МАЛОГАБАРИТНАЯ АНТЕННА „ЛИСОЛОВА" 144 МГЦ
Канд. техн. наук К. ХАРЧЕНКО
Еще до публикации, в процессе обсуждения среди радиоспортсменов, статья специалиста по антенной технике кандидата технических наук К. П. Харченко вызвала споры. Мастер спорта международного класса, неоднократный победитель соревнований самого различного масштаба (в том числе и чемпионатов Европы), горьковчанин А.И.Гречихин назвал идею, заложенную в основу предлагаемой конструкции, "весьма интересной и оригинальной". Он также отметил простоту устройства.
Не менее опытный спортсмен, кандидат физико-математических наук, москвич В. Н. Верхотуров считает, что создание антенны, обеспечивающей возможность пеленгации по минимуму, "могло бы представить серьезный интерес для спортсменов".
Нам также кажется, что эта малогабаритная антенна может иметь большое преимущество перед довольно громоздким "волновым каналом" - ведь нередко "охотнику" в поисках "лисы" приходится буквально продираться сквозь густые заросли.
Однако оба спортсмена (к ним присоединяется мастер спорта из Свердловска А. С. Партин) подвергли конструкцию критике. Так, они высказали сомнение в целесообразности размещения антенны на голове спортсмена - не совсем удобно, уточняя направление во время движения, все время вращать головой (но ведь можно, видимо, выработать и иную технику поиска?). Кроме того, по правилам соревнований, мол, возможна не только вертикальная поляризация, на которую рассчитана антенна, но и горизонтальная (ну, это совсем просто - достаточно разместить вибраторы горизонтально). Короче говоря, почти на все критические высказывания удалось найти контрдоводы. И, что самое главное, при желании конструкцию антенны можно изменить, приспособив её для ношения в руках.
Более серьезные опасения связаны с неизбежным влиянием на параметры системы (в частности, на симметрию) меняющейся емкости по отношению к земле, с малой действующей высотой антенны, с ее чувствительностью к отраженным сигналам. .Развеять эти опасения может только практическая эксплуатация.
Редакция разделяет мнение А. И. Гречихина о том, что данная антенна представляет собой "интересное предложение, которое может найти применение к развитие". Надеемся, что публикуемая статья будет полезна для радиолюбителей-спортсменов.
Охотники на "лис" должны иметь в своем распоряжении аппаратуру, позволяющую выделять направление на "лису". Эту задачу решают антенны в совокупности с приемным устройством. Возможны два пути построения таких антенн. В первом случае антенна должна •иметь ярко выраженную однонаправленную диаграмму и заданное направление выделяется по максимуму принимаемого сигнала путем сравнения сигналов с соседних направлений и выбора искомого. Во втором случае в диаграмме направленности антенны имеется один глубокий минимум. Здесь тоже искомое направление определяется путем сравнения и выбора, но уже по минимуму сигнала.
Если анализировать оба варианта, то второй представляется теоретически более предпочтительным, хотя бы потому, что в первом случае для получения узкой диаграммы направленности нужна "большая" антенна, как правило, соизмеримая с длиной волны. Кроме этого, определять направление на "лису" по мере приближения к ней по максимуму сигнала труднее, чем по минимуму.
В данной статье предлагается вариант построения небольшой по размерам антенны с резко выраженным минимумом в диаграмме направленности. Предлагается также конструктивное решение приемного устройства, позволяющее освободить руки спортсмену, что очевидно повысит его маневренность.
Для того, чтобы понять принцип действия антенны, обратимся к рис.1,а (в тексте). На нем показан отрезок однородной длинной линии, в которую включены два условных одинаковых генератора Г1 и Г2 высокочастотных колебаний. О - середина линии, U - кривая распределения напряжения вдоль линии. Если генераторы синфазны, то максимум (пучность напряжения) приходится на середину линии. Если фаза колебаний генератора Г2 отстает от фазы колебаний генератора Г1, то кривая распределения напряжения в линии сдвинется на некоторый угол j, как показано на рис.1,б. Если наоборот, фаза колебаний генератора Г2 опережает фазу колебаний генератора Г1, то произойдет сдвиг кривой распределения в противоположную сторону, как показано на рис.1,в. Если условиться определять напряжение в линии путем включения прибора в точках 3-4, то можно видеть, что,|U3|> &|U1|, a U2=0.
Рис. 1. Принцип построения антенны.
В качестве рассмотренных условных генераторов могут выступать две одинаковые антенны, например диполи (рис.1,г). При этом фазы колебаний в линии будут зависеть от направления прихода радиоволн. На рис.1,г стрелками показаны три направления: I - радиоволны приходят к обеим антеннам одновременно; II - на пути распространения радиоволн стоит вначале антенна 1, а за ней антенна 2; III - наоборот, антенна 2 впереди, а 1 - сзади. Измеряя тем же прибором в линии полуволновой длины напряжения в сечении, отстоящем от антенны 1 на расстоянии j в электрических градусах, получим соответственно все рассмотренные выше случаи.
Таким образом, не зная заранее направления прихода радиоволн, можно найти его, вращая систему из двух антенн до тех пор, пока прибор в точках 3-4 не покажет минимум напряжения в линии. В этом случае, очевидно, направление распространения радиоволн совпадает с направлением II. Диаграмма направленности такого антенно-фидерного устройства будет кардиоидного типа. Полагая, что сигнал "лисы" различим на уровне шумов приемника, когда антенна повернута к ней на некоторый угол относительно нулевого направления, можно найти ту зону нечувствительности, внутри которой наверняка одно из направлений искомое. По мере приближения к передатчику (с увеличением уровня излучения) зона нечувствительности будет уменьшаться, а искомое направление определяться более точно.
Реализовать описанный способ построения антенны и приемника можно, использовав как пример конструктивный вариант, приведенный на рис. 2. Здесь показан общий вид устройства, выполненного в виде шлемофона.
Puc.2. Общий вид приемного устройства "лисолова"
Его основу составляют металлические обруч 1 и дуги-поперечная 11 и продольная 12. Б области пересечения дуг установлен также металлический футляр 2 для приемника. Если по габаритам батареи питания не могут быть размещены внутри футляра приемника, то их закрепляют на продольной дуге 12 (две батареи - 3). Нагрузкой приемника служат телефоны 8, обрамленные в мягкие, звукоизолирующие прокладки, к которым пришиты ремни 9 для закрепления шлемофона под подбородком. Телефоны через прокладки зафиксированы на концах поперечной дуги 11. На лобной и затылочной частях обруча 1 размещены и жестко с ним скреплены два антенных изолятора 4. Антенные изоляторы фиксируют антенны 5 штыревого типа. На концах антенн имеются регулировочные втулки 13. Клеммы питания обеих антенн соединяет линия 7 (линия l на рис. 1, г), линия 6 подключает вход приемника к линии 7 через тройник 10 (точки 3 и 4 на рис. 1, г). Приемник должен иметь высокое входное сопротивление (чтобы не шунтировать линию). Более длинный отрезок линии 7 в свернутом (зигзагообразном) виде уложен на обруче 1.
При изготовлении конструкции следует стремиться к максимальной симметрии относительно вертикальной оси, проходящей через центр обруча. Невыполнение этого требования повлечет за собой искажение симметрии в диаграмме направленности и ошибки в определении направления.
Рис. 3. Элементы шлемофона
На рис. 3 приведены размеры элементов, составляющих основу шлемофона. Размер S важен лишь тем., что он определяет расстояние в долях длины волны в линии 7 от лобной антенны до места включения линии 6. Геометрический размер атого отрезка линии 7 определится как
l1=S/2e ,
где e - коэффициент укорочения. Для коаксиального кабеля с полиэтиленовым заполнением e=1,51-1,52, поэтому для нашего варианта l1=70 мм. Общая длина линии составляет половину средней длины волны с учетом укорочения волны в кабеле. При lср=2,07м l=680 мм.
Если добавить к общей длине l по одинаковому отрезку 80 мм с каждой стороны, это позволит увеличить l1 до 150 мм для более удобного размещения тройника 10 в месте перекрещивания дуг.
Если бы антенно-фидерное устройство можно было выполнить без погрешностей и строго симметрично электрически, изготовление на этом было бы закончено.
Однако сделать это сразу не удается, и в точках включения линии б в линию 7 напряжения сигналов от антенн либо не равны по амплитуде, либо сдвиг фаз между ними не равен 180°, когда радиоволны приходят с "нулевого" направления. И то, и другое не позволяет получить результирующее напряжение, равное нулю. Это поясняется рис. 4. Здесь векторы 1 и. 2 изображают напряжения, поступающие от первой и второй антенн соответственно, угол a - сдвиг фаз. Результирующее напряжение - вектор красного цвета. На рис. 4, а напряжения 1 и 2 равны по амплитуде, но не строго противофазны, на рис. 4, б напряжения противофазны, но их амплитуды не равны друг другу, на рис. 4, в напряжения не противофазны и не равны по амплитуде. На всех этих позициях результирующее напряжение отлично от нуля и лишь на рис. 4, г оно удовлетворяет нашим требованиям.
Puc.4. Векторная диаграмма антенно-фидерного устройства
Обеспечить оба эти условия в реальном антенно-фидерном устройстве не так просто, поскольку при изменении, например, длины антенны одновременно изменяются и фаза, и амплитуда поступающего от нее сигнала. Нужна еще хотя бы одна регулировка, обеспечивающая изменение только фазы (или только амплитуды). Обеспечить изменение только фазы можно, раздвигая оси вибраторов друг относительно друга (меняя размер S) либо меняя точку подключения линии 6 к линии 7. Как можно конструктивно изменять точку подключения, показано на рис. 5 и 6.
Puc.5. Заделка концов кабеля соединительной линии
Общая длина линии ( по оплетке) равна 840 мм. Концы Dl, одинаковые с обеих сторон, необходимы для заделки в изоляторы. Здесь 1 - центральный проводник кабеля, 2 - выступающая часть его полиэтиленовой изоляции, 3 - скоба, охватывающая оплетку и припаянная к ней (служит контактом и фиксатором оплетки). Эти скобы должны быть припаяны к обручу шлемофона. На расстоянии - 150 мм от торца скобы 3, примыкающей к лобной антенне, следует сделать разрез, оголив проводник 1 на протяжении около 50 мм. Оплетку кабеля в разрезе также нужно заделать в скобы 3 и припаять их к медной (латунной) пластинке 4. Этот разрез в дальнейшем будет служить отрезком линии для компенсации фазы.
Puc.6. Способ регулировки фазы принимаемого сигнала
На рис. 6 показан участок; шлемофона, на котором размещен этот узел. Здесь 12 - отрезок поперечной дуги, 7 - отрезок обруча. Обруч и поперечная дуга скреплены друг с другом и имеют электрический контакт. Пластина 4 прикреплена к обручу заклепками 9, так, чтобы между ней и обручем была щель. Кабель 5 уложен вдоль обруча. Оплетка конца кабеля линии 6 охвачена скобой 11, закрепленной на пластине 10, кабель 6 уложен на поперечной дуге 12 и вторым концом подведен к приемнику. Пластина 10 плотно вставлена в щель, образованную деталями 4 и 7, центральные проводники 1 и 8 соединены. Выступающая часть полиэтиленовой изоляции 13 предохраняет проводник 8 от короткого замыкания с пластиной 4. Перемещая по щели пластину 10, а вместе с ней и проводник 8, можно менять точку включения линии 6, подбирая таким образом искомую фазу.
Настройка проводится в несколько приемов, методом последовательных приближений. Меняя длину вибратора одной из антенн, пытаются подобрать такое положение включения линий, чтобы на входе приемника сигнал был равен нулю (или имел резкий минимум). При этом шлемофон должен быть соответственно ориентирован на передатчик. Касаться проводников линий в момент измерения не следует, чтобы не было нарушений электрической симметрии системы. По достижении результата нужно зафиксировать полученные размеры и положения. Открытые части линий (разрез) нужно закрыть крышкой (можно диэлектрической) и все отрезки кабелей прикрепить изоляционной лентой к обручу и дуге.
Обруч и дуги шлемофона можно сделать из медной или латунной ленты, вибраторы антенн - из гибкой ленты или проволоки, изоляторы - из любого высокочастотного диэлектрика, для соединительных линий использовать коаксиальный кабель практически любого типа. Удобна разрезная конструкция изолятора. Внутреннюю половину изолятора надевают на выступающую часть 2 (рис. 5) кабеля после того, как скоба 3 будет припаяна к обручу. Наружную часть изолятора накладывают на внутреннюю после того, как вибратор антенны будет припаян к центральному проводнику линии. Скреплять части изолятора между собой можно при помощи болтов.
Все металлические части шлемофона должны между собой иметь электрический контакт, оплетки фидерных линий - электрически замкнуты на те части шлемофона, к которым они примыкают; оплетка линии 6 (рис. 2) должна быть распаяна на корпусе приемника. Для соблюденияэлектрической симметрии устройства желательно проложить "холостые" отрезки кабелей, в точности имитирующие линии 7 и 6 (рис. 2), но на противоположных сторонах шлемофона.
Настраивать антенно-фидерную систему можно только вне помещения, при расстояния до передатчика не менее 10-15 м, на линейном участке характеристики приемника. В районе измерений не должно быть строений и предметов, от которых мог бы отражаться сигнал передатчика и приходить к антеннам с других направлений. Наличие этих отражений ухудшит качество настройки или даже сделает ее невозможной.
Puc.7. Диаграмма направленности антенны при различных расстояниях до "лисы"
У приемников с пороговым устройством (ограничением по заданному уровню сигнала) диаграмма направленности, снятая по выходному уровню сигнала, будет иметь характер, показанный на рис. 7, а - 7, в последовательно, по мере приближения к "лисе".
РАДИО № 5, 1973 г., с.17-19