ВВЕДЕНИЕ
Широкое распространение передвижной связи на 27 МГц остро ставит вопрос об антеннах для таких средств связи.
Этот вопрос усложняется тем, что использование четвертьволновых антенн, - длина которых составляет для диапазона 27 МГц 2,7 метра, во многих случаях неприемлемо. Использование укороченных антенн связано с целым рядом.специфических вопросов, которые в популярной литературе не рассмотрены, но при незнании которых эффективность средств СВ-связи может существенно ухудшиться.
Для переносных СВ-радиостанций в основном используются несимметричные штыревые антенны. Это связано с тем. что антенны других типов просто практически невозможно использовать с таким типом радиостанций.
1. РАБОТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИ КОРОТКИХ АНТЕНН ПЕРЕНОСНЫХ СТАНЦИЙ
Электрически короткая антенна состоит как из самой антенны, которая включав излучающий элемент, так и из элементов системы его согласования и системы его заземления. В соответствии с ним общее сопротивление антенны Ra состоит из сопротивления штыря (Rш) и сопротивления его заземления (Rз) (рис.1).
Входит в формулу и "сопротивление среды" Rср. которое уменьшается при увеличении количества противовесов и длины антенны.
Ra=Rш+Rз+Rcp
Полезная ВЧ энергия рассеивается на Rш, поэтому нужно стремиться к уменьшению величин Rз и Rсp. В общем случае с помощью специальных методов можно замерить сопротивление "земли", но для практики можно принять, что сопротивление корпуса СВ радиостанции длиной 20...30 см, используемого в качестве противовесов, дли этой формулы составляет величину не менее 150...300 Ом.
Контакт с рукой человека несущественно изменяет ну величину. Но подключение резонансного четвертьволнового противовеса длиной 2,7 метра снижает сопротивление земли Rз. Уже один противовес уменьшает сопротивление Rз примерно до величины не более 50...60 Ом. а при наличии трехчетырех противовесов можно считать Rз пренебрежимо малой величиной 5...10 Ом. Сопротивление среды определяется взаимодействием штыря антенны с его "земляной" системой. Если в полноразмерной четвертьволновой штыревой антенне это взаимодействие происходит в большом пространстве и имеет незначительную вследствие этого величину, то в укороченных антеннах электромагнитное взаимодействие короткой антенны с коротким противовесом происходи г в ограниченном объеме пространства. Причем любое вмешательство в этот объем существенно изменяет сопротивление среды, и. следовательно, оказывает значительное влияние на параметры такой антенной системы. Причем в такой антенной системе с укороченными элементами существенное увеличение одного из них. например штыря до величины четвертьволнового, или противовеса, не вызывает существенного снижения Rcp. И только увеличение (т.е. удлинение) как штыря, так и противовеса вызывает падение Rcp.
Уже из этого можно заключить, что сопротивление короткой антенны СВ-станции - величина не постоянная, а переменная, которая, в частности, зависит от положения посторонних предметов (в том числе и оператора) относительно антенны.
В общем случае хорошо согласованная антенна под влиянием этих факторов может полностью рассогласоваться.
Из этого следует, что выходной каскад передатчика СВ-радиостаиции должен быть построен так, чтобы такое рассогласование существенно не влияло на его работу, и чтобы при устранении причин рассогласования выходной каскад продолжал нормально функционировать. Для этого необходимо, чтобы выходной транзистор имел 3...4-кратный запас по мощности. Необходим также компромиссный вариант согласующей цепи П-контура. допускающий работу на комплексную переменную нагрузку. Необходимо устранить самовозбуждение при изменении параметров антенны. Уже эти требования. предъявляемые к выходным каскадам СВ переносных станций, показывают, что подходить к их конструированию стоит весьма серьезно. Для передвижной автомобильной радиостанции, работающей на стационарную автомобильную антенну, требования к РА гораздо ниже. Это обусловлено использованием в качестве противовеса корпуса автомобиля, который является хорошей "землей" для СВ-антенны. Штырь, используемый для автомобильной СВ-антенны. имеет длину около метра, а во многих случаях и длиннее. Это создает предпосылки для работы автомобильной антенны с гораздо большим эффектом, чем антенны переносной станции. Существенно и то, что в зоне взаимодействия токов смещения в системе "штырь антенны - противовес" нет посторонних предметов, что делает Rсp для таких антенн стабильнее, чем в переносных станциях.
Из всех существующих типов антенн СВ переносных станций можно выделить две группы - резонансные и нерезонансные антенны. Среди штыревых укороченных антенн из группы резонансных можно выделить спиральные антенны и штыревые антенны, удлиненные индуктивностью. Среди нерезонансных штыревых антенн целесообразно использовать лишь один тип - короткий штырь в составе выходного резонансного контура. В этом случае штырь является контурным конденсатором с распределенной емкостью.
2. СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА
Спиральную антенну можно рассматривать как открытый спиральный резонатор [1]. В этом случае сама антенна является спиральным резонатором, цепь согласующего контура передатчика - продолжение спирального резонатора и входит в цепь его возбуждения, а внешнее пространство можно рассматривать как бесконечно удаленный экран (рис.2).
Справедливость этих утверждений легко проверяется практически. Так, при изменении параметров согласующей цепи меняется резонансная час юта антенной системы. Даже весьма незначительное изменение концевой емкости антенны сильно меняет ее резонансную частоту [2]. И спиральные антенны сильно подвержены влиянию посторонних предметов. Уже приближение руки на расстояние 20 см приводит к рассогласованию антенны с передатчиком, т.к. из-зa изменения концевой емкости изменяется ее резонансная частота. Здесь уместно проводить настройку по методу, предложенному в [3]. Он заключается в том, что спиральную антенну настраивают так, что при приближении руки (или из-за иного рассогласующего влияния) напряженность поля сигнала возрастает, а затем уменьшается. В данном случае антенна настроена не точно в резонанс, а немного в стороне от него.
Как показывают измерения напряженности поля, в этом случае напряженность поля составляет около 85% от напряженности поля при точном резонансе. Зато при испытании радиостанции с антенной, настроенной в резонанс, и с антенной, настроенной на скат характеристики антенны, преимущества последней очевидны. Так, при использовании станции с резонансной антенной в процессе радиосвязи при приближении антенны к человеку происходили значительные колебания напряженности поля. При использовании же радиостанции с антенной, настроенной на скат характеристики, рассогласующее влияние человека проявлялось гораздо слабее и колебание напряженности поля было незначительным. Исходя из этого, можно рекомендовать настраивать спиральные антенны по методу, предложенному в [З]. Лишь в случае, если спиральная антенна работает в условиях, где исключено влияние рассогласующих факторов, можно настраивать антенну по максимуму напряженности поля.
При измерении напряженности поля, обеспечиваемою спиральной антенной и штыревой антенной с удлиняющей катушкой, оказалось, что настроенная в резонанс штыревая антенна длиной не менее чем в три раза большей. чем испытуемая спиральная антенна, обеспечила такую же напряженность поля. Из этого можно заключить, что в переносных станциях наиболее оптимальным вариантом антенны является спиральная, которая прочнее и проще в конструкции, чем такая же но параметрам штыревая антенна. При этом необходимо учтывать, что в данном случае короткий корпус радиостанции является лучшей "землей" для спиральной антенны, чем для такой же по параметрам штыревой. Но спиральная аненна. обеспечивая большую напряженность поля, создает предпосылки для неустойчивой работы передатчика.
Действительно, при экспериментах выяснилось, что тот же самый передатчик, устойчиво работавший с внешней антенной с кабельным питанием, при подключении к нему спиральной антенны возбуждался. Лишь более тщательная экранировка и подстройка согласующих контуров позволила работать передатчику со спиральной антенной без самовозбуждения.
Спиральную антенну, так же как и шгыревую, можно настраивать на рабочую частоту с помощью укорачивающей емкости и удлиняющей индуктивности. Применение емкости повышает резонансную частоту антенны, а использование индуктивности понижает ее. В данном случае для повышения КПД антенны необходимо, чтобы удлиняющая катушка была возможно меньшей индуктивности, а укорачивающая емкость - возможно большей величины. Применение таких элементов настройки позволяет использовать спиральную антенну в широком диапазоне частот, посколь-ку в зависимости от исполнения и качества согласования полоса пропускания спиральной антенны невелика и составляет 200...300 кГц в диапазоне 27 МГц.
Есть еще один очень важный момент при использовании спиральных антенн. При подключении такой анненны через коаксиальный кабель ее резонансная частота вследствие внесения реактивности кабеля в комплексное сопротивление антенны и, соответственно его изменения. изменяется и ее необходимо подстроить.
При построении спиральной антенны, как, впрочем, и любой другой укороченной антенны, следует обратить внимание еще на одну особенность этой антенной системы, заключающуюся в том. что при подключении четвертьволнового противовеса несколько изменяется резонансная частота этой антенной системы. Это можно объяснить тем, что противовес, имеющий свое Rз, изменяет Rсp. Меняется также и емкость "антенна - пространство". Расширяется полоса пропускания спиральной антенны примерно в 1.5...2 раза за счет снижения ее добротности и в то же время - за счет более эффективного излучения. В основном, при экспериментальном исследовании частоты резонанса спирали с четвертьволновыми противовесами не выходили за пределы полосы пропускания антенны. В то же время напряженность поля с четвертьволновым противовесом возрастала не менее чем в два раза.
Спиральная антенна должна быть подключена по возможности короткими проводниками к выходному согласующему контуру. Это позволяет обеспечить необходимую полосу пропускания и минимальное паразитное излучение соединительной линии.
3. ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ СПИРАЛЬНЫХ АНТЕНН
Ниже рассмотрены практические конструкции спиральных антенн, опубликованные в литературе последних лет. Параметры антенн были измерены с помощью антенноскопа.
Спиральная антенна, конструкция которой показана на рис.3, была опубликована в [4]. Испытания данной антенны показали, что четвертьволновой эта антенна является на диапазоне 21 МГц. Действительно, совместно с резонансным четвертьволновым противовесом сопротивление антенны здесь составило порядка 40 Ом. с небольшой реактивностью.
При подключении такой антенны к трансиверу с мощностью 40 Вт через коаксиальный кабель длиной около десяти метров и расположении антенны в проеме окна удалось провести несколько связей на 21 МГц с RST56-58, что еще более укрепило мое мнение о ее истинном резонансе. Но все же путем подстройки витков и емкости, как показано в [4]. удалось установть, что в диапазоне 27 МГц возможен ее резонанс, соответствующий эквивалентной длине антенны в половину длины волны.
Полоса пропускания антенны на диапазоне 21 МГц была 200 Гц, на диапазоне 27 МГц - 250 кГц с четвертьволновым противовесом.
Спиральная антенна, данные которой приведены на рис.4, относится к четвертьволновым антеннам. С помощью надстроечною штыря ее можно перестраивать в широких пределах - от 26 МГц до 35 МГц. На диапазоне 27 МГц ее входное Сопротивление с корпусом радиостанции было 1300м и полоса пропускания - 650 кГц. С четвертьволновым противовесом 65 Ом. Полоса пропускания была при этом 800 кГц. резонанс сместился на 200 кГц вверх. Следует заметить, что данный способ регулировки резонансной частоты антенны хотя и довольно удачен по своей простоте и эффективности, но все же снижает добротность спиральною резонатора и, как следствие этого, снижает эффективность антенны. Это выражается в снижении напряженности поля и в расширении полосы пропускания антенны.
Спиральная антенна, приведенная на рис.5 [5], при испытании на антенноскопе не показала резонанс на диапазоне 27 МГц и показала четвертьволновый резонанс в диапазоне 21 МГц. Совместно с четвертьволновым противовесом ее сопротивление здесь было 25 Ом при полосе пропускания в 250 кГц. Но при использовании снстемы согласования приведенной радиостанции [5] было выяснено, что в действительности в диапазоне 27 МГц достижим резонанс. Очевидно, здесь резонанс антенны происходит не за счет ее работы как четвертьволнового резонатора, а как П-конгура с распределенной емкостью. В этом случае спиральная антенна эквивалентна системе П-контуров, включенных на выход передатчика, емкость которых является емкостью антенны на землю. Излучение происходит за счет настройки в резонанс всей системы П-контуров передатчика. Однако измерения напряженности поля показали, что в этом случае использование спиральной антенны неэффективно. Такую же напряженность поля может обеспечить настроенная в резонанс с помощью удлиняющей катушки штыревая антенна длиной всего лишь в 1,3 раза больше, чем длина этой спиральной антенны.
Спиральная антенна, показанная на рис.6 [6], показала входное сопротивление на резонансной частоте диапазона 27 МГц 110 Ом с корпусом станции и 40 Ом с четвертьволновым противовесом. Полоса пропускания с корпусом станции была 300 кГц. с противовесом - 450 кГц. Благодаря тому. что верхняя ее часть намотана с разрядкой, влияние тела человека на настройку этой антенны не такое сильное, как в случае сплошной намотки. Подключение четвертьволнового противовеса изменяло частоту резонанса на 200 кГц вверх.
Была исследована антенна, используемая в радиостанции типа "Колибри-М2". Ее конструкция показана на рис.7. В диапазоне 27 МГц эта антенна показала сопротивление 100 Ом и полосу пропускания 300 кГц с корпусом станции, и сопротивление 47 Ом и полосу пропускания 200 кГц с четвертьволновым противовесом. Подключение четвертьволнового противовеса изменяло частоту резонанса на 120 кГц вверх. Именно антенны, показанные на рис.5 и 6. обеспечивали напряженность поля. сравнимую с напряженностью поля, развиваемой штыревой антенной с удлиняющей катушкой, с длиной штыря, в три раза превышающей длину такой спиральной антенны.
Практический вид АЧХ последних двух антенн показан на рис.8. Из этого рисунка видно, что АЧХ антенны несимметрична. При подключении четвертьволнового противовеса АЧХ несколько смешается вверх - примерно на. 100 кГц для диапазона 27 МГц, тем не менее полоса пропускания антенны позволяет ей работать в СВ-каналах. Знание АЧХ спиральной антенны позволяет правильно настраивать ее - не на середину рабочего диапазона, а чуть выше.
4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ И НАСТРОЙКА СПИРАЛЬНЫХ АНТЕНН
В литературе рекомендуется выполнять спиральные антенны на полиэтиленовом сердечнике коаксиального кабеля. Действительно, это оптимальный вариант материала для такой антенны. Кабель для изготовления спиральной антенны желательно использовать 75-омный, потому что он обычно содержит одиночный внутренний проводник, который легко можно вытащить плоскогубцами, зажав сам кабель за другой конец в тисках. Если использовать для изготовления каркаса антенны 50-омный кабель, который обычно имеет центральный проводник, состоящий из нескольких медных проводов, могут возникнуть трудности по их удалению.
Простейший выход - это нагреть проводники, пропустив через них ток в 50...100 А с помощью какого-либо мощного источника тока. и затем быстро их выдернуть.
Полиэтиленовый каркас имеет после удаления оплетки шершавую поверхность, что облегчает намотку провода с натяжением. Следует помнить, что спиральная антенна - это высокодобротная система, и если ее выполнить неаккуратно, под влиянием температуры ее резонансная частота может выйти за пределы диапазона, на который она настроена. При исследовании спиральных антенн выяснено, что их резонансная частота смещается на 50...80 кГц вверх при охлаждении их до температуры -15°С. Антенна должна быть плотно обмотана изолентой во избежание смещения витков. а следовательно, и изменения резонансной частоты. Для этого подходит гибкая ПВХ-изолента. Липкая лента типа "скотч" не годится для этого из-за своей излишней жесткости.
Следует заметить, что спиральная антенна это несимметричная система. К. передатчику ее следует подключать только тем концом, который указан в ее описании. При подключении антенн, показанных на рис.6 и 7, другим концом, они будут иметь уже совсем другие резонансы, далеко отстящие от диапазона 27 МГц. Даже при перемене конца подключения такой, казалось бы. симметричной антенны как на рис.5, происходит смещение ее резонанса из-за некоторой несимметричности выполнения антенны.
Конструктивно удобно выполнять ее конец, подключенный к передатчику, с помощью разъема СР-50 или СР-75. путем заплавления туда пластиковой основы антенны. Oт металлического каркаса разъема до начала намотки спирали должно быть не менее 12 мм. При изготовлении антенны не обязательно стремиться к использованию основы указанного диаметра. Отступление в 2...3 мм вполне допустимо. Например можно использовать вместо 7-миллиметровой полиэтиленовой основы 9 мм, также ее можно использовать вместо 12 мм. Хотя параметры антенны при этом изменяются, ее вполне можно настроить на диапазон 27 МГц.
Настраивают антенны, как и указано в описании, путем отмотки витков со стороны более плотной намотки. В случак изготовления всех описанных здесь антенн удалось настроить на диапазон 27 МГц путем отмотки части витков. т.е. они были заранее рассчитаны на резонансную частоту чуть ниже 27 МГц. Для эффективной работы антенны следует иметь хорошую "землю" станции, например металлический корпус. Если такового нет, необходимо проложить в удобном месте на всю длину станции медную или алюминиевую широкую фольгу. Такой противовес дает увеличение напряженности поля примерно на 15...20%, что примерно так же повышает дальность связи. В некоторых случаях он помогает убрать самовозбуждение передатчика.
Размеры спиральной антенны можно считать оптимальными, когда ее длина примерно на 20% больше длины корпуса-противовеса. Если антенна меньше этой величины. повышается влияние на нее тела человека и других посторонних предметов. Дальнейшее увеличение ее не вызывает такого же увеличения напряженности поля, проще использовать четвертьволновой противовес для увеличения дальности связи.
Радиолюбитель 7/96