ПОГОДЖЕННЯ ВЕРТИКАЛЬНИХ АНТЕН
І.ГРІГОРОВ, RK3ZK, м.Білгород. p> Вертикальні антени дуже часто застосовуються радіоаматорами, тому зрозумілий інтерес до питань узгодження цих антен з лініями харчування - адже від якості узгодження в чому залежить ефективність роботи антени. Особливо гостро проблема узгодження встає в тому випадку, коли вхідний опір антени значно відрізняється від хвильового опору використовуваного фідера (наприклад, для укорочених вертикальних антен НЧ-діапазонів). Нижче будуть описані основні методи узгодження вертикальних несиметричних антен, які перебувають в різних умовах і мають різну довжину. Наприклад, для харчування заземлених чвертьхвильових антен часто використовують гамма-узгодження, за допомогою якого можна підключити до антени коаксіальний кабель з будь-яким хвильовим опором, а в службовій та радіоаматорського радіозв'язку іноді використовують узгодження вертикальних антен з коаксіальним кабелем, варіюючи кількість противаг і кут їх нахилу щодо штиря антени.
Багато з методів узгодження, запропоновані в статті, відомі радіоаматорам і широко використовуються на практиці. Однак деякі методи, розроблені давно, в даний час благополучно забуті. Проте, пам'ятаючи, що нове - це добре забуте старе, вони описані в статті і можуть допомогти радіоаматорам в експериментах з вертикальними антенами. Як приклад дано опису декількох антен службових радіостанцій. Сподіваюся, що наведені відомості дозволять радіоаматори вибрати той спосіб узгодження вертикальної несиметричною антени, який оптимальний для нього в конкретних умовах.
Узгодження чвертьхвильових штирьових антен
зміною кута нахилу противаг
Як відомо, Чвертьхвильова антена, розміщена безпосередньо над ідеальною проводить поверхнею, має вхідний опір 36 Ом. Антену з таким вхідним опором можна живити коаксіальним кабелем з хвильовим опором 75 Ом, встановивши четвертьволновий трансформатор, виготовлений з коаксіальногокабелю з хвильовим опором 50 Ом (рис.1). На жаль, випадок установки несиметричною четвертьволновой антени над ідеальною проводить поверхнею досить рідкісний. Наприклад, це може бути варіант розміщення четвертьволновой антени УКХ-діапазону над корпусом автомобіля, який можна вважати ідеальною проводить поверхнею.
Антена КВ-діапазону найчастіше буває встановлена безпосередньо над погано проводить поверхнею, наприклад, на бетонній даху будівлі. Крім того, практично будь-яка грунт може розглядатися при роботі на КВ-діапазонах як погано проводить поверхню, яка не може служити "землею" вертикальної несиметричною антени. Ось чому для забезпечення гарної "радіотехнічної землі", необхідною для ефективної роботи вертикальної несиметричною антени, використовуються противаги. Оптимальний варіант - застосування чвертьхвильових противаг. В цьому випадку при варіюванні кількості противаг і кута їх нахилу щодо штиря вертикальної несиметричною антени, можна здійснити оптимальне узгодження антеною системи з коаксіальним кабелем.
Розглянемо, як здійснюється узгодження на практиці. Чвертьхвильова штирьова антена, встановлена на висоті не менше чверті довжини хвилі відносно поверхні погано проводить землі і мала три четвертьволновий противагами, розташованими під кутом 90 ° до штиря (рис.2), має вхідний опір від 40 до 50 Ом. Отже, для її харчування можна використовувати стандартний 50-омний коаксіальний кабель. Збільшення числа противаг до чотирьох знизить опір антени до 40 Ом. Подальше збільшення кількості противаг зменшить вхідний опір несиметричною вертикальної антени до 36 Ом. В цьому випадку для її харчування можна використовувати 75-омний коаксіальний кабель з чвертьхвильові согласующим трансформатором, як було показано раніше на рис.1.
Для збільшення вхідного опору антени, що має чотири противаги, до величини 50 Ом, противаги розташовують під кутом 135 ° до штиря антени (рис.3). Така конструкція часто використовується в антенах службових радіостанцій УКХ-діапазону. Однак, щоб опір такої антени було близько до 50 Ом, необхідно кінці противаг розташувати щодо провідної поверхні на висоті не менше чверті довжини хвилі. Ця умова легко виконується при установці антени на металевій щоглі, як показано на рис.3.
Аналогічно можна виготовити несиметричну вертикальну антену для високочастотних КВ-діапазонів. Однак зі збільшенням довжини хвилі, на якій буде працювати антена, і, отже, зі збільшенням її розмірів, ця умова стає все більш і більш важко виконуваним.
Тому на практиці при побудові антен на НЧ-діапазони кінці противаг часто знаходяться на невеликій висоті над землею. У цьому випадку вхідний опір антеною системи, швидше за все, не буде точно так само 50 Ом, а багато в чому буде залежати від провідних властивостей землі і від висоти установки штиря антени і противаг над нею. При гарній провідності землі вхідний опір антени може бути менше 50 Ом, а резонансні чвертьхвильові противаги, розташовані близько від поверхні, неминуче будуть засмучені.
При "погано проводить землі" вхідний опір антени наближається до 50 Ом і може бути погоджено з коаксіальним кабелем з таким же хвильовим опором. В реальних умовах під погано проводить землею можна розуміти бетонний дах, сухий грунт і т.д.
Слід звернути увагу на те, що для правильної роботи штирьовий несиметричною антени необхідно використовувати парну кількість противаг, розташованих діаметрально один щодо одного. В цьому випадку високочастотні струми, що протікають в противовесах, розташованих протилежно один одному, компенсуються (рис.4), і випромінювання зовнішньої обплетення коаксіального кабелю мінімально. При непарній кількості противаг компенсації високочастотних струмів не відбувається, і в результаті можливий прояв антенного ефекту фідера.
Діаграма спрямованості несиметричною вертикальної антени з противагами має пелюстки діаграми спрямованості, розташовані уздовж противаг. При парній кількості противаг діаграма спрямованості антени все більш і більш наближається до кругової. Комерційні вертикальні несиметричні антени в основному мають парну кількість противаг. У радіоаматорських умовах можлива установка вертикальної антени як з парних, так і з непарною кількістю противаг. Оскільки ефективність роботи штирьовий антени пропорційна кількості противаг, звичайно, найкращі результати забезпечує антена з великою кількістю противаг.
Несиметричні антени з вертикальним розташуванням противаг
Щоб використовувати для харчування вертикальної несиметричною антени коаксіальний кабель з хвильовим опором 75 Ом, необхідно противаги розташовувати під кутом 180 ° до штиря антени (рис.5). Практично таке розташування вимагає експериментальної коригування довжин противаг, тому що внаслідок близькості від металевої щогли неминуча їх расстройка. Така вертикальна антена випромінює під малим кутом до горизонту (приблизно 24 °) і добре підходить для забезпечення службової низової УКХ-зв'язку і для проведення далеких зв'язків на КВ.
У комерційних УКХ-антенах часто замість противаг використовують четвертьволновий стакан (рис.6). У радіоаматорських умовах виготовлення четвертьволнового склянки хоча і важко, але все ж можливо. Проте, для роботи на KB такі антени використовуються рідко, що пов'язано з громіздкістю конструкцій високих щогл - адже для коректної роботи такої антеною системи потрібно, щоб кінці противаг знаходилися на відстані не менше напівхвилі над поверхнею землі (в разі її хорошою провідності). Якщо на УКХ ця умова виконується відносно легко, то для роботи на KB воно часто важко виконати.
Мал. 6
Коефіцієнт укорочення вертикальної антени
При конструюванні четвертьволновой несиметричною антени і четвертьволнового склянки необхідно враховувати коефіцієнт укорочення, який залежить від діаметрів штиря і склянки. Часто при установці електронних антен коефіцієнт укорочення для штиря і противаг не розраховується, і вкрай рідко проводиться настройка противаг в резонанс. Внаслідок цього вхідний опір такої антени може значно відрізнятися від теоретичного значення, і антенна система потребуватиме додаткового узгодження з коаксіальним кабелем. Для визначення коефіцієнта укорочення штиря антени До можна скористатися графіком, наведеним на рис.7. Як видно з графіка, коефіцієнт укорочення антени залежить від ставлення її діаметра до довжини хвилі. Але в реальному конструкції вертикальної KB- або УКХ-антени свій внесок у збільшення коефіцієнта укорочення вносять елементи конструкції. За рахунок протікання ємнісних струмів між елементами антени, впливу сторонніх предметів, які проводять властивостей землі і безлічі інших чинників, які іноді важко піддаються обліку, значення реального коефіцієнта укорочення вібратора антени зазвичай більше його теоретичного значення.
Гамма-узгодження штирьових антен
Труднощі, пов'язані з узгодженням вхідного опору антени за допомогою противаг, змушують радіоаматорів звертатися до інших видів узгодження антен з лініями харчування. Розглянемо часто використовується в радіоаматорського практиці гамма-узгодження. Полегшити розуміння принципу його роботи допоможе графічне зображення розподілу струму, напруги та вхідного опору антени уздовж довжини четвертьволнового вертикального штиря (рис.8).
Мал. 8 На цьому малюнку видно, що четвертьволновий штир має пучность струму і вузол напруги на своєму кінці. Вхідний опір четвертьволнового вібратора змінюється уздовж його довжини від мінімального, рівного 36 Ом безпосередньо біля основи антени, до максимального - на відкритому верхньому кінці. Вузол напруги і пучность струму, існуюча на кінці четвертьволнового несиметричного вібратора, дозволяють здійснити його заземлення. В цьому випадку, при підключенні коаксіальногокабелю до нижньої частини штиря (рис.9), можна знайти таку точку, де вхідний опір антени буде дорівнює 50 або 75 Ом, що дозволить використовувати для живлення антени будь-поширений коаксіальний кабель. Описаний пристрій узгодження антени називають "гамма-узгодженням". Мабуть, назва походить від грецької букви "гамма", зовнішній вигляд якої нагадує конструкцію узгоджувального пристрою.
Проте, даний вид узгодження не є оптимальним для вертикальних антен. Підбір точки підключення коаксіального кабелю до антени є досить трудомістке заняття. Місце розташування точок харчування антени залежить від діаметру штиря, матеріалу, з якого він виготовлений, якості заземлення, кількості і типу противаг, які використовуються спільно з цією антеною, і безлічі інших причин. Крім того, не завжди вдається повністю компенсувати реактивні складові вхідного опору антени.
На практиці зазвичай використовують схему гамма-узгодження, показану на рис.10, яка відрізняється від схеми гамма-узгодження, наведеної на попередньому малюнку, наявністю змінного конденсатора С1.
За допомогою цього конденсатора можна практично повністю компенсувати індуктивну складову, що вноситься у вхідний опору антени гамма-узгодженням, що дозволяє спочатку вибрати фіксовану довжину h в конструкції пристрою, що погоджує, яка може бути трохи більше необхідною. Надлишок довжини вносить у вхідний опір антени індуктивну складову, яка компенсується за допомогою змінного конденсатора С1.
Подальшим розвитком гамма-узгодження є омега-узгодження, схема якого наведена на рис.11.
Омега-узгодження відрізняється від схеми гамма-узгодження наявністю конденсатора С2, включеного між центральною жилою коаксіального кабелю і землею антени. За допомогою цього конденсатора вдається практично повністю компенсувати реактивну складову вхідного опору антени. В результаті цього можна досягти КСВ = 1 для коаксіальногокабелю будь-якого хвильового опору - як 50, так і 75 Ом. Конструктивні дані для виготовлення гамма і омега-узгодження наведені в табл.1, а орієнтовні значення ємностей змінного конденсатора для різних діапазонів роботи - в табл.2.
Хвильовий опір коаксіального кабелю, Ом
Зараз в Інтернеті на різних електронних сайтах можна відшукати безліч програм, що дозволяють розрахувати параметри гамма-і омега-узгодження. Однак, оскільки далеко не у кожного радіоаматора є комп'ютер і доступ в Інтернет, наведені таблиці можуть бути корисними при конструюванні вертикальних антен з використанням зазначених видів узгодження. При виготовленні пристроїв узгодження відповідно до табл.1 і 2 практично не потрібно підбирати місце підключення перемички в процесі настройки антени Проте, на практиці вони все ж можуть відрізнятися внаслідок конструктивних особливостей антени і впливу близько розташованих предметів Налаштування гамма і омега-узгодження в цьому випадку може бути здійснена лише за допомогою конденсаторів змінної ємності при використанні КСВ-метра або високочастотного моста Переважно використовувати високочастотний міст, спрощено ающій процес налаштування. Спочатку визначають вхідний опір антени з боку гамма узгодження. Якщо воно вище хвильового опору використовуваного для живлення антени коаксіальногокабелю, довжину h зменшують. Якщо більше, довжину h збільшують. Послідовно налаштовуючи конденсатор С1 і змінюючи довжину h, підбирають вхідний опір антени, рівне хвильовому опору коаксіального кабелю. При використанні омега-узгодження, в кінці настройки за допомогою конденсатора С2 домагаються мінімальної реактивної складової імпедансу антени
Конденсатори С1 і С2 повинні бути укладені у влагонепроницаемую коробку Вони можуть бути розраховані на невисоку робочу напругу. Проте, бажано використовувати змінні конденсатори з повітряним діелектриком. Через конденсатор С1 протікає значний струм, тому він повинен мати малий опір контактів в роторі. Дуже хороший варіант - використовувати конденсатор типу "метелик". Можливо послідовне включення двох змінних конденсаторів, пов'язаних загальним ротором.
Узгодження вертикальних антен, що мають довжину, відмінну від l / 4.
Не завжди можлива установка вертикальної четвертьволновой антени. Іноді для виготовлення вібратора використовують уже наявні списані вертикальні армійські антени, або довжину вібратора вибирають з урахуванням компромісною роботи на кількох аматорських діапазонах. У цьому випадку вхідний опір антени буде різним на різних діапазонах, і буде потрібно забезпечити узгодження вхідного опору антеною системи з хвильовим опором коаксіального кабелю. Для кращого розуміння теоретичних принципів узгодження вертикальної антени довільної довжини, розглянемо розподіл струму і напруги в штирі висотою Л. Як видно з рис.12, при довжині штиря вертикальної антени, яка дорівнює l / 4, вхідний опір вертикальної антени при розташуванні над ідеально провідної поверхнею складе 36 Ом. При довжині вертикальної антени в межах l / 8 l / 4, вхідний опір цієї антени буде лежати в межах 15. 36 Ом. Якщо довжина штиря буде l / 4 З l / 8, активний опір буде перебувати в межах 36. 100 Ом. При проміжних значеннях довжин штиря його опір випромінювання буде перебувати в межах або 100. 1000 Ом, або менше 10 Ом
При використанні для харчування вертикальної антени коаксіальногокабелю з хвильовим опором 50 або 75 Ом, найбільший інтерес представляє ділянку, де вхідний опір штиря змінюється в межах від 36 до 100 Ом. Саме в цій ділянці можна оптимально узгодити вертикальну антену з коаксіальним кабелем. На рис.12 показаний також знак реактивної складової вхідного опору штиря при зміні його довжини. При роботі антени на цій ділянці, для компенсації реактивного вхідного опору, радіоаматори зазвичай використовують включення реактивного опору протилежного знака. Наприклад, послідовно з "електрично коротким" штирем включають так звану "подовжує" індуктивність, що компенсує емкостную складову вхідного опору штиря Послідовно з "електрично довгою" вертикальної антеною включають так звану "укорачивающую" ємність, що служить для компенсації індуктивною складовою вхідного опору штиря. Існують і інші методи узгодження вхідного опору вертикальних антен з хвильовим опором коаксіального кабелю. Далі вони будуть розглянуті більш детально