EFA — "запитываемая с конца антенна"

---

Борис СТЕПАНОВ (RU3AX), г. Москва

---

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.

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].

Результаты расчета потерь в согласующей линии для двух типов 50-ом-ных кабелей (RG-58U/C и RG-213) и для всех любительских KB диапазонов приведены в таблице. Здесь А и В — это длина отрезков кабеля, образующих четвертьволновый трансформатор (рис. 2). Расчеты выполнены для входного сопротивления антенны 3,3 кОм.

Диапазон, МГц	RG-58			RG-213
	А,м	В, м	КПД, %	А, м	Б,м	КПД, %
1,85	22,81	4,20	23	23,78	3,07	45
3,6	11,9	1,94	29	12,31	1,48	52
7	6,21	0,90	36	6,37	0,72	59
10,1	4,32	0,60	40	4,43	0,48	62
14,1	3,114	0,41	43	3,18	0,34	65
18,1	2,435	0,31	47	2,48	0,26	68
21,1	2,09	0,26	48	2,13	0,22	69
24,9	1,776	0,22	50	1,805	0,19	71
28,5	1,556	0,19	52	1,58	0,16	72

Из таблицы следует два вывода. Во-первых, в согласующем устройстве есть потери, и, самое главное, не такие уж маленькие. Во-вторых, они зависят от используемого в СУ кабеля — чем он толще, тем потери меньше. Оба вывода можно было ожидать и из самых общих соображений (см., например, [7]). Заставляет задуматься и несколько охлаждает энтузиазм в отношении этой антенны лишь значение этих потерь.

Высокие их значения вызывают у некоторых радиолюбителей сомнения. Но есть простой способ их развеять. Для этого достаточно собрать такое СУ и подключить в качестве нагрузки эквивалент антенны — безындукционный резистор сопротивлением несколько килоом (рис. 3).

Источником сигнала может служить ГСС или подобный маломощный генератор. При использовании таких источников мощность рассеивания эквивалента антенны — сотые доли ватта. Добившись в фидере КСВ=1, измеряют ВЧ напряжения в точке А и на эквиваленте антенны (резисторе R1). По результатам этих измерений нетрудно рассчитать мощность, поступающую в СУ, и мощность, выделяющуюся на эквиваленте антенны, и вычислить КПД СУ. Увы, но на практике получаются значения КПД, очень близкие к тем, что приведены в таблице.

В этом эксперименте надо использовать ВЧ вольтметр с малой входной емкостью (несколько пикофарад "уводят" на ВЧ диапазонах рабочую частоту СУ на сотни килогерц) и высоким входным сопротивлением. Следует заметить, что простые вольтметры на германиевых диодах имеют входное сопротивление всего несколько килоом и для этих экспериментов не подходят. Здесь можно использовать ламповые вольтметры с вакуумным диодом в ВЧ головке (ВК7-9 и ему подобные).

Как и в случае с "антенной Фукса", оплетка коаксиального кабеля принимает на себя часть антенного тока и является излучающим проводником. Но ток этот, как уже отмечалось, маленький. Однако это накладывает определенные ограничения на размещение СУ. Его, в частности, нежелательно размещать вблизи металлических конструкций (например, укладывать на крышу), иначе КПД антенны будет еще меньше.

Подводя итог, можно сказать, что EFA антенна с согласующим устройством из коаксиального кабеля вполне работоспособна, но имеет невысокий КПД (в среднем — на уровне 50 %). Поэтому ее вполне можно применять, когда простота конструкции является определяющим фактором (нет возможности установить другую антенну, в полевых условиях и т. п.). Кабель для СУ надо выбрать потолще — с минимальными потерями. Если все же есть необходимость использовать тонкий кабель (конструктивно более удобный), надо просто принимать как должное повышенные потери в СУ. Кроме того, чем больше отношение диаметра провода, из которого выполнен вибратор, к длине вибратора, тем ниже входное сопротивление полуволнового вибратора и тем выше (при прочих равных условиях) КПД EFA антенны.

Заметим, что EFA антенна с согласующим устройством на воздушной линии или даже на ленточном кабеле имеет высокий КПД (не менее 95 %).

При повторении антенн с согласующими устройствами на коаксиальных кабелях надо иметь в виду, что некоторые зарубежные кабели под одним обозначением имеют несколько различных модификаций, общими для которых являются лишь волновое сопротивление и диаметр... Например, расчеты, приведенные в таблице, сделаны для классического варианта кабеля RG-58 A/U с диэлектриком из сплошного полиэтилена, который, как известно, имеет коэффициент укорочения 0,66. Между тем на отечественном рынке предлагается, по крайней мере, еще два варианта кабеля с таким названием, у которых в качестве диэлектрика используется вспененный полиэтилен. Эти кабели отличаются от классического варианта RG-58 повышенной гибкостью и несколько меньшими потерями. Но при этом обычно не указывается, что у них коэффициент укорочения совсем другой — около 0,75. Такие кабели, конечно, можно тоже использовать в СУ, соответствующим образом увеличив длины входящих в него отрезков.

Кабели с диэлектриком из вспененного полиэтилена отличаются непрозрачностью диэлектрика и его цветом — от желто-белесого до белого. В любом случае, выбирая коаксиальный кабель для согласующего устройства, необходимо проверять его коэффициент укорочения.

Автор выражает благодарность Игорю Гончаренко (DL2KQ — EU1TT) за предоставление данных расчета КПД СУ (см. таблицу) и весьма полезную дискуссию при подготовке этой статьи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Rothammel К. Antennenbuch. — Berlin: Militarverlag der DDR, 1979.

2. Hawker H. Technical Topics. — RadCom, 2004, August, p. 45.

3. Koch K. 7-Band-Reiseantenne - eine Unverkurzte Vertikalantenne. — Funkamateur,

2002, June, S. 686, 687.

4. Виноградов Ю. О согласовании полуволновой антенны. — Радио, 2003, № 4, с. 69.

5. Макаркин С. Однодиапазонная антенна быстрого развертывания. — Радио,

2003, № 7, с. 72.

6. Шевелев А., Гончаренко И. Программа синтеза систем питания активных антенн АРАК-EL. — Радио, 2002, № 12, с. 60—63.

7. Лаповок Я. Влияние КСВ на работу радиостанции. — Радио, 1969, №11, с. 28, 29.

Радио 2-005, с.73-74.