба 1 и 2;
Д - делитесь мощности между антеннами
Рис. 1.65. Фазируемая активная вертикальная антенна
антенн, работающих на принципе переизлучения мощности
передатчика пассивными элементами, то есть от антенн Уда-Яги.
Действительно, двухэлементная антенна с одним активным
вибратором может обеспечить коэффициент усиления в одном
фиксированном направлении в лучшем случае 4-5 дБ, а фазированная антенная
система из двух активных элементов - теоретически 12-15 дБ. Кроме
того, изменяя разность фаз сигналов, приходящих на вибраторы,
а также расстояния между вибраторами, можно в широких пределах
менять направление главного максимума диаграммы
направленности, ширину луча и количество дополнительных боковых лепестков.
На рис. 1.52 показан ряд ДН для фазированной антенны, состоящей
из двух активных диполей, при различных расстояниях между
диполями и для разных сдвигов фаз между ними. Как видно из рисунка,
при расстояниях между вибраторами от четверти до целой длины
волны можно осуществить сканирование пространства вокруг
антенной системы на 360°, изменяя лишь разности фаз между
вибраторами и оставляя постоянным расстояние между ними.
Но в радиолюбительской практике конструкции таких антенн
встречаются редко. Это объясняется, по-видимому, определенной
сложностью создания широкополосных фазирующих устройств и
делителей мощности. Постройка же такой антенны для одного
конкретного диапазона считается все еще некоторой роскошью.
Автором была предпринята попытка создать на базе антенны
UW4HW простую широкополосную фазированную антенную
систему, которая могла бы обеспечить работу со сканированием
диаграммы направленности на 360° во всем рабочем диапазоне частот и была
бы несложной для воспроизведения. Конструкция этой антенны
показана на рис. 1.66.
Практически эта антенна была выполнена и проверена в
диапазоне частот 70-200 МГц. Размеры вибраторов UW4HW: высота - 1,2 м,
ФАЗИРОВАННАЯ ВЕРТИКАЛЬНАЯ АНТЕННА С РЕГУЛИРУЕМОЙ ДН
61
Рис. 1.66. Широкополосная фазируемая антенная система
на базе вибраторов UW4HW
диаметр - 30 см. Использовались три противовеса, аналогичные по
конструкции вибраторам антенны. Расстояние между центрами
вибраторов составляло 1,2 м. Антенна испытывалась на трех частотах -
70, 110 и 180 МГц. Согласующие устройства, подобные
обыкновенному П-образному контуру, подбирались для всех частот по
минимуму КСВ в каждом вибраторе при отключенной фазирующей линии.
Применялся 75-омный кабель, хотя вполне возможно использование
и 50-омного. Длина кабеля L{ равна длине L2, а кабеля Ц - длине L4
В фазирующем устройстве был использован переключатель типа
11П4Н. Длины кабелей подбирались таким образом, чтобы
обеспечить сдвиг фаз на 180° в нижней точке рабочего диапазона антенны.
Промежуточным положениям переключателя отвечали другие сдвиги
фаз. Для измерения напряженности поля служил приемник прямого
усиления с калиброванным стрелочным индикатором.
Напряженность поля вертикальной поляризации определялась на
максимальном удалении от антенны, где сигнал приемника был уже слаб, но
все еще принимался. Измерения проводились на уровне 1,5 м от
земли. Получены следующие результаты. При переключении
фазирующих отрезков линии КСВ в каждом из двух элементов антенны
был не хуже 2 (реально можно получить КСВ около 1,5 при
отключенной фазирующей линии). Минимумы диаграммы направленности
62
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
антенны наблюдались на уровне более 10 дБ на всех трех частотах
измерения.
На основании этих результатов можно сделать вывод о реальной
возможности создания малогабаритной широкополосной антенной
системы с изменяемой диаграммой направленности на базе
существующих широкополосных антенн типа UW4HW. Например,
используя две антенны высотой 5,1 м, расположенные на расстоянии
5-6 м друг от друга, можно построить антенну со сканирующей ДН
в диапазоне 10-30 МГц. При этом сканирование осуществляется
простым переключением отрезков кабеля. Применение переключателя
на 11 или 22 положения (довольно дефицитных) позволит
радиолюбителю получить самые разнообразные диаграммы направленности.
Фазирующее устройство должно обеспечивать сдвиг фаз в 180° на
нижней частоте рабочего диапазона антенны. К клеммам
переключателя подсоединяют остальные фазирующие отрезки линии в
порядке уменьшения их фазовой длины, исходя из необходимых для
сканирования фазовых сдвигов на других диапазонах и из требований
к форме диаграммы направленности.
Изменять ДН полученной системы рекомендуем
экспериментальным путем. Если вид диаграммы на каком-либо из любительских
диапазонов требует изменения при данном положении
переключателя, то это можно сделать, увеличив или уменьшив длину
фазирующих линий в этом положении. Недостатком такой антенны является
необходимость подключения отдельных согласующих устройств для
каждого из диапазонов. Во всех диапазонах после настройки
устанавливают постоянные индуктивности и емкости.
При работе с транзисторной аппаратурой, имеющей фиксированный
выход 50 или 75 Ом, желательно использовать согласующее
устройство. Для ламповых выходных усилителей мощности оно
необязательно. Антенны можно подключать непосредственно к их выходу
(рис. 1.67). В транзисторной аппаратуре такое подключение
возможно, но конечно, если выходной каскад
К антенне 1
, выдержит такое «издевательство».
j tf~7~l Эквивалентную длину L одного фазо-
► вого градуса линии с воздушным
диэлектриком можно легко рассчитать по фор-
к трансиберу щЛе: l = Х/360, где X - длина рабочей
волны в метрах.
К антенне 2
J=sH
Рис 167. Непосредственное Сначала определяют длину наиболыпе-
подключение фазируемой го отрезка фазирующей линии, который
антенной системы к трансиверу обеспечивает сдвиг фаз на 180° в нижней
ФАЗИРОВАННАЯ ВЕРТИКАЛЬНАЯ АНТЕННА С РЕГУЛИРУЕМОЙ ДН
63
точке рабочего диапазона антенны. Затем пропорционально
уменьшают длины остальных отрезков. В случае 11-позиционного
переключателя длина отрезка для десятого положения равна 0,9 I, где 1 -
общая длина фазирующей линии; для девятого положения длина
отрезка составляет 0,81, и тд. В последнем положении длина отрезка
фазирующей линии равна нулю. Допуски на длины отрезков
фазирующего кабеля не слишком высокие - небольшие отклонения не
должны радикально повлиять на диаграмму направленности.
Для кабеля с полиэтиленовой изоляцией длины отрезков
фазирующей линии необходимо уменьшать в 0,66 раза (в случае
фторопластовой изоляции - в 0,68 раза), чтобы учесть эффект укорочения
длины волны в кабеле по сравнению с расчетным значением для
воздушной изоляции.
Чтобы обеспечить эффективную работу фазированной антенны,
следует использовать на каждом из рабочих диапазонов не менее трех
резонансных противовесов, конструктивно аналогичных вибраторах!
самой антенны. Показания измерителей КСВ, включенных во все
элементы фазированной антенны, не должны отличаться более, чем
на 40%. В противном случае необходимо изменить длину
соответствующей фазирующей линии. Можно, конечно, настроить
согласующее устройство (если таковое имеется) не на том участке, на
котором фаза рассогласования питания элементов антенны равна 0, а там,
где изменение фазы приводит к повышению КСВ в канале одного из
вибраторов антенны.
Однако в этом случае соответствующее согласующее устройство
будет вносить свой дополнительный постоянный фазовый сдвиг
между элементами антенны. Впрочем, в радиолюбительских системах
это не имеет значения, поскольку все равно сдвиг фаз будет учтен
в процессе дальнейшего экспериментального подбора длины
фазирующего отрезка.
При конструировании антенны нужно учитывать, что, на участке
до радиостанции длины Lt и Ц (см. рис. 1.66) коаксиального кабеля
(для антенны надо использовать кабель определенного типа - 50 или
75 Ом) должны быть одинаковы. Кабели могут подключаться к
антенне разными способами: поодиночке (каждый из них отдельно
присоединяется к соответствующему вибратору) или вместе,
переплетенными друг с другом, - это не имеет существенного значения.
Фазирующее устройство можно расположить там, где это удобно,
в зависимости от его размеров. Последние, в свою очередь,
определяются рабочим диапазоном антенны. Кабель, который служит для
64
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
фазирования, удобно свернуть в небольшие бухточки, обмотав их
в нескольких местах изоляционной лентой. Важно отметить, что для
корректной работы такого устройства необходимо переключать
куски кабеля полностью (как центральную жилу, так и его оплетку).
Общая «земля» для фазирующих отрезков здесь недопустима. Во
избежание обгорания контактов переключателя никогда не
переключайте фазирующие отрезки во время работы антенны на передачу
Снять ДН антенны достаточно сложно, поскольку обычно
диаграмма оказывается многолепестковой, как в горизонтальной, так и в
вертикальной плоскостях. Самый простой метод состоит в ее
определении по различиям амплитуды сигналов в приемнике конкретного
корреспондента, которые передаются со станции, где находится
испытуемая антенна с управляемой ДН. Однако этот метод требует
кропотливой работы и не всегда способен обеспечить достаточную
точность.
Описанный вариант среди существующих широкополосных
направленных вертикальных антенн является (несмотря на отмеченные
недостатки) наиболее простым в наладке и дешевым в изготовлении.
В заключение следует отметить, что система из трех активных
вертикальных вибраторов, расположенных в вершинах равнобедренного
треугольника и питаемых со сдвигом фаз друг относительно друга,
даст еще более эффективную диаграмму направленности, которая
практически аналогична ДН трехэлементной директорной антенне.
ЛИТЕРАТУРА
1. Линде Н. М., Изюмов Д. П. Основы радиотехники. - М.-Л.:
Энергия, 1965.
2. Бова Н. Т., Резников Г Б. Антенны и устройства СВЧ. - Киев:
Высшая школа, 1982.
3. Федоров Н. Н. Основы электродинамики. - М.: Высшая школа,
1980л
4. Белоцерковский Г. Б. Основы радиотехники и антенны. - М.:
Радио и связь, 1983.
5. Беньковский 3., Липинский Э. Любительские антенны
коротких и ультракоротких волн. - М.: Радио и связь, 1983.
6. Айзенберг Г. 3. Коротковолновые антенны. - М: Радио и связь,
1985.
7. Атабеков Г. И. и др. Теоретические основы электротехники. -
М.: Энергия, 1979.
8. Татур Г. А. Основы теории электрических цепей. - М.: Высшая
школа, 1980.
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ
АНТЕННЫ
Что такое рамочная антенна
Входное сопротивление, КПД, коэффициент
усиления и диаграмма направленности
классической рамочной антенны
Размеры классической рамочной антенны
Работа рамки с периметром,
значительно превосходящим длину волны
Питание рамочных антенн
Горизонтальные рамки
Вертикальные рамочные антенны
Наклонные рамки
Свернутые рамочные антенны
Укороченный шлейфовый квадрат
Трехдиапазонная рамочная антенна
Укорочение рамки емкостью и индуктивностью
Шунтовая рамка
Спиральные рамочные антенны
Многовитковые рамочные антенны
Широкополосные нагруженные рамки
Двойная рамочная антенна
Широкополосные и укороченные
зигзагообразные антенны 105
Открытые рамочные антенны 106
Многоэлементные рамочные антенны
с активным питанием элементов 108
Многоэлементные рамочные антенны
с пассивными элементами 111
Размеры и исполнение
многоэлементных рамочных антенн 114
Многоэлементные рамочные антенны
с открытыми рамками 116
Двухэлементная антенна G4ZU 117
Расположение рамочных антенн
относительно других предметов 119
Атмосферные воздействия на рамочную антенну 120
Литература 121
66
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Эта глава посвящена рамочным антеннам, периметр которых
составляет более 0,4 от рабочей длины волны. Первая экспериментальная
антенна такого типа с периметром, равным длине волны, сооружена
в 1942 году для мексиканской миссионерской радиостанции HCJB
группой американских инженеров, среди которых был и
радиолюбитель W9LZX. Радиостанция до сих пор ведет в эфире свою
миссионерскую деятельность. Благодаря любительскому радио эта антенна
широко распространилась по всему миру, кроме СССР.
Несмотря на то, что рамочные антенны редко применяются
профессионалами, радиолюбители продолжают их строить и зачастую
получают при этом превосходные результаты (см. [3]). Далее по
тексту мы будем иногда использовать термин «рамка» для обозначения
рамочной антенны с периметром более 0,4 длины волны, независимо
от ее геометрической формы - квадрата, круга или греческой буквы
«дельта».
ЧТО ТАКОЕ РАМОЧНАЯ АНТЕННА
У некоторых радиолюбителей нет ясного представления о том, к
какому классу отнести рамочные антенны, и в связи с этим часто
возникают недоразумения. По существу, такие антенны представляют
собой дальнейшее развитие петлевого диполя. Классический
петлевой диполь (рис. 2.1) имеет сопротивление излучения, равное
приблизительно 300 Ом.
Полоса пропускания у петлевого диполя, как известно из
литературы, в несколько раз шире, чем у обычного. Это его несомненное пре-
Д/2 имущество; главным же его недо-
* * статком является высокое входное
сопротивление. Если петлевой
диполь «растянуть», то получится
классическая рамочная антенна-
квадрат (рис. 2.2).
Рамочная антенна охватывает
большее пространство, чем
петлевой диполь. Поэтому она имеет бо-
Рис. 2.1 Петлевой диполь. лее высокий (по сравнению с
петлевым или простым диполем) коэффициент усиления. Поскольку
и рамочные антенны, и петлевые диполи представляют собой
симметричные антенны, для их правильного питания требуются
симметрирующие устройства. Рамочная антенна, как и все симметричные ди-
польные антенны, для своей работы не нуждается в «земле». Рамки
V4
>
V
4
ЧТО ТАКОЕ РАМОЧНАЯ АНТЕННА
67
120 0м
Рис. 2.2. Классическая рамочная
антенна
обладают более низким входным сопротивлением (около 120 Ом),
чем петлевой диполь.
ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ, КПД, КОЭФФИЦИЕНТ
УСИЛЕНИЯ И ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ
КЛАССИЧЕСКОЙ РАМОЧНОЙ АНТЕННЫ
Рассмотрим несколько типов рамочных антенн, расположенных
вертикально в свободном пространстве (рис. 2.3).
При таком расположении их диаграмма направленности (рис. 2.4)
в горизонтальной плоскости практически совпадает с ДН диполя,
а в вертикальной плоскости она примерно в два раза уже.
За счет того, что часть рамки расположена вертикально,
значительная доля излучения поляризована по вертикали. В работе [5]
приведены данные расчетов входного сопротивления рамок различной
формы и их коэффициенты усиления (табл. 2.1).
Они получены на основе теоретического исследования, результаты
же практических измерений могут дать несколько отличные значения.
Рис. 2.3. Типы рамочных антенн
68
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Из таблицы видно, что у рамочной
антенны любой формы
коэффициент усиления больше, чем у
диполя. Самый высокий уровень
вертикальной составляющей поля имеет
антенна в форме «дельты». Это
понятно: у нее длиннее, чем у других,
вертикальная часть. Среди рамок
различной формы, но с
одинаковым периметром, наибольшим
усилением обладает круглая
рамка, охватывающая наибольшую
площадь. Входное сопротивление
рамки прямо пропорционально ее
коэффициенту усиления. У дель-
таобразной рамки оно самое
высокое, а у круглой - самое низкое.
Коэффициент полезного действия
у рамочной антенны чуть выше,
чем у диполя, и реально
достижимые значения составляют 90%
и больше.
Все вышесказанное относится
к вертикальным рамкам,
расположенным в свободном
пространстве. Но и рамку, нижняя часть
которой находится от земли на высоте более четверти рабочей длины
волны, можно считать идеальной, так что данные, приведенные здесь,
верны также и для нее.
Иногда можно встретить описания рамочных антенн с
нетрадиционной конфигурацией, позволяющей лучше согласовать антенну с
фидером. Примером может служить, изображенная на рис. 2.5 антенна
Таблица 2.1. Параметры рамок различной формы
Вид рамки
Усиление. дБ
Вх. сопротибление. Ом
Уробень бертикальной
состабляюшей. дБ
о
З.Н
117
-3.01
о
ЗЛ9
133
-3.V*
О
з.к
117
-2.7
&:
2.82
106
-2.09
Горизонтальная
состабляюшая
Вертикальная
состабляюшая
Рис 2.4. Диаграмма направленности
рамочной антенны в вертикальной
и горизонтальной плоскостях
в
50 (75) Ом
-%-=2.02-2М
о
Рис. 2.5. Низкоомная рамочная
антенна
РАЗМЕРЫ КЛАССИЧЕСКОЙ РАМОЧНОЙ АНТЕННЫ
69
0J48X
0248Х
Рис. 2.6. Размеры резонансного
петлевого диполя
с входным сопротивлением, близким к 60 Ом; ее можно питать
непосредственно через коаксиальный кабель 50 или 75 Ом [6].
Коэффициент усиления такой рамки, по данным, приведенным
в [6], всего на 1 дБ превышает коэффициент усиления диполя. Это
меньше, чем у рамок классической формы (см. рис. 2.2). Тем не
менее, данные о таких типах рамок могут быть полезными при
конструировании антенн для низкочастотных диапазонов с невысокими
опорами для установки.
РАЗМЕРЫ КЛАССИЧЕСКОЙ РАМОЧНОЙ АНТЕННЫ
Как говорилось выше, рамка
является видом петлевого диполя. Из-за
влияния концевой емкости длина
плеча у такого диполя чуть меньше
четверти рабочей длины волны и
составляет примерно 0,248-0,249Я
(рис. 2.6), в зависимости от
диаметра провода, из которого он
выполнен.
В отличие от вибраторных антенн, в рамочной антенне влияние
концевых емкостей отсутствует (поскольку отсутствуют концы).
Здесь, в результате взаимодействия излучающих сторон рамки
происходит как бы уменьшение ее физической длины. Так, периметр
квадратной рамки, настроенной в резонанс с рабочей частотой, равен
1,01-1,02 от соответствующей длины волны в свободном
пространстве (рис. 2.7).
У рамок других форм периметр должен быть таким же. Но если
рамка размещается на малой высоте и около нее находятся
посторонние предметы, то, возможно, придется подбирать длины ее сторон.
В любом случае периметр надо
немного уменьшать. Настраивают
рамку по минимуму КСВ в
средней точке рабочего диапазона.
В табл. 2.2 приведены значения
периметра рамочной антенны,
резонирующей на основной частоте
(при п = 1) и на частотах
нечетных гармоник (n в 1,3,5,...) для
всех любительских KB и части Рис. 2.7. Размеры классической
УКВ диапазонов. рамочной антенны
0253Х
А
f
_ |
0253Х
025ZX
1
|
0253Х
70
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Таблица 2.2. Периметр рамки, резонирующей У рамочных антенн, в от-
на рабочей частоте и на ее гармониках личие от дипольных, диаметр
полотна не влияет на
коэффициент укорочения. Для них
характерно, что с увеличением
диаметра провода возрастает
широкополосность антенны.
При диаметре провода 1-2 мм
рамочная антенна перекрывает
любой любительский диапазон
в пределах от 1,8 до 144 МГц.
Однако дальнейшее
увеличение диаметра приводит в основном лишь к росту ее веса и
механической прочности, а также к незначительному повышению ее КПД.
Конечно, при использовании более толстого провода настройка
рамки упростится и уменьшится влияние на рамку посторонних
предметов.
По-видимому, различия в данных относительно отдельных
параметров рамок, которые приводят радиолюбители, объясняются тем,
что они используют провода разного диаметра и рамки разной
формы, подвешенные на разной высоте. При этом речь идет о входном
сопротивлении, а следовательно - о питании и согласовании
антенны в рабочем диапазоне частот и об усилении рамки. Результаты
анализа этих данных показывают, что оптимум, очевидно, соответствует
круглой подвешенной вертикально на высоте не меньше четверти
длины волны рамке с периметром 1,01-1,02А..
При построении рамочных антенн полезно обратить внимание на
то, что точка, лежащая в середине противоположной стороны рамки
относительно места подключения питания (рис. 2.8), имеет нулевой
потенциал. Этим можно воспользоваться, например для заземления
полотна антенны на мачту или на траверсу. На рис. 2.8 схематически
представлены конструкции заземленных одноэлементных (а) и мно-
гоэлементной (б) рамочных антенн.
Такое заземление существенно обезопасит работу в предгрозовой
период, а также уберет электростатический потенциал с антенны
и просто может быть удобным с конструктивной точки зрения. Если
центр полотна заземлен, то питание антенны необходимо
осуществлять только через симметрирующее устройство. В противном случае
ее коэффициент усиления может уменьшиться на 0,5-1,5 дБ. В
большей степени это относится к рамкам для низкочастотных диапазонов,
Номер гармоники, п
1
6
10
12
15
17
20
10
АО
3
18
30
36
45-
57
60
90
120
5 7 9
30 1*2 54
50 70 90
60 8к 108
75 105 135
85 119 153
100 НО 180
150 180
200 280
11
66
110
132
165
13
78
130
156
РАМКА С ПЕРИМЕТРОМ, ЗНАЧИТЕЛЬНО ПРЕВОСХОДЯЩИМ ДЛИНУ ВОЛНЫ 71
Рис. 2.8. Заземленные рамочные антенны
в которых сильно проявляются различные рассимметрирующие
влияния.
Периметр рамочной антенны рассчитывается по формуле: L = 300
K/F, где L - длина рамки в метрах; F - частота в МГц; К -
коэффициент удлинения.
Последний принимается равным 1,01 для толстого провода
диаметром 3 мм и более и 1,02 - для провода диаметром менее 1-2 мм.
РАБОТА РАМКИ С ПЕРИМЕТРОМ, ЗНАЧИТЕЛЬНО
ПРЕВОСХОДЯЩИМ ДЛИНУ ВОЛНЫ
Среди радиолюбителей существует мнение, что чем больше периметр
рамки, тем в более широком рабочем диапазоне она может работать.
К сожалению, это не так. Рамочная антенна - резонансная, и
эффективно работать может только в своем резонансном диапазоне частот.
На рис. 2.9 показаны периметр (П ) и длины (L ) плеч петлевого
диполя [7] и сторон рамочной антенны, соответствующие резонансу
на основной частоте и ее гармониках. В табл. 2.2. приведены
значения периметра рамочной антенны, резонирующей на основной
частоте (при п = 1) и на гармониках (п = 1,3,5,...).
72
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Рис. 2.9. Резонансные размеры петлевого диполя и рамки
на основной частоте и гармониках
Теоретически усиление длинной рамки выше, чем короткой,
однако реализовать его без настройки рамки в резонанс и последующего
согласования ее с линией питания невозможно. Из табл. 2.2 видно,
чего следует ожидать от рамки в конкретных диапазонах. Ни одно из
приведенных значений периметра рамки не в состоянии обеспечить
приемлемых параметров одновременно в нескольких любительских
диапазонах, поскольку он не является в них резонансным. В то же
время при использовании тюнера [8] можно добиться согласования
и удовлетворительной работы антенны во всех диапазонах, лежащих
выше основной частоты, на которую настроена рамка. Нельзя здесь
не упомянуть классический способ согласования рамки для
многодиапазонной работы, предложенный в [3]. Трудно придумать что-либо
более простое и красивое (рис. 2.10). Здесь согласование рамки
осуществляется с помощью включенных симметрично по обеим ее
сторонам катушек индуктивности (Ц, L2). При этом ток в антенне
распределяется таким образом, что рамка резонирует на длине волны не
только 160, но и 80, 40, 20 и 10 м.
Настройка системы в данном случае заключается лишь в
настройке рамки в резонанс в диапазоне длин волн 160 м и в небольшой
регулировке индуктивности катушек для получения резонанса в
других диапазонах. Без этих катушек антенна работает только в
диапазоне 160 м. Если же нужно обеспечить достаточно эффективную
работу в нескольких диапазонах, то для каждого из них необходимо
использовать отдельную рамку. Вариант рамочной антенны,
спроектированной для низкочастотных диапазонов, с дополнительным
согласованием в высокочастотных диапазонах можно рассматривать
лишь как вспомогательный.
ПИТАНИЕ РАМОЧНЫХ АНТЕНН
73
4 дитка меднси .Vj,5>^
диаметром 3.5 мм
шаг намотки - 8-Ю мм
20 м
Симметрирующее
. устройстбо
750м//
Рис. 2.10. Согласованная с помощью катушек
многодиапазонная рамочная антенна
ДН рамки на гармониках имеет приблизительно такой же вид, как
и на основной частоте, однако количество и уровень лепестков в ней
выше и располагаются они более полого.
ПИТАНИЕ РАМОЧНЫХ АНТЕНН
Правильное питание любой антенны является очень важным
фактором ее эффективной работы. При использовании рамочной антенны
нужно помнить, что она - симметричная, поэтому в цепи питания
требуется симметрирующее устройство. Если его нет, то возникает
наводка переотраженной от различных предметов электромагнитной
волны на внешнюю оболочку коаксиального кабеля, а затем
проникновение ее в антенну (рис. 2.11).
Экран
Переотраженная
ЗМВ
Токи переотраженной ЗМВ
попадают Ь антенну
и складыбаются с токами,
протекающими б ней
Рис. 2.11. Рассимметрирование рамки
74
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
В этом случае наведенные на внешней оболочке токи
складываются внутри антенны с токами, возбуждаемыми передатчиком, что
приводит к росту КСВ и возникновению дополнительных помех за счет
излучения также и оболочки кабеля. В режиме приема в
коаксиальном кабеле возникнет так называемый «антенный эффект», когда
энергия радиоволн, наведенная в его внешней оболочке, попадает на
вход приемника.
Простейшее симметрирующее устройство можно сделать из 2-10
витков коаксиального кабеля (соответственно для частот 28 и 1,8 МГц) на
достаточно большом ферритовом кольце (рис. 2.126), например от
отклоняющей системы телевизоров (годятся кольца со значением
магнитной проницаемости в широких пределах). При отсутствии
ферритового кольца можно намотать 10-30 витков коаксиального
кабеля на пластиковой бутылке диаметром 40-60 мм (рис. 2.12а).
Изготовленный таким способом ВЧ дроссель не пропустит
наведенный на внешней оболочке кабеля ВЧ ток в антенну и обратно, что
равносильно симметрированию. На токи, протекающие внутри
оболочки коаксиального кабеля, дроссель влияния не оказывает. Это
устройство особенно эффективно, если по каким-либо причинам
кабель оказался настроенным в резонанс с основной частотой антенны,
с ее нечетными гармониками, либо с гармониками передатчика. Во
всех этих случаях паразитное излучение кабеля особенно велико.
Следует также принимать во внимание, что входное
сопротивление волновой рамки составляет 110-130 Ом. У рамки,
горизонтальная часть которой подвешивается близко к земле, оно уменьшается
и может оказаться ниже 50 Ом. Рамки, предназначенные для работы
ВЧдросбель
о) б)
Рис. 2.12. Симметрирование антенны ВЧ дросселем
ПИТАНИЕ РАМОЧНЫХ АНТЕНН
75
в ВЧ диапазонах и достаточно высоко подвешенные, имеют входное
сопротивление близкое к теоретическому (110-130 Ом). Обычный
способ согласования для них - использование четвертьволнового
трансформатора (рис. 2.13).
Если он сделан из 75-омного кабеля (не забывайте о
коэффициенте укорочения 0,66-0,68 - в зависимости от типа пластиковой
изоляции кабеля), а линия передачи - из 50-омного, то, как правило,
достигается хорошее согласование рамочной антенны. Возможна
комбинированная конструкция в виде намотки из коаксиального кабеля
на пластиковой бутылке (рис. 2.14), выполняющая одновременно
функции четвертьволнового трансформатора и симметрирующего
устройства.
Иногда хорошие результаты дает питание рамки через
применяемую в проводной телефонии симметричную пару-скрутку. Ее
волновое сопротивление лежит в пределах 60-130 Ом, что очень удобно
при согласовании рамки. Волновое сопротивление скрутки можно
определить экспериментально, если имеются приборы для измерения
индуктивности и емкости. Для этого кусок скрутки, практически
любой длины (удобнее 2-3 м), подключается к измерительному
прибору. Сначала измеряют емкость (Сх) на одной стороне скрутки при
разомкнутых концах на другой, затем последние замыкают и
определяют индуктивность (Lx), как показано на рис. 2.15.
L = \\0,66
Рис. 2.13. Питание рамочной
антенны через четвертьволновый
трансформатор
Рис. 2.14. Использование
четвертьволнового трансформатора
для симметрирования рамки
76 ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Измеритель
R. L. С
Рис. 2.15. Определение волнового сопротивления скрутки
Волновое сопротивление рассчитывается по известной формуле:
Zw=VLX/CX
где Zw - волновое сопротивление скрутки, Ом; Lx - индуктивность
скрутки, Гн; ,Сх - емкость скрутки, Ф.
Часто используют также и гамма-согласование. На рис. 2.16
показаны два варианта подстройки устройства гамма-согласования -
конденсатором (а) и с помощью перемычки (б).
Физически гамма-согласование означает подключение кабеля
к той точке антенны, в которой входное сопротивление для токов
высокой частоты активно и равно волновому сопротивлению кабеля.
Расчет гамма-согласования несложен. Высоту В (см. рис. 2.16) не
обязательно выдерживать с высокой точностью; она определяется по
формуле: В в (2...4) X / 10, где В - высота в сантиметрах; X - длина
волны в метрах.
Например, для длины волны 40 м В в (2...4) х 40 / 10 e 8...16 см
Расстояние Д находим из выражения Д в ЗА,, где Д - расстояние
в сантиметрах; X - длина волны в метрах.
Например, для длины волны 40 м Д - 3 х 40 = 120 см
Величина максимальной емкости подстроечного конденсатора
определяется по формуле: С = 5Х, где С - емкость конденсатора в пико-
фарадах; X - длина волны в метрах.
Например, для длины волны 40 м С - 5 х 40 = 200 пФ
(Эти формулы получены опытным путем и в них одновременно
используются различные единицы измерения.)
На практике выбирают несколько большее расстояние Д, чем это
следует из расчетов, и подключают для подстройки согласования
переменный конденсатор, с помощью которого можно обеспечить
компенсацию индуктивной составляющей входного сопротивления схемы
гамма-согласования и получить в кабеле КСВ, близкий к единице.
Измеритель
R. L. С
tD0o<TO
ПИТАНИЕ РАМОЧНЫХ АНТЕНН
77
д
в 1 1
п/
о)
б)
Рис. 2.16. Питание рамки через устройство
гамма-согласования
В противном случае дополнительное согласование рамки
приходится осуществлять перемычкой П (рис. 2.166), поскольку входное
сопротивление реальной рамки не всегда совпадает с теоретическим
значением. Использование метода гамма-согласования позволяет
применять цельные металлические рамки, более прочные и удобные
при установке, особенно для работы на УКВ. Гамма-согласование
приводит также к уменьшению уровня помех приему телевидения,
так как не является оптимальным по отношению к гармоникам
основного сигнала и шунтирует их на выходе кабеля - входе антенны.
Параметры устройств гамма-согласования представлены в табл. 2.3.
Лучше, если провод согласующей схемы будет вдвое тоньше провода
полотна рамки (по крайней мере, он должен быть не толще его и не
тоньше жилы коаксиального кабеля питания). При мощности
передатчика 100 Вт желательно, чтобы конденсатор переменной емкости
быА с воздушным зазором между пластинами не менее 0,5 мм. Для
мощностей до 100 Вт вполне подойдет и керамический подстроеч-
•ный конденсатор (его обязательно надо изолировать от
проникновения влаги).
По возможности следует использовать симметричное
гамма-согласование и включать в схему питания антенны симметрирующее
устройство (рис. 2.17).
Таблица 2.3. Параметры схемы гамма-согласования
для различных диапазонов
Диапазон, м
\й. см
Высота В. см
Емкость С. пф
160
Ш
32
800
80
2кО
16
400
40
120
8
200
30
90
6
150
20
60
4
100
17
51
3.6
85
15
45
3.6
75
12
36
3
60
11
33
3
55
10
30
3
50
6
18
2
30
2
6
1
10
78
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
тНп рГ
СУ.
Настройка гамма-согласования
производится следующим образом: с помощью
конденсатора или путем изменения длины
согласующего устройства стараются добиться минимума
КСВ в середине рабочего диапазона антенны.
Упрощенный вариант питания рамки -
применение высокоомной двухпроводной линии,
например типа КАТВ, или так называемой
«лапши». Поскольку эта линия имеет волновое
сопротивление около 300 Ом для КАТВ и 400-
600 Ом для разных видов «лапши», питание
антенны будет осуществляться в режиме стоячей
волны.
Кроме основной частоты и нечетных
гармоник, рамка с таким питанием работает и на
четных гармониках. Это означает, что рамку для
диапазона 160 м можно согласовать также и на
всех любительских KB диапазонах. Но ее
согласование с выходным каскадом передатчика на его гармониках не
гарантирует эффективности ее работы в этих диапазонах, поскольку
режим работы рамки может оказаться нерезонансным, а значит, КПД
будет низким. Тем не менее, как вспомогательная антенна такая
рамка бывает полезной для повседневной работы в эфире.
В любом случае коаксиальный кабель с симметрирующим
устройством или симметричная линия передачи (если они используются)
должны на возможно большем протяжении располагаться
перпендикулярно к линии, проходящей через точки питания рамки.
Рис. 2.17
Симметрирующее
гамма-согласующее
устройство
ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ РАМКИ
Рамочные антенны для низкочастотных диапазонов обычно
подвешиваются низко над землей. Рассмотрим параметры такой низко
висящей рамки (рис. 2.18).
Прежде всего нужно учесть, что входное сопротивление рамки
уменьшается из-за влияния земли. График зависимости входного
сопротивления квадратной рамки от высоты ее подвеса изображен на
рис. 2.19.
Здесь предполагается, что рамка находится над идеально
проводящим экраном, и за ее «чистое» сопротивление принята величина 130 Ом.
Как следует из графика, уже при высоте подвеса более 0,15 от длины
ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ РАМКИ
79
Рис. 2.18. Низко висящая рамка
Входное сопротивление рамки
R.Om
120
110
1*0
О
0.1 0.2 0.3 ОЛ 0.5 0.6 12 3 4 н/\
Высота подбеса
Рис. 2.19. График зависимости входного сопротивления квадратной рамки
от высоты ее подвеса
волны входное сопротивление антенны близко к 75 Ом, а это удобно
для согласования рамки с 75-омным коаксиальным кабелем. При
высоте подвеса 0,27Л входное сопротивление рамки равно его
«чистому» значению и с увеличением высоты над землей незначительно
колеблется около этой величины. Таким образом, график указывает на
возможность согласования рамочной антенны с питающим кабелем
путем изменения высоты ее установки. В случае «плохой» земли -
песчаной, слабо проводящей - сопротивление рамки несколько
выше (см. рис. 2.19).
Горизонтальную рамку с периметром, приблизительно равным
длине волны, можно рассматривать и как направленную в зенит
антенну, где роль пассивного рефлектора выполняет земля.
Оптимальная высота подвеса рамки составляет 0Д2-0,22Х. В этом случае
получается антенна зенитного излучения, основная часть энергии
которой направлена в зенит. Ее можно использовать для надежной
"Плохая"
t /
I /
земля
'Хорошая' земля
1 /
1 /
j/
80
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
связи на близкие расстояния (до 500 км) за счет отражения от
ионосферы (рис. 2.20).
Конечно, качество земли как отражателя иногда может оказаться
и неудовлетворительным (например, если она обладает низкой
проводимостью). За счет нижнего лепестка диаграммы направленности
горизонтальной волновой рамки можно устанавливать дальние
связи. Из представленной на рис. 2.21 ДН понятно, почему низко
висящая антенна подобного типа подходит как для ближней, так и для
дальней связи.
Если высота подвеса рамки превышает четверть длины волны, то
ее ДН дробится и уровни мощности, излучаемой в зенит и вдоль
горизонта, выравниваются (рис. 2.22).
В зависимости от высоты подвеса рамки и проводимости почвы
меняются вид и число лепестков, а также соотношение мощностей,
излучаемых в зенит и вдоль горизонта. Это позволяет подобрать
такую высоту (более четверти длины волны), при которой рамка
хорошо работает и при ближней, и при дальней связи. Питать такую
рамку следует согласно рекомендациям, приведенным ранее.
Ионосфера
Отраженная
от ионосферы
радиоболна
Рис. 2.20. Антенна зенитного излучения
-Ю дБ
/)/>//////////)/>
Рис. 2.21. Диаграмма направленности
низко висящей горизонтальной волновой рамки
ВЕРТИКАЛЬНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
81
Реальная ДН
Рамка
///////////////
Рис. 2.22. Диаграмма направленности
горизонтальной волновой рамки с высотой
подвгеса больше четверти длины волны
Низко установленная рамочная антенна имеет то преимущество
йеред диполем, что ее входное сопротивление примерно в три раза
выше, чем у диполя с длиной плеча в четверть длины волны,
установленного на той же высоте. Эта закономерность может быть особенно
полезна для начинающих радиолюбителей, поскольку О, IX в
диапазоне 160 м означает уже 16 м. Диполь на такой высоте имеет
сопротивление около 20 Ом, а рамка - не менее 40 Ом, что значительно
удобнее для согласования ее с коаксиальными кабелями. Например,
автором при работе с рамкой периметром 40 м, подвешенной на
высоте 2 м, были получены очень неплохие результаты в диапазонах 20,
40 и 80 м. При использовании диполей, расположенных на такой же
высоте, уровень сигнала падал на 6 и более децибелов в каждом из
этих диапазонов.
Очевидно, что низко висящие рамки удобны в горных походах или
в иных условиях, когда по каким-либо причинам трудно подвесить
антенну на достаточную высоту.
ВЕРТИКАЛЬНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Если в горизонтальных рамочных ацтеннах геометрическая форма
и способ питания мало сказываются на параметрах, то в
вертикальных антеннах их влияние велико. Входное сопротивление таких
антенн составляет при малых высотах подвеса, начиная от 0,03Л, не
менее 70 Ом независимо от способа питания; при высоте подвеса
более 0, IX - не менее 100 Ом, а при 0,15—0,2Л достигает ее собственного
значения 130 Ом. ДН вертикальной рамки имеет горизонтальную
1\М/1
Н>0.25Х
82
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
и вертикальную (за счет вертикальных сторон рамки) составляющие
поля излучения. Диаграммы направленности рамок различной
формы приведены на рис. 2.23-2.25.
В случае верхнего питания низко расположенной дельтаобразной
рамки основное излучение ее горизонтальной части из-за близости
земли направлено в зенит (рис. 2.23а).
Вертикальная составляющая излучения невелика и ее
направление составляет с горизонтом угол около 20е. Очевидно, что эта
антенна подходит для проведения связей как в данной местности (за счет
лепестка диаграммы, направленного в зенит), так и для дальних -
благодаря излучению наклонных сторон рамки. При подъеме ее на
высоту более 0,25Л поляризованная по горизонтали составляющая
о)
Уробень
горизонтальной
поляризации
J ОДЗА
/////////
б)
Уробень
20' бертикальной
поляризации
Уробень
горизонтальной
поляризации
/////////
в)
Уробень
бертикальной
J5* поляризации
Уробень
горизонтальной
поляризации
Уробень
бертикальной
поляризации
t 0.03Х
/////////
Рис. 2.23. Диаграммы направленности низко висящих вертикальных
дельтообразных рамок при разных способах питания
ВЕРТИКАЛЬНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
83
поля имеет максимум, расположенный примерно под углом 40°
относительно горизонта. Вертикальная составляющая при этом
практически не меняется. Такая антенна эффективно работает при проведении
DX-QSO с использованием волн горизонтальной и вертикальной
поляризации.
Аналогичные результаты получаются при питании дельтаобраз-
ной рамки снизу в центре (см. рис. 2.23б,в). Основная часть
подводимой энергии при этом идет на питание ее горизонтальной части.
У рамки в виде квадрата с центральным нижним питанием (рис. 2.24)
максимум ДН поля с горизонтальной поляризацией направлен в
зенит, а вертикальная составляющая мала. Если высота подвески
квадрата больше, чем четверть длины волны, максимум лепестка ДН поля
Уробень
горизонтальной
поляризации
//////////////
Уробень
бертикальной
78' поляризации
Рис 2.24. Диаграмма направленности установленной близко к земле
вертикальной рамки
^С*\
0.03Х
/////
. Уробень поля
' бертикальной
поляризации
Рис 2.25. Варианты запитки низко висящих вертикальных рамок
84
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
с горизонтальной поляризацией опустится до 45° относительно
горизонта, а уровень вертикальной составляющей не изменится.
У антенн, изображенных на рис. 2.25, главный лепесток ДН для
поля с вертикальной поляризацией, в 2-4 раза выше по мощности,
чем у поляризованного горизонтально и направленного в зенит. При
увеличении высоты подвески (начиная с четверти длины волны) это
соотношение изменяется мало.
Такие антенны удобны для DX QSO (прямой дальней связи)
благодаря низко расположенному лепестку вертикально
поляризованного электромагнитного поля, и в то же время они могут обеспечить
местную работу за счет направленного в зенит максимума с
горизонтальной поляризацией. Диаграммы направленности антенн на
рис. 2.23-2.25 показаны в вертикальной плоскости.
В антеннах, изображенных на рис. 2.23-2.25, следует применять
симметрирующие устройства и описанные ранее способы
согласования с коаксиальным кабелем. Если же симметрирование по тем или
иным причинам не выполняется, то подключать оплетку и
центральную жилу кабеля к антеннам, представленным ьа рис. 2.25,
рекомендуется так, как показано там же.
Для антенн на рис. 2.23 и 2.24 порядок подключения оплетки и
центральной жилы к тому или другому выводам рамки роли не играет.
НАКЛОННЫЕ РАМКИ
Во многих случаях при ограниченной высоте мачты или какой-либо
иной опоры для подвеса или по другим причинам радиолюбителю
бывает удобнее использовать наклонную рамку, а не горизонтальную
или вертикальную.
Конструируя наклонную рамку\ необходимо ориентировочно знать
ее входное сопротивление. График зависимости сопротивления
наклонной рамки от угла ее наклона к горизонту приведен на рис. 2.26.
Входное сопротивление рамки с высотой подвеса 0,05Х и при угле
наклона более 30° составляет не менее 50 Ом, что позволяет
согласовать ее с 50-омным коаксиальным кабелем. А когда угол наклона
становится больше 45е, входное сопротивление возрастает не менее, чем
до 75 Ом. С увеличением высоты подвеса рамки ее сопротивление
резко растет и при значениях, превосходящих четверть длины
волны, оказывается почти равным «чистому» сопротивлению рамки
(в свободном пространстве).
Направления излучения наклонных низко расположенных рамок
показаны стрелками на рис. 2.27.
НАКЛОННЫЕ РАМКИ
85
t r6*0m
Н = 0.1~К
Рис. 2.26. График зависимости входного сопротивления наклонной рамки
от угла ее наклона к горизонту
Рамка
(bud сбоку)
////У/У///// У У У У У У У У У У У У
Рис. 2.27. Направления излучения наклонных низко расположенных рамок
При небольших углах наклона (до 45°) электромагнитная волна
направлена под некоторым углом к горизонту, что удобно для
дальней связи. В сторону земли рамка излучает меньше из-за
переотражения. Составляющая с вертикальной поляризацией невелика и
имеет почти круговую направленность. При увеличении угла наклона
возрастает интенсивность этой составляющей и ДН приближается
к виду, характерному для вертикальных рамок на рис. 2.23-2.25.
Несколько иначе выглядят диаграммы направленности наклонных
рамок с высотой подвеса более четверти длины волны. Они в
определенной степени аналогичны диаграммам вертикальных высоко
установленных, но повернутых на соответствующий угол рамок.
В этом случае связь осуществляется с использованием лучей 1-4
(рис. 2.28).
С помощью луча 1, который направлен под малым углом к
горизонту, возможно проведение дальних связей. Лучи 3 и 4 дают
возможность проводить как дальние, так и ближние связи. Следует учесть, что
при сложении прямого и отраженного лучей (1-2 и 3-4) происходит
86
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Рис. 2.28. Направления излучения наклонной вертикальной
рамки при высоте ее установки в четверть длины волны
дробление диаграммы направленности и появляются новые
лепестки. При этом иногда происходит некоторое ухудшение связи с
отдельными регионами, в направлении которых располагаются
провалы ДН. Хотя, как правило, это ухудшение бывает незначительным.
Наклонные рамки также нуждаются в симметрировании согласно
приведенным выше рекомендациям.
СВЕРНУТЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
При современном всеобщем дефиците места для размещения антенн
все более популярными становятся малогабаритные конструкции.
Преимуществом рамочных антенн, по сравнению с укороченными
диполями и штырями, является их большая широкополосность.
Одной из распространенных так называемых свернутых рамочных
антенн является пирамидальная антенна (рис. 2.29). Она
представляет собой рамку с вывернутыми сторонами (рис. 2.30).
Рис. 2.29. Преобразование рамочной антенны
в пирамидальную
СВЕРНУТЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
87
Коаксиальный кабель
7УУ
^ГГ7
Рис. 2.30. Пирамидальная антенна
Для подвеса этой антенны используется одна мачта. На ее
вершине крепятся концы треугольников полотна, провода которого
одновременно могут служить растяжками мачты. Желательно, чтобы
высота подвеса нижних сторон рамки составляла не менее 0,05 от
длины волны. Если угол, образованный сторонами рамки с
поверхностью земли, сделать более 30°, то входное активное сопротивление
рамки окажется не менее 60 Ом. Это позволит согласовать рамку с
коаксиальным кабелем. Реактивная составляющая входного
сопротивления рамки может быть сравнимой по величине с его активной
компонентой и даже превосходить ее, поэтому иногда возникают
сложности при согласовании. Кабель питания должен проходить
вдоль мачты. Рамка с высотой подвеса 0,05Х и углом наклона 30е в
определенной степени эквивалентна четвертьволновому диполю,
расположенному на высоте 0,25Х. Она имеет круговую диаграмму
направленности.
Оптимальный угол наклона рамки при высоте подвеса 0,05Л
находится в пределах 30-60°, но она может работать и при углах больше
10°. Если установить рамку на высоту более четверти длины волны,
то уже при угле 60 -90° (то есть когда ее, по существу, можно считать
вертикальной) ее входное сопротивление будет равно 60-80 Ом.
Питать рамку можно описанными выше
способами. Симметрирование улучшает ее
работу. Периметр полотна, как и у обычной
волновой рамки, равен примерно 1,01-1,02
от длины волны, и под влиянием
некоторых факторов может понадобиться его
корректировка. Диапазонность рамки - не
менее 2%, а КСВ - не хуже 2, что позволяет
перекрывать любой любительский
диапазон. Верхняя точка А (см. рис. 2.29) может
50 0м
Все стороны
длиной Х/Ю
Рис 2.31. Антенна
«мини-квадрат»
88
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
быть заземлена на мачту, что дополнительно повышает широкопо-
лосность рамки и защищает её от грозы.
Еще один интересный пример свернутой рамки, носящей
наименование антенны «мини-квадрата», приведен в [9]. Она также
представляет собой рамку с периметром, равным длине волны, но
свернутую в два квадрата (рис. 2.31).
Как видно из рисунка, эта антенна состоит из десяти отрезков
провода длиной Х/10, то есть ее высота и длина не превосходят
величины Х/10. Такую малогабаритную антенну, спроектированную для
работы в высокочастотных диапазонах, можно разместить на окне,
балконе, чердаке. Антенна для низкочастотных диапазонов также не
займет много места. По сравнению с диполем, ее усиление меньше,
а полоса пропускания несколько уже. Входное сопротивление такой
рамки, подвешенной на высоте 0,1-0,2Х, лежит в пределах 40-50 Ом,
а на больших высотах достигает 60-70 Ом, что позволяет питать ее
через коаксиальные кабели широко распространенных типов.
Реактивность этой рамки может вдвое превосходить значение ее
активного сопротивления, а диаграмма направленности близка к круговой.
Питать ее можнокак в точках шлейфа, так и в других точках ее
периметра - в середине стороны квадрата или в его углах. Расположение
рамки при питании ее в середине шлейфа показано на рис. 2.31.
Можно использовать не только квадратную рамку, но и круглую,
и треугольную - как вам удобнее - важно лишь, чтобы их периметр
был примерно равен длине волны. Отметим, что из-за
«ненормальной» ориентации сторон свернутых рамок их нецелесообразно
применять в многоэлементных антеннах.
УКОРОЧЕННЫЙ ШЛЕЙФОВЫЙ КВАДРАТ
Когда установка полноразмерной волновой рамки по каким-либо
причинам затруднена, можно воспользоваться способом
согласования антенны, который предложил радиолюбитель, имеющий
позывной G5RV [10]. Он заключается в том, что часть антенны (до 30% ее
длины) выполняется в виде открытой линии (рис. 2.32).
В данном случае при высоте подвеса рамки не менее 0,2 от длины
волны коэффициент усиления антенны и ее ДН будут сравнимы с
соответствующими характеристиками диполя. Настраивают антенну,
изменяя длину шлейфа.
Эти рамки при одинаковом размещении имеют примерно такие же
диаграммы направленности и входное сопротивление, как и их
полноразмерные аналоги. Не исключено, что придется немного подстроить
УКОРОЧЕННЫЙ ШЛЕЙФОВЫЙ КВАДРАТ
89
шлейф для лучшего согласования. При изготовлении шлейфа
можно использовать линии передачи в пластиковой изоляции, учитывая
при этом соответствующий коэффициент укорочения.
Допускается размещение шлейфов в любой точке антенны (рис. 2.33).
Если используется несколько шлейфов, то они иногда занимают
до 40% длины рамки при соответствующем ухудшении ее
параметров и приближением их к параметрам диполя. С помощью таких
шлейфов очень удобно строить квадраты для нескольких
диапазонов. Например, имея рамку с периметром 10 м, при помощи
удлиняющих шлейфов, замыкаемых на «холодном» конце рамки (то есть
в средней точке на противоположной от точек питания стороне),
можно создать антенну для работы в диапазонах 10,12, и 15 м (рис. 2.34).
На этом же принципе можно строить рамки и для диапазонов 12-17,
17-20 и 30-40 м. Настройка в резонанс с помощью изменения
длины замыкающего шлейфа производится в каждое из диапазонов.
При условии, что можно удовлетвориться двухдиапазонным
вариантом, подойдет некоммутируемое питание через шлейф и питание
антенны через отрезок кабеля с электрической длиной, кратной
полуволне, которая соответствует верхней рабочей частоте антенны
(рис. 2.35).
В этом случае на нижней рабочей частоте система является гилей-
фовой рамкой и хорошо согласуется с кабелем питания; на верхней
частоте она представляет собой волновую рамку с комбинированным
питанием - через отрезок открытой линии и коаксиальный кабель.
Юм
Рис. 2.32
Укороченный
шлейфовый квадрат
Рис. 2.33
Трехшлейфовый
укороченный квадрат
Рис. 2.34
Многодиапазонный
шлейфовый квадрат
90
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Для улучшения согласования антенной системы здесь требуется
кабель с электрической длиной, кратной полуволне на верхней частоте
рабочего диапазона. Диаграмма направленности и входное
сопротивление таких рамок близки к соответствующим параметрам
полноразмерных рамок.
Представляют интерес и рамки, где шлейфы играют роль
заградительных контуров (рис. 2.36). Такие рамки могут быть использованы
только в кратных диапазонах - например, 10-20, 20-40, 40-80 м.
Рассмотрим работу антенны, сконструированной для применения
в диапазонах 10 и 20 м (см. рис. 2.36). Шлейфы Ul{ и Ш2 имеют
«бесконечные» входные сопротивления на верхней частоте антенны,
соответствующей длине волны 10 м. В результате этого антенна
оказывается примерно эквивалентной диполю, но за счет верхней части
рамкй, которую выбирают чуть длиннее нижней, нет излучения в
зенит, и диаграмма направленности получается прижатой к земле.
В диапазоне 20 м она работает как обычная шлейфовая рамка.
Шлейфы в этой конструкции допускается сворачивать (не плотно) и
разводить в стороны. Их можно делать на базе длинной линии в
пластиковой изоляции (типа КАТВ), учитывая при этом коэффициент
укорочения волны.
Шлейфовые рамки удобно использовать для построения
многоэлементных антенн.
Lj= Ш2/2.
где п - целое число
Рис. 2.35. Двухдиапазонная шлейфовая
укороченная антенна
Рис. 2.36
Двухдиапазонная рамка
с заградительными
шлейфами
УКОРОЧЕННЫЙ ШЛЕЙФОВЫЙ КВАДРАТ
91
По принципу своей работы шлейфовые рамочные антенны
симметричны, поэтому при питании их от коаксиального кабеля
желательно применять симметрирование.
Если шлейфы в антенне представляют собой жесткую конструкцию
и электрическая длина антенны получилась несколько больше
расчетной, то с помощью емкости, размещенной в их начале (рис. 2.37),
удается электрически укоротить шлейф.
Если в антенне несколько шлейфов, то, естественно, подстроечные
конденсаторы необходимо размещать в каждом из них.
Использование шлейфов с соответствующими параметрами
позволяет создавать и многодиапазонные антенны. При этом шлейф
подстраивается конденсатором, как режекторный контур. Например,
теоретически можно создать короткую эффективную антенну
небольших размеров для диапазонов 10, 30 и 40 м (рис. 2.38).
Здесь на 10 м работает нижняя часть рамки, то есть антенна
аналогична диполю - режекторные контуры Kj и К2 отключают
верхнюю часть рамки. На 30 м рамка подобна свернутому
полуволновому диполю, который увеличивают до необходимой резонансной
длины отрезками шлейфов Kj и К2, а середину размыкают с помощью
режекторного контура, настроенного на 10 МГц. При частоте 7 МГц
периметр рамки удлиняется с помощью линий Kj, K2 и К3.
Практическое выполнение такой антенны хотя и несколько трудоемко, но
реально.
Рис 2.37
Укорочение шлейфа
с помощью емкости
Частоты настройки
контуроб:
К1иК2 -29 МГц
К3'
К7 -10.1МГц
Рис. 2.38. Трехдиапазонная рамочная антенна
с настраиваемыми шлейфами
92 ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
ТРЕХДИАПАЗОННАЯ РАМОЧНАЯ АНТЕННА
Еще один способ создания многодиапазонной рамки - параллельное
включение трех волновых рамок, настроенных на соседние диапазоны
со значительно отличающимися частотами. Например, 20, 40, и 80 м
или 10, 20, и 40 м (рис. 2.39).
В этой конструкции рамки, предназначенные для разных
диапазонов, мало влияют друг на друга. При работе антенны в каком-либо из
этих диапазонов резонировать будет только
одна из рамок. Ею же определится и
активное сопротивление антенны, зависящее от
положения рамки относительно земли (это
уже обсуждалось ранее). Остальные рамки
на этих частотах будут иметь значительные
реактивные составляющие входного
сопротивления и не окажут большого воздействия
на характеристики резонансной рамки. Дан-
D о on т ная система работает не более, чем на трех
гис. 2.ЗУ. Iрехдиапазонная ^ г - _ г
^ „.,,„„„ ™ „„ любительских диапазонах. Если к системе из
рамочная антенна **
рамок на 20, 40, и 80 м добавить еще одну -
на 10 или 15 м, то эффективность низкочастотной рамки (в
диапазоне 80 м) заметно упадет. Тем не менее, можно безболезненно
добавлять рамки для промежуточных диапазонов. Например, в систему
рамок на 20,40, и 80 м добавляют рамку на 30 м, а в систему на 10,14,
и 20 м - рамки на 12 и 17 м. Конечно, КСВ у системы рамок в целом
хуже, чем у одной рамки, но антенна будет работать достаточно
эффективно. Относительное расположение рамок может быть каким
угодно: внутри друг друга, в одной или в разных плоскостях. Не
играет заметной роли и их геометрическая форма. Диаграмма
направленности антенной системы в целом определяется диаграммой
резонансной рамки, но из-за влияния соседних рамок она немного изменяется.
Размещение рамок в разных плоскостях несколько уменьшает их
взаимовлияние. Подобные антенные системы также целесообразно
питать через симметрирующее устройство.
Описания таких систем имеются как в отечественной, так и в
зарубежной литературе. Например, и [11] рассмотрена система рамок,
работающая на 3, 5, 7 и 14 МГц.
УКОРОЧЕНИЕ РАМКИ ЕМКОСТЬЮ И ИНДУКТИВНОСТЬЮ
Иногда при ограниченности места для установки полноразмерной
рамочной антенны применяют укороченные рамки. «Укоротить»
ТРЕХДИАПАЗОННАЯ РАМОЧНАЯ АНТЕННА
93
рамку можно с помощью соответствующим образом включенных
емкости и индуктивности. Обратимся для примера к диполю -
основному элементу рамки. На рис. 2.40 показаны распределения тока и
напряжения в диполе.
Чтобы укоротить диполь индуктивностью (рис. 2.40а),
необходимо включить ее в центр диполя и питать последний через катушку
связи, что несколько затруднительно и требует применения
симметрирующего устройства. Обычно в радиолюбительских конструкциях
подключают две идентичные катушки непосредственно к плечам
диполя со стороны питания антенны. Для укорочения с помощью
емкости (рис. 2.406) емкостные нагрузки подключают к концам диполя.
Обычно это 3-4 крестообразных проводника длиной около метра
каждый (рис. 2.41).
Рассмотрим достоинства и недостатки обеих схем.
При индуктивном согласовании надо применять высокодобротные
катушки, намотанные толстым проводом и защищенные от влаги,
i i
^А-Л^
СУ.
о) 6}
Рис 2.40. Укорочение диполя с помощью катушек индуктивности (а) и емкостей (б)
94
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Рис. 2.41. Укороченный емкостной нагрузкой диполь
поскольку высокочастотное напряжение на них может достигать
довольно больших значений. Существенный недостаток индуктивно-
укороченных антенн заключается в трудности их настройки
изменением индуктивности катушек. Для эффективного излучения
электромагнитной волны необходимо обеспечить максимальный ток
в линейном проводнике в основании антенны. В то же время
создаваемое антенной поле уменьшается из-за того, что этот ток течет по
катушкам, снижая тем самь:*! ее КПД.
Тем не менее, этот способ согласования все же используют.
Квадрат, укороченный с помощью катушек индуктивности, показан на
рис. 2.42.
Для расчета индуктивности можно воспользоваться простой
эмпирической формулой. Сначала определяют длину укорочения S (все
расстояния - в метрах): S = Х/4 - 1, где X - длина волны, на которой
работает антенна; 1 - длина стороны рамки.
Далее индуктивность согласующих катушек (в мкГн)
определяется из соотношения L = 2Ц = L2= Ц = S / (1,5...4).
К сожалению, более точной формулы для расчета индуктивностей
у нас нет, но в любом случае эти катушки требуют подстройки. При
этом должно сохраняться приведенное выше соотношение.
Укорочение с помощью индуктивности позволяет уменьшить
длину рамки примерно на 30-50% от первоначальной дри снижении
КПД до 30-10%. Широкополосность рамки при этом та^же
уменьшается, но в целом она остается работоспособной внутри
любительского диапазона. Для ее согласования пригодны и все рассмотренные
ранее методы. В частности, хорошо подходит симметричное гамма-
согласование.
ДН рамочных антенн, укороченных с помощью индуктивности,
примерно такие же, как диаграммы не укороченных антенн (то же
УКОРОЧЕНИЕ РАМКИ ЕМКОСТЬЮ И ИНДУКТИВНОСТЬЮ
, 95
zz^
Рис. 2.42. Укороченный катушками
индуктивности квадрат
Рис. 2.43. Укороченный
индуктивностью заземленный
квадрат
можно сказать и об их входных сопротивлениях). При этом
вертикальные и горизонтальные лепестки ДН притупляются и
размываются, а нули диаграммы заплывают. Рамка, укороченная
индуктивностью, в большей мере подвержена рассимметрирующему воздействию
окружающих предметов. При этом возможно смещение резонансов
на гармониках частоты рабочего диапазона рамки как вниз, так
и вверх по частоте.
Стоит еще отметить, что полотно рамочной антенны, укороченной
индуктивностью, иногда заземляют, как показано на рис. 2.43. Здесь
же видно, каким образом при этом подключаются
катушки.
При настройке рамки, укороченной с помощью
емкости, следует помнить, что такая антенна
представляет собой замкнутый контур. У нее нет
концевой емкости, как у диполя, и в силу этого укорочение
происходит за счет емкостного взаимодействия
между противоположными сторонами, имеющими
высокий потенциал (рис. 2.44).
Отметим отличие емкостного согласования рамки
от емкостного укорочения диполя. В последнем
случае емкостные токи протекают между
противоположными концами диполя и землей и в итоге вносят
свой вклад в создание диаграммы направленности,
Рис. 2.44
Укороченный
емкостью квадрат
96
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
а в первом - они текут внутри конденсатора и не принимают
непосредственного участия в формировании поля излучения антенны.
На рамку, укороченную емкостью, в гораздо меньшей степени
влияют рассимметрирующие факторы. КПД у такой рамки значительно
выше, чем у рамки, укороченной индуктивностью, поскольку емкость
обеспечивает лучшее согласование. При укорочении рамки емкостью
вдвое он составит примерно 60% от КПД полноразмерной рамки,
а при укорочении до 0,3 от периметра исходной рамки он понизится
до 40%. В то же время небольшое укорочение в пределах 0,1-0,3
сохранит КПД укороченной рамки на уровне 80-90% от КПД
полноразмерной рамки.
Расчет конденсатора несложен, в нем используется ранее
определенное для рамки значение укорачивающей индуктивности L (см.
выше), через которое выражается необходимая емкость конденсатора:
С = 1 / (4ш2 L). Где со = 6,28 F; (F - рабочая частота рамки). Здесь С,
L и F выражены в соответствующих единицах СИ.
Этот расчет является приближенным, поскольку емкость зависит
от некоторых трудно учитываемых факторов.
Для рамок, работающих в любительских диапазонах 6-40 м,
можно использовать конденсатор емкостью до 50 пФ, а в диапазонах
80-160 м - 100 пФ. Следует обратить особое внимание на качество
конденсатора - при мощности передатчика 100 Вт он должен быть
воздушным или вакуумным с зазором рколо
0,5-1 мм. Кроме того надо принять меры по его
влагоизоляции. Рамки, укороченные емкостью
или индуктивностью, имеют аналогичные
диаграммы направленности и значения входных
сопротивлений. Точку их нулевого потенциала
(так же, как в полноразмерных рамках) можно
заземлить (рис. 2.45).
Рамка, укороченная емкостью или
индуктивностью, является резонансной, поэтому ее
удобно включать в многоэлементные антенны в
качестве пассивного или активного элементов.
Если в многоэлементной антенне обеспечить
подстройку элементов с помощью конденсато-
Рис 245 Заземление Ров' то появляется возможность переключать
нулевого потенциала направление максимума ее ДН на 180°.
укороченной Можно создавать и комбинированные укоро-
рамочной антенны ченные рамочные антенны (рис. 2.46), в которых
ШУНТОВАЯ РАМКА
97
применяются одновременно и укорочение с помощью индуктивнос-
тей, и подстройка с помощью емкости. Но в радиолюбительской
практике они не применяются из-за сложности в их реализации.
Распространение рамок, укороченных емкостью, сдерживается
в основном только отсутствием соответствующих высоковольтных
переменных конденсаторов. В этой связи будет полезно рассмотреть
укороченную антенну G3YDX [12]. Она рассчитана для работы
в диапазоне. 20 м, и роль емкости в ней играют внутренние шлейфы
(рис. 2.47).
При изменении размера элементов антенны, обозначенных буквой
А, изменяется ее резонансная частота. На этом принципе можно
создавать «конденсаторы» для укороченных рамок, предназначенных
для работы и в других диапазонах. Чем больше размер А, тем меньше
электрическая длина рамки. Для сохранения симметрии антенны все'
провода А должны быть одинаковой длины.
И в заключение стоит отметить, что в бывшем Советском Союзе
первой доступной автору и другим радиолюбителям публикацией об
укороченных рамочных антеннах была [13].
Рис. 2.46. Комбинированное
укорочение рамки с помощью
емкости и индуктивностей
A = 8W
Рис. 2.47. Укороченная антенна
G3YDX
ШУНТОВАЯ РАМКА
Описание широкополосной шуншовой рамочной антенны
периодически появляется на страницах отечественной и зарубежной
литературы ([14, 15]). Такая рамка показана на рис. 2.48.
98
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
V3 w Она работоспособна в диапазоне волн
0,8-2,5Х, где X - собственная
квазирезонансная длина волны антенны. В этой полосе
ее активное сопротивление меняется от 100
до 300 Ом при слабо выраженной
реактивной составляющей. Иногда размеры ее
сторон делают несколько отличными от А,/3.
Здесь рамка ведет себя, почти как
диполь - у нее примерно такой же коэффици-
Рис. 2.48. Широкополосная ент уСИЛения и диаграмма направленности.
шунтовая рамка pj0 рамКу МОжно размещать сравнительно
близко к земле. Распределение тока в ней таково, что вертикальные
составляющие излучения взаимно компенсируются и в ее ДН
практически отсутствуют. Рамка имеет симметричный вход, поэтому
питать ее лучше с помощью двухпроводной линии, но, как показывает
опыт, можйо использовать и недлинный 75-омный коаксиальный
кабель.
Заземлять полотно шунтовой рамки нельзя ни в одной из ее точек.
В [14] представлены интересная конструкция антенны для
получения поля с круговой поляризацией и способ согласования рамки.
Он состоит в том, что рамка, изображенная на рис. 2.49, питается
в точках А-А непосредственно, а в точках Б-Б через линию,
обеспечивающую сдвиг фазы на 90°.
Недостатком этого метода является то, что сдвиг фаэы на 90°
отрезком коаксиального кабеля или двухпроводной линии
осуществляется лишь на одной частоте, на других частотах угол будет иным, и в
результате ухудшатся параметры рамки.
И все же, подобная рамка, относящаяся к самым простым,
обеспечивает почти трехкратное перекрытие по диапазону частот: одна и та
же рамка с успехом работает, например в любительских диапазонах
между 10 и 30 м. Данная рамка не является
резонансной, поэтому в многодиапазонных антеннах
ее можно использовать только в качестве
активного элемента. В частности, вариант такого
использования логопериодической антенны с
шунтовой рамкой рассмотрен в [15].
Иногда появляются сообщения о попытках
создать широкополосную направленную многоэле-
Рис 2.49. Шунтовая ментную антенну с шунтовыми рамками в каче-
рамка с круговой стве ее пассивных элементов. Пример такой
поляризацией антенны ([14]) представлен на рис. 2.50.
х/з
Л/6
л/б
ел
—о о
Мб
СПИРАЛЬНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
99
Рис. 2.50. Двухэлементная шунтовая рамочная антенна
Эта антенна предназначена для диапазона частот 180-250 МГц. Ее
усиление примерно в 2,2 раза выше, чем у диполя, работающего в том
же диапазоне, и меняется в нем не более чем на 10%. К антенне в
точках Х-Х подключена двухпроводная линия с волновым
сопротивлением 300 Ом. Из-за высокого расхода материалов на изготовление
и низкого коэффициента усиления данная антенна проигрывает
многим другим, более простым широкополосным антеннам, например
зигзагообразной антенне Харченко, которая будет описана ниже.
СПИРАЛЬНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Материалы, необходимые для расчетов антенн со
спирально-укороченными элементами, представлены в [16] (рис. 2.51).
Такие антенны существенно короче (в 1,5-2,5 раза) линейных. Это
объясняется тем, что ВЧ токи распространяются вдоль проводника,
свитого в спираль, электрическая длина которого в 1,5-2,5 раза
больше габаритного размера спирали L вдоль ее оси. Коэффициент
укорочения К, равный отношению электрической длины провода
антенны к длине спирали, зависит от радиуса и шага спирали, а также от
Рис. 2.51. Спиральная укороченная антенна
100
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
частоты, на которой проводятся измерения
(расчетные соотношения приведены в [16]).
Пользуясь этим принципом, можно
делать линейные,части рамочных антенн из
спиральных проводников, в частности при
конструировании как «полноразмерных»,
так и укороченных рамок. Размеры
рамочных антенн получаются совсем
небольшими (рис. 2.52).
По-видимому, такие рамки не получили
широкого распространения среди
радиолюбителей из-за сложностей с поиском
подходящего каркаса. Так, на всем известном
спортивном пластиковом обруче диаметром
1-1,2 м можно сделать рамочную антенну
Рис. 2.52. Спиральная только для длин волн от 6^о 12 м, но в этом
укороченная рамочная диапазоне и полноразмерные рамки имеют
антенна небольшие размеры.
С помощью емкостных нагрузок и шлейфов рабочий диапазон
длин волн такого стандартного обруча расширяется до 15-20 м,
однако его работа при этом недостаточно эффективна. Коэффициент
усиления у этой рамки ниже, чем у диполя. Поэтому ее применение
оправдывается только тем, что она работает вблизи поверхности
земли и имеет малые размеры.
В зарубежной литературе иногда появляется информация о
промышленных спиральных антеннах для широкого диапазона частот, но
не более октавы. При этом применяется специальное согласующее
устройство, которое располагают на антенне.
Спиральные антенны - резонансные, поэтому их можно
использовать в качестве активных и пассивных элементов направленных
антенн. Диаграмма направленности у спиральных рамочных антенн
примерно такая же, как у их «длинных» прототипов, но провалы
между лепестками диаграммы значительно меньше. Усиление таких
антенн приближается к усилению диполя, а у очень коротких может
быть и меньше. Активная часть входного сопротивления на 20-30%
ниже, чем у полноразмерных рамок, а реактивная составляющая -
выше не менее, чем в два раза.
МНОГОВИТКОВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Классическая рамочная антенна содержит один виток провода,
однако существуют и многовитпковые рамочные антенны (рис. 2.53).
j
ШИРОКОПОЛОСНЫЕ НАГРУЖЕННЫЕ РАМКИ
101
Хотя в любительской практике такие
антенны встречаются редко, знать их параметры
полезно.
Входное сопротивление у двухвитковой
антенны в 2-3 раза выше, чем у одновитко-
вой, и достигает нескольких килоом при 3-4
витках. Отсюда следует, что коэффициент
усиления двухвитковой рамки примерно на
0,5-1 дБ выше, чем одновитковой. В ее ДН,
которая, в общих чертах, совпадает с
диаграммой одновитковой рамки, более резко
выражены МИНИМУМЫ. РИС 251 ЯВУХВИТКОВОЯ
Эти преимущества обычно не удается pea- ромочная антенна
лизовать из-за сложности согласования высокого входного
сопротивления рамки с низким сопротивлением коаксиального кабеля или
выходного каскада передатчика. Кроме того, двойная рамка сильнее
подвержена рассимметрирующему воздействию окружающих
предметов, чем одиночная. Существует также проблема, связанная с
обеспечением постоянного расстояния между внутренней и наружной
рамками. Чем больше расстояние между соседними рамками, тем
выше усиление, так как при этом рамочная антенна охватывает
больший объем.
Но все же иногда двойная и даже тройная рамки находят
применение. Следует заметить, что длина стороны рамки должна быть
кратна четверти рабочей длины волны. Использовать многовитковую
рамку с общим периметром, равным длине волны, нецелесообразно,
поскольку ее усиление меньше, чем у одновитковой. Многовитковые
резонансные рамки можно применять в многоэлементных директор-
ных антеннах, в качестве активного элемента.
ШИРОКОПОЛОСНЫЕ НАГРУЖЕННЫЕ РАМКИ
Широкополосная нагруженная рамка (рис. 2.54) является
неоптимальной ромбической антенной. Ее периметр может составлять 0,1 от
длины волны и более. Такая рамка с периметром в 10 м способна
работать во всех KB диапазонах, начиная с 80 м и заканчивая б м.
Этот класс антенн называют антеннами бегущей волны. Одна из
таких антенн - ромбическая - подробно описана ниже. Нагруженная
рамка эффективно работает при длине периметра не менее 2Х, то есть
например, рамку с периметром Юм целесообразно использовать
лишь в диапазоне 6 м. На более низких частотах у нее практически
102
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Линия 300-600 Ом
Рис. 2.54. Широкополосная
нагруженная рамка
т-600 ом круговая диаграмма направленности для
обеих поляризаций. Размещать ее можно
как горизонтально, так и вертикально,
закрепляя нижнюю точку питания на высоте
не менее Х/8, где X - наименьшая рабочая
длина волны. Входное сопротивление
такой рамки близко к сопротивлению ее
нагрузки. Геометрическая форма может быть
любой, но предпочтительны круг или ромб.
Несмотря на низкую, с теоретической
точки зрения, эффективность, удавалось
с помощью рамки периметром Юм
осуществлять прямые дальние связи (DX QSO)
в диапазоне 20-40 м и ближние связи (QSO) с 0 и 9 - районами
России в диапазоне 80-160 м при подводимой мощности 20 Вт. Поэтому
эту широкополосную антенну можно использовать в качестве
вспомогательной. Сопротивление нагрузки должно выдерживать
мощность, составляющую по крайней мере 30% мощности, подводимой
к выходному каскаду в низкочастотном диапазоне (в
высокочастотных диапазонах это требование можно уменьшить до 10%). Для
питания антенны можно использовать либо двухпроводную линию
с волновым сопротивлением 300-600 Ом, либо коаксиальную в
сочетании с известными согласующими устройствами. Желательно
предусмотреть симметрирование антенны.
Нужно заметить, что эта антенна занимает промежуточное место
между ромбической и петлевой. При использовании только в
диапазоне 20-80 м ее можно питать непосредственно через коаксиальный
кабель с нагрузочным сопротивлением 75-100 Ом. Однако по
сравнению с рамкой, нагруженной 600-омным сопротивлением, КПД
такой антенны будет значительно ниже.
ДВОЙНАЯ РАМОЧНАЯ АНТЕННА
Двойная рамочная, или зигзагообразная антенна (также ее называют
антенной Харченко- по фамилии автора, впервые описавшего ее
в [17]) изображена на рис. 2.55. Здесь показан ее внешний вид (а) и
зависимость коэффициента бегущей волны (КБВ) от длины стороны (б).
Периметр каждой из рамок равен длине волны, на которой
работает антенна. За счет параллельного включения двух рамок суммарное
входное сопротивление системы близко к 60 Ом, следовательно,
антенну можно питать через коаксиальный кабель с волновым
сопротивлением 50 или 75 Ом.
ДВОЙНАЯ РАМОЧНАЯ АНТЕННА
ЮЗ
0.9
0.8
0.7-1
0.6 А
0.5 А
ол\
0.3 \
0.2 \
£7.7-1
О
КБВ
//X
0.25
0.27
—i г-
0.29
0.31
п i—
0.33
а) б)
Рис. 2.55. Зигзагообразная антенна Харченко
Коэффициент усиления двойной рамочной антенны достигает
6-8 дБ. Полоса пропускания у нее шире, а эффективность на
высоких частотах выше, чем у одинарной волновой рамки.
Для увеличения полосы пропускания этой антенны используют,
как и в случае одиночных рамочных антенн, параллельное включение
нескольких двойных рамок (рис. 2.56). Из-за значительных размеров
зигзагообразные антенны применяют, в основном, только в УКВ
диапазонах. Широкополосность антенны позволяет менее строго
подходить к точности выполнения ее размеров.
Широкополосность не позволяет использовать зигзагообразные
антенны в качестве пассивных элементов многоэлементных дирек-
торных антенн. С целью повышения
коэффициента усиления антенны часто
применяют рефлектор, который
изготовляют из листа металла, либо в виде
сетки проводов (рис. 2.57).
Коэффициент усиления
зигзагообразной антенны с таким рефлектором
может достигать 10-12 дБ.
Еще некоторого повышения
усиления можно добиться, установив два
директора каждый длиной примерно 0,48
от рабочей длины волны (рис. 2.58).
Двойная рамочная антенна хорошо Рис. 2.56. Широкополосная
Согласуется с коаксиальным кабелем, антенна Харченко с параллельным
но для ее питания можно использовать включением рамок
104
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
S = (0.1S-0.2) \
Рис. 2.57. Рефлекторная
зигзагообразная антенна
Директору
0,1-ОЛ
Рис. 2.58. Трехэлементная
зигзагообразная антенна
и схему гамма-согласования ([18]), как
показано на рис. 2.59.
Такой вариант питания больше
подходит для работы зигзагообразной антенны
на передачу, поскольку в этом случае
минимизируется излучение гармоник
передатчика. Использование гамма-согласования
позволяет сделать антенну
цельнометаллической и, тем самым, увеличить
ее.механическую прочность.
В одну систему можно включить более
двух зигзагообразных антенн и достичь
при этом высокого коэффициента
усиления. В [19] рассмотрен принцип
объединения в общую систему двух зигзагообразных
антенн, а в [20] - от 4 до 16! В диапазоне
УКВ с помощью такого объединения
создаются антенные системы с очень
большим коэффициентом усиления. К
сожалению, и размеры таких антенных полей
получаются весьма значительными.
Двойные рамочные антенны
симметричны, но при питании их через
коаксиальный кабель симметрирования часто не
проводится, особенно в ТВ-диапазонах.
Объясняется это тем, что эти антенны
обычно являются более широкополосными, чем
симметрирующие устройства УКВ
диапазона. Кроме того, рассимметрирование
невелико и потери от него незначительны,
Рис. 2.59. Питание зигзагообразной антенны
по схеме гамма-согласования
ШИРОКОПОЛОСНЫЕ И УКОРОЧЕННЫЕ ЗИГЗАГООБРАЗНЫЕ АНТЕННЫ 705
чему способствуют небольшие размеры зигзагообразных антенн и
размещение их на достаточно большом удалении от посторонних
предметов.
Для успешной работы такие антенны нужно располагать
достаточно высоко над землей, хотя уже на высоте более длины волны все их
параметры сохраняются.
ДН зигзагообразной антенны имеет форму восьмерки с более
узкими, чем у одиночной рамки, лепестками. Это объясняется сложением
диаграмм направленности двух рамочных антенн (верхней и нижней).
ШИРОКОПОЛОСНЫЕ И УКОРОЧЕННЫЕ
ЗИГЗАГООБРАЗНЫЕ АНТЕННЫ
В [21] рассмотрена широкополосная зигзагообразная антенна,
внешний вид которой показан на рис. 2.60а.
Широкополосность этой антенны достигается путем увеличения
распределенной емкости проводников полотна антенны. В этом
случае антенна оказывается работоспособной в диапазоне длин волн
L/(0,2...0,3), где L - фиксированный размер (см. рис. 2.60а).
Графики КНД и КБВ представлены на рис. 2.60б,в.
Чем выше рабочая частота, тем больше КНД и уже основной
лепесток диаграммы направленности. Эту антенну широко используют
для приема телевизионных сигналов на нескольких соседних каналах,
Рис. 2.60. Широкополосная зигзагообразная антенна
106
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
а иногда также в служебной связи в
качестве широкополосной приемной УКВ
антенны.
Встречаются описания зигзагообразных
антенн, содержащих укороченные элементы.
Такие элементы целесообразно применять
для построения зигзагообразных антенн
лишь для верхнего участка KB диапазона
(6-10 м). Только в этом случае полученные
результаты могут оправдать затраты на
построение «зигзага».
ОТКРЫТЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Открытые рамочные антенны (рис. 2.61) образуются путем сгибания
в квадрат диполя с длиной плеч, равной длине рабочей волны.
Распределение тока и напряжения в таком диполе показано на (рис. 2.62).
Поскольку такой диполь в отличие от четвертьволнового, имеет
коэффициент усиления около 5 дБ, то очевидно, что примерно такое
же усиление (на практике чуть меньшее) будет и у открытой рамки.
Обычно оно получается около 6-7 дБ. Когда диполь, показанный на
рис. 2.62, запитывается в центре, его входное сопротивление
оказывается в пределах от 800 Ом до 5 кОм (в зависимости от диаметра
провода полотна антенны). Открытая рамка имеет столь же высокое
входное сопротивление. Ее полоса пропускания несколько меньше, чем
у обычной рамки, но все же вполне достаточна для работы в любом
любительском диапазоне.
, Если открытую рамку питать через двухпроводную открытую
линию, то она будет работоспособной не только на резонансной
частоте, но на кратных ей частотах и на всех ее гармониках. Это значит,
что такая рамка с периметром 40 м, предназначенная для 20-м
диапазона, сможет работать в диапазонах 10, 20, 80 м. В тех случаях,
когда необходимо тщательное согласование, например в одном из
+ .Z=^-_! » М— ——S ►
Рис 2.62. Распределение тока в дипольной
антенне с плечом, равным длине волны
V2
Рис 2.61. Открытая
рамочная антенна
ОТКРЫТЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
107
высокочастотных диапазонов - 6 или Юм, применяют А,/4-трансфор-
мирующую линию. Можно применять трансформаторы двух типов:
закрытый и открытый. Первый показан на рис. 2.63.
Здесь используют то обстоятельство, что у замкнутой Л/4-линии
на открытом конце - высокое сопротивление, а на замкнутом - нуле-^
вое. Поэтому можно к открытому концу подключить высокоомную
рамку, а на некотором расстоянии X от закрытого конца
(определяется экспериментально) 50- или 75-омный кабель. Настройка
системы осуществляется изменением как расстояния X, так и расстояния
между проводами четвертьволнового трансформатора. При таком
согласовании достигается минимальный уровень излучения гармоник,
создаваемых передатчиком.
С помощью открытого четвертьволнового трансформатора (рис. 2.64)
согласование происходит согласно общеизвестной формуле:
Z =-
где Z - входное сопротивление рамки; 1л - волновое сопротивление
согласующей линии; ZK - волновое сопротивление кабеля питания.
В этой конструкции обычно применяют двухпроводную линию
и коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 500-600 и 75 Ом
А/4
U\p=*
Рис 2.63. Питание открытой
рамочной антенны через
закрытый Четвертьволновой
трансформатор
Рис. 2.64. Питание открытой
рамочной антенны
через четвертьволновую
открытую линию
108
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
*А
V4 i соответственно. Они подходят для ра-
pS^^ мок из провода диаметром 1-3 мм
с входным сопротивлением 3-5 кОм.
Более тщательное согласование
выполняют, подбирая расстояние между
проводниками линии и тем самым
изменяя ее волновое сопротивление. Можно
+ , ► воспользоваться и линией в пластико-
х'2 вой изоляции - типа КАТВ или «лап-
Рис 2.65. Непосредственное ша» (помните о ее коэффициенте уко-
питание открытой рамки через рочения!). Так как открытая рамка
коаксиальный кабель л„«.,.л ,..,.« ~«„ ~л T,„„™„„„ ^л^«
симметрична, для ее питания
желательно применять симметрирующее устройство. Все, что говорилось
ранее о размещении закрытой рамки над землей и о ее КПД,
справедливо и для открытой, с той лишь разницей, что лепестки
диаграммы направленности открытой рамки более узкие, чем у обычной
(закрытой).
Следует еще заметить, что существует способ непосредственного
питания открытой рамки с помощью коаксиального кабеля, как это
показано на рис. 2.65. Но при таком включении происходит ее рас-
симметрирование и снижение коэффициента усиления.
Рамка, которая питается таким образом, не может работать на
частотах гармоник.
Любое укорочение проводников - емкостное или индуктивное -
резко снижает эффективность открытой рамки и сужает ее полосу
пропускания до неприемлемого уровня.
В месте разрыва антенны необходимо устанавливать
высококачественный изолятор. Кроме того, требуется тщательная изоляция
элементов антенны от распорок и элементов ее конструкции.
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
С АКТИВНЫМ ПИТАНИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ
Диаграмма направленности антенны с активным питанием
элементов формируется путем взаимодействия радиоволн с разными
фазами, излучаемых всеми элементами антенны. Она зависит от ДН
отдельных излучателей, расстояния между ними и разности фаз
питающих их токов(рис. 2.66).
Суммарная диаграмма направленности нескольких рамок должна
быть уже, чем ДН одиночной рамки. Коэффициент усиления у
системы активных рамок выше, чем у системы такого же числа рамок,
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ АНТЕННЫ С АКТИВНЫМ ПИТАНИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ 109
г
1
L
*1
*1
. 1
.
1
*->
Рис. 2.66. Двухэлементная рамочная антенная система
с активными рамками в одной плоскости
в которой активной является только одна из них. Если две близко
расположенные рамки, питаются токами с различными фазами, то
можно создать ДН с главным лепестком, направленным практически
в любую сторону. Остановимся на часто встречающихся вариантах
активных рамочных антенн. Один из них представлен на рис. 2.67.
Это две рамки, расположенные на расстоянии четверти длины
волны и питаемые с помощью симметричной линии со сдвигом фаз 90°.
Направление излучения главного максимума показано на том же
рисунке. Антенна имеет следующие характеристики: усиление 12-
14 дБ; отношение уровней излучения вперед/назад 26-40 дБ;
отношение уровней излучения вперед/в сторону - более 30 дБ. Линия
питания элементов антенны при использовании коаксиального
кабеля изображена на рис. 2.68.
Можно применять рамки не только в виде квадратов, но и
других форм - дельтаобразные, ромбы, круги. Входное сопротивление
Направление излучения
Рис. 2.67. Соосная антенна из двух активных рамок
110
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Х/4 N
(в кабеле)
Рис. 2.68. Антенная система с фазирующей
линией на коаксиальном кабеле
антенны не превышает 60 Ом, что позволяет питать ее через
стандартные коаксиальные кабели с волновым сопротивлением 75 или 50 Ом.
Подобная антенна для диапазона 40 м рассмотрена в [4]. Иногда ее
используют с рефлектором, размеры которого такие же, как в
обычной пассивной многоэлементной антенне. Такое построение хотя
и усложняет согласование антенны, но, безусловно, улучшает ее
характеристики.
Для активных направленных антенн подходят любые виды
рамок - закрытые, открытые, укороченные и даже широкополосные
нерезонансные. Благодаря активному питанию антенна может работать
не только на своей основной частоте, но и на резонансных частотах
рамок, необходимо лишь согласовать антенную систему с питающей
линией при помощи известных согласующих устройств. Диаграмма
направленности системы на частотах, отличных от основной,
получается не такая, как на основной частоте, поскольку фазировка рамок
и электрическое расстояние между ними изменятся.
Еще одна распространенная конструкция
антенны с активным питанием элементов
основана на широко распространенной антенне
ZL (рис. 2.69).
Здесь оправдано использование в качестве
«рефлектора» рамки с несколько большим
периметром, чем у основного элемента.
Питают антенну в точках Х-Х через коаксиальный
кабель с волновым сопротивлением 75 Ом.
Рис 2.69. Рамочная Волновое сопротивление фазирующей линии
антенна 11 составляет около 300 Ом, но в зависимости от
АНТЕННЫ С ПАССИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
111
ее конструкции оно может меняться в пределах 200-600 Ом.
Параметры у данной антенны несколько хуже, чем у питаемой со сдвигом
фаз 90° классической ZL с расстоянием между рамками - Х/4.
Коэффициент усиления в прямом направлении у нее - 5,5 дБ, обратное
ослабление - 40 дБ (хотя эта часто приводимая цифра завышена).
В конструкцию антенны можно'включать как резонансные закрытые
рамки (полноразмерные и укороченные различными способами), так
и открытые. Кроме того, возможно применение нерезонансных рамок.
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
С ПАССИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
Принцип работы многоэлементной антенны с пассивными
элементами основан на взаимодействии электромагнитных полей активного
и пассивных элементов антенны. Поле, создаваемое активным
элементом, наводит токи в пассивных элементах антенны, которые,
в свою очередь, создают в окружающем пространстве
электромагнитное поле, воздействующее на соседние элементы. Необходимо, чтобы
рефлектор был настроен на частоту чуть ниже, а директор - на
частоту чуть выше резонансной частоты излучателя (рис. 2.70).
Уровень переизлучаемого
пассивными элементами поля
существенно зависит как от частоты их
настройки, так и от их
добротности на резонансной частоте.
Выполнение пассивных элементов из
тонкой (до определенных
пределов) проволоки приводит к
некоторому повышению
эффективности антенны за счет увеличения
добротности этих элементов. КПД
антенны с толстыми пассивными
элементами несколько снижается
////////////
Рис. 2.70. Многоэлементная рамочная
антенна с пассивными элементами
из-за уменьшения уровня переизлучаемого ими поля. (Такие
элементы хорошо работают в антеннах с активным питанием элементов.)
Толстые элементы обеспечивают более широкую полосу пропускания,
что соответствует меньшему коэффициенту усиления антенны.
Рекомендуется придерживаться следующих простых правил:
• все элементы антенны должны быть одинаковой толщины, что
способствует получению оптимальной диаграммы
направленности;
112
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
• толщина вибраторов не должна превышать X/1000 для частот до
30 Мгц и Я/100 для частот более 50 МГц.
Здесь X - длина волны (в метрах), на которой работает антенна.
Например, при длине волны 10 м вибраторы должны быть толщиной
не более 10 мм, а при X в 20 м - не более 20 мм. Для более толстых
элементов полоса пропускания антенны возрастает, а коэффициент
усиления несколько снижается. В то же время ее настройка
упрощается.
Коэффициенты усиления многоэлементной рамочной антенны
и многоэлементной дипольной антенны (типа «волновой канал»),
имеющей на один элемент больше, приблизительно равны. (К такому
заключению пришли авторы [4,10] и других публикаций.)
Объясняется это тем, что усиление квадрата по меньшей мере наД дБ больше,
чем у диполя. Играет свою роль и то, что элементы многоэлементной
рамочной антенны больше взаимодействуют друг с другом в
пространстве. Опыт показывает, что в радиолюбительских условиях
в многоэлементных антеннах можно добиться следующих значений
усиления: двухэлементная рамочная и трехэлементная дипольная
антенны - не менее 7 дБ, трехэлементная рамочная и четырехэлемент-
ная дипольная - не менее 9 дБ, а соответствующие четырех- и пяти-
элементных - не менее 10 дБ. Начиная с четырех элементов, усиление
растет медленно и при добавлении каждого следующего директора
повышается всего на 1 дБ. Отношение усиления вперед/назад
составляет на практике 20-30 дБ и в значительной степени зависит от
конструкции, способа питания и размещения антенны. Из сказанного
ясно, что оптимальными по конструкции являются двух- и
трехэлементные рамочные антенны. Прирост усиления двухэлементной
антенны, по сравнению с обычной рамкой, составляет не менее 5 дБ,
а трехэлементной, по сравнению с двухэлементной, - лишь 2 дБ.
Многоэлементная рамочная антенна благодаря вертикальным
и горизонтальным участкам рамок излучает как вертикально, так
и горизонтально поляризованные волны. Она удовлетворительно
работает при расстоянии от земли до ее нижней части около 0,1 от
рабочей длины волны. G ростом этого расстояния ее параметры
улучшаются.
Рамки, входящие в состав многоэлементной рамочной антенны
способны работать в более широкой полосе частот, чем диполи, поэтому
и в целом полоса пропускания у многоэлементной рамочной
антенны, чем у антенны Уда-Яги. Полосы последней часто не хватает для
любительского диапазона. Правильно настроенная многоэлементная
АНТЕННЫ С ПАССИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
113
рамочная антенна может успешно функционировать в любом
любительском диапазоне с приемлемым КСВ. Ее полоса пропускания
составляет не менее 2-3% от центральной рабочей частоты.
Входное сопротивление двухэлементной рамочной антенны
достигает 75 Ом, а состоящей из трех и более элементов - 50 Ом. Оно
зависит от настройки пассивных рамок, от расположения антенны
относительно посторонних предметов, от высоты ее подвеса и в целом
находится в пределах 40-80 Ом. Питать антенну вполне можно
непосредственно через кабель с подходящим волновым
сопротивлением, однако значительно лучше воспользоваться схемой
гамма-согласования с такими же размерами элементов, как в случае одиночной
рамки. Понятно, что в этом случае многоэлементная рамочная
антенна становится строго однодиапазонной, причем с минимальным
излучением на гармониках передатчика.
Все, что говорилось о симметрировании одиночной рамки, тем
более справедливо для многоэлементной системы, поскольку здесь
даже небольшое рассимметрирование может сместить и исказить
лепесток диаграммы направленности.
ДН в направлении главного максимума многоэлементной
антенны аналогична диаграммам одиночных рамок различных
конфигураций и подвеса. Следует, однако, обратить внимание на высоту
подвеса, так как в данном случае земля одновременно воздействует на все
элементы антенны - на рефлектор, излучатель и директор, и это
суммарное дестабилизирующее влияние может существенно ухудшить
параметры антенны и потребовать более серьезной и тщательной ее
настройки.
Если расстояние от антенны до земли составляет четверть длины
волны, то максимум главного лепестка ДН располагается под углом
45° относительно ее поверхности; при более низкой подвеске он
поднимается еще выше. Поэтому иногда эти антенны на высоте более
длины волны, располагают наклонно к земле (рис. 2.70), чтобы
дополнительно прижать основной лепесток диаграммы
направленности к горизонту. Из-за взаимодействия электромагнитного поля,
излучаемого антенной, с полем, отраженным от поверхности земли,
в ДН этой антенны кроме главного всегда будут присутствовать
побочные лепестки, расположенные под малыми углами к горизонту. Это
позволяет осуществлять как местные QSO, так и DX QSO с помощью
низко подвешенной многоэлементной антенны. При высоте подвеса,
превосходящей длину волны, проведение таких связей возможно
только за счет поверхностной волны (обычно до 100 км на 21-28 МГц).
114
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
РАЗМЕРЫ И ИСПОЛНЕНИЕ
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ РАМОЧНЫХ АНТЕНН
При изготовлении многоэлементных антенн следует стремиться к
оптимизации их параметров. У двухэлементной антенны коэффициент
усиления зависит от расстояния между рефлектором и активным
элементом, а также от размеров рефлектора. На опыте проверено, что
оптимальный рефлектор двухэлементной антенны должен быть на
5-6% длиннее ее активного элемента. В практической конструкции
удобнее, чтобы рефлектор можно было подстраивать (рис. 2.71).
Сначала активную рамку и рефлектор делают одинаковых
размеров, а затем длину рефлектора изменяют, перемещая перемычку,
и тем самым настраивают антенну по максимальному усилению
в главном лепестке или по максимальному ослаблению в заднем
лепестке. Эти настройки обычно несколько отличаются.
Усиление антенны в значительной степени зависит от расстояния
между рамками (рис. 2.72).
Как видно из этого графика, наибольшее усиление соответствует
расстоянию активная рамка-рефлектор S e 0Д75Х. Но антенна будет
достаточно эффективно работать при значениях S в пределах 0,05-0,25Л,
что позволяет создавать малогабаритные антенны. Это удобно при
недостатке места и в случаях, когда приходится размещать активную
и пассивную рамки на уже установленных мачтах или каких-либо
4 с. дв
8,51
7 А
S/X
—I I 1—I 1—
0.05 0.1 .0.17 0.2 0.25
Рефлектор
Актибная
рамка
Рис. 2.71. Двухэлементная рамочная Рис. 2.72. График зависимости усиления
антенна с подстраиваемым двухэлементной рамочной антенны
рефлектором от расстояния между ее элементами
РАЗМЕРЫ И ИСПОЛНЕНИЕ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ РАМОЧНЫХ АНТЕНН 1J5
других опорах. Примером малогабаритной антенны служит антенна
типа G4ZU.
Согласно теоретическим данным, отношение уровней излучения
вперед/назад идеальной двухэлементной антенны может достигать
26 дБ, но на практике эта величина оказывается ниже и обычно
составляет около 24 дБ для квадратов, выполненных на каркасе из
изоляционного материала. У антенн, в конструкции которых имеются
металлические несущие элементы, это отношение оказывается не
лучше 20-22 дБ. Металл внутри рамок поглощает и переотражает
электромагнитное поле, что ухудшает характеристики антенны.
К ухудшению параметров рамочных антенн, работающих в
нескольких диапазонах, приводит размещение их на одной траверсе.
А если при этом все они питаются через один кабель, то вряд ли
можно добиться, чтобы отношение уровней излучения вперед/назад
превысило 20 дБ. Можно попытаться применить поляризационное
разделение внутренних рамок, но в этом случае к концу коаксиального
кабеля, идущего от неиспользуемой в данный момент рамки,
необходимо подключать какую-либо переменную реактивность -
катушку индуктивности, конденсатор или их комбинацию - и
согласовывать эту антенну по минимуму влияния на работающую антенну.
Как было отмечено выше, добавление директора повышает
коэффициент усиления в двухэлементной антенне примерно на 2 дБ, а в
антенне с большем количестве элементов - на 1 дБ. График зависимости
усиления антенны от расстояния между активным элементом и
директором почти совпадает с графиком, приведенным на рис. 2.72, -
разница лишь в том, что максимум усиления находится в точке S/X = 0,2.
Таблица 2.4. Размеры многоэлементных рамочных антенн
Двухэлементная рамочная антенна (R6x~750m)
Частота. Мгц
АктиЬная рамка (А)
Рефлектор
Расстояние. S
1.88
161.7
169.2
19М
3.6
8U6
88.33I
10
Трехэлементная
АктиЬная рамка (А)
Рефлектор
Расстояние. S*
Директор
162
166
27.12
155
8U
86.67
К.16
80.8
7.05
из
1*5.1
5.1
10.12
30
ЗШ
3.55
1U.25
21.26
22.3
2.52
18.1
16.7
17.56
1.98
21.25
Н.26
15
1.7
21*.9
12.17
12.77
1М
27
11.22
11.77
1.33
28.5
10.63
11.16
1.26
51
5.9 U
6.23
0.7
рамочная антенна (R6x~750m)
Н.2
Ы.25
7.23
аз
30
30.8
5.1
28.75
21.36
22
3.57
20Л2
16.8
17.23
2.8
16.1
Н.ЗЗ
К.7
2.1*
13.7
12.23
12.53
2М
11.68
11.28
11.55
1.89
10.78
10.68
10.9 k
1.79
10.21
5.97
6.11
1
5.7
Четырех-пятиэлементная** рамочная антенна (R6x~750m)
Рефлектор
Директор
168
156
86
81.6
1*3.6
Ш
30.5
29
21.68
20.63
17.1
16.2k
им
13.8
12Л
11.8
11М
10.89
ЮМ
10.31
6
5.76\
* 5 - расстояние между соседними элементами антенны
** - размеры актиЬной рамки и расстояние между соседними элементами
такие же. как 6 трехэлементной антенне
116'
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Периметр рефлектора многоэлементных рамочных антенн должен
быть на 2,5-3% больше периметра активной рамки, а директоров
в антенне с четырьмя и большим количеством элементов - на 2%
короче.
Значения оптимальных размеров рамок и расстояний между ними
приведены в табл. 2.4. Однако, принимая во внимание рис. 2.72, жестко
придерживаться указанных расстояний между рамками не
обязательно. Пассивные элементы антенны целесообразно делать подстроеч-
ными, что дает возможность точно настроить антенну по максимуму
коэффициента усиления в реальных условиях.
Иногда применяют упрощенные пассивные элементы,
выполненные в виде диполей (рис. 2.73).
При замене рамочных пассивных элементов такими диполями
усиление антенны уменьшается, а уровень заднего излучения
повышается. В рамочной антенне, где
должна преобладать вертикальная или
горизонтальная поляризация поля,
следует правильно размещать
пассивные диполи. В общем случае, при
питании рамки в середине
горизонтальной или вертикальной сторон
поляризация излучаемого поля
будет, соответственно, горизонтальной
или вертикальной. Длины диполей
рефлектора и директоров должны
быть вдвое меньше периметров
соответствующих пассивных рамок.
Полезно предусмотреть возможность
регулировки размеров диполей.
В качестве пассивных элементов допускается применение и
других резонансных излучателей.
Рис. 2.73. Упрощенное выполнение
пассивных элементов направленной
рамочной антенны
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
С ОТКРЫТЫМИ РАМКАМИ
Все, что касается закрытых рамочных многоэлементных антенн в
отношении размеров их пассивных элементов и расстояний между
ними, верно и для открытых рамочных антенн.
Чтобы определить размеры открытой рамочной антенны^ нужно
все размеры элементов, рассчитанных для такой же антенны с
обычными закрытыми рамками, увеличить вдвое. Входное сопротивление
ДВУХЭЛЕМЕНТНАЯ АНТЕННА G4ZU
117
такой антенны достаточно велико, и для
ее питания и симметрирования
необходимо использовать все те методы
согласования рамочных антенн, которые были
описаны выше.
Открытая рамочная антенна
обеспечивает усиление примерно на 2-3 дБ
выше, чем закрытая. При питании с
помощью двухпроводной линии и
согласующего устройства ее можно согласовать
в более широком диапазоне частот, чем
аналогичную закрытую антенну.
Однако по сравнению с последней,
для нее требуется больший расход
материалов на изготовление и больше места
на установку. Открытые рамочные антенны не получили
распространения ни в радиолюбительской, ни в профессиональной связи.
Рис. 2.74. Квадратная антенна
G4ZU
ДВУХЭЛЕМЕНТНАЯ АНТЕННА G4ZU
Из-за своего внешнего вида эта антенна [10] имеет еще одно
название - «птичья клетка». По позывному радиолюбителя, впервые ее
предложившего, данную антенну называют также квадратная
антенна G4ZU (рис. 2.74).
Как видно из рисунка, центры рефлектора и излучателя
находятся очень близко друг от друга (на практике - 20-50 см, в
зависимости от диапазона). В свАзи с тем, что
расстояния между элементами не оптимальны,
реальный коэффициент усиления антенны
составляет примерно 6-7 дБ, а ослабление
заднего лепестка - около 20 дБ.
Для антенны требуется всего лишь одна
мачта. Кроме того, ее верхние точки «О» (см.
рис. 2.74) имеют нулевой потенциал и,
следовательно, могут быть заземлены, что еще
более упрощает всю конструкцию. На НЧ
диапазонах мачту делают немного выше
квадратов и используют для крепления
оттяжек (рис. 2.75). При этом часто внутри НЧ
рамок помещают рамки для ВЧ диапазонов.
UA1ZAS ([22]), рекомендует использовать
Рис. 2.75. Крепление
полотна антенны G4ZU
118
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
для построения антенн G4ZU дельт; ^оразные
рамки. Периметр рамок должен
соответствовать значениям, указанным выше для
двухэлементных антенн. Желательно предусмотреть
возможность подстройки рефлектора.
Поскольку средняя точка антенны G4ZU заземлена,
изменять направление излучения системы можно
коммутацией шлейфа (см. рис. 2.76) и
регулировкой настроечной линии рефлектора [23].
С помощью реле к одной рамке подключают
^JL/ VK кабель питания, а к другой - удлиняющую ли-
нию. Благодаря этому можно дискретно
изменять направление излучения антенны на 3(Ю°
с шагом 90°. Такую антенну по возможности
следует располагать в свободном от построй
них предметов пространстве, чтобы исключит ь
нарушение симметрии антенны, из-за чего
длина настроечного шлейфа оказывается
неоптимальной при работе в различных направлениях.
На питании с помощью симметричной схемы гамма-согласования
основана конструкция антенны HB9CV [10]. Все ее точки, которым
соответствует нулевой потенциал, заземлены (рис. 2.77). В этой
антенне часто уменьшают расстояние между рамками (рис. 2.78).
Коэффициент усиления у нее еще меньше, чем у антенны G4Zy, и
составляет 5-6 дБ. Размеры рефлектора и активного излучателя аналогичны
-\£ Настраибаемая
Коаксиальный линия
кабель
Рис. 2.76. Антенна
G4ZU с переключаемой
диаграммой
направленности
а<45'
Рис. 2.77. Питание антенны G4ZU по
схеме симметричного гамма-
согласования
Рис. 2.78. Антенна G4ZU уменьшенных
размеров
РАСПОЛОЖЕНИЕ РАМОЧНЫХ АНТЕНН ОТНОСИТЕЛЬНО ДРУГИХ ПРЕДМЕТОВ 119
размерам, рекомендованным для многоэлементных рамочных антенн.
При возможности полезно предусмотреть применение
подстраиваемого рефлектора.
Антенну G4ZU лучше всего питать через 75:0мный кабель, приняв
самые серьезные меры по его симметрированию (подойдет и 50-
омный, но при этом работа антенны несколько ухудшится).
Допускается питание и по схеме симметричного гамма-согласования, как
показано на рис. 2.77. Размещать антенну следует как можно выше над
проводящей поверхностью земли или крыши.
РАСПОЛОЖЕНИЕ РАМОЧНЫХ АНТЕНН
ОТНОСИТЕЛЬНО ДРУГИХ ПРЕДМЕТОВ
Рамочные антенны излучают вертикально и горизонтально
поляризованные волны. В зависимости от того, какая поляризация
преобладает, выбирается место установки антенны. Крайне важно, чтобы
в пределах главного лепестка диаграммы направленности не было
предметов, которые возбуждаются преобладающей составляющей
поляризации создаваемого электромагнитного поля или чтобы они
находились от антенны на расстоянии не менее двух длин волн
(в крайнем случае - половины периметра антенны). Посторонние
предметы, переизлучая наведенную в них антенной высокочастотную
энергию, могут вызвать провалы в ДН антенны и серьезно ее
исказить. Это в особенности относится к многоэлементным антеннам
с узкой диаграммой направленности. В минимуме диаграммы
направленности рамочной антенны посторонние проводящие предметы не
должны находиться на расстоянии менее четверти длины волны.
Внутри рамки возможно размещение какой-либо дополнительной
малогабаритной антенны - магнитной рамки или штыря, хотя это
несколько ухудшает параметры обеих антенн. Растяжки рамочных
антенн желательно делать неметаллическими. Для этого годится,
например синтетическая веревка или толстая рыболовная леска.
Металлические оттяжки при плохой фильтрации сигнала передатчика
и при высоких уровнях мощности, подводимой к антенне, могут стать
причиной помех телевидению.
Рамочные антенны менее требовательны к условиям установки,
чем дипольные. Их можно располагать на малой высоте, среди
многих мешающих предметов на окружающей территории, когда работа
диполя неэффективна. Это объясняется тем, что в отличие от рамки,
диполь разомкнут, так что даже небольшое количество проводящих
120
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
предметов может изменить емкость его концов и, следовательно, его
резонансную частоту Что касается разомкнутой рамочной антенны,
то она является «квазизамкнутой» - то есть проявляет себя по
отношению к различным дестабилизирующим влияниям как закрытая
рамка. Это позволяет подходить к размещению рамочных антенн
менее строго, чем в случае дипольных и штыревых.
АТМОСФЕРНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РАМОЧНУЮ АНТЕННУ
Рамочные антенны, особенно открытые, в отношении статического
электричества относятся к самым уязвимым устройствам.
Вследствие их значительных линейных размеров и обычно более
высокого, по сравнению с другими антеннами, расположения они
оказываются наиболее вероятными объектами для ударов молнии. Такие
антенны имеют большую емкость относительно земли, что ведет
к накапливанию статического электричества. Это особенно заметно
в предгрозовой и грозовой период, а также в сухую зимнюю погоду.
Антенна при работе на прием сильно подвержена воздействию QRN
(помех от атмосферных разрядов). Если же ее изолировать от
электротехнической «земли», то есть отсоединить антенный кабель от
трансивера, то накопленный статический заряд проявляется в
значительных искровых разрядах между оплеткой коаксиального
кабеля и «землей». Чтобы этого не происходило, необходимо заземлять
ошгетку, причем лучше на крыше. Заземление осуществляется либо
через резистор 10-100 кОм мощностью 2 Вт, либо через ВЧ
дроссель, что позволяет избежать при этом возможного рассимметриро-
вания антенны. Хорошим методом защиты от статического
электричества является заземление точки нулевого потенциала ее полотна
на опорной мачте. Антенны типа G4ZU, полотно которых заземлено
на мачте, безопасны.
Особое внимание следует обратить на установку разомкнутых
рамочных антенн. Открытый незаземленный ус рамки может явиться
причиной повреждения выходных транзисторов передатчика.
Накопленный в погонной емкости коаксиального кабеля заряд может
разрушить верхний изолятор, если оплетка кабеля не заземлена. Иногда
возникает периодический пробой этого изолятора, что приводит
к сильным QRN в режиме приема и даже вызывает помехи приему
телевизионных сигналов.
ЛИТЕРАТУРА
121
ЛИТЕРАТУРА
1. Беньковский 3., Липинскпй Э. Любительские антенны
коротких и ультракоротких волн. - М.: Радио и связь, 1983.
2. Швыдкий В, (UH8CT) Антенна радиостанции UK8HAA. Радио,
№ 7, 1972.
3. Болотов Г., Жемайтис С. Многодиапазонный вариант рамочной
антенны. Радио, № 2, 1989.
4. Сепп К., Снесарев A. KB антенны «квадрат». Радио, № 6,7,1978.
5. Dietrich Waordx J.L. Loops and dipoles. A comparative analysis.
QST, sept. 1985.
6. Рамка с 50-омным питанием. КВ-журнал, № 1, 1992.
7. Айзенберг Г.З. и др. Коротковолновые антенны. - М.: Радио
и связь, 1985.
8. Кобзев В. (UW4HZ). Универсальное согласующее устройство.
Радио, № 9, 1975, с. 37.
9. Антенна «Миниквадрат». Радио, № 10, 1973 («За рубежом»,
QST, № 8, 1973).
10. Ротхаммель К. Антенны. - М.: Энергия, 1978.
11. Голицын A. (UA9UR). Антенна для низкочастотных
диапазонов. Радио, № 2, 1973.
12. Квадрат на 14 МГц. («За рубежом», RADCOM, № 10, 1976),
Радио, № 4, 1977
13. Бунимович С. Малогабаритная квадратная антенна. Радио,
№ 4, 1968.
14. Антенна на 180-250 МГц («За рубежом», Radioamateur, № 12,
1959), Радио, № 3, 1960.
15. Барановский Е., Тумаркин Э. Диапазонная рамочная антенна.
Радио, № 6, 1969.
16. Харченко К. Проводники с укорочением в антеннах. Радио,
№ 8, 1979.
17. Харченко К. За зоной уверенного приема. Зигзагообразные
антенны. Радио, №3, 1961.
18. Харченко К. Телевизионные антенны. Радио, № 4, 1961.
19. Харченко К. Двойные зигзагообразные антенны. Радио, № 8,
1961.
20. Каллемаа К. (UK2BU). Ультракоротковолновые антенны.
Радио, № 8, 1973.
122
ПЕТЛЕВЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
21. Харченко К. Еще раз о зигзагообразных антеннах. Радио, № 11,
1962.
22. Харченко К. Высокоэффективные антенны на 430 МГц. Радио,
№ 4, 1966.
23. Харченко К. Широкополосная телевизионная антенна. Радио,
№ Ю, 1967.
24. Кондратьев Ю. Антенна двойной треугольник. Радио, № 2,
1974.
25. Новиков A. (UAOCAS), Бабин A. (UAOLAQ). Антенна с
переключаемой диаграммой направленности. Радио, № 6, 1974.
МАГНИТНЫЕ
РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Диаграмма направленности
магнитных рамочных антенн
Ферритовые антенны
Антишумовые антенны
Действующая высота рамочной антенны
Входное сопротивление
рамочной антенны 129
«Земля» в работе рамочной антенны 130
Связь коаксиального кабеля
с передающими магнитными
рамочными антеннами 131
Размеры и исполнение
магнитных рамочных антенн 132
Коэффициент полезного действия
магнитных рамочных антенн 135
Расположение магнитной антенны
относительно других предметов 137
Воздействие на магнитную антенну
атмосферного электричества и осадков 138
Магнитные антенны с кардиоидной
диаграммой направленности 138
Телевизионные приемные
магнитные антенны 141
Магнитные рамочные антенны
УКВ диапазона 146
Литература 148
124
МАГНИТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
В зарубежной литературе рамочную антенну с периметром рамки
менее 0,1 от длины волны называют magnetic loop (магнитная
петля), а с периметром более 0,4 от длины волны - просто loop (петля).
На рис. 3.1 показаны одновитковая (а), многовитковая (б) и ферри-
товая (в) рамочные антенны.
В этой главе используются термины «магнитная рамка» и просто
«рамочная антенна» или «рамка», только если речь идет о магнитных
рамочных антеннах
В конце 80-х - начале 90-х годов в Европе и США среди
радиолюбителей стало модно использовать в ВЧ диапазонах магнитные
рамки. Следует отметить, что дальние связи при работе такой рамки
в режиме передачи были возможны лишь во время периодов
активности Солнца. При минимуме солнечной активности осуществлять
передачу с помощью магнитной антенны сложно. Тем не менее,
магнитные рамки получили широкое распространение в качестве
антишумовых антенн, о чем будет сказано ниже.
С конца 20-х - начала 30-х годов их стали применять как внутренние
антенны для приемников, а также в целях пеленгации. В наше время
в любом малогабаритном транзисторном приемнике длинных и
средних волн есть рамочная антенна. Это так называемая ферритовая, или
магнитная, антенна- многовитковый вариант рамочной (рис. 3.1 в).
<0.1 X
п г
а) б)
*еРРи» -4) ЩЩММЩ)))} )
в)
Рис. 3.1. Магнитные рамочные антенны
ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ
МАГНИТНЫХ РАМОЧНЫХ АНТЕНН
Диаграмма направленности рамочных антенн имеет вид восьмерки
(рис. 3.2). Благодаря этому рамочные антенны можно использовать
и для пеленгации.
ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ МАГНИТНЫХ РАМОЧНЫХ АНТЕНН 125
ДН
Напр об пение
ЭМВ
I С
\ /
V
Рамка
>
\
\
\
|
I
Рис 3.2. Диаграмма направленности магнитной рамочной антенны
Если плоскость рамки совпадает с плоскостью поляризации
принимаемой линейно поляризованной волны, которая
распространяется в направлени указанном на рис. 3.2, то в вертикальных сторонах
рамки наводятся токи 1{ и 12, со сдвигом фаз, соответствующим
разности хода волны до обеих сторон рамки от источника сигнала. При
этом работают только вертикальные стороны 1-2 и 3-4, а
горизонтальные (2-3 и 1-4) в приеме сигнала не участвуют. Когда плоскости
рамки и приема волны взаимно перпендикулярны (рис. 3.3), токи 1Х
и 12 совпадают по величине и фазам, и их сумма в точке присоединения
кабеля равна нулю (все это верно только для симметричной рамки).
В реальных условиях всегда наблюдается асимметрия рамки,
обусловленная влиянием на нее окружающих предметов. В результате
искажается диаграмма направленности. Такой механизм воздействия
на ДН называют антенным эффектом магнитной рамки: токи,
текущие в разных сторонах рамки, становятся несимметричными.
С целью нейтрализации антенного
эффекта ПрИМеНЯЮТ Экранирование раМКИ Напрабление
(рис. 3.4). В зазоре экрана разность
потенциалов возникает только за счет
противофазных токов, наведенных
радиоволной на внешней поверхности
экрана. Все точки рамки обладают одной
и той же емкостью относительно экрана,
в итоге в ней возникают только
противофазные токи. Для дальнейшего
улучшения симметрии используют
симметричное подключение рамки к приемнику,
причем применяется, трансформатор,
который также заключают в
электростатический экран, значительно
уменьшающий антенный эффект (рис. 3.46).
ЭМВ
Рис. 3.3. Минимум приема
магнитной рамки
126
МАГНИТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Очевидно, что для эффективной работы экранированной приемной
магнитной рамки следует обеспечить как можно более качественное
выполнение экрана и рамки (сделать экран из толстой медной
трубы, а рамку из толстого медного провода), чтобы они были
симметричными.
о) б)
Рис. 3.4. Экранированная рамка
ФЕРРИТОВЫЕ АНТЕННЫ
Магнитные антенны, широко используемые в транзисторных
приемниках ДВ-СВ и реже KB, являются разновидностью рамочных
антенн. Их особенность - наличие сердечника с высокой магнитной
проницаемостью. Это позволяет уменьшить размеры рамки
приблизительно с коэффициентом, равным значению относительной
магнитной проницаемости ферритового сердечника. Это значение можно
120
80
10
А
pt
ц = 500
У
^
/
11 = 1*00
>^
д = 300
ц = 200
д=Ш
fi = 50
fj.= 10
8 16 2U t/d
дс - магнитная проницаемость сердечника
/м - магнитная проницаемость материала
ферритобого стержня
Рис. 3.5. График зависимости магнитной проницаемости ферритового стержня
от его длины и толщины
ФЕРРИТОВЫЕ АНТЕННЫ
127
Коаксиальный кабель к приемнику
Рис. 3.6. Настраиваемая
магнитная антенна
определить в зависимости от
отношения длины сердечника к его толщине 1/d
с помощью рис. 3.5 [1], из которого
видно, что чем длиннее ферритовый
сердечник, тем лучше он подходит для
магнитной ферритовой антенны. Феррит
для сердечника следует подбирать
такой, чтобы он обладал малыми
потерями на рабочих частотах.
Использовать эти антенны в
качестве передающих нельзя. Во-первых,
феррит не работает в сильных
магнитных полях. А во-вТорых, трудно
добиться согласования рамки со средой, в которой происходит
распространение радиоволны [2].
Диаграммы направленности ферритовой и простой рамочных
антенн аналогичны.
Очень часто применяют настраиваемую магнитную рамочную
антенну (рис. 3.6). При этом используют полное или частичное
(в схемах с биполярными транзисторами) включение контура. На
рис. 3.7 показаны варианты настраиваемой ферритовой антенна
с трансформаторной (а), автотрансформаторной (б) связью и с
непосредственным включением (в).
Достаточно широко
распространена трансформаторная связь,
когда катушка трансформатора
располагается на том же ферритовом
сердечнике или рядом с ним,
поскольку в бытовой
радиоаппаратуре симметрирование ферритовых
антенн не так важно. В приемниках
эти антенны нередко выполняются
таким образом, что могут вращаться
в горизонтальной плоскости и,
следовательно, осуществлять
пространственную селекцию сигнала.
Иногда такие антенны вращаются еще
и в вертикальной плоскости. Это
позволяет обеспечивать угломест-
ную селекцию сигнала, что также Рис. 3.7. Настраиваемая
бывает полезно. ферритовая антенна
а
ol
if
■#-
)
а
б>
г
■#-
а
в)
ш
-я-
)
128
МАГНИТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
-тГ^^Г
о 1))1)йм
АНТИШУМОВЫЕ АНТЕННЫ
В радиолюбительской практике рамочные антенны служат, в
основном, в качестве приемных антишумовых антенн. Чувствительность
современных приемных устройств, как правило, позволяет
принимать сигналы намного слабее уровня электромагнитного шума,
присутствующего в месте приема. С помощью магнитной рамки можно
не только существенно ослабить электрическую составляющую
помех, преобладающих в шумовом спектре, но и провести селекцию
сигнала по направлению. Особенно эфективно использование
подобных рамок в НЧ диапазонах, где реальная чувствительность
приемника ограничивается в основном наличием помех.
Обычно для приема стараются применять настроенные рамки
(рис. 3.6), а в усилителях - малошумящие полевые транзисторы.
Если нужно принимать сигнал лишь в достаточно низкочастотном
диапазоне 1,8-3,5 МГц, то предпочтение часто отдают ферритовым
антеннам (рис. 3.8). В этом случае
выбирают простые схемы
симметрирования антенны: симметрирующий
трансформатор и специальным обра-
) зом выполненная намотка самой
антенны.
В рамочных антеннах, по
сравнению с другими типами антенн,
наблюдается большее ослабление полезного
сигнала, поэтому их желательно ис-
Рис 3.8. Симметричная пользовать с высокочувствительны-
ферритовая антенна МИ приемниками.
ДЕЙСТВУЮЩАЯ ВЫСОТА РАМОЧНОЙ АНТЕННЫ
В теории антенных устройств распространено понятие действующей
высоты (длины) приемной антенны, которое определяет некоторый
коэффициент, имеющий размерность длины. Умножив его на
напряженность электрического поля, измеренную возле антенны, можно
определить напряжение на выходе приемной антенны. Условно этот
коэффициент можно трактовать как длину эквивалентной линейной
антенны, на выходе которой при данном уровне электромагнитного
поля создается такое же напряжение, как и на выходе
рассматриваемой (рис. 3.9).
Для рамочной антенны действующая высота рассчитывается по
формуле: h = 2rcnS/l, где п - число витков рамки; S - площадь рамки.
ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ РАМОЧНОЙ АНТЕННЫ 129
1 Г
При С/у = U2 дейстбуюшая бысота пробода Ьд^
раЬна дейстбующей бысогпе рамки Ьд2
Рис. 3.9. Действующая высота магнитной рамки
Действующая высота рамки с ферритовым сердечником равна:
Ьд = jic2rcnS/l, где |ic - магнитная проницаемость сердечника.
В табл. 3.1 даны значения действующей высоты одновитковой
рамки диаметром 20 см в любительских диапазонах от 10 до 160 м.
Из таблицы видно, что действующая высота одновитковой
рамочной антенны меньше ее диаметра. Для повышения отдачи
целесообразно использовать рамку в резонансном режиме.
Таблица 3.1. Действующая высота
одновитковой магнитной
рамочной антенны
Диапазон, м
Ьй. см
160
0.125
80
0.25
10
0.5
20
1
10
2
ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ РАМОЧНОЙ АНТЕННЫ
Входное сопротивление антенны определяется в общем случае
отношением напряжения на ее входных клеммах к току в ней и
характеризует антенну как нагрузку для генератора (рис. 3.10).
Большинство применяемых радиолюбителями антенн имеет
входное сопротивление в пределах 36-100 Ом. Это удобно по следующим
причинам:
• волновое сопротивление общеупотребительных коаксиальных
кабелей составляет 50, 75 и 100 Ом. Это дает возможность
питать антенны непосредственно через кабель или с помощью
несложных согласующих устройств;
• значения тока и напряжения высокой частоты относительно
невелики, так что годятся недорогие коаксиальные кабели.
"Д1
130
МАГНИТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
«о
■
—(d
«0 =
Т 1>
Rc
- flxoc
ное
и
1
сопротибленив рамки
Рис. 3.10. Определение
входного сопротивления
рамочной антенны
Когда входное сопротивление антенны
резко отличается от 50-10Q Ом, приходится
применять согласующие устройства. Если оно
значительно выше 300-600 Ом, то обходятся
трансформаторами и открытыми линиями.
Но если сопротивление существенно меньше
1-5 Ом, то возникают серьезные проблемы.
Использование трансформаторов в таких
случаях затруднительно, а согласующие
устройства на катушках индуктивности и
конденсаторах при больших значениях трансформации
имеют низкий КПД из-за рассеяния на них
энергии.
Низкоомную антенну сложно использовать
и в режиме передачи. Это связанно с большими потерями, во-первых,
в согласующем устройстве, во-вторых, - в самой антенне. Вот почему
ненастроенная магнитная рамка в режиме передачи практически не
применяется.
Например, расчетное входное сопротивление рамки из 10 витков
диаметром 30 см на длине волны 50 м составит 0,25 Ом. Естественно,
что согласовать такую антенну чрезвычайно сложно.
С другой стороны, если рамка настроена (рис. 3.6), то ее входное
сопротивление в точках подсоединения конденсатора будет велико
(порядка килоомов) и согласовать ее на передачу будет еще труднее.
Радиолюбители обычно прибегают к согласованию с помощью
магнитной петли связи ([3, 4]), хотя и такое согласование имеет
низкий КПД.
«ЗЕМЛЯ» В РАБОТЕ РАМОЧНОЙ АНТЕННЫ
Рамочная антенна, как уже отмечалось, возбуждается главным
образом магнитной составляющей радиоволны. «Земля» для этих антенн
не нужна. В общем случае, как приемная, так и передающая антенны
обычно расположены на незначительном (1-2 м) удалении от земли
или проводящей поверхности, которая практически не мешает их
работе. Магнитная составляющая поля часто глубже, чем электричек
кая, проникает сквозь различные препятствия, что позволяет
использовать магнитные рамки для работы на передачу там, где рбычные
антенны уже не работают, - в бетонных зданиях, в землянках и т.п.
СВЯЗЬ КОАКСИАЛЬНОГО КАБЕЛЯ С ПЕРЕДАЮЩИМИ АНТЕННАМИ /3/
СВЯЗЬ КОАКСИАЛЬНОГО КАБЕЛЯ С ПЕРЕДАЮЩИМИ
МАГНИТНЫМИ РАМОЧНЫМИ АНТЕННАМИ
При работе таких антенн в режиме передачи применяют два вида
связи антенны с фидерной линией - через магнитную петлю (рис. 3.11)
и через схему гамма-согласования (рис. 3.116). Обратите внимание,
что и петля связи, и точка подключения экрана кабеля при
гамма-согласовании находятся точно напротив подстроечного конденсатора.
Это необходимо для сохранения симметрии рамки.
Обычно диаметр петли связи составляет 0,2 от диаметра основной
рамки. С помощью этой петли можно обеспечить
удовлетворительное согласование во всем рабочем диапазоне частот магнитной
рамки. Надо стараться, чтобы провод для петли не был тоньше того, из
которого сделана магнитная рамка.
Второй вид согласования - гамма-согласование. Толщина
провода, используемого в его схеме, примерно в 2-5 раз тоньше провода
рамки. Его радиус составляет 0,85-0,95 от радиуса основной рамки.
Длина L в схеме не должна превышать 0,2 от периметра рамки и чаще
всего выбирают значение 0,1. Гамма-согласование требует более
тщательной, по сравнению с петлей связи, настройки для разных
диапазонов, но при этом обладает более высоким КПД. При работе рамки
в двух-трех диапазонах для гамма-согласования всегда можно найти
оптимальные размеры. Если к рамке имеется свободный доступ, то
для настройки удобно использовать замыкающие перемычки. В
любом случае, когда приходится иметь дело с магнитными рамками,
рекомендуется устанавливать согласующее устройство.
Ф о
а) <у=? 6j ^
3
7Г
Рис 3.11. Питание передающей магнитной рамки
132
МАГНИТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Если рамка служит только в качестве приемной, то проблем с
согласованием обычно не бывает. Оно осуществляется с помощью
размещаемого непосредственно около рамки транзисторного усилителя
(рис. 3.6), t выхода которого отфильтрованный и усиленный ВЧ
сигнал по коаксиальному кабелю поступает на вход приемника.
РАЗМЕРЫ И ИСПОЛНЕНИЕ
МАГНИТНЫХ РАМОЧНЫХ АНТЕНН
Характерные размеры передающей рамочной антенны приведены
в табл. 3.2.
При таких размерах рамка эффективно работает на трех соседних
диапазонах длин волн, например 10, 15 и 20 или 40, 80 и 160 м. Ее
эффективность на верхней частоте максимальна, а на более низких
снижается. Приведенные в этой таблице данные соответствуют
магнитной рамке без экрана. Если имеется электростатический экран, to
следует учитывать емкость между ним и внутренним проводом,
которая уменьшает резонансную частоту рамки. Для
удовлетворительной работы периметр рамки должен быть не менее 0,08 от рабочей
длины волны.
С помощью конденсатора рамку можно настроить на еще более
низкие частоты, однако в режиме передачи подобная конструкция
станет уже совсем мало эффективной.
Как было показано выше, входное сопротивление магнитных рамок
невелико. Это затрудняет согласование антенных систем, в которых
магнитная рамка работает на передачу, без ее настройки в резонанс
с рабочей частотой.
Рамочная антенна имеет свою собственную индуктивность. Ее
можно рассчитать по известной формуле или измерить с помощью
соответствующих приборов. Присоединив к разомкнутым концам
рамки переменный конденсатор, получим обычный колебательный
контур, который можно настраивать в широком диапазоне частот. На
рис. 3.11 показаны две схемы связи рамки с кабелем: через петлю
связи (а) и с применением гамма-согласования (б); под ними
изображены соответствующие аналоги на сосредоточенных элементах
в виде индуктивной и трансформаторной связи с контуром.
Таблица 3.2. Размеры передающих магнитных рамок
Диаметр рамки, см
Высшая рабочая частота. МГц
50
29
80
21
100
и
200
7
300
3.5
Ш
1.9
РАЗМЕРЫ И ИСПОЛНЕНИЕ МАГНИТНЫХ РАМОЧНЫХ АНТЕНН
133
В колебательном контуре, образованном рамкой и конденсатором,
электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора, а
магнитное - вокруг рамки. Результаты решения задачи нахождения
оптимальных размеров рамки и емкости конденсатора были приведены
выше. Из них следует, что длина рамки должна составлять
приблизительно 0,08 от длины волны, а емкость конденсатора - около 30-50 пФ
в диапазоне 2-30 МГц.
Рамка меньшей длины будет излучать менее эффективно из-за
низкой добротности. Последняя, как известно,.определяется
выражением: Q = (L / С) / Rn, где L - индуктивность рамки, Гн; С - емкость
на конце рамки, Ф; Rn - сопротивление потерь в рамке, Ом.
Одновитковая рамка, в отличие от многовитковых, имеет
максимальное отношение L /С и минимальное сопротивление потерь.
Рамку, длина которой больше, чем 0,08 рабочей длины волны, возможно
не удастся настроить в резонанс, вследствие чего ее согласование
станет проблематичным.
Поэтому, для работы в режиме передачи целесообразно применять
одновитковую рамку. При настройке ее в резонанс, когда от
передатчика поступает значительная мощность и рамка хорошо согласована,
по ней могут протекать ВЧ токи в сотни ампер. Поэтому желательно,
чтобы передающая магнитная рамочная антенна была выполнена из
медной трубы большого диаметра. Можно отполировать ее
поверхность до зеркального блеска. Конденсатор переменной емкости
обязательно должен быть высококачественным, лучше - без трущихся
контактов. В крайнем случае, можно обойтись обычным спаренным
конденсатором переменной емкости, подключенным к рамке только
статорными (неподвижными) секциями (рис. 3.12). Не следует
применять конденсаторы с твердым диэлектриком из-за их низкой
добротности.
Заметим, что иногда встречаются сообщения об использовании
радиолюбителями для работы в режиме передачи ненастраиваемых
магнитных рамочных антенн (рис. 3.13).
Задача эффективного согласования такой рамки с передатчиком
даже теоретически очень сложна и выходит за рамки обычной
радиолюбительской практики, поэтому этот тип антенн здесь не
рассматривается. Не рекомендуем радиолюбителям, не имеющим
соответствующей теоретической и практической подготовки, пользоваться
такими конструкциями, так как результат будет неутешительным.
Когда магнитные рамки служат в качестве приемных антенн,
проблема КПД стоит не так остро. Поэтому для них подходят конденсаторы
134
МАГНИТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
К рамке
Рис. 3.12. Обычный конденсатор
переменной емкости в магнитной рамке
Ферритобое кольцо
(можно использобать
кольцо от ОС телебиэора)
К трансиберу
диаметр 40-100 мм
г К трансиберу
Рис. 3.13. Ненастраиваемая передающая
магнитная рамочная антенна
с твердым диэлектриком или воздушные с трущимися контактами.
Рамку делают многовитковой, что позволяет уменьшить ее размеры.
Для рамки можно использовать и тонкий провод. Часто применяют
коаксиальный кабель, внутренняя жила которого образует рамку,
а оплетка выполняет функции ее экрана.
При использовании ферритовых антенн в качестве приемных
можно плавно изменять индуктивность контура передвижением катушки
по стержню, что и делается во многих промышленных
малогабаритных транзисторных приемниках для сопряжения входного контура на
ферритовом стержне с гетеродинным контуром.
На рис. 3.14 показано [6], что наибольшей добротностью обладает
система, в которой катушка равномерно распределена по ферритово-
му стержню (в примере его начальная относительная магнитная
проницаемость m равна 400).
КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ МАГНИТНЫХ РАМОЧНЫХ АНТЕНН 135
160
°1 "р Д
П
20 биткоб
^\ 1=28 мкГн
__) 0 = 90
частота измерения f = 8 МГц
б) d
-щ
в) а
1 1Л? биткоб
)))))))))))Т
-\ L = 50мкГн
J Q = 170 на 8 МГц
-\ L = 28мкГн
■J Q = 2U0 на 8 МГц
20 биткоб
Рис 3.14. Зависимость индуктивности и добротности
от длины намотки на ферритовом стержне
В связи с этим можете попытаться использовать для работы на KB
(примерно до частоты 7-10 МГц) ферритовый стержень даже с |ИС
порядка 400-600. Это выручит вас, если вам не удастся достать ферриты
с малой магнитной проницаемостью. Провод для ферритовых антенн
лучше взять многожильный, типа «литцендрат». Допускается, чтобы
его общая толщина на СВ и ДВ достигала 0,5 мм, а на KB - 1 мм.
Катушку связи у ферритовой антенны, изображенной на рис. 3.14а,б,
можно расположить на одном из ее концов, а у показанной на рис. 3.14в -
над овновной катушкой. При такой антенне предпочтительно, чтобы
усилитель имел симметричный вход.
КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
МАГНИТНЫХ РАМОЧНЫХ АНТЕНН
Как известно, КПД передающей антенны равен: КПД в Ра / Рпер, где
Ра - полная мощность, излучаемая антенной; Рпер - полная мощность,
подводимая к антенне от передатчика.
Очевидно, что КПД антенны всегда меньше 1 и Ра < Рпер, а также
что Р = Р + Р , где Р - мощность потерь. Следовательно, КПД в
-Р,/(Р,+Р„)-
Определение излучаемой "антенной мощности - сложная задача,
требующая применения мощных вычислительных средств и точных
приборов. Для упрощения будем считать, что вся мощность, которая
подводится к оптимально согласованной антенне, излучается, то есть
в электромагнитную волну преобразуется 100% подводимой к входу
антенны высокочастотной мощности.
136
МАГНИТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Потери энергии в этом случае могут быть только в кабеле при
неидеальном согласовании с ним антенны, и КПД рамки в этом случае
будет равен: КПД = Ра / (Ра + Рпк), где Р 1к - мощность потерь в кабеле.
При хорошем согласовании антенны с кабелем КПД достигает 98%.
Проведя несложные преобразования, можно убедиться, что КПД
определяется также выражением: КПД = Ra / (Ra + Rn), где Ra -
сопротивление излучения антенны; Rn - сопротивление потерь.
В магнитных рамках сопротивление потерь бывает относительно
большой величиной.
Возьмем случай, когда используются высококачественные
конденсатор и медная трубка. Сопротивление потерь в этих элементах будет
достаточно малым в сравнении с сопротивлением излучения рамки.
В этом случае, с учетом стоящего последовательно с антенной
согласующего устройства, КПД определяется, как: КПД = RtK / (Rn +
RK + R ) где Rh - расчетное идеальное сопротивление излучения
рамки; RK- сопротивление потерь в конденсаторе; Rp - сопротивление
потерь в рамке; К - КПД согласующего устройства.
Сопротивление излучения магнитной настроенной рамки
примерно равно характеристическому сопротивлению контура:
Rn=VlVC
Практически индуктивность и добротность рамки определяют из
следующих соотношений Q = coL / R и Q = R(i / R, где со - круговая
частота, рад/с.
Нетрудно также найти сопротивление потерь рамки и ее общую
емкость. Эти величины важны при расчете КПД антенной системы.
Расчетное значение КПД для рассматриваемых антенн составляет
примерно 45% и не превышает КПД согласующего устройства.
Однако можно сказать, что это значение не так уж и плохо. Оно выше
КПД многих низко висящих и суррогатных антенн. К тому же
рамочная антенна обладает направленностью, которая позволяет
радиолюбителю более полно использовать ее возможности.
КПД приемной антенны равен отношению мощности, фактически
отдаваемой антенной в нагрузку, к мощности, которую она отдавала
бы при отсутствии потерь. Потери же в приемной антенне велики,
поскольку в ней обычно применяют тонкий провод, конденсатор
с трущимися контактами, часто с твердым диэлектриком и к ее
согласованию с нагрузкой относятся не так серьезно, как в передающих
антеннах.
РАСПОЛОЖЕНИЕ АНТЕННЫ ОТНОСИТЕЛЬНО ДРУГИХ ПРЕДМЕТОВ 137
КПД в этом случае составляет доли процента. Однако за счет
усиления приемника и направленных свойств антенны обеспечивается
удовлетворительный прием.
РАСПОЛОЖЕНИЕ МАГНИТНОЙ АНТЕННЫ
ОТНОСИТЕЛЬНО ДРУГИХ ПРЕДМЕТОВ
Как уже отмечалось выше, магнитные антенны реагируют на
магнитную составляющую электромагнитной волны. Это позволяет
располагать такие антенны даже внутри железобетонных зданий. Но во
избежание промышленных помех и для полной реализации
направленных свойства магнитных антенн лучше всего, конечно,
устанавливать их на свободном пространстве вне здания.
Что касается передающих антенн, то при их размещении тоже есть
своя специфика. Из-за сильного магнитного поля такие
расположенные поблизости антенны создают наводку на магнитные головки
магнитофонов и проигрывателей, на катушки индуктивности различных
устройств. Могут возникать сильные помехи телевидению и
радиовещанию, которые не исчезают при отсоединении от них их собственных
антенн. Путем изменения направления излучения магнитной антенны
и пространственного расположения самих устройств,
подвергающихся наводкам, уровень помех удается существенно уменьшить.
При установке антенны на балконе, рядом с проводящими
предметами, ее диаграмма направленности искажается. Для размещения
магнитной передающей антенны на крыше требуется совсем немного
места. Около нее могут находиться любые предметы и антенны. Они
мало влияют на ее работу, и в то же время сама магнитная антенна
слабо воздействует на окружающие ее антенны. Это одно из самых
главных преимуществ таких антенн над всеми остальными.
Только в одном случае характеристики антенны серьезно
ухудшаются - если магнитная антенна находится внутри петлевой (рис. 3.15).
Характеристики же наружной антенны при этом не изменяются. Для
компенсации влияния наружной антенны на внутреннюю к концу
коаксиального кабеля, идущего от внешней антенны, подключают
либо переменный конденсатор емкостью до 400 пФ, либо
переменную индуктивность 10-200 мкГн, либо переменное сопротивление
200-300 Ом (рис. 3.15).
Возможна и комбинированная нагрузка из этих элементов. Таким
образом обычно удается ликвидировать влияние наружной антенны
на внутреннюю.
138
МАГНИТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
т
/ Мешающий
Is' кбадрат
—°* 7^
Рис. 3.15. Расположение магнитной антенны внутри петлевой
ВОЗДЕЙСТВИЕ НА МАГНИТНУЮ АНТЕННУ
АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И ОСАДКОВ
Поскольку рамка и питающий коаксиальный кабель заземлены,
магнитная антенна не восприимчива к помехам из-за статического
электричества, что позволяет использовать ее в предгрозовой
период. Она обычно располагается ниже других антенн, так что
попадание молнии в нее маловероятно.
Необходимо тщательно изолировать излучающую поверхность
рамки, например с помощью радиопрозрачной краски, от осадков,
которые могут «съесть» тонкий зеркальный поверхностный слой.
От атмосферных воздействий надо защитить также переменный
конденсатор и согласующее устройство. Конденсатор находится под
высоким напряжением, а через согласующее устройство протекают
значительные токи, поэтому недопустимо попадание на них влаги.
Испортить эти элементы схемы могут также коронные и
поверхностные разряды.
Небольшую по размерам магнитную антенну удобно разместить
под навесом или полностью в диэлектрической коробке.
МАГНИТНЫЕ АНТЕННЫ С КАРДИОИДНОЙ ДИАГРАММОЙ
НАПРАВЛЕННОСТИ
Если соответствующим образом сложить диаграмму направленности
магнитной антенны с диаграммой штыревой антенны (первая в
плане имеет вид восьмерки, а вторая - круга), то получится ДН в форме
кардиоиды (рис. 3.16).
Поля от рамки и штыря в свободном пространстве складываются
в соответствии с их поляризацией, фазами и амплитудами. Чтобы ДН
1
АНТЕННЫ С КАРДИОИДНОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ
139
такой комбинации излучателей была кардиоидной, следует синфаз-
но сложить ЭДС от двух антенн. Для этого в цепь штыря обычно
включают или высокоомный резистор (рис. 3.17а), или
индуктивность (рис. 3.176), или и то, и другое (рис. 3.17в).
Переключением штыря можно изменить направление максимума
кардиоиды (рис. 3.18а). В некоторых случаях удобно переключать не
штырь, а менять фазу ЭДС магнитной антенны (рис. 3.186).
Приемные антенны с кариоидными ДН широко распространены среди «ли-
соловов».
Использование таких антенн в режиме передачи хотя и сложно, но
теоретически возможно. Для этого необходимо иметь согласованную
рамку и согласованный штырь (рис. 3.19). Штырь может иметь высоту,
составляющую 3-5 диаметров рамки. Согласующие устройства (СУ.)
Результирующая ЦН
Рис 3.16. Получение кардиоидной диаграммы
направленности
Рис. 3.17. Коррекция фазы ЭДС штыря
140
МАГНИТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Рис. 3.18. Переключение кардиоидной диаграммы направленности
v К трансиЬеру
Рис. 3.19. Передающая антенна с изменяемой кардиоидной
диаграммой направленности
штыря и рамки вносят неизвестные сдвиги фаз ЭДС штыря
и рамки. Поэтому применяется дополнительное фазосдвигающее
устройство (Ф.У.), которое должно обеспечить регулировку сдвига
фазы от 0 до 90°.
Конечно, при создании такого устройства возникают проблемы
с тем, чтобы сделать его достаточно широкополосным. Кроме того,
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПРИЕМНЫЕ МАГНИТНЫЕ АНТЕННЫ
141
требуется его оперативная подстройка, поскольку сдвиг фаз между
ЭДС от рамки и штыря после согласующих устройств может
меняться не только при переходе с диапазона на диапазон, но и внутри
одного диапазона.
Существует еще один интересный способ получения кардиоидной
диаграммы направленности. Выше было показано, как получить ДН
в виде восьмерки. Если же в обычной рамочной антенне одну из ее
половинок закрыть экраном, то прием сигналов на нее будет
существенно ослаблен и симметрия рамки нарушится, (рис. 3.20).
ДН магнитной рамки
б горизонтальной
плоскости
\ ДН системы \
) bгоризонтальной \
плоскости /
Рис 3.20. Полуэкранированная магнитная рамка
с кардиоидной диаграммой направленности
Такую приемную антенну можно изготовить из коаксиального
кабеля со снятым экраном. Для повышения эффективности работы
рамки на УКВ надо, чтоб^ ее периметр составлял четверть длины
волны. При использовании в качестве передающей антенну
необходимо тщательно согласовывать с передатчиком.
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПРИЕМНЫЕ МАГНИТНЫЕ АНТЕННЫ
Магнитные антенны подходят для приема не только радио-, но также
и телевещания. Для этого применяют антенну упрощенной
конструкции, представляющую собой преобразованную классическую
магнитную антенну (рис. 3.21).
Ее можно изготовить из коаксиального кабеля любой марки.
Периметр рамки L должен составлять примерно 0,1 от длины волны
самого низкочастотного телевизионного канала, хотя если сигнал
в месте приема достаточно мощный, то он может равняться 0,1 от X
самого высокочастотного канала.
Эта антенна проигрывает по усилению традиционным
телевизионным антеннам, на качество обеспечиваемого с ее помощью приема
в городских условиях выше, поскольку реагирует она главным образом
142
МАГНИТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Экран
коаксиального кабеля
Центральная
жила
Рис. 3.21. Упрощенная магнитная антенна
на магнитную составляющую электромагнитного поля. Антенна
способна работать, начиная с первого ТВ-канала, в диапазонах как
метровых, так и дециметровых волн. Жестких требований к длине
кабеля от антенны до телевизора не предъявляется.
Кроме бесспорного преимущества - простоты - такая антенна
имеет еще одно очень полезное свойство. На длинах волн меньше,
чем 0,1 периметра антенны, коэффициент ее усиления стремительно
падает. Это позволяет избежать помех от расположенной рядом
ведомственной или любительской радиостанции.
Принцип магнитной антенны используется и в фильтре (рис. 3.22),
состоящем из двух петель, позволяющем понизить уровень помех
приему телевещания, если включить его ц кабель обычной
телевизионной антенны.
Такой фильтр, в отличие от традиционных, с LC-элементами, лишь
незначительно ослабляет сигналы на частотах телевизионных
каналов и не искажает их спектр. Он значительно проще в изготовлении.
кптк
Рис. 3.22. Фильтр телевизионного сигнала
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПРИЕМНЫЕ МАГНИТНЫЕ АНТЕННЫ
143
При высоком уровне помех приему его можно установить как
внутри телевизора, так и на телевизионной антенне.
Диаметр магнитных антенн в фильтре, изображенном на рис. 3.22,
составляет 3-6 см.
Радиолюбительский опыт приема УКВ-ЧМ свидетельствует
о том, что магнитная антенна обеспечивает более высокое качество
приема, чем любая суррогатная и даже некоторые наружные
антенны. Периметр рамки для приема УКВ-ЧМ диапазона 70 МГц
находится в пределах 20-40 см, а для FM диапазона 88-108 МГц-
в пределах 15-30 см.
В опытах автора с магнитной рамочной антенной был получен
дополнительный интересный результат.
Как известно, любая приемная антенна, не идеально согласованная
с нагрузкой, часть принимаемой мощности ВЧ сигнала излучает
обратно в эфир. В связи с этим, иногда удается найти такую точку
около приемной антенны типа «волновой канал», в которой магнитная
антенна обеспечивает удовлетворительный прием даже на
значительном удалении от телецентра. При этом без вспомогательной антенны
качество приема было хуже (рис. 3.23).
Примерная область расположения магнитной антенны,
питающейся переизлученной энергией
Рис. 3.23. Расположение магнитной антенны относительно
«волнового канала»
144
МАГНИТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
В тяжелых условиях приема удовлетворительного результата
можно добиться при надевании магнитной антенны на активный
вибратор многоэлементной приемной антенны. Телевизор,
подсоединенный к многоэлементной антенне, при таком «дележе» ТВ-сигнала
работает без ухудшения качества приема.
На основании этого опыта автором была изготовлена
конструкция, позволяющая работать в каналах метровых и дециметровых
волн (MB и ДМВ), с одним кабелем (рис. 3.24). Наблюдалось
высокое качество приема ТВ передач в зоне уверенного приема. Петля
магнитной антенны была рассчитана на средний ТВ-канал
диапазона MB.
Проведены эксперименты с вибраторами от четверти до половины
волны ТВ-канала. В последнем случае антенна работала лучше. В ее
конструкции полезно предусмотреть возможность перемещения
вибраторов вдоль их оси для подстройки антенны, ориентируясь на
качество приема.
Антенна с полуволновыми вибраторами получается громоздкой.
Для уменьшения ее размеров и увеличения связи между магнитной
антенной и вибраторами делались попытки увеличить число витков
магнитной антенны и применить витой вибратор (рис. 3.25).
Оказалось, что оптимальное число витков магнитной антенны - от
двух до трех. Для вибратора использовалась пластиковая лыжная
палка диаметром 14 мм, на которой был намотан медный провод
диаметром 2 мм и начальной длиной, равной длине волны одного из
ТВ-каналов. При настройке от витого вибратора последовательно отрезали
по одному витку, растягивали или сжимали его и перемещали
магнитную антенну вдоль вибратора, добиваясь наиболее качественного
$)=
Все вибраторы длиной Ь/2
для соотбетстбующего
ТВ канала
Рис. 3.24. Универсальная телевизионная
рамЪчно-дипольная антенна
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПРИЕМНЫЕ МАГНИТНЫЕ АНТЕННЫ , 1J5
приема. После полной настройки антенны длина провода вибратора
была уменьшена на одну треть. В результате антенна, настроенная на
четыре канала, хорошо работала также на 6-12 каналах и по своим
параметрам практически не уступала антенне, представленной на
рис. 3.24.
Рис. 3.25. Магнитно-дипольная антенна с витым вибратором
Рамка для
приема ДМВ
Рис. 3.26. Комбинированная ТВ антенна для диапазонов MB и ДМВ
Для приема ДМВ служил помещенный в верхнюю часть антенны
квадрат с периметром, равным длине волны ТВ-канала в диапазоне
ДМВ (рис. 3.26).
Допустимый шаг намотки витого вибратора составляет от 2 до 15 мм.
146
МАГНИТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
МАГНИТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ УКВ ДИАПАЗОНА
Автором были изготовлены «печатным» способом на фольгирован-
ном стеклотекстолите и испытаны рамки периметром 0,1 от длины
волны и шириной 5 мм для диапазона 90-200 МГц. Согласование
осуществлялось с помощью петли связи с периметром примерно
в одну треть от периметра рамки. Испытаны две такие петли. Первая
была выполнена печатным способом на двустороннем
стеклотекстолите с обратной стороны антенны в одном из ее углов (рис, 3.27а).
Ширина петли связи составляла половину от ширины антенны. Во
втором случае петля связи (из провода толщиной 1 мм) с периметром
около одной трети от периметра рамки располагалась в ее центре
(рис. 3.276). Для согласования антенны ее можно было перемещать.
При испытании было выявлено, что в зависимости от положения
петли связи меняется как входное сопротивление со стороны петли,
так и полоса пропускания рамки. Реально оказалось возможным
изменять полосу пропускания рамки в пределах 2-10 МГц на частоте
100 МГц, и в пределах 5-20 МГц на 200 МГц, не нарушая
согласования антенны и кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что такая рамка вполне
работоспособна в режиме приема УКВ вещания в диапазоне 100 МГц.
Магнитную антенну можно при этом располагать внутри приемника.
Магнитную рамку удобно использовать для приема телевизионных
сигналов в одном из каналов, особенно если усилитель разместить
непосредственно около петли связи. Применение конденсатора
переменной емкости (2-15 пФ) дает возможность перестраивать частоту
рамки в пределах 20 МГц в обе стороны от частоты 150 МГц. Если взять
—#—
IT
а] б)
Рис. 3.27. Магнитная антенна УКВ
МАГНИТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ УКВ ДИАПАЗОНА
147
конденсатор с большей емкостью, то удается понизить резонансную
частоту рамки в еще большей степени. При этом, правда,
ухудшаются ее добротность и симметрия частотной характеристики, но
расширяется полоса пропускания. Следует заметить, что в УКВ диапазоне
малогабаритные конденсаторы переменной емкости работают плохо
(в экспериментах автора после замены одного малогабаритного
конденсатора другим, такого же типа, параметры антенны изменились).
Для антенны, рассчитанной на узкую полосу частот, больше всего
подходит конденсатор, изготовленный печатным способом с обратной
стороны антенны на двусторонней печатной плате. На рис. 3.28
показано размещение на этой плате рамки (а) и элементов конденсатора
(а и б). Часть конденсатора может быть выполнена в виде отдельных
квадратных площадок размером 4x4 мм, которые при настройке
антенны в резонанс легко соединять друг с другом капельками олова.
Несмотря на недостатки магнитной антенны при работе в УКВ
диапазонах (низкий КПД и трудность согласования с кабелем),
автором была предпринята неудачная попытка использовать ее в
качестве передающей. Исследования проводились в диапазоне 144 МГц.
На открытой местности она оказалась приблизительно
эквивалентной штыревой антенне длиной Х/8. В режиме передачи из
железобетонного здания магнитная антенна работала не многим хуже
штыревой длиной в четверть волны. В обоих случаях антенны размещались
непосредственно на антенном разъеме трансивера без кабеля питания.
Результаты исследования свидетельствуют о том, что по изложенным
2^
Элементы
конденсатора
YV//////////////A
Элементы
конденсатора
Магнитная
рамка i
Петля сЬяэи
о) б)
Рис. 3.28. Конденсатор настройки, изготовленный печатным способом
148
МАГНИТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
ниже причинам данную антенную систему нельзя рекомендовать
в качестве передающей в диапазоне УКВ. При установке
непосредственно на разъеме передатчика, в нем наблюдаются большие
наводки, которые могут привести к возбуждению его каскадов и
ухудшению их работы. Входное сопротивление антенны со стороны петли
связи необходимо тщательно согласовывать с кабелем питания или
с выходом передатчика (при непосредственном подключении
антенны на выход передатчика), что не всегда возможно.
Такую антенну разумнее всего использовать в простых, но
чувствительных УКВ приемниках, собранных на одной микросхеме, с низкой
промежуточной частотой (например, 174ХА34), или в
сверхрегенераторах. Антенна, обладающая частотно-избирательными свойствами,
позволяет исключить помехи от передатчиков, работающих в
близлежащих УКВ диапазонах, - будь то соседний вещательный УКВ
диапазон или телевизионные каналы. Благодаря своей пространственной
избирательности антенна да^т возможность выбрать наиболее
подходящее направление приема. Находящиеся рядом с антенной плата
приемника и элементы питания изменяют в некоторой степени
параметры антенны, но все лее позволяют ей оставаться работоспособной.
Магнитную рамочную антенну можно применять как приемную
телевизионную при наличии сильного отраженного сигнала.
Действительно, для небольшой магнитной антенны всегда удается найти
такую точку, где условия приема будут наиболее подходящими.
С антеннами больших линейных размеров, реагирующими главным
образом на электрическую составляющую электромагнитной волны,
это сделать сложнее. Магнитные перестраиваемые антенны подходят
также для построения активных приемных телевизионных антенн
с переключением каналов при помощи варикапов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бова Н. Т., Резников Г. Б. Антенны и устройства СВЧ. - Киев:
Высшая школа, 1982.
2. Федоров Н. Н. Основы электродинамики. - М.: Высшая школа,
1980.
3. Хагенбухнер К. Малогабаритная KB антенна. Радио, № 7, 1989,
с. 90.
4. Брагин В. (UA9KEE). Антенна из коаксиального кабеля. Радио,
№ 2, 1990, с. 38.
5. Кобзев В. (UW4HZ). Универсальное согласующее устройство.
Радио, № 9, 1975, с. 37.
6. Doug De Maw. On Ferrite-Rod Inductors. QST, March, 1979, p. 38.
АНТЕННА
БЕВЕРЕДЖА
Идеальная антенна Бевереджа 150
Система заземления 154
Четвертьволновые противовесы
в качестве «земли» 156
Нагрузка антенны Бевереджа 158
Длина полотна антенны 159
Коэффициент полезного действия 159
Изменение диаграммы направленности 161
Практические конструкции питающего
и нагрузочного участков 164
Упрощенная антенна с переключаемой
диаграммой направленности 166
Установка антенны 167
Защита от грозы 169
Литература 170
150
АНТЕННА БЕВЕРЕДЖА
Антенна Бевереджа, или антенна бегущей волны, широко
распространена в профессиональной радиосвязи в странах бывшего СССР
и за рубежом. По некоторым причинам эта антенна в разных странах
имеет разные наименования. Мы будем называть ее и антенной
бегущей волны, и антенной Бевереджа.
Радиолюбителями нашей страны эта антенна применяется очень
редко, а те, кто о ней знает, часто строят ее неправильно и получают
в ходе эксплуатации разочаровывающие результаты. Тем не менее,
следует серьезно относиться к этой антенне. Если вы не добьетесь
успеха при первом ее использовании, то постарайтесь
проанализировать свои ошибки и устраните их.
Антенна Бевереджа открывает широкие возможности при работе
как на прием, так й на передачу. В большинстве трансокеанских QSO
в диапазоне 160 м радиолюбители используют ее в приемном канале.
Если мы бткроем инструкцию к радиостанции Р126, то узнаем, что
между двумя однотипными радиостанциями четвертьволновой
штЫрь обеспечивает дальность связи 2 км, а антенна бегущей
волны - от 4 до 5 км.
Для радиостанции Р105 со штыревой четвертьволновой антенной
дальность связи составляет 6 км, а с антенной бегущей волны - до
25 км. Эти радиостанции работают в УКВ диапазоне (4-6 м). Можно
надеяться, что цифры, неоднократно проверенные военными, убедят
даже самых закоренелых противников антенны Бевереджа в том, что
в ней «действительно что-то есть».
Только антенна бегущей волны при минимальных затратах на ее
изготовление абсолютно не нуждается в настройке при смене
диапазона работы. Эта ее особенность привлекательна не только для
любителей DX-связи, но и просто для слушателей далеко
расположенных вещательных станций.
ИДЕАЛЬНАЯ АНТЕННА БЕВЕРЕДЖА
Классическая антенна бегущей волны представляет собой тонкий
провод длиной в несколько длин волн', нагруженный на резистор
с сопротивлением, равным волновому сопротивлению длинной
линии, образованной проводом й землей (рис. 4.1). Обычно такого вида
антенны располагают на высоте 1-5 м, в зависимости от рабочего
диапазона частот.
Антенна бегущей волны обладает высоким входным
сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии. Согласно расчета,
при толщине Провода 1-2 мм и вариации высоты подвеса в широких
ИДЕАЛЬНАЯ АНТЕННА БЕВЕРЕДЖА
151
L = к\. где к > 2
Л = 1-Sm
1
/////////////У/
Рис 4. /. Антенна Бевереджа
пределах от 1 м до 10 м волновое сопротивление составляет
примерно 400-600 Ом. Это позволяет при установке такой антенны
располагать отдельные ее участки на высотах, достаточно сильно
отличающихся друг от друга. При работе на открытой местности (например,
в экспедиции) ее растягивают на кустах и деревьях или на кольях.
В стационарной антенне Бевереджа высоту подвеса также можно
варьировать.
Опыт свидетельствует, что эффективная работа антенны
обеспечивается в диапазоне 160 м при высоте подвеса 3-5 м, а в 10-метровом
диапазоне - не менее 1 м.
Антенна бегущей волны слабо реагирует на низкочастотные
составляющие атмосферных помех.
Ее коэффициент усиления определяется по формуле G - KL/A,, где
К - коэффициент, зависящий от качества изготовления антенны; L -
длина провода; X - длина волны, на которой работает антенна.
Из этой формулы видно, что чем длиннее полотно антенны, тем
выше ее коэффициент усиления.
Антенна Бевереджа принимает вертикально поляризованную
волну, падающую на нее под небольшим углом к горизонту. Как
известно, вблизи от земли (поскольку она недостаточно хорошо проводит
электрический ток) у вертикально поляризованной волны несколько
наклоняется фронт и появляется небольшая горизонтальная
составляющая, которая и наводит токи в продольном проводе антенны.
Такой волной может быть поверхностная волна радиостанции,
находящейся в пределах радиовидимости, либо пространственная волна
дальней радиостанции^ пришедшая под небольшим углом.
Максимум диаграммы антенны направлен от приемника к
нагрузке (рис. 4.2а). Электромагнитная волна с вертикальной
поляризацией, падающая перпендикулярно к проводу антенны, не наводит в нем
токов. А при падении волны с любой поляризацией под большими
углами к проводу различные участки антенны возбуждаются с разными
152
АНТЕННА БЕВЕРЕДЖА
Минимум приема
Максимум приема
I
эмв
//////////////////////////
ol
Фронт болны
///////// SV ///////К///
[)*[))- U2e
JV
Рис 4.2. Работа антенны бегущей волны в режиме приема
фазами (рис. 4.26), так что их вклады в суммарном сигнале на
выходе компенсируются.
Волна, приходящая со стороны приемника, поглощается в
нагрузке. При неидеальном согласовании нагрузки RH с волновым
сопротивлением полотна в антенне будут наблюдаться стоячие волны. Это
значит, что не вся энергия, падающая из свободного пространства на
антенну со стороны приемника, поглотится в нагрузке, небольшая ее
часть отразится к входу приемника.
Исходя из этих соображений, построим примерный вид ДН
антенны Бевереджа. Она представляет собой узкий луч в вертикальной
(рис. 4.3а) и горизонтальной (б) плоскостях, направленный в
сторону от приемника к нагрузке. Аналогичный по форме лепесток, но
значительно меньшего уровня, направлен в обратную сторону.
При значительно большем, чем длина волны, продольном размере
антенны происходит дробление диаграммы направленности на
лепестки (см. рис. 4.4: ДН в вертикальной (а) и горизонтальной (б)
плоскостях). Подробные ДН антенны Бевереджа приведены в [1].
ИДЕАЛЬНАЯ АНТЕННА БЕВЕРЕДЖА
153
б)
Рис 4.3. Диаграмма направленности антенны Бевереджа
Рис 4.4. Реальная диаграмма антенны бегущей волны
154
АНТЕННА БЕВЕРЕДЖА
Низкий уровень заднего лепестка в ДН свидетельствует о хорошей
согласованности антенны с нагрузкой.
Реальная антенна Бевереджа по своим свойствам существенно
отличается от идеальной. Первостепенную роль при этом играет ее
«земля».
СИСТЕМА ЗАЗЕМЛЕНИЯ
В реальных условиях эффективность антенны Бевереджа во многом
определяется «качеством» земли. Начнем со случая, когда хорошо
проводящий участок сосредоточен прямо под полотном антенны
и имеет близкие физические размеры. Пусть это будет провод,
проложенный от генератора (или приемника) к нагрузке по плохо
проводящей земле (рис. 4.5).
При этом очевидно, что токи в обоих проводах - антенны и
«земляном» - будут одинаковыми. Если несколько «земляных»
проводов (противовесов) проложены параллельно, то ток 1Х равен сумме
токов 1п (рис. 4.6). Предположим, что непосредственно под проводом
антенны находится самый короткий (то есть имеющий наименьшее
К
/, =/,
////////////////////////
Рис. 4.5. Эквивалентная схема антенны Бевереджа с заземлением
п - число npomubabecob
Рис. 4.6. Распределение токов в сэемляной» системе антенны бегущей волны
СИСТЕМА ЗАЗЕМЛЕНИЯ
155
сопротивление) из противовесов п2. Тогда в нем, будет протекать
самый большой, по сравнению с другими противовесами, ток.
На практике, если рассчитывают применять антенну Бевереджа
в режиме передачи, то прокладывают не менее трех противовесов.
Один - под полотном антенны, и два других - по краям от него на
расстоянии равном 0,5-1 от высоты подвеса продольного провода
(рис. 4.7).
Для эффективной работы противовесов они должны быть
приподняты над землей на небольшую высоту (5-10 см) или лежать на ней
при соответствующей защите их от коррозии. Кроме того, можно
закопать противовесы, но на глубину не более 10 см.
При использовании антенны Бевереджа в качестве приемного
устройства «земле» обычно не уделяют большого внимания. Как
правило, на приемных центрах со стороны нагрузки и трансформатора
делают 10-30 противовесов длиной около 0,1 ot дЛйны антенны. Но
провода при этом расходуется даже больше, чем при прокладке
одного противовеса под всей антенной. Кроме того, Иногда возрастает
шум антенны, так как в ее работу включаются участки земли,
которые могут содержать источники шума (рис. 4.8). Определить, что
Ф
н/2< w<н
И*.
Рис. 4.7. Заземление антенны Бевереджа
//////
П«"
Источники шума
Рис. 4.8. Воздействие на антенну находящихся в земле источников шума
156
АНТЕННА БЕВЕРЕДЖА
является причиной шума - протекающие ли в земной коре токи
естественного происхождения, или следствие промышленной
деятельности (воздушные ЛЭП, подземные линии электропередачи и т.п.), -
бывает нелегко.
Приемные радиоцентры размещаются там, где подобных
шумовых помех нет. Радиолюбители же зачастую ограничены в выборе
места. Случается, что антенну приходится устанавливать как раз
недалеко от источника шума, который может оказаться настолько
интенсивным, что будет забивать приемник. Из-за шумов слабые
сигналы радиостанций в этом случае принимаются с трудом, но если
приемник отнести на несколько сот метров в сторону, то качество
приема во всех диапазонах существенно улучшается.
В режиме передачи такая антенна (рис. 4.8) будет работать
неудовлетворительно, что объясняется ее низким КПД из-за потерь
в земле и нагрузке. При приеме это не страшно, так как обычно
приемники имеют запас по усилению, а в режиме передачи КПД
является основным показателем антенны. Необходимо также учитывать,
что реальное сопротивление земли во многих случаях обладает
частотной дисперсией и имеет нелинейный характер, то есть зависит от
частоты и величины протекающего в земле тока. Это приводит к
дополнительной зависимости параметров антенны от частоты и
подводимой к ней мощности, что может ухудшить работу выходного
каскада передатчика и вызвать амплитудные искажения
излучаемого сигнала.
Не следует забывать и о том, что зимой почва в России часто
промерзает на значительную глубину, что может существенно снизить
эффективность антенны Бевереджа без искусственной «земли».
Иногда по ряду причин трудно или невозможно проложить
«земляной» провод под полотном антенны. В этом случае используют так
называемую лучевую антенну, схему которой мы рассмотрим ниже.
ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫЕ ПРОТИВОВЕСЫ
В КАЧЕСТВЕ «ЗЕМЛИ»
Лучевая антенна, используемая для работы на радиостанциях типа
Р105 и Р109, изображена на рис. 4.9. Она представляет собой провод
длиной L около десяти длин волны (на рабочей частоте станции),
к которой через резистор 400 Ом подключены четвертьволновые
противовесы. Несколько таких же противовесов присоединены и к
корпусу радиостанции.
ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫЕ ПРОТИВОВЕСЫ В КАЧЕСТВЕ «ЗЕМЛИ»
157
Рис. 4.9. Лучевая антенна
У У У У У УУ.У У У У У У У УУ-У У У У У У
Рис. 4.10. Токи смещения в лучевой антенне
Ток в антенне возникает благодаря токам смещения в пространстве
между противовесами (рис. 4.10). При этом ток в почве не играет
большой роли, даже если земля - идеальный проводник.
В главе 1 приведены значения сопротивления четвертьволновых
противовесов, которые-справедливы и для антенны Бевереджа.
Эквивалентная схема антенны представлена на рис. 4.11.
Для увеличения КПД следует уменьшать сопротивление системы
противовесов. При волновом сопротивлении антенны 400-600 Ом
рекомендуется использовать по крайней мере по два'противовеса на
сторонах нагрузки и питания.
Если антенна Бевереджа должна работать в разных диапазонах, то
для каждого из них желательно иметь не менее двух противовесов
длиной в четверть волны (рис. 4.12).
Такая антенна с четвертьволновыми противовесами уже не
является классической антенной Бевереджа, но по параметрам аналогична ей.
158
АНТЕННА ВЕВЕРЕДЖА
-CZZh
-Ф-
-CU-
Rn
4ZZh
Rn - сопротивление протибобесоб
Rw - болнобое сопротивление антенны
RH - сопротивление нагрузки
Рис. 4.11. Эквивалентная схема антенны Вевереджа
Рис. 4.12. Многодиапазонная лучевая антенна Вевереджа
НАГРУЗКА АНТЕННЫ ВЕВЕРЕДЖА
Приблизительно от 30 до 50% мощности передатчика рассеивается
в нагрузке. Соответствующую мощность должен обеспечивать
нагрузочный резистор, причем необходимо, чтобы он был безиндукционным.
Обычное для антенны Вевереджа сопротивление нагрузки
составляет 300-600 Ом. Чтобы его реализовать, можно например соединить
параллельно нужное количество резисторов типа МЛТ-2 с
сопротивлением 18-30 кОм.
Конструктивно в экспериментах автора при разных вариантах
исполнения антенны резисторы располагались и кольцом (рис. 4.13а),
и в линию (б).
Использование для нагрузки закрытых коробок ведет к
образованию конденсата в их внутреннем пространстве и в итоге - к выходу
нагрузочных резисторов из строя. Поэтому для защиты от
атмосферных воздействий резисторы достаточно закрашивать прочным лаком.
Осевшая на них вода высыхает под действием тепла, выделяющегося
при работе антенны в режиме передачи, или под воздействием
солнца и ветра. Чтобы исключить прямое попадание дождя на такую
нагрузку, ее накрывают какой-либо крышкой.
ДЛИНА ПОЛОТНА АНТЕННЫ
159
о)
~МЛТ-2
tfbw=
к
'земле'
61
Стеклотекстолит
или оргстекло
Рис. 4.13. Расположение резисторов нагрузки антенны бегущей волны
ДЛИНА ПОЛОТНА АНТЕННЫ
Выше было отмечено, что коэффициент усиления антенны Беверед-
жа зависит от ее длины. Самые лучшие результаты получаются,
когда она кратна нечетному количеству длин полуволн: L - п \/2, где
L - длина антенны; п - целое, нечетное; X - рабочая длина волны
радиостанции.
Для эффективной работы антенна Бевереджа не должна быть
короче волны, на которой работает передатчик.
КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
Напомним, что коэффициент полезного действия характеризует
эффективность антенны как преобразователя ВЧ энергии передатчика
в энергию электромагнитной волны или наоборот - ЭМВ в ВЧ
мощность сигнала на входе приемника.
Рассмотрим КПД передающей антенны Бевереджа. Согласно
теореме взаимности, ряд параметров антенны на прием и на передачу
одинаковы. Потери энергии в антенне складываются из следующих
составляющих.
Во-первых, частично она теряется в нагрузке Rf (рис. 4.14).
Рис. 4.14. Эквивалентная схема
антенны Бевереджа
160
АНТЕННА ВЕВЕРЕДЖА
Во-вторых - в активном сопротивлении продольного провода
антенны Ran. В-третьих, потери возникают в «земляном» проводе под
полотном антенны. Чем длиннее антенна, тем интенсивнее ее
излучение. Кроме того, увеличить интенсивность излучения можно,
приподняв антенну Бевереджа над «землей». С учетом сказанного
приближенно определим КПД из формулы: КПД - (1/(RH + Ran + R3)) x (ЬД) х
(Н/Х3) х K(L, H), где RH - сопротивление нагрузки, Ом; Ran - активное
сопротивление провода антенны, Ом; R3 - активное сопротивление
земли, Ом; L - длина полотна антенны, м; X - рабочая длина волны
антенны, м; Н - высота подвеса полотна антенны, м; К - коэффициент
эффективности, зависящий в общем случае от L и Н, м2/Ом.
К трансиберу
и*
о)
К трансиберу
б)
Рис 4.15. Антенна Бевереджа с параллельно включенными полотнами
ИЗМЕНЕНИЕ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ
161
КПД. %
» 1 1 ►
1 6 10 °°
Рис. 4.16. КПД антенны Ьевереджа в зависимости от ее длины
Поскольку обычно Ran и R3 малы по сравнению с RH, a Rn равно
волновому сопротивлению антенны Rw, выражение для КПД будет иметь
вид: КПД - (1/Rv) х (L/X) х (НД3) х K(L,H).
В общем случае задача нахождения КПД может быть решена
радиолюбителями лишь качественно.
По той же формуле можно оценить КПД антенны Бевереджа
с четвертьволновыми противовесами на стороне нагрузки и
питания (рис. 4.10).
Для повышения КПД используют параллельное включение
полотен (рис, 4.15). При этом на площадке их размещают как
параллельно (а), так и последовательно (б). Согласующие устройства на
рисунке обозначены сокращением «СУ».
Суммарная диаграмма направленности антенн получается, как
суперпозиция ДН входящих в нее частных антенн.
У антенны длиной в одну волну с высотой подвеса около 0,005Х
КПД не превышает 10%. Увеличение размера полотна до 6Х доводит
его примерно до 40%, а затем его рост замедляется (рис. 4.16).
ИЗМЕНЕНИЕ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ
Одним из главных недостатков антенны Бевереджа является то, что
ее диаграмма направленности фиксирована. Некоторые
радиолюбители советуют делать нагрузку отключаемой. При этом в антенне
установится режим стоячей волны, когда амплитуда отраженной
волны будет почти равна амплитуде прямой, и ДН примет вид
«восьмерки» (рис. 4.17).
50
25
10
162
АНТЕННА БЕВЕРЕДЖА
йн
Ф
///У/////////У/
Рис. 4.17. Диаграмма направленности антенны Вевереджа
с отключаемой нагрузкой
На самом деле при отключении нагрузки режим работы антенны
Бевереджа меняется коренным образом. Входное сопротивление уже
не равно 600 Ом в диапазоне частот 1,8-30 МГц, а может принимать
любое значение в зависимости от электрической длины антенны на
рабочей частоте - от долей Ом до нескольких кОм. Естественно, что
простой трансформатор 75/600 Ом, присоединенный к классической
антенне Бевереджа, использовать после отключения нагрузки нет
смысла.
Подбором Длины антенны удается найти такой компромиссный
вариант, при котором она сможет работать в любительских
диапазонах с кратными средними длинами волн - 10, 20, 40 и 80 м, но не
будет согласована в диапазонах WARC и на 160 м.
Отраженная волна, вызванная отсоединением нагрузки, иногда
приводит к возбуждению трансивера, заставляет микрофон и ключ
«жечься». Лучший способ питания такой антенны - подключение ее
непосредственно к П-контуру усилителя мощности, хотя это не
всегда возможно.
Автором был опробован вариант антенны Бевереджа с двумя
трансформаторами (рис. 4.18).
Из рисунка видно, как работает антенна. При подаче в кабель
отрицательного (относительно его оплетки) напряжения реле К2 и КЗ
обесточиваются. Реле К2 своими контактами К2.1 подключает
нагрузку (75 Ом) к трансформатору Т1, согласующему волновое
сопротивление коаксиального кабеля (75 Ом) и входное сопротивление
антенны (600 Ом). Обесточенное реле КЗ своими контактами К3.1
подключает выход передатчика к трансформатору Т2.
При подаче в кабель положительного напряжения срабатывает
реле КЗ и своими контактами К3.1 переключает сигнал передатчика
ИЗМЕНЕНИЕ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ
163
75/600 Ом 600/75 Ом
< Направление излу-
г ► нения 6 эабисимо-
+ 11- -* сти от напряжения
00 питания
Опит
Рис. 4.18. Антенны Бевереджа с переключаемой диаграммой направленности
на трансформатор Т1, к которому его присоединяет через контакты
К2.1 сработавшее реле К2. Реле К1 обесточивается и подключает
нагрузку к трансформатору Т2.
В результате происходит переключение диаграммы
направленности антенны на 180° с сохранением всех ее параметров
(коэффициента усиления и КСВ).
В качестве Kl, K2 и КЗ были использованы реле типа РМУГ.
Нагрузкой служили параллельно соединенные резисторы типа МЛТ-2,
набранные таким образом, чтобы суммарное сопротивление
равнялось 75 Ом.
Конструкция трансформатора показана на рис. 4.19. КСВ антенны
при питании через 75-омный коаксиальный кабель был не более 1,8
в диапазоне частот 1,8-30 МГц.
При переключении направления излучения отдичие качества
приема, оцениваемого по шкале RS, от первоначального составляло
1-2 балла в НЧ и до 6 баллов в ВЧ диапазонах.
В литературе встречаются рекомендации по использованию
круглой антенны Бевереджа (рис. 4.20). Ее диаграмма направленности -
круг. Она может работать в широкой полосе частот. Но коэффициент
164
антенЧа бевереджа
75 0м
1 ?
1
4
v~ |
3
600 Ом
3 ^
4 [
1
2
~. Кабель
^Гу^Ь^Х 50-75 Ом
Фврритобое кольцо
отклоняющей системы
от телебизионной трубки
Рис. 4.19. Трансформатор антенны Бевереджа
лн
Рис. 4.20. Круглая антенна Бевереджа
усиления у нее ниже, чем у полуволнового диполя, работающего
в том же диапазоне.
Но и такой вариант можно попробовать, если есть проблемы с
установкой более сложной антенны.
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
ПИТАЮЩЕГО И НАГРУЗОЧНОГО УЧАСТКОВ
Для уменьшения КСВ и устранения влияния «земли» нагрузочный
и питающий участки обычно выполняют с применением плавного
перехода (рис. 4.21).
Расстояния Ц и L2 одинаковы и определяются из выражения
Lj = L2 = nh, где п равно 1-3; h - высота подвеса.
Если такую конструкцию выполнить сложно, то можно
воспользоваться вариантом, изображенным на рис. 4.22.
В этом случае, если для питания используется коаксиальный
кабель, нагрузку и трансформатор (75/600 Ом) удобно защищать от
атмосферных воздействий.
Очень хорошо работает и конструкция, показанная на рис. 4.23.
Она также весьма проста в исполнении.
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ ПИТАЮЩЕГО И НАГРУЗОЧНОГО УЧАСТКОВ 165
1Г77
К трансиберу
Рис. 4.21. Выполнение нагрузочного и питающего участков
антенны бегущей волны с применением плавных переходов
75 0м
У/А/////////////У/
А
WV
Рис. 4.22. Упрощенный вариант плавного перехода
Если возникают трудности с установкой антенн, которые
показаны на рис. 4.21-4.22, стоит попробовать вариант, представленныйгна
рис. 4.24. Нагрузку и питание лучше всего подключать к середине мачт.
Из предложенных четырех способов выполнения антенны
предпочтительным является изображенный на рис. 4.21. Здесь
достигается наименьшее влияние земли и наилучшее согласование с
питающим кабелем и нагрузкой. В варианте на рис. 4.22 воздействие земли
на трансформатор и нагрузку проявляется в большей степени, также
возможна утечка ВЧ энергии за счет емкостных токов. Антенны на
рис. 4.23 и 4.24 по ряду параметров уступают первым двум.
У//////////V////X/
Рис. 4.23. Трапецеидальный плавный переход
166
АНТЕННА БЕВЕРЕДЖА
////А///////////
А
\/ ///
Рис. 4.24. Антенна бегущей волны без плавных переходов
В конечном итоге, радиолюбитель может изготовить антенну Бе-
вереджа люббй из четырех конструкций, так как с практической
точки зрения различие в их работе невелико и, в сущности, может быть
обнаружено лишь с помощью специальных приборов и методов,
которые радиолюбителями применяются редко.
УПРОЩЕННАЯ АНТЕННА С ПЕРЕКЛЮЧАЕМОЙ
ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ
При достаточном количестве кабеля в виде открытой линии, КАТВ
или даже телефонного провода типа ТРП, больше известного под
названием «лапша», можно предусмотреть упрощенное переключение
«вперед-назад» диаграммы направленности антенны Бевереджа.
Схема такой антенны приведена на рис. 4.25. Здесь для
переключения направления ДН удобно использовать просто обыкновенный
Открытая пиния
или линия типа
J^ КАТВ ('лапша')
К трансиберу
Рис. 4.25. Упрощенное переключение диаграммы направленности антенны Бевереджа
УСТАНОВКА АНТЕННЫ
167
тумблер. Однако недостаток подобной конструкции заключается
в том, что открытая линия должна быть приподнята над землей,
иначе возрастает затухание антенны и уменьшается ее КПД. Но если
антенна работает только как приемная, эти недостатки не столь важны.
УСТАНОВКА АНТЕННЫ
Для успешной работы антенна Бевереджа, впрочем, как и любая
другая антенна, должна быть правильно размещена среди окружающих
ее посторонних предметов. Конечно, идеальные условия - это
отсутствие рядом проводящих объектов, что на практике встречается
редко. Во всяком случае, в окрестностях главного и, если возможно,
заднего лепестка ДН к этому следует стремиться (рис. 4.26). Поскольку
антенна Бевереджа излучает горизонтально поляризованную волну,
надо обратить внимание на горизонтально расположенные проводящие
предметы. Очень хороший вариант - установка антенны на крыше
дома, когда главный лепесток диаграммы направленности направлен
в свободное пространство и в его пределах отсутствуют затеняющие
антенну предметы. Именно так размещена антенна Бевереджа,
которая используется с 1989 г. на радиостанции автора UA3ZNW (а затем
на UZ3ZK и RK3ZK).
Если в главном лепестке оказываются дом, какая-либо еще
антенна и т.п., следует ожидать появления помех приему телевизионных
пппп
пппп
пппп
/////у/////////
Рис. 4.26. Размещение антенны Бевереджа на радиостанции RK3ZK
168
АНТЕННА БЕВЕРЕДЖА
передач в этом доме, а также перегрузки вашим сигналом приемных
устройств, подключенных к другим антеннам, расположенным в
округе. Если же эта антенна работает в приемном режиме, то
перегрузка возникает уже в вашем приемнике.
Часто на крыше проходят провода радиосети и телефона. Скорее
всего, они окажутся параллельными антенне Бевереджа и будут
восприниматься ею как «земля». Значительные токи, наведенные в них,
могут вызвать помехи многопрограммному вещанию и возможно
телефонной связи. Для устранения этого достаточно рядом с
проводами проложить экранирующий провод. Его следует заземлить возле
каждой из мачт (рис. 4.27).
Этот провод должен быть к антенне ближе, чем провода, в
которых помеха наводится. В трудных случаях приходится устанавливать
несколько экранирующих проводов на расстоянии 20-50 см друг от
друга (рис. 4.28). Вы можете экспериментально определить, какой
силы ток протекает в экранирующем проводе. Для этого включите
в него лампочку (6,3 В и 0,26 А или подобную ей), и уже при 100 Вт,
подводимых к антенне, вы увидите ее свечение.
Если теперь параллельный провод с лампочкой проложить за
экранирующими проводами, то свечение лампочки станет значительно
слабее или исчезнет совсем.
Вообще, антенна Бевереджа - одна из самых неприхотливых. Если
смириться с помехами телевидению и наводками на длинные провода
/
Экранирующий npobod
Рис. 4.27. Устранение влияния антенны Бевереджа на проводную сеть
ЗАЩИТА ОТ ГРОЗЫ
169
Деребянная Вспомогательная опора
Экранирующие npoboda
Г77
Пробода телефона
или радиосети
Рис. 4.28. Установка экрана между проводной сетью и антенной Бевереджа
и обеспечить вокруг полотна свободное пространство в радиусе
около 1-2 м, то уже эти меры позволят с успехом ее применять. Она
может быть установлена под диполем, рядом со штырем и т.п. Ни одна
из соседних антенн не мешает антенне Бевереджа, и она в свою
очередь не мешает другим антеннам. Это свойство является
несомненным преимуществам по сравнению с другими типами антенн,
работоспособность которых при неправильном размещении значительно
ухудшается.
ЗАЩИТА ОТ ГРОЗЫ
Нет более безопасной при грозе антенны, чем антенна Бевереджа.
Полотно ее заземлено с обеих сторон, так что даже прямое попадание
в нее молнии не приведет к поражению оператора и разрушению
радиоаппаратуры. Эту антенну обычно располагают ниже других
проводящих предметов, чем обеспечивается дополнительная защита от
грозы. Она не накапливает статического электричества, что особенно
170
АНТЕННА БЕВЕРЕДЖА
заметно при приеме перед грозой. С ней можно работать даже во
время грозового фронта, не опасаясь поражения молнией.
Антенну Бевереджа удобно использовать как индикатор грозы.
Для этого достаточно подключить к идущему от нее фидеру светоди-
од. При приближении грозы он начинает вспыхивать в такт ударам
молнии. Подключение же такого светодиода к другой антенне -
диполю или штырю - часто приводит к выходу его из строя.
ЛИТЕРАТУРА
Айзенберг Г. 3. Коротковолновые антенны. - М.: Радио и связь, 1985.
СТРАНИЦА
РОМБИЧЕСКИЕ
АНТЕННЫ
Переход от антенны Бевереджа
к ромбической
Неоптимальная ромбическая антенна
Оптимальная ромбическая антенна
КПД, мощность
Диаграмма направленности
Суррогатные ромбические антенны
Грозозащита
Влияние на работу антенны
окружающих предметов
Литература
172
173
174
175
177
179
179
181
182
172
РОМБИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ
Ромбическую антенну можно рассматривать как дальнейшее
развитие антенны Бевереджа. Если вы внимательно прочитали
предыдущую главу, посвященную этим антеннам, то понимаете, какие
недостатки им присущи - низкий КПД и сильное влияние земли.
Все это устранено в ромбической антенне, которая также является
антенной бегущей волны.
ПЕРЕХОД ОТ АНТЕННЫ БЕВЕРЕДЖА К РОМБИЧЕСКОЙ
Некоторые положительные свойстева антенны Бевереджа и
минимальные затраты на ее изготовление - вот основные причины
стремления использовать ее и в УКВ диапазоне.
Для обеспечения дальности связи У КВ. антенны должны быть
приподняты над землей. Простой подъем антенны Бевереджа с его
искусственной «землей» приводит к тому, что провод, который
ранее был «земляным», тоже начинает излучать (рис. 5.1). КПД
антенны в таком случае должен возрасти примерно вдвое.
Приподняв антенну Бевереджа, мы помещаем проводники на
разной высоте h{ и /г2(см. рис. 5.1), что вызывает рассимметрирование
антенны и искажение ее диаграммы направленности. Очевидный
путь исправления этого положения - параллельное расположение
проводников относительно земли (рис. 5.2).
Чем выше поднята антенна, тем меньше влияет на нее земля и тем
выше ее КПД. Из практики известно, что влияние земли почти
полностью исчезает на Bbicotax около одной длины волны. Однако
установка рассматриваемых антенн на этой высоте в диапазонах KB и СВ
(в отличие от УКВ диапазона) не всегда возможна, поэтому их
стараются поднять как можно выше, чтобы реально обеспечить
удовлетворительную работу.
/////////////у/
Рис. 5. /. Поднятая антенна Бевереджа
НЕОПТИМАЛЬНАЯ РОМБИЧЕСКАЯ АНТЕННА
173
Если сделать антенну точно по рис. 5.2, то в ее полотне образуются
точки перегиба с резко меняющимся волновым сопротивлением, что
способствует повышению уровня боковых лепестков. Увеличения
КПД антенны можно добиться путем некоторого увеличения по
сравнению с обычной антенной Бевереджа расстояния d между
проводами полотна антенны (рис. 5.2).
Эти рассуждения логически приводят к конструкции ромбической
антенны, показанной на рис. 5.3. Антенну устанавливают на
значительной высоте. Она имеет коэффициент усиления и КПД,
существенно превышающие параметры, свойственные антенне Бевереджа.
Исходя из реальных условий, в которых обычно происходит
установка радиолюбительских антенн, рассмотрим два варианта
выполнения ромбических антенн - неоптимальный и оптимальный.
^ У S
S77
7VV
Рис. 5.2. Переход от антенны
Бевереджа к ромбической
Рис. 5.3. Ромбическая антенна
НЕОПТИМАЛЬНАЯ РОМБИЧЕСКАЯ АНТЕННА
Неоптимальная ромбическая антенна - это антенна, сторона ромба
которой меньше половины, а высота подвеса меньше четверти
рабочей длины волны.
Скорее всего, именно такую антенну вы сможете использовать
в диапазонах 80 и 160 м. Ее входное сопротивление остается равным
примерно 600 Ом. Неоптимальность же заключается в том, что
почти 80% мощности передатчика рассеивается в нагрузочном
резисторе. В результате КПД антенны составляет лишь около 10-20%.
Главный максимум ДН в вертикальной плоскости располагается под
углом более 45° к горизонту. В то же время уровень заднего лепестка
174
РОМБИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ
этой антенны ниже уровня главного не менее чем на 10 дБ. Несмотря
на свою неоптимальность такая ромбическая антенна в диапазонах 80
и 160 м работает эффективнее расположенных на той же высоте
диполей и коротких штырей, которые в этих диапазонах имеют КПД на
порядок ниже и нуждаются в дополнительной настройке.
Поэтому, если имеется достаточное количество провода и
подходящие точки опоры, можно смело ставить ромбическую антенну, как
показано, например, на рис. 5.4. Она без настройки работает во рсех
любительских диапазонах. При переходе к более высокочастотным
диапазонам неоптимальная антенна становится оптимальной.
71Р7
□
D
□□□□
DDDD
/////
□□□□
□□□□
□□□□
■////
Г7У
Рис. 5.4. Вариант установки ромбической антенны
ОПТИМАЛЬНАЯ РОМБИЧЕСКАЯ АНТЕННА
В такой антенне, согласно данным, приведенным в [1], сторона
ромба L составляет четыре длины волны, на которой работает
радиостанция, угол Р между сторонами равен 120°, а высота подвеса равна
одной длине волны (рис. 5.3). При этом подавление заднего лепестка
оказывается не менее 20 децибел, а угол наклона главного лепестка
к горизонту в вертикальной плоскости составляет не более 15°.
Рекомендуемое сопротивление нагрузки - около 400 Ом. КПД такой
кпд, мощность
175
антенны может достигать 90%. При переходе к меньшим длинам
волн ее характеристики почти не меняются.
Понятно, что антенна со стороной 40 м и высотой подвеса 20 м (на
уровне крыши пятиэтажного дома) является оптимальной в
десятиметровом диапазоне и неоптимальной на 80 и 160 м.
КПД, МОЩНОСТЬ
График зависимости КПД ромбической антенны от относительной
длины ее стороны (см. рис. 5.3), полученный расчетным путем,
показан на рис. 5.5.
Поскольку ромбическая антенна обычно работает при
оптимальном согласовании с кабелем и в ней постоянно оддерживается
режим бегущей волны, это позволяет подводить к ней значительную
мощность. Например, при изготовлении данной антенны из
провода толщиной 4-6 мм, она способна выдерживать 600-800 кВт.
Необходимо при этом лишь выбрать такую конструкцию нагрузки,
которая могла бы рассеивать такую мощность. Б.В. Брауде предложил
ромбическую антенну с плавной трансформацией сопротивления,
имеющую более высокий КПД. Формула расчета КПД антенны
Бевереджа верна и для ромбической антенны (см. главу 4). Из нее
видно, что еще один путь повышения КПД антенны - уменьшение
сопротивления нагрузки. В то же время, для подавления заднего
лепестка диаграммы направленности необходимо согласование
волнового сопротивления антенны и нагрузки. В антенне Б.В. Брауде
волновое сопротивление плавно трансформируется от высокого
значения (600 Ом) при больших расстояниях между проводами
полотна к низкому (рис. 5.6).
▲ КПД. % ih = L
юо 4 U-^-^"
75 A ^S^
so ■] /
J / h s бысота подбеса ромбической антенны
J / L = длина стороны антенны
К | / X = рабочая болна антенны
10 \1
"—i 1 1 i 1 1 i 1 • 1 »
0.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 *Л
Рис. 5.5. КПД ромбической антенны
176
РОМБИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ
77^
Рис. 5.6. Антенна В. В. Врауде
Благодаря этому волновое сопротивление со стороны нагрузки
оказывается небольшим. Уменьшается и среднее волновое
сопротивление антенны, что позволяет увеличить не только ее собственный
КПД, но также и согласующих устройств. Недостатком такой
антенны является невозможность изменения направления главного
максимума ее ДН.
Рекомендации по выбору и размещению нагрузки содержатся
в главе 4. Но в отличие от антенны Бевереджа, где до нагрузки легко
/Т7 U
К трансиберу
/7
V
Рис. 5.7. Подключение питающего кабеля и нагрузки к ромбической
ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ
177
добраться, здесь нагрузка может быть на достаточно большой
высоте. Чтобы облегчить доступ к ней и трансформатору, их можно
подключать с помощью двухпроводной открытой линии (рис. 5.7).
Такое подключение удобно на тех частотах, на которых
ромбическая антенна является неоптимальной, поскольку облегчается ремонт
и замена в случае повреждения нагрузки или трансформатора
прямом ударом молнии или из-за чрезмерно высокой мощности,
поданной в антенну.
ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ
Упрощенный график зависимости угла наклона максимума
диаграммы направленности ромбической антенны (см. рис. 5.3) в
вертикальной плоскости от длины ее стороны показан на рис. 5.8.
Подробные графики ДН для различных типов ромбических антенн
приведены в [1].
В диаграмме антенны, длина стороны которой L составляет
более четырех длин волн, имеются боковые лепестки, близкие по
уровню к главному максимуму (рис. 5.9). Если радиолюбители
могут с ними примириться, то для профессиональной связи они
недопустимы. Примерный вид ДН ромбических антенн различной длины
в вертикальной (а) и горизонтальной (б) плоскостях представлен на
рис. 5.9.
и +1
зо н
-л—г-
0.5 1
а - угол излучения ромбической
L - длина стороны антенны
h - Ьысота подбеса антенны
4Л = 1
1/Х
Рис. 5.8. Зависимость угла наклона максимума ДН
ромбической антенны в вертикальной плоскости от ее длины
178
РОМБИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ
о}
б)
Рис. 5.9. Вид диаграмм направленности ромбической антенны
0.25L 6 горизонтальной
плоскости
Рис 5.10. Двойная ромбическая антенна
СУРРОГА ТНЫЕ РОМБИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ
179
Для уменьшения боковых лепестков применяют двойную
ромбическую антенну, предложенную Г.З. Айзенбергом. Она состоит из
двух ромбических антенн, смещенных в горизонтальной плоскости
примерно на 0,25L вдоль малой оси ромба и на 0,1L в вертикальной
плоскости (рис. 5.10). '
При таком выполнении нуль множителя формирования
(диаграммы) попадает на первый боковой лепесток каждой из антенн, б итоге
уровень этого лепестка становится существенно меньшим. Кроме
того несколько сужается главный максимум диаграммы в
горизонтальной плоскости. В результате КНД двойной антенны получается
несколько большим, чем у одиночной. В любительской практике
двойная ромбическая антенна из-за сложности конструкции
распространения не получила.
Для переключения ДН «вперед-назад» могут подойти способы,
описанные в главе 4.
СУРРОГАТНЫЕ РОМБИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ
Если не удается построить ромб, вершины которого подняты на
одинаковую высоту, можно применить и суррогатную ромбическую
антенну. Необходимо лишь, чтобы были выполнены следующие условия:
• высота подвеса полотна должна быть не менее одного метра;
• на участках подсоединения питающего фидера и нагрузки
провода полотна антенны должны сходиться друг с другом, а в
середине полотна - расходиться;
• тупой угол (3 не должен превышать 120°.
Диаграмма направленности и КПД у подобных антенн хуже, чем
у классической ромбической антенны. Примеры суррогатных антенн,
у которых подняты середина (а) или вершины на участках
подключения питания и нагрузки (б), представлены на рис. 5.11.
Вариант (а) иногда используется и в профессиональной связи.
ГРОЗОЗАЩИТА
В ромбических антеннах из-за их значительных размеров и высоты
подвеса накапливается статическое электричество и существует
опасность поражения молнией. При питании антенны через коаксиальный
кабель накопленный статический заряд в состоянии прожечь обмотки
180
РОМБИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ
К трансиберу
777
о)
777
61
Рис. 5. / /. Суррогатные ромбические антенны
77.
777
51к0м
Рис. 5.12. Защита ромбической антенны от атмосферного электричества
с помощью разрядников
ВЛИЯНИЕ НА РАБОТУ АНТЕННЫ ОКРУЖАЮЩИХ ПРЕДМЕТОВ
181
трансформатора и повредить подсоединенную радиоаппаратуру. Для
снятия этого заряда принимаются обычные меры - заземление
полотна антенны на надежную электротехническую «Землю» с
помощью резистора сопротивлением 10-50 кОм и мощностью рассеяния
свыше 5 Вт. При прямом попадании молнии такой резистор нередко
сгорает. От перенапряжения в антенне его защищают разрядниками
(рис. 5.12).
Простейший самодельный разрядник - защищенный от влаги под-
строечный конденсатор марки КПВ со слегка введенными внутрь
пластинами и зазором между ними около 0,5-1 мм.
ВЛИЯНИЕ НА РАБОТУ АНТЕННЫ
ОКРУЖАЮЩИХ ПРЕДМЕТОВ
На окружающие посторонние предметы, которые находятся на
расстоянии более метра от полотна ромбической антенны, можно не
обращать внимания. Они несколько исказят ДН антенны, но на ее
входное сопротивление, а значит, на согласование с линией питания,
повлияют мало. Проблема в том, что сама ромбическая антенна
излучает интенсивную ЭМВ, имеющую как вертикальную, так и
горизонтальную составляющие.
Между проводами полотна антенны существует сильное
электромагнитное поле. Вследствие этого она наводит значительные токи
в вертикальных и горизонтальных проводах, расположенных в
пространстве между ее собственными проводами и на большом удалении
от нее, что зачастую становится причиной радиопомех, в частности,
при приеме телевизионных программ. Избавиться от них
практически не удается. Любая антенна, размещенная внутри полотна
ромбической, будет работать плохо. Это относится ко всем типам антенн -
и к штыревым, и к дипольным, и к рамочным. Лишь в одном случае
не стоит обращать внимания на внешнюю ромбическую антенну -
если расстояние от ее полотна до внутренней антенны превышает
длину волны, на которой работает внутренняя антенна. Можно
попытаться уменьшить влияние на внутреннюю антенну путем
подключения к фидеру питания ромбической антенны конденсатора,
индуктивности или их комбинации в соответствии с рекомендациями
в главе 3.
Из всего сказанного выше следует, что лучшим местом для
размещения ромбической антенны является свободное от посторонних
182
РОМБИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ
предметов пространство. Желательно также, чтобы в направлении
главного лепестка ее диаграммы направленности не было никаких
посторонних предметов.
ЛИТЕРАТУРА
Айзенберг Г. 3. Коротковолновые антенны. - М.: Радио и связь, 1985.
АНТЕННА DDRR
Класс антенн DDRR
Антенна DDRR -
вертикальный излучатель
Питание антенны
КПД антенны DDRR
Полуволновая антенна DDRR
Спиральная и прямая антенны DDRR
Атмосферные воздействия на антенну
Влияние окружающих предметов
Практическое выполнение
элементов питания
Широкополосные антенны DDRR
Практическое выполнение антенны
Вертикальное расположение
антенны DDRR
Литература
185
185
188
191
192
193
194
195
195
196
197
201
202
184
АНТЕННА DDRR
Антенна DDRR получила известность среди радиолюбителям после
публикации статьи исследователя Дж. М. Боера в январском номере
журнала "Electronics" за 1963 год. Именно он и дал название этой
антенне - ненаправленный круговой излучатель, или - аббревиатура -
DDRR. Но, как будет показано ниже, это наименование не совсем
точное. Первоначально антенна использовалась в профессиональной
морской связи на очень низких частотах, и только начиная
с 70-х годов в зарубежной радиотехнической литературе начали
появляться практические конструкции антенны DDRR для
любительских диапазонов. Тогда эта антенна и начала завоевывать
популярность среди радиолюбителей.
Действительно, антенна DDRR имеет некоторые преимущества
перед другими. Во-первых, малая высота и размеры позволяли
размещать ее на крышах как автомобилей (для связи между
подвижными объектами), так и небольших домов, а также на балконах. В
последнем случае антенна DDRR была практически незаметна с улицы
и ее владельцы были избавлены от проблем с соседями.
Использовали ее и операторы пиратских вещательных станций. Хотя эта
антенна имеет узкую полосу пропускания, ее согласование с передатчиком
можно легко регулировать в широком диапазоне частот. Частотная
избирательность антенны дополнительно улучшает селективные
свойства приемника. Антенна заземлена и поэтому является одной из
самых безопасных при работе в грозу и не подвержена помехам от
разрядов статического электричества. В этом отношении она аналогична
магнитным рамочным антеннам.
Главный ее недостаток - низкий КПД, но здесь будут
рассмотрены пути его повышения.
У нас антенна DDRR распространения не получила, хотя, по
сведениям автора, первая публикация о ней в специальной литературе
появилась в СССР в конце 40-х годов. В нашей стране
использование малозаметных антенн для радиосвязи еще совсем недавно не
поощрялось и общедоступные публикации о них не допускались.
Например, из всех советских изданий известной книги К. Ротхаммеля
«Антенны» был изъят материал, посвященный антеннам DDRR,
и первые открытые сведения о ней появились только в книге 3. Бень-
ковского, изданной.в СССР в 1983 году [1]. Такие антенны иногда
применялись в нашей стране для связи на подвижных объектах.
Сейчас возникли определенные предпосылки пробуждения интереса
к этой антенне у радиолюбителей СНГ. Среди них - широкое
развитие гражданской связи между подвижными объектами на 27 МГц
КЛАСС АНТЕНН DDRR
185
и разрешение использовать при этом любительские диапазоны.
Дефицит места для установки антенн в городе уже приводит многих
к мысли «о чем-то малогабаритном».
Надеемся, что сведения, изложенные ниже, помогут желающим
начать систематические эксперименты с антеннами DDRR.
КЛАСС АНТЕНН DDRR
Как уже отмечалось, название не соответствует физической сути этой
антенны и говорит лишь о ее внешнем виде (рис. 6.1).
Антенна представляет собой провод длиной L (примерно 0,25 от
длины волны), размещенный над экраном на высоте около 0,0IX
и соединенный с трансивером вертикальным отрезком. Каким же
образом работает антенна? Существует несколько теоретических
моделей. Первая модель - открытый четвертьволновый резонатор,
вторая - открытая четвертьволновая резонансная рамка над проводящим
экраном, третья - вертикальная штыревая антенна высотой Не
согласующей горизонтальной частью.
Лучше всего антенна описывается
третьей моделью, хотя некоторые частные
вопросы получают более ясное
истолкование с помощью первых двух. Для
целей радиолюбительской практики
воспользуемся в дальнейшем именно
третьей моделью, так как только она
позволяет четко объяснить
большинство «темных» сторон антенны DDRR. Рис. 6.1. Антенна DDRR
АНТЕННА DDRR - ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ
Итак, как ни странно, антенна DDRR относится к вертикальным
антеннам, которые были рассмотрены ранее. Здесь короткий штырь
высотой Н согласован с кабелем и свободным пространством с
помощью горизонтальной части длиной L (рис. 6.2)
Антенна работает за счет излучения токов, текущих именно в ее
вертикальной части. В горизонтальной части они компенсируются
зеркальными токами, образующимися в земле, так что эта часть
антенны не излучает. С помощью переменного конденсатора антенну
настраивают в резонанс с рабочей частотой. Следует заметить, что ток
в конденсаторе находится в противофазе с током в вертикальной
излучающей части антенны. В результате излучение антенны снижается.
186
АНТЕННА DDRR
L <X/4
7Г
77
Токи рассеяния
у оснобания
антенны DDRR
///■///////У
Обратный ток к генератору
У
Рис. 6.2. Антенна DDRR как вертикальный излучатель
Поэтому желательно, чтобы настроечный конденсатор обладал по
возможности наименьшей емкостью. Тогда компенсация
излучаемого поля будет небольшой. На рис. 6.3 представлено распределение
тока в антенне DDRR при отсутствии (а) и наличии (б) у нее
концевого конденсатора. Практика показывает, что горизонтальная часть
антенны должна быть не короче, чем 0,35 от рабочей длины волны.
В противном случае снижается КПД антенны.
Из теории известно, что короткий вертикальный вибратор
излучает вертикально поляризованную волну главным образом вдоль
горизонта и лищь малую часть мощности под большими углами.
Следовательно, антенна DDRR хорошо подходит для проведения
сеансов ближних связей.
Из популярной радиотехнической литературы [1,2] можно
заключить, что значение активного сопротивления излучения коротких
штырей с высотой от 1 до 10° (около 0,003-0,031) лежит в пределах
0,01-0,1 Ом (высоту очень коротких штырей удобно выражать в
градусах соответствующего длине волны фазового угла, поскольку
запись при этом получается более лаконичной).
Формула для вычислений высоты штыря Н в градусах
соответствующей фазы приведена на рис. 6.4. Здесь же показана зависимость
входного сопротивления коротких штырей и низко висящих диполей
от, соответственно, длины штырей и высоты подвеса диполей.
Сопротивление излучения четвертьволнового горизонтального
вибратора, подвешенного на сверхмалой высоте Н над идеально
проводящей поверхностью, приблизительно совпадает (с точностью
±30%) с сопротивлением излучения короткого штыря, поднятого на
ту же высоту [1]. Следует заметить, что различные методики раочета
или измерения входных сопротивлений излучения для таких
коротких и низко расположенных антенн дают несколько отличающиеся
АНТЕННА DDRR - ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ
187
о)
Часть тока б укорачибаюшеО
емкости, уменьшавшая
реальное излучение
6}
Рис. 6.3. Распределение токо в антенне DDRR
Входное сопротибление короткого
а штыря и низко бисящего диполя
R. Ом
05
0.1 Н
0.01
Х/4
V*
Н
1 j $ Ю Высота штыря или бысота
подбеса диполя
////////////
Рис. 6.4. Входное сопротивление коротких штырей и низко висящих диполей
188
АНТЕННА DDRR
друг от друга результаты. Поэтому в разных источниках можно
встретить разные значения сопротивления,' соответствующие
вертикальной и горизонтальной частям антенны. Тем не менее, они близки
к представленным здесь данным. Реактивная составляющая
входного сопротивления для таких антенн весьма велика. В связи с этим
согласование малых входных сопротивлений вертикальной и
горизонтальной частей штыря, как и компенсация большой реактивности
входного сопротивления, невозможны без настройки антенны в
резонанс с рабочей частотой.
Таблица 6.1
Волновое
сопротивление
двухпроводной линии
ПИТАНИЕ АНТЕННЫ
Правильное питание антенны DDRR остается главной проблемой ее
использования. Для нахождения точек присоединения
коаксиального кабеля будем рассматривать антенну DDRR в виде
четвертьволнового резонатора на основе длинной линии.
Волновое сопротивление этой линии Zw
можно рассчитать по известной из [2] формуле Zw =
=138 Lg (2H/D), где Н - высота подвеса
антенны над землей; D - диаметр полотна.
Расчет по этой формуле дает достаточно
точное для практики значение волнового
сопротивления. В табл. 6.1 указаны значения для
наиболее распространенных вариантов исполнения
антенны DDRR.
Двухпроводная линия, служащая моделью
антенны DDRR, над идеально проводящей
землей (а) и эквивалентная ей симметричная (б)
показаны на рис. 6.5.
Согласно [3], входное сопротивление четвертьволновой
разомкнутой линии определяется из выражения Z0 = Zw2 / Rn, где Z0 - входное
\Н.м
\o.25
0.5
\0.7S
1
1.5
2
0
1см
236
276
300
311
3k0
360
2 см
190
311
260
276
300
317
Зсм
152
190
220
236
260
276
/Г, , \
0
///////////////
~\
2»
О)
61
Рис 6.5. Открытая линия
ПИТАНИЕ АНТЕННЫ
189
сопротивление открытой линии с разомкнутым концом; Zw -
волновое сопротивление линии; Rn - сопротивление потерь.
Входное сопротивление разомкнутой на конце четвертьволновой
линии максимально на ее конце и равно нулю в короткозамкнутом
начале, где подключен генератор (рис. 6.6). На этой длине всегда
можно найти точку, в которой входное сопротивления имеет любое
наперед заданное значение между 0 и Z0.
Из графиков видно, что антенна DDRR является одной из самых
нетребовательных в отношении питания. Для нее подходит любой
стандартный коаксиальный кабель (50 или 75 Ом) или
двухпроводная линия с волновым сопротивлением 300-600 Ом.
Рассмотрим компоненты сопротивления потерь, входящего в
выражение для определения Z0. Это - сопротивления излучения
вертикальной и горизонтальной частей антенны и сумма их активных
сопротивлений токам высокой частоты. Значения сопротивления
полированной трубки длиной 10 м и диаметром 1 См переменному
току с частотой 7 МГц (средняя частота любительских диапазонов)
приведены в табл. 6.2.
Для приближенного расчета входного сопротивления полотна
антенны DDRR в некотором сечении на расстоянии х от его начала
Rw. On 4
Zo.0m
75 0м
Рис. 6.6. Трафик распределения входного сопротивления
вдоль четвертьволновой разомкнутой линии
190
АНТЕННА DDRR
Таблица 6.2. Сопротивление
полированной трубки
из различных металлов
Р=7МГц
R. Ом
Медь
0.25
Алюминии
0.J4
Железо
»0.6
можно воспользоваться табл. 6.2 и рис. 6.3. Найдя сопротивление на
разомкнутом конце открытой линии, можно подсчитать входное
сопротивление в любой точке антенны DDRR по известной формуле из [3]
_Z2wsin2Y
где Rx - входное сопротивление в точке х (рис. 13.1); Zw - волновое
сопротивление линии; у - угол в градусах, значение которого
понятно из рисунка; Rn - суммарное сопротивление омических потерь
и потерь на излучение.
Если рассчитать положение точек питания для конкретной линии
передачи, будь то коаксиальный кабель или двухпроводная линия,
все равно в дальнейшем потребуется их корректировка. Это
связанно с тем, что такой расчет, обычно дающий очень неплохое
приближение к реальности, основывается на данных, которые в
любительских условиях могут быть определены лишь приближенно.
На практике оптимальное положение точек питания находят
следующим образом. Отступив от края перегиба антенны на 1-2 см,
последовательно переходят от точки к точке, надежно присоединяя
питающий кабель хомутом, и измеряют значение КСВ антенны на
средней частоте рабочего диапазона. Конденсатор первоначально
следует установить в среднее положение и настраивать антенну
в каждой точке по минимуму КСВ. Должна получиться кривая,
показанная на рис. 6.7.
В районе минимума необходимо дополнительно уточнить его
положение путем небольшого перемещения хомута и изменения
емкости переменного конденсатора. После этого полезно проверить,
обеспечит ли изменение емкости конденсатора в этой точке работу
антенны в желаемом диапазоне частот. Если окажется, что диапазон
перекрывается с большим запасом, то следует уменьшить емкость
конденсатора и снова подобрать точку питания. Чем меньше емкость,
тем большего значения КПД можно ожидать от антенны. Поэтому
для ее снижения рекомендуется удлинить горизонтальную часть
КПД АНТЕННЫ DDRR
191
/У/////////////
Рис. 6.7. Изменение КСВ при перемещении точек питания вдоль полотна антенны
и повторить настройку с самого начала. Если с помощью
конденсатора не удается добиться резонанса в верхней части диапазона частот
антенны, то приходится ее укорачивать или (если это трудно сделать)
немного перемещать точку подсоединения конденсатора от открытого
конца антенны к месту подключения питания. Тогда участок между
точками заземления и подключения конденсатора будет резонировать,
а оставшаяся часть провода - играть роль распределенной емкости.
КПД АНТЕННЫ DDRR
Коэффициент полезного действия антенны DDRR
можно,определить так: КПД - Ra / (Ra + Rn), где Ra - сопротивление излучения
антенны, равное сумме сопротивлений излучения горизонтальной
и вертикальной частей антенны; Rn - сопротивление омических
потерь во всех частях антенны.
На рис. 6.8 представлен график зависимости КПД антенны,
выполненной из медной трубки диаметром 1 см и длиной в четверть
рабочей волны, от высоты ее подъема над идеально проводящей
поверхностью земли. Из этого графика видно, что антенна не так уж
Х/4
0.01 0.025
//////////
Рис. 6.8. КПД антенны DDRR
192
АНТЕННА DDRR
неэффективна, а оптимальное ее расположение - на расстоянии
0,01-0,IX от земли.
Чтобы увеличить КПД, полотно антенны следует делать из
толстой медной полированной трубки. Алюминиевая - несколько хуже.
Крайне нежелательно применение железных трубок, так как глубина
проникновения ВЧ тока в ферромагнитный материал (из-за его
магнитных свойств) меньше, чем в немагнитный. Поэтому
сопротивление железной и медной трубок ВЧ току часто различается на
порядок (например, 10-50 и 1 Ом, соответственно).
Естественно, что даже теоретически антенна с такими потерями
не сможет работать. Многие неудачи конструкторов антенн DDRR,
кстати, связаны с применением железных трубок. Еще один
источник потерь, который мы пока не обсуждали, - это потери в
основании антенны. Если сопротивление перехода от полотна антенны
к заземлению составляет несколько ом, то оно уже оказывается
сравнимым с сопротивлением излучения антенны, что значительно
уменьшает ее КПД.
Здесь мы не останавливаемся на заземляющей системе, поскольку
о ее значении рассказано в главе 1, а все, что касается «земли»
электрически коротких антенн, верно и для антенн DDRR.
Потери в изоляторах, особенно концевых, также бывают
значительными. Лучший результат дают стеклянные и керамические
изоляторы, но годятся и пластиковые, выполненные, например, из
пластмассовых водопроводных труб или лыжных палок. Конденсатор
в антенне должен быть обязательно высококачественным, так как
напряжение на нем при мощности передатчика 100 Вт достигает
нескольких киловольт. Низкокачественный КПЕ способен серьезно
понизить КПД антенны DDRR и даже полностью вывести ее из строя,
если будет пробит.
ПОЛУВОЛНОВАЯ АНТЕННА DDRR
Для тех случаев, когда размеры антенны не играют особой роли (на
УКВ и на верхних KB диапазонах), может найти применение
полуволновая антенна DDRR. Принцип ее работы поясняется с помощью
полуволновой короткозамкнутой линии, показанной на рис. 6.9.
Распределение токов в ней таково, что на участках 1-2 и 3-4 они
находятся в фазе, в результате чего диаграммы направленности этих
штырей складываются. Вследствие добавления сопротивления
излучения на участке 3-4 увеличивается КПД антенны. Участки 1-2
и 3-4 можно объединить, поскольку токи в них находятся, как было
отмечено, в фазе. Вид такой антенны изображен на рис. 6.10.
СПИРАЛЬНАЯ И ПРЯМАЯ АНТЕННЫ DDRR
193
/У///////////////7У
Рис. 6.9. Распределение тока и напряжения в полуволновой короткозамкнутой линии
/У//7////////У/
Рис. 6.10. Полуволновая антенна DDRR
Благодаря цельнометаллическому обручу, включенному в
конструкцию, значительно повышается механическая прочность антенны.
Подстроечный конденсатор здесь расположен вдали от основного
излучающего элемента, что уменьшает компенсирующее влияние его
емкостных токов и тем самым повышает коэффициент усиления
антенны.
В отношении согласования полуволновая антенна DDRR
аналогична четвертьволновой. Реально в ней можно получить увеличение
КПД не менее чем на 60% по сравнению с последней.
СПИРАЛЬНАЯ И ПРЯМАЯ АНТЕННЫ DDRR
С целью дальнейшего уменьшения размеров антенны ее
горизонтальную часть можно свить в спираль (рис. 6.11).
При этом ее эффективность уменьшается незначительно.
Обратите внимание на то, что длина спиральной антенны DDRR должна быть
примерно на 10% меньше, чем круглой. Это объясняется некоторым
увеличением индуктивности полотна. КПД у спиральной антенны
DDRR примерно такой же, как у круглой.
Иногда удобно применять не круглую, а прямолинейную антенну
DDRR. В этом случае ее внешний вид не соответствует названию.
194
АНТЕННА DDRR
Прямая и круговая антенны DDRR в
принципе работают одинаково, но КПД у
прямой антенны несколько выше, благодаря
уменьшению влияния горизонтального
участка антенны на вертикальный и
увеличению расстояния между ними.
Дополнительно ее КПД несколько повышается
за счет того, что провод, свернутый в
спираль, меньше излучает из-за
взаимодействия сторон витков спирали. В
результате, КПД прямой антенны DDRR по сравнению с традиционной,
круговой, примерно на 10-20% выше.
/////////
Рис. 6.11. Спиральная
антенна DDRR
АТМОСФЕРНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АНТЕННУ
Антенна DDRR чувствительна к воздействию атмосферных
осадков - дождя, тумана и снега. Так, если антенна покрыта снегом, то это
снижает ее добротность и нарушает настройку: резонансная частота
антенны может выйти за пределы регулировки ее конденсатором.
Полотно и заземление антенны должны быть тщательно
защищены от коррозии. Следует помнить, что при окислении даже
небольшой части полотна существенно ухудшится работа антенны в
режиме передачи, хотя в качестве приемной она еще будет работать. Стоит
обратить особое внимание на конденсатор. Поскольку он находится
под высоким напряжением (порядка нескольких киловольт),
желательно использовать только вакуумные бесконтактные
конденсаторы. Конденсаторы других типов нуждаются в тщательной защите от
влаги.
Целесообразно применять именно переменные конденсаторы, так
как, во-первых, резонансная частота антенны, как указывалось выше,
имеет тенденцию изменяться под влиянием атмосферных осадков,
а во-вторых, полоса пропускания антенны DDRR нередко
оказывается значительно уже любительского диапазона, в котором она
применяется.
Что касается атмосферных разрядов, то антенна DDRR относится
к мало шумящим. Она заземлена, а значит, безопасна во время
работы в предгрозовой период и в состоянии обеспечить выделение
сигнала на фоне помех от статического электричества. Малая высота
установки антенн значительно снижает вероятность попадания в них
молнии.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ВЫПОЛНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ
195
ВЛИЯНИЕ ОКРУЖАЮЩИХ ПРЕДМЕТОВ
Все, что относится к влиянию близлежащих предметов на
штыревую антенну, верно и для антенны DDRR, но здесь есть и некоторые
тонкости, связанные с наличием у нее горизонтальной части.
Воздействием на горизонтальную часть окружающих объектов,
располагающихся на расстояниях не ближе, чем утроенная высота подъема
полотна антенны над землей, можно пренебречь. Желательно
отсутствие массивных проводников, загораживающих горизонт антенны.
В то же время она может быть размещена как под различными
антеннами (диполями, рамочными и штыревыми), так и рядом с ними. Их
взаимное влияние будет незначительным.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ВЫПОЛНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ
Антенны DDRR по сравнению с другими антеннами имеют свои
особенности в питании. Неопытный радиолюбитель обычно выбирает
один из двух вариантов подключения коаксиального кабеля к
антенне, показанных на рис. 6.12.
Вариант (а) применять не рекомендуется. Дело в том, что
значительная часть поступающей в антенну мощности излучается
приподнятой частью оплетки коаксиального кабеля, что может расстроить
антенну и увеличить КСВ. Распределение токов на оплетке и в
других элементах таково, что в итоге суммарная излучаемая антенной
мощность уменьшится.
Более предпочтительна схема питания, представленная на рис. 6.126,
так как экран кабеля в этом случае находится на одном уровне
с землей и в нем будут наводиться значительно меньшие токи. Как
было показано выше, шунтовое питание в штыревой антенне ослабляет
о)
Рис 6.12. Питание антенны DDRR
196
АНТЕННА DDRR
ее излучение из-за того, что излучение
шунта и основной части штыревой
антенны находятся в противофазе. В
антенне DDRR излучение проводника
АБ также уменьшает суммарное поле,
создаваемое антенной.
Минимизировать это влияние удается при
использовании тонкого (но не тоньше основной
жилы коаксиального кабеля) провода
АБ. Подойдет и кабель со снятой на
длине АБ оплеткой (рис. 6.13).
Индуктивность участка АБ обычно мала,
поэтому не требует компенсации при
настройке антенны.
Самый же лучший вариант - это проложить кабель внутри
вертикальной части антенны и вывести его наружу в горизонтальной. При
этом на участке кабеля внутри антенны оплетка снимается. Экран
кабеля заземляется в основании вертикальной части антенны (рис. 6,14).
Следует заметить, что для присоединения жилы кабеля к антенне
вовсе не обязательно применять широкие хомуты. Поскольку ток,
протекающий в месте сочленения коаксиального кабеля с антенной,
относительно невелик, вполне хватает винтового соединения. Однако
хомуты удобнее при поиске точки наилучшего согласования с антенной.
Рис. 6.13. Использование
коаксиального кабеля
для шунтового питания
антенны DDRR
Выход жилы из
полотна антенны
Подключение
кабеля хомутом
Z7
Подключение кабеля
с помощью клеммы и бинта
////////////
Рис. 6.14. Размещение питающего кабеля внутри антенны DDRR
ШИРОКОПОЛОСНЫЕ АНТЕННЫ DDRR
Как было показано выше, ток, текущий через конденсатор, ослабляет
излучение антенны DDRR, поэтому желательно иметь конденсатор
ПРАКТИЧЕСКОЕ ВЫПОЛНЕНИЕ АНТЕННЫ
197
с возможно меньшим нижним пределом регулирования емкости.
Обычно этого достаточно для перестройки в одном
радиолюбительском диапазоне. С другой стороны, в некоторых случаях требуется
работать также и в соседних диапазонах. Теоретически с помощью
этой антенны можно перекрыть диапазон с частотой вдвое более
низкой, чем основная, то есть антенна DDRR, рассчитанная на работу
Э диапазоне 10 м, перекроет 12, 16, 20 м, а предназначенная для
диапазона 20 м - 30 и 40 м и т.д. Но при этом следует учитывать, что
добиться достаточно качественного И устойчивого согласования
антенны с кабелем питания возможно только в одном любительском
диапазоне. Это объясняется тем, что с увеличением концевой
емкости уменьшается как эквивалентное сопротивление резонатора, так
и сопротивление излучения вертикальной части антенны. Таким
образом, антенна, согласованная в одном диапазоне, когда кабель
подключен на расстоянии L от вертикальной части (рис. 6.7), может
оказаться рассогласованной в другом. Если к хомуту питания имеется
доступ, то при переходе от верхнего диапазона к нижнему его можно
перемещать по антенне в сторону конденсатора. На практике этого
обычно не делают и мирятся с возникающим рассогласованием. Так,
когда на верхнем диапазоне КСВ равно 1, при переходе на нижний
диапазон его значение нередко оказывается равным 2-3 и наоборот.
Следует помнить о необходимости тщательной подстройки
конденсатора/который должен иметь для этого верньер. Полуволновая и
прямая антенны DDRR работают более эффективно в более широком
диапазоне частот, чем четвертьволновая или круговая, в частности
из-за уменьшения компенсирующего излучения емкостного тока.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ВЫПОЛНЕНИЕ АНТЕННЫ
На рис. 6.15 показано, к каким размерам следует, как уже отмечалось,
стремиться при изготовлении антенны. Зависимость
нормированного значения ее КПД от высоты, на лг ^
которой располагается горизонталь- а
ная часть, выраженной в градусах ю-\
фазы, представлена на рис. 6.16. ^К
Нормировка сделана относительно
значения КПД антенны, расположен- 9 L x J *360
НОЙ На ВЫСОТе 10°. Из ЭТИХ ДаННЫХ где1 - длина прободника
X - рабочая болна антенны
видно, что при высоте
горизонтальной части антенны менее 3° ее КПД рИС 6.15. Размеры
составляет уже менее 5% от КПД идеальной антенны DDRR
198
АНТЕННА DDRR
*кпд„
КПДи ~ нормиробанное значение КПД
КПД(р - КПД антенны с Н = <р
КПД w- КПД антенны с Н -10'
ШИ:
Рис. 6.16. График зависимости нормированных значений КПД
антенны DDRR от ее высоты
антенны с высотой 10°. При сравнении же с КПД диполя это
отношение еще меньше -доли процента. Естественно, что на такой высоте
использовать антенну в режиме передачи нецелесообразно.
В качестве материала для антенны желательно применять
полированную медную или алюминиевую трубу, либо толстый
коаксиальный кабель (его оплетку). В последнем случае проблема с питанием
решается достаточно просто - на расстоянии 2-3° от точки перегиба
полотна поднимают экран, разрезают его, достают внутреннюю жилу
и согласовывают кабель с антенной, подсоединяя его жилу к оплетке
горизонтальной части так, как это показано на рис. 6.17.
Преимущество такой антенны состоит в том, что, во-первых, ее
рабочая поверхность защищена пластиковой оболочкой кабеля, а во-
вторых, эту антенну легко изготовить и с ней удобно
экспериментировать. Для нее подходит коаксиальный кабель с любым волновым
сопротивлением в пределах 50-100 Ом. Антенны на промежуточные
УКВ диапазоны в пределах длин волн 6-10 м удобно делать из
алюминиевых обручей, которые продаются в магазинах спорттоваров.
Особое внимание при постройке полуволновых антенн DDRR
надо обратить на симметричность конструкции, которая должна быть
не хуже нескольких фазовых градусов. Поэтому асимметричность
антенны для KB и УКВ не может превышать нескольких сантиметров
или миллиметров соответственно. В противном случае резонансная
частота у двух половин антенны будет разной, что приведет, с одной
стороны, к расширению ее полосы пропускания, а с другой - к
сложностям с согласованием. Следует внимательно отнестись и к выбору
ПРАКТИЧЕСКОЕ ВЫПОЛНЕНИЕ АНТЕННЫ
199
7Т7[
Шг?
Экран заземлен
ъ
///////////////
Ь}
\^ ^ К трансиберу
Рис. 6. /7. Антенна DDRR, изготовленная из коаксиального кабеля
толщины полотна. Чем оно тоньше, тем ниже сопротивление
излучения провода и тем выше сопротивление активных потерь. В
результате эффективность антенны падает. Кроме того, чем выше активное
сопротивление антенны DDRR, тем труднее она для согласования.
С увеличением толщины антенны растет ее сопротивление излучения
и уменьшается сопротивление потерь. Антенну, изготовленную из
линии с низким волновым сопротивлением, удается согласовать
более тщательно, чем в случае линии с большим сопротивлением.
График, показывающий зависимость КПД антенны от диаметра
полотна, представлен на рис. 6.18.
А КПйн
Щи
КПДго-
КПйн ' нормиробанное значение КПй
КПйн- КПй антенны с диаметром
полотна, рабным d
КПйю-- КПй антенны с диаметром
полотна, рабным 10 мм
диаметр
полотна.о"
1 4 10 50
Рис. 6.18. Нормированное значение КПД антенны DDRR
в зависимости от толщины ее полотна
200
АНТЕННА DDRR
Использовать полотно диаметром более 50 мм нецелесообразно из-
за сложностей, возникающих с егр установкой. Желательно, чтобы
высота подвеса горизонтальной части антенны не превосходила 1 м.
Помните, что антенна DDRR является комбинацией короткой
вертикальной антенны и открытого резонатора. Это значит, что для
эффективной работы штыря надо иметь как можно больше
противовесов длиной в четверть рабочей волны.
Если антенна работает в нескольких диапазонах, то в каждом из
них подключаются соответствующие четвертьволновые
противовесы. Под горизонтальной частью со стороны конденсатора следует
проложить медную или алюминиевую ленту (первая применяется
в электроцехах предприятий, а вторая - на молокозаводах), приняв
меры по их защите от атмосферных воздействий. Можно обойтись
4-10 медными проводами меньшей (1-4 мм) толщины, чем полотно
антенны, или, что еще лучше, использовать такую же трубу, как и в
самой антенне DDRR (рис. 6.19).
Протибобесы Х/4
Труба полотно антенны
Медная полоса
» Труба, как и на
полотне антенны
Медные пробода
п . . . /А произвольного
Протибобесы Л/4 диаметра
Рис 6.19. Выполнение «земли» антенны DDRR
ВЕРТИКАЛЬНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ АНТЕННЫ DDRR
201
В результате эффективность антенны возрастет. Лучший
вариант - разместить ее над какой-либо проводящей поверхностью
(металлической крышей, например), хотя такое не всегда возможно.
Очень хорошо должна работать антенна DDRR на морских
подвижных объектах, которые как раз удовлетворяют всем этим условиям.
ВЕРТИКАЛЬНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ АНТЕННЫ DDRR
В некоторых публикациях встречаются сообщения о вертикальных
антеннах DDRR (рис. 6.20), но следует отметить, что такие антенны
малоэффективны.
Это связано с тем, что в них происходит взаимная компенсация
и ослабление излучения противоположных сторон антенны.
Теоретический анализ работы такой антенны достаточно сложен. Но если
радиолюбитель имеет уже установленную конструкцию - круг,
треугольник или квадрат, то несмотря на некоторые трудности, он может
воспользоваться ею для постройки широкополосного вибратора. При
этом удобно применить схему согласования, показанную на рис. 6.21.
Такой вибратор произвольных размеров удается согласовать
в любом любительском KB диапазоне. Для большей широкополосно-
сти рекомендуется соединить противоположные точки конструкции
4-10 проводами диаметром 1-2 мм. Если же один из концов петли
заземлен, то можно воспользоваться схемой согласования,
изображенной на рис. 6.22.
При этом допускается применение рамок с произвольным
периметром. Согласование здесь выполняется так же, как и в любом
//////////////у
Рис. 6.20. Вертикальная антенна DDRR
202
АНТЕННА DDRR
;=*^
Рис 6.21. Схема согласования вибратора
в виде круговой металлической конструкции
//////77
/7
Рис. 6.22. Согласование металлической'петли
любительском диапазоне. Для работы с высоким КПД в диапазоне
160 м желательно иметь настроечную емкость не более 400 пФ.
В заключение отметим, что такой тип вертикальных антенн уже не
подходит под классификацию антенн DDRR.
ЛИТЕРАТУРА
1. Беньковский 3., Липинский Э. Любительские антенны
коротких и ультракоротких волн. - М.: РиС, 1983.
2. Айзенберг Г. 3. и др. Коротковолновые антенны. - М.: РиС,
1983.
3. Атабеков Г. И. Теоретические основы электротехники. - М.:
Энергия, 1978.
ЧАСТЬ
СТРАНИЦА
Часть 1.
1
2
3
4
5
6
Теория и практика построения
любительских антенн
Штыревые антенны
Петлевые рамочные антенны
Магнитные рамочные антенны
Антенна Бевереджа
Ромбические антенны
Антенна DDRR
13
15
65
123
149
171
183
ПРАКТИЧЕСКИЕ
КОНСТРУКЦИИ
ЛЮБИТЕЛЬСКИХ
АНТЕНН
Простые Си-Би антенны 205
Малогабаритные антенны
переносных станций Си-Би связи 219
Антенны 6-метрового диапазона 247
Глава 10. Типы суррогатных антенн 251
Глава 11. Использование ТВ антенн
в диапазоне KB 265
Глава 12. Антенны
для экспедиционной работы 273
Глава 13. Линии передачи 285
Глава 14. Фильтры
в радиолюбительской практике 301
Глава 15. Источники возникновения
и пути проникновения помех 313
Часть II
Глава 7.
Глава 8.
Глава 9.
204
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ ЛЮБИТЕЛЬСКИХ АНТЕНН
В популярной радиотехнической литературе встречается
множество сведений о радиолюбительских антеннах, но на практике при
попытках использования этой информации часто возникает много
«мелочей», затрудняющих изготовление подобных антенн и их
эксплуатацию. Случается, что досадные опечатки, которые иногда
случаются в описании конструкций антенн, делают просто невозможным
ее реализацию. В этой части книЫ вы найдете различные
проверенные в действии конструкции, знакомство с которыми поможет вам
выбрать наиболее подходящий для конкретных условий вариант.
В частности, здесь представлены реальные укороченные штыревые
антенны Си-Би диапазона и их характеристики. Описаны также
простые Си-Би антенны, способные обеспечить значительную дальность
связи. Дан обзор антенн для диапазона 6 м, разрешения работать на
котором с нетерпением ожидают радиолюбители России.
Большое место отведено «шпионским» (невидимым) и
суррогатным антеннам. Сведения о конструкциях суррогатных и невидимых
антенн (ранее считавшихся «специальными») вообще не
публиковались в радиолюбительской литературе, издававшейся в бывшем
СССР. С помощью этих антенн удается работать в невозможных,
казалось бы, условиях. Представлены данные об использовании
телевизионных антенн в качестве передающих в KB диапазонах.
Новый диапазон гражданской связи 27 МГц дал возможность
выйти в эфир многим и многим тысячам радиолюбителей. Но рано или
поздно перед владельцем радиостанции, работающем в этом
диапазоне, встает вопрос об увеличении дальности связи. Это может
потребоваться для связи с удаленным объектом, таким например, как дача,
место отдыха - охоты или рыбалки, или необходимость общения
с далеко живущим знакомым владельцем радиостанции на 27 МГц.
Не исключено, что вы тоже увлечетесь дальней связью на 27 МГц
и коллекционированием карточек QSL. В мире сотни тысяч людей
занимаются этим делом, a QSL карточки Си-Би станций, на взгляд
автора, гораздо красивее обычных карточек коротковолновиков.
Очень скоро вы обнаружите, что осуществление дальней связи со
штыревой антенной, которая иногда прилагается к радиостанции,
невозможно и что необходимо иметь эффективную наружную антенну,
которую при этом нужно еще соответствующим образом присоединить
к передатчику. Это не так просто, как кажется. Надо провести
согласование антенн с коаксиальным кабелем и кабеля с выходом передатчика.
В этой части рассмотрены конструкции простых наружных антенн
и вопросы их согласования с радиостанцией, а также укороченные
спиральные антенны, применение которых вызывает еще много
споров среди любителей Си-Би связи.
I
ГЛАВА СТРАНИЦА
ПРОСТЫЕ
СИ-БИ АНТЕННЫ
Согласующие устройства в Си-Би связи 206
Простые «дачные» Си-Би антенны 208
Антенна Бевереджа
для Си-Би диапазона 210
Городские Си-Би антенны 210
Рамочная оконная антенна 213
Заключение 217
7
206
ПРОСТЫЕ СИ-БИ АНТЕННЫ
Часто радиолюбитель не имеет под рукой материалов, необходимых
для изготовления «серьезной» наружной Си-Би антенны. Но даже из
подручного «сырья» можно построить антенну, по эффективности
мало уступающую промышленной наружной или сделанной из
дефицитных материалов.
В этой главе описаны простые практические конструкции антенн,
собрать и настроить которые под силу даже радиолюбителю, не
имеющему опыта в их наладке.
Все конструкции неоднократно проверялись в работе и доказали
свою эффективность.
СОГЛАСУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА В СИ-БИ СВЯЗИ
Большинство импортных передатчиков Си-Би связи имеет байонет-
ный антенный разъем, что позволяет отсоединить штыревую
антенну и подключить наружную (рис. 7.1).
Выходной каскад Си-Би радиостанции
промышленного изготовления обеспечивает
работу на 50-омный коаксиальный кабель,
подключенный к антенне с входным сопротивлением
36-100 Ом.
Антенны, рассматриваемые в данной главе,
соответствуют именно этим параметрам. Если
входное сопротивление антенны выходит за
пределы 36-100 Ом, то для обеспечения
эффективной работы выходного каскада радиостанции
и устранения помех приему телевидения
желательно использовать простое согласующее
устройство, схема которого изображена на рис. 7.2.
В согласующем устройстве имеется
бескаркасная катушка индуктивности, намотанная медным
проводом толщиной 1-2 мм на оправке
диаметром 2,2 см и растянута на длину 4 см. Количество
витков - 10. Кабель первоначально
подключается ко второму витку катушки, а антенна транси-
вера - к четвертому. Конденсатор переменной
емкости должен быть с воздушным диэлектриком.
При керамическом подстроечном конденсаторе
КПД устройства снижается. Конструктивно согласующее устройство
можно оформить в виде, изображенном на рис. 7.3.
Коробка изготавливается из меди или фольгированного
стеклотекстолита. Стыки тщательно пропаиваются. После настройки коробку
Антенна
Антенный разьем
Си-Би
радиостанция
Рис. 7. /. Внешний вид
переносной Си-Би
радиостанции
СОГЛАСУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА В СИ-БИ СВЯЗИ
207
К антенному
гнезду
Си-Би станции
7Г
К коаксиалу
50-75 Ом
►
Рис. 7.2. Схема согласующего устройства
Вилка для подключения
к трансиберу
Глубина
60
Розетка для подключения коаксиального кабеля
Рис.. 7.3. Конструкция согласующего устройства
лучше закрыть крышкой, а конденсатор подстроить еще раз.
Настраивать согласующее устройство удобно по сигналам Си-Би стакций
или с помощью простейщего ВЧ вольтметра. Это может быть тестер,
установленный в режим измерения напряжения, к гнездам которого
подключен диод, а щупы «разбросаны», как показано на рис. 7.4.
Режим малых
напряжений или токоб
Рис. 7.4. Измеритель напряженности поля на базе тестера
208
ПРОСТЫЕ СИ-БИ АНТЕННЫ
Присоединяя антенну и выход трансивера к разным виткам
катушки, добиваются максимума отклонения стрелки тестера или
максимума приема сигнала. Любителям дальней Си-Би связи
необходимо помнить: для DX связи нужна достаточно длинная антенна,
способная обеспечить излучение под малыми углами к горизонту.
ПРОСТЫЕ «ДАЧНЫЕ» СИ-БИ АНТЕННЫ
Обычно на дачах и в частных домах нет проблем с установкой
антенны. Это может быть простой диполь (рис. 7.5) или штырь (рис. 7.6).
Диполь работает эффективно на высоте не менее 2,5 м над землей.
Сечение его диаграммы направленности, как известно, имеет форму
восьмерки. Он изготавливается из медного, алюминиевого или
железного провода диаметром 1-4 мм. Более толстый провод использовать
нет смысла - он слишком тяжел и его трудно паять. Центральный
изолятор удобно сделать из фольгированцого стеклотекстолита, разрезав
фольгу посередине. Кабель или непосредственно припаивают к
фольге, или изгибают, как показано на рис. 7.7. В последнем случае он
оказывается лучше защищенным от проникновения в него влаги.
При всех условиях раскрытый кабель следует защищать от влаги
с помощью парафина или эпоксидной смолы.
Концевые изоляторы обычно делают из толстого
стеклотекстолита, обычного или фольгированного. Достаточно также просто
привязать оттягивающий капроновый шнур или леску к полотну антенны
(рис. 7.7).
Желательно, чтобы кабель, отходящий от диполя, был в месте
присоединения перпендикулярен диполю хотя бы на длине 2,5 м.
Относительно поверхности земли антенну можно располагать под любым
углом.
I 2.7 м | 2.7 м | Капронобая^ оттяжка
От
н
□
D
Кабель перпедникулярен
антенне на длине не менее 2.5 м
J
777
Рис. 7.5. Практическая конструкция диполя для Си-Би связи
ПРОСТЫЕ «ДАЧНЫЕ» СИ-БИ АНТЕННЫ
209
Ф 10 - 40 мм
о)
4 протибобвса длиной
2.7 м и диаметром 1 - 2 л
75-50 Ом
Деребянная или
пластикобая мачта
Штырь
61
Рис. 7.6. Штыревая антенна Си-Би диапазона
Для штыревой антенны (рис. 7.6 а и б) в качестве изолятора
годятся пластмасса, проваренное в парафине дерево или (что лучше)
специальный опорный изоЛятор. Полезно на верхнем конце антенны
закрепить оттяжки из капронового шнура, чтобы повысить ее
устойчивость к ветру. Сам штырь нетрудно сделать из трубки диаметром
210
ПРОСТЫЕ СИ-БИ АНТЕННЫ
Рис. 7.7. Практическая конструкция диполя для Си-Би диапазона
10-40 мм, а противовесы - из провода диаметром 1-2 мм. Диаграмма
направленности штыревой антенны круговая, что в некоторых
случаях очень удобно. Описанные здесь дипольные и штыревые антенны
можно устанавливать на крышах городских многоэтажных домов.
АНТЕННА БЕВЕРЕДЖА ДЛЯ СИ-БИ ДИАПАЗОНА
Если с места рыбалки или охоты вы хотите связаться с домом, то
удобно воспользоваться антенной Бевереджа (рис. 7.8).
Саму антенну - длиной не менее 40 м (см. схему на рис. 7.8а) -
сделайте, к примеру, из провода толщиной 0,5-1 мм. Провод
подвесьте на небольшой высоте над землей (1-2 м). На обоих концах
антенны желательно установить по 3-4 противовеса длиной 2,7 м каждый.
На рис. 7.86 показан рекомендуемый вариант выполнения нагрузки,
а на рис. 7.8в и 7.8г изображены походная и стационарная
конструкции антенны Бевереджа для диапазона Си-Би.
Антенна может быть также смонтирована и на крыше
многоэтажного дома. В таком случае надо предусмотреть согласующее
устройство со стороны нагрузки (желательно также иметь подобное
согласующее устройство и со стороны трансивера). Это устройство
аналогично представленному на рис. 7.3. Антенна присоединяется
примерно к шестому-восьмому виткам катушки, а кабель - ко
второму-третьему (считая от левого края на схеме).
ГОРОДСКИЕ СИ-БИ АНТЕННЫ
Владельцам Си-Би станций, живущим в многоэтажных домах и
имеющим ограниченные возможности для установки антенн, можно
ГОРОДСКИЕ СИ-БИ АНТЕННЫ
211
Напрабление излучения
360-620 Ом
к Си-Би
трансиберу
о)
б)
ууууууууууууууу
I* протибобеса
длиной 2.7 м
Фольгиробанный стеклотекстолит
- Леска
I* протибобеса
длиной 2.7 м
Пайка
Протибобесы
Леска
в)
Си-Би станция
Нагрузка
к«*™/ /У ////// /У /////// /
Рис 7.8. Практическая конструкция антенны Бевереджа в Си-Би диапазоне
212
ПРОСТЫЕ СИ-БИ АНТЕННЫ
рекомендовать настенную штыревую антенну или простую однопро-
водную антенну.
Штыревую настенную антенну (рис. 7.9) несложно укрепить на
стене или на балконе под углом 45° к стене дома. Необходимы также
два противовеса. Питается антенна через кабель с волновым
сопротивлением 50-75 Ом. Для опорного изолятора штыря удобно
использовать толстый гетинакс или стеклотекстолит.
Более проста в изготовлении антенна, схема которой изображена
на рис. 7.10а. Здесь показаны также однооконный (б) и двухоконный
(в) варианты ее установки. Антенна длиной 2,7м подключается ко
второму или третьему виткам катушки согласующего устройства,
а при длине 5, 4 или 11 м - к восьмому-десятому витку. Возможно,
в процессе настройки ее длину придется уточнить. В случае мини-
мачт подходят даже деревянные палки, но на их концах нужно
устанавливать керамические изоляторы для крепления антенны и стек-
лотекстолитовые или керамические - для ее оттяжек.
Недостаток такой антенны - непосредственное питание, вследствие
чего трансивер должен находиться около нее. При питании этих
антенн через коаксиальный кабель со стороны нагрузки достаточно
применить простое согласующее устройство, изображенное на рис. 7.3.
Рис. 7.9. Настенная штыревая антенна
РАМОЧНАЯ ОКОННАЯ АНТЕННА
213
Рис 7.10. Практические конструкции суррогатной городской антенны
В режиме передачи ощущаются потери из-за расположенных
рядом труб отопления, металлических подоконников и арматуры
бетонных зданий.
РАМОЧНАЯ ОКОННАЯ АНТЕННА
В условиях мегаполисов в Си-Би диапазоне более эффективно
должна работать рамочная антенна. Расположить ее удобно по
периметру окна (рис. 7.11).
Конденсатор, с помощью которого антенна настраивается в
резонанс, размещается на перекладине, разделяющей окно на две части.
Автором были испытаны два варианта антенны. В первом случае
основные размеры были: А в 140 см, Б - 140 см, В в 40 см и Г - 70 см
(см. рис. 7.11). Конденсатор был помещен в коробку из фольгирован-
ного стеклотекстолита. Окончательное значение его емкости
составило 3,5 пФ. Естественно, что при меньших размерах периметра окна
емкость конденсатора должна быть больше. То, что он находится
несколько в стороне от геометрического центра антенны, не мешает ее
нормальной работе.
214
ПРОСТЫЕ СИ-БИ АНТЕННЫ
7Г 2 * з°
Рис. 7.11. Оконная рамочная антенна
Во втором случае были выбраны следующие размеры: А = 140 см,
Б - 210 см и В - 40 см. Конденсатор здесь не понадобился, и настройка
антенны в резонанс осуществлялась проводниками Г, длиной по 60 см,
расположенными с внутренней стороны окна. Для работы антенны
неважно, с какой стороны окна (с внутренней или наружной) она
находится - все определяется лишь удобством ее установки.
Расстояние В в антенне определяется лишь имеющейся конструкцией окна.
Если антенна размещена на нижних этажах здания, а значит
возникает необходимость «вылезти за экран», образованный стенами
многоэтажного дома, то теоретически наибольший эффект должна
дать запитка в одном из ее нижних углов или в центре нижней
стороны. На практике же оказалось, что эффективность антенны выше при
питании ее в центре вертикальной стороны. Это связано, очевидно,
с тем, что под окном обычно находятся металлический подоконник
и батарея отопления, которые интенсивно рассеивают и поглощают
ВЧ энергию.
Если комнаты выходят на две различные стороны дома, то есть
смысл установить две антенны, что позволит уверенно работать
в двух противоположных направлениях. Настройка антенны не
составляет трудна и может быть выполнена несколькими способами.
Наиболее простой из них - в режиме передачи с использованием
индикатора напряженности поля. Изменяя емкость конденсатора или
РАМОЧНАЯ ОКОННАЯ АНТЕННА
215
длину «усов» Г, нужно добиться максимальной напряженности
создаваемого антенной поля.
Следует заметить, что таким способом трудно осуществить
корректную настройку антенны, поскольку в большинстве промышленных
Си-Би радиостанциях применяется система автоматической
регулировки мощности. Более тщательная настройка выполняется с
помощью КСВ-метра или ВЧ моста. В последнем случае, когда вход моста
согласован с выходом передатчика, удается провести очень точную
настройку антенны в резонанс и определить при этом ее реальное
входное сопротивление. Как выяснилось, входное сопротивление в первом
варианте антенны составляло около 35 Ом, а во втором - примерно
55 Ом, в обоих случаях с небольшой реактивностью. Поэтому
целесообразнее всего для питания обоих вариантов антенны использовать
коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, что очень
удобно при работе с импортными радиостанциями, имеющими
именно такой выход.
Но самый большой эффект от применения данной антенны
достигается, когда имеется соответствующее согласующее устройство
(рис. 7.12).
С2 ' ж
Рис 7.12. Согласующее устройство для оконной
216
ПРОСТЫЕ СИ-БИ АНТЕННЫ
Заметим, что рассматриваемая рамочная антенна, геометрически
симметричная, оказывается в конечном итоге рассимметрированной
из-за влияния окружающих предметов. Как видно из рис. 7.12,
несимметричным выполняется и согласующее устройство.
Бескаркасная катушка Ц из медного провода толщиной 1,5 мм и длиной
намотки 40 мм содержит 6,5 витка. Ее диаметр 25 мм. Нижний (по схеме)
конец припаян к Дну коробки, а верхний - к ротору Сг Катушка Ц
с двумя витками такого же провода располагается поверх L2 на
уровне ее нижней трети. В эксперименте автора это устройство
было размещено в коробке из фольгированного стеклотекстолита
размерами 6x8x6 см и установлено в непосредственной близости от
антенны. Роторы конденсаторов для подстройки Сх и С2 выведены
наружу.
Такое устройство дает возможность согласовать входное
сопротивление комнатной рамочной антенны с одним из стандартных
кабелей - 50 или 75 Ом. При этом практически полностью
компенсируется реактивная составляющая. Его КПД - не менее 90% (измерено
на практике), так что почти вся мощность от передатчика поступает
в антенну. Являясь узкополосным, согласующее устройство
эффективно устраняет помехи приему телевидения, что особенно важно
при работе радиостанции с внешним усилителем мощности. Этот
вариант согласующего устройства можно настроить так, что оно
будет работать лишь с небольшими значениями КСВ во всем Си-Би
диапазоне.
Следует заметить, что использование согласующего устройства,
с помощью которого удается получить значение КСВ в питающем
кабеле около 1,1, позволяет смело применять различные фильтры
помех (см. главу 8 настоящей книги). Фильтр следует устанавливать
непосредственно на выходе радиостанции.
При экспериментальном сравнении рамочных антенн (рис. 7.11)
с изображенными на рис. 7.9 и 7.10, было выявлено явное
преимущество первых. Они обеспечивали большую дальность связи и
гораздо меньший уровень помех телевидению и УКВ радиовещанию.
Последнее особенно заметно при использовании согласующего
устройства. Немаловажно и то, что оконная рамочная антенна не
портит интерьера комнаты, поэтому ее можно отнести к «невидимым»
антеннам.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
217
Антенна с подстроенным конденсатором хорошо согласуется в
диапазоне частот 21-30 МГц, что дает возможность работать не только
в Си-Би диапазоне, но также, и в нескольких любительских KB
диапазонах. Согласующее устройство с указанными здесь номиналами
радиодеталей дает низкий КСВ лишь в диапазоне 24-30 МГц. Для
работы на 21 МГц необходимо увеличить либо емкость
конденсаторов Cj и С2 до 50 пФ, либо количество витков катушки Ц до 8,5,
сохранив при этом длину намотки. Тогда верхняя частота рабочей
полосы согласующего устройства уменьшается до 29 МГц.
Вторая антенна, при наличии переменного конденсатора (8-30 пФ),
перекрывала диапазон 14-24 МГц. Катушка Ц согласующего
устройства в этом диапазоне должна содержать 11,5 витка при длине
намотки 45 мм. Катушку связи, состоящую во всех случаях из 2,5 витков,
удобно перемещать по контурной катушке для обеспечения
оптимальной связи и оптимального КСВ.
При настройке согласующего устройства следует всегда
стремиться к тому, чтобы окончательное значение емкости конденсатора С2
было максимальным в его номинальном интервале. При мощностях
на выходе передатчика свыше 10 Вт конденсатор антенны может
оказаться под высоким ВЧ напряжением, поэтому необходимо принять
меры по его электрической изоляции.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Описанные выше антенны - самые простые и эффективные из тех,
с которыми способен работать каждый радиолюбитель. При желании
и соответствующем опыте вы, конечно, сможете использовать любую
сложную любительскую связную антенну, пересчитав ее размеры для
Си-Би диапазона.
Хочу дать совет - не пытайтесь усиливать сигнал своего Си-Би
трансивера. Многие Си-Би радиостанции производства СНГ и
простые зарубежные переносные трансиверы не позволяют добиться
качественного выходного сигнала при его усилении. Кроме того, из-
за недостаточной (а иногда и полностью отсутствующей)
экранировки корпуса радиостанции, может значительно ухудшиться
качество сигнала и соответствующим образом возрасти уровень помех
телевидению.
218
ПРОСТЫЕ СИ-БИ АНТЕННЫ
Некоторые простые микросхемы синтезаторов частот не терпят
даже кратковременной перегрузки. Но такая перегрузка может
возникнуть из-за возбуждения навесного выходного усилителя
мощности, что в свою очередь, может вывести из строя синтезатор
радиостанции.
Лучше постарайтесь установить более эффективную антенну или
купите радиостанцию с мощным выходом промышленного
изготовления.
МАЛОГАБАРИТНЫЕ
АНТЕННЫ
ПЕРЕНОСНЫХ
СТАНЦИЙ
СИ-БИ СВЯЗИ
Работа электрически коротких антенн
переносных станций 220
Типы коротких штыревых антенн 222
Спиральная антенна 222
Практические конструкции
спиральных антенн 225
Изготовление и настройка
спиральных антенн 229
Резонансные штыревые антенны,
удлиненные индуктивностью 231
Практические конструкции
штыревых антенн,
удлиненных индуктивностью 235
Нерезонансные штыревые антенны 238
Магнитные рамочные антенны
переносных Си-Би радиостанций 240
Методы настройки и измерения
параметров антенн
переносных Си-Би станций 241
Заключение 245
Литература 246
220 МАЛОГАБАРИТНЫЕ АНТЕННЫ ПЕРЕНОСНЫХ СТАНЦИЙ СИ-БИ СВЯЗИ
При широком распространении переносных радиостанций для
личной связи и связи с подвижными объектами, а также с учетом
использования диапазона 27 МГц для контроля за различными объектами
(например при несанкционированном вторжении на какую-либо
территорию или нарушение охранной сигнализации автомобилей)
проблема антенн приобретает особую остроту.
Сложность состоит в том, что для таких радиостанций
четвертьволновые антенны, длина которых в диапазоне 27 МГц составляет 2,7 м,
часто оказываются неприемлемыми. Применение укороченных
антенн связано с целым рядом специфических, но недостаточно
подробно рассмотренных в популярной литературе проблем, игнорирование
которых может существенно понизить эффективность средств Си-Би
связи. Причем при построении малогабаритных антенн каждому их
типу соответствует свой набор требующих учета условий.
Для переносных Си-Би радиостанций используются в основном
несимметричные штыревые антенны, так как антенны других типов
(кроме магнитных, о которых речь пойдет ниже) попросту
невозможно применить в малогабаритных конструкциях.
РАБОТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИ КОРОТКИХ АНТЕНН
ПЕРЕНОСНЫХ СТАНЦИЙ
Электрически короткая антенна состоит из собственно антенны, то
есть излучающего элемента, и из элементов согласования и
заземления (рис. 8.1а). В соответствии с этим общее активное входное со-
противле!Гие антенны Ra включает в себя сопротивление штыря R^
Ra=R&*Rs+Rcp
Rm **
П*
**
о
Rcp
Рис. 8.1. Электрически короткая антенна
РАБОТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИ КОРОТКИХ АНТЕНН ПЕРЕНОСНЫХ СТАНЦИЙ 22/
и сопротивление его заземления. Очевидно, что эквивалентная схема
антенны должна содержать Rm, R3 и эквивалентное сопротивление
среды Rc (рис. 8.16). Таким образом, выражение для активного
входного сопротивления антенны имеет вид Ra = Riu + R3 + Rcp.
Полезная ВЧ энергия в эквивалентной схеме выделяется на Rm, но
бесполезно рассеивается в R3 и Rc, так что нужно стремиться к
уменьшению последних.
Входящее в формулу «сопротивление среды» Rc стремительно
уменьшается при увеличении числа противовесов и длины антенны.
Можно считать, что при длине штыря и четырех противовесов в
четверть рабочей волны каждый это сопротивление близко к нулю.
Тогда формула для входного сопротивления упрощается: Ra e Riu + R3.
В общем случае» с помощью специальных методов сопротивление
«земли» можно измерить, но на практике часто принимают, что
сопротивление корпуса Си-Би радиостанции длиной 20-30 см,
играющего роль противовеса, составляет в этой формуле величину
порядка 150-300 Ом.
При контакте с рукой человека это значение меняется
несущественно. Но подключение даже одного резонансного
четвертьволнового противовеса длиной 2,7 м снизит сопротивление «земли» до 50-
60 Ом. При трех-четырех противовесах R3 становится пренебрежимо
малым (5-10 Ом).
Возвращаясь к сопротивлению среды, заметим, что R3
определяется взаимодействием штыря антенны с его «земляной» системой. Если
в четвертьволновой штыревой антенне это взаимодействие
происходит в относительно большом объеме пространства, то в укороченных
антеннах с коротким противовесом - в малом. Любые мешающие
объекты в этом объеме могут заметно изменить это сопротивление,
и, следовательно, параметры антенны.
В антенной системе с укороченными элементами удлинение
одного из них (штыря или противовеса) до размера четвертьволнового не
приводит к значительному снижению Rcp. Для этого необходимо
одновременное их увеличение.
Таким образом, можно утверждать, что входное сопротивление
короткой антенны Си-Би станции - величина непостоянная, зависящая
от многих факторов, в частности, от ее расположения относительно
окружающих предметов (в том числе и оператора). При этом
нередко нарушается режим согласования даже в хорошо предварительно
согласованной антенне. В результате, изменяется активная и
увеличивается реактивная составляющие, ее входного сопротивления.
222 МАЛОГАБАРИТНЫЕ АНТЕННЫ ПЕРЕНОСНЫХ СТАНЦИЙ СИ-БИ СВЯЗИ
Из сказанного следует, что выходной каскад передатчика Си-Би
радиостанции должен строиться так, чтобы подобное
рассогласование существенно не влияло на его работу и после устранения причин
рассогласования он продолжал бы нормально функционировать. Для
этого требуется трех-четырех кратный запас по мощности выходного
транзистора. Следует также выбирать компромиссный вариант
согласующей цепи П-контура, который позволяет работать на
переменную комплексную нагрузку. Необходимо устранить малейшее
самовозбуждение выходного каскада при изменении параметров антенны.
Перечисленные требования, которые предъявляются к выходным
каскадам Си-Би переносных станций, показывают, что подходить
к их конструированию необходимо очень серьезно.
Заметим, что требования к выходным усилителям мощности для
подвижной автомобильной Си-Би радиостанции - гораздо ниже, так
как роль противовеса в антенне играет корпус автомобиля,
являющийся для нее хорошей «землей».
В автомобильных Си-Би станциях обычно применяют штыри
длиной не менее 1,2 м (по крайней мере, автору не попадались более
короткие), а во многих случаях - еще более длинные. Автомобильные
антенны оказываются гораздо более эффективными, чем антенны
переносных станций, так как в их ближней зоне, где взаимодействуют
штырь и противовесы, нет посторонних предметов. Последнее
делает R. более стабильным. Незначительно влияет на параметры
антенны и ее раскачивание.
ТИПЫ КОРОТКИХ ШТЫРЕВЫХ АНТЕНН
Все существующие антенны Си-Би переносных станций
подразделяют на две группы - резонансные и нерезонансные антенны.
Среди резонансных штыревых укороченных антенн можно выделить
спиральные и штыревые антенны, удлиненные индуктивностью. Из
нерезонансных штыревых антенн есть смысл использовать только
короткий штырь, входящий в состав выходного резонансного
контура и играющий роль контурного конденсатора с распределенной
емкостью.
СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА
Спиральную антенну представим в виде открытого спирального
резонатора [1], в котором сама антенна является его основной частью.
Согласующий контур передатчика, возбуждающего антенну, является
СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА
223
продолжением резонатора, а пространство около антенны - его
внутренним пространством (рис. 8.2).
Справедливость этих утверждений легко проверить на практике.
Так, непостоянство параметров согласующей цепи сказывается на
резонансной частоте антенной системы. Она резко меняется даже при
небольших вариациях концевой емкости антенны [2], которая, в свою
очередь, в значительной степени зависит от окружающих предметов.
К примеру, приближение руки на расстояние менее 20 см из-за
изменения концевой емкости приводит к изменению резонансной
частоты, а, следовательно, к рассогласованию антенны и передатчика.
Настройку спиральной антенны рекомендуется проводить по
методу, предложенному в [3]. Антенну настраивают таким образом,
чтобы при приближении руки (или в результате иного рассогласующего
воздействия) напряженность поля сигнала вначале возрастала, а
затем уменьшалась. В данном случае антенна оказывается настроенной
не точно в резонанс с рабочей частотой, а несколько в стороне от нее.
Как показывают измерения, напряженность поля в дальней зоне
антенны при этом составляет около 85% от значения на резонансе.
Преимущества настройки антенны на скате ее частотной характеристики
очевидным образом выявляются на сравнительных испытаниях
радиостанций с резонансными и с несколько расстроенными
антеннами. Так, при приближении к человеку станции с резонансной
антенной наблюдались значительно более глубокие изменения
напряженности поля, чем при антенне, настроенной на скате частотной
характеристики. Поэтому настройку спиральной антенны по
максимуму напряженности поля рекомендуется проводить лишь в том
случае, когда отсутствуют рассогласующие ее факторы.
Рис 8.2. Спиральная антенна
224 МАЛОГАБАРИТНЫЕ АНТЕННЫ ПЕРЕНОСНЫХ СТАНЦИЙ СИ-ЬИ СВЯЗИ
Измерения показали, что спиральная антенна и втрое более длинная,
настроенная в резонанс штыревая антенна с удлиняющей катушкой
создавали одинаковые уровни напряженности поля. Таким образом,
в переносных станциях оптимальным вариантом является
спиральная антенна, которая прочнее и проще по в изготовлении, чем
аналогичная ей по параметрам штыревая. При этом можно заметить, что
и короткий корпус радиостанции больше подходит в качестве
«земли» для спиральной антенны. Недостатком спиральной антенны
является неустойчивая работа передатчика из-за значительной
напряженности электромагнитного поля, создаваемого ею и
воздействующего на передатчик (рис. 8.2).
В проведенных автором экспериментах выяснилось, что один и тот
же передатчик, который устойчиво работал с внешней антенной,
соединенной с ним кабелем, при подключении спиральной антенны
возбуждался. Устранить это самовозбуждение удалось лишь путем более
тщательной экранировки и подстройки согласующих контуров.
Спиральную антенну, так же как и штыревую, можно настраивать
на рабочую частоту с помощью укорачивающей емкости (рис. 8.3а)
и удлиняющей индуктивности (рис. 8.36).
Последовательное подключение к антенне емкости или
индуктивности соответственно повышает или понижает ее резонансную
частоту. Для повышения КПД антенны нужна удлиняющая катушка
с возможно меньшей индуктивностью и укорачивающий
конденсатор с возможно большей емкостью. Добавление этих элементов
настройки позволяет расширить частотный диапазон антенны.
Обычная согласованная спиральная антенна имеет небольшую полосу
пропускания, составляющую 200-300 кГц в диапазоне 27 МГц.
Спиральная антенна может быть эквивалентна как
четвертьволновой, так и полуволновой антенне. От этого зависит и ее входное
сопротивление: у четвертьволновой оно низкое, а у полуволновой -
о)
?кз системы
> Ьыше. чем F/>«
спиральной антенны
б)
Ррсз системы
\ ниже, чем Fk3
спиральной антенны
П
Рис. 8.3. Настройка спиральной антенны с помощью а) укорачивающей емкости,
6) удлиняющей индуктивности
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ СПИРАЛЬНЫХ АНТЕНН , 225
высокое. Как показали измерения, «четвертьволновая» спиральная
антенна обеспечивает напряженность поля, по крайней мере на 40%
выше, чем полуволновая. В то же время использование полуволновой
спиральной антенны в некоторых случаях снимает самовозбуждение
передатчика. Измерить входное сопротивление спиральной антенны
можно с помощью «антенноскопа», схема которого приведена в [4].
Еще одной очень важной особенностью спиральных антенн
является то, что при подключении через коаксиальный кабель их
резонансная частота меняется из-за дополнительной реактивности кабеля,
вносимой в комплексное сопротивление антенны. В результате
резонансная частота антенны иногда выходит за пределы необходимого
частотного диапазона. В этом случае ее приходится подстраивать.
Проще всего это сделать с помощью укорачивающей емкости или
удлиняющей индуктивности (рис. 8.3). Коаксиальный кабель
подходит для запитки лишь четвертьволновых спиральных антенн.
Использование его в полуволновых антеннах без специальных
согласующих устройств (см. рис. 7.3 и 7.12) нецелесообразно из-за значительного
смещения резонансной частоты.
При построении спиральной антенны, как, впрочем, и любой
другой укороченной антенны, следует обратить внимание на то, что при
подключении четвертьволнового противовеса несколько изменяется
резонансная частота всей антенной системы. Это объясняется тем,
что противовес, имеющий собственное сопротивление R3, влияет на
Rcp (см. рис. 8.1). Кроме того, меняется также и емкость антенны
относительно «земли». При этом за счет снижения добротности
спиральной антенны расширяется примерно в 1,5-2 раза ее полоса
пропускания. Резонансные частоты спиральных антенн с
четвертьволновыми противовесами не выходили при экспериментальном
исследовании за пределы полосы пропускания той же антенны, но без
противовесов. В то же время напряженность поля, создаваемого
антенной с четвертьволновым противовесом, возрастала по крайней
мере вдвое.
Подключать спиральную антенну к выходному согласующему
контуру нужно по возможности короткими проводниками. Это поможет
обеспечить необходимую полосу пропускания и минимальное
паразитное излучение соединительной линии.
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ СПИРАЛЬНЫХ АНТЕНН
Ниже рассмотрены практические конструкции спиральных антенн,
встречающиеся в литературе последних лет. Параметры этих антенн
били измерены с помощью упомянутого выше антенноскопа из [4].
226 МАЛОГАБАРИТНЫЕ АНТЕННЫ ПЕРЕНОСНЫХ СТАНЦИЙ СИ-БИ СВЯЗИ
Сведения о спиральной антенне, конструкция которой показана на
рис. 8.4, были опубликованы в [5]. Испытания показали, что в
диапазоне 21 МГц она является четвертьволновой. Входное сопротивление
антенны, используемой совместно с резонансным четвертьволновым
противовесом, составило в этом диапазоне примерно 40 Ом (с
небольшой реактивностью). При подключении антенны,
расположенной в проеме окна, к трансиверу мощностью 40 Вт через 10-метровый
коаксиальный кабель автору без труда удалось провести несколько
сеансов связи в диапазоне 15 м с качеством по шкале RST 56-58.
Было установлено, что путем подстройки с помощью емкости и
смещения витков катушки, как рекомендовано в [5], в диапазоне 27 МГц
возможно получение резонанса, соответствующего антенне &
половину длины волны. Чтобы эту антенну сделать четвертьволновой,
потребовалось оставить в ней лишь 80 витков.
Антенна с корпусом радиостанции в качестве противовеса имела
входное сопротивление около 85 Ом, а с резонансным
четвертьволновым противовесом - 45 Ом. Полоса пропускания полуволновой
антенны в диапазоне 21 МГц составляла 200 кГц, а
четвертьволнового варианта в диапазоне 27 МГц с четвертьволновым противовесом -
250 кГц.
На рис. 8.5 представлен чертеж четвертьволновой спиральной
антенны, описанной в [2].
220
UZJ
I
09
г
К трансиберу *
70
Далее с шагом 4
Виток к битки
ПЭВ-0.5
Рис 8.4. Спиральная антенна с шаговой намоткой
Ш
К трансиберу •«
125-130 биткоб
ПЭВ-0.5
135
г 12
г
40
02-6
и
200-300
Рис. 8.5. Спиральная четвертьволновая антенна
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ СПИРАЛЬНЫХ АНТЕНН
227
С помощью настроечного штыря ее можно перестраивать в
широких пределах (26-35 МГц). В диапазоне 27 МГц ее входное
сопротивление с корпусом радиостанции в качестве «земли» равнялось 130 Ом,
а полоса пропускания - 650 кГц. С четвертьволновым противовесом
соответствующие значения составляли 65 Ом и 800 кГц. Резонанс
при этом сместился на 200 кГц вверх. Следует заметить, что при
таком достаточно простом способе изменения резонансной частоты
антенны снижается добротность спирального резонатора и,
следовательно, напряженность создаваемого в пространстве поля. Кроме
того, расширяется полоса пропускания антенны.
Испытание на антенноскопе спиральной антенны, изображенной
на рис. 8.6 [6], показало, что она, как и четвертьволновая, резонирует
в диапазоне 21 Мгц и не имеет резонанса в диапазоне 27 МГц.
В диапазоне 21 МГц ее входное сопротивление вместе с
четвертьволновым противовесом составляло 25 Ом при полосе пропускания
250 кГц. При экспериментальной проверке антенны со схемой
согласования, приведенной в [6], было выяснено, что ее можно настроить
резонанс в диапазоне 27 МГц. Он возникает, очевидно, не в
четвертьволновом резонаторе, а за счет распределенной емкости П-контура,
стоящего на выходе передатчика (рис. 8.7).
В этом случае входное сопротивление спиральной антенны
эквивалентно системе подключенных на выход передатчика П-контуров,
емкость которых в основном и определяет емкость антенны
относительно «земли». Работа осуществляется при настройке в резонанс
всей системы ГЪгконтуров. Измерения напряженности поля
показали, что такой вариант использования спиральной антенны
неэффективен. Ту же напряженность поля обеспечивает настроенная в
резонанс с помощью удлиняющей катушки штыревая антенна, всего
в 1,3 раза превосходящая спиральную по длине.
Информацию о спиральной антенне С. Сушко, которую мы
рассмотрим (см. рис. 8.8), можно найти в [7].
Ее входное сопротивление, измеренное на резонансной частоте
в диапазоне 27 Мгц, составило 110 Ом, когда «землей» служил корпус
09
160
г
Г)
и . J ' Виток к битки Т
К трансиберу + ПЭВ. д 5 *
Рис 8.6. Спиральная антенна радиостанции личного пользования
228 МАЛОГАБАРИТНЫЕ АНТЕННЫ ПЕРЕНОСНЫХ СТАНЦИЙ СИ-БИ СВЯЗИ
Рис. 8.7. Спиральная антенна и распределенная емкость П-контура
4 ; ►
80 биткоб (биток к битку)
()) )
К трансиберу-*——^
Далее - 29 биткоб
равномерно
ПЭВ2-0.М
09
, г
t
Рис. 8.8. Спиральная антенна Сушко
станции, и 40 Ом с четвертьволновым противовесом. Полоса
пропускания составила соответственно 300 и 450 кГц. Благодаря намотке
с разрядкой верхней части антенны, влияние тела человека на ее
настройку не такое сильное, как в антенне на рис. 8.5 со сплошной
намоткой. Подключение четвертьволнового противовеса смещало
резонансную частоту на 200 кГц вверх.
Автором также была исследована антенна, применяемая в
радиостанции «Колибри-М». Ее конструкция показана на рис. 8.9. В
диапазоне 27 Мгц в отсутствие противовеса входное сопротивление
антенны равнялось 100 Ом, а полоса пропускания 300 кГц. При
подключении четвертьволнового противовеса - 47 Ом и 200 кГц соЪтвет-
ственно. Резонансная частота при этом смещается на 120 кГц вверх.
Согласно экспериментам, именно антенны, изображенные на рис. 8.8
и 8.9, обеспечивали уровень поля, сравнимый с тем, который дает
втрое более длинная штыревая антенна с удлиняющей катушкой.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ И НАСТРОЙКА СПИРАЛЬНЫХ АНТЕНН
229
к Т.Х.
150
z:
100
V5
Прободник. с расположением Виток к битку ПЗЛ 0.U Т
бдоль антенны
Рис 8.9. Спиральная антенна радиостанции «Колибри-М»
Практический вид амплитудно-частотной характеристики (АЧХ)
последних двух антенн показан на рис. 8.10.
Из этого рисунка видно, что АЧХ антенны несимметрична. При
подключении четвертьволнового противовеса характеристика
смещается вправо примерно на 100 кГц в диапазоне 27 МГц. Тем не
менее имеющаяся достаточно широкая полоса полоса пропускания дает
ей возможность работать в Си-Би каналах. Знание АЧХ позволяет
правильно настраивать спиральную антенну - не на середину
рабочего диапазона, а чуть выше.
Относительный уробень напряженности поля.
измеренный на расстоянии 10 метроб от% испытыбаемой антенны
4 у Смещение АЧХ антенны
4 при подключении
Х/4 протибобесоб
Рис 8.10. АЧХ спиральной антенны
ИЗГОТОВЛЕНИЕ И НАСТРОЙКА СПИРАЛЬНЫХ АНТЕНН
В литературе рекомендуется наматывать спиральные антенны на
полиэтиленовом сердечнике коаксиального кабеля.
Действительно, это оптимальный материал для такой антенны. Желательно
230 МАЛОГАБАРИТНЫЕ АНТЕННЫ ПЕРЕНОСНЫХ СТАНЦИЙ СИ-БИ СВЯЗИ
использовать кабель с волновым сопротивлением 75 Ом, поскольку
в таком кабеле обычно имеется одиночный внутренний проводник,
и его легко вытащить плоскогубцами, зажав другой конец кабеля
в тисках. В 50-омных кабелях центральный проводник, как правило,
состоит из нескольких проводов, которые с трудом поддаются
удалению. Простейший выход - нагреть проводники, пропустив через них
ток в 50-100 А от какого-либо мощного источника, а затем быстро их
выдернуть. Часто таким образом удается вытащить сразу все
проводники. В противном случае приходится повторять процедуру
несколько раз.
Шероховатая поверхность полиэтиленового каркаса после
удаления оплетки удобна для намотки провода с натяжением. Следует
помнить, что спиральная антенна - это высокодобротная система, но
если ее сделать недостаточно аккуратно, то под воздействием
температуры резонансная частота может выйти за пределы диапазона, на
который она настроена. В исследовании спиральных антенн,
проведенном автором, было выяснено, что при охлаждении их от
нормальной температуры (20 °С) до -15 °С резонансная частота возрастает на
50-80 кГц. Во избежание смещения витков, а следовательно - и
изменения резонансной частоты, антенна должна быть плотно
обмотана изолентой. Для этого больше всего подходит гибкая лента ПВХ.
Липкая же лента типа «скотч» не годится из-за своей излишней
жесткости.
Спиральная антенна - это несимметричная антенная система.
К передатчику ее следует подключать только тем концом, который
указан в описании. При подключении другим концом у антенн,
изображенных на рис. 8.4, 8.8, 8.9, будут уже совсем другие резонансные
частоты, далеко отстоящие от диапазона 27 МГц.
Конструктивно стыковочный с передатчиком конец удобно
выполнять в виде разъема СР-50 или СР-75 путем вплавления или
ввинчивания в него пластиковой основы антенны. От металлического
каркаса разъема до начала намотки спирали должно быть не менее 12 мм.
При изготовлении антенны не обязательно стремиться к
использованию полиэтиленового каркаса в точности указанного диаметра.
Отступление в 2-3 мм вполне допустимо. Например, вместо
7-миллиметрового полиэтиленового каркаса можно использовать
9-миллиметровый, а вместо последнего- 12-миллиметровый. Хотя параметры
антенны при этом несколько изменяются, ее вполне можно
настроить на диапазон 27 МГц.
РЕЗОНАНСНЫЕ ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ, УДЛИНЕННЫЕ ИНДУКТИВНОСТЬЮ 231
Настраивают антенны, как и указано в их описаниях, путем
удаления витков со стороны более плотной намотки. Все рассмотренные
здесь антенны удалось после изготовления настроить на диапазон
27 МГц, убрав часть витков. Это значит, что они были заранее
рассчитаны на резонансную частоту чуть ниже 27 МГц. .
Для эффективной работы антенны нужно иметь на переносной
станции хорошую «землю». Самое лучшее - это металлический
корпус станции. При использовании пластмассовых «мыльниц»
необходимо проложить в удобном месте широкую медную или
алюминиевую фольгу по всей длине станции. Такой противовес может
обеспечить возрастание напряженности поля, создаваемого
антенной, примерно на 15-20%, что приблизительно в такой же степени
увеличивает дальность связи. В некоторых случаях противовес
помогает убрать самовозбуждение передатчика.
Считается, что примерно 20-процентное превышение размеров
спиральной антенны, по сравнению с длиной корпуса-противовеса,
является оптимальным. Более короткая антенна будет испытывать
сильное воздействие со стороны тела человека и прочих окружающих
предметов. Увеличение длины антенны более чем на 1,2 от длины
корпуса радиостанции не вызывает заметного возрастания
напряженности поля. Легче добиться этого с помощью четвертьволнового
противовеса.
РЕЗОНАНСНЫЕ ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ,
УДЛИНЕННЫЕ ИНДУКТИВНОСТЬЮ
В переносных и подвижных Си-Би радиостанциях используют
антенны длиной от 30-100 см и до 1,5 м соответственно. Рассчитав
активную часть входного сопротивления короткого штыря на частоте
27 МГц, получим значения от 0,5 Ом (для штыря 30 см) до 10 Ом
(для 1,5 м). Подключать такие короткие штыри к выходному каскаду
передатчика без соответствующего согласования неразумно из-за
малого КПД такой антенны. Согласование низкого входного
сопротивления штыря с относительно высоким сопротивлением выходного
каскада передатчика - задача достаточно трудная. Наиболее
рациональным решением является включение штыря в состав сложной
укороченной антенной системы. Далее рассмотрим эффективность
работы штыря в такой системе.
Классическая штыревая антенна (рис. 8.11) представляет собой
вибратор в четверть длины волны и систему заземления под ним.
232 МАЛОГАБАРИТНЫЕ АНТЕННЫ ПЕРЕНОСНЫХ СТАНЦИЙ СИ-БИ СВЯЗИ
штыревая антейна
В простейшем случае заземление
представляет собой несколько четвертьволновых
противовесов. Естественно, такую систему в полном
объеме использовать для переносной станции
затруднительно, поэтому пытаются укоротить
размеры антенны и противовесов. Проще всего
включить в антенну удлиняющую катушку. Роль
-системы противовесов играет корпус станции.
Но здесь возникает вопрос, в какую точку
антенны следует включить удлиняющую катушку,
чтобы добиться максимального эффекта.
Самый неэффективный способ - это включе-
Рис. 8.11 Классическая ние удлиняющей катушки в основание антенны
четвертьволновая (рис. 8.12).
Как известно, в основании короткого штыря
имеет место пучность тока. В антеннах,
выполненных в соответствии с рис. 8.12,
максимальный ток протекает по катушке, поэтому при
близком расположении антенны и передатчика
удлиняющая катушка интенсивно излучает, что
может привести к возбуждению системы
передатчик-антенна. Экранировка катушки, намотка
ее тонким проводом и применение ферритовых
сердечников для подстройки ведет к снижению
добротности катушки и уменьшению КПД сис^
темы. Этот вопрос будет рассмотрен более
подробно ниже, при обсуждении практических
конструкций антенн, существенно зависящих от
способа выполнения укорачивающей
индуктивности. Преимущество антенны с удлиняющей
катушкой в основании состоит лишь в том, что
L < Х/4
Рис. 8.12. Укороченная
штыревая антенна
с удлиняющей катушкой благодаря большой распределенной емкости
в основании штыря такие антенны имеют несколько более
широкую полосу пропускания, позволяющую им работать во всем
Си-Би или любительском диапазоне.
При уменьшении длины штыря приходится увеличивать
индуктивность удлиняющей катушки. При этом уменьшается полрса
пропускания антенны. В пределе, когда штырь весьма мал, антенна не
становится спиральной, так как не является резонаторной.
РЕЗОНАНСНЫЕ ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ УДЛИНЕННЫЕ ИНДУКТИВНОСТЬЮ 233
L < Х/4
В экспериментах автора метровая штыревая
антенна с удлиняющей катушкой в основании
имела в диапазоне 160 м полосу пропускания
10 кГц. Аналогичная антенна в диапазоне 27 Мгц
(11м) при таком же коэффициенте укорочения,
должна быть длиной всего 5 см, а полоса
пропускания оказывается равной около 60 кГц.
Последняя величина здесь определяется,
очевидно, добрсГностью удлиняющей катушки и
зависит от факторов, ее ухудшающих. В данном
опыте удлиняющая катушка, изготовленная для
диапазона 27 МГц, имела нагруженную
добротность 200, то есть вдвое большую, чем катушка
для диапазона 1,9 Мгц (160 м): Чтобы
расширить полосу пропускания антенной системы
в любом из диапазонов, надо уменьшить
добротность контура (конечно, при этом понижаете^
и КПД антенны). Это достигается с помощью Рис 8.13. Короткая
тонкого провода и подстроечного сердечника. штыревая антенна
Другой тип антенны - короткая штыревая, с удлиняюще*
электрически удлиненная катушкой, располо- катУШК0И в вершине
женной в ее вершине (рис. 8.13). Благодаря такому размещению
удлиняющей катушки, в основании антенны получается значительный
ток. КПД в этом случае выше, чем в варианте с катушкой,
размещенной в ее основании.
Недостатком антенны является малая концевая емкость катушки
и - как следствие - узкая полоса пропускания. Но этот недостаток
исправляется: ее увеличивают путем включения на конце антенны
емкостной нагрузки, как показано на рис. 8.14.
Таким способом полоса пропускания антенны расширяется до
значения, при котором удается работать во всем Си-Би диапазоне.
Одновременно существенно возрастает и ее усиление.
Следует заметить, 4f о емкостная нагрузка на конце антенны, в
основании которой находится индуктивность, не дает такого эффекта,
как в антеннах с концевой индуктивностью. Это объясняется тем, что
индуктивность в основании антенны становится препятствием для
роста тока и, следовательно, для увеличения КПД.
Все же из-за малой механической прочности антенна с катушкой
и емкостью на ее конце, изображенная на рис. 8.14, несмотря на
перечисленные достоинства, используется редко. Поэтому на практике
чаще применяют антенну, показанную на рис. 8.15.
234 МАЛОГАБАРИТНЫЕ АНТЕННЫ ПЕРЕНОСНЫХ СТлНЦИЙ СИ-БИ СВЯЗИ
1<Х/4
Рис. 8.14. Короткая штыревая антенна
с удлиняющей катушкой в вершине
и с емкостной нагрузкой
Рис. 8.15. Антенна
с катушкой посередине
Здесь удлиняющая катушка находится примерно в середине
антенны. Штырь до катушки является основным излучающим
элементом. Его надо сделать максимально толстым. Тем более, что он еще
должен держать на себе удлиняющую катушку. Штырь после
катушки играет роль емкостной нагрузки. Он может быть более тонким.
Такая антенна по своей эффективности уступает антенне на рис. 8.14,
но превосходит антенны с удлиняющей катушкой в основании. Ее
часто используют в подвижных станциях связи в диапазоне 27 МГц.
Размещение на конце такой антенны даже небольшой емкостной
нагрузки повышает ее эффективность, но уменьшает механическую
прочность.
Следует обратить внимание на то, что при плохой «земле» (в
переносных радиостанциях) все типы коротких антенн работают
одинаково плохо. Различие между ними выявляется после подключения
четвертьволнового противовеса. Разница в параметрах между различными
конструкциями антенн с удлиняющей индуктивностью ясно
проявляется в передвижных автомобильных радиостанциях, где корпус
автомобиля представляет собой достаточно эффективную «землю».
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ, УДЛИНЕННЫЕ ИНДУКТИВНОСТЬЮ
235
Активная часть входного сопротивления идеального
четвертьволнового вертикального штыря над идеальной проводящей
поверхностью составляет 36 Ом, а идеальной укороченной антенны Си-Би
диапазона, в зависимости от степени ее укорочения, от 12 до 20 Ом.
Реальная «земля» переносных и автомобильных станций далека от
идеальной. Это приводит к увеличению входного сопротивления
коротких антенн до 50-100 Ом. Поэтому такие антенны несложно
согласовать с питающим коаксиальным кабелем (обычно с 50-омным)
в автомобильной станции или с выходным каскадом переносной
радиостанции.
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ ШТЫРЕВЫХ АНТЕНН,
УДЛИНЕННЫХ ИНДУКТИВНОСТЬЮ
Схематический вид почти всех укороченных антенн переносных
радиостанций представлен на рис. 8.16.
Штырь длиной около 120 см и катушка с индуктивностью
примерно 2 мкГн представляют собой антенную систему, работающую в
диапазоне 27 МГц. Ее КПД и полоса пропускания зависят от
конструкции катушки и штыря. Антенны этого типа описываются в [8, 9, 10,
11] и во многих других более ранних источниках.
При испытании антенн из [8] и [9], в которых использовалась
одинаковые удлиняющие катушки с индуктивностью 2 мкГн, были
получены следующие результаты. Входное сопротивление антенны
с четвертьволновым противовесом - 35 Ом, с корпусом
радиостанции в качестве «земли» - 80 Ом; полоса пропускания на уровне
половинной мощности (-3 дБ) - 600 кГц для антенны с противовесом
и 750 кГц, когда корпус играет роль «земли». Влияние человека на
эту антенну незначительно. Реактивная составляющая входного
сопротивления мала. Резонансная частота при четвертьволновом
противовесе смещалась на 700 кГц.
При испытании антенны из [7] со штырем длиной 80 см и
удлиняющей катушкой из 18 витков провода ПЭЛ-0,55, намотанных витком
к витку на каркасе диаметром 4 мм, были получены следующие
результаты: входное сопротивление антенны с четвертьволновым
противовесом - 60 Ом, с корпусом радиостанции в качестве противовеса - 110 Ом;
2 мкГн
К трансиберу <+* L 120 см J
Рис. 8.16. Схема стандартной укороченной
антенны Си-Би диапазона
236 МАЛОГАБАРИТНЫЕ АНТЕННЫ ПЕРЕНОСНЫХ СТАНЦИЙ СИ-ВИ СВЯЗИ
полоса пропускания в первом случае - 800 кГц, во втором - 900 кГц.
Смещение резонансной частоты при подключении
четвертьволнового противовеса составило почти 1 МГц.
Испытания антенны из [11] со штырем длиной 0,8-1,2 м,
удлиняющей катушкой из 25 витков провода ПЭЛ-0,35, намотанной витком
к витку на каркасе диаметром 5 мм, показали результаты,
аналогичные данным для антенны из [10]. ч
Определенный интерес представляют и короткие антенны длиной
до 50 см. Если сравнивать их с однометровыми, можно заметить, что
они лишь незначительно проигрывают в дальности связи - всего
в 1,2-1,3 раза.
Антенна из [12] представляет собой штырь длиной 45 см с
удлиняющей катушкой из 60 витков провода ПЭЛ-0,5, намотанных
витком к витку на каркасе диаметром 5 мм.
Результаты измерений показали, что у антенны с
четвертьволновым противовесом входное сопротивление составляет 75 Ом, а
полоса пропускания - 700 кГц. С корпусом станции в роли противовеса
входное сопротивление оказалось равным 120 Ом, а полоса
пропускания - 900 кГц. Смещение резонансной частоты при подключении
четвертьволнового противовеса составило 1,2 МГц. Влияние
человека на короткую антенну больше, чем на длинную.
Возрастание входного сопротивления и расширение полосы
пропусканий короткой (45 см) антенны по сравнению с длинной (1м)
говорит о том, что удлиняющая катушка короткой антенны имеет
низкую добротность. Но как показывают эксперименты увеличение
последней лишь несущественно повышает эффективность антенны.
Подключение противовеса смещает ее резонансную частоту вверх.
Поэтому для подстройки антенны с полезно предусмотреть
возможность оперативной регулировки индуктивности катушки.
В трансиверах желательно использовать отдельные удлиняющие
индуктивности в режиме приема и передачи. Это позволит
оптимально согласовать штырь как с приемником, так и с передатчиком.
Разумеется, если отличие сопротивлений входа приемника и выхода
передатчика мало, то можно обойтись и одной удлиняющей катушкой,
поскольку при переключении RX/TX (прием/передача) смещение
резонансной частоты системы будет также небольшим. Здесь нужно
решить, исходя из практических соображений, что проще - переключать
удлиняющие катушки или сделать одинаковыми сопротивления
выхода передатчика и входа приемника. В «фирменной» аппаратуре
стремятся к последнему, хотя и встречаются варианты с подстройкой
входа приемника при переключении антенны. В самодельной аппаратуре
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ УДЛИНЕННЫЕ ИНДУКТИВНОСТЬЮ
237
К трансиберу
35 мм
*у
Рис. 8.17. Антенна с катушкой в середине
для диапазона 27 МГц вопросу согласования антенны в режиме
приема часто не уделяют должного внимания, что уменьшает
эффективность переносных радиостанций.
В литературе имеются описания антенн Си-
Би станций с индуктивностью в середине
антенны (рис. 8.17).
В [13] описана антенна с длиной плеч по
110 мм и удлиняющей катушкой, намотанной
витком к витку на каркасе диаметром 6 мм
(130 витков провода ПЭЛ-0,15). При
испытании эта антенна показала следующие
результаты: с четвертьволновым противовесом входное
сопротивление оказалось равным 90 Ом, а
полоса пропускания - 400 кГц; с корпусом
радиостанции в качестве «земли» - 140 Ом
и 600 кГц соответственно. Смещение полосы
пропускания в случае противовеса составила
900 кГц.
Добавление емкостной нагрузки(рис. 8.18)
позволило уменьшить смещение резонансной
частоты антенны при подключении
противовесов до 600 кГц. Полоса пропускания
увеличилась на 50 кГц. Входное сопротивление
понизилось до 75 Ом в случае с противовесом
и до 90 Ом, когда противовесом служил корпус
станции. Напряженность поля вблизи антенны
возросла в 1,3 раза. Все это говорит о
преимуществах схем с емкостной нагрузкой для таких
антенн.
Еще более эффективно действует емкостная
нагрузка, показанная на рис. 8.19, но она
сложнее при практической реализации.
Сравнение антенн с индуктивностью у
основания (рис. 8.16) и в середине (рис. 8.17)
показало, что при одинаковой высоте и с
одинаковыми четвертьволновыми противовесами
вторая антенна создает примерно в 1,4-1,6 раза
К трансиберу
Рис. 8.18. Антенна
с концевой емкостной
нагрузкой
К трансиберу
Рис. 8.19. Антенна
с емкостной нагрузкой
в середине
238 МАЛОГАБАРИТНЫЕ АНТЕННЫ ПЕРЕНОСНЫХ СТАНЦИЙ СИ-ЬИ СВЯЗИ
большую напряженность поля, чем первая. При добавлении
емкостной нагрузки преимущества такой антенны проявляются в еще
большей степени.
Если противовесом служит только корпус радиостанции, то оба
варианта практически равноценны, так как различия в создаваемой
напряженности поля составляют уже не более, чем 1,2 раза. Поэтому
в переносных станциях можно использовать оба типа штырей, а для
подвижных станций больше подходит антенна с центральной
индуктивностью.. В обоих случаях целесообразно подключение емкостной
нагрузки.
В практическом отношении, в переносных станциях лучше
применять антенны из толстого медного провода диаметром 2-5 мм.
Антенна меньшего диаметра недостаточно прочна механически. Для
автомобильных станций годятся короткие «куликовки» или подходящие
антенны от армейских радиостанций соответствующей длины и,
главное, прочности.
НЕРЕЗОНАНСНЫЕ ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
Нерезонансные штыревые антенны наименее эффективны из всех
существующих укороченных штыревых антенн. Они проигрывают
в 2-3 раза по создаваемой ими напряженности поля таким же по
длине штыревым антеннам с удлиняющей индуктивностью и гораздо
более чувствительны к влиянию находящегося рядом человека. Тем не
менее, их еще в некоторых случаях используют.
Одна из распространенных схем нерезонансной антенны
приведена на рис. 8.20. Она применяется, в частности, в радиостанциях,
упоминаемых в [14] и [15]. В передатчиках этих радиостанций
используется двухтактные выходные каскады, работающие с контуром из
катушек L{ и Ц. Они связаны с антенной через катушку связи L3;
с помощью катушки L4 и
конденсатора С{ контур L3, L4, C{ и А{
(штырь с емкостным входным
импедансом) настраивают в
резонанс на частоту 27 МГц. Хотя сам
по себе выходной каскад является
достаточно мощным, дальность
связи получается меньше
ожидаемой из-за неполного отбора от
него мощности, поскольку
согласование двухтактного каскада на
резонансной частоте антенны -
к г,<*
кт,
Рис. 8.20. Нерезонансная штыревая
антенна в составе выходного контура
НЕРЕЗОНАНСНЫЕ ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
239
задача сложная, и однозначно простыми
методами не решается. В связи с этим применение
двухтактных каскадов в простых Си-Би
радиостанциях нецелесообразно.
Простые нерезонансные антенны
используются также в передатчиках в качестве элементов
контуров каскадов с самовозбуждением
(например, как в [13]; см. рис. 8.21) или в
сверхрегенеративных приемниках.
Нормальные резонансные антенны, в отличие
от нерезонансных, имеющих входной импеданс
емкостного характера, для этих целей не
применяются, так как могут срывать генерацию
каскада в режиме передачи и сверхрегенерацию в
режиме приема.
ТГ
Рис 8.21
Нерезонансная
штыревая антенна
сверхрегенеративного
трансивера
Все же из-за низкой эффективности использование нерезонансных
антенн оправдано лишь в простых игрушках, где требуемая дальность
связи не превышает 50-100 м. Для более дальней связи подходят
только резонансные антенны. Как показывает опыт, простые
импортные радиостанции, которые потребляют от источников большую
мощность, чем, например, отечественные «Колибри», но работают
с нерезонансными антеннами, обеспечивают гораздо меньшую
дальность связи.
Наконец, иногда приходится выбирать короткие нерезонансные
антенны, поскольку подключение резонансной антенны
(полноразмерной или укороченной) приводит к самовозбуждению
передатчика из-за особенностей построения выходного каскада и его цепей
согласования с антенной. На выходе таких передатчиков с
нерезонансными антеннами применяют, как правило, П-контуры {рис. 8.22).
Емкость штыря при этом вносится в емкость П-контура. Следует
помнить, что в «классическую» укороченную штыревую антенну
длиной примерно 70-100 см входит удлиняющая индуктивность, значение
К трансиберу «*
Рис 8.22. Связь П-контура с нерезонансной штыревой антенной
240 МАЛОГАБАРИТНЫЕ АНТЕННЫ ПЕРЕНОСНЫХ СТАНЦИЙ СИ-БИ СВЯЗИ
которой (около 2 мкГн) практически не зависит от места ее включения
в антенну. Если в такой антенне нет емкостной нагрузки и
настраивается она существенно меньшей индуктивностью, то скорее всего ее
резонансная частота находится вне диапазона 27 МГц. Нужно с
осторожностью относиться к такому сочетанию антенны с выходным
каскадом. А в литературе встречаются подобные схемы... Антенны
Си-Би радиостанций, описания которых можно найти в
радиолюбительской литературе последних лет, резонируют за пределами
диапазона 27 МГц. При проверочных измерениях их резонансные частоты
лежали в интервале 50-120 МГц. Естественно, что такие антенны не
обеспечат максимальной дальности связи на 27 МГц, а выходные
каскады передатчиков будут работать неоптимально.
МАГНИТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
ПЕРЕНОСНЫХ СИ-БИ РАДИОСТАНЦИЙ
Магнитные рамочные антенны автор не встречал ни в одной из
переносных Си-Би радиостанций. Но это не значит, что такое их
использование нецелесообразно. Автором была изготовлена магнитная
рамочная антенна для диапазона 27 МГц с размерами, указанными на
рис. 8.23а. Схема подключения согласующего устройства
изображена на рис. 8.236.
Экспериментальное исследование показало, что входное
сопротивление антенны составляет 75 Ом с очень малой реактивной
составляющей, а полоса пропускания - 600 кГц. Сделана она была из
двухмиллиметрового изолированного медного провода типа ПЭЛ; воздушный
конденсатор настройки укреплялся на небольшой плате из
стеклотекстолита. Антенна оказалась весьма мало чувствительной к влиянию
человека и противовесов. Две одинаковых антенны, собранные
согласно рис. 8.23, подключали к двум радиостанциям типа «Колибри-М».
Сравнение со случаем применения штатных спиральных антенн
показало, что при прочих равных условиях по дальности связи магнитная
_lk? 7 + зо
I \ Периметр 80 см
9...15см
Рис 8.23. Магнитная рамочная антенна Си-Би диапазона
МАГНИТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
241
антенна превосходит спиральную в 1,5 раза на открытой местности
и в 2-3 раза в условиях города. При этом основную роль играла
направленность магнитной антенны.
Использование магнитных антенн для Си-Би связи с
подвижными объектами имеет, например, смысл, когда трасса связи
переносных радиостанций лежит в заранее известном направлении. Тем
более, что уровень TVI (помех приему телевидения) от таких антенн
гораздо ниже, чем от штыревых, что особенно важно при работе из
постоянной QTH (географической точки)..
Магнитная антенна очень хорошо согласуется с выходным
каскадом передатчика. Но из-за сильного магнитного поля, создаваемого
антенной, возможны наводки на промежуточные каскады
передатчика и его самовозбуждение. Однако в проведенных автором
испытаниях магнитной антенны с несколькими типами передатчиков
такого не наблюдалось.
Из преимуществ магнитных антенн над штыревыми следует
отметить простоту их настройки и эффективность работы при одинаковой
высоте, а также отсутствие влияния на них тела человека и «земли».
К недостаткам относятся некоторая громоздкость и опасность
получить ожог от высокочастотного напряжения, есл'и прикоснуться к
настроечному конденсатору антенны при мощностях более 1 Вт
Правда, при этом происходит расстройка магнитной антенны и амн.пм \,и
напряжения на конденсаторе резко снижается до безвредной не iuhj-
ны. Представляется, что такие простые и эффективные антенны
должны занять в будущем свое место среди антенн Си-Би станций.
МЕТОДЫ НАСТРОЙКИ И ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
АНТЕНН ПЕРЕНОСНЫХ СИ-БИ СТАНЦИЙ
При построении укороченных штыревых антенн важное место
занимает их соответствующая настройка, которая, как указывалось выше,
имеет свои особенности в сравнении с настройкой полноразмерных
антенн. Резонансная частота укороченных штыревых антенн зависит
как от размеров корпуса (заземления или противовесов)
радиостанции, так и от параметров согласующего П-контура.
Систему «передатчик - антенна - противовесы» можно
представить в виде эквивалентной схемы, показанной на рис. 8.24.
Комплексное выходное сопротивление передатчика Zra обычно
активно и приводится к величине, близкой к 50-75 Ом. Комплексное
сопротивление антенны Za зависит от таких факторов, как степень
настройки на рабочую частоту, параметры удлиняющей катушки,
диаметр антенны и влияние на нее находящегося рядом человека.
242 МАЛОГАБАРИТНЫЕ АНТЕННЫ ПЕРЕНОСНЫХ СТАНЦИЙ СИ-БИ СВЯЗИ
Ztx
HZU
50 (75) Ом
Za
Zn
Рис. 8.24. Эквивалентная схема
То же самое можно сказать о коротком противовесе, роль которого
в данном случае играет корпус радиостанции. Лишь при
использовании резонансного противовеса удается уменьшить влияние
находящегося рядом человека как на противовес, так и на саму антенную
систему.
Как указывалось выше, при подключении резонансного
противовеса происходит сдвиг резонансной частоты короткой штыревой
антенны (хотя здесь правильнее
было бы говорить о системе
«антенна - противовес») на 600-900
кГц вверх. Учет этого
обстоятельства позволяет упростить ее
начальную настройку. Схема стенда
для настройки представлена на
рис. 8.25.
При настройке антенны сигнал от генератора высокой частоты
(ГВЧ) подается на частотомер (ЧМ) и широкополосный усилитель
(ШПУ), входное и выходное сопротивления которого - около 75 Ом.
Усилитель доводит мощность сигнала до 1-2 Вт, который далее
поступает на ВЧ мост (4), аналогичный описанному в [4]. К ВЧ мосту
присоединена исследуемая антенна и четвертьволновый противовес.
Напряженность поля контролируется индикатором напряженности
поля любой известной конструкции, желательно - с линейной
шкалой. Собрав такой стенд, следует протестировать на нем уже
известную укороченную антенну (или какую либо другую) диапазона 27 МГц
и пользоваться ею в дальнейшем как образцовой при проведении
испытаний других антенн. Необходимо обеспечить, чтобы вокруг
укороченной антенны на расстоянии не менее двух ее линейных
Индикатор
напряженности
• поля
Антенна
Рис. 8.25. Стенд для настройки укороченной антенны
МАГНИТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
243
размеров не было посторонних предметов. Лучше всего (если это
возможно) проводить измерения в свободном пространстве.
Полученные результаты вносятся в таблицу из трех строк: в
верхней записывают частоту, в средней - входное сопротивление
антенны, измеренное с помощью ВЧ моста, а в нижней - напряженность
поля (в относительных единицах). Легко заметить, что графики,
построенные по данным нижней и средней строк, весьма похожи между
собой. Теоретически входное сопротивление короткой штыревой
антенны длиной 80 см с удлиняющей катушкой для диапазона 27 МГц
должно находиться в пределах 10-16 Ом. Чем ближе к указанной
величине входное сопротивление антенны при резонансе, тем выше
ее КПД. Все это очень хорошо видно на индикаторе напряженности
поля при сравнительных измерениях нескольких антенн.
На том же стенде можно провести настройку антенны на
необходимую частоту Си-Би диапазона, изменяя размеры и число витков
катушки, длину штыря или емкостную нагрузку. Полезно проверить
антенну и на наличие резонансов на гармониках антенны.
Если в лаборатории радиолюбителя есть прибор для измерения
амплитудно-частотных характеристик (АЧХ), например типа Х1-1А,
который позволяет работать в диапазоне 27 МГц, то можно собрать
стенд для наглядного представления частотных характеристик
антенн. Такой стенд (рис. 8.26а) состоит из самого прибора XI-1А
и подключенного к его входу ШПУ. Во избежание возбуждения этот
усилитель следует питать от батарей. Подав на вход усилителя в
канале исследуемой антенны сигнал от XI-1А и разместив приемную
антенну прибора на максимально возможном удалении от первой,
просмотреть амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) антенны
на экране ИЧХ. На таком стенде очень удобно производить
регулировку антенны - на экране хорошо видно влияние вносимых
изменений на амплитуду, на резонансную частоту и на полосу пропускания
антенны. На стенде, собранном по схеме на рис. 8.266, получаются
примерно такие же результаты. Изображение на экране здесь
соответствует перевернутой АЧХ антенны.
Настроив антенну на частоту чуть выше рабочей
(приблизительно на 600 кГц) в Си-Би диапазоне (27 МГц), приступают к
дальнейшему согласованию антенны с переносной радиостанцией. Для
этого выход передатчика радиостанции настраивают на нагрузку
примерно в 2-2,5 раза большую, чем измеренное сопротивление
короткой антенны на резонансной частоте. Затем промежуточный
каскад передатчика переводят в режим самовозбуждения любым
известным способом (например, включают ВЧ дроссель в цепь эмиттера
транзистора промежуточного каскада, конденсатор 12 пФ между
244 МАЛОГАБАРИТНЫЕ АНТЕННЫ ПЕРЕНОСНЫХ СТАНЦИЙ СИ-БИ СВЯЗИ
АНТ.
R
50...200 Ом
(по лучшей
'картинке')
а) 6)
Рис. 8.26. Стенд для настройки антенны на базе ИЧХ
эмиттером и коллектором и заземляют базу по ВЧ - см. рис. 8.27)
или используют отдельный ВЧ генератор. Собирают стенд по схеме,
показанной на рис. 8.28.
Здесь к выходному П-контуру переносной Си-Бй радиостанции
(1) подключается уже настроенная короткая антенна (П-коцтур
также настраивают заранее на ее ожидаемое входное сопротивление).
Кроме того, применяют индикатор напряженности поля (2) и
частотомер (3) с подключенной на его вход антенной (лучше
четвертьволновой). Изменяя частоту, наблюдают за показаниями индикатора
напряженности поля и частотомера. На резонансной частоте системы
показания индикатора будут максимальными. Наиболее точные
результаты получаются при измерениях в свободном пространстве.
Далее, регулируя параметры
антенны, выводят ее
резонансную частоту на середину Си-Би
диапазона, а затем, изменяя
параметры П-контура,
добиваются максимума показаний
индикатора напряженности поля.
Из-за сильного влияния на
систему человека ее тщательная
настройка оказывается не
совсем простым делом. После на-
Рис 8.27. Перевод промежуточного каскада стройки проверяют, чтобы при-
в режим самовозбуждения сутствие оператора не слишком
Частота
К быходному
усилителю
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
245
ез
Частота
С2ь
Рис. 8.28. Стенд для настройки короткой Си-Би антенны
«уводило» ее резонансную частоту и не оказывало заметного
воздействия на напряженность поля.
По данной методике можно настраивать и короткие антенны
автомобильных станций. При этом следует отметить, что в диапазоне
27 МГц корпус автомобиля является очень хорошим противовесом,
поэтому смещения частоты при измерении параметров антенны ни на
стенде, ни на реальном автомобиле практически не происходит.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приведенные выше результаты
справедливы и в других диапазонах, но
с учетом специфики антенн.
Например, укороченная антенна диапазона
144 МГц при подключении к ней
четвертьволнового противовеса или с
корпусом станции в качестве противовеса
практически не меняет своей
резонансной частоты. Антенны более
низкочастотных диапазонов подвержены
значительному влиянию «земли».
Большой интерес представляет собой
создание компактного антенного
хозяйства из укороченных штыревых антенн.
Действительно, даже на
малогабаритном балконе можно разместить
спиральные антенны, рассчитанные на
1-2»
Рис. 8.29. Штыревая антенна,
переключаемая с помощью
катушек на различные
любительские диапазоны
246 МАЛОГАБАРИТНЫЕ АНТЕННЫ ПЕРЕНОСНЫХ СТАНЦИЙ СИ-БИ СВЯЗИ
любительские диапазоны от 7 до 30 МГц, которые не будут мешать
друг другу. Единственная сложность в этом варианте - их
переключение. Есть и другой путь: использование штыря длиной 1-2 м
(желательно с емкостной нагрузкой) с переключением удлиняющих катушек
(рис. 8.29).
Такая система будет работать уже в диапазонах от 10 до 160 м.
Сложность даннбго варианта состоит в необходимости подстраивать
катушки индуктивности внутри любительских диапазонов, начиная
с 14 МГц, поскольку здесь и далее полоса пропускания антенны
меньше любительского диапазона. Это означает, что конструкция
антенны должна обеспечить доступ к катушкам.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кузнецов С. (UC2CAM), Чепыженко В. (RC2CA).
Применение спиральных резонаторов в любительской KB аппаратуре.
Радиолюбитель, № 4, 1991.
2. Виноградов Ю. Радиоканал охранной сигнализации. Радио, № 1,
1995.
3. Кучер А. Радиолюбитель, № 2, 1994, с. 58-59.
4. Ротхаммель К. Антенны. - М.: Энергия, 1979.
5. Бикчентаев И. АМ-трансивер. Радиолюбитель, № 2, 1994.
6. Стасенко В. Портативная радиостанция личного пользования.
Радиолюбитель, № 8, 1991.
7. Сушко С. Спиральная антенна для портативных
радиостанций. Радиолюбитель, № 5, 1992.
8. Гончаренко И. WALKIE-TALKIE: Япония, тип. «Д»...
Радиолюбитель, № 10, 1991.
9. Клинаев Ю. Миниатюрный АМ-трансивер на 27 МГц.
Радиолюбитель, № 1, 1992.
10. Рубцов В. Портативная, из доступных элементов.
Радиолюбитель, № 8, 1992.
11. Чухиль Н. Радиостанция в школьном пенале. Радиолюбитель,
№ 8, 1992.
12. Лавренко И. Радиопереговорное устройство. Радиолюбитель,
№ 2, 1994.
13. Марушкевич Н. Радиостанция на трех транзисторах.
Радиолюбитель, № 10, 1991.
14. Черкашенко А. Портативная радиостанция на 28 МГц.
Радиолюбитель, № 5, 1993.
15. Белорыбкин С. Карманная радиостанция. Радиолюбитель,
№ 2, 1992.
ГЛАВА
СТРАНИЦА
АНТЕННЫ
6-МЕТРОВОГО
ДИАПАЗОНА
Обзор антенн, работающих
в 6-метровом диапазоне 248
Литература 250
248
АНТЕННЫ 6-МЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
Пока российские коротковолновики не могут использовать диапазон
6 м. Но будем надеяться, что в будущем он откроется и для нас.
ОБЗОР АНТЕНН,
РАБОТАЮЩИХ В 6-МЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ
В силу своей специфики 6-метровый диапазон требует применения
антенн, рассчитанных специально для работы на этих волнах.
Антенну, предназначенную для более низких частот, согласовывать в этом
диапазоне достаточно сложно, так как характерные размеры
соответствующего согласующего устройства здесь оказываются небольшими.
Самой простой и эффективной антенной, к тому
же работающей в нескольких диапазонах, питание
которой можно осуществить с помощью
коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50-
75 Ом, является уменьшенная антенна UW4HW
[1}. При уменьшении всех ее размеров
пропорционально в 2 или 3 раза она станет пригодной для
диапазонов 6-15 или 6-10 м, соответственно. Она
лучше работает, чем обыкновенный
четвертьволновый штырь, рассчитанный на диапазон 6 м.
Широкополосный вибратор в этом диапазоне
целесообразно устанавливать только на
металлической крыше, которая является для него хорог
шей «землей». Если крыша неметаллическая, то
необходимо использовать как можно больше
противовесов. Желательно (но не обязательно),
чтобы противовесы были четвертьволновыми.
Рекомендуется использовать несколько противовесов,
конструктивно аналогичных самой антенне.
Можно разместить антенну и ее объемный противовес
вертикально, как в антенне UA1DZ (рис. 9.1 [2]).
Хорошо в этом диапазоне работает рамочная
антенна с периметром 6 м любой формы (круг,
Широкополосный треугольник, квадрат), запитываемая через 75-ом-
ви ратор HbIg кабель jre Можно сделать из медного провода
диаметром 1-3 мм.
Если на расстоянии 0,9-1,2 м от этой рамки разместить рефлектор
(лучше такой же формы) с периметром 6,3 м, то получится
двухэлементная рамочная антенна. В зависимости от ее формы и
размещения, коэффициент усиления составляет не менее 5 дБ.
ОБЗОР АНТЕНН, РАБОТАЮЩИХ В 6-МЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ
249
Очень хорошо зарекомендовала себя антенна типа ZL (рис. 9.2 [3]).
Размещают ее на высоте не менее 3 м над землей. Полотно ее делают
обычно из провода диаметром 1-3 мм. Она является
широкополосной и не нуждается в настройке, если выполнена точно по чертежу.
Коэффициент усиления в направлении максимума составляет не
менее 5,5 дБ, а ослабление заднего лепестка - 40 дБ. Питание антенны
осуществляют через кабель с волновым сопротивлением 75 Ом.
Хорошие результаты дает и использование открытой рамки (рис. 9.3).
Усиление, которое она обеспечивает, составляет не менее 5,5 дБ,
а диаграмма направленности имеет форму восьмерки. Поскольку
у этой антенны высокое входное сопротивление, для согласования
с коаксиальным кабелем необходим четвертьволновый
трансформатор, как показано на, рис. 9.3а.
Более тщательное согласование можно выполнить с помощью
четвертьволнового резонатора, изображенного на рис. 9.36. Здесь точки
подключения кабеля с ) подбирают по наименьшему КСВ. Если
около рамки на расстоянии 0,9-1,2 м разместить рефлектор с
периметром 12,6 м, то получится двухэлементная антенна, обеспечивающая
усиление не менее 8,5 дБ. Схемы питания и согласования
двухэлементной рамочной антенны аналогичны схемам одноэлементной.
Ю-20 см
Линия состоит из
1-2 мм пробода
с расстоянием 5 см
между этажами
Рис 9.2. Антенна типа 11 и ее диаграмма направленности
250
АНТЕННЫ 6-МЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
12 м
Диаметр
1-3 мм
Диаметр
1 мм
1.5 м
20 см '
Кабель 50-75 Ом
Кабель 75 Ом |
а) б)
Рис 9.3. Варианты открытой рамки для диапазона 6 м
ЛИТЕРАТУРА
1. Матийченко Ю. (UW4HW). Многодиапазонная вертикальная
антенна. Радио, № 12, 1968, с. 21.
2. Чернятынский Ю. (UT5YB). Модернизация противовесов
антенны UW4HW. Радио, № 12, 1991, с. 19.
3. Ротхаммель К. Антенны. - М.: Энергия, 1979.
СТРАНИЦА
10
ТИПЫ СУРРОГАТНЫХ
АНТЕНН
Суррогатные несимметричные антенны 252
Несимметричные наружные антенны 255
Дипольные суррогатные антенны 257
Вседиапазонная «невидимая» антенна 258
252
ТИПЫ СУРРОГАТНЫХ АНТЕНН
Наверное, многим приходилось сталкиваться с проблемой быстрого
развертывания любительской антенны в комнате или в небольшом
доме. Это может произойти на даче, или в том случае, когда
требуется быстро испытать вновь построенный трансивер. В общежитиях,
а также на территории некоторых районов города не допускается,
чтобы антенна была видна снаружи, и поневоле приходится
принимать меры по ее маскировке. В этих случаях возникает вопрос - чем
в подобных обстоятельствах воспользоваться для работы? Дать ответ
на него и призвана данная глава.
Любая антенна характеризуется такими параметрами, как
усиление, КПД и входное сопротивление. Если входное сопротивление
удается измерить с помощью несложных измерительных приборов
и методов, то задача определения усиления и КПД значительно
сложнее. В радиолюбительских условиях ее, как правило, решают
моделированием. При этом пользуются тем, что знание входного
сопротивления антенны позволяет косвенна судить о ее КПД.
СУРРОГАТНЫЕ НЕСИММЕТРИЧНЫЕ АНТЕННЫ
Легче всего изготовить несимметричную q/ррогатную антенну i
например, в виде отрезка провода, играющего роль штыревой антенны
и подключенного непосредственно к выходу передатчика.
Несимметричную суррогатную антенну установить в квартире
легче, чем другие. Она может быть электрически нормальной длины (Х/4
и более) и укороченной.
Любую штыревую антенну, как мы знаем, можно условно
разделить на две части - на собственно излучающий штырь и его зазем-
i ляющую систему (рис. 10.1). Составляющие входного
Д, сопротивления классического штыря в свободном про-
I ' Штырь странстве, относящиеся к штырю и к его противовесам
примерно одинаковы. В комнате, эти сопротивления
будут различными из-за влияния на антенну близлежа-
Передатчик
щих предметов, что отрицательно сказывается на ее
работе. Хотя такая антенна может работать в железобе-
J -земля- тонных зданиях, но все-таки более целесообразно
использовать ее главным образом в кирпичных или
деревянных домах.
Рис 10. / Возможны несколько вариантов выполнения несим-
Схема метричной комнатной антенны(рис. 10.2).
штыревой При работе на достаточно высокочастотных диапазо-
антенны нах провод длиной в четверть волны удобно проложить
СУРРОГАТНЫЕ НЕСИММЕТРИЧНЫЕ АНТЕННЫ
253
н
J
1
Передатчик
г
L
Ч
Н\ЛЛЛЛЛАЛ-
1 Передатчик
_L
HVWWWS
1 I Передатчик
_1_
(-ЛЛЛЛЛЛЛ/1—
Передатчик
1 1
i.
а) б) в) rj
Рис. 10.2. Примеры выполнения несимметричных антенн
по стене и по потолку (рис. 10.2а), однако на длинах волн более 20 м
размеров комнаты не всегда хватает для такого отрезка. В этом
случае его изгибают зигзагообразно, как показано на рис. 10.26. При
работе в диапазонах 80 и 160 м, такой зигзагообразно изогнутый
провод обычно уже помещается на двух стенах и потолке (рис. 10.2в).
Если от антенны, показанной на рис. 10.2а, следует ожидать
хорошей работы и излучения под сравнительно низкими углами к
горизонту, то в случае, представленном на рис. 10.26, излучения под
низкими углами к горизонту уже не будет, так как объем пространства,
в kqtopom формируется диаграмма направленности, ограничен. Если
последовательно с изображенной на рис. 10.2г антенной, длиной
2,5 или 5 м (электрически короткой), которая работает в 10- или 20-
метровом диапазоне соответственно, включить вариометр с
индуктивностью до 100 мкГн, то ею можно пользоваться в диапазонах 12-160 м.
Однако, в отличие от антенн на рис. 10.26 и 10.2в ее эффективность
уменьшается по мере перехода в более низкочастотные диапазоны.
Применять такие суррогатные антенны без эффективного заземления
нельзя. Хуже всего, если роль «земли» будет, выполнять сеть питания,
что чревато возникновением значительных радиопомех.
Металлические трубы отопления и водопровода в качестве «земли» дают гораздо
лучшие результаты, но радикально помехи не устраняются.
Снизить уровень помех приему телевидения и повысить
эффективность работы помогает прокладка по полу нескольких противовесов
длиной в четверть волны. Их либо изгибают так же, как и основную
антенну, либо проводят по периметру нескольких комнат (рис. 10.3).
Антенны, представленные на рис. 10.2, желательно располагать на
верхних этажах здания. В любом случае их наличие вызывает
сильные помехи, как в приемной, так и в звуковоспроизводящей
аппаратуре, поэтому основное время использования суррогатной
несимметричной антенны - это ночь, когда ее работа в качестве передающего
устройства никому не мешает.
254
ТИПЫ СУРРОГАТНЫХ АНТЕНН
ПротиЬоЬесы
и
\
Антенна.
размещенная на потолке
Рис. 10.3. Размещение противовесов несимметричной суррогатной
антенны в нескольких комнатах
Изменение положения тела человека и других проводящих
объектов около электрически коротких антенн ведет к их рассогласованию.
В режиме передачи это проявляется в виде флуктуации излучаемого
сигнала. Особенно сильно влияют на антенну проводники,
сравнимые с ней по размерам. Больше всего это влияние ощущается в
радиусе 2-3-х линейных длин антенны. Предсказать, как подействуют на
такую антенну электрическая сеть, трубы отопления и водопровод,
достаточно трудно.
Несколько меньше посторонние предметы влияют на
широкополосные несимметричные антенны. Самая простая широкополосная
суррогатная антенна, работающая в диапазоне 10-40 м, - это
обыкновенная железная кровать (если она еще сохранилась...). Другим
примером может служить дверь, обитая.по периметру и диагоналям
тонкой медной или алюминиевой полосой (рис. 10.4).
Медную фольгу нетрудно найти в электрическом хозяйстве многих
промышленных предприятий, а алюминиевую, например, на
молокозаводах. Дверь-антенна работоспособна в диапазоне 10-15 м при
длине провода от угла двери до передатчика
около 2 м, а при более длинном проводе
она сможет работать в диапазоне 10-40 м.
Применяют и потполочно -настенную
широкополосную антенну (рис. 10.5).
Она хорошо работает в диапазоне длин
волн 0,2-1 от длины антенны. Полотно
транТибер антенны должно состоять как минимум
о mj ш из трех проводников. Очень хорошо, если
Рис. 10.4. Широкополосная r \\
несимметричная антенна, антенна будет сделана из медных или
размещенная на двери алюминиевых полос.
НЕСИММЕТРИЧНЫЕ НАРУЖНЫЕ АНТЕННЫ
255
V
А
1-2 м
Трансибер
Рис. 10.5. Широкополосная потолочно-настенная антенна
Недостатком комнатных антенн является то, что все предметы,
находящиеся в комнате, принимают участие в их работе.
Полупроводящие тела - человек, домашние животные и растения - поглощают
энергию, а проводящие предметы - металлические зеркала, трубы
отопления и водопровода - переотражают и рассеивают ее. В
результате снижаются КПД и усиление суррогатных антенн. Нужно иметь
в виду, при подведении к ним большой мощности (около 1000 Вт)
они способны выжечь в близко расположенном радиоприемнике
контуры, если те случайно окажутся настроенными на частоту
передатчика. Комнатные антенны трудно эффективно эксплуатировать
внутри железобетонных зданий из-за сильного поглощения и рассеяния
электромагнитных волн арматурой.
НЕСИММЕТРИЧНЫЕ НАРУЖНЫЕ АНТЕННЫ
Для работы из железобетонного здания нужна наружная антенна.
Использование в этой ситуации арматуры здания в качестве
«земляной» системы дает существенное увеличение (до 2-х баллов по
шкале RS) уровня принимаемого сигнала. Подключиться к ней можно
прямо на балконе, железное ограждение которого должно быть
электрически связано с ней по строительной технологии.
После этого необходимо определить, какой тип антенны наиболее
целесообразно использовать - простую штыревую (рис. 10.6а),
удлиненную штыревую (рис. 10.66) или широкополосную штыревую
антенна (рис. 10.6в).
В режиме передачи самой эффективной является антенна,
изображенная на рис. 10.6а. Штырь вместе с проводом подключения к
передатчику должен быть длиной в четверть волны выбранного
диапазона. Если в диапазонах 10-160 м это невыполнимо, то используют
короткий штырь (длиной 2-3 м), который согласовывают с помощью
256
ТИПЫ СУРРОГАТНЫХ АНТЕНН
Рис. 10.6. Наружные суррогатные несимметричные антенны
вариометра с пределами регулирования индуктивности 1-100 мкГн.
Штырь удобно изготовить, например, из алюминиевого шеста для
прыжков в высоту. Вариометр подключается непосредственно на
выходе передатчика.
Антенны, показанные на рис. 10.66 и Ю.бв, следует размещать
возможно дальше от стены здания. Рекомендуемые размеры для них
такие же, как и для внутрикомнатных антенн.
Недостатки наружных несимметричных антенн:
• сильное поглощение электромагнитного поля стенами дома;
• необходимость подстройки электрической длины антенн (из-за
влияния близко расположенных стен здания приходится делать
их чуть короче расчетной длины) с помощью удлиняющей
катушки;
• высокий электрический потенциал антенны и согласующей
катушки относительно «земли», что создает опасность поражения
человека.
ДИПОЛЬНЫЕ СУРРОГАТНЫЕ АНТЕННЫ
257
КПД как наружных, так и комнатных суррогатных антенн мал и в
общем случае не превышает 10%. Но даже и с такими антеннами можно
длительное время успешно работать в эфире.
ДИПОЛЬНЫЕ СУРРОГАТНЫЕ АНТЕННЫ
В отличие от широко распространенных штыревых суррогатных
антенн, дипольные суррогатные и комнатные применяются
сравнительно редко. Объясняется это тем, что находящиеся вблизи посторонние
предметы искажают их диаграмму направленности и нарушают
электрическую симметрию, что сводит на нет многие их преимущества.
Но если предполагается работать только в достаточно
высокочастотных диапазонах," то можно воспользоваться дипольной антенной
с рефлектором (рис. 10.7).
Упрощенный вариант такой антенны представляет собой
расположенный на расстоянии 0,1-0,3 длины волны от стены дома обычный
классический диполь с длиной плеч в четверть X. На стене
укрепляется рефлектор с размерами, на 10-15% больше диполя. (В
диапазоне 10-15 м антенну с такими размерами изготовить все еще
реально.) Поскольку рефлектор в данной конструкции (их лучше иметь
несколько) достаточно хорошо защищает диполь от влияния стены
и других находящихся за ним посторонних предметов, от этой
антенны можно ожидать неплохих результатов. Максимум ее излучения
перпендикулярен диполю и рефлектору.
Допускается установка этой антенны на любых зданиях -
кирпичных или бетонных, хотя металлическая арматура последних несколько
Рис 10.7. Двухэлементная направленная антенна
258
ТИПЫ СУРРОГАТНЫХ АНТЕНН
Рис. 10.8. Суррогатная направленная антенна с несколькими рефлекторами
расстраивает рефлектор. Не исключено, что в этом случае более
приемлемым окажется вариант с несколькими рефлекторами длиной до
0,6Х (рис. 10.8).
Самое сложное в этом случае - надежно установить такую антенну
на стене дома. К ее достоинствам относится то, что она практически не
требует сложной настройки, поскольку ее входное сопротивление
можно регулировать примерно от 15 до 70 Ом, изменяя расстояние
между рефлектором и вибратором в пределах 0,1-0,3 от рабочей
длины волны. Это позволяет достаточно просто согласовать антенну
с коаксиальным кабелем, например, применить гамма-согласование.
Даже при непосредственном подключении кабеля, когда расстояние
«вибратор - рефлектор» составляет 0,2-0,3 от X, КНД и КПД
антенны оказываются достаточно высокими.
ВСЕДИАПАЗОННАЯ «НЕВИДИМАЯ» АНТЕННА
В антенном хозяйстве радиолюбителя желательно иметь антенну,
подходящую для всех диапазонов и к тому же надежно защищенную от
повреждений. Поскольку все наружные антенны, несмотря на их
высокую эффективность, недостаточно защищены от воздействия
природных факторов (и человека), такую систему стоит попытаться разместить
непосредственно в квартире. И это возможно! Антенна, работающая без
переключения во всех KB диапазонах, показана на рис. 10.9.
Она представляет собой изолированный провод толщиной 1 мм,
проложенный по периметру окна. С одной стороны петля нагружена
ВСЕДИАПАЗОННАЯ «НЕВИДИМАЯ» АНТЕННА
259
л Г\
щ L1
210
75 ^
А
U0 Г
<
'
О*
300 0м
Рис. 10.9. Вседиапазонная «невидимая» антенна
на резистор 300 Ом, а с другой через широкополосный
трансформатор 75/300 Ом подключена к трансиверу. Это - вариант короткой
антенны Бевереджа. В представленной практической конструкции
используется нагрузочное сопротивление 300 Ом (в отличие от
обычных 600 Ом), чтобы понизить ВЧ напряжение на антенне
и тем самым уменьшить наводки в звуко- и видеовоспроизводящей
аппаратуре и телевизорах, а также упростить конструкцию
трансформатора.
Несмотря на свою кажущуюся простоту, эта антенна работает
достаточно эффективно. Практика показала, что она позволяет
проводить и дальние, и ближние QSO в ВЧ диапазонах, а также ближние
(до 500 км) QSO в НЧ диапазонах. При смене диапазона нет
необходимости производить настройку антенны, что позволяет применять
широкополосные выходные усилители и транзисторные трансиверы
с 50-омным выходом.
Эффективность этой мини-антенны Бевереджа можно еще
повысить, если расположить ее последовательно на двух окнах, а не на
одном, тем самым увеличив ее длину. Поскольку КПД антенны
75
15
Тр
U0
210
Рис. 10.10. «Невидимая» магнитная антенна
260
ТИПЫ СУРРОГАТНЫХ АНТЕНН
Диапазон
1.9 МГц
3.5 МГц
7 МГц
Емкость С1
350 пФ
200 пФ
25 пФ
в диапазонах 1,9-7 МГц сравнительно мал, была
Таблица 10.1. Емкость сделана попытка его увеличить. Для этого ис-
конденсатора оконной пользуемую в антенне Бевереджа петлю превра-
рЪмочной антенны для щали с помощью переключателей в рамочную
различных диапазонов маГнитную антенну (рис. 10.10).
Значения емкости переменного конденсатора,
необходимые для подстройки резонансной
частоты антенны на различных диапазонах приведены
в табл. 10.1.
Теоретически такая антенна должна быть эффективнее, чем
антенна Бевереджа. Их сравнительные испытания показывают, что
магнитная рамочная антенна дает выигрыш в 2-3 балла (по шкале
RST). Однако на практике при создании магнитной антенны
приходится сталкиваться с некоторыми трудностями. Так серьезной
проблемой является их согласование с фидером. В данном конкретном
случае необходим широкополосный трансформатор 75/1,5 Ом.
Реальные конструкции таких трансформаторов не обеспечивают
оптимальных параметров одновременно во всех диапазонах. Возникают
проблемы и с конденсатором, так как он должен быть с воздушной
изоляцией и большими зазорами между пластинами.
К другим недостаткам магнитной антенны относятся
необходимость ее настройки при переходе с одного диапазона на другой
и большие наводки на бытовую аппаратуру, как
звуковоспроизводящую, так и телевизионную.
Рассмотрим конструкцию трансформатора и переключающего
устройства. Практические конструкции трансформатора 75/300 Ом
были неоднократно описаны в литературе. Автором был изготовлен
Рис. 10.11. Конструкция сердечника трансформатора
ВСЕДИАПАЗОННАЯ «НЕВИДИМАЯ» АНТЕННА
261
Рис. 10.12. Трансформатор «невидимой» антенны
трансформатор из ферритовых пластин марки 600 НН с размерами
20x3x115 мм. Обычно эти пластины используются в качестве
сердечников магнитных антенн приемников СВ-ДВ и не являются
дефицитными. Трансформатор выполнен из 8 пластин, скрепленных
клеем «Момент» (рис. 10.11).
Обмотка трансформатора выполнена из двух витков скрутки
провода диаметром 1 мм в пластиковой изоляции. На рис. 10.12
изображены электрическая схема трансформатора (а), способ изготовления
обмоток 75/300 Ом (б) и схема подключения обмоток (в).
Первый провод скрутки образует повышающую обмотку со
стороны устройства с входным сопротивлением 300 Ом, а второй
разрезается по центру и его концы для получения одновитковой петли
припаиваются соответственно к крайним выводам, согласно рис. 10.12в.
К первичной обмотке, состоящей из одного витка, подключается
кабель с волновым сопротивлением 75 Ом, а со стороны вторичной (из
двух витков) - нагрузка с входным сопротивлением 300 Ом.
Эксперимент показал, что трансформатор работает без искажения формы
сигнала при подводимой к нему мощности до 200 Вт. В табл. 10.2.
приведены значения КПД трансформатора в зависимости от
частоты. Как видно из таблицы, в более высокочастотной части KB
диапазона потери трансформатора существенно уменьшаются.
При мощностях менее 25 Вт вполне можно обойтись и более
простой конструкцией (см. рис. 10.13). Здесь 10 витков скрутки провода
Таблица 10.2. КПД трансформатора 75/300 Ом
Диапазон. МГц
КПД. %
1.9
51
3.5
62
7
63
10
75
К
75
18
78
21
80
24
85
29
90
262
ТИПЫ СУРРОГАТНЫХ АНТЕНН
75 Ом
300 0м
Рис 10.13. Упрощенная конструкция
трансформатора 75/300 Ом
ПЭЛ-0,5 (1 скрутка на 1 см),
равномерно распределены по длине
ферритовой пластины 600 НН
с размерами 20x3x115 мм. Перед
намоткой пластина
предварительно обматывается изолентой,
чтобы предотвратить
повреждение обмотки о ее края. КСВ у
антенны с трансформатором из
одного ферритового стержня оказывается равным 3 на частоте 30 МГц,
2,5 - на 7 МГц и не хуже 1,5 в полосе 1,9-3,5 МГц. Если сердечник
трансформатора состоит из 8 пластин, то КСВ получается не хуже 1,5
во всем интервале 1,9-30 МГц.
Трансформатор 75/1,5 Ом в экспериментах автора был выполнен на
таком же сердечнике, как и у трансформатора 300/75 Ом (рис. 10.13).
Но на этот раз он содержал 4 витка скрутки из гибкого медного
провода толщиной 1 мм в пластиковой изоляции. Один из проводов
скрутки играл роль первичной обмотки (4 витка) для кабеля с
волновым сопротивлением 75 Ом, а второй был разрезан в центре и спаян
с другими своими концами, как показано на рис. 10.12 (один виток).
Рис. 10.14. Принципиальная схема «невидимой» оконной антенны
ВСЕДИАПАЗОННАЯ «НЕВИДИМАЯ» АНТЕННА
263
Вторичная обмотка подсоединялась к антенне с входным
сопротивлением 1,5 Ом.
Испытания показали, что трансформатор удовлетворительно
работает в диапазоне 1,9-7 Мгц, а КСВ антенны при этом оказывается не
хуже 2,5.
Описанная антенная система не нуждается в симметрирующих
устройствах и заземлении. Последнее (как электротехническое, так
и радиотехническое) целесообразно делать только, на трансивере.
Полная принципиальная схема антенны приведена на рис. 10.14.
В положении 1 переключатель St подключает к антенне
трансформатор 75/300 Ом. Чтобы она работала, как антенна Бевереджа,
переключатель S2 необходимо установить в положение 2. При наличии
тюнера на высокочастотных диапазонах S2 может находиться в
положениях 1 и 5. Тогда антенна сможет работать, как открытая или
закрытая рамка, а тюнер сможет согласовать ее с трансформатором.
В положении 2 переключатель St подключает к рамке к
трансформатор 75/1,5 Ом. В этом случае при переходе в диапазон 1,9-7 МГц S2
переводится в положение 3. Нужно добиться, чтобы верхний предел
перестройки переменного конденсатора позволял настраивать
антенну в резонанс на нижней частоте диапазона 1,9 МГц.
Неоновая лампочка НЦ служит индикатором поступления
мощности в антенну Бевереджа, a HL2 - настройки в резонанс магнитной
антенны. Кроме того, свечение HL2 в процессе работы говорит о том,
что переменный конденсатор не пробивается.
Конструктивно переключающие устройства были собраны в
запаянных коробках из фольгированного стеклотекстолита и размещены
примерно на расстоянии 80 см от точек симметрии антенны D и Е.
В этом случае важно лишь, чтобы проводники А и А,, а также В и В{
были попарно одинаковой длины. Сами коробки можно разместить,
например, над или под подоконником.
Чтобы уменьшить влияние емкости тела человека на антенну,
желательно для переменного конденсатора подобрать массивную
диэлектрическую ручку. Фольга переключающих коробок, нагрузки
и конденсатора не заземляется. Оплетка коаксиального кабеля
припаивается к фольге коробки с переключателем Sr Нагрузку 300 Ом
для антенны Бевереджа удобно набирать из резисторов типа МЛТ-2.
Хотя данная антенна и не дает возможности проводить
экзотические QSO, полезно всегда иметь ее наготове, чтобы поддержать
264
ТИПЫ СУРРОГАТНЫХ АНТЕНН
работоспособность радиостанции в случае повреждения наружных
антенн. Следует еще учесть, что, поскольку направления
максимумов диаграмм направленности рамочной магнитной антенны и
антенны Бевереджа не совпадают полностью, то возможна даже
пространственная селекция сигнала при переходе от одной антенны на
другую.
ГЛАВА
СТРАНИЦА
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ТВ АНТЕНН
В ДИАПАЗОНЕ KB
Работа ТВ антенн в режиме приема
в KB диапазонах 266
Работа ТВ антенн в режиме передачи
в KB диапазонах 268
266
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТВ АНТЕНН В KB ДИАПАЗОНЕ
При установке индивидуальной телевизионной антенны стоит
предусмотреть возможность ее применения в KB диапазонах. При
желании ее нетрудно сконструировать как приемную или как
передающую.
Заметим, что некоторые телевизоры создают помехи радиоприему,
как и некоторые приемники, обычно ламповые, мешают телевизорам,
поэтому их одновременное использование затруднительно.
В случае же раздельной эксплуатации ТВ антенна может служить
в KB диапазонах и для приема, и для передачи.
РАБОТА ТВ АНТЕНН В РЕЖИМЕ ПРИЕМА В KB ДИАПАЗОНАХ
Есть несколько способов применения ТВ антенны для приема в KB
диапазоне. Если это петлевой вибратор или зигзагообразная антенна
Харченко, то в диапазоне KB она ведет себя, как простая магнитная
рамочная антенна. Можно использовать и ТВ диполь. Во всех
случаях придется исключить симметрирующие устройства, так как они
создают короткое замыкание на КВ. При раздельной эксплуатации
антенны допускается ее непосредственное подключение к приемнику
коротких волн (рис. 11.1).
Когда телевизор и приемник pa6oTatoT одновременно, необходимо
разделить сигналы того и другого с помощью простейших фильтров
НЧиВЧ(рис. 11.2).
Если симметрирующее устройство уже есть или чувствительность
приемника недостаточна для работы с короткой антенной, то в
качестве антенны можно воспользоваться экраном коаксиального кабеля.
Самый простой способ связи в этом случае - трансформаторный. Для
( )
у,
ъ-
К приемнику
Рис. 11.1. Непосредственное подключение
телевизионной антенны к KB приемнику
РАБОТА ТВ АНТЕНН В РЕЖИМЕ ПРИЕМА В KB ДИАПАЗОНАХ
267
К ТВ антенне
z^=^
30
р К телебизору
APi
20 биткоб
ПЭЛ-0.1
на резисторе МЛТ-1
йр2
60 биткоб
ПЭЛ-0.1
на резисторе ВС-2
К приемнику
200 пФ
Рис. 11.2. Разделительный теле-радио фильтр
его реализации на одном из концов ферритового стержня 600 НН
диаметром 8 мм нужно намотать 10-20 витков коаксиального
кабеля, а на другом - столько же витков многожильного провода
диаметром 0,5-3 мм и подключить к приемнику (рис. 11.3).
Если применяется толстый коаксиальный кабель, например
диаметром 8 мм и более, то лучше взять стеклянную банку 0,5-1 л или
бутылку 0,5 л. Кабель кладется на них виток к витку. Начало и конец
намотки закрепляются изолентой.
Сверху наматывается катушка связи, состоящая из 10-20
витков гибкого многожильного провода диаметром 3-5 мм (рис. 11.4).
К ТВ антенне
К телебизору
К приемнику
Рис. 11.3. Разделительный трансформатор при использовании
оплетки кабеля для приема на KB
268
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТВ АНТЕНН В KB ДИАПАЗОНЕ
К ТВ антенне
К приемнику
К телебизору
Рис. 11.4. Использование бутылки в качестве каркаса
для разделительного трансформатора
ТВ антенна должна быть постоянно заземлена, то есть кабель всегда
соединен с телевизором.
РАБОТА ТВ АНТЕНН В РЕЖИМЕ ПЕРЕДАЧИ
В KB ДИАПАЗОНАХ
Использование ТВ антенн в качестве передающих в диапазоне KB
несколько сложнее, чем на прием. Здесь обязательна раздельная
работа передатчика и телевизора. Самый простой способ - применить
оплетку коаксиального кабеля в качестве антенны типа LW (рис. 11.5).
В этом случае ТВ антенну просто подключают к выходу
передатчика, закоротив Центральную жилу кабеля на оплетку. Для установки
антенны желательно использовать деревянную мачту, разместив
с
D
трансиберу
Рис. 11.5. Оплетка коаксиального
кабеля в качестве антенны LW
РАБОТА ТВ АНТЕНН В РЕЖИМЕ ПЕРЕДАЧИ В KB ДИАПАЗОНАХ
269
ее как можно дальше от любых протяженных металлических
предметов.
Чтобы антенна была достаточно эффективной при работе на
передачу, желательно, чтобы длина кабеля была равна или превышала
четверть длины волны KB диапазона, на которой она должна
работать. Крайне важно применять хорошее заземление.
Если антенна размещена на высокой металлической мачте, то
в некоторых диапазонах можно организовать резонансную антенну.
Очень просто реализовать высокоомную полуволновую антенну
(рис. 11.6). Для этого на верхушке мачты ТВ антенны размещают
контур, настроенный на выбранный KB диапазон. Самый сложный
момент в подобной схеме - это согласование контура с антенной
и кабелем. Для этого может оказаться необходимым несколько раз
поднимать и опускать контур и подстраивать конденсатор СА по
минимуму отражений, наблюдаемых на экране телевизора.
Гораздо легче к существующей ТВ антенне пристроить инвертор
(рис. 11.7а). К замкнутой (как в петлевом вибраторе) антенне
подключают плечи инверторов с помощью дросселей Др1 и Др2. С кабелем
антенна соединяется через конденсатор СА (50-100 пФ). Если плечи
антенны не замкнуты, то конденсатор не нужен (рис. 11.76). К
дросселям предъявляются требования лишь по механической прочности
и симметричности выполнения. Их индуктивность - порядка 3-10 мкГн,
в зависимости от диапазона, в котором будет работать KB антенна.
fK3= fКОНТУРА
з>
7/4 - 1/6 от количестба
ЬиткоЬ катушки
Трансивер/телевиэор
Рис. 11.6. Полуволновая комбинированная антенна
270
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТВ АНТЕНН В KB ДИАПАЗОНЕ
Рис. 11.7. Комбинированное использование телевизионной антенны
С
У
Рпг
Др1
~ А/4 б кабеле, где
А - длина болны
KB диапазона
йр2
Трансибер/телебизор
Рис. 11.8. Комбинированная антенна с возможностью приема
слабых телевизионных сигналов
РАБОТА ТВ АНТЕНН В РЕЖИМЕ ПЕРЕДАЧИ В KB ДИАПАЗОНАХ
271
Др1
j=^x
РГГ
~ Л/4 b кабеле, где
X - длина болны
KB диапазона
Рис. 11.9. Дроссель, замыкающий токи KB диапазона
в комбинированной антенне
Каркасы для дросселей удобно изготавливать из эбонитовых
каркасов или из отрезков пластиковых лыжных палок. Например, при
диаметре каркаса 12-16 мм дроссель может иметь 10-20 витков
провода ПЭЛ-1,0.
Длина проводов, которыми дроссели присоединяются к ТВ
антенне, должна быть как можно меньше. Поскольку эти дроссели
увеличивают электрическую длину KB антенны, то ее плечи следует
выбирать на 5-10% короче, имея ввиду, что в дальнейшем потребуется
более тщательная настройка ее на выбранный диапазон.
Таким способом подключают антенны и других типов, например
штыревые и рамочные, но их согласование связано с большими
трудностями, чем в случае инвертора, плечи которого легко доступны для
настройки. Если KB и ТВ антенны размещены в непосредственной
близости друг от друга, то KB антенна ухудшает работу ТВ антенны.
В большинстве случаев это ухудшение невелико и выявляется лишь
при слабых сигналах ТВ станций. В этом случае ТВ антенну следует
подключать через отрезок коаксиального кабеля, электрическая
длина которого в KB диапазоне составляет четверть волны (рис. 11.8).
Первоначально KB антенна настраивается без ТВ антенны и
четвертьволнового отрезка.
После получения приемлемых значений КСВ подключают ТВ
антенну и, постепенно укорачивая четвертьволновой кабель,
добиваются минимального влияния ТВ сигнала ца работу KB антенны. В этой
272
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТВ АНТЕНН В KB ДИАПАЗОНЕ
конструкции ТВ антенна в KB диапазоне должна представлять собой
короткое замыкание. Этому условию удовлетворяют антенны с U-об-
разными симметрирующими устройствами, петлевые вибраторы
и рамочные антенны. При использовании дипольных ТВ антенн
необходимо с помощью дросселя (Др1 на рис. 11.9) создать короткое
замыкание для тока высокой частоты KB диапазона. Он представляет
собой катушку из 10-20 витков провода ПЭЛ-1 на каркасе
диаметром 10-20 мм.
12
АНТЕННЫ ДЛЯ
ЭКСПЕДИЦИОННОЙ
РАБОТЫ
Дипольные и рамочные антенны 274
Лучевая антенна 276
Штыревые антенны 277
Дачная антенна 280
Литература 284
274
АНТЕННЫ ДЛЯ ЭКСПЕДИЦИОННОЙ РАБОТЫ
Для экспедиций нужны универсальные антенны, то есть по
возможности обеспечивающие работу в нескольких диапазонах частот.
Желательно для их установки применять подручные материалы и
предметы из обычного экспедиционного снаряжения.
Эти антенны должны иметь минимальный вес, так как «в дороге
и иголка тяжела». Необходимо, чтобы они требовали лишь
минимальной настройки или не нуждались в ней вовсе, так как для ее
проведения часто не бывает ни времени, ни возможности. Необходима
и высокая эффективность их работы, поскольку обычно в полевых
условиях используются небольшие мощности.
Эта глава посвящена таким антеннам. Все они были проверены
в экспедициях и продемонстрировали свою высокую эффективность.
ДИПОЛЬНЫЕ И РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Классическим вариантом однодиапазонных антенн является антенна
W1FB. Она представляет собой полуволновой диполь. С помощью
рыболовнбй лески его можно поднять на необходимую высоту и
растянуть его плечи в стороны (рис. 12.1).
Плечи вибратора делают из медной многожильной проволоки
толщиной 0,6-1 мм. Центральный и боковые изоляторы изготовляются
из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Длина
оттягивающей лески составляет около 10 м, а общая длина полотна антенны
ч/ х/ х/ \L3U^U ч/ sU_s[ \1 М
Рис 12.1 Антенна типа W1FB
ДИПОЛЬНЫЕ И РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
275
в 40-метровом диапазоне - 20 м. Центральная леска имеет в длину
примерно 30 м, что позволяет с помощью грузика на конце высоко
забрасывать ее на дерево (для этого годится даже рогатка). В
свернутом виде каждый вибратор скатывается на свою катушку, что дает
возможность оперативно разворачивать антенну (рис. 12.2).
Кабель питания антенны должен быть легким и тонким. Вполне
подходит витая пара проводов, применяемая ц телефонии. К
вибраторам она присоединялась с помощью штекеров от разъема типа РШ.
КСВ витой пары длиной 20 м в экспериментах автора составил 1,2.
Из-за влияния земли этот диполь эффективен лишь на достаточно
большой высоте - как минимум в четверть длины волны. Можно
попытаться использовать антенну как инвертор, но в условиях
экспедиции трудно осуществить его настройку. Гораздо легче превратить
этот диполь в дельта-образную антенну, с помощью дополнительного
куска 20-метрового провода, присоединенного с помощью штекеров
от разъема (см. горизонтальный провод на рис. 12.1).
Как показывает опыт, такая антенна удовлетворительно работает
и при малых высотах подвеса. Ее нетрудно превратить в
многодиапазонную. Например, если удлиняющий горизонтальный отрезок
провода сделать разъемным и растянуть в стороны, то получится диполь
на диапазон 80 м. При этом надо предусмотреть дополнительное
подключение отрезков полотна антенны вместо оттяжек (рис. 12.3).
Полотно вибраторов полезно разметить краской, и тогда,
отматывая куски провода определенной длины, соответствующей тому или
иному диапазону волн, нетрудно сконструировать антенну с
перекрытием длин волн от 10 до 40 м (рис. 12.4).
Лебыи бибратор.
с растягибающеи
Центральная
оттягибающая
Прабый бибратор.
с растягибаюшеи
леской
Рис. 12.2. Свернутая антенна W1FB
276
АНТЕННЫ ДЛЯ ЭКСПЕДИЦИОННОЙ РАБОТЫ
Дополнительные удлиняющие
отрезки пробода оплачены на
месте оттяжек
Рис. 12.3. Переделка антенны для работы в диапазоне 80 м
7.5 м
(10 МГц)
2.5 м
(28 МГц)
136 м
(21 МГц)
5м
(К МГц)
ЦЬетные
метки
Юм
(7 МГц)
Рис. 12.4. Многодиапазонная экспедиционная антенна
ЛУЧЕВАЯ АНТЕННА
Как показывает опыт многих экспедиций, самой универсальной
антенной, способной выручить при выходе из строя основных антенн,
является провод длиной 41м, напрямую подключаемый к трансиверу.
На высоте менее 10 м у него низкое входное сопротивление
(примерно 20-30 Ом) в диапазоне 160 м, но высокое в остальных
любительских диапазонах (200-600 Ом). Поэтому выходной каскад
трансивера должен строиться таким образом, чтобы быть способным
передавать мощность в такую высокоомную нагрузку. Трансиверы
промышленного изготовления, предназначенные для использования
в сетях связи, обычно достаточно просто удается настраивать на
антенны подобного типа.
В противном случае приходится применять внешнее согласующее
устройство. Желательно, чтобы оно было резонансным. Согласующие
ЛУЧЕВАЯ АНТЕННА
277
устройства, в состав которых входят трансформаторы, при работе на
малых уровнях мощности имеют небольшой КПД, и поэтому их
нельзя рекомендовать для постоянной работы в экспедициях.
При установке лучевой антенны ее верхний конец следует
приподнять как можно выше. Желательно также с помощью лески оттянуть
середину или край антенны, чтобы она в целом располагалась
высоко над землей (рис. 12.5). Для этой антенны необходим противовес -
провод длиной 41м, проложенный по земле в сторону,
противоположную направлению антенны. В водных походах на байдарках, как
показывает опыт, таким противовесом с успехом может служить
корпус байдарки.
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
Если установить одну из байдарок вертикально, а другие
использовать в качестве противовесов (рис. 12.6), то получится суррогатный
широкополосный несимметричный вибратор, который будет
работать в диапазоне от б до 40 м.
К такой антенне можно подводить сотйи ватт мощности. Входное
сопротивление ее должно быть около 75 Ом.
Штырь удобно сделать из заранее заготовленных сочленяющих
трубок для ручек алюминиевых весел, а байдарки применять как
противовесы (рис. 12.7).
Рис. 12.5. Установка лучевой антенны
278
АНТЕННЫ ДЛЯ ЭКСПЕДИЦИОННОЙ РАБОТЫ
Изолятор - толстая
стеклотвкстолитобая пластина
^Ж
Рис. 12.6. Широкополосная штыревая антенна
Весло на конце антенны служит своеобразной емкостной
нагрузкой, позволяющей чуть-чуть расширить частотный диапазон штыря.
Все эти конструкции предполагают наличие оттяжек для
обеспечения устойчивости антенн. Длина штыря должна приближаться к
четверти рабочей длины волны. Хорошим компромиссным вариантом
для диапазона 10-40 м является штырь длиной 8,1-8,6 м. Он
составляется из 8 стандартных рукояток от весел, прилагаемых к байдар-
Сочленяющие
трубки
Алюминиебые
ручки бесел
^Ж^-^S^
Рис. 12.7. «Весельная» штыревая антенна
ЛУЧЕВАЯ АНТЕННА
279
Рис. 12.8. Однодиапазонная штыревая антенна
кам. Также неплохо работает в этом диапазоне и штырь длиной 6 м,
состоящий из б рукояток от весел. С выходом передатчика такую
антенну можно соединить коротким коаксиальным кабелем,
открытой линией или с помощью КАТВ.
Для работы в одном определенном диапазоне подойдет и антенна,
изображенная на рис. 12.1, если ее подвесить вертикально за крайний
вибратор, а удлиняющий горизонтальный провод (длиной 20 м),
разделенный пополам, использовать в качестве противовесов, которые
подключают к штекерам разъемов (типа РШ), припаянным к
центральному изолятору. Последний изготовляется из фольгированного
стеклотекстолита. Вид антенны показан на рис. 12.8. Еще лучше для
противовесов использовать корпуса байдарок.
Путем небольших манипуляций с этой антенной можно работать
и в других диапазонах (см. рис. 12.9). Например, для работы в
диапазоне 40 м (длина плеча 10 м) ее подвешивают за центральный
изолятор, а вибраторы соединяют параллельно (рис. 12.9а). Для работы
в диапазоне 80 м одно плечо поднимают, как показано на рис. 12.96,
и получается L-образная антенна. В 160 м диапазоне дополнительно
подключают 20-метровый удлиняющий отрезок (рис. 12.9в), а в
качестве противовесов, как и ранее, могут служить корпуса байдарок
или несколько резонансных отрезков провода.
280
АНТЕННЫ ДЛЯ ЭКСПЕДИЦИОННОЙ РАБОТЫ
Перемычка
Центральный изолятор
L = 10 м -для работы на 40 м
Оттягибающая
леска
L - антенна для 80 м
для работы на 80 м
L - антенна для 160 м
L5 =20 м
для работы на 160 м
Рис. 12.9. Модификации штыревой антенны для работы в нескольких диапазонах
ДАЧНАЯ АНТЕННА
Летом многие радиолюбители устанавливают связь со своих дачных
участков, в походах, на рыбалке. При этом неизбежно встает вопрос
об антенне. Сооружать что-то капитальное на даче, а тем более в
походе, не всегда возможно и удобно. Имеющиеся мощности обычно
небольшие, и, следовательно, антенное устройство должно быть
достаточно эффективным и в то же время оно должно быть таким, чтобы его
можно было легко разворачивать и настраивать в полевых условиях.
ДАЧНАЯ АНТЕННА
281
В настоящее время и в ближайшие годы - годы активного Солнца,
работа на малой мощности ведется в большинстве случаев в
диапазонах 14-18-21-25-27-28 МГц.
Антенное устройство, работающее в этих диапазонах,
представлено на рис. 12.10.
Рис 12.10. Дочноя антенна
Оно состоит из антенны (1), согласующего устройства (2),
коаксиального кабеля (3) и трансивера (4). Антенна представляет собой
медный многожильный провод диаметром 1 мм и длиной в целое
число полуволн (с учетов коэффициента укорочения, равного 0,95).
Согласующее устройство собрано в корпусе из фольгированного
стеклотекстолита размерами 80x60x60 мм (рис. 12.11).
Контакт Xj - это винт М4 длиной 20 мм. К нему с помощью
лепестка крепится антенна. Заземляющий штырь из нержавеющей
проволоки диаметром 4 мм и длиной 20 см служит для обеспечения
электротехнического заземления на случай попадания грозового разряда
в антенну и для закрепления согласующего устройства на
поверхности земли. Двумя гайками он привинчен к нижней крышке
согласующего устройства. Верхний край антенны должен быть поднят как
можно выше, от этого зависит эффективность ее работы. Светодиод
VDj является индикатором настройки контура согласующего
устройства в резонанс. Момент его самого яркого свечения соответствует
максимальной отдаче мощности в антенну. Плавность изменения его
282
АНТЕННЫ ДЛЯ ЭКСПЕДИЦИОННОЙ РАБОТЫ
Внешний bud согласующего устрсистба
X, 1 X,
Лепесток
Рис. 12.11. Согласующее устройство
яркости в процессе настройки обеспечивается подбором номинала
резистора R{ и расстояния между катушкой связи L2 и катушкой L,.
При первичной настройке системы на местности сначала
устанавливают антенну и согласующее устройство (см. рис. 12.12), затем
подключают коаксиальный кабель к разъему Х3 согласующего
устройства. Конец кабеля нагружают на сопротивление, равное его
волновому (50 или 75 Ом). Для этого можно воспользоваться
заглушкой с соответствующим сопротивлением от ВЧ генератора. Затем
трансивер присоединяют коротким куском коаксиального кабеля
к согласующему устройству и с помощью конденсатора Ct
настраивают антенную систему.
Коаксиальный кабель, идущий от трансивера, необходимо в
процессе наладки подключить к согласующему устройству с нагрузкой,
так как его оплетка играет роль радиотехнической «земли», входящей
в состав антенной системы.
Можно настроить антенную систему и по-другому. Для этого
нужно перевести трансивер, присоединенный к концу коаксиального
кабеля, в режим передачи и настраивать согласующее устройство по
максимуму яркости светодиода. При этом трансивер должен выдерживать
перегрузку при эозможном резком рассогласовании согласующего
ДАЧНАЯ АНТЕННА
283
Рис. 12.12. Настройка дачной антенны
устройства в процессе наладки. Антенное устройство такой
конструкции может работать без противовесов, хотя при их наличии
становится более эффективным. Бескаркасная катушка Lt согласующего
устройства длиной 60 мм и диаметром 22 мм содержит 11 витков
провода типа ПЭЛ-2. Ее нижний конец (см. рис. 12.11) припаян ко
дну согласующего устройства, а верхний - к гнезду Хг Отвод сделан
от третьего витка снизу, что как показывает опыт, позволяет хорошо
согласовать ее с 50-омным и с 75-омным коаксиальными кабелями.
Катушка L2 - это один виток провода ПЭЛ-1,0.
Согласующее устройство способно работать на частотах от 14 до
30 Мгц. При переходе с диапазона на диапазон нерационально
менять одно резонансное полотно антенны на другое. Удобнее
предусмотреть на нем отводы с лепестками на концах, резонансные длины
которых соответствуют нужным частотам (рис. 12.13).
При смене диапазона к согласующему устройству подсоединяется
соответствующий лепесток антенны, а излишек провода просто
прикрепляется прищепкой к ее полотну, как показано на рис. 12.14.
284
АНТЕННЫ ДЛЯ ЭКСПЕДИЦИОННОЙ РАБОТЫ
Если полотно антенны и катушки согласующего устройства
выполнены точно по описанию, то никакой дополнительной подгонки
длины полотна не требуется. Чтобы антенна хорошо работала,
достаточно ее верхний конец закрепить на высоте 4 м, что вполне реально
как на дачном участке, так и в походе. Результаты экспериментов
показывают, что эта антенна по эффективности аналогична антенне
типа «дельта», верхний конец которой находится на такой же высоте,
а два нижних - на высоте около 1 м от земли.
1U м (25 МГц)
'/0.5 м (27 МГц)
10.1м (П и 28 МГц)
7.8 м (18 МГц)
6.78 м (21 МГц)
ё ё И S.
Рис. 12.13. Полотно дачной антенны с отводами для различных диапазонов
Прищепка
Рис. 12.14. Крепление полотна антенны при смене диапазонов
ЛИТЕРАТУРА
1. Беньковский 3., Липинский Э. Любительские антенны
коротких и ультракоротких волн. - М.: РиС, 1983.
2. Poug De Maw, W1FB. WIFB's QRP NOTEBOOK edition By the
ARRL.
СТРАНИЦА
ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
Работа линий передачи 286
Коаксиальные линии передачи 286
Двухпроводная линия передачи 288
Работа линии передачи с КСВ > 1 289
Суррогатные линии передачи 291
Изготовление открытой линии
в домашних условиях 292
Практическое определение
волнового сопротивления
линии передачи 294
Измерение потерь в линиях передачи 294
Верны ли показания КСВ-метра 296
Причины рассимметрирования антенн 297
Способы симметрирования 299
Литература 300
286
ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
В главе дается предельно упрощенная теория работы линий
передачи и приводятся необходимые сведения для конструирования
самодельных фидерных устройств. Дается методика оценки качества
коаксиальных кабелей и открытых линий. Описаны способы
изготовления и применения вместо промышленных коаксиальных кабелей
самодельных линий передачи, которые и дешевле и работают более
эффективно.
РАБОТА ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ
Рассмотрим упрощенно теорию линий передачи. Обычно говорят
о трех режимах работы линии - на согласованную нагрузку (или
режим бегущей волны), когда ее сопротивление ZM равно волновому
сопротивлению линии Кл (рис. 13.1а) и работа на нагрузку, меньшую
или большую, чем Кл (или режимы работы со стоячей волной; см.,
соответственно, рис. 13.16 и в).
Коэффициент стоячей волны (КСВ) определяется, как отношение
максимальных значений напряжения (UMaKc) или тока (1макс)
(электрического или магнитного полей) к минимальным (UMH|J, 1мнн) в сто-
ячей волне: КСВ = UMaKC / Umiiii = 1макс / 1мин или КСВ -Ия ДJ, когда
R, >|ZJ или КСВ - |ZJ/ R,, когда |Zj> R,
В режиме бегущей волны фидерная линия используется
оптимально. Вся поступающая на ее вход энергия полностью передается в
нагрузку. При КСВ, отличном от 1, часть энергии от нагрузки
отражается и в конечном итоге фидерная линия работает с потерями.
КОАКСИАЛЬНЫЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
Эти линии получили широкое распространение во время второй
мировой войны, когда появились первые радиолокаторы, работающие
в диапазоне УКВ 1-3 м. Изобретенный незадолго перед войной,
коаксиальный кабель оказался удобным для соединения антенны с
передатчиком и для различных межблочных соединений. После
окончания войны их распространению в некоторой степени способствовали
радиолюбители.
Коаксиальная линия (рис. 13.2) представляет собой провод (1),
окруженный диэлектриком (2), поверх которого располагается
металлическая оплетка (3), защищенная, в свою очередь, пластиковой
оболочкой (4). Все электромагнитное поле здесь заключено внутри
линии, что является ее большим достоинством. Ее можно изгибать,
КОАКСИАЛЬНЫЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
287
о) ®
Rh
б)
♦ U/
U 1
/ /
f /
Чгтшх =Чт/л
1 1
i
i
>
'max ~'т'т
в)
ku. /
К ч
1 '
/ и
' Y У
,Чгтюх 1Чп/л 1 lmin ,
i
i
W I
/max I /
/ V
1
■max 1 'm/n L^min ,
'x /
' \ /
Umax
|
i
—U
Рис. / J. /. Режимы работы линии передачи
JL
3 2
Рис. 13.2. Коаксиальный кабель
288
ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
свивать в бухту и помещать, где угодно, например около
металлических предметов и даже под водой.
Для уменьшения потерь в коаксиальных линиях передачи
применяют высококачественный диэлектрик, в некоторых случаях он
состоит из фарфоровых чешуек.
К сожалению, качество отечественных бытовых коаксиальных
кабелей в последнее время ухудшается из года в год, и часто по своим
характеристикам существенно уступает кабелю, изготовленному
несколько лет назад или во времена СССР. Плетеный экран сейчас
часто заменяют несколькими десятками не свитых тонких проводов.
Заметно снизилось и качество пластиковой изоляции. Если такой
кабель еще и годен для приема, то на передачу его использовать очень
трудно, особенно если в линии имеется высокий КСВ.
Работа с большим КСВ опасна, поскольку значительные токи
в пучности способны вызвать местный перегрев внутренней жилы
и расплавить в этом месте внутреннюю изоляцию кабеля. В
результате кабель на этом участке «стягивается» под своим собственным
весом и приходит в негодность. В пучности напряжения не исключен
пробой диэлектрика, а в некоторых случаях - даже его возгорание.
При плохой оплетке и КСВ > 1 увеличивается излучение кабеля.
Волновое сопротивление коаксиальных кабелей Zw лежит в
пределах 30-120 Ом. Его можно определить как Zw= (138/e) lg(D/d), где
D - внутренний диаметр оплетки; d - внешний диаметр жилы; е -
диэлектрическая постоянная внутренней изоляции кабеля.
ДВУХПРОВОДНАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ
Двухпроводная линия передачи (рис. 13.3) представляет собой два
провода (1), скрепленные между собой изоляторами (2). Волновое
сопротивление двухпроводной линии лежит в пределах 200-600 Ом
и определяется как Кл = 276 lg(D/d), где D - расстояние между
центрами проводников; d - диаметр проводников.
Электромагнитное поле сосредоточено как внутри линии
передачи, так и вне ее (рис. 13.4).
Этим объясняется влияние на нее различных предметов,
находящихся на расстояниях до 10D. Излучение линии может увеличиться,
особенно в ВЧ диапазонах, из-за ее рассимметрирования
несимметричной антенной, к которой она подключена, так как поля, создаваемые
токами в противоположных точках проводов линии не компенсируют
ДВУХПРОВОДНАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ
289
Рис. 13.3. Двухпроводная линия передачи
.*'""Г-^
Силобые линии
магнитного поля
Прободники линии
Рис 13.4. Структура электромагнитного поля
в открытой линии передачи
друг друга. Если при этом провода заключены в диэлектрическую
оболочку, то в ней возникают дополнительные диэлектрические
потери.
Двухпроводная линия намного легче переносит режим работы
с высоким КСВ, чем коаксиальный кабель, поскольку обычно в ней
используют достаточно толстый провод, способный пропускать
значительные токи, а сравнительно большое расстояние между
проводами защищает линию от пробоя.
РАБОТА ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ С КСВ > 1
С помощью открытой линии с волновым сопротивлением 600 Ом
можно без опасения осуществить питание антенны с входным
290
ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
сопротивлением 60 Ом (см. рис. 13.1 в), даже несмотря на то, что КСВ
в линии при этом составляет около 10.
Для примера рассчитаем значения действующих в этом случае
токов и напряжений в линии при мощности 120 Вт в активной
нагрузке сопротивлением 60 Ом. Если линия достаточно длинная, то ток
в нагрузкеТ)удет равен примерно 1,4 А, а напряжение - 85 В.
Напряжение в пучности составит 850 В. Стандартная двухпроводная линия
передачи выдерживает такое высокое напряжение.
Обычно радиолюбители не пользуются антеннами с входным
сопротивлением выше 600 Ом. Но предположим, что мы запитываем
с помощью двухпроводной линии полуволновой диполь,
предназначенный для диапазона 40 м. Входное сопротивление линии на этих
частотах равно примерно 75 Ом. В диапазонах 10 и 20 м оно для той
же антенны увеличится приблизительно до 1200 Ом, следовательно,
КСВ в линии окажется равным 2.
Теперь при той же поступающей в антенну мощности ток в ней
составит 0,3 А, а напряжение - 380 В. Ток в пучности в линии будет
0,6 А, а напряжение - 760 В, что приемлемо практически для любого
типа линии передачи.
Работа коаксиального кабеля с нагрузкой, большей и меньшей, чем
его волновое сопротивление, аналогична работе двухпроводной
линии. Следует только учитывать, что при высоком КСВ коаксиальный
кабель не имеет запаса ни по напряжению, ни по току и может выйти
из строя, если их значения чрезмерны.
Поэтому коаксиальный кабель стараются применять только с
согласованной антенной. В отличие от него двухпроводная линия,
позволяет сделать простую антенну без заградительных контуров и
согласующих цепей, работающую как на гармониках основной (80 м)
Открытая линия
любой длины
300-600 0м
Рис. 13.5. Универсальная антенна, питаемая
через открытую линию
СУР РОГА ТНЫЕ ЛИНИИ ПЕРЕДА ЧИ
291
частоты, то есть 40, 20 и 10 м, так и в промежуточных диапазонах -
12, 15, 17, 30 и 160 м (рис. 13.5).
С помощью коаксиального кабеля такую простую антенну
построить невозможно. Рекомендуем начинающим коротковолновикам не
мучиться в поисках качественного коаксиального кабеля и в
попытках согласовать его с антенной, а воспользоваться этой простой и в то
же время эффективной схемой.
СУРРОГАТНЫЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
Обычный сетевой шнур питания имеет волновое сопротивление
около 60-120 Ом. Его вполне можно использовать для запитки таких
антенн как «дельта», диполь и штырь. Иногда однако попадаются
шнуры, изоляция которых обладает повышенными потерями,
которые растут на высоких частотах. В сетевых шнурах применяют
различные, как правило низкочастотные, изоляционные материалы. Как
показывает опыт, некоторые из них позволяют работать до частот 7-
10 МГц и даже выше. При этом необходимо учитывать, что сетевые
шнуры сильнее подвержены влиянию атмосферных осадков, чем
коаксиальный кабель.
Простой способ определить, работоспособен ли сетевой шнур
в качестве фидера, состоит в том, чтобы подключить его к антенне
и попробовать его на ощупь (конечно, после выключения
передатчика). Шнур, который стал теплым, а тем более горячим, не подходит
для этой частоты.
У экранированного шнура, распространенного в звуковой
технике, волновое сопротивление находится в пределах 30-70 Ом. Его
можно использовать для антенн в диапазоне 80-160 м. Обычно его
подвешивают на малой высоте, благодаря чему его входное
сопротивление получается низким. Такой кабель поверх экрана должен иметь
Линия типа 'лапша
Капронодый шнур
W / / ^ я...-. _ Антенна
Крепление линии к шнуру I I I
Рис. 13.6. Использование двухпроводной линии «лапша» для питания антенн
292
ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
пластиковую изоляцию. Использовать его на более высоких частотах
не рекомендуется из-за роста потерь.
Двухпроводная линия типа «лапша», используемая для
прокладки радио и телефонной сети, идеально подходит в качестве высоко-
омного фидера питания. Ее волновое сопротивление около 600 Ом,
что позволяет применять ее с антеннами типа «Цеппелин», T2FD
и антенной Бевереджа. Она хорошо работает на частотах до 30 МГц
и через нее можно передавать значительные мощности - до 200 Вт.
Поскольку эта линия не обладает механической прочностью, ее
целесообразно прикреплять к капроновому шнуру, как показано на рис. 13.6.
Серьезным недостатком линии является то, что ее изоляция не
рассчитана на эксплуатацию на открытом воздухе и уже через
несколько лет приходит в негодность.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТКРЫТОЙ ЛИНИИ
В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ
Для изготовления открытой линии удобно использовать станок,
изображенный на рис. 13.7.
На его доске (1) укреплены две подающие бобины с проводом (2).
С бобин провод поступает на деревянную форму (3), задающую
расстояние между проводами линии. В паз (4) этой формы закладывают
Рис. 13.7. Станок для изготовления открытой линии
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТКРЫТОЙ ЛИНИИ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ
293
Рис 13.8. Изготовление самодельных изоляторов
очередной изолятор (5) из термопласта. Прижимом (6) провода
натягиваются и паяльником (7) вплавляются в изолятор. После этого
готовую линию сматывают на бобину (8).
В качестве изоляторов могут служить толстые стержни из
полиэтилена или других термопластов, обладающих достаточной
прочностью. Чтобы их унифицировать удобно воспользоваться двумя
пустыми консервными банками (рис. 13.8.), причем одна из них (1)
должна быть большего диаметра, чем вторая (2).
У банки (2) формируют носик и в нее закладывают исходный
материал для подготовки пластмассы. Это могут быть старые
полиэтиленовые пакеты, пластиковые контейнеры из-под моющих средств
и т.п. Затем банка (2) ставится на горелку (3)
и закрывается банкой (1). Через некоторое Та6лица ]31 Волновое„
г \ / г г сопротивление открытой
время пластмасса расплавляется, и ее залива- ЛИНИИ/ в зависимости
ют в форму (4). Эта форма сделана из жести от ее геометрических
от консервной же банки и свернута уголком, размеров
После остывания формы получается угловой
изолятор (5), который нетрудно распилить
на заготовки нужной длины. В
получившуюся пластмассу, обладающую достаточной
механической прочностью, легко вплавляется
провод линии передачи.
Из этой пластмассы также можно
формировать и мелкие детали (ручки, кнопки, каркасы
для катушек) для радиолюбительских нужд.
Готовить и разливать пластмассу лучше на
открытом воздухе или в хорошо
проветриваемом помещении.
d.
мм
0.5
1
2
D.
мм
10
18
30
Н
20
30
1*0
12
20
Яд.
Ом
450
500 ,
600
400
450
500
600
300
400 j
294
ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
В помощь радиолюбителям в табл. 13.1 приводятся
геометрические размеры и соответствующие им волновые сопротивления
самодельной открытой линии.
Для линии лучше всего подходит медный одножильный провод
в изоляции типа ПЭТВ-2 (влаготеплостойкий). Неизолированный
провод со временем окисляется, и работа линии ухудшается.
Канатик с тонкими жилами в городских условиях под действием
кислотных дождей и смога быстро приходит в полную негодность. Кроме
того, он не обеспечивает достаточной жесткости линии.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ВОЛНОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
Волновое сопротивление линии передачи (Zu), будь то коаксиальный
кабель или суррогатная линия (например типа «лапши»),
определяют по значениям, полученным с помощью измерителя
индуктивности и емкости или другими методами.
Оно для линии передачи с малыми потерями описывается
общеизвестной из теории формулой:
где Zw - волновое сопротивление линии, Ом; L - индуктивность
закороченной лини, Гн; С - емкость разомкнутой линии Ф.
Для измерений берут вначале замкнутый на конце кусок линии
длиной от 1 до 5 м (при меньшей или большей длине погрешность
измерения будет выше) и определяют индуктивность на его входном
конце. Затем линию размыкают и измеряют на ее входе емкость.
Найденное таким образом волновое сопротивление линии очень близко
к его действительному значению.
Этим методом автором были определены, например, волновые
сопротивления тонких коаксиальных кабелей без маркировки и многих
типов суррогатных линий передачи. Так, волновое сопротивление
большинства экранированных микрофонных шнуров лежит в
пределах 40-70 Ом, радиолапши - 400-600 Ом, электролапши - 300-400 Ом,
сетевых шнуров питания - 30-60 Ом, телефонной пары - 70-100 Ом.
ИЗМЕРЕНИЕ ПОТЕРЬ В ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ
При использовании длинных коаксиальных кабелей, особенно на
УКВ, актуальной становится проблема потерь. Радиолюбитель,
ИЗМЕРЕНИЕ ПОТЕРЬ В ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ
295
имеющий в своем распоряжении новый коаксиальный кабель
известной марки, легко определит в нем потери по данным о затухании для
данного кабеля из справочной литературы. Но в последнее время
в его руки все чаще попадают «коаксиалы», уже поработавшие где-то
в течение долгого времени, или немаркированные кабели
производства стран СНГ и Дальнего Востока. Некоторые дешевые импортные
коаксиальные кабели, предназначенные для цифровой техники,
годятся до 3-10 МГц, но на более высоких частотах работают
неудовлетворительно. По внешнему виду они очень похожи на «настоящие»
и появляются на радиорынках под видом «телевизионного
коаксиального кабеля».
С помощью хорошего симметричного КСВ-метра очень легко
определить потери такого подозрительного изделия. Для этого его
замыкают на конце и подключают через КСВ-метр к передатчику,
которому не опасна работа на ненормированную нагрузку (рис. 13.9).
Измеряют прямую и отраженную волну. Их отношение
характеризует затухание в кабеле. При отсутствии потерь в кабеле отраженная
волна должна быть равна прямой. Коэффициент полезного действия
кабеля можно подсчитать по формуле:
U2
КПД = —т2- Ю0%
и2
пржм
На разных частотах КПД обычно имеет различные значения,
и необходимо стремиться к тому, чтобы он был приемлемым на
рабочей частоте.
Если необходимо найти КПД суррогатной линии передачи или
кабеля с нестандартным волновым сопротивлением, для которого нет
хорошего КСВ-метра, то прибегают к методу сравнения мощностей.
Для этого вначале каким-либо известным методом находят волновое
Передатчик
КСВ-метр
к.пл=ф£ юох \ 7,,
и'прям \ У—>
Рис. 13.9. Определение потерь коаксиального
кабеля методом измерения КСВ
296
ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
и2
"1 ^-\ оч оольтметр h\ ^
Передатчик U-V * ^ — J
R = Ry
КПД = -ji-100%
п
Рис. 13.10. Измерение КПД линии передачи методом сравнения
сопротивление линии. Затем выход передатчика нагружают на
сопротивление, равное волновому и настраивают на него П-контур
передатчика. Далее ту же самую нагрузку подключают к выходу
передатчика через исследуемый кабель. При этом важно проследить за
тем, чтобы П-контур не расстроился (рис. 13.10).
Измерив ВЧ вольтметром напряжение на рабочей частоте в
начале и конце кабеля и сравнив их значения, находят КПД кабеля:
U2
КПД = -^-100%
U2
к онца
При подобных измерениях подтверждается, что в основном
отечественные коаксиальные кабели имеют высокие параметры, не ниже
заявленных в технических условиях. Так КПД звуковых шнуров
длиной 40 м и более составляет при таких измерениях 80-90% на
частотах до 7 МГц, а линия типа «лапша» длиной 35 м - около 75-80% на
30 МГц.
ВЕРНЫ ЛИ ПОКАЗАНИЯ КСВ-МЕТРА
Многие радиолюбители имеют встроенный в трансивер КСВ-метр
отражательного типа. Именйо от них можно услышать о «чудесных
антеннах», обеспечивающих КСВ, равный 1, но при этом не
работающих на передачу и не принимающих ни от кого ответных сигналов,
а также об антеннах с «диким» КСВ, достигающим 3-5, которые,
несмотря на это дают возможность проводить DX-QSO (дальние
радиосвязи).
На самом деле никаких чудес здесь нет. Речь идет лишь о
рассогласовании выходного каскада с коаксиальным кабелем и, как следствие
этого, некорректности измерения. Действительно, если выходное
сопротивление трансивера точно равно волновому сопротивлению
кабеля, в отраженной волне присутствует только одна составляющая - от
ВЕРНЫ ЛИ ПОКАЗАНИЯ КСВ-МЕТРА
297
антенны (если, конечно, антенна не идеально согласована с кабелем).
Тогда показания КСВ-метра верны.
К сожалению, так бывает редко. Чаще выходное сопротивление
трансивера отличается от волнового сопротивления кабеля. В
результате отраженная от антенны волна, достигая выхода
передатчика, переотражается от него и уже с меньшей амплитудой, снова
частично попадает в антенну, а частично вновь переотражается обратно
к передатчику. Так продолжается до тех пор, пока волна не затухнет.
Результат всех этих переотражений фиксирует КСВ-метр, который
в данном случае показывает отношение между суммами всех
существующих в кабеле волн - прямых и отраженных.
Поскольку фаза отраженных волн в общем случае зависит от
характера сопротивления антенны и учесть ее трудно, то КСВ-
метр может выдать любое значение: 1 при плохой антенне и 5 при
хорошей.
Когда есть сомнения в показаниях КСВ-метра, можно вместо
антенны подключить к кабелю, идущему к антенне, зарайее известную
нагрузку и определить прибором ее КСВ. Если измеренный КСВ
будет отличаться от расчетного, значит, трансивер не согласован
с коаксиальным кабелем.
ПРИЧИНЫ РАССИММЕТРИРОВАНИЯ АНТЕНН
Радиолюбители часто не уделяют должного внимания
симметрированию антенн. Однако при работе с большими мощностями
внешняя оболочка кабеля рассиметрированной антенны интенсивно
излучает (рис. 3.11а), что может вызвать помехи телевидению.
Кроме того, искажается реальная диаграмма направленности
антенны и на внешнюю оболочку кабеля возможен прием помех
с нежелательных направлений. Сведения, приведенные в
настоящем и следующем разделах, позволят осуществить
симметрирование антенны и исключить факторы, приводящие к ее рассиметри-
рованию.
Если запитка симметричной антенны осуществляется (рис. 13.11а)
с помощью коаксиального кабеля через симметрирующее
устройство, то высокочастотный ток протекает по внутренней жиле кабеля
и внутренней стороне оплетки. В этом идеальном случае - при
условии равенства волнового сопротивления кабеля сопротивлению
антенны - КСВ равен единице.
298
ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
При симметрии антенны ВЧ ток
протекает только бнутри кабеля
о)
б)
Векторная диаграмма
прямой и отраженной
болны т Ф
U (напряжение
б кабеле)
в)
При рассимметриробании ВЧ ток
протекает по бнешней стороне кабеля
l/j - модуль напряжения
прямой болны
U2 - модуль напряжения
отраженной болны
Ф - разность фаз между
прямой и обратной оолной
КСВ - как результат сложения l/j и 1)2
I (длина кабеля)
Рис 13.11. Работа симметричной антенны
Причиной рассимметрирования антенны иногда бывает и
неперпендикулярное положение кабеля по отношению к антенне. В этом
случае на его внешнюю оболочку наводится часть излучаемой антенной
мощности. Проникая затем в антенну, эта составляющая вносит свой
вклад в увеличение КСВ системы (рис. 13.116). Повышается уровень
пучностей стоячей волны в кабеле (рис. 13.11в). Положение кабеля
в пространстве может меняться под действием ветра. При этом
изменяется и распределение тока по внешней стороне оплетки кабеля.
В результате, синхронно с порывами ветра будет изменяться и КСВ
системы, и уровень излучаемой мощности.
СПОСОБЫ СИММЕТРИРОВАНИЯ
299
о)
б)
Ферритобое кольцо
(можно использобать
кольцо от ОС ТВ)
к трансиберу
Диаметр 40-100 мм
к трансиберу
Рис. 13.12. Симметрирующее устройство
СПОСОБЫ СИММЕТРИРОВАНИЯ
С целью уменьшить рассогласующее воздействие тока, наведенного
антенной на внешней стороне оплетки кабеля, около перехода кабель-
антенна устанавливают ВЧ дроссель (рис. 13.12). Обычно он состоит
из нескольких витков питающего антенну коаксиального кабеля,
намотанного на ферритовом кольце (рис. 13.12а), либо из 5-15 витков
на пластиковом каркасе (пластиковые бутылки из-под шампуня
и т.п.) или вообще без каркаса (рис. 13.126).
Дроссель представляет собой большое сопротивление для токов,
протекающих по внешней оболочке кабеля, но не влияет на токи
внутри кабеля. Следствием этого является уменьшение
проникновения токов с внешней поверхности кабеля в антенну и, следовательно,
снижение эффекта рассимметрирования.
Улучшается в этом случае и прием, поскольку токи, наведенные на
внешней оболочке кабеля какими-либо нежелательными
источниками, попадают в антенну ослабленными. Главным образом, они
заземляются на корпус.
Эти дроссели выполняют роль симметрирующих устройств и
весьма полезны в сочетании с дипольными антеннами. Даже фидер,
расположенный строго перпендикулярно к дипольной антенне, не
застрахован от сильных наводок за счет мощности, переизлучаемой
какими-либо посторонними предметами (металлическими мачтами,
линиями телефона и радио), находящимися вблизи.
300
ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
Описанное здесь симметрирующее устройство - самое простое
и доступное для радиолюбителей. Но не исключено, что могут
потребоваться более сложные и эффективные устройства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Атабеков Г. И. и др. Теоретические основы электротехники. -
М.: Энергия, 1979.
2. Айзенберг Г. 3. Коротковолновые антенны. - М.: РиС, 1985.
СТРАНИЦА
ФИЛЬТРЫ
В РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКОЙ
ПРАКТИКЕ
Практические схемы фильтров 302
Поглощающие фильтры 307
Фильтр G8NDL 309
Результаты испытаний фильтров 311
Литература 312
302
ФИЛЬТРЫ В РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКОЙ ПРАКТИКЕ
Каждый радиолюбитель встречался с проблемой помех при работе
любительской радиостанции. Это и помехи от самой радиостанции
в режиме передачи, и помехи приему со стороны других источников
электромагнитного излучения.
В этой главе рассказывается о местах возникновения и
проникновения помех, описываются методы их поиска и локализации,
приводятся наиболее удачные разработки соответствующих фильтров.
ПРАКТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ФИЛЬТРОВ
В последнее время радиорынок России наводнен телевизорами
производства стран Юго-Восточной Азии. Эти неплохие аппараты
обладают одним существенным недостатком: на входе селектора каналов
имеется широкополосный УВЧ, который «хватает» все подряд -
и сигналы телеканалов, и помехи. Иногда причиной помех
телевидению становится работа радиолюбительской или Си-Би
радиостанции. С мощным сигналом передатчика, который блокирует УВЧ,
справиться трудно. Тут возможны только два пути - уменьшать
мощность передатчика или устанавливать селективные фильтры на входе
телевизора. Уровень же гармоник передатчика, также создающих
помехи на телеканалах, удается существенно уменьшить с помощью
фильтра нижних частот в антенно-фидерном тракте.
В доступной для радиолюбителей популярной литературе за
1990-1999 гг. можно найти лишь две схемы таких фильтров ([1, 2]),
и наиболее доступной из них в настоящее время является схема
(рис. 14.1) из [1].
Если сознательно пойти на некоторое ухудшение характеристик
фильтра из-за неточного выполнения его элементов, собрать его
вполне по силам даже начинающему радиолюбителю. На рисунке
показаны схемы четырех вариантов фильтров (а), их конструкция (б) и па*
раметры (в).
Первое, в чем допускается отступление при сборке, - это точность
изготовления катушек. Действительно, лишь немногие из
радиолюбителей располагают приборами, позволяющими без больших
погрешностей измерять столь малые значения индуктивности, которые
характерны для фильтров. В табл. 14.1 представлены рассчитанные
и проверенные на практике конструктивные данные катушек для
фильтров передатчиков с выходной мощностью до 100 Вт и свыше
200 Вт. Следует иметь в виду, что расстояние от геометрического
центра катушки до экрана должно составлять не менее 25 мм. Тогда
влияние экрана на ее индуктивность будет небольшим.
ПРАКТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ФИЛЬТРОВ
303
-е-
Фильтр 1
0.542 нкГн 0.540 мкГн 0.5 мкГн О А 65 мкГн
3.7 пФ
II
II
49.6 пФ
20.3 пФ
II
II
108.2 пФ
26.4 пФ
II
II
100.74 пФ
14.1 пФ
II
II
99 пФ
40.6 пФ
■е-
-е-
Фильтр 2
о)
Фильтр 3
0.361 мкГн 0.360 мкГн 0.333 мкГн 0.31 мкГн
5.6 пФ | 30.05 пФ\ 39.6 пФ | 2117 пФ
74.4 пФ
е-
162.3 пФ
151.1 пФ
148.5 пФ
е-
\60.84 пФ\
0,522 мкГн 0.4 78 мкГн 0.43 мкГн
5.16 пФ I 23.42 ПФ I 18.19 пФ
53 пФ
104.6 пФ
98.09 пФ
е-
42.18 пФ\
Фильтр 4
-о-
0.348 мкГн 0.319 мкГн 0.287 мкГн
7.74 пФ
79.45 пФ
35.13 пФ
156.9 пФ
27.28 пФ
147.14 пФ
-е-
63.27 пФ\
б)
Конструкция фильтроЬ
ш^щ4^^м^!щ
ПАРАМЕТРЫ ФИЛЬТРОВ
Схема : Фильтр N
Fcpesa' МГц
Подабление гармоник. дБ
ВолноЬое сопротибление. Ом
КБВ собстбенный
Потери. дБ
1
29
86.63
75
>0.9
<0.3
2
29
86.3
50
>0.9
<0.3
3
30
65
75
>0.9
<0.3
4
30
65
50
>0.9
<0.3
Рис. 14.1. Фильтры помех
Второе допустимое отступление - точность емкостей применяемых
конденсаторов. Конечно, хорошо, когда есть возможность строго
подобрать емкости. А еще лучше - аккуратно настроить все ячейки
304
ФИЛЬТРЫ В РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКОЙ ПРАКТИКЕ
Таблица 14.1. Конструктивные данные катушек фильтра
Мошность передатчика
<100 Вт (QRP)
>200Вт (QRO)
Рис. К. 1 Фильтр 1
Индукт.
мкГн
0.542
0.540
' 0.5
0.465
Диаметр
катушки
10 мм
10 мм
7 мм
7 мм
Длина
намотки
10 мм
10 мм
10 мм
10 мм
Кол - bo
ЬиткоЬ
9
9
12
11
Диаметр
катушки
15 мм
15 мм
15 мм
15 мм
Длина
намотки
9 мм
9 мм
10 мм
6 мм
Кол - bo
ЬиткоЬ
6
6
6 .
5
Рис. 14. 1 Фильтр 2
0.361
0.360
0.333
0.31
7 мм
7 мм
10 мм
10 мм
7.5 мм
8 мм
10 мм
12 мм
9
9
7
7
15 мм
15 мм
15 мм
15 мм
9 мм
9 мм
10 мм
5 мм
5
5
5
4
Рис. Н. 1 Фильтр 3 ,
0.522
0.478
0.43
7 мм
7 мм
10 мм
10 мм
10 мм
10 мм
12
11
8
15 мм
15 мм
15 мм
9 мм
5 мм
7 мм
5
5
5
Рис. 14. 1 Фильтр 4
0.348
0.319
0.267
10 мм
7 мм
10 мм
10 мм
8.5 мм
7.5 мм
7
9
6
15 мм
15 мм
15 мм
9 мм
5 мм
7.5 мм
5
4.5
_JA—\
фильтра на необходимые резонансные частоты в полном
соответствии с рекомендациями автора этого фильтра. Но когда такой
возможности нет, смело ставьте емкости даже с 10-процентным
разбросом. Если бы при изготовлении удалось точно выдержать
рассчитанные теоретически номиналы для катушек и конденсаторов,
фильтры, очевидно, имели бы параметры не хуже указанных в [1], то есть
очень крутой срез на заданных частотах, малую неравномерность
в полосе пропускания, низкий КСВ, полное отсутствие выбросов
в полосе задерживания.
Очень неплохие результаты были получены автором при
экспериментальном изготовлении фильтров по данным из табл. 14.1, хотя
отличия значений их индуктивностей от требуемых достигали иногда
20%, а емкости конденсаторов - 10%. Трехзвенные фильтры (1 и 4 на
рис. 14.1) оказались самыми работоспособными при таких разбросах.
Несоблюдение номиналов деталей привело лишь к неравномерности
частотной характеристики в диапазоне частот выше 14 МГц.
Несколько более пологим стал спад характеристики фильтра. Частота среза
у разных экземпляров фильтров находилась в пределах 500 кГц. КСВ на
частотах выше 18 МГц возрос до 1,2, а на частоте среза достиг 1,3-1,4.
ПРАКТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ФИЛЬТРОВ
305
Уровень подавления высших частот в полосе задерживания (а это
в фильтре самое главное!) практически не отличался от расчетного.
Для фильтров 1 и 2 (рис. 14.1а) при использовании деталей с
разбросом параметров были получены следующие результаты:
неравномерность на частотах выше 14 МГц увеличилась по сравнению с расчетной;
крутизна среза уменьшилась' незначительно; КСВ в полосе частот от
18 МГц до частоты среза возрос до 1,3 на 18 МГц и 1,5 на частоте среза.
Подстройка по минимуму КСВ четырехзвенного фильтра с помощью
простого КСВ-метра оказалась гораздо более сложным делом, чем трех-
звенного. Радиолюбителям с малым опытом проводить ее не
рекомендуется. В то же время, такой четырехзвенный фильтр применять
вполне можно, если включить его перед линейным усилителем мощности
или предусмотреть в антенной системе согласующее устройство.
Идеальный прибор для настройки фильтров - любой измеритель
частотных характеристик, обеспечивающий необходимую полосу обзора.
Трехзвенные фильтры, собранные без большой последующей
настройки, вполне подходят для установки в передатчиках Си-Би
радиостанций и для включения в антенно-фидерные тракты
радиолюбительских систем, например в коаксиальные кабели передающих
антенн, между трансиверами и т.п. Нужно отметить, что кабель,
соединяющий фильтр с источником возможных помех, следует
выбирать по возможности минимальной длины.
В некоторых случаях не требуется столь глубокого (75-86 дБ)
подавления гармоник передатчика. В этом случае можно использовать
открытую конструкцию фильтра, ограничившись лишь небольшими
экранами между звеньями фильтра (но и их ставить не обязательно).
Такой сравнительно миниатюрный фильтр можно собрать, по тем же
схемам на рис. 14.1, и данным из табл. 14.1. Подавление гармоник в
такой конструкции на 10-15 дБ ниже, из-за излучения катушек и
индуктивной связи между звеньями фильтра. Однако оно остается
достаточно высоким, что оправдывает выбор такой упрощенной конструкции.
Фильтр можно установить внутри промышленного Си-Би трансивера.
Это позволит очистить спектр передатчика от гармоник и более
свободно эксплуатировать Си-Би радиостанцию в домашних условиях.
Наиболее простым в настройке и легко повторяемым в
радиолюбительских условиях является фильтр, показанный на рис. 14.2. Такой
фильтр, изготовленный строго по описанию, но без подбора точных
номиналов деталей, обладал приемлемым КСВ - не хуже 1,2. Он
легко согласуется с фидерами с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом.
В частности, его удобно сочетать с промышленными трансиверами,
имеющими обычно 50-омный выход. Недостатком фильтра является
306
ФИЛЬТРЫ В РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКОЙ ПРАКТИКЕ
*•>—От
-е-^6
С2 120
Сj 120
С, 1*0
X.
_J
С, 40
Рис. 14.2. Простой в настройке фильтр
Рис. 14.3. Конструкция простого в настройке фильтра
ПОГЛОЩАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ
307
необходимость применения пластины двухстороннего фольгирован-
ного стеклотекстолита сравнительно больших размеров, что в
некоторых случаях неудобно для крепления его на задней стенке транси-
вера. На рис. 14.3 показана топология печатной платы фильтра (а)
и расположение на ней катушек (б).
ПОГЛОЩАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ
Фильтры из J1] и [2], установленные после П-контура, отражают
сигналы гармоник передатчика, которые вновь поступают на П-контур,
далее - на выходной транзистор или лампу, где они или рассеиваются
или, отразившись, снова попадают на фильтр, чтобы вновь
отразиться от него обратно к П-контуру На практике это легко фиксируется
благодаря значительному увеличению КСВ на участке кабель-
фильтр. Если для лампового выходного усилителя передатчика такой
режим стоячих волн на высших гармониках не слишком опасен, то
в транзисторном усилителе высшие гармоники, отраженные от
фильтра, пройдут через оконечный транзистор и нарушат режим работы
предоконечных каскадов. Это иногда вызывает возбуждение
передающего тракта на основной частоте, усиление предоконечными
каскадами гармоник или их нелинейное преобразование. В итоге возможно
резкое возрастание уровня помех телевидению. Все эти
неприятности случаются лишь при неправильном построении передающего
тракта. В любом случае, когда возникает такая проблема, полезно
установить поглощающий фильтр из [3], электрическая схема (а) и
конструктивные данные катушек (б) которого показаны на рис. 14.4.
Он представляет собой комбинацию из двух фильтров - ФНЧ
(верхний на схеме), пропускающий частоты ниже 30 МГц, и ФВЧ (на
схеме внизу), который частоты выше 40 МГц рассеивает на
нагрузочном (балластном) резисторе Rr Измерения показали, что в нем
рассеивается практически почти 80% мощности на частотах выше
60 МГц. Но часто в реальной жизни все выглядит не так хорошо.
Выходное сопротивление усилителя мощности передатчика на
высших гармониках не равно 50 Ом. Это значит, что не вся энергия
гармоник поступит через ФВЧ в балластную нагрузку. Часть ее
отразится обратно в выходной каскад. Тем не менее, такая схема достаточно
эффективна и во многих случаях фильтр позволяет предотвратить
интенсивное проникновение высших гармоник в предоконечные
каскады и сделать работу передатчика более устойчивой.
308
ФИЛЬТРЫ В РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКОЙ ПРАКТИКЕ
i
! Ц 0.3 мкГн
о)
б)
Индуктибность
Диаметр, мм
Длина намотки, мм
Количестбо биткоб
Ц
10
15
8
1*
ю
18
7
L,
10
10
5
и
10
20
12
Рис. 14.4. Поглощающий фильтр
Фильтр рассчитан на фидерный тракт с волновым
сопротивлением 50 Ом. Если при его изготовлении используются конденсаторы
с разбросом номиналов 10% и катушки индуктивности с
параметрами из таблицы, помещенной на рис. 14.4, то получаются вполне
приемлемые результаты: КСВ не хуже 1,2 в интервале от 20 до примерно
35 МГц, малая неравномерность и низкое затухание в полосе
пропускания. Срез частотной характеристики не получается крутым и
располагается между 30 и 40 МГц, что на практике можно считать
вполне удовлетворительным.
Этот фильтр можно рекомендовать для самодельных
транзисторных передатчиков, в том числе и Си-Би диапазона, а также для
транзисторных выходных усилителей мощности, в особенности
широкополосных. С помощью переменного конденсатора устанавливают
наибольшее подавление самой сильной гармоники передатчика
(если таковая присутствует в спектре), которая создает помехи
телевидению.
Сравнивая описанные выше фильтры, можно отметить, что лучше
всего работают фильтры, показанные на рис. 14.1. Они обеспечивают
крутой срез в весьма узкой полосе частот (200-300 кГц) и высокое
подавление всех гармоник с частотами выше частоты среза. Фильтр,
ФИЛЬТР G8NDL
309
изображенный на рис. 14.2, легко реализуется на практике и хорошо
согласуется с нагрузкой 30-100 Ом, однако может пропустить
гармоники передатчика в интервале 30-40 МГц в эфир, так как его
частота среза составляет около 40 МГц. Более высокочастотные
гармоники, благодаря использованию практически безиндукционных
конденсаторов и катушек с низкими потерями, этот фильтр
эффективно подавляет.
Фильтр из [3], являющийся комбинацией всего лишь двух
простейших Т-фильтров НЧ и ВЧ, не обеспечивает ни такого глубокого
подавления гармоник, ни достаточно хорошего согласования с
выходом передатчика.
Автором была предпринята попытка превратить фильтр
«заградительного» типа (рис. 14.2), в рассеивающий высшие гармоники на
своих пассивных элементах. Для этого параллельно Lt и Ц были
подключены резисторы МЛТ-2 сопротивлением 100 Ом, которые имели
выводы минимально возможной длины и располагались внутри
указанных катушек.
При исследовании такого фильтра было выявлено, что
неравномерность частотной характеристики в полосе прозрачности
уменьшилась: В отличие от варианта без сопротивлений, для которого
характерен резкий спад частотной характеристики на 40 Мгц, в данной
схеме спад растянут в диапазоне от 30 до 40 Мгц. КСВ фильтра при
нагрузках 50 и 75 Ом на частотах до 30 МГц был не хуже 1,1. При
измерениях оказалось, что на частотах выше 50 МГц пассивные элементы
фильтра рассеивают практически 80% энергии, а выше 80 МГц - 90%.
Об этом свидетельствовали и значения КСВ в полосе задерживания
фильтра. Независимо от нагрузки на его выходе, КСВ в этом
диапазоне был не хуже 1,3. Это говорит о том, что практически вся энергия
гармоник, поступающая в фильтр, рассеивается на резисторах.
ФИЛЬТР G8NDL
Стоит обратить внимание на то, что в зарубежной
радиолюбительской литературе последних лет фильтрам гармоник уделяется
больше внимания, чем в отечественной. Но схемы этих фильтров в
основном аналогичны приведенным на рис. 14.2 и 14.4.
В одной из работ [4] была опубликована схема весьма интересного
фильтра, который конструктивно легко повторить (рис. 14.5).
Этот фильтр должен особенно заинтересовать радиолюбителей,
работающих в диапазоне 50 МГц, поскольку он эффективно фильтрует
310
ФИЛЬТРЫ В РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКОЙ ПРАКТИКЕ
2 дитка 36
<б
7Г 8+зо
с2
68
36 26
_Сз
68
Рис. 14.5. Фильтр G8NDL
7Г 8*зо
самую неприятную, третью, гармонику передатчика. При этом с
помощью конденсаторов С{ и С4 можно выставлять необходимые
частоты «бесконечного» подавления. Стараются, как правило, подавить
либо третью гармонику сигнала на 50 МГц, либо сигнал передатчика
на 144 МГц.
Автором фильтр был собран и испытан. Результаты измерений
показали, что его параметры вполне соответствуют указанным в [4].
В схеме могут быть использованы конденсаторы с максимальной
емкостью 30 пФ. На рис. 14.6 показана экспериментально снятая
частотная характеристика одной из конструкций этого фильтра. Хотя
первоначально он предназначался для включения в 50-омный тракт,
но также вполне удовлетворительно работает и в тракте с волновым
сопротивлением 75 ом. При этом лишь на частотах выше 50 МГц его
КСВ возрастает до 1,2, что вполне приемлемо для
радиолюбительской практики. Конструктивно фильтр был выполнен в коробке из
фольгированного стеклотекстолита, как показано на рис. 14.7.
Фильтр G8NDL хорошо сочетается не только с радиопередающим,
но и с приемным устройством - например, когда нужно убрать помехи
Подабление. дБ
100 150
Частота. МГц
Рис U.6. Экспериментально снятая характеристика фильтра G8NDL
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ФИЛЬТРОВ
311
|у
/жщж=
р
Рис. 14.7. Конструкция фильтра
от каких-либо мощных станций (ведомственной или телевизионной).
Фильтр можно сделать и для использования в диапазоне до 30 МГц.
В этом случае диаметр катушки должен быть 22 мм, расстояние
между витками - 5 мм, а в ее средней части должно быть не 4, а 5 витков.
Емкость постоянных конденсаторов увеличивается до 100 пФ.
Частотная характеристика такого фильтра представлена на рис. 14.8.
С помощью конденсаторов удается несколько изменять крутизну среза
и выбросы в полосе задерживания. Фильтр был испытан как в 50-, так
и в 75-омном трактах. Его КСВ в обоих случаях был не хуже 1,2 на
частотах выше 30 МГц. Таким образом, данный фильтр, несмотря на свою
простоту, достаточно эффективен. Если в ходе работы не требуется
специальной регулировки частотной характеристики, то переменные
конденсаторы в нем можно заменить постоянными, по 10 пФ.
200 Частота. МГц
Рис. 14.8. Экспериментальная характеристика
фильтра G8NDL для KB диапазонов
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ФИЛЬТРОВ
При измерении КСВ фильтров, изображенных на рис. 14.1 и 14.2,
было обнаружено резкое возрастание его значений (до 3-5) в полосе
312
ФИЛЬТРЫ В РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКОЙ ПРАКТИКЕ
задерживания. Измерения проводились в диапазоне частот 30-100 МГц.
КСВ фильтра, показанного на рис. 14.4, в полосе задерживания имел
значения 1,5 и 2, соответственно, на 40 МГц и на частотах свыше 100 МГц.
Увеличение КСВ до больших значений говорит об отражении
гармоник на выход передатчика.
Испытания описанных здесь фильтров совместно с УКВ
генератором подтвердили, что при наличии на выходе фильтра согласованной
нагрузки наибольшее подавление ВЧ сигналов обеспечивают
конструкции, изображенные на рис. 14.1, Критерием измерений были
помехи на экране телевизора. При рассогласованной нагрузке (для
этого, например, достаточно подключить проводник длиной 10-15 см на
выход фильтра) наибольшее подавление помех телевидению
обеспечивали схемы, соответствующие рис. 14.2 и 14.4.
Испытания фильтра, изображенного на рис. 14.2, с
подключенными параллельно катушкам L{ и L5 резисторами как по приведенной
методике, так и с реальным передатчиком и антеннами, показали, что
из всех рассмотренных здесь конструкций он обеспечивал
наибольшее подавление помех телевидению.
Очевидно, нельзя рассчитывать на то, что с помощью фильтров
удастся полностью устранить помехи телевидению, но вполне
реальную пользу они принесут, особенно при работе выходных каскадов
передатчика в режиме С, что часто имеет место на KB при работе
в режиме незатухающих колебаний или в Си-Би и УКВ диапазонах;
На взгляд автора, наиболее простым и эффективным в этом случае
будет фильтр, построенный в соответствии с рис. 14.2, с
параллельным подключением резисторов к катушкам.
ЛИТЕРАТУРА
1. Доматковский Б. Фильтры гармоник. РЛ KB и УКВ, № 3, 1996.
2. Радион Г. Фильтр верхних частот. РЛ, № 7, 1993.
3. Бунин С. Г., Яйленко Л. П. Справочник
радиолюбителя-коротковолновика. - К.: Техника, 1984.
4. Ginn G8NDL К. Е. A Four and Six Filter. Practical Wireless, June,
1995.
15
ИСТОЧНИКИ
ВОЗНИКНОВЕНИЯ
И ПУТИ
ПРОНИКНОВЕНИЯ
ПОМЕХ
Помехи в старых усилителях мощности
передатчиков 314
Режекторные контуры в сети питания 315
Контактные помехи приему телевидения 316
Устранение помех приему
в диапазонах СВ-КВ 318
Устранение помех от УКВ станций 322
314 ИСТОЧНИКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ПУТИ ПРОНИКНОВЕНИЯ ПОМЕХ
Не всегда применение фильтра внеполосных излучении позволяет
избавиться от помех телевидению. Иногда даже после его установки
на выход передатчика помехи приему телевидения остаются на
прежнем уровне. В таком случае можно сделать вывод о том, что помехи
проникают на вход телевизора не через антенну передатчика, а
другим путем. В этой главе рассматриваются методы поиска и
устранения таких помех.
ПОМЕХИ В СТАРЫХ УСИЛИТЕЛЯХ МОЩНОСТИ
ПЕРЕДАТЧИКОВ
Одной из причин возникновения помех телевидению, возникающих
при работе выходного усилителя мощности передатчика, которых
прежде в течение длительного времени не было, является деградация
его выходной лампы или транзистора. Признаки, указывающие на
это, - появление устойчивых помех даже в безопасных с данной
точки зрения диапазонах (1,8 и 3,5 МГц), отчетливые следы
возбуждения выходных каскадов передатчика в отдельных диапазонах, малая
отдача мощности при сравнительно большом потребляемом анодном
или коллекторном токе.
Деградированйую лампу обычно легко определить визуально:
в новых лампах анод ровного серого цвета, а в деградированной -
неестественно черного, часто с волнообразными изменениями.
Нередко он бывает деформирован на стыках. Это относится к лампам
с металлическим анодом - типа ГУ50, ГУ29, Г807 и т.п. Вследствие
увеличения ионной проводимости такая лампа при максимальном
сигнале начинает потреблять больший анодный ток по сравнению
с новой лампой; в то же время при малых токах (в пределах
удвоенного значения тока покоя) ее поведение мало чем отличается от
поведения новой лампы. В такой ситуации избежать помех
телевидению помогает только замена деградировавшей лампы на новую или
работа с небольшими мощностями
С транзисторами ситуация сложнее. Все мощные ВЧ транзисторы
являются многоэмиттерными. Уже при наладке усилителя
мощности есть опасность прожога или деградации нескольких ячеек
транзистора, который в результате может стать источником помех,
особенно при больших токах, когда увеличивается нелинейность его
выходной характеристики. В процессе длительной эксплуатации
транзисторных усилителей мощности не исключена деградация ячеек
из-за некачественного изготовления транзистора или из-за
перегрузки. При проверке на соответствующих приборах такой транзистор
ПОМЕХИ В СТАРЫХ УСИЛИТЕЛЯХ МОЩНОСТИ ПЕРЕДАТЧИКОВ
315
ведет себя, как исправный, и только его замена на заведомо годный
позволяет установись истинного «виновника» помех. Лишь
эксплуатация транзистора в усилителе в благоприятном для него режиме
гарантирует ему длительный срок службы и работу без создания
помех.
РЕЖЕКТОРНЫЕ КОНТУРЫ В СЕТИ ПИТАНИЯ
В практике автора имел место случай, когда при переходе от
маломощной лампы (1,5 Вт) на мощную генераторную типа ГК71 в
диапазоне 40 м появились помехи приему телевизионных передач в ком-1
нате, где располагался трансивер. Измерения ВЧ напряжения
с помощью осциллографа показали, что на частотах свыше 7 МГц
плохо работают блокировочные слюдяные конденсаторы сетевого
фильтра питания - на сетевых проводах, идущих от блока питания
выходного усилителя мощности, присутствовало значительное ВЧ
напряжение, которое ими излучалось и непосредственно проникало
в электрическую сеть.
Выйти из этого положения помогли обычные режекторные
контуры, включенные в сетевые провода (рис. 15.1). Они были помещены
в запаянную коробку из фольгированного стеклотекстолита. «Земля»
подавалась от батареи отопления через медную ленту шириной 3 см.
В конструкциях подобного типа желательно как можно более
качественно выполнить контур. В варианте автора катушка на 7 МГц
состояла из 30 витков медного провода толщиной 1 мм. намотанного
на оправку диаметром 2,5 см и длиной 4 см. Светодиод
присоединялся первоначально к седьмому витку. В качестве контурных
конденсаторов применялись воздушные подстроечные конденсаторы типа
КПВ-1 емкостью 10-100 пФ. Настраивался контур на частоты ре-
жекции по свечению светодиода с помощью переменных
конденсаторов. Для этого он слабо связывался с катушкой выходного усилителя
передатчика. Затем настроенный контур включался в цепь питания
силового трансформатора и после установки трансивера в режим
передачи еще раз немного подстраивался конденсатором по максимуму
свечения светодиода.
Если светодиод горит слишком ярко, его присоединяют к
меньшему количеству витков. После настройки светодиод можно не
отключать. Когда мощности передатчика не хватает для свечения
светодиода, подстройку режекторного контура производят по минимуму
помех или по максимуму ВЧ напряжения на контуре. Фильтр
следует подключать к выходному усилителю мощности возможно более
316
ИСТОЧНИКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ПУТИ ПРОНИКНОВЕНИЯ ПОМЕХ
г _ 1
t3[VDi АЛ307
Трансформатор
питания
Рис 15. /. Режекюрные контуры в цепи питания
короткими проводами. Лучший вариант - размещение его
непосредственно около трансформатора питания.
После установки режекторных контуров при работе передатчика
в диапазоне 7 МГц помехи приему телевидения значительно
уменьшились. Дополнительно снизить их уровень удалось с помощью
широкой (3 см) медной ленты, проложенной от «земли» выходного
каскада к батарее отопления. Кабель проходил вдоль этой ленты, что
позволило значительно уменьшить излучение его оплетки,
возникавшее из-за рассиметрирования антенны.
Такая лента устраняла помехи телевидению со стороны
передатчика мощностью до 40 Вт, работавшего в диапазоне 40 м без
режекторных контуров в цепи трансформатора.
Если эти помехи появляются при работе передатчика в других
диапазонах, то режекторные контуры можно подключать
последовательно для каждого диапазона. Основные требования к ним -
максимально возможная добротность и экранирование каждого контура
(расстояние между экраном и катушкой должно быть не менее
половины ее диаметра).
КОНТАКТНЫЕ ПОМЕХИ ПРИЕМУ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
В радиолюбительской литературе подробно описаны способы
устранения помех телевидению, возникающих из-за гармоник
передатчика, которые проникают на вход телевизора через эфир или общую
КОНТАКТНЫЕ ПОМЕХИ ПРИЕМУ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
317
сеть питания. Но часто бывают ситуации, когда помехи создает
хорошо отлаженный передатчик, сигнал которого не содержит гармоник.
Источником этих помех являются нелинейные явления,
возникающие в месте контакта «металл-металл» или на участках окисления
металлов. В них сигналы от передатчика радиолюбителя,
телецентра, служебной станции, могут в тех или иных комбинациях
смешиваться друг с другом, а полученные в результате сигналы с
частотами, образованными различными линейными комбинациями частот
исходных сигналов, - переизлучаться в эфир и создавать тем самым
широкий спектр помех. При обнаружении таких участков их нужно
постараться устранить: разбить изоляторами металлы, находящиеся
в контакте, или уменьшить добротность излучающей системы
(покрыть эти места краской с большим содержанием графита или угля,
либо просто натереть графитом).
Основная трудность при этом заключается в том, чтобы найти эти
создающие помехи нелинейные контакты металлов. В некоторых
случаях это удается сделать с помощью переносного телевизора,
который служит в качестве индикатора помех телевещанию. Для этого
устанавливают на выходе передатчика небольшую, но достаточную
для образования помех мощность и, перемещая телевизор, пытаются
найти места, где помехи достигают максимального уровня (рис. 15.2).
Обычно картина контактных помех получается очень
«размазанной» и судить об их источнике можно только косвенно, так как
возникают они на маленьких участках, а переизлучаются через большие
отрезки проводов (оттяжки, металлическое ограждение крыши и т.п.).
Локализация обнаруженного источника помех осуществляется
путем местного облучения «подозрительного» участка ВЧ энергией от
передатчика. Для этого на его выходе устанавливают мощность 40-
100 Вт и к концу его антенного коаксиального кабеля 50 или 75 Ом
подсоединяют соответствующую нагрузку - 50 или 75 Ом (рис. 15.3).
Оттяжка коллектидной ТВ антенны
Телебиэор для индикации помех
Рис. 15.2. Поиск контактных помех приему телевидения
318 ИСТОЧНИКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ПУТИ ПРОНИКНОВЕНИЯ ПОМЕХ
Излучаемое поле локализуется около нагрузки, поэтому с помощью
получившегося «зонда» легко выявить место, на котором возникает
нелинейный эффект, а затем и устранить его.
Если потребуется, антенный коаксиальный кабель можно,
удлинить. В качестве нагрузки подходят любые безиндувдионные
резисторы или лампы накаливания соответствующей мощности. При
поиске нелинейных участков телевизор должен находиться вблизи того
места, где предполагается возникновение контактных помех,
поскольку мощность переизлученной помехи при таком методе поиска
обычно мала.
В одном из случаев в практике автора источником помех
телевидению оказалась бухта биметаллического провода, забытая на
крыше связистами. После того, как она была перенесена на другой конец
крыши, помехи прекратились.
Скрутка
металл - металл
Местное облучение
источника помех
Рис. 15.3. Локализация источника помех приему телевидения
УСТРАНЕНИЕ ПОМЕХ ПРИЕМУ В ДИАПАЗОНАХ СВ-КВ
Схема самого простого фильтра, который ослабляет сигналы
мешающих станций примерно на 3-10 дБ (в большей степени на НЧ и в
меньшей на ВЧ), изображена на рис. 15.4а. Его конструкция и частотная
характеристика представлены на рис. 15.46 и 15.4в соответственно.
Он состоит из двух-трех витков связи, расположенных один
внутри других. С помощью такого фильтра удается значительно
ослабить помехи от близлежащей станции. Иногда, если мешающий
сигнал очень мощный, от перегрузки приемника не спасает и такой
фильтр.
В подобном случае можно попытаться использовать простейшие
режекторные фильтры, то есть настроенные на частоту конкретного
мешающего сигнала. Наиболее простой из них показан на рис. 15.5.
Это настроенный на частоту мешающей станции контур, который
включается в цепь антенны. Чтобы обеспечить приемлемое подавление,
УСТРАНЕНИЕ ПОМЕХ ПРИЕМУ В ДИАПАЗОНАХ СВ-КВ
319
о)
0 2-3 см
g Jtu. s
б)
в)
□
Стыки
тщательно
пропаяны
Wr
и
Коробка из стеклотекстолита
i Затухание. дБ
13 30 F. МГц
Рис 15.4. Простой приемный фильтр
а
sv^r^r^rs
II
II
о
Коробка из стеклотекстолита
Рис. 15.5. Режекторный фильтр
он должен обладать высокой добротностью, поэтому для его
настройки желательно иметь воздушный конденсатор. Если
воспользоваться этим переменным конденсатором, можно проводить режекцию
мешающих сигналов в некотором диапазоне частот. Все же практика
показывает, что столь простой фильтр чаще всего не обеспечивает
достаточного ослабления мешающего сигнала.
320 ИСТОЧНИКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ПУТИ ПРОНИКНОВЕНИЯ ПОМЕХ
Очень хорошо себя зарекомендовали комбинированные фильтры,
изображенные на рис. 15.6.
В отличие от простого фильтра (рис/15.6а) с одиночным контуром,
настроенным на частоту одной мешающей станции, фильтр на рис. 15.56
позволяет отфильтровать два действующих в месте приема
мешающих сигнала. В этом случае контуры настраиваются на
соответствующие частоты мешающих станций. Эти фильтры обратимы, поэтому
безразлично, с какой стороны подключать антенну, а с какой
приемник. Конструктивно они выполнены в тщательно пропаянных
коробках из фольгированного стеклотекстолита. После настройки
коробку с фильтром полезно закрыть крышкой тоже из фольгированного
стеклотекстолита и так же тщательно запаять.
Если уровень мешающих сигналов со временем меняется, например
из-за изменения условий прохождения либо в результате включения
или выключения передатчиков, то для подавления помех можно
применить аттенюаторы с регулируемым ослаблением. Несложная
схема одного из них изображена на рис. 15.7а.
В нем имеются две расположенные параллельно друг другу
одинаковые катушки диаметром 15 мм, содержащие по 5-10 витков
каждая. Между ними вращается заслонка из фольгированного
стеклотекстолита (рис. 15.76). При перпендикулярном относительно витков
катушек положении заслонки затухание аттенюатора минимально,
а при параллельном - максимально.
Аттенюатор в зависимости от диапазона обеспечивает начальное
затухание в 3-6 дБ и конечное в 20-40 дБ. В его состав можно
ввести режекторные контуры, как в фильтре на рис. 15.6. Один из них
Рис. 15.6. Комбинированный фильтр
УСТРАНЕНИЕ ПОМЕХ ПРИЕМУ В ДИАПАЗОНАХ СВ-КВ
321
о)
Пружина
Фольгиробанный
стеклотекстолит
61
Пружина ^ H1I1I1111H Ручка
Рис. 15.7. Регулируемый аттенюатор
целесообразно настроить на промежуточную частоту, а второй - на
частоту мешающей станции. Надо заметить, что полоса режекции
тщательно, изготовленных контуров оказывается достаточно узкой
и может составлять от 10 кГц на 1,6 МГц до 500 кГц на 30 МГц. Но
порой возникают ситуации, когда мешающих станций много и их
рабочие частотььзаранее не определены.
В этом случае лучшим выходом будет использование диапазонных
(полосовых) фильтров. Тщательно изготовленный диапазонный
фильтр помогает избавиться от помехи, которую создает станция,
работающая на частоте, отстоящей от частоты приема на 10-20 кГц.
В литературе приводится много вариантов диапазонных фильтров со
сдвоенными и строенными конденсаторами переменной емкости.
При этом рекомендуется, чтобы они были с воздушным
диэлектриком. Катушки желательно делать из толстого провода и без феррито-
вых сердечников. Автором был опробован простой вариант фильтра
с одним конденсатором. Этот фильтр, схема которого помещена на
рис. 15.8а, имеет узкую полосу пропускания, сравнимую с полосой
двух-трехконтурного фильтра.
Он представляет собой настраиваемый контур, помещенный в
коробку из фольгированного стеклотекстолита (рис. 15.86). На каждом
из концов катушки имеется по одному витку связи - один с
антенной, другой с приемником.
322
ИСТОЧНИКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ПУТИ ПРОНИКНОВЕНИЯ ПОМЕХ
rt
о)
7Г
г^п
д 1 _
(^1 J
ЧВ—j |•L
1 _gf х 1
D
si
КПЕ
Рис 15.8. Одноконтурный фильтр
Желательно, чтобы
максимальное значение емкости
конденсатора не превосходило 100 пФ. В
такой фильтр можно включить также
режекторные контуры,
показанные на рис. 15.6.
Фильтры, представленные на
рис. 15.4-15.8, хорошо работают
на частотах до 30 МГц. На более
высоких частотах добротность их
контуров падает из-за
увеличения потерь. В соответствии с этим
уменьшается и глубина режекции,
хотя на частотах УКВ диапазона,
вплоть до 70 МГц, эффект фильтрации все еще заметен. Вариант
конструкции режекторного контура для этих частот на сосредоточенных
элементах представлен на рис. 15.9. Это койденсатор переменной
емкости на 8-30 пФ и бескаркасная катушка диаметром 5-10 мм из
3-6 витков провода толщиной 1-2 мм. Настройка на частоту
режекции (50-70 МГц) производится
регулировкой емкости конденсатора и
подгонкой размеров катушки.
В заключение заметим, что
фильтры на рис. 15.4-15.8, защищают при-
о irn n - емник также и от повреждения его
Рис 15.9. Режекторныи контур г
для диапазона 50-70 МГц вх°Да атмосферным электричеством.
УСТРАНЕНИЕ ПОМЕХ ОТ УКВ СТАНЦИЙ
Как уже отмечалось, на УКВ с помощью обычных фильтров на
сосредоточенных элементах трудно добиться достаточно глубокого
подавления помех. Но можно пойти по пути изготовления их из
коаксиального кабеля.
Разомкнутый на конце отрезок кабеля длиной в четверть волны
принимаемого сигнала включается параллельно входу приемника
(рис. 15.10). В точке подключения он представляет собой почти
короткое замыкание не только для своей резонансной длины волны, но
и для всех ее нечетных гармоник.
- Следовательно, фильтр, предназначенный для 144 МГц, защитит
телевизор и от передатчика, работающего на 430 и 1215 МГц.
1 V rgj J
I 111 Ml 11 I
D
УСТРАНЕНИЕ ПОМЕХ ОТ УКВ СТАНЦИЙ
323
т
Л/4 б кабеле
Рис. 15.10. Режекторный фильтр на коаксиальном кабеле
Если одного отрезка кабеля оказывается недостаточно для
удовлетворительной режекции мешающего сигнала, то полезно вдоль
основного кабеля включить через четверть длины волны еще один
подобный отрезок и т.д. (рис. 15.11). Но использовать больше 3-4
отрезков нет смысла из-за серьезного усложнения настройки
фильтра.
Расчет его несложен. Например, для диапазона 144 МГц длина
волны составляет 2,08 м. С учетом коэффициента укорочения волны
в кабеле (0,66 для полиэтиленовой изоляции) длина
четвертьволнового отрезка составит 34,3 см. Желательно взять отрезок с
первоначальной длиной чуть больше расчетной, чтобы иметь возможность
подстраивать фильтр в дальнейшем.
Ведомственные УКВ станции работают в диапазоне 130-178 МГц.
Если нет возможности точно узнать частоту такого передатчика,
лучше воспользоваться настраиваемым фильтром (рис. 15.12). Он
представляет собой отрезок кабеля примерно в 1,5-2 раза меньше
четверти предполагаемой длины волны, на которую рассчитан этот фильтр.
Например, чтобы осуществить режекцию в диапазоне 130-178 МГц,
<* ►
"^=%Р
Y
А/4
Y
т
:1-
т
т
Рис. 15.11. Режекторный фильтр
324
ИСТОЧНИКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ПУТИ ПРОНИКНОВЕНИЯ ПОМЕХ
t^fF^
-#-
Рис. 15.12. Настраиваемый
режекторный фильтр
с коаксиальным резонатором
нужен отрезок длиной 15-20 см.
Конденсатор должен быть обязательно
воздушным с емкостью порядка 2-20 пФ.
С помощью фильтров с
коаксиальными режекторами удается
принимать DX станции в УКВ диапазоне,
расположившись недалеко от
местного УКВ ретранслятора, и «освободить»
спектр принимаемых телевизором или
УКВ приемником сигналов от помех
со стороны ведомственных станций. Поскольку такой фильтр обратим
и имеет малые потери, его можно включить на выходе трансивера,
настроив одну уасть режекторов на мешающий сигнал, а другую - на
частоту (отличную, разумеется от его основной), на которой транси-
вер сам создает помеху (рис. 15.13). Это позволяет при приеме
избавиться от сигналов мешающей станции, а при передаче -
предотвратить в какой-то мере появление помех от вашего трансивера
в соседних радиоприемных аппаратах.
Следует заметить, что описанные выше режекторы (рис. 15.11-
15.13) ослабляют и полезный сигнал, правда незначительно.
Фильтры, изготовленные из коаксиального кабеля, с успехом применяются
также в СВ-КВ диапазонах при наличии достаточного места для их
размещения (например, свернутыми в бухту). В этoм^ случае
желательно предусмотреть их подстройку.
V
л
•Е=щ
Коаксиальный кабель
настроен на частоту произбодимой
трансибером помехи
Коаксиальный кабель
настроен на частоту
мешающей станции
Ш^=(-
Y
V4
Рис. 15.13. Двухчасготный УКВ режекторный фильтр
АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Активное питание вибраторов токами разных фаз 46
Антенна
W1FB 274
автомобильная 222
антифединговая 26
Бевереджа 150
грозозащита 169
для Си-Би диапазона 210
заземление 154
короткая 259
КПД 159
круглая 163
лучевая многодиапазонная 157
нагрузка 158
параллельная 161
переключение диаграммы вперед-назад 166
с переключаемой диаграммой направленности 162
бегущей волны 101, 150
классическая 150
для работы в экспедиции 274
для Си-Би переносных станций 222
зенитного излучения 79
короткая штыревая, удлиненная с катушкой в своей вершине 233
«мини-квадрат» 88
многоэлементная с пассивными элементами 111
невидимая 217
приемная антишумовая 127
простая однопроводная 212
с концевой индуктивностью 233
с удлиняющей катушкой в основании 232
с шунтовым питанием 31
TnnaDDRR 184, 189
влияние атмосферных осадков 194
влияние близлежащих предметов 195
КПД 191
круговая 194
полуволновая 193
практическое выполнение 197
326 ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ АНТЕНН
практическое выполнение питания 195
прямая 192
типа G3YDX, укороченная 97
™naG4ZU 115
квадратная 117
mnaHB9CV 118
типа LW 268
типа UW4HW 29, 60
типа Б.В. Брауде 175
типа «Цеппелин», T2FD, Бевереджа 292
Уда-Яги 48
Харченко 102
широкополосная с параллельным включением рамок 103
электрически короткая 220
Антенна-мачта 30
верхнего питания 30
среднего питания 31
Антенная система
с фазированным питанием 48
фазированная широкополосная 60
Аттенюаторы с регулируемым ослаблением 320
Б
Бытовые коаксиальные кабели 288
В
Вибратор
несимметричный
идеальный 17
петлевой 28
суррогатный широкополосный 277
широкодиапазонный 29
симметричный 16
Витая пара проводов 275
Вносимое сопротивление 45
Волновое сопротивление
двухпроводной линии 288
коаксиальных кабелей 288
скрутки 75
Вседиапазонная «невидимая» антенна 259
Входное сопротивление
антенны 129
бегущей волны 150
квадратной рамки 78
АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
327
многоэлементной рамочной антенны 113
рамок различной формы 67
ВЧ вольтметр 207
Выходной каскад Си-Би радиостанции 206
Г
Гамма-согласование 76
настройка 78
симметричное 77
Глубина проникновения электромагнитной волны в почву 43
д
Дачная антенна 280
согласующее устройство 281
Двухпроводная линия передачи 288
Действующая высота
антенны 128
одновитковой рамки 129
Диаграмма направленности
вертикальной рамки 81
дискоконусной антенны 29
зигзагообразной антенны 105
магнитной рамочной антенны 124
нескольких рамок 108
полуволнового симметричного вибратора 25
рамочных антенн 94
штырей разной длины 26
Диполь
практическая конструкция для Си-Би связи 208
укороченный емкостной нагрузкой 93
Длина
антенны Бевереджа 159
волны в кабеле 63
Е
Емкостная нагрузка 56, 237
на конце антенны 233
3
Заградительные четвертьволновые отрезки 323
Заземление 253
для Си-Би антенны 222
штыревой антенны 18
электрически коротких штыревых антенн 41
328
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ АНТЕНН
Звуковые шнуры 296
Земля
в качестве отражателя 80
Зигзагообразная антенна 102
рефлекторная 103
трехэлементная 103
широкополосная 105
И
Измерение потерь в линиях передачи 295
Изолятор
концевой 208
опорный для штыря 212
центральный 208
К
Квадрат
укороченный
емкостью 95
с помощью.индуктивностей 94
шлейфовый 88
многодиапазонный 89
Коэффициент
направленного действия несимметричного вибратора 16
стоячей волны 286
укорочения 70
усиления 67
КПД
антенны Бевереджа с четвертьволновыми противовесами 161
спиральной антенны типа DDRR 194
КСВ-метр 296
Л
Линии передачи 286
Линия типа «лапша» 296
Лучевая антенна 156, 276
М
Магнитная
антенна
для Си-Би связи с подвижными объектами 240
расположение относительно других предметов 137
АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
329
с кардиоидной диаграммой направленности 138
Ьетля (magnetic loop) 124
Мачты-антенны 25
Мини-антенна Бевереджа 260
Н
Направления излучения наклонных низких рамок 84
Настройка
спиральной антенны 223
укороченных антенн автомобильных станций 244
Недостатки комнатных антенн 255
Нелинейные
контакты металлов 317
участки 318
Нелинейный эффект 318
Нерезонансная антенна
короткая 239
схемы использования 238
Несимметричная антенна
160-метрового диапазона 56
суррогатная 252
О
Оптимальное количество противовесов 20
П
Петлевой диполь 66
полоса пропускания 66
Пирамидальная антенна 86
Питание
антенны типа DDRR 188
верхнее для низко расположенной «дельты» 82
рамочных антенн 73
Подвижная автомобильная Си-Би радиостанция 222
Полотно антенны 255
Полуволновая короткозамкнутая линия 192
Потолочно-настенная широкополосная антенна 255
Практическое определение волнового сопротивления линии 294
Причины помех приему телевидения 314
Провод для ферритовых антенн 135
Простая широкополосная несимметричная антенна 254
Противовесы 222 /
длиннее основного штыря 22
короче основного штыря 22
330
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ АНТЕНН
минимально необходимая толщина 23
минимально необходимое число 20
суррогатные короткие 24
угол относительно штыря 20
Р
Работа на нагрузку
меньшую волнового сопротивления линии 286
превышающую волновое сопротивление линии 286
согласованную 286
Размеры многоэлементных рамочных антенн 116
Размещение магнитной передающей антенны 137
Рамка
двойная 101
двухдиапазонная с заградительными шлейфами 90
диаграмма направленности на гармониках 73
магнитная
на передачу, ненастроенная 130
одновитковая 133
приемная, экранированная 126
многовитковая 101
наклонная 84
низковисящая 78
оптимальный угол наклона 87
открытая 106
с непосредственным питанием коаксиальным кабелем 108
полуэкранированная, с кардиоидной диаграммой 141
укороченная
комбинированно 97
с помощью емкости 95
широкополосная нагруженная 101
шлейфовая 89, 90
Рамки
вертикальные 68
наклонные 86
спиральные 100
укороченные 92
цельные металлические 77
Рамочная антенна
ZL 110
влияние атмосферных осадков 120
двойная 102, 103
двухвитковая 100
АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
331
двухэлементная с подстраиваемым рефлектором 114
магнитная 124
для Си-Би переносных радиостанций 240
размеры и исполнение 132
многоэлементная 113
с активным питанием 108
с открытыми рамками 116
ненастраиваемая передающая 133
оконная,-для диапазона Си-Би 213
периметр 71
для всех любительских KB и части УКВ диапазонов 69
расположение относительно других предметов 119
с нетрадиционной конфигурацией 68
свернутая 86
спиральная 99
трехдиапазонная 92
настраиваемая шлейфовая 91
шунтовая
двухэлементная 98
широкополосная 97
Расположение магнитной антенны внутри петлевой 137
Рассимметрирование антенны 298
Регулировка антенны 243
Режекторные контуры 314
Режим работы линии со стоячей волной 286
Ромбическая антенна 172
двойная 179
диаграмма в вертикальной плоскости 177
неоптимальная 173
подключение нагрузки и питания 177
с плавной трансформацией сопротивления 175
С
Самодельная открытая линия 293
Сетевой шнур питания в качестве антенны 291
Симметрирующее устройство 66, 73, 297, 300
Симметричная пара-скрутка 75
Согласование
с помощью индуктивной петли 37
четвертьволновым трансформатором 39
штыревых антенн УКВ передвижных станций 37
штырей 27
332
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ АНТЕНН
Согласующее устройство 23, 206, 216
Сопротивление
излучения
короткого штыря 23
несимметричного вибратора 16
четвертьволнового вибратора 186
наклонной рамки 84
разомкнутой четвертьволновой линии 189
среды 221
Спиральная антенна 225, 230
входное сопротивление 225
изготовление и настройка 229
оптимальные размеры 231
полуволновая 225
построение 225
удлиненная с индуктивностью 222
Суррогатные линии передачи 291
Т
Теорема взаимности 159
Токи смещения 18
Торцевой эффект 22
Трансформатор
75/1,5 Ом 262
75/300 Ом 261
Требования к выходным каскадам Си-Би станций 222
Тюнер 72
У
Укороченная антенна 220
Уменьшение длины штыря 232
Универсальная антенна 276
Ф
Фазированная антенна
направленная 59
Фазируемая антенна
вертикальная 52
Ферритовая антенна 126, 127
магнитная 135
симметричная 128
Ферритовый стержень 135
АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
333
Фидер 291
Фидерная линия 286
Фильтр
диапазонный 321
нижних частот 302
поглощающий 307
режекторный 322
типа G8NDL 309
трехзвенный 305
четырех звенный 305
Фильтры
селективные 302
Флаг-антенны 25
Ч
Четвертьволновый трансформатор 75
Ш
Широкополосные антенны типа DDRR 197
Шлейфовая антенна
укороченная двухдиапазонная 89
Шлейфы 88
внутренние 97
Штыревая антенна 16
воздействие атмосферного электричества 35
защита от внешних атмосферных воздействий 37
настенная 212
нерезонансная 222, 238
удлиненная
индуктивностью 235
с индуктивностью 222
укороченная 58
Штырь
влияние близлежащих предметов 33
длиной X и более 26
классический 28
коэффициент укорочения 23
распределение токов 24
Э
Экранированный шнур 291
Электрически короткие антенны 254
шшмшшшштшшшшшшмтшатмшт
ГЛОССАРИЙ
В книге главным образом используются термины и некоторые
определения, которые приняты в специальной литературе, но
встречаются также и жаргонные слова и выражения, распространенные среди
радиолюбителей. Для удобства читателей в словаре раскрывается
смысл некоторых из них. Для каждого термина, помещенного в
списке, указан источник, из которого взято его определение. Слова и
выражения из радиолюбительского жаргона обозначаются
сокращением (р.ж.).
А
АКТИВНАЯ АНТЕННА - антенна, при работе с которой
используется активный элемент, установленный непосредственно на антенне
[26]. Этот элемент по сути является отдельным узлом
радиотехнического устройства и может быть изготовлен методами печатного
монтажа. Среди радиолюбителей широко распространены приемные
активные антенны [1], хотя в последние годы встречаются описания
и активных передающих радиолюбительских антенн [1].
АНТЕННА КУЛИКОВА («КУЛИКОВКА» ) - штыревая антен
на, состоящая из гибкого стального троса, на который нанизаны
алюминиевые катушки. Трос одним концом закреплен в основании
антенны, а к другому его концу припаяна верхняя катушка антенны.
В рабочем положении антенны трос натянут. Под действием сжатой
пружины амортизатора катушки плотно примыкают друг к другу
и образуют гибкий устойчивый вертикальный штырь. Натяжение
троса регулируется путем изменения длины компенсатора. Антенну
можно сложить, с помощью шарнира ослабив натяжение троса,
после чего антенне легко придать любую конфигурацию, удобную для
хранения или транспортировки. Используется в войсках, в
передвижных радиостанциях различных служб. Радиолюбители
применяют эту антенну для работы на С В и при создании автомобильных
передающих антенн KB диапазона [1].
АНТЕННА ТИПА Г, или Г-ОБРАЗНАЯ АНТЕННА - антенна,
полотно которой выполнено в виде буквы Г [1].
АНТЕННА ТИПА КВАДРАТ - антенна, полотно которой
выполнено в форме квадрата [1].
АНТЕННА ТИПА Т, или Т-ОБРАЗНАЯ АНТЕННА - антенна,
полотно которой выполнено в виде буквы Т [1].
ГЛОССАРИЙ
335
АНТЕННА ТИПА «ЦЕПЕЛЛИН» (р.ж.) - классическая антенна
«цепеллин», представляет собой простой полуволновой вибратор,
который питается через двухпроводную настроенную линию передачи
с одной стороны. Один провод линии подключается к вибратору, а
второй от него изолируется. Длина линии должна быть кратна Л/4 [2].
АНТЕННА УДА-ЯГИ - см. АНТЕННА ЯГИ [1].
АНТЕННА ЯГИ (р.ж.) - симметричная дипольная или
вертикальная несимметричная антенна, в состав которой дополнительно входит
хотя бы один пассивный элемент [1].
АНТЕННА ТИПА GP (р.ж.) - антенна, выполненная в виде
несимметричного заземленного вибратора (Ground Plane). Если размер
антенны не указан, подразумевается, что длина ее штыря составляет
к/4 [1].
АНТЕННА ТИПА I. V. (р.ж.) - то же самое, что инвертор [1].
АНТЕННА ТИПА L, ИЛИ L-АНТЕННА - антенна, полотно
которой выполнено в форме латинской буквы L [1].
АНТЕННА ТИПА LW (р.ж.) - антенна типа «длинный провод»
(Long Wire). Часто радиолюбители имеют в виду антенну
определенной длины, обычно равной 21 или 41 м [1].
АНТЕННА ТИПА T2FD (р.ж.) - апериодический шлейфовый
вибратор, подключенный в центре к нагрузке с сопротивлением 300-
600 Ом. Обычное расположение - под углом к земле. В США больше
известна под названием антенна W3HH [2].
АНТЕННА ТИПА UW4HW (р.ж.) - широкополосный
вертикальный несимметричный экспоненциальный объемный излучатель,
полотно которого набрано из отрезков медной проволоки. Классическая
антенна UW4HW работает в диапазоне частот 14-30 МГц [1].
АНТЕННА ТИПА W3DZZ (р.ж.) - один из самых
распространенных среди радиолюбителей типов многодиапазонных антенн.
Примером может служить диполь с длиной плеч по 16,7 м. На расстоянии
10 м от точек питания антенны симметрично включены два режектор-
ных контура, состоящих из катушки индуктивности 8,3 мкГн и
конденсатора 60 пФ. Благодаря им в диапазоне 80 м антенна удлиняется
до А/4. В диапазоне 20 м конденсатор укорачивает электрическую
длину антенны до ЗА/4, а в диапазонах 15и10м-до 5А/4 и 7Х/4
соответственно. Антенна питается через коаксиальный кабель с
волновым сопротивлением 50-75 Ом и электрической длиной, кратной
полуволне диапазона 80 м [2].
АНТЕННА YAGI - то же самое, что антенна Яги [1] (см.
АНТЕННА ЯГИ).
336
ПРАКТИЧЕСКИЕ- КОНСТРУКЦИИ АНТЕНН
АНТЕННОСКОП - прибор для измерения входного
сопротивления антенны. В зависимости от схемы выполнения может измерять
как активную, так и реактивную составляющие [1].
АНТЕННЫЙ ЭФФЕКТ ФИДЕРА - эффект приема,
выражающийся в том, что из-за рассимметрирования антенны
несимметричным фийером последний участвует в процессе приема [4]. Его
присутствие нежелательно, и от него стараются избавиться с помощью
соответствующих симметрирующих устройств.
АТМОСФЕРНЫЕ ПОМЕХИ - следы постоянно происходящих
в земной атмосфере различных электрических процессов, например
электризация облаков, грозовые разряды, электрические токи. Все
эти явления создают электромагнитные волны, которые, достигая
антенн, возбуждают в приемниках помехи (QRN, согласно
радиолюбительскому коду [6]), воспринимаемые в телефонах и
громкоговорителях, как треск [5].
АТТЕНЮАТОР - устройство (четырехполюсник),
обеспечивающее плавное или дискретное ослабление пррходящего через него
сигнала [7].
Б
«БАБОЧКА» (р.ж.) - конденсатор с двумя изолированными друг от
друга статорами и общим ротором [14]. Применяется в УКВ
передатчиках небольшой мощности в двухтактных выходных каскадах
или для настройки элементов антенны.
БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ПРОВОД - провод подобного типа
используется при построении профессиональных антенн для
изготовления их полотен. Его основой является железный проводник, на
который «надет» медный или алюминиевый «чулок»,[8]. Из-за скин-
эффекта (см. СКИН-ЭФФЕКТ) глубина проникновения ВЧ тока
внутрь металла мала, поэтому медную оболочку можно делать
тонкой. Биметаллический провод прочнее и дешевле медного.
БЛИЖНЯЯ ЗОНА АНТЕННЫ - зона, ограниченная
расстоянием до десяти длин волн, излучаемых антенной, в которой существует
так называемое связанное нестационарное электромагнитное поле [9].
Радиолюбителям важно знать, что для ближней зоны характерен
высокий уровень электрической и магнитной составляющих, а
диаграмма направленности антенны в ней отличается от ДН в дальней зоне.
ГЛОССАРИЙ
337
В
ВЕРТИКАЛ (р.ж.) - название любой несимметричной вертикальной
антенны [1].
ВЕРТИКАЛЬНО ПОЛЯРИЗОВАННАЯ ВОЛНА -
электромагнитная волна плоскость поляризации которой вертикальна [11].
ВНУТРЕННЯЯ АНТЕННА - 1) антенна внутри помещения (ком-
паты, чердака, застекленного балкона) [10]; 2) приемная антенна
внутри радиотехнического устройства (приемника, телевизора) [14].
ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ - параметр, относящийся к
линиям передачи (см. ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ). Волновое сопротивление
линии равно корню квадратному из отношения погонной
индуктивности к погонной емкости линии [3]. Имеет активный характер.
«ВОЛНОВОЙ КАНАЛ» - то же самое, что антенна Уда-Яги (см.
АНТЕННА ЯГИ) [1].
ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ АНТЕННЫ - отношение
комплексных амплитуд ВЧ напряжения и тока [3] непосредственно на
входных клеммах антенны. Как правило, оно является комплексной
величиной, которая представляет собой сумму сопротивлений
излучения антенны и потерь.
ВЧ - сокращение от «высокочастотный» [15].
ВЧ ДИАПАЗОНЫ (р.ж.) - коротковолновые диапазоны 10-20 м.
Г
ГАММА-СОГЛАСОВАНИЕ (р.ж.) - настраиваемое согласующее
устройство, напоминающее по своему виду греческую букву «гамма»,
которое устанавливается на антенне для согласования волнового
сопротивления коаксиального кабеля или какой-либо другой линии
передачи с входным сопротивлением антенны (10-100 Ом) [2].
ГАРМОНИКИ (р.ж.) - При работе выходного каскада
передатчика на его выходе обычно всегда имеются не только основная частота
спектра усиленного сигнала, но и кратные ей гармоники [16].
Амплитуды гармоник зависят от режима работы выходного каскада и схемы
построения передатчика.
ГОРИЗОНТАЛЬНО ПОЛЯРИЗОВАННАЯ ВОЛНА-
электромагнитная волна, плоскость поляризации которой горизонтальна [11].
338
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ АНТЕНН
ГРОЗОЗАЩИТА - комплекс мер, принимаемых
радиолюбителями для предотвращения поражения человека и выхода из строя
аппаратуры при попадании в антенну молнии [5].
ГСС - генератор стандартных сигналов, обеспечивающий
генерацию сигналов на фиксированных стандартных частотах. Обычно
в нем предусматривается возможность модуляции ВЧ сигнала по
амплитуде или по фазе [19].
д
ДАЛЬНЯЯ ЗОНА АНТЕННЫ - зона, лежащая на расстоянии
более ста длин волны, на которой работает антенна. Диаграмму
направленности антенны обычно измеряют в дальней зоне [3].
ДВ - длинные волны. В радиолюбительской практике под ДВ
обычно понимают радиовещательный диапазон 150-415 кГц [14];
«ДЕЛЬТА» (р.ж.) - обозначение антенны, имеющей форму
греческой буквы «дельта» [1].
ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ (ДН) - величина,
характеризуйся различия в интенсивности излучения (приема) антенны
в различных направлениях. Обычно ДН представляют в полярной
системе координат [6]. Лепесток ДН в направлении максимального
излучения называют главным, остальные - побочными. Лепесток,
направленный в сторону, противоположную главному, называют
задним. ДН снимают в различных плоскостях, проходящих через
направление максимума. Обычно пользуются нормированными ДН,
в которых уровень главного лепестка принимается за единицу, а
боковые лепестки строятся в масштабе относительно главного [3].
ДИПОЛЬНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ (р.ж.) - дипольная полуволновая
антенна [2].
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ СРЕДЫ - обычно
используют понятие относительной диэлектрической
проницаемости (е), которая показывает, во сколько раз напряженность
электрического поля в данной среде уменьшается по сравнению с вакуумом
[7]. Знание, например, е материала изоляции между пластинами
переменного конденсатора позволяет радиолюбителю оценить, во
сколько раз его емкость выше емкости воздушного конденсатора.
ДМВ (ДЕЦИМЕТРОВЫЕ ВОЛНЫ) - 1) в телевидении 21-80-й
каналы [19]; 2) применительно к радиолюбительским диапазонам
речь идет о зоне между 430 и 1215 МГц [1].
ДОБРОТНОСТЬ - безразмерная величина, характеризующая
относительную величину потерь энергии колебаний в контуре [5].
ГЛОССАРИЙ
339
Этим параметром можно характеризовать как контур в целом, так
и входящие в его состав катушку и конденсатор. Применительно
к конденсаторам обычно говорят не о добротности, а о «тангенсе угла
потерь» [1]. Современные цифровые RLC-метры позволяют измерять
добротность катушек и тангенс угла потерь конденсаторов.
Е
ЕМКОСТНАЯ НАГРУЗКА АНТЕННЫ - система из нескольких
проводников, подсоединенных к концу антенны, или утолщение
конца антенны в виде шара [1]. Предназначена для увеличения емкости
антенны относительно земли и, следовательно, увеличения ее
электрической длины и резонансной частоты настройки [8].
3
ЗАЗЕМЛЕНИЕ - система радиальных проводников, соединенных
особым способом и имитирующих экранирующее влияние
проводящей почвы в месте расположения антенны [8].
И
ИЗОТРОПНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ - излучатель, диаграмма
направленности которого представляет собой сферу, то есть создаваемая им
плотность потока мощности одинакова во всех направлениях [13].
Изотропный излучатель на практике нереализуем.
ИЧХ (ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК) -
прибор для непосредственного наблюдения на экране амплитудно-
частотных характеристик четырехполюсников. Он позволяет
отказаться от длительного и трудоемкого снятия АЧХ по точкам с
помощью измерительного генератора и вольтметра [19]. Особенно удобен
при настройке антенн, так как влияние изменений тех или иных
параметров в процессе настройки сразу отражается на форме АЧХ [19].
Среди радиолюбителей широкое применение получили ИЧХ типа
ХМ, XI-IA, Х1-19Б, Х1-50 [1].
ИМПЕДАНС - комплексное сопротивление (включает в себя
действительную и мнимую составляющие) [9].
ИНВЕРТОР (р.ж.) - антенна, имеющая вид перевернутой
латинской буквы «V» [1].
ИНДУСТРИАЛЬНЫЕ ПОМЕХИ (называемые также
промышленными) - трески и шумы в телефонах (или громкоговорителях)
приемников. Появляются в местах, где работают электростанции
340
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ АНТЕНН
и различные электрические установки и приборы (электродвигатели,
аппараты электросвязи, медицинские приборы, ЭВМ,
электросварочные аппараты, электрические звонки, системы зажигания двигателей
внутреннего сгорания и т.п.) [5]. Помехи от других радиостанций,
также можно отнести к индустриальным. На радиолюбительском
жаргоне их называют QRM [6].
К
КАТВ (КАБЕЛЬ АНТЕННЫЙ, ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ) -
двухпроводная линия передачи (см. ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ) в твердом
диэлектрике, с волновым сопротивлением 300 Ом [5]. В 60-е гг. КАТВ
в больших объемах выпускался промышленностью СССР;
радиолюбители до сих пор используют его для запитки простых высокоом-
ных антенн [1].
КБВ (КОЭФФИЦИЕНТ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ) - величина,
обратная КСВ (см. КСВ). Равен отношению минимальной амплитуды
напряжения, действующего в линии передачи (см. ЛИНИИ
ПЕРЕДАЧИ), к максимальному [15].
KB - диапазон коротких волн. У связистов в него включаются
только волны от 10 до 100 м (диапазон от 100 до 200 м называют
промежуточным KB диапазоном). В свою очередь радиолюбители
подразумевают под KB волны от 10 до 160 м [6]. Согласно современной
официальной терминологии диапазон KB (10-100 м) именуется де-
каметровым.
КОРОТКОВОЛНОВИК (р.ж.) - радиолюбитель, имеющий
лицензию для работы в KB диапазонах [1].
КОЭФФИЦИЕНТ НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ
АНТЕННЫ (КНД) - отношение плотности потока мощности, создаваемого
антенной в данном направлении на данном расстоянии, к плотности
мощности излучения, создаваемого на том же расстоянии
изотропной антенной, при условии, что излучаемые обеими антеннами
мощности одинаковы [3].
КОЭФФИЦИЕНТ УКОРОЧЕНИЯ ДЛИНЫ ВОЛНЫ В
КАБЕЛЕ - величина, показывающая, во сколько раз длина одной и той же
волны в кабеле меньше, чем в свободном пространстве [2]. Зависит
от относительной диэлектрической проницаемости внутренней
изоляции кабеля и его конструкции. Если изоляция в кабеле
(коаксиальном или двухпроводном) воздушная, то укорочение отсутствует
и этот коэффициент равен 1 (более строгие расчеты дают значения
0,96-0,99). В коаксиальных кабелях с полиэтиленовой и
фторопластовой изоляцией он составляет, соответственно, 0,66 и 0,68.
ГЛОССАРИЙ 341
КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ АНТЕННЫ (КУ) - отношение
плотности потока мощности, создаваемого данной антенной в
дальней зоне в данном направлении, к плотности потока мощности,
создаваемого идеальной изотропной антенной, при условии, что
мощности, подводимые к обеим антеннам, одинаковы [3].
КПД АНТЕННЫ - отношение излучаемой мощности (Р|т ) к
подводимой к антенне мощности (Р|ОД):
КПД=^
под
Это соотношение можно выразить и через отношение
сопротивления излучения антенны /?мзл и сопротивление потерь Riot:
КПД=—^
R,m + Rhot
Поскольку практически измерить мощность, излученную
антенной, весьма затруднительно, то, основываясь на теоретических
моделях [1], КПД определяют расчетным путем с той или иной степенью
приближения [3].
КСВ (КОЭФФИЦИЕНТ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ) - отношение
максимального значения напряжения в линии передачи (см.
ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ) к минимальному [15].
КСВ-МЕТР - прибор для измерения КСВ (см. ЛИНИИ
ПЕРЕДАЧИ) [16].
Л
«ЛАПША» (р.ж.) - см. ТРП.
ЛЕНТОЧНЫЙ КАБЕЛЬ (р.ж.) - двухпроводная линия передачи
в твердом диэлектрике. Радиолюбители в качестве ленточного
кабеля применяют КАТВ (см. КАТВ) и телефонный провод марки ТРП
(см. ТРП) [1].
ЛИТЦЕНДРАТ - многожильный провод с изолированными друг
от друга слоем эмали отдельными проводниками, скрученными
в общий жгут, оплетенный одним (ЛЭШО) или двумя (ЛЭШД)
слоями шелковой изоляции. На высоких частотах характеризуется
меньшими потерями, чем сплошной проводник такого же сечения.
Область применения - контурные катушки для диапазонов длинных
и средних волн. Использование литцендратов повышает их
добротность на 30-40% [14].
342
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ АНТЕНН
ЛЮБИТЕЛЬСКИЕ ДИАПАЗОНЫ (р.ж.) - ограниченные
участки спектра радиочастот, в которых разрешена работа радиолюбителям,
имеющим для этого соответствующую лицензию [6]. Си-Би диапазон
(см. СИ-БИ ДИАПАЗОН) не входит в их число и упоминается
отдельно, если радиолюбительское устройство предназначено для
работы как в любительских диапазонах, так и в Си-Би диапазоне.
М
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ СРЕДЫ (чаще используется
понятие ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ) -
величина, показывающая, во сколько раз магнитная индукция поля
в данной среде, отличается от магнитной индукции в вакууме [17].
По величине относительной магнитной проницаемости сердечника
катушки можно судить о том, насколько ее индуктивность
отличается от индуктивности той же катушки без сердечника.
MB - метровые волны. 1) в телевидении имеют в виду 1-12-й
приемные телевизионные каналы [14]; 2) радиолюбители
подразумевают диапазоны 50 МГц (6 м) и 144 МГц (2 м) [1].
МОБИЛЬНАЯ РАДИОСТАНЦИЯ - то же самое, что
передвижная радиостанция (см. ПЕРЕДВИЖНАЯ РАДИОСТАНЦИЯ) [1].
н
НАВОДКА - 1) низкочастотная помеха (см. НИЗКОЧАСТОТНАЯ
ПОМЕХА), возникающая за счет электромагнитной индукции
переменного напряжения промышленной частоты в элементах и блоках
радиотехнического устройства [5]; 2) нежелательное межблочное
проникновение любого переменного НЧ напряжения разными
путями, например, за счет электромагнитной индукции, через общие цепи
питания и т.д. [1].
«НЕВИДИМЫЕ АНТЕННЫ» (р.ж.) - антенны, при
изготовлении которых предусмотрена возможность их маскировки в месте
установки [10].
НИЗКОЧАСТОТНАЯ ПОМЕХА - непрерывный гул (фон),
появляющийся из-за наводки в телефонах (или громкоговорителе)
приемника при размещении антенны поблизости от воздушных
проводов электросети переменного тока. [5].
НЧ ДИАПАЗОНЫ (р.ж.) - в радиолюбительской практике
диапазоны 75, 80 и 160 м [16].
ГЛОССАРИЙ
343
О
ОМЕГА-СОГЛАСОВАНИЕ (р.ж.) - усовершенствованное
устройство гамма-согласования (см. ГАММА-СОГЛАСОВАНИЕ). С
помощью дополнительного конденсатора осуществляется более точная
компенсация реактивной составляющей его входного импеданса. По
своему внешнему виду напоминает греческую букву «омега» [2].
ОПОРНЫЙ ИЗОЛЯТОР - изолятор, на котором установлена
несимметричная вертикальная (штыревая) антенна [2].
Радиолюбители либо пользуются готовыми опорными изоляторами от
профессиональных KB антенн, либо изготавливают их самостоятельно [1].
ОТКРЫТАЯ ЛИНИЯ (р.ж.) - любая двухпроводная линия
передачи (см. ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ) [18].
п
ПОЛОСА ЗАДЕРЖИВАНИЯ ФИЛЬТРА - то же, что полоса
непрозрачности (см. ФИЛЬТР) [14].
ПОЛОСА ПРОЗРАЧНОСТИ ФИЛЬТРА - см. ФИЛЬТР [5].
ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ ФИЛЬТРА - то же, что полоса
прозрачности (см. ФИЛЬТР) [14].
ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР - фильтр, область прозрачности
которого лежит в определенной полосе частот (см. ФИЛЬТР) [5].
ПОМЕХИ - посторонние мешающие сигналы любого
происхождения, находящиеся в спектре частот, в котором ведется прием
радиосигналов. [5]. Различают атмосферные (см. АТМОСФЕРНЫЕ
ПОМЕХИ), индустриальные (см. ИНДУСТРИАЛЬНЫЕ ПОМЕХИ)
и низкочастотные (см. НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ПОМЕХИ).
ПРОТИВОВЕС - отрезок провода, подключаемый к выходной
клемме передатчика с нулевым потенциалом («земляная» клемма)
[2]. Различают резонансные и нерезонансные противовесы. В
зависимости от типа антенны резонансные противовесы могут быть
четвертьволновыми, полуволновыми и т.д., а нерезонансные -
произвольной длины.
ПРОХОЖДЕНИЕ - характеристика состояния ионосферы в
данный момент времени; влияет на качество радиосвязи [1].
Р
РЕЖЕКТОРНЫЙ ФИЛЬТР - фильтр, область непрозрачности
которого лежит между фиксированными граничными частотами [5].
344
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ АНТЕНН
«РЕЗИНКА»- (р.ж.) - укороченный витой вибратор,
запрессованный в резиновую оболочку. Применяется в переносных УКВ
радиостанциях [1]:
РЕПИТЕР (р.ж.) - устройство, осуществляющее прием
радиосигнала на одной частоте и передачу его на другой [1]. Репитеры
используют как в любительской, так и в служебной связи. Радиолюбительские
репитеры обычно работают в диапазоне 145 МГц. Служебные
репитеры могут применяться как на KB, так и УКВ (от англ. repeater -
«повторитель»).
РЕТРАНСЛЯТОР - то же самое, что репитер (см. РЕПИТЕР) [6].
РОТОР КОНДЕНСАТОРА - подвижные (вращающиеся)
пластины в конструкции переменного конденсатора [5].
С
СВ (сокращение от «средние волны») - 1) радиовещательный
диапазон частот 520-1600 кГц [14]; 2) то же, что Си-Би (см. СИ-БИ); 3)
иногда имеется в виду любительский диапазон 160 м [1].
СИ-БИ - диапазон гражданской связи 27 МГц (от англ. СВ -
«Citizen Band») [21].
СИММЕТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО - устройство,
обеспечивающее симметричное питание симметричной антенны через
несимметричную линию передачи [13].
СКИН-ЭФФЕКТ - эффект, возникающий при протекании через
проводник тока высокой частоты. Суть в том, что токи
проводимости как бы «выдавливаются» на поверхность проводника. Чем ниже
его омическое .сопротивление, тем меньше глубина проникновения
ВЧ тока внутрь проводника (от англ. skin - «кожа») [3].
СЛУЖЕБНАЯ СТАНЦИЯ - радиостанция, принадлежащая
ведомственной службе радиосвязи. Может иметь различную принадлежность
(гражданскую, военную) и работать в любом диапазоне частот [1].
СОГЛАСУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО - см. ТЬЮНЕР [1].
СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ АНТЕННЫ - отношение
излучаемой мощности к квадрату действующего значения тока в
антенне [9].
СОПРОТИВЛЕНИЕ ПОТЕРЬ АНТЕННЫ - часть входного
сопротивления антенны, на котором бесполезно теряется мощность.
Физически оно включает в себя сопротивление омических потерь
в полотне антенны, диэлектрические потери и потери заземляющей
системы [4]. Его можно определить как разность между входным
сопротивлением антенны (оно определяется практически) и
сопротивлением излучения.
ГЛОССАРИЙ
345
. СПЕКТР - все гармонические составляющие какого-либо
сигнала [9].
СТАТОР КОНДЕНСАТОРА - неподвижные пластины в
конструкции переменного конденсатора [5].
СТАЦИОНАРНАЯ РАДИОСТАНЦИЯ (р.ж.) - радиостанция
с фиксированным местоположением, как правило, питающаяся от
сети переменного тока [1].
СУРРОГАТНЫЕ АНТЕННЫ (р.ж.) - антенны, при
использовании которых сознательно' идут на ухудшение параметров ради
упрощения конструкции или из-за ограничений, связанных с их
расположением. В основном предназначены для временной замены при
выходе из строя основных антенн радиолюбительской станции [1].
т
ТКЕ (ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ЕМКОСТИ) -
величина, характеризующая относительное изменение емкости при
изменении температуры на Г [14]. Положительное значение ТКЕ,
обозначаемое буквой П, соответствует повышению емкости с
температурой и имеет место у дефицитных 1i относительно дорогих
конденсаторов. Самые дешевые и массово применяемые
радиолюбителями конденсаторы имеют группу М - с повышением температуры их
емкость понижается [14].
ТКИ (ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ
ИНДУКТИВНОСТИ) - величина, характеризующая относительное изменение
индуктивности при изменении температуры на Г. Поскольку при
нагревании тела расширяются, катушки индуктивности, как
правило, обладают положительным ТКИ [14].
ТОКИ СМЕЩЕНИЯ - особого рода токи, проходящие в
пространстве между элементами практических конструкций антенны. Ее
элементы часто электрически изолированы друг от друга. Эти токи
зависят от емкости между элементами антенны, то есть от их взаимного
расположения и от диэлектрической проницаемости пространства.
ТРАНСИВЕР (р.ж.) - приемо-передающая радиостанция (от англ.
transceiver) [1].
ТРП (ТЕЛЕФОННЫЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ ПРОВОД) -
двухжильный кабель в пластиковой изоляции, используемый для
прокладки телефонных линий в помещениях. Его волновое сопротивление,
зависящее от диэлектрической проницаемости изоляции и диаметра
жил, лежит в пределах 300-600 Ом. Среди радиолюбителей более
известен под названием «лапша» [1].
346
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ АНТЕНН
«ТРЭП» (р.ж.) - название режекторного контура, расположенно--
го в полотне антенны типа W3DZZ (от англ. trap - «ловушка») [1]
заградительный контур.
ТЬЮНЕР (ТЮНЕР) (р.ж.) - 1) устройство, позволяющее
согласовать волновое сопротивление кабеля -с входным сопротивлением
антенны [1]; 2) любители качественного УКВ и FM вещания
обозначают этим словом приемник, работающий в УКВ вещательных
диапазонах (от англ. tuner - «блок настройки») [1].
У
УКВ (УЛЬТРАКОРОТКИЕ ВОЛНЫ)- в радиолюбительской
практике под УКВ обычно понимают радиовещательный диапазон
частот 30-1215 МГц. Иногда интервал от 30 до 50 МГц называют
промежуточным УКВ диапазоном, а частоты выше 1215 МГц -
сверхвысокими (СВЧ) [1].
ф
ФЕРРИТЫ - ферромагнитные материалы для сердечников катушек
индуктивности [1]. Ферромагнетики - вещества, в которых
собственное (внутреннее) магнитное поле может в сотни и тысячи раз
превосходить вызвавшее его внешнее магнитное поле [17].
ФИДЕР - см. ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ [3],
ФИЛЬТР - четырехполюсник, служащий для селекции сигналов
по частоте, пропускающий в нагрузку лишь ту часть спектра,
которая находится в пределах области его прозрачности. Спектральные
составляющие других частот (в области непрозрачности фильтра)
поступают в нагрузку с большим затуханием [5].
ФИЛЬТР ВЕРХНИХ ЧАСТОТ (ФВЧ) - фильтр, область
прозрачности которого располагается выше некоторой граничной частоты [5].
ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ (ФНЧ) - фильтр, область
прозрачности которого располагается ниже некоторой граничной частоты [5].
X
ХАРАКТЕРИОГРАФ - см. ИЧХ [1].
ч
ЧАСТОТА СРЕЗА ФИЛЬТРА - частота на скате
амплитудно-частотной характеристики фильтра, на которой сигнал, подаваемый
на вход фильтра, ослабляется до заданного уровня [15]. Обычно
ГЛОССАРИЙ
347
в профессиональной радиотехнике он соответствует значению 6 дБ.
Радиолюбители часто исходят из 20 дБ [1].
Ш
«ШПИОНСКИЕ» АНТЕННЫ (р.ж.) - см. «НЕВИДИМЫЕ» и
СУРРОГАТНЫЕ АНТЕННЫ [22].
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ- несимметричные вертикальные
антенны, расположенные над землей или над искусственной
проводящей поверхностью [1].
Э
ЭКВИВАЛЕНТ АНТЕННЫ - в обычном понимании безиндукци-
онный резистор с активным сопротивлением, равным волновому
сопротивлению фидера, которое подключается вместо него к
оконечному каскаду передатчика при настройке [14].
ЭКСПЕДИЦИЯ QRP (р.ж.) - работа в полевых условиях на
радиостанции малой мощности (до 10 Вт). На проведение QRP
экспедиции внутри области или страны, к которой принадлежит
радиостанция, специального разрешения, как правило, не требуется [1].
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДЛИНА АНТЕННЫ - величина,
измеряемая в длинах волн, укладывающихся по длине антенны [2].
ЭФФЕКТИВНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ АНТЕННЫ - некоторая
эквивалентная площадь, которая при умножении на плотность
потока мощности падающей электромагнитной волны в данном месте дает
мощность, поступающую на выход приемной антенны [3].
МЕЖДУНАРОДНЫЕ ОБЩЕПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
С
СВ (см. Си-Би) [1].
D
DX (р.ж.) - 1) удаленная (по расстоянию) радиостанция [23]; 2)
редко появляющаяся в эфире радиостанция [23].
Q
QSO (р.ж.) - то же самое, что радиосязь [23].
QRM, QRN (р.ж.) - см ПОМЕХИ [23].
348
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ АНТЕНН
QRP (р.ж.) - малая мощность [1].
QTH (р.ж.) - место расположения станции радиолюбителя [1].
Т
TVI (р.ж.) - помехи приему телевидения [1].
ЛИТЕРАТУРА
1. Журналы «Радиолюбитель», 1991-1999.
2. Ротхаммель К. Антенны /Пер. с нем. - СПб: Бояныч, 1998,656 с.
3. Овчинников Н. И. Основы радиотехники. - М.: Воениздат,
1968, 408 с.
4. Основы радиоэлектроники /Под ред. Эверита (пер с англ.). -
М.: Профтехиздат, 1962, 804 с.
5. Справочник начинающего радиолюбителя /Под ред. Малини-
на Р. М. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961, 624 с.
6. Степанов Б. Г. Справочник коротковолновика. - М.: ЗАО
«Журнал Радио», 1997, 90 с.
7. Конструирование экранов и СВЧ-устройств /Под ред. Черну-
шенко А. М. - М.: Радио и связь, 1990, 352 с.
8. Коротковолновые антенны /Под ред. Айзенберга. - М.: Радио
и связь, 1985, 536 с.
9. Белоцерковский Г. Б. Основы радиотехники и антенны. - М.:
Советское радио, 1969, 432 с.
10. The Radio AmateuT's Handbook. 58-edition, by the ARRL,
Newington, 1981.
И. Федоров Н. Н. Основы электродинамики. - M.: Высшая
школа, 1980, 399 с.
12. 100 лет радио: сборник статей /Под ред. Мигулина В. В.,
Гороховского А. В. - М.: Радио и связь, 1995, 384 с.
13. Бова Н. Т., Резников Г. Б. Антенны и устройства СВЧ. - Киев:
Высшая школа, 1982, 272 с.
14. Справочник радиолюбителя /Под ред. Мельника В. В.,
составитель Данилюк В. А. - Свердловск: Свердловское книжное
изд-во, 1962, 838 с.
15. Изюмов Н. М., Линде Д. П. Основы радиотехники. - М.-Л.:
Энергия, 1965, 480 с.
16. Бунин С. Г., Яйленко Л. П. Справочник радиолюбцтеля-корот-
коволновика. - Киев: Техника, 1978, 198 с.
ГЛОССАРИЙ
349
17. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. - М.:
Наука, 1965, 848 с.
20. Бурдейный Ф., Казанский Н., Камалягин А., Шульгин К.
Справочник коротковолновика. - М.: ДОСААФ, 1953, 424 с.
21. Комлик В. В. Радиотехника и радиоизмерения. - Киев:
Высшая щкола, 1984, 333 с.
22. Инструкция о порядке регистрации и эксплуатации
любительских радиостанций. - М.: Госсвязьнадзор, 1996.
23. Журналы «Радио», 1995-1999.
24. Журналы «Practical.Wirelless», 1991-1999.
25. Бензарь В. К., Леденев В. И. Вокруг Земли на радиоволне. -
Минск: Полымя, 1986, 287 с.
26. Жеребцов И. П. Радиотехника. - М.: Советское радио, 1965,
655 с.
27. Журналы «Наука и техника», 1991-1995.
28. Должйков В. В., Цыбаев Б. Г. Активные передающие антенны. -
М.: Радио и связь, 1984, 144 с.
29. Антенны: сборник статей /Под ред. Бахрах Л. Д., 1995-1999.
30. Долуханов М. П. Распространение радиоволн. - М.: Связь,
1965, 399 с.
Григоров Игорь Николаевич
Практические конструкции антенн
Главный редактор Захаров И. М.
Научный редактрр Александрии Ю. А.
Литературный редактор Ишков М. Я.
Технический редактор Пискунова Л. П.
Верстка Белова И. Е.
Графика Понявин С. А.
Дизайн обложки Антонов А. И.
ЛР № 065625 от 15.01.98
Подписано в печать 31.03.2000. Формат 60 х 88 'Лв
Гарнитура «Петербург*. Печать офсетная.
Усл.печ. л.22. Тираж 3000 Заказ №3047
Издательство «Лайт Лтд>,
113093, Москва, Б. Серпуховская, 8/7, стр. 2.
Отпечатано в Раменской типографии с готовых оригинал-макетов.
МО, г.Раменское, Сафоновский проезд, д.1
тел.: 377-07-83. e-mail: ramtip@mail.ru
1
I
\
\
* T
н
Книга предназначена для радиолюбителей,
желающих расширить свои знания в области
построения и практического использования
антенных устройств. Здесь можно найти описания
антенн различных типов: вертикальных,
магнитных рамочных, магнитных петлевых,
ромбических, антенн Бевереджа, малогабаритных и так
называемых «дачных», «шпионских» и
«невидимых», позволяющих использовать
радиостанции без наружных антенных устройств. В
издании впервые представлен обзор укороченных
штыревых антенн Си-Би диапазона,
позволяющий выбрать оптимальную конструкцию.
Рассмотрено также построение самодельных
линий передачи, использование симметрирующих
устройств и коаксикальных кабелей в работе
любительских станций. Описываются
эффективные методы избавления от помех при работе на
передачу и прием в диапазонах KB и УКВ.
Особое внимание уделено вопросам
практического изготовления и эксплуатации антенн, а там,
где это необходимо, изложена теория их работы.
N