Малогабаритная квадратная антенна
Инж.С. БУНИМОВИЧ (UB5UN)
Среди проблем, с которыми приходится сталкиваться радиолюбителям-коротковолновикам, основной, пожалуй, является проблема изготовления достаточно эффективной и в то же время не очень сложной в конструктивном отношении антенны. Не вызывает сомнения, что наилучшие результаты может обеспечить вращающаяся направленная антенна. Однако почти все антенны итого вида достаточно громоздки и конструктивно сложны, что затрудняет применение их многими любителями.
В публикуемой ниже статье предлагается метод существенного уменьшения геометрических размеров при сохранении достаточно высокого к. п. д. антенн, что, несомненно, заинтересует коротковолновиков.
Автор сознательно не приводит конкретной конструкции антенны, так как надеется, что широкий круг коротковолновиков испытает описанный метод на антеннах с разной степенью уменьшения, рассчитанных на разные диапазоны, имеющих различное конструктивное оформление.
В последние годы на страницах радиолюбительской печати появилось немало описаний разнообразных
коротковолновых малогабаритных антенн, в которых электрическое удлинение до резонансной длины достигается с помощью реактивных элементов (индуктивностей, емкостей, отрезков линий). За счет уменьшения геометрических размеров облегчается установка антенны и упрощается конструкция поддерживающих устройств.
Некоторая часть радиолюбителей относится к таким антеннам с определенным скептицизмом, объясняя это тем, что любая геометрически уменьшенная антенна работает хуже полноразмерной. С этим нельзя не согласиться. Действительно, при любом виде укорочения вибратора уменьшается площадь, ограниченная эпюрой распределения протекающего по нему тока (в дальнейшем называемая "площадью тока") и, следовательно, к. п. д. антенны. Однако степень снижения к. п. д. зависит не только от степени геометрического уменьшения, но и от способа электрического удлинения антенны. Кроме того, иногда оказывается, что уменьшенная антенна в реальных условиях работает даже лучше полноразмерной за счет перераспределения энергии потерь и излучения, например при установке уменьшенной антенны на гораздо большей высоте над окружающей местностью. Малогабаритные антенны, очевидно, также могут привлечь внимание радиолюбителей, не имеющих в силу каких-либо причин возможности установить полноразмерную антенну.
На рис.1,а показан полноразмерный полуволновый вибратор, на рис.1,б - вибратор, электрически удлиненный за счет включения в пучность тока катушки L, на рис. 1,в - вибратор, электрическое удлинение которого достигается за счет емкостной нагрузки на концах. Для каждого вибратора показано распределение тока вдоль него. Как видно из рисунков, максимальная площадь тока наблюдается у полноразмерного вибратора.
Puc.1
Для двух других вибраторов видим, что при значительной степени электрического удлинения площадь тока в случае включения емкости стремится к прямоугольнику с высотой Iмакс, а во втором случае - к треугольнику с высотой I<Iмакс. Площадь тока на рис.1,в приблизительно равна lIмакс, а на рис.1,б - 1/2lI. Таким образом электрическое удлинение с помощью емкости более выгодно, чем с помощью индуктивности. Следует заметить, что наибольший эффект получается лишь при включении катушек индуктивности в точки пучностей тока, а конденсаторов - в точки пучностей напряжений. При включении элементов в другие точки их реактивные сопротивления должны быть больше. Отрезки линий, используемые в качестве элементов электрического удлинения, эквивалентны емкости или индуктивности и в зависимости от этого включаются в те или иные точки вибраторов.
На рис.2,а показан квадратный вибратор, обращенный одним из углов книзу. При симметричном питании антенны в точке А или Б пучность напряжения будет в точках В и Г, а пучность тока - в точках А и Б. Вибратор можно электрически удлинить, включая индуктивность в разрыв провода в точке А или Б, или емкость между точками В и Г. Последний способ и в этом случае более выгоден. В результате, получаем вибратор в виде, показанном на рис.2,б с геометрическими размерами меньшими, чем у квадрата на рис.2,а, но с той же резонансной частотой.
Puc.2
С целью практической проверки целесообразности электрического удлинения квадратной антенны с помощью емкости был проведен эксперимент на уменьшенной модели на частоте порядка 100 Мгц. Квадрат выполнен из проволоки диаметром 1,2 мм. Размер стороны квадрата равен 76 см. Результаты эксперимента приведены в таблице 1.
|
а, см |
С, пф |
fрез, МГц |
|
0 |
0 |
102 |
|
10 |
0 |
101 |
|
20 |
0 |
98 |
|
30 |
0 |
97 |
|
40 |
0 |
96 |
|
50 |
0 |
94 |
|
50 |
8 |
65 |
|
50 |
15 |
54 |
|
50 |
20 |
50 |
Как видно из таблицы, при увеличении длины провода а (рис.2,б) резонансная частота квадрата понижается, хотя емкость С еще не подключена. Это объясняется тем, что сами горизонтальные провода электрически удлиняют антенну за счет образованной ими дополнительной емкости. При подключении емкости С, равной 20 пф, резонансная частота вибратора была снижена в два раза по сравненению с первоначальной.
Ориентировочные значения к. п. д в зависимости от отношения размеров малогабаритной антенны к размерам обычной без учета потерь в изоляторах указаны в таблице 2.
|
Отношение размеров |
к.п.д. малогабаритной антенны по отношению к полноразмерной, % |
|
|
Электрическое удлинение с помощью емкости |
Электрическое удлинение с помощью индуктивности |
|
|
0,9 |
~99 |
85 |
|
0.8 |
95 |
70 |
|
0.7 |
90 |
55 |
|
0,65 |
85 |
50 |
|
0,6 |
80 |
40 |
|
0 55 |
75 |
35 |
|
0,5 |
70 |
30 |
Электрически удлиненные вибраторы являются элементами, из которых может быть собрана многоэлементная антенна. Ниже рассматривается конструкция "двойного квадрата", выполненного из элементов, электрически удлиненных с помощью емкости.
Если точку питания антенны выбрать в вершине А, то в случае электрической симметрии антенны напряжение в точке Б будет равно 0. Напряжение в точке А будет зависеть от схемы питания антенны. Так. при применении широко распространенной среди радиолюбителей схемы g-согласования напряжение в точке А также будет близко к нулевому значению. Вообще говоря, это позволяет использовать в качестве вертикальной штанги металлическую трубу, не изолированную от проводов вибратора. Однако при незначительном нарушении симметрии в вертикальной штанге появится ток, который нарушит нормальную работу антенны.
Роль горизонтальной части вибратора может выполнить поддерживающая металлическая штанга, но она должна быть разорвана посередине и изолирована от вертикальной штанги. К этой же точке на горизонтальной штанге подключается подстроечный конденсатор переменной емкости. Эскиз такой конструкции показан на рис.3,а.
Puc.3
На рис.3,б показана конструкция, в которой применено два конденсатора (С1 и С2) Питание рамки осуществляется кабелем без согласующего устройства. Роторы конденсаторов находятся под небольшим потенциалом, приближающимся к нулю при симметрии антенны. Меняя соотношение между емкостями С1 и С2, можно симметрировать антенну. Если такой необходимости пет, то в качестве конденсаторов переменной емкости можно использовать сдвоенный блок.
Величина емкости конденсаторов зависит от диапазона, на который рассчитана антенна и от степени ее электрического удлинения. Для всех практических случаев вполне достаточна максимальная величина емкости 50 пф.
Особое внимание следует уделить изоляторам, поскольку они включены в пучности напряжения и в основном определяют величину потерь высокочастотной энергии, Следует применять изоляторы, изготовленные из материалов с малыми потерями (фарфор, полистирол, фторопласт и т. п.).
Пассивный элемент антенны выполняется аналогичным образом. Расстояние между вибраторами остается таким же, как и для полноразмерных антенн. Общий вид двухэлементной антенны показан на рис.4.
Puc.4
Конкретные размеры антенны для того или иного любительского диапазона не приводятся, так как они зависят от желаемой степени уменьшения геометрических размеров и от размеров поддерживающих деталей конструкции.
Возможная ошибка при разметке длины провода легко компенсируется при настройке антенны конденсатором С.
Радио N 4 1968г., с.15-16.