Укорочение концевой ёмкостью

    Другим базовым способом укорочения вибраторов, является укорочение концевой ёмкостью. До сих пор мы исходили из предположения, что оба конца симметричного вибратора очень тонкие, и поэтому ток на концах близок к нулю. Но никто не мешает нам установить на концах вибратора диски большого диаметра, или несколько радиалов. Называются эти диски (или радиалы) ёмкостной нагрузкой (ЁН). В ЁН токи будут течь от центра к краям. То есть в разные стороны (как в системе противовесов GP). Поэтому излучение отдельных проводов ЁН взаимно компенсируется и вклада в излучение вибратора ЁН практически не вносят. 

    При наличии ЁН, ток на концах вибратора будет уже равен не нулю, а величине, которая втекает в ёмкостную нагрузку (рис. 3.7.4).  Распределение тока в вибраторе при этом – центральная часть синусоиды с отрезанными краями. Следует отметить, что поскольку токи в ёмкостной нагрузке текут от центра в разные стороны, то их излучение взаимно компенсируется (точно также как и в радиалах обычного GP).

            Рис. 3.7.4.

    Очевидно, что площадь под током на рис 3.7.4 больше, чем при треугольном распределении на рис 3.7.2. Поэтому при укорочении концевой ёмкостью Rизл и Ga выше, чем при укорочении индуктивностью. Дополнительный (и тем более заметный, чем сильнее укорочение) выигрыш даёт отсутствие катушек с потерями. Обычно размер ЁН выбирают так, чтобы входное  сопротивление антенны было бы чисто активным.

    Для того, чтобы в дальнейшем корректно сравнивать различные виды укорочения введём стандартные условия, при которых в дальнейшем и будет происходить сравнение. Даже две разновидности стандартных условий (назовём их условно СТ1 и СТ2) :

СТ1. К_УК=0,5, материал антенны – медная проволока диаметром 1,6 мм, частота 14,05 МГц. Катушки (если имеются в составе антенны) имеют холостую добротность 300, конденсаторы (также, если есть) Q=1000 (типичные цифры для качественных компонентов). Согласующее устройство – без потерь. Для симметричного вибратора и рамки – свободное пространство, для GP – идеальная земля. GP стоит непосредственно на идеальной земле.

    Симметричный диполь с с ЁН при СТ1 имеет: Ga=1,78 dBi, Ra=39 Ом,  BW=605 кГц.  Он же при СТ2 имеет Ga= 0,96 dBi, Ra=2,25 Ом,  BW=80 кГц.

    GP с ЁН в точке питания при CT1: Ga=4,8 dBi, Ra=19,5 Ом,  BW=600 кГц.  Он же при СТ2 имеет Ga=3,97 dBi, Ra=1,13 Ом,  BW=105 кГц.

    Как видим, параметры намного лучше, чем при укорочении индуктивностью. Поэтому, при возможности всегда стоит стремиться  именно к варианту укорочения концевой ёмкостью. Приведенные цифры относятся с ЁН из 4 проводов, перпендикулярных основному вибратору.

    В отличие от катушки (которую с переменным успехом можно включать почти в любую точку вибратора – кроме его концов) ЁН включаются только на концах вибратора, либо в точках максимума напряжения (если они не совпадают с концом вибратора).

    Для того, чтобы ЁН не излучали они (как и система радиалов GP) должны обладать осевой симметрией относительно вибратора. В этом случае (а также при перпендикулярности ЁН и вибратора) параметры укороченной антенны практически не зависят от конкретной конструкции ЁН. В самом деле – излучение осесимметричной ЁН отсутствует,  а требуемая емкость (на землю для GP, или на другую ЁН – для симметричного вибратора) достигается при настройке размерами ЁН.

    В некоторых случаях намеренно устанавливаются несимметричные ЁН (например Г-образные антенны), чтобы получить их небольшое излучение. Особенно часто это делают в GP. Там небольшое излучение несимметричных (и горизонтальных) ЁН  идёт под высокими зенитными углами. Что позволяет устранить недостаток обычного GP – плохую работу на коротких трассах, где требуются именно высокие углы. Это позволяет уверенно занимать частоту, не опасаясь вытеснения станциями своего континента (на обычный GP они вас будут плохо слышать). 

    Конструкция ЁН может быть самой разнообразной – диски, радиальные провода в количестве от 2 до нескольких штук (вариант – соединенные на дальнем конце по кругу), проволочные конструкции в виде лопасти, цилиндра, куба, и т. п.  Немало примеров можно найти в папке ..ANT\HF short\С\.

Достаточно интересным является вопрос о нужном количестве и длине проводов ЁН (имея в виду достижение резонанса антенны при заданной длине вибратора). В таблице 3.7.1 приведена необходимая для получения резонанса длина ЁН (GP, частота 14,05 МГц, Ку=0,5) для разных конструкций ЁН.

Табл. 3.7.1.

    Видно, что при увеличении числа проводов ЁН их необходимая длина падает сначала быстро, но потом  рост замедляется. Также из табл. 3.7.1. следует, что при возможности стоит стремиться замкнуть проволочным кольцом дальние от вибратора концы проводов ЁН. Это дает очень заметное снижение радиуса ЁН. Обычно число проводов ЁН выбирают в пределах 4..8.  Увеличивать число проводов ЁН свыше 8  нет необходимости - незначительное снижение длины уже не окупает затраты. Если же проводов ЁН меньше 4 - приходится довольно заметно увеличивать их длину. Анализ множества моделей показывает, что даже при неравномерном распределении проводов ЁН (например, двумя  узкими секторами) увеличение количества проводов снижает длину ЁН.

    На практике довольно редко выполняют  ЁН строго перпендикулярно вибратору. Причина очевидна – это непросто выполнить конструктивно. Особенно на вертикальной антенне. В последнем случае ЁН выполняют наклонно, как отрезки верхнего яруса растяжек. Конечно, конструктивно это несравненно проще, но что мы в этом случае теряем в параметрах антенны?

    Чтобы разобраться разложим ток в наклонном проводе ЁН на горизонтальную и вертикальную составляющие (точно также как в параграфе 3.4.5.1). Горизонтальные составляющие токов всех проводов ЁН  текут от центра  разные стороны и взаимно компенсируются точно также, как и в случае чисто горизонтальной ЁН.  А вот токи вертикальной составляющей всех проводов текут в одну сторону. Вниз. То есть они противофазны основному (полезному) току GP, текущему вверх, и следовательно частично компенсируют его, снижая общую эффективность. Компенсация эта лишь частична  (и невелика) потому что  вертикальная составляющая тока ЁН это лишь часть её тока, а также потому, что ток в вибраторе уменьшается к краям (подробнее об этом в параграфе  об изломанных антеннах 3.7.5, разновидностью которых, по сути,  является вертикал с наклонными ЁН). Поэтому, если вы используете наклонную ЁН, то надо стремиться к как можно меньшей вертикальной проекции  ЁН на GP. То есть максимально удалять точки крепления растяжек, частью которых являются ЁН, и предельно снижать длину проводов ЁН.

    Метод укорочения концевой ёмкостью удачно комбинируется с гамма- и омега-согласованиями, поскольку центральная часть вибратора не используется для укорочения и доступна шунтовым типам согласования. Поскольку распределение токов в  вибраторе с ЁН не такое, как в обычном, то удаётся согласовать заземленные GP с намного меньшей высотой, чем показано на графике 3.5.8.  Минимальная высота заземленного GP с ёмкостной нагрузкой, при которой возможно гамма-согласование составляет всего 0,07l (см. файл ….ANT\HF short\С\Very shortGP160 gamma.maa). Поскольку полоса укороченной антенны мала, то практически всегда имеет смысл гамма-согласование такой антенны выполнять широкополосным (то есть выполнять шлейф согласования очень толстым или из набора проводов, как описано в параграфе 3.5.10 и\или применять что-то из хитростей параграфа 3.5.12).

    В рамочных антеннах с электрическим периметром l имеются две точки пучности напряжения (точки А и В на рис 3.7.5). Причем, в отличие от линейного симметричного вибратора эти точки находятся относительно недалеко друг от друга. В эти точки и включаются ЁН, как показано на рис.3.7.5.

Рис.3.7.5.

     По участкам 1-2 и 3-4 протекают наибольшие токи, и что важно – синфазные. Именно эти токи и обеспечивают основное излучение антенны. По участкам 1-3 и 2-4  протекают противофазные токи (фазе меняется на 180 гр. в точках А и В), излучение этих сторон взаимно компенсируется. Пары проводов от точек С и В – это и есть ЁН.  Благодаря им ток в точках A и В больше нуля, чем и достигается удлинение антенны (см., например файл ...ANT\HF short\С\ Short_quad.maa). Как и в случае диполя и GP ЁН могут быть выполнены не только парой проводов (как на рис.3.7.5), но и виде диска, набора радиальных, или изогнутых проводов и т.п.

    Метод укорочения волновой рамки ёмкостными нагрузками дает очень хорошие результаты при относительно небольшом укорочении (Ку>0,5). Так например, при  Kу=0,7 усиление укороченной таким образом рамки равно усилению полноразмерного диполя (за счет синфазности токов в участках 1-2 и 3-4). К сожалению, уже при Ку<0,75 размеры ЁН из двух проводов (как на рис. 3.7.5) достигают длины стороны квадратной рамки. И дальнейшее снижение Ку возможно лишь за счет применения более сложных и громоздких ЁН – в виде многократно изогнутых проводов, либо в виде радиального диска (перпендикулярного плоскости рамки) из набора проводов. Так, при использовании диска (из набора радиальных проводов, замкнутых по кругу на дальнем конце – см. файл ...ANT\HF short\С\ Short_quad 7.maa) можно достичь Ку=0,4..0,5. Меньшие значения Ку, хотя и возможны в принципе, но требуют очень больших ЁН (далеко выходящих за габарит рамки). Поэтому на практике емкостное укорочение в чистом виде для волновой рамки применяет лишь от Ку=0,4..0,5 и выше.

    Волновая рамка с ЁН при СТ1 имеет: Ga=1,81 dBi, Ra=40 Ом,  BW=270 кГц. 

    Следует предостеречь от частой ошибки при использовании волновой рамки с ёмкостным укорочением. Поскольку точки С и D (на рис.3.7.5) расположены недалеко друга от друга возникает соблазн, свести их вместе, а ЁН заменить сосредоточенным конденсатором между точками С и D (рис. 3.7.6.)

Рис.3.7.6.

    На  первый взгляд это эквивалентная замена емкости между проволочными нагрузками на рис 3.7.5.нагрузками. Но это на первый. При внимательно рассмотрении обнаруживается, что между точками А и В появляется провод с длиной равной стороне квадрата. И ток в этом проводе противофазен полезным, излучающим токам в проводах 1-2 и 3-4.  Причем не только противофазен, но и почти вдвое (зависит от Ку) больше по амплитуде  полезных токов. В результате излучение провода А-В почти полностью компенсирует полезное излучение проводов 1-2 и 3-4. В результате излучение антенны оказывается совсем малым, и соответственно характеристики её очень плохи. Такая антенна  (файл ...ANT\HF short\С\ Short Quad 1.maa)) при СТ1 имеет Ga=- 0,3 dBi, Ra=5,5 Ом,  BW=35 кГц, что намного хуже, чем с нормальными ЁН (см. рис 3.7.5).

    Степень компенсации полезного излучения  проводом А-В (рис.3.7.6) зависит от распределения тока в нём (и соответственно Ку).

     При Ку близком к 1 (то есть небольшом укорочении) к середине провода А-В ток убывает почти до нуля (конденсатор мал) – что соответствую току в концах диполя. Площадь под током в проводе А-В получается небольшой – и сам ток мал, и еще до нуля провал в середине. Поэтому при Ку=0,85…0,9 такой вид укорочения применить, в крайнем случае можно (хотя при тех же Ку емкостное укорочение  по рис 3.7.5 даст лучшие результаты).

     При небольших же Ку ток в проводе А-В и велик и не имеет нуля в середине – лишь небольшой минимум (как на рис 3.7.6 при Ку=0,5). Поэтому происходит практически полная компенсация полезного излучения, причем тем более успешная, чем меньше Ку. Поэтому способ укорочения конденсатором, показанный на рис 3.7.6  можно применять лишь при Ку>0,8. И имея в виду два обстоятельства:

- напряжение на конденсаторе  достигает 1 кВ уже при 100 ваттах мощности,

- можно заметно повысить эффективность, применив вместо конденсатора ЁН как на рис. 3.7.5.

На главную - Main page