РОЗРАХУНОК ВЕРТИКАЛЬНОЇ четвертьволновий АНТЕНИ
Ю. Прозоровський (UA3AW)
Одним з основних способів зниження перешкод телевізійного сигналу з боку аматорських передавачів є застосування передавальних антен з вертикальною поляризацією. Найбільш поширена серед коротковолновіков Чвертьхвильова вертикальна антена ( "Ground plane"). Ця антена складається з вертикального штиря, довжина якого зазвичай трохи менше чверті довжини робочої хвилі, випромінюваної передавачем, і противаги. Він виконується з декількох горизонтально розташованих чвертьхвильових променів, з'єднаних з оболонкою коаксіальногокабелю, за яким від передавача подається високочастотна енергія.
Опір випромінювання такої четвертьволновой антени одно 28-32 ом (в залежності від зовнішнього діаметра металевих трубок, з яких вона побудована). Тому з'єднання антени з 50- або 75-омним коаксіальним кабелем призведе до появи в ньому стоячих хвиль і до втрати енергії. Для узгодження вертикального штиря з кабелем необхідно використовувати додаткові елементи - котушки індуктивності, конденсатори або відрізки кабелю з певними параметрами.
Нижче описується спрощений метод розрахунку антени "Ground plane" з горизонтальним противагою і согласующим відрізком кабелю. Антени, побудовані за цим розрахунком, добре працюють на одному любительському діапазоні (наприклад, 14 МГц) і, разом з тим, цілком задовільно випромінюють і на двох сусідніх діапазонах (21 і 7 МГц).
Розрахунок будемо приводити на числовому прикладі для діапазону 14 Мгц. З'єднання штиря з живильним його кабелем і согласующим відрізком кабелю і позначення їх розмірів показані на рис. 1.
Для розрахунку необхідно знати діаметр металевих трубок або дроту, з яких будуть виконані штир антени і промені противаги. Припустимо, що ми збираємося застосувати для виготовлення антени трубки з зовнішнім діаметром 30 мм,
а противагу будемо робити з дроту діаметром 2 мм. Визначаємо коефіцієнт М, що характеризує відношення довжини віддаленого від землі півхвильового диполя до діаметру антени. Застосовуємо формулу:
Тут: f - середня частота діапазону,
D - діаметр трубок. При f = 14,2 Мгц і D = 30 мм отримуємо:
За коефіцієнтом М визначаємо, користуючись графіком (рис. 2), опір випромінювання четвертьволновой антени Rізл (для резонансної частоти): Rізл = 30,8 ом.
Тепер слід обчислити справжнє опір випромінювання Ry укороченою антени, яку ми будемо будувати; воно через вплив землі і противаги відрізняється від Rізл і одно:
Тут Z - хвильовий опір коаксіального кабелю, з якого виконаний фідер. У нашому прикладі візьмемо його рівним 75 ом. тоді:
Для обчислення довжини вертикального штиря L потрібно за графіком рис. 3 визначити ще два допоміжних коефіцієнта: Кс, що характеризує зміну опору антени при зміні її довжини, і Кз, що враховує вплив противаги і земної поверхні. Отримуємо: Kc = 535, Kз = 0,97.
Графік для визначення коефіцієнта К може бути використаний лише при зміні довжини антени не більше ніж на 10%. Якщо антена довше резонансною, то її повний опір носить індуктивний характер, якщо коротше - ємнісний.
Довжина штиря (в мм) визначається за формулою:
Для визначення довжини променів противаги Lnp, виконаних з дроту діаметром 2 мм, обчислюємо
М: M = 150000 / 14,2 * 2 = 5280 і по графіку рис. 3 знаходимо Ky = 0,978. тоді
Укорочена антена має, крім активного, також реактивне опір ємнісного характеру. Для його компенсації паралельно антени приєднаний закорочений на кінці відрізок кабелю; довжина його вибирається такий, щоб його реактивний опір мало індуктивний характер необхідної величини. Визначаємо це індуктивний опір:
Користуючись логарифмічною лінійкою або таблицею тангенсів, знаходимо кут а, тангенс якого чисельно дорівнює відношенню отриманого значення Xc до хвилевого опору Zc кабелю, з якого буде виконаний узгоджувальний відрізок. При Zc = 75 ом:
Xc / Z = 61,5 / 75 = 0,82 і a = 39,4 °
Довжина закороченими відрізка дорівнює:
У цій формулі b - коефіцієнт, що характеризує швидкість поширення енергії по кабелю. Для поширених кабелів із суцільним заповненням (РК-1, РК-3) b = 0,67.
Описаний вище розрахунок враховує, що промені противаги розташовані горизонтально; однак і при похилому їх розташуванні (під кутом 30-40 ° до землі) неузгодженість буває незначним.
Коефіцієнт стоячої хвилі (КСВ) в фідері можна виміряти, зібравши нескладний покажчик КСВ мостового типу, схема якого показана на рис. 4. Тут опору R1, R2, R3 і опір випромінювання антени утворюють міст. В одну з його діагоналей подається енергія високої частоти від передавача
(Роз'єм Пер). У другій діагоналі включений діод Д1 типу Д2Е.
Опір R4 служить для зменшення вихідного опору джерела енергії (передавача). Дросель (Др1) замикає ланцюг постійної слагающей випрямленого струму; він необхідний в тому випадку, якщо ланцюг антени не має гальванічної провідності.
При балансі моста стрілка приладу не відхиляється. Неузгодженість антени і кабелю викликає поява стоячих волі, що відзначається відхиленням стрілки. Порядок вимірювання КСВ наступний:
1. Налаштовують передавач з антеною при повній випромінюваної потужності.
2. Зменшують потужність до нуля, замикаючи, наприклад, одну з ламп попередніх каскадів негативним зміщенням, і від'єднують антену.
3. З'єднують відрізком кабелю вхід передавача і роз'єм Пер. на покажчику КСВ.
4. Поступово, дуже плавно, щоб не спалити опір R4, збільшують потужність енергії, яка подається в покажчик КСВ, до тих пір, поки стрілка приладу не відхилиться до кінця шкали.
5. Для перевірки балансу моста тимчасово приєднують до гнізда Ант опір 75 ом; стрілка міліамперметра повинна при цьому стати на нуль.
6. Включивши до гнізда Ант. коаксіальний кабель, що живить антену, відзначають за шкалою ток і визначають КСВ по кривій, зображеної на рис. 5.
Якщо фідер антени не вносить суттєвих втрат, наприклад він виконаний з кабелю РК-1 або РК-3 і має довжину не більше 15-20 м, то КСВ 2 і навіть 2,5 цілком допустимо. Загальні втрати (сума втрат в фідері і втрат за рахунок неузгодженості) в цьому випадку не перевищать 0,5 дб. Таке зменшення потужності на приймальні станції на слух відмічено не буде. Помітне падіння гучності прийому (на 1-2 бали) може спостерігатися лише при КСВ порядку 5-8.
У тому випадку, якщо побудована антена має надмірним КСВ або її розміри обрані більшими чи меншими, ніж слід, необхідно, користуючись покажчиком КСВ, налаштувати антену дослідним шляхом. Антена більшою, ніж потрібно, довжини може бути електрично вкорочена конденсатором, включеним послідовно з вертикальною частиною (рис. 6, а). Занадто коротку антену можна електрично подовжити, додавши до неї індуктивність (рис. 6, б). В цьому випадку настройку антени ведуть поперемінно, підбираючи положення обох щипків на котушці. Тут частина котушки між щипками 1 і 2 використовується для подовження вертикальної частини антени, а нижня частина (2-3) замінює узгоджувальний закорочений відрізок кабелю (рис. 1).
На закінчення відзначимо, що на антені описаного типу накопичуються заряди статичної електрики, особливо при близькому грозі. Тому рекомендується застосовувати антени з закороченими відрізками кабелю (рис. 1) або шунтирующей кабель індуктивністю (рис. 6 б) і надійно заземлити оболонку кабелю.
РАДІО N 10 1962 c.23-24