На этой странице я выложил подробную фото инструкцию по изготовлению штыревой антенны для передатчиков VHF-диапазона, без вникания в саму суть передачи радиосигналов по воздуху. Однако в статье приведен расчет длины четвертьволновой штыревой антенны.
Четвертьволновая штыревая антенна VHF-диапазона (в мире охранных сигнализаций просто "штырёк") стоит рублей 200-300, в розницу. Фирменные антенны от компании C.NORD называются CN AGV и продаются в различных типоразмерах (длина штырька подстраивается под частоту радиопередатчика). Раз уж такие антенны рассчитаны на радиопередатчики достаточно широкого диапазона частот (146-174 МГц), то необходимо изначально выбрать антенну нужного типоразмера или подстроить (откусить лишнее, но не нарастить, в таком случае менять на другую антенну). "Откусывать" лишнее от штыревой антенны иногда приходится во время переключения объекта с одного ЧОПа на другой, потому как частота передатчика меняется и сигналы со штырька неправильной длины плохо идут.
Сейчас мы по сути сделаем копию антенны CN AGV, но сделаем ее под конкретную частоту.
Все начинается подготовки необходимого материала, инструментов и с вычисления длины штырька, под частоту 163 325 кГц (частоту я выбрал для примера, какой ЧОП на ней работает мне не известно).
Для самодельной штыревой антенны нам понадобится инструмент: паяльник, фен (можно газовую зажигалку, кусачки, наждачная бумага; материал: оцинкованная проволока 2-4 мм в диаметре, припой, паяльная кислота, разъем pl-259, термоусадочная трубка.
Вернемся к вычислениям. На блокноте расписал подробно как вычисляется длина четвертьволновой штыревой антенны. Следует так же знать, что длина штырьковой антенны меряется от конца шайбы разъема pl-259.
В итоге после всех вычислений понимаем, что длина штыря, с учетом пайки разъема pl-259, должна быть 49,9 см. Для штыря я использую обычную оцинкованную проволоку толщиной 2-4 мм. Она достаточно жесткая, чтобы служить штыревой антенной.
Выгибаем кусок проволоки, чтобы она стала ровной. От этого зависит качество антенны, поэтому будет еще лучше если вам удастся найти подходящей толщины более жесткий металлический штырек / проволоку / спицу.
Примеряем как зайдет в разъем наша проволока. Если не заходит, как в нашем случае, то вытачиваем / заостряем конец проволоки с помощью "наждачки", но ровно на столько насколько конец должен зайти в разъем.
Примеряем как "войдет" штырек в штекер
Мне на глаза попался шуруповерт, поэтому заточить конец проволоки удалось быстро:
После того, как конец проволоки стал свободно заходить в разъем pl-259 прекращаем заточку. Будет даже лучше, если он будет плотно входить внутрь центрального отверстия разъема.
Ту часть проволоки, что входит в центральный штекер разъема, необходимо обработать паяльной кислотой и пропаять оловом.
На пропаянный конец проволоки надеть VHF штекер и отметить для себя ту часть проволоки, которая будет прикасаться к шайбе разъема. Эту часть как можно лучше изолируйте от шайбы, с помощью термоусадки как это показано на рисунке и на фото.
Весь штырек так же изолируйте еще одной термоусадочной трубкой, потому как антенна по сути должна быть изолирована.
Изоляция "опасных" участков. В этих местах центральная жила может закоротить с общим проводом
Теперь штекер можно паять. После пайки обязательно "прозвонить" мультиметром нет ли короткого замыкания между центральной жилой и гайкой штекера pl-259.
Теперь антенна готова, можно вставлять ее в радиопередатчик. Будьте уверены сигналы с такой антенны "долетят" до ретранслятора / базового приемника.
ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ1. Определение и понятия.
Несимметричными (штыревыми) называют антенны, расположенные непосредственно у земли (или металлического экрана) перпендикулярно (реже наклонно) к ее поверхности.
Сопротивление излучения несимметричного вибратора в два раза меньше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при одинаковых токах первый излучает в два раза меньшую мощность (нет излучения в нижнее полупространство) .
Входное сопротивление несимметричного вибратора в два раза меньше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при одинаковах токах питания у первого напряжение питания в два раза меньше (рис. 1).
Коэффициент направленного действия несимметричного вибратора в два раза больше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при однаковой мощности излучения первый обеспечивает в два раза большую угловую плотность мощности, так как вся его мощность излучается в одно полупространство (рис.2).
Все сказанное справедливо для идеального несимметричного вибратора, то есть когда земля представляет собой идеальный проводник. Если же земля обладает плохими проводящими свойствами, поле излучения вибратора меняется. Кроме того, это приводит к уменьшению амплитуды тока в вибраторе и, следовательно, к повышению его сопротивления и уменьшению излучаемой мощности. Почва является диэлектриком с большой диэлектрической проницаемостью (равной почти 80), что приводит к изменению электрической длины мнимого диполя, а также длины пути токов смещения. Результат - полное искажение диаграммы направленности (поднятие лепестков вверх и исчезновение излучения под малыми углами к горизонту) и увеличение сопротивления штыря.
По этой причине практически не используют почву в качестве "земли", а используют искусственную землю.
2. Земля штыревой антенны
Теоретические расчеты показывают, что наибольшие потери имеют место в зоне с радиусом 0,35 длины волны, поэтому в этой зоне желательно провести "металлизацию" земли: соединить радиальные провода между собой перемычками (рис.3). Очень хорошо, если эта металлизация будет проведена на всем расстоянии противовесов.
Рис.3
Противовесы следует изолировать от земли. Если они будут лежать на земле, то от влаги их электрическая длина не будет резонансной для антенны. Так же должны быть изолированы от земли и их концы. Только в одном случае можно не изолировать концы противовесов от земли: если они надежно соединены кольцом-перемычкой (рис.3).
Никогда не следует забывать о том, что идеальная штыревая антенна имеет КПД 47%, а КПД антенны с 3 противовесами - менее 5%. Значит, работая со штыревой антенной с тремя противовесами, из ваших 200 ватт, подводимых к штырю, 180 ватт (!!!) напрасно теряются, попутно создавая TVI. Многие процессы в ионосфере нелинейны, т.е. отражение радиоволн начинается, скажем, при подводимой мощности к вашей антенне в 7 ватт, и уже полностью не происходит при 5 ваттах. Значит, вы теряете уникальные возможности DX QSO, сэкономив на проводе для противовесов.
Следует еще учесть искажения диаграммы направленности при малом количестве противовесов. Из шарообразной она становится лепестковой, имеющей направление вдоль противовесов. Задача о нахождении оптимального количества противовесов была решена мною с помощью ЭВМ. Решение представлено на рис.4. Из него видно, что минимально необходимое число противовесов равно 12. При большем их количестве КПД растет медленно. Противовесы должны быть расположены на одинаковом расстоянии относительно друг друге.
Рис.4
Угол их расположения относительно штыря должен быть от 90° до 1350. При больших и меньших углах падает КПД и д.н. искажается. Противовесы должны быть длиной не менее основного штыря. Это"можно объяснить тем, что протекающие между штырем и противовесами токи смещения занимают определенный объем пространства, который участвует в формировании диаграммы направленности. Уменьшая длину противовесов, а, следовательно, уменьшая объем пространства, служащий формированию д.н., мы существенно ухудшаем характеристики антенны. С большим приближением можно сказать, что каждой точке на штыре соответствует своя точка на противовесе. Однако нет необходимости использовать противовесы длиннее чем основной штырь.
Противовесы и сам штырь должны быть покрыты защитной краской. Это необходимо для того, чтобы материал, из которого выполнена антенна, не окислялся. Окисление вибраторов приводит в негодность антенну из-за того, что тонкая пленка окисла имеет значительное сопротивление, а так как на ВЧ сильно выражен поверхностный эффект, то энергия передатчика поглощается и рассеивается в тепло этой пленкой.
Крайне желательно использовать для этого радиокраску (ту, которой красят локаторы). Обычная краска содержит частички красителя, поглощающие ВЧ энергию. Но, в крайнем случае, можно использовать и обычную краску.
3. Размеры вибраторов штыревой антенны
Как известно, сопротивление излучения антенны Ризл пропорционально отношению L/d, где L - длина и d - диаметр антенны. Чем меньше отношение L/d, тем широкополоснее антенна и больше КПД.
Следует учесть, что при использовании толстых вибраторов сказывается "торцевой эффект". Он обуславливается емкостью между торцами вибратора и землей. Физически это выражается в том, что антенна получается "длиннее" расчетной. Для его уменьшения обычно широкополосные штыри имеют конусообразную форму. Расчеты показывают, что минимально необходимая толщина противовесов должна составлять
d=D/2,4n, где
d - диаметр противовесов, D - диаметр штыря, n - количество противовесов.
Часто радиолюбители не могут установить четвертьволновый штырь и используют штырь, имеющий меньшие размеры. В принципе можно согласовать штырь любой длины с помощью согласующих устройств. Однако короткие штыри имеют малое активное и большое реактивное сопротивление и будут согласованы весьма неоптимально (на самих согласующих устройствах может рассеяться до 90% энергии). А если еще при этом используются и суррогатные короткие противовесы, то эффективность такой антенной системы будет весьма низка. Однако в средствах подвижной связи часто такие суррогатные антенны применяются. Но это только потому, что другие виды укороченных антенн будут работать еще хуже!
4. Диаграммы направленности штыревых антенн
Многих интересует, как влияет высота подъема штыря на его диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и зависит ли его сопротивление от высоты подвеса. Важнейший результат заключается в том, что распределение токов в штыре не зависит от высоты его подвеса при наличии идеальной "земли". Практически это означает, что на какой бы высоте штырь ни находился, его сопротивление будет постоянным. Общий результат решения показывает, что если штырь настроен в резонанс, то его нижний конец можно заземлить. При этом его можно питать в любой точке.
На результатах этого важного вывода и созданы штыревые антенны (флаг-антенны, мачта-антенны), нижний конец которых соединен с "землей" и которые питаются через гамма-согласование.
Диаграммы направленностей вертикальной плоскости полуволнового штыря приведены на рис.5. Из этого рисунка видно, что чем выше поднимается антенна, тем положе угол излучения к горизонту. Это объясняется тем, что происходит сложение излученной штырем волны и волны, отраженной от земли. Если почва обладает плохими проводящими свойствами, то диаграмма направленности будет близка к диаграмме направленности штыря над землей. Поднимать антенну на высоту более длины волны не имеет смысла, т.к. при этом уже не происходит уменьшения угла излучения, а только начинают дробиться верхние боковые лепестки.
Рис.5
Следует запомнить еще одну интересную особенность штырей, высота которых равна длине волны и более. Такие антенны в профессиональной связи используются как антифединговые . Это означает, что такая антенна будет принимать без проблем сигнал, приходящий с замираниями на четвертьволновый штырь или диполь.
5. Согласование штыревых антенн
Диаграммы направленности антенны «Т-образная»
в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Вертикальная плоскость Горизонтальная плоскость
Размещение Т-образной антенны на местности.
Т-образная антенна обеспечивает работу р/ст земной волной. Она образуется из антенны "симметричный диполь" путем переключении в антенном блоке. Диаграмма направленности в обеих плоскостях. Антенну следует ориентировать на корреспондента по линии, направленной вдоль полотна антенны. Рекомендуется использовать антенну при работе в диапазоне частот от I до 3 МГц.
Диаграммы направленности антенны «Штыревая»
в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Вертикальная плоскость
Горизонтальная плоскость
Антенна "бегущей волны" (АБВ) является антенной направленного действия. Она представляет собой длинный провод из медного канатика длиной 150 м, подвешенный на высоте 2,8 м и нагруженный на дальнем конце (считая от р/ст) на активное сопротивление К - 400 Ом равное волновому сопротивлению провода антенны.
Такой подбор сопротивления обеспечивает работу провода в режиме бегущей волны. Эта особенность рассматриваемой антенны и определила ее название. Наличие нагрузочного сопротивления делает антенну остронаправленной, уничтожая в диаграмме задний лепесток.
Как видно, максимум диаграммы направленности АБВ направлен в сторону нагрузочного сопротивления. АБВ применяется в качестве приемной антенны как для связи поверхностными, так и для связи пространственными волнами в условиях сильных помех. При приеме пространственных волн антенна будет иметь достаточную эффективность лишь для дальних трасс свыше 500 км.
Штыревая антенна
Штыревая антенна - антенна кругового действия для ближних связей поверхностными волнами. Она не обладает направленными свойствами в горизонтальной плоскости и может быть использована во всем диапазоне частот. Преимущество радиосвязи поверхностной волной, в том, что она не зависит от времени суток и солнечной деятельности, но несколькоменяется из-за сезонного хода параметров почв.
Для передачи и приема конструктивно одинаковы. Полотно антенны состоит из двух плеч длиной 20 м и фидера длиной 8,1 м изготовлено из антенного медного канатика сечением 1,5 мм. Полотно подвешивается на трех мачтах высотой 8,5 м, изготовленных дюралюминия диаметром 32 мм из трех колен. Крайние мачты имеют блоки для спуска и подъема полотна антенны. Средняя мачта является опорной для полотна антенны и для подвеса фидера. Фидер антенны должен обязательно крепиться на средней мачте» чтобы не оттягивать полотно антенны вниз и тем самым давать возможность средней части полотна (цепочке) свободно скользить по верхушке средней мачты для установления одинаковых процессов плеч. В этом случае натяжка фидера будет передаваться средней мачте, что приведет к разгрузке от механических усилий крайних мачт. Каждая мачта имеет два яруса оттяжек (по три оттяжки в ярусе), изготовленных из шнура, пропитанного антисептическим составом. Всего в комплекте антенного устройства шесть мачт. Для развертывания двух антенн необходима площадь 60x60 м.
При работе дуплексом при небольшом разносе волн приема и передачи (100-150 кГц) необходимо антенну располагать перпендикулярно друг другу, чтобы уменьшить наводки передающей антенны на приемную. Питание приемника производится через в/ч кабель РК-1, длиной не менее 30 м, который с одной стороны соединен с согласующим тр-ром. с другой - с несимметричным входом приемника.
При достаточном разносе волн приема и передачи (от 250 кГц и выше) антенны можно располагать параллельно друг другу; на расстоянии друг от друга 12 метров.
Порядок развертывания
I. Достать рогульку, на которой намотана горизонтальная и вертикальная часть антенны» От места расположения изоляторов для подключения антенны отсчитать восемь шагов (5 м).
В случае установки приемного диполя расстояние от антенны до р/ст определяется длиной РК-1, соединяющего антенный ввод р/ст и вынесенный приемный антенный тр-р, который укрепляется перед установкой средней мачты в верхней части нижнего колена.
Штепселя
на концах фидера вставляются в гнезда
антенного трансформатора и контрятся
на них. Один конец кабеля включается в
фишку на антенном тр-ре, другой - в фишку
антенны ввод. Полотно приемной антенны
располагается перпендикулярно передающей.
2. Размотать горизонтальную часть антенны так, чтобы на месте установки средней мачты (против изоляторов).От концов растянутого полотна отсчитать по два шага и здесь установить крайние мачты.
3. К месту установки каждой мачты принести
Колена мачт - 3 шт.
Основание мачты -1 шт.
Колья для крепления оттяжек - 3 шт.
Оттяжки нижнего яруса - 3 шт.
Верхушку крайней мачты с оттяжками и подъемным фалом.
Съемную рогульку для крепления подъемного фала.
4. К месту установки средней мачты принести то же, за. исключением верхушки крайней мачты с оттяжками без подъемного фала и не требуется съемная рогулька.
5. Собрать мачты в следующем порядке: на основание мачты надеть первое колено, на него - второе, на второе колено надеть кольцо с нижним ярусом оттяжек, после чего на второе колено надеть третье колено; в третье колено вставить верхушку мачты; на нижнем колене мачты укрепить рогульку для крепления подъемного фала.
6. От места установки крайних мачт отсчитать шесть шагов (4-4,5 м) по направлению от Средней мачты, и в этих местах забить колья для крепления оттяжек. Остальные два кола забить также на расстоянии шести шагов от мачты так, чтобы оттяжки были расположены под углом 120°.
7. Поднять мачты одновременно или порознь. Мачту можно поднимать двум радистам: один держит мачту в вертикальном положении, а второй закрепляет оттяжки на кольях и регулирует их натяжение.
Перед подъемом необходимо разобрать оттяжки
Перед подъемом средней мачты передающей антенны необходимо соединить фидер антенны с горизонтальной частью при помощи зажимов и продеть цепочку, находящуюся в середине горизонтальной части, в спираль на верхушке средней мачты.
8. После подъема мачты концы диполя прикрепить крючками к подъемным фалам и натянуть. Концы подъемных фал закрепить на рогульках.
9. Последний изолятор фидера антенны закрепить в поворотном кронштейне, укрепленном на кузове автомобиля, вблизи от антенных вводов. Концы фидера подключить к антенным вводам.
В. Поляков, RA3AAE
В этой статье нет ничего нового, она позволяет лишь взглянуть под иным углом зрения на давно известные факты, а также может послужить общеобразовательным целям. Есть и немного ностальгии…
Хорошо известно, что электрически короткие проволочные или штыревые антенны (длиной менее четверти волны) имеют емкостное реактивное сопротивление X и малое активное сопротивление излучения r, причем первое растет с укорочением антенны, а второе - уменьшается. Потери в самой антенне весьма малы, это подтверждают и программы моделирования антенн, например MMANA, показывая высокий КПД. Потери возникают в согласующей катушке (удлиняющей, либо контурной) и в заземлении.
Эквивалентную схему короткой заземленной приемной антенны обычно изображают так, как на рис. 1 справа. Е обозначает напряженность поля принимаемого сигнала, а hд - действующую высоту антенны. Слева показана сама антенна и распределение тока в ней. Оно синусоидальное, но для коротких антенн его приближенно считают треугольным.
Емкостное сопротивление Х и сопротивление излучения r антенны определяют по формулам, приводимым во многих книгах и учебниках:
X = Wctg(2ph/l), и r = 160p2(hд/l)2,
где W - волновое сопротивление провода антенны.
Формулы удается упростить, введя волновое число k = 2p/l и заменив умножение на котангенс делением на тангенс, а его, в свою очередь, заменив аргументом, ввиду его малости (h << l). С учетом того, что действующая высота hд антенны в виде короткого вертикального провода равна половине геометрической h из-за треугольного распределения тока, получим:
X = W/kh, и r = 10(kh)2.
К сожалению, эквивалентная схема на рис. 1 недостаточно наглядна, поскольку не показывает реального шунтирования входа приемника антенной. Целесообразно воспользоваться правилами преобразования последовательного соединения емкости и активного сопротивления в паралельное (см. книги по теории цепей). Для нашего случая, когда r << X, они очень просты (рис. 2).
Получившаяся эквивалентная схема приемной антенны показана на рис. 3, и из нее видно, что импеданс антенны определяется параллельно включенными емкостью С и резистором R. Этот импеданс шунтирует вход приемника независимо от того, есть напряжение сигнала на антенне, или его нет. Емкость С - это просто емкость антенны, для тонкого провода ее легко найти из расчета 5...7 пФ/м, а для относительно "толстых" телескопических антенн - 8...12 пФ/м.
Сопротивление R найдем, подставив в последнюю формулу на рис. 2 найденные выше значения X и r:
R = W2/10(kh)4.
Для тонкого провода в свободном пространстве W обычно полагают равным 600 Ом. Подставляя это значение, а также k = 2p/l, получим расчетную формулу:
R = 23(l/h)4.
С ее помощью, для иллюстрации, посчитаем емкость и сопротивление короткой проволочной вертикальной антенны для частоты 1 МГц (средняя частота диапазона СВ) и полагая сопротивление заземления равным нулю.
Результаты расчета сведены в таблицу:
| Высота антенны h, м | 1 | 3 | 10 | 30 |
| h/l | 1/300 | 1/100 | 1/30 | 1/10 |
| С, пФ | 6 | 18 | 60 | 180 |
| R, Ом | 11
2.10 |
9
2,3.10 |
7
2.10 |
5
2,3.10 |
| R | 0,2 ТераОм | 2 ГигаОм | 20 МегаОм | 230 килоОм |
Они поражают. Из таблицы видно, что эквивалентное (параллельное входу) активное сопротивление короткой вертикальной антенны огромно. Оно практически не шунтирует вход приемника. Это позволяет при низком входном сопротивлении приемника не учитывать активное сопротивление антенны R и считать, что на вход приемника поступает только емкостный ток через С (рис. 3). Тогда напряжение на входе приемника удается рассчитать просто по закону Ома.
Пример: к 50-омному входу приемника, работающего в диапазоне СВ, подключена 3-х метровая вертикальная антенна. Ее емкостное (18 пФ) сопротивление на частоте 1 МГц более 8 кОм. При напряженности поля радиостанции 10 мВ/м наведенное на антенне напряжение будет: E.hд = 10мВ/м.1,5м = 15 мВ. Емкостный ток получается около 15мВ/8кОм = 2мкА. Помножив его на сопротивление входа (50 Ом) получаем напряжение на входе около 100 мкВ.
Из примера видно, что короткие антенны не могут развить на низкоомном входе приемника большого напряжения. В то же время на входе приемника с высокоомным входом (значительно более 8 кОм) та же антенна могла бы развить напряжение, близкое к E.hд, т. е. около 15 мВ. Именно такими и были старинные радиоприемники - одноламповые регенераторы, прямого усиления, и даже ламповые супергетеродины.
В одноконтурных регенераторах антенну подключали к контуру либо непосредственно, либо через конденсатор связи небольшой емкости (рис. 4). Непосредственное подключение (гнездо А2) годится только для совсем коротких антенн с небольшой емкостью, которая компенсируется соответствующим уменьшением контурной емкости С2. Длинную антенну нельзя включать в гнездо А2, ибо это привело бы к сильной расстройке и внесению большого затухания в контур. Ее включали в гнездо А3, причем конденсатор связи С2 в разумно спроектированных конструкциях делали регулируемым, например 8…30 пФ, что позволяло ослаблять связь с антенной при сильных сигналах и больших помехах.
Резонансное сопротивление контура достигает на частотах СВ диапазона сотен килоом, а на ДВ еще больше. В регенераторах его надо еще помножить на коэффициент регенерации, тогда получаются многие мегаомы. Как видим, старинные приемники очень хорошо подходили для работы с короткими проволочными антеннами, имея очень высокое входное сопротивление. Не изменилась ситуация и в приемниках прямого усиления с УРЧ и супергетеродинах.
В эпоху до широкого применения магнитных антенн для связи с антенной использовали катушку L1 имевшую в 4…5 раз больше витков, чем контурная. Рассчитывали, чтобы эта катушка с емкостью «стандартной» антенны образовывала резонансный контур, настроенный на частоту ниже самой нижней частоты диапазона. Тогда выравнивался коэффициент передачи входной цепи по диапазону. Расчет и графики можно найти в учебниках по радиоприемным устройствам. Но в них не упоминают другой эффект от такого решения. Сопротивление контура трансформировалось к антенне в 16…25 раз при сильной связи и несколько меньше при слабой. Опять таки входное сопротивление приемника получалось несколько мегаом и более.
Приведенные данные ясно показывают, что для экспериментов с уникальными слаботочными антеннами (метелочными, костровыми и т. д.) нужны именно приемники с высокоомным входом, включающим настроенный контур, лампу или полевой транзистор.
1. Определение и понятия
Несимметричными (штыревыми) называют антенны, расположенные непосредственно у земли (или металлического экрана) перпендикулярно (реже наклонно) к ее поверхности.
Сопротивление излучения несимметричного вибратора в два раза меньше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при одинаковых токах первый излучает в два раза меньшую мощность (нет излучения в нижнее полупространство) .
Входное сопротивление несимметричного вибратора в два раза меньше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при одинаковах токах питания у первого напряжение питания в два раза меньше (рис. 1).
Коэффициент направленного действия несимметричного вибратора в два раза больше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при однаковой мощности излучения первый обеспечивает в два раза большую угловую плотность мощности, так как вся его мощность излучается в одно полупространство (рис. 2).
Все сказанное справедливо для идеального несимметричного вибратора, то есть когда земля представляет собой идеальный проводник. Если же земля обладает плохими проводящими свойствами, поле излучения вибратора меняется. Кроме того, это приводит к уменьшению амплитуды тока в вибраторе и, следовательно, к повышению его сопротивления и уменьшению излучаемой мощности. Почва является диэлектриком с большой диэлектрической проницаемостью (равной почти 80), что приводит к изменению электрической длины мнимого диполя, а также длины пути токов смещения. Результат - полное искажение диаграммы направленности (поднятие лепестков вверх и исчезновение излучения под малыми углами к горизонту) и увеличение сопротивления штыря.
По этой причине практически не используют почву в качестве "земли", а используют искусственную землю.
2. Земля штыревой антенны
Теоретические расчеты показывают, что наибольшие потери имеют место в зоне с радиусом 0,35 длины волны, поэтому в этой зоне желательно провести "металлизацию" земли: соединить радиальные провода между собой перемычками (рис. 3). Очень хорошо, если эта металлизация будет проведена на всем расстоянии противовесов.
Противовесы следует изолировать от земли. Если они будут лежать на земле, то от влаги их электрическая длина не будет резонансной для антенны. Так же должны быть изолированы от земли и их концы. Только в одном случае можно не изолировать концы противовесов от земли: если они надежно соединены кольцом-перемычкой (рис. 3).
Никогда не следует забывать о том, что идеальная штыревая антенна имеет КПД 47%, а КПД антенны с 3 противовесами - менее 5%. Значит, работая со штыревой антенной с тремя противовесами, из ваших 200 ватт, подводимых к штырю, 180 ватт (!!!) напрасно теряются, попутно создавая TVI. Многие процессы в ионосфере нелинейны, т.е. отражение радиоволн начинается, скажем, при подводимой мощности к вашей антенне в 7 ватт, и уже полностью не происходит при 5 ваттах. Значит, вы теряете уникальные возможности DX QSO, сэкономив на проводе для противовесов.
Следует еще учесть искажения диаграммы направленности при малом количестве противовесов. Из шарообразной она становится лепестковой, имеющей направление вдоль противовесов. Задача о нахождении оптимального количества противовесов была решена мною с помощью ЭВМ. Решение представлено на рис. 4. Из него видно, что минимально необходимое число противовесов равно 12. При большем их количестве КПД растет медленно. Противовесы должны быть расположены на одинаковом расстоянии относительно друг друге.
Угол их расположения относительно штыря должен быть от 90° до 1350. При больших и меньших углах падает КПД и д.н. искажается. Противовесы должны быть длиной не менее основного штыря. Это можно объяснить тем, что протекающие между штырем и противовесами токи смещения занимают определенный объем пространства, который участвует в формировании диаграммы направленности. Уменьшая длину противовесов, а, следовательно, уменьшая объем пространства, служащий формированию д.н., мы существенно ухудшаем характеристики антенны. С большим приближением можно сказать, что каждой точке на штыре соответствует своя точка на противовесе. Однако нет необходимости использовать противовесы длиннее чем основной штырь.
Противовесы и сам штырь должны быть покрыты защитной краской. Это необходимо для того, чтобы материал, из которого выполнена антенна, не окислялся. Окисление вибраторов приводит в негодность антенну из-за того, что тонкая пленка окисла имеет значительное сопротивление, а так как на ВЧ сильно выражен поверхностный эффект, то энергия передатчика поглощается и рассеивается в тепло этой пленкой.
Крайне желательно использовать для этого радиокраску (ту, которой красят локаторы). Обычная краска содержит частички красителя, поглощающие ВЧ энергию. Но, в крайнем случае, можно использовать и обычную краску.
3. Размеры вибраторов штыревой антенны
Как известно, сопротивление излучения антенны Ризл пропорционально отношению L/d, где L - длина и d - диаметр антенны. Чем меньше отношение L/d, тем широкополоснее антенна и больше КПД.
Следует учесть, что при использовании толстых вибраторов сказывается "торцевой эффект". Он обуславливается емкостью между торцами вибратора и землей. Физически это выражается в том, что антенна получается "длиннее" расчетной. Для его уменьшения обычно широкополосные штыри имеют конусообразную форму. Расчеты показывают, что минимально необходимая толщина противовесов должна составлять
d=D/2,4n, где
d - диаметр противовесов, D - диаметр штыря, n - количество противовесов.
Часто радиолюбители не могут установить четвертьволновый штырь и используют штырь, имеющий меньшие размеры. В принципе можно согласовать штырь любой длины с помощью согласующих устройств. Однако короткие штыри имеют малое активное и большое реактивное сопротивление и будут согласованы весьма неоптимально (на самих согласующих устройствах может рассеяться до 90% энергии). А если еще при этом используются и суррогатные короткие противовесы, то эффективность такой антенной системы будет весьма низка. Однако в средствах подвижной связи часто такие суррогатные антенны применяются. Но это только потому, что другие виды укороченных антенн будут работать еще хуже!
4. Диаграммы направленности штыревых антенн
Многих интересует, как влияет высота подъема штыря на его диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и зависит ли его сопротивление от высоты подвеса. Важнейший результат заключается в том, что распределение токов в штыре не зависит от высоты его подвеса при наличии идеальной "земли". Практически это означает, что на какой бы высоте штырь ни находился, его сопротивление будет постоянным. Общий результат решения показывает, что если штырь настроен в резонанс, то его нижний конец можно заземлить. При этом его можно питать в любой точке.
На результатах этого важного вывода и созданы штыревые антенны (флаг-антенны, мачта-антенны), нижний конец которых соединен с "землей" и которые питаются через гамма-согласование.
Диаграммы направленностей вертикальной плоскости полуволнового штыря приведены на рис. 5. Из этого рисунка видно, что чем выше поднимается антенна, тем положе угол излучения к горизонту. Это объясняется тем, что происходит сложение излученной штырем волны и волны, отраженной от земли. Если почва обладает плохими проводящими свойствами, то диаграмма направленности будет близка к диаграмме направленности штыря над землей. Поднимать антенну на высоту более длины волны не имеет смысла, т.к. при этом уже не происходит уменьшения угла излучения, а только начинают дробиться верхние боковые лепестки.
Следует запомнить еще одну интересную особенность штырей, высота которых равна длине волны и более. Такие антенны в профессиональной связи используются как антифединговые . Это означает, что такая антенна будет принимать без проблем сигнал, приходящий с замираниями на четвертьволновый штырь или диполь.
5. Согласование штыревых антенн
Для успешной работы штыревая антенна должна быть согласована. Несмотря на все кажущееся многообразие согласующих устройств и штырей, их можно разбить на 3 группы.
1. Штырь согласованный, электрическая длина равна четверти длины волны;
2. Штырь с электрической длиной больше требуемой, эту длину "убирают" с помощью емкости;
3. Штырь длиной меньше четверти длины волны. Недостающую длину ""добавляют" катушкой индуктивности.
Необходимо помнить, что конденсатор и катушка должны иметь максимально возможную добротность, а также желательно, чтобы ТКЕ и ТКИ были как можно лучше. Обычно емкость укорачивающего конденсатора может быть в пределах 100 пФ на 28 - 18 МГц, параметры удлиняющей катушки - единицы мкГн до 21 МГц, десятки - до 3,5 МГц.
В заключение следует отметить, что подобная практика согласования применима к штырям длиной, кратной четверти длины волны.
6. Типы штыревых антенн
Несимметричный вибратор с экраном конечных размеров (рис. 3). Эту антенну и"применяют в основном радиолюбители. В качестве экрана обычно применяют противовесы длиной не менее четверти длины волны.
Несимметричный петлевой вибратор (рис. 6). Его д.н. совпадает с д.н. классического штыря. Однако он обладает преимуществом, выражающемся в том, что один его конец заземлен. Подбором толщины dl и d2 можно изменять его входное сопротивление в больших пределах. При d1=d2 сопротивление вибратора будет равно 146 Ом.
Сопротивление несимметричного вибратора, имеющего разные толщины, рассчитывается по формуле /1 /: Ra=(1+n2).36n, где n=ln(d/d1)/ln(d/d2).
Широкодиапазонные вибраторы, изготавливаются из толстых труб, штырей, пластин. Могут быть как коническими, так и ромбическими, цилиндрическими, сплошными и решетчатыми (рис. 7). Перекрытие диапазона рабочих частот зависит от отношения I/O. Чем оно меньше, тем широкополосиее вибратор. Всем хорошо известная антенна UW4HW является широкополосным несимметричным вибратором, а вертикальный излучатель UA1DZ - широкополосным симметричным вибратором
.
Конические антенны - частный случай широкополосных вибраторов (рис. 8).
Поле излучения создается токами, обтекающими конус, а диск играет роль экрана и почти не излучает. При угле раскрыва 600 достигается наибольший коэффициент перекрытия диапазона, равный пяти, при КБВ > 0,5 в фидере с волновым сопротивлением 50 Ом. При этом максимальная длина волны равна 3,6 . Диаграмма направленности дискоконусной антенны KB и УКВ примерно такая же, как и обыкновенного штыря. На KB применяют проволочный вариант конусной антенны (рис. 8б), в которой вместо конуса используется плоский проволочный веер, а вместо диска - система заземления из радиальных проводов.
Отдельно хочу обратить внимание на антенны-мачты. Особенностью таких антенн является то, что нижний их конец заземлен.
Антенна верхнего питания (рис. 9) возбуждается с помощью фидера, проложенного внутри мачты. Это принципиально. Д.н. его такая же, как и у обычного штыря, но потери при излучении и приеме больше, так как радиоволна отражается от земли при излучении.
Антенна среднего питания (рис. 10) представляет собой мачту из двух частей, возбуждаемую последовательно в точках 1 и 2 напряжением, которое подается с помощью фидера, проложенного внутри нижней части. Сопротивление антенны в точках питания Ra=Rb/cos2kll, где к - коэффициент укорочения, Rb - сопротивление "чистого" вибратора в точке 3. Подбирая соотношение между 11 и 12, можно согласовать антенну с фидером питания. Принципиальное значение имеет то, что фидер должен проходить внутри нижней части антенны. Недостаток - трудности с изолятором для верхней ее части.
Антенна шунтового питания (рис. 11) возбуждается параллельно при помощи шунта, подсоединяемого к мачте на некоторой высоте 11. Обычно входные реактивные сопротивления нижней и верхней частей антенны имеют индуктивный и соответственно емкостной характер, и по входному сопротивлению в точке 1 антенна эквивалентна параллельному контуру. Подбором величины 11 обеспечивается наилучшее согласование с фидером питания. Распределение токов таково, что частично ослабляет излучение антенны, поэтому шунт следует делать минимальных размеров. Классическая реализация шунтового питания - гамма-согласование.
Часто, особенно при построении антенн для низкочастотных диапазонов, нет возможности расположить вибратор вертикально относительно земли. При расположении штыря наклонно относительно земли диаграмма направленности, конечно, исказится.
Следует располагать по возможности больше противовесов под той частью антенны, которая наклонена. Надо, также по возможности, поднимать противовесы так, чтобы они образовывали с антенной угол не более 135°. Следует помнить, что такая антенна более тяжела в согласовании из-за наличия значительной реактивной составляющей.
Литература
- Н.Т.Бова, Г.Б.Резинков. Антенны и устройства СВЧ; Киев, Высшая школа, 1982.
- Н.Н.Федоров. Основы электродинамики; М., Высшая школа, 1980.
- З.Беньковский, Э.Липинский. Любительские антенны коротких и ультракоротких волн; М.,Радио и связь, 1983.
- Г.З.Айзенберг. Коротковолновые антенны; М., Радио и связь 1985.
- Г.Б.Белоцерковский. Основы радиотехники и антенн; М., Радио и связь, 1983.
Загрузка...