ЕН антенна для диапазона 40м.

Цикл статей [1], в котором были рассмотрены "нетрадиционные" конструкции антенн, вызвал жаркие дискуссии среди радиолюбителей. В основном определились два лагеря оппонентов — т.н. "учителя" (многие из которых даже не прочитали статьи, но упорно доказывают, что антенны со столь малой апертурой не могут быть эффективными) и "несгибаемые оптимисты" (прибавим к ним и тех радиолюбителей, которые никогда особо не влезают в "дебри" электродинамики, но с удовольствием занимаются конструированием, добиваясь на практике очень хороших результатов). Я отношу себя ко второй группе.

В течение двух лет я экспериментировал с ЕН-антеннами, изготовив и проверив более трех десятков экземпляров на все диапазоны — от 160 до 10 м. Правда, до публикации материалов по ЕН-антеннам я называл их емкостными (или полуоткрытыми колебательными контурами). На этих антеннах проведено более двух тысяч QSO с разными континентами.

Как правило, выходная мощность передатчика составляла 100 Вт. Хочу заверить сомневающихся, что этот класс антенн достаточно перспективен. Такие антенны вполне могут заменить проволочные и штыревые антенны, занимая при этом небольшое пространство. Кроме того, они не критичны к высоте установки и окружающим предметам, дешевы, удобны для работы в полевых и городских условиях.

В указанном цикле была описана конструкция антенны на 40-метровый диапазон. Для сравнения предлагаю познакомиться с конструкцией т.н. ЕН-антенны на этот же диапазон, которая проверена в работе, и, на мой взгляд, более проста в изготовлении. Однако прежде чем приступить к описанию конструкции, хочу обратить внимание на работу согласующего устройства (хотя в моем варианте его довольно трудно назвать согласующим, но давать определения — это дело теоретиков).

Рис.1.

На рис.1 показана эквивалентная схема ЕН-антенны. Как следует из рисунка, это не что иное, как последовательный колебательный контур с распределенной емкостью. Этот колебательный контур имеет как минимум два резонанса — параллельный и последовательный. Параллельный резонанс определяется контуром, состоящим из индуктивности L и собственной емкости Со катушки индуктивности. При этом конденсатор, образованный пластинами Сп, включен последовательно с контуром и является разделительным.

При увеличении размера верхних пластин напряжение в резонансе будет увеличиваться, частота настройки почти не изменится, а КСВ будет очень высоким. Это явление объясняется тем, что эквивалентное сопротивление параллельного контура при резонансе имеет активный характер и максимально. Тем не менее, следует сразу отметить, что параллельный резонанс не участвует в формировании электромагнитного поля антенны, а рассмотрен только потому, что о нем следует знать при настройке антенны.

Теперь обсудим работу контура при последовательном резонансе. Путь переменного тока следующий: нижний вывод катушки L — верхняя пластина — нижняя пластина — оплетка коаксиального кабеля. В таком включении при резонансе входное сопротивление системы при определенных соотношениях параметров может составлять 50 или 75 Ом. На частотах, отличных от резонансной, входное сопротивление контура очень высокое и может достигать десятков килоом. Этим явлением можно воспользоваться, чтобы параллельно подключить несколько, таких антенн (в авторском варианте включено три антенны) к одному кабелю без согласующих и коммутирующих устройств, т.к. на гармониках эти антенны не работают.

Для расчета катушки индуктивности можно воспользоваться известной формулой:

F= 159/ Ö LC, где

  • частота — в мегагерцах;
  • емкость — в пикофарадах;
  • индуктивность — в микрогенри.

Емкость Сп, в зависимости от диапазона и конструкции антенны, может составлять от 2 до 12 пФ (на НЧ-диапазонах — и более).

Рис.2.

Конструкции антенн данного класса могут быть самыми разнообразными, но остановимся на наиболее, на мой взгляд, простой и доступной (рис.2). Несущая конструкция образована пластмассовой водопроводной трубой 1 черного цвета диаметром 62...63 мм. Катушка индуктивности 2 намотана проводом диаметром не менее 2,5 мм. Тем не менее, для намотки лучше применять трубку 04...6 мм или медную шинку. К сожалению, не каждый радиолюбитель располагает таким материалом, ставшим вдруг дефицитом, поэтому были испытаны антенны с катушками, намотанными проводом ПЭВ2 диаметром 1,06 мм параллельно в два и три провода.

Испытания показали, что антенна на 40-метровый диапазон, намотанная в два провода, имеет КСВ по краям диапазона не более 1,5 и работает достаточно хорошо. Обмотка выполнялась тремя проводами одновременно. После закрепления выводов катушки, один из проводов удалялся. Выводы катушки удобнее всего крепить к лепесткам, прикрученным к трубе с помощью небольших шурупов. Для крепления лепестков сверлят отверстия 01 ...2 мм. Катушка имеет 76 витков провода 2x1,06 мм, ее индуктивность — 66 мкГн, длина намотки — 300 мм (в две секции), расстояние между секциями — 30 мм. Две верхние пластины Сп 3 имеют размеры 72x105 мм, две нижние (4) — 140x190 мм. Расстояние между верхними и нижними пластинами — 320 мм (не критично).

Если длина намотки катушки индуктивности будет меньше 300 мм (т.е. катушка намотана проводом, занимающим меньше места на каркасе), пластины устанавливаются по краям обмотки. Пластины могут быть установлены и на одной стороне каркаса, но при этом их площадь должна быть удвоена. Материал пластин — медь, алюминий или оцинкованное кровельное железо. Удельное сопротивление цинка ненамного больше, чем алюминия. Толщина материала, из которого изготавливаются пластины, должна быть такой, чтобы обеспечивалась их жесткость. Винтами пластины крепятся к медной полосе 6. Толщина и ширина полосы не критичны, но должна обеспечиваться жесткость крепления пластин. Кроме того, пластины могут крепиться и любым другим способом, при этом длина отрезков шины должна составлять 120...130 мм. Разъем 5 для подключения коаксиального кабеля устанавливается в нижней части трубы 1.

Антенна изготавливается в следующей последовательности. Отрезается кусок трубы, длина которого должна быть несколько больше, чем требуется для намотки катушки и крепления пластин. В верхней части трубы резервируется место (20...30 мм) для колпака или пробки, предохраняющей трубу от попадания внутрь нее осадков. Запас по длине в нижней части трубы (100...120 мм) необходим для крепления антенны к мачте или другой несущей конструкции.

Далее наматывается катушка индуктивности и (при наличии моста) измеряется ее индуктивность. Величина индуктивности не критична, и ее разброс при настройке антенны может быть скомпенсирован изменением площади пластин. Затем устанавливаются ВЧ-разьем и крепления для пластин. Временные пластины изготавливаются из фольги или жести от консервных банок. На время настройки антенны металл, из которого изготовлены пластины, должен быть мягким, чтобы его можно было изгибать, увеличивая или уменьшая площадь поверхности. К шинкам пластины крепятся винтами МЗ...М4. После настройки антенны узел крепления пластин к шинкам желательно пропаять.

Настройка

Это, пожалуй, самая ответственная операция.

Для настройки требуются следующие приборы:

При отсутствии измерителя напряженности поля можно обойтись и без него. Рабочее положение антенны — вертикальное. Предварительная настройка может происходить в комнате. Антенна (без пластин) крепится вертикально на высоте 0,8...1,0 м от пола. Далее к ней подключается кабель, который в дальнейшем предполагается использовать для питания антенны. Длина кабеля должна составлять 0,66 /2 (для распространенных коаксиальных кабелей) или быть кратной этому значению (полуволновой повторитель).

Например, для частоты 7,05 МГц отрезается кабель длиной 14,042 м (28,085 м и т.д.). Кабель должен свободно лежать, не иметь петель, витков и перехлестов. Второй конец кабеля подключается к генератору сигналов или трансиверу, настроенному на частоту 7,05 МГц. Выходная мощность источника сигнала - 1...2 Вт. Индикатор напряженности поля размещается в 2...3 м от антенны. Вместо двух верхних пластин "крокодилом" закрепляется один кусок тонкой фольги, площадь которого примерно равна площади двух пластин.

Аналогично поступают с нижней пластиной. Включают генератор и, наблюдая за индикатором, перестраивают генератор вверх или вниз по частоте, пока индикатор не покажет максимум. Оставив генератор на этой частоте, измеряют КСВ. Если КСВ большой (4...5 и более), необходимо проверить, на частоту какого резонанса настроен генератор. Для этого необходимо примерно в два раза уменьшить размеры верхней пластины, а затем вновь, изменяя частоту генератора, найти резонанс. Если частота изменится незначительно (на 30...60 кГц), а показания индикатора напряженности сильно уменьшатся, и КСВ останется большим, то настройка произошла на частоту параллельного резонанса. Не пытайтесь заставить работать антенну на данной частоте — это невозможно!

Дело в том, что в данном случае не обеспечивается необходимый сдвиг фаз между электрической (Е) и магнитной (Н) составляющими излучения. Установите обратно верхнюю пластину и попытайтесь отыскать резонанс, который располагается ниже частоты параллельного резонанса. На частоте искомого резонанса резко уменьшится КСВ. Кроме того, резко изменится резонансная частота антенны, если увеличить или уменьшить площадь верхней пластины.

Таким образом, уменьшая или увеличивая размеры верхней пластины, необходимо настроить антенну на требуемую частоту и вновь измерить КСВ. Если КСВ не равен 1, то, изменяя размеры нижних пластин и соотношение размеров нижней и верхней пластин, необходимо добиться КСВ, близкого к указанному значению. При наличии измерителей напряженности магнитного поля и напряженности электромагнитного поля задача упрощается, т.к. при неправильной настройке максимумы показаний приборов будут на разных частотах, и их необходимо совместить, изменяя площадь пластин, т.е. добиться сдвига фаз 90° (в этом случае излучение будет максимальным).

Подключив антенну к трансиверу и установив минимальную выходную мощность, вновь измеряют КСВ. Если минимум КСВ находится в стороне от требуемой частоты, антенна подстраивается отгибанием верхней пластины или уменьшением площади поверхности. Для сдвига минимума КСВ вверх пластину также необходимо сдвинуть вверх. Обратную операцию проделывают, если требуется сместить минимум КСВ вниз, т.е. верхняя пластина отгибается вниз. В режиме приема радиостанции на диапазоне должны быть слышны почти так же, как и на дипольные антенны.

Выбрав громкую станцию, можно попытаться провести с ней QSO прямо из комнаты. Мощность передатчика при этом не должна превышать 100 Вт. Убедившись, что антенна работает, измеряют площадь пластин. Необходимо учитывать, что при размещении антенны за пределами дома рабочая частота сместится вверх. Рассчитать точное значение изменения рабочей частоты невозможно вследствие различия условий в каждом конкретном случае. Смещение рабочей частоты у антенн, изготовленных мною, составляло от 100 до 300 кГц в зависимости от диапазона.

Пластины можно сделать из оцинкованного железа, увеличив их размеры на 10...20%. Установив антенну на постоянное место, "подгоняют" частоту настройки, обрезая понемногу пластины ножницами. Размещать антенну желательно так, чтобы до ближайших предметов было не менее 1 м. Например, на балконе или лоджии ее можно закрепить на горизонтальной доске, выдвинутой на расстояние не менее 1 м. Желательно, чтобы кабель питания от антенны опускался вниз хотя бы на 1 м.

Следует иметь в виду, что при попадании влаги частота настройки сдвигается вниз, а после высыхания восстанавливается. Кроме того, для диапазонов 1,8 и 3,5 МГц антенны, устанавливаемые на автомобили, имеют другую конструкцию, но это тема для отдельного разговора.

При отсутствии пластмассовой трубы 063 мм антенну можно изготовить и на основе труб другого диаметра, например, с наружным диаметром 50 мм (как серого, так и черного цвета). Однако следует помнить, что эффективность работы антенны зависит от добротности контурной катушки. Кроме того, антенна будет работать лучше, если в конструкции для 40-метрового диапазона применить более толстые трубы, например, с наружным диаметром 110 мм. Для более высокочастотных диапазонов вполне подходит труба 050 мм.

Индуктивность катушки примерно должна составлять:

Столь значительный разброс по индуктивности обусловлен тем, что собственная емкость катушки входит в колебательную систему, и чем емкость больше, тем ниже добротность, и, соответственно, должна быть меньше индуктивность, чтобы обеспечить работу антенны на заданной частоте. Отсюда следует, что необходимо стремиться снижать собственную емкость и увеличивать диаметр провода катушки.

Количество витков катушки с достаточной точностью можно подсчитать по формуле:

где

  • L — в микрогенри;
  • I — длина намотки в сантиметрах;
  • D — диаметр каркаса в сантиметрах.

    • Радиолюбителям, имеющим "раскрытые" на передачу импортные трансиверы, при изготовлении подобных антенн можно использовать любые имеющиеся в наличии готовые катушки подходящих размеров. Достаточно определить резонансную частоту и "подогнать" ее пластинами к ближайшему любительскому диапазону.

    Обращаю внимание радиолюбителей на качество применяемых коаксиальных кабелей. Многие радиолюбители используют кабели, которым по двадцать и более лет. Если оплетка кабеля имеет черный или зеленый цвет, такой кабель лучше не применять. В случае, когда длина кабеля не соответствует полуволновому повторителю, можно применить согласующий трансформатор на ферритовых кольцах.

    На первый взгляд, настройка описанной антенны довольно сложна. Однако по мере приобретения опыта, на эту работу будет уходить 15...20 мин. Если радиолюбитель располагает проводом 02,2 мм и более, катушку рекомендуется намотать одиночным проводом.

    Предлагаемая антенна — не лучшая из тех, что изготовлены автором, но, тем не менее, при мощности в 100 Вт и высоте подвеса 6 м (в двух метрах от кирпичной стены), на ней можно уверенно проводить местные связи.

    При хорошем прохождении на 40-метровом диапазоне японцы иногда давали по шкале S 7 и даже 8 баллов, американцы — 5...6 баллов. Для работы с DX необходимо изготовить антенну, имеющую несколько иную конструкцию, хотя можно поэкспериментировать и с описанной антенной, попробовав изменить угол излучения. Для этого достаточно установить антенну не вертикально, а под некоторым углом к горизонту.

    Работа предлагаемой антенны проверялась при мощности передатчика не более 600 Вт. Если мощность передатчика составляет 1 кВт и более, желательно применять каркасы из радиофарфора или фторопласта. Катушки необходимо наматывать толстым проводом, шаг намотки должен быть не меньше диаметра провода. Пластины должны иметь достаточно большую площадь, чтобы при высокой влажности воздуха не возникал коронный разряд.

    В. Дудко (RA3OZ)

    Литература

    1. В. Гусман. Новые тенденции в теории и практике антенн. — Радиомир. KB и УКВ, 2002, NN5...10.

    2. К. Ротхаммель. Антенны. — М.: Энергия, 1979.

    Материал подготовил А. Кищин (UA9XJK).