No Image

Антенна длинный провод запитан с конца

СОДЕРЖАНИЕ
14 просмотров
21 января 2020

Публикация Сергеем Макаркиным (RX3AKT) в журнале «Радио» и в Интернете описания полуволновых антенн с согласующими устройствами на линиях из коаксиального кабеля вызвала заметный интерес к антеннам подобного типа, которые известны еще с 20-х годов прошлого столетия. Они действительно имеют ряд достоинств, но в публикациях об этих антеннах практически ничего не сказано об их недостатках. А некритичный подход к ним привел к появлению в радиолюбительских кругах явно завышенных оценок их эффективности. В статье делается попытка дать подобным антеннам сбалансированную оценку.

В эфире порой можно услышать во время радиосвязи, что корреспондент использует антенну EFD. Это сокращение идет от названия на английском языке определенного класса антенн (EFD — end fed dipole или же "за-питываемый с конца диполь"), хотя на самом деле, строго говоря, это не диполи, к которым относят обычно запи-тываемые в центре полотна вибраторы. Гораздо реже можно встретить более корректное их название — EFA (end fed antenna), которое мы и будем использовать в этой статье.

Первой среди EFA можно считать, по-видимому, так называемую "антенну Фукса" [1]. Полотно антенны имеет длину nV2, а подключенный к одному из его концов параллельный колебательный контур настроен на среднюю частоту соответствующего диапазона. Поскольку входное сопротивление за-питываемого с конца полуволнового проволочного вибратора лежит в пределах 1 . 5 кОм, то такой контур может обеспечить хорошее согласование источника сигнала и излучателя. Варианты связи "антенны Фукса" с передатчиком приведены на рис. 1. Если контур находился вблизи передатчика, то нижняя (по схеме рис. 1,а) точка соединения катушки L1 и конденсатора С1 подключалась к "земле". Для достижения оптимального согласования вибратор иногда приходится подключать к части витков катушки L1. В более поздних и доживших до наших дней вариантах связь с передатчиком осуществляется через катушку связи с коаксиальным фидером (рис. 1,б).

Следует заметить, что запитать через колебательный контур, у которого нижняя (по схеме рис. 1 ,б) точка ни с чем не связана, вроде бы и нельзя — ток с нижней части контура должен куда-то уходить. Реально он протекает через всегда существующую паразитную емкость связи между катушками Ссв на оплетку коаксиального кабеля (рис. 1,б), и фактически оплетка кабеля также работает как часть излучателя (противовес). Так что название антенны (хоть EFD, хоть EFA), строго говоря, некорректно по этому параметру. Ток этот небольшой (поскольку цепи высокоомные), и создать серьезных проблем в виде помех телевидению и тому подобное он, как правило, не может. Заметную его часть легко убрать с оплетки кабеля — достаточно присоединить к колебательному контуру с другой стороны реальный противовес (короткий проводник длиной не более 0,1 лямбда, рис. 1,в).

В 20-е годы прошлого века полуволновые излучатели уже стали "запи-тывать с конца" через воздушные двухпроводные линии, которые брали на себя функции согласующего колебательного контура в "антенне Фукса" ("Цеппелин" и подобные антенны) и, "по совместительству", противовеса. Такие линии занимают относительно много места, поэтому применялись они в основном на УКВ. Именно тогда и родилась популярная и в наши дни J-антенна (в отечественной литературе ее называют антенной Бонч-Бруеви-ча). Она представляет собой полуволновой вертикальный излучатель, который запитывают снизу через коротко-замкнутую воздушную четвертьволновую линию. Применялись в согласующих устройствах УКВ антенн и коаксиальные воздушные линии, но из-за конструктивных сложностей популярности они не завоевали.

С широким распространением в послевоенные годы коаксиальных кабелей с диэлектрическим наполнением было естественно выполнить на их основе устройство согласования для EFA. В них привлекает в первую очередь то, что согласующее устройство получается простым в изготовлении и настоойке. И такие конструкции антенн появились [1]. Однако из-за того, что сделать EFA многодиапазонной (даже хотя бы двухдиапазонной) непросто, особого распространения они не получили. Но тем не менее в радиолюбительской литературе и сегодня нет-нет да и появится очередное описание подобных антенн [2-4].

В нашей стране интерес к этой версии EFA с коаксиальным СУ вернулся, после того как Сергей Макаркин (RX3AKT) изготовил несколько вариантов такой антенны, выложил их описания в Интернет и опубликовал один из них в журнале "Радио" [5]. На радиолюбительских форумах некоторые радиолюбители, повторившие эту антенну, дали о ней восторженные отзывы: "Работает заметно лучше диполя!". Но именно подобные эмоциональные отзывы заставили проанализировать КПД EFA с коаксиальным согласующим устройством, и результат анализа оказался не таким уж утешительным.

Но начнем с достоинств EFA. Это антенна очень проста с конструктивной точки зрения и хороша в ситуациях, когда нет возможности установить другие антенны — хотя бы классический диполь, не говоря уже о более сложных антеннах. А в реальных условиях для многих радиолюбителей это не такая уж редкая ситуация. Подобную антенну легко разместить между домами, протянуть из окна квартиры на дерево и так далее. Причем в отличие от диполя, запитываемого в центре, у нее нет проблем с механической нагрузкой фидера на полотно антенны, с прокладкой фидера к окну квартиры и т. д. Она удобна и в полевых условиях — закинул на высокое дерево один конец провода и работай в свое удовольствие!

Но полуволновая антенна EFA никогда (!) не будет работать лучше полуволнового классического диполя, так как представляет собой все тот же диполь, только запитанный не в центре. Точнее — всегда будет работать хуже, ибо в обязательном порядке EFA имеет то или иное согласующее устройство, в котором неизбежны определенные потери. Большие или маленькие — это отдельный разговор, но дополнительные потери не могут улучшить КПД антенно-фидерной системы. И это главный недостаток подобных антенн.

Читайте также:  Чем обработать пол в авто

Согласующие устройства (СУ) с колебательным контуром и СУ на двухпроводных линиях (даже с диэлектриком) вносят небольшие потери, поэтому в дальнейшем речь пойдет только о согласующих устройствах с использованием коаксиального кабеля. Если в питающем кабеле мы добиваемся КСВ, близкого к 1, то в согласующей линии значение КСВ вблизи незамкнутого конца линии (в точке подключения антенны) будет несколько десятков — в пределах 20. 100. Причем для низкочастотных диапазонов, где EFA применяется наиболее часто, значения КСВ в согласующем устройстве будут ближе в верхней границе. При таких значениях КСВ пренебрегать дополнительными потерями даже в относительно короткой согласующей четвертьволновой линии уже нельзя. Эти потери зависят, естественно, не только от КСВ, но и от типа кабеля, который использован в согласующей линии, и от ее физической длины. Рассчитать их можно, используя программу АРАК-EL [6].

В радиолюбительской коротковолновой связи в качестве передающей антенны используется «длинный провод». Выражение — антенна в виде длинного провода — означает, что длина провода больше, чем длина рабочей волны, и, следовательно, антенна возбуждается на гармониках ее собственной длины волны. Рассмотрим подробнее свойства и конструктивные особенности антенны в виде длинного провода.

Сооружение антенны в виде длинного провода достаточно просто и не требует больших затрат, но сама антенна занимает много места, так как пропорционально длине антенны увеличивается ее эффективность. При соответствующем подборе размеров антенны и фидера антенна может служить в качестве коротковолновой широкодиапазонной антенны.

Необходимая длина антенны в виде длинного провода определяется по формуле $$l=frac<150 cdot (n-0,05)>,$$

где l — искомая длина, м ;

n — число полуволн рабочей волны;

f — рабочая частота, Мгц .

Из диаграммы направленности полуволнового вибратора (рис. 1-9) видно, что максимум излучения направлен перпендикулярно оси антенны.

С увеличением длины антенны направление основного лепестка диаграммы направленности все больше и больше приближается к оси антенны. Одновременно увеличивается и интенсивность излучения в направлении основного лепестка. На рис. 2-1 изображены диаграммы направленности антенн, имеющих различную длину.

Особенно заметно, что с увеличением длины антенн появляются боковые лепестки. Такая многолепестковость диаграммы направленности не является существенным недостатком антенн в виде длинного провода, так как они все же сохраняют более или менее удовлетворительную круговую диаграмму направленности, дающую возможность устанавливать связь почти во всех направлениях. Кроме того, в направлении основного излучения достигается значительное усиление, которое увеличивается по мере увеличения длины антенны. Характерной чертой этих антенн, особенно полезной для связей на большие расстояния, является то, что они имеют небольшие вертикальные углы излучения. На рис. 2-2 приведен график, по которому можно определить теоретическое усиление антенны в децибелах (кривая I ), угол между направлением основного излучения и плоскостью подвеса антенны (кривая III ), а также сопротивление излучения антенны, отнесенное к току в пучности (кривая II ).

Пример. Требуется рассчитать и изготовить антенну для любительского диапазона 20 м . Местные условия дают возможность подвесить провод длиной 85 м в направлении восток — запад.

Нужно определить: а) необходимую длину провода для 4λ антенны; б) ожидаемое усиление антенны в направлении максимума основного лепестка; в) сопротивление излучения и направление максимума основного лепестка.

Длина провода определяется по формуле

Так как на 4λ антенне может разместиться 8 полуволн, то n = 8. Средняя частота 20- м диапазона 14,1 Мгц .

Таким образом, длина провода составляет 84,57 м.

Из рис. 2-2 находим, что при длине антенны 4λ (точка пересечений с кривой I ) следует ожидать усиления антенны в направлении максимума основного лепестка около 3 дб .

Сопротивление излучения при этом 130 ом (кривая II), а угол между направлением основного лепестка диаграммы направленности и плоскостью подвеса антенны (кривая III) равен 26°.

Так как антенна подвешена в направлении восток — запад, что соответствует 270°, то, как видно из рассмотрения рис. 2-1, основные максимумы диаграммы направленности имеют следующие направления:

Определив направления основного излучения, можно по карте мира в конической равноугольной проекции найти те районы, с которыми может быть достигнута наиболее устойчивая связь при использовании рассмотренной выше антенны.

Диаграммы направленности (рис. 2-1) представляют собой идеализированные теоретические диаграммы и на практике всегда претерпевают некоторые изменения. Например, заметная деформация диаграммы направленности имеет место, когда вибратор возбуждается на одном из его концов, т. е. питание антенны несимметричное. Для наглядности на рис. 2-3 приведена диаграмма направленности 2λ антенны в виде длинного провода в горизонтальной плоскости при симметричном и несимметричном питании. При возбуждении антенны на одном из ее концов (диаграмма изображена штриховой линией) диаграмма направленности также становится несимметричной, причем максимум излучения перемещается в направлении открытого конца антенны, а лепестки излучения, находящиеся в направлении конца антенны, с которого производится возбуждение антенны, ослабляются. Подобная деформация диаграммы направленности возникает во всех антеннах с несимметричным питанием. Следовательно, антенна в виде длинного провода дает основное излучение в направлении открытого конца. Дальнейшая деформация диаграммы направленности происходит в случае, если антенна либо наклонена по отношению к земле, либо расположена над наклонным участком. Если открытый конец антенны наклонен или же антенна подвешена над наклонной поверхностью (рис. 2-4), то в направлении, указанном на рисунке стрелкой, в любительских коротковолновых диапазонах могут быть установлены дальние связи.

При установлении связей на больших расстояниях особенное значение имеет направление основного лепестка диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости. Как уже упоминалось, для дальних связей особенно благоприятным является «плоское» излучение, т. е. небольшие вертикальные углы излучения. В частности, для каждого из любительских диапазонов наиболее благоприятные средние углы вертикального излучения составляют: 80 -м диапазон — 60°; 40 -м — 30°; 20 -м — 15°; 15 -м — 12° и 10 -м — 9°.

Читайте также:  Кузнецов гаи московской области

Антенны в виде длинного провода имеют пологие углы вертикаль ного излучения в случае большой высоты подвеса провода. Например, при высоте подвеса, равной 2λ, вертикальный угол излучения составляет 10°, а при высоте 0,5λ — около 35°. При меньших высотах подвеса антенны уменьшение вертикального угла излучения и, следовательно, увеличение возможности дальних связей может быть достигнуто, как уже отмечалось выше, за счет наклона вибратора.

Использование антенны в виде длинного провода в качестве многодиапазонной антенны

Самая простая из антенн коротковолнового диапазона L-образная антенна. По своему внешнему виду она мало чем отличается от радиовещательных антенн средневолнового диапазона (рис. 2-5). Ее общая длина l (до антенного зажима подсоединяемого устройства) должна составлять по меньшей мере λ/2. Эту антенну можно использовать как многодиапазонную, если она рассчитана как полуволновая антенна для диапазона 80 м . В этом случае антенна представляет собой для диапазона 40 м 1λ антенну, для 20 м — 2λ антенну, для 15 м — 3λ антенну и для 10- м диапазона — 4λантенну.

К сожалению, сказанное выше не совсем верно. Когда по формуле $$l[м]=frac<150 cdot (n-0,05)>$$ определяется длина полуволновой антенны для f = 3 500 кгц, то имеем: $$l[м]=frac<150 cdot 0,95><3,5>=40,71 м.$$

Однако полуволновая антенна для частоты 7 Мгц по той же формуле должна иметь длину $$l[м]=frac<150 cdot 1,95><7>=41,78 м.$$

Таким образом, полуволновая антенна короче требуемого значения более чем на 1 м .

Из приводимого ниже сравнения видно, что полуволновая антенна, рассчитанная для 3 500 кгц , в случае использования ее на высших гармониках расчетной частоты, соответствующих любительским диапазонам, в каждом случае короче необходимого значения.

Таблица 2-1.

Резонансная частота Длина антенны, м
3 500 (0,5λ) 40,71
7 000 (1,0λ) 41,78
14 000 (2,0λ) 42,32
21 000 (3,0λ) 42,50
28 000 (4,0λ) 42,60

Таким образом, когда нормальная L-антенна используется в качестве многодиапазонной, следует учитывать, что она может быть точно рассчитана только для одного диапазона, а в остальных диапазонах полное согласование получено быть не может.

На практике длина антенны, равная 42,2 м , является достаточно хорошим компромиссным решением, так как в этом случае резонансная частота антенны расположена в пределах диапазонов 10, 15 и 20 м ( f соответственно равна 14 040 кгц , 21 140 кгц , 28 230 кгц ) , а для диапазона 40 и 80 м такая антенна имеет длину, большую необходимой. Применение рассмотренной антенны в качестве вседиапазонной антенны, конечно, следует понимать как вспомогательное решение.

Это связано с тем, что в густонаселенных районах вследствие того, что L-образная антенна излучает по всей своей длине, включая подводящий фидер, могут возникнуть сильные помехи радиовещательным приемникам. Часто предлагаемый способ связи антенны с колебательным контуром оконечного каскада через высоковольтный конденсатор (рис. 2-6) может в лучшем случае уменьшить излучение высших гармоник только у станций небольшой мощности.

В этом смысле целесообразно использовать связь L-образной антенны с колебательным контуром оконечного каскада передатчика через П-контур. С использованием П-контура можно добиться точного резонанса во всех диапазонах, а также подавить паразитные высшие гармоники (рис. 2-7). Такая L-образная антенна с П-образным контуром очень распространена и дает хорошие результаты при условии, что 80% ее общей длины подвешены как можно выше и дальше от окружающих предметов.

Радиолюбители частенько, по разным причинам, используют, в качестве передающей, антенну «длинный провод». Такое её название означает, что длина провода больше, чем длина рабочей волны, и, следовательно, антенна возбуждается на гармониках её собственной длины волны. О свойствах и конструктивных особенностях антенны в виде длинного провода далее.

Сооружение антенны в виде длинного провода достаточно просто и не требует больших затрат, но сама антенна занимает много места, так как пропорционально её длине увеличивается и её эффективность. При соответствующем подборе размеров антенны и фидера антенна может служить в качестве коротковолновой широкодиапазонной антенны.

Необходимая длина антенны в виде длинного провода определяется по формуле

где l — искомая длина, м;

n — число полуволн рабочей волны;

f — рабочая частота, МГц.

Из диаграммы направленности полуволнового вибратора (рис. 1-9) видно, что максимум излучения направлен перпендикулярно оси антенны.

С увеличением длины антенны направление основного лепестка диаграммы направленности все больше и больше приближается к оси антенны. Одновременно увеличивается и интенсивность излучения в направлении основного лепестка. На рис. 2-1 изображены диаграммы направленности антенн, имеющих различную длину.

Заметно, что с увеличением длины антенн появляются боковые лепестки.

Полученная многолепестковость диаграммы направленности не является существенным недостатком таких антенн (длинный провод), так как они всё-таки сохраняют удовлетворительную круговую диаграмму направленности, дающую возможность устанавливать связь почти в любых направлениях. Да и в направлении основного излучения достигается заметное усиление, увеличивающееся вместе с увеличением длины антенны.

Характерной чертой таких антенн, особенно полезной для DX связей, является то, что они имеют небольшие вертикальные углы излучения. На рис. 2-2 приведён график, по которому можно разобраться с теоретическим усилением антенны в децибелах (кривая I), увидеть угол между направлением основного излучения и плоскостью подвеса антенны (кривая III), а также сопротивление излучения антенны, отнесённое к току в пучности (кривая II).

Читайте также:  Как включить блютуз на телефоне самсунг

Необходимо рассчитать и изготовить антенну для любительского диапазона 20 м. Конкретные местные условия позволят подвесить провод длиной 85 метров в направлении восток — запад.

а) необходимую длину провода для 4λ антенны;

б) ожидаемое усиление антенны в направлении максимума основного лепестка;

в) сопротивление излучения и направление максимума основного лепестка.

Длина провода определяется по формуле:

Таким образом, длина провода составляет 84,57 м.

Из рис. 2-2 находим, что при длине антенны 4λ (точка пересечений с кривой I) следует ожидать усиления антенны в направлении максимума основного лепестка около 3 дб.

Сопротивление излучения при этом 130 ом (кривая II), а угол между направлением основного лепестка диаграммы направленности и плоскостью подвеса антенны (кривая III) равен 26°.

В связи с тем, что антенна подвешена в направлении восток — запад, и это соответствует 270°, то, как видно из рассмотрения на рис. 2-1, основные максимумы диаграммы направленности имеют следующие направления:

Определив направления основного излучения, можно по карте мира в конической равноугольной проекции найти те районы, с которыми может быть достигнута наиболее устойчивая связь при использовании рассмотренной здесь антенны.

Диаграммы направленности (рис. 2-1) представляют собой идеализированные теоретические диаграммы и на практике всегда претерпевают некоторые изменения. Например, заметная деформация диаграммы направленности имеет место, когда вибратор возбуждается на одном из его концов, т. е. питание антенны несимметричное. Для наглядности на рис. 2-3 приведена диаграмма направленности 2λ антенны в виде длинного провода в горизонтальной плоскости при симметричном и несимметричном питании. При возбуждении антенны на одном из ее концов (диаграмма изображена штриховой линией) диаграмма направленности также становится несимметричной, причем максимум излучения перемещается в направлении открытого конца антенны, а лепестки излучения, находящиеся в направлении конца антенны, с которого производится возбуждение антенны, ослабляются.

Подобная деформация диаграммы направленности возникает во всех антеннах с несимметричным питанием. Следовательно, антенна в виде длинного провода дает основное излучение в направлении открытого конца. Дальнейшая деформация диаграммы направленности происходит в случае, если антенна либо наклонена по отношению к земле, либо расположена над наклонным участком. Если открытый конец антенны наклонен или же антенна подвешена над наклонной поверхностью (рис. 2-4), то в направлении, указанном на рисунке стрелкой, в любительских коротковолновых диапазонах могут быть установлены дальние связи.

При установлении связей на больших расстояниях особенное значение имеет направление основного лепестка диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости. Как уже упоминалось, для дальних связей особенно благоприятным является «плоское» излучение, т. е. небольшие вертикальные углы излучения. В частности, для каждого из любительских диапазонов наиболее благоприятные средние углы вертикального излучения составляют: 80-м диапазон — 60°; 40-м — 30°; 20-м — 15°; 15-м — 12° и 10-м — 9°.

Антенны в виде длинного провода имеют пологие углы вертикального излучения в случае большой высоты подвеса провода. Например, при высоте подвеса, равной 2λ, вертикальный угол излучения составляет 10°, а при высоте 0,5λ — около 35°. При меньших высотах подвеса антенны уменьшение вертикального угла излучения и, следовательно, увеличение возможности дальних связей может быть достигнуто, как уже отмечалось выше, за счёт наклона вибратора.

К сожалению, сказанное выше не совсем верно, когда по формуле:

определяется длина полуволновой антенны для f = 3 500 кГц, то имеем:

Однако, полуволновая антенна для частоты 7 МГц, по той же формуле, должна иметь длину:

Таким образом, полуволновая антенна короче требуемого значения более чем на 1 м.

Из приводимого ниже сравнения видно, что полуволновая антенна, рассчитанная для 3 500 кГц, в случае использования её на высших гармониках расчётной частоты, соответствующих любительским диапазонам, в каждом случае короче необходимого значения.

Таблица 2-1

Резонансная частота Длина антенны, м
3 500 (0,5λ) 40,71
7 000 (1,0λ) 41,78
14 000 (2,0λ) 42,32
21 000 (3,0λ) 42,50
28 000 (4,0λ) 42,60

Таким образом, когда нормальная L-антенна используется в качестве многодиапазонной, то следует учитывать, что она может быть точно рассчитанной только для одного диапазона, а в остальных диапазонах полное согласование получено быть не может.

На практике длина антенны, равная 42,2 м, является достаточно хорошим компромиссным решением, так как в этом случае резонансная частота антенны расположена в пределах диапазонов 10, 15 и 20 м (f соответственно равна 14 040 кГц, 21 140 кГц, 28 230 кГц), а для диапазона 40 и 80 м такая антенна имеет длину, большую необходимой. Применение рассмотренной антенны в качестве вседиапазонной антенны, конечно, следует понимать, как вспомогательное решение.

Это связано с тем, что в густонаселенных районах вследствие того, что L-образная антенна излучает по всей своей длине, включая подводящий фидер, могут возникнуть сильные помехи радиовещательным и др. приёмникам. Часто предлагаемый способ связи антенны с колебательным контуром оконечного каскада через высоковольтный конденсатор (рис. 2-6) может в лучшем случае уменьшить излучение высших гармоник только у станций небольшой мощности.

В этом смысле целесообразно использовать связь L-образной антенны с колебательным контуром оконечного каскада передатчика через П-контур. С использованием П-контура можно добиться точного резонанса во всех диапазонах, а также подавить паразитные высшие гармоники (рис. 2-7). Такая L-образная антенна с П-образным контуром очень распространена и даёт хорошие результаты при условии, что 80% её общей длины подвешены, как можно выше и дальше от окружающих предметов.

Комментировать
14 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Автомобили
0 комментариев
No Image Автомобили
0 комментариев
No Image Автомобили
0 комментариев
No Image Автомобили
0 комментариев
Adblock detector