Как сделать антенну для радио FM. Самодельная штыревая антенна для передатчиков VHF-диапазона
ГЛАВА 2 ДЕЙСТВИЕ В ВОЕННОЕ ВРЕМЯ
ДокументВзрывы объектов дезорганизуют силы противника, несут его тылам разрушения и смерть, впечатляют и устрашают вражеских солдат мощью и технологическими возможностями народного авангарда.
ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ БОЕВОЙ ПОДГОТОВКИ ВООРУЖЕННЫХ СИЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УЧЕБНИК СЕРЖАНТА МОТОСТРЕЛКОВЫХ ВОЙСК
Список учебниковУчебник предназначен для командиров отделений мотострелковых подразделений. В нем изложены материалы в объеме программы боевой подготовки, а также основы воинского воспитания и обучения военнослужащих.
Система военно-спортивных клубов «патриот»
Учебно-методическое пособиеИстория раскладывает святой долг перед Родиной на плечи всех поколений. Это не значит, что бери автомат и иди, погибай. Позиция должна быть иной, выполни поставленную задачу и останься невредимым.
Радиолюбительская телемеханика © издательство «радио и связь » 1986 предисловие
ДокументИстория техники знает много примеров радиоуправления подвижными механизмами, создававшимися для военных целей и нужд народного хозяйства. В наши дни благодаря прогрессу науки и техники отечественная радиотелемеханика достигла больших
РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКИЕ КОНСТРУКЦИИ Указатель описаний
Библиографический указательВы хотите собрать радиоприемник или несложный телевизор. Ваш друг, опытный радиолюбитель, интересуется электромузыкальными инструментами. А Ваш сын увлекается радиоспортом и ему нужна схема радиоприемника для «охоты на лис».
Далеко не всегда удается поставить отдельную вертикальную антенну для каждого диапазона. В этом случае можно использовать один штырь для работы в нескольких диапазонах. Поскольку, подбором физической длины штыря невозможно подогнать его входное сопротивление к волновому сопротивлению коаксиального кабеля при работе на нескольких любительских диапазонах, то для питания таких антенн используют двухпроводную открытую линию, которая допускает работу с высоким КСВ.
Схема такой антенны показана на рисунке 1. Антенна состоит из штыря длиной LA и минимум четырех противовесов длиной LP. Для эффективной работы вертикальной антенны, штырь которой не настроен в резонанс с излучаемым ей сигналом, необходимо чтобы электрическая длина штыря была не менее 1/8 длины волны.
Следовательно для того чтобы антенна работала в любительских диапазонах 6-80 метров, достаточно, чтобы длина её вертикальной части была равна 5 метров. Как указывается во многих радиолюбительских источниках, для работы такой вертикальной многодиапазонной антенны необязательно использовать резонансные противовесы, которые, безусловно, улучшают работу антенны, но в то же время значительно усложняют её конструкцию.
Вполне достаточно четырех противовесов длиной равной высоте штыря. Антенна запитывается через открытую линию волновым сопротивлением 300-600 Ом любой разумной длины через какое-либо известное согласующее устройство.
До сих пор среди радиолюбителей нет единого мнения, какой длины штырь необходимо использовать для создания такой антенны. Есть два мнения о длине штыря. Первое, что штырь должен иметь резонансы на верхних любительских диапазонах, на которых используется антенна, и другое, что не обязательно чтобы штырь имел резонансы на диапазонах работы антенны.
Поскольку штырьевая антенна питается через открытую линию, и антенно-фидерная система требует согласования с низкоомным выходным сопротивлением трансивера посредством согласующего устройства, то теоретически нет разницы используется резонансная штырьевая антенна либо резонанс штыря лежит вне любительского диапазона и, следовательно, будет требоваться компенсация реактивностей антенны посредством согласующего устройства.
На практике может даже оказаться, что эффективнее будет работать не резонансная антенна, питаемая по двухпроводной линии, вследствие усреднения её параметров при работе на нескольких диапазонах. Антенна резонансной длины обязательно будет иметь на каком-либо любительском диапазоне входное сопротивление несколько кОм, т.е. будет узел напряжения на её входе, что может усложнить согласование штыря с линией передачи и далее с согласующем устройством на резонансном диапазоне. Поскольку все же число сторонников резонансных и не резонансных штырьевых многодиапазонных антенн почти одинаково, разберем оба варианта.
Классической не резонансной конструкцией многодиапазонного вертикального штыря необходимо признать антенну WB6AAM. Эта антенна и её противовесы имеют длину равную 6,1 метра. В таблице 1 приведены значения коэффициента усиления этой антенны относительно четвертьволнового несимметричного вибратора работающего на сравниваемом диапазоне.
Таблица 1
Как видно из этой таблицы, параметры этой антенны весьма хороши на диапазонах 6-20 метров, удовлетворительны при работе в диапазонах 30-50 метров, и антенна может быть использована для вспомогательной работы на диапазоне 80 метров. Приведено описание не резонансной антенны с длиной вертикальной части и противовесов по 6,7 метров. Очевидно, что параметры незначительно отличаются от антенны WB6AAM, и практически нет разницы какая длина антенны выбрана 6,1 или 6,7 метра, все зависит только от удобства использования тех или иных материалов для выполнения антенны.
Антенна, работающая в резонансном режиме на диапазонах 10 и 20 метров с высотой вертикальной части и длиной противовесов по 508 см. Эта антенна работает менее эффективно чем антенна WB6AAM из-за того, что её высота немного меньше. Антенна с длиной вертикальной части 10 метров и тремя противовесами.
Эта антенна вследствие относительно большой длины вертикальной части может обеспечить работу не только на диапазонах 10-80 метров, как указано в её описании, но и на диапазоне 160 метров. Усиление её будет примерно в полтора раза больше чем вертикальной антенны WB6AAM (см. табл. 1), и конечно при наличии достаточного места для размещения антенны, и материалов, лучше использовать антенну с длиной вертикальной части 10 метров.
Двухпроводная линия передачи для питания антенн этого типа может быть самодельной, можно использовать стандартный ленточный кабель, например типа КАТВ. При мощности подводимой к антенне не превышающей 100 Вт можно использовать в качестве линии передачи телефонный провод ТРП, более известный среди радиолюбителей как лапша. К сожалению ТРП при эксплуатации под действием атмосферных условий обычно через несколько лет выходит из строя из-за разрушения изоляции.
Именно из-за дефицита открытых линий передачи, радиолюбители предпринимают попытки запитать такую антенну через коаксиальный кабель с использованием различных согласующих устройств, расположенных непосредственно на штыре антенны. Наиболее удачное такое согласование было предложено UA1DZ.
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.
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
В длинноволновом и средневолновом диапазонах невозможно создавать направленные антенны, так как длина ее значительно меньше четверти. В указанных диапазонах применяются антенны в виде штырей.
Распространение тока и напряжения вдоль четвертьволнового штыря. Основным источником потерь у таких антенн являются токи в земле. Поэтому применяют противовесы (заземление) в виде пучка проводов закопанных в землю на глубину 20-40 см. Причем, чем меньше сопротивление заземления, тем больше КПД антенны.
Сопротивление излучения антенны связано с действующей высотой следующим образом:
Входное сопротивление несимметричного вибратора в два раза меньше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при одинаковых токах питания у первого напряжение питания в два раза меньше (рис.2).
Многих интересует, как влияет высота подъема штыря на его диаграмму направленности и зависит ли его сопротивление от высоты подвеса. В преддверии всего этого я познакомлю вас с важнейшим результатом (6). Он заключается в том, что распределение токов в штыре не зависит от высоты подвеса при наличии идеальной земли- системы противовесов.
Это очень важный результат. Практически это означает, что на какой бы высоте штырь вместе со своей системой “земли” ни находился, его сопротивление будет постоянным.
Но это частный случай более общего решения. 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, мачты-антенны), нижний конец которых соединен с “землей” и которые питаются через гамма-согласование или каким-либо другим способом, более удобным в данном случае.
Диаграммы направленности l /4-штыря приведены на рис.17. Из этого рисунка видно, что чем больше поднимается антенна, тем более пологий угол излучения к горизонту. Это объясняется тем, что происходит сложение излученной штырем волны и волны, отраженной от земли. Естественно, что 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, так как при этом уже не происходит уменьшения угла излучения, а только начинают дробиться верхние боковые лепестки. При поднятии на высоту штырей длиной более l /4 результат будет такой же. На рис.17 приведены диаграммы направленности штырей разной длины, размещенных над идеально проводящей землей (5). Следует запомнить еще одну интересную особенность штырей, высота которых равна l и более. Такие антенны в профессиональной связи используются как антифединговые (4). Для радиолюбителей это означает, что такая антенна будет принимать без проблем сигнал, приходящий с замираниями на l /4-штырь или четвертьволновой диполь.
Для успешной работы штыревая антенна должна быть согласована с линией питания и настроена в резонанс с излучаемым ей сигналом. Несмотря на все кажущееся многообразие согласующих устройств и штырей их можно разбить на три группы.
·штырь согласованный, электрическая длина которого равна l /4 (рис.19а)
· штырь с электрической длиной больше l /4 (рис.19б) (эту “лишнюю” длину убирают с помощью емкости);
· штырь с электрической длиной меньше l /4 (рис.19в) (“недостающую” длину добавляют катушкой индуктивности).
Для практики 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 и более на НЧ-диапазонах. Параметры удлиняющей катушки - единицы мкГн - до 21 МГц, десятки - до 3,5 МГц. Точно определить теоретическое их значение трудно, так как в этом случае происходит влияние коэффициента укорочения вибратора, торцевых емкостей на землю и массы других параметров. Вследствие этого согласующие реактивности часто подбирают экспериментально. Однако желающие могут воспользоваться работами (3,7,8) для определения точного теоретического значения удлиняющих и укорачивающих реактивностей.
В заключение следует отметить, что подобная практика согласования применима и к штырям длиной, кратной l /4.