ПРИМЕНЕНИЕ ВОЛНОВОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ НА КВ

Д.ФЕДОРОВ, UA3AVR, г.Москва. E-ail: feddk@msk.tsi.ru

Антенны в виде провода длиной, кратной длине или половине длины волны ("веревки"), довольно популярны среди радиолюбителей ввиду крайней простоты изготовления [1]. Однако параметры этих антенн очень чувствительны к высоте подвеса, числу полуволн, укладывающихся на длине полотна антенны, и даже к способу питания.

Правильный выбор конструкции и грамотная настройка подобных антенн при определенных условиях могут сделать простую "веревку" вполне пригодной для DX-связей. Конечно, эффективность таких антенн уступает эффективности многоэлементных направленных антенн с поворотными устройствами, но, тем не менее, они дешевы и просты в изготовлении, а при тщательно продуманной конструкции и аккуратной настройке позволяют достичь результатов ненамного хуже, чем при использовании поворотных направленных антенн. Для сравнения, например, трехэлементная антенна "волновой канал" (Yagi) имеет усиление в направлении основного излучения около 6 дБ по сравнению с полуволновым диполем, что соответствует 1 баллу по шкале S-метра. В целом направленные антенны дают выигрыш около 1...2 баллов по шкале S-метра, правда, за счет формирования излучения под низкими углами к горизонту в направлении основных лепестков диаграммы активного элемента (обычно полуволнового диполя).

В ряде случаев громоздкость конструкции поворотной антенны для диапазонов 40, 30 и 20 м препятствует ее установке и эксплуатации, а применение укороченных элементов снижает эффективность работы. Вертикальные излучатели для указанных диапазонов также имеют достаточно внушительные размеры - мачту до 10 метров и громоздкую конструкцию "земли". Кроме того, для малых высот установки (менее 0,5l) даже направленные антенны с горизонтальной поляризацией, и тем более "веревки", могут уступать по эффективности вертикальным антеннам с тщательно изготовленной "землей", что является типичным случаем для малоэтажных сельских районов. В таких условиях иногда используют направленные антенны с вертикальной поляризацией (например, "квадраты", запитанные соответствующим образом), но чаще всего предпочтение отдают именно вертикалам.

Для многоэтажных городских кварталов, когда удается поднять направленную антенну достаточно высоко над крышей дома (для снижения влияния проводимости крыши), применение поворотных антенн становится оправданным. Однако конструктивные сложности изготовления направленных вращающихся антенн (да и вертикалов тоже) на диапазоны 40, 30 и 20 м, все-таки подталкивают к выбору горизонтальной проволочной антенны, которую можно просто подвесить между домами, несколько подняв ее над уровнем крыш.

Волновой излучатель представляет собой антенну в виде длинного провода длиной l (рис.1).

an-2021.gif
Puc.1
В отличие от волнового диполя (рис.2), волновой излучатель вообще не имеет зенитного излучения благодаря противофазности токов в своих половинках [1], тогда как для волнового диполя это справедливо только для определенных высот подвеса.

an-2022.gif
Puc.2

Кроме того, питание волнового диполя осуществляется напряжением вследствие высокого сопротивления излучения в точке питания.

Диаграмма направленности излучения в горизонтальной плоскости для волнового излучателя показана на рис.3 (вертикальная ось диаграммы совпадает с расположением полотна антенны). Как видно из рисунка, диаграмма имеет четыре широких лепестка во всех четырех квадрантах горизонтальной диаграммы, и теоретически излучение такой антенны охватывает большинство направлений. Коэффициент усиления антенны в направлении лепестков излучения небольшой, что обуславливается их достаточно большой шириной.

an-2023.gif
Puc.3

Диаграмма направленности излучения в вертикальной плоскости зависит от высоты подвеса Н волнового излучателя над землей, и для четырех случаев показана на рис.4 (Н=0,5l), рис.5 (l), рис.6 и 7 (1,5l и 2l соответственно).

an-2024.gif
Puc.4

an-2025.gif
Puc.5

an-2026.gif
Puc.6

an-2027.gif
Puc.7
Все диаграммы показаны в плоскости максимумов излучения в горизонтальной плоскости (около 53° по горизонтали к оси антенны). Как можно видеть, оптимальной высотой подвеса антенны можно считать 1 ...1,5l. С увеличением высоты подвеса, помимо появления лепестков с более низкими углами излучения, появляются лепестки с более высокими углами. На практике это означает большее рассеяние излучения антенны в вертикальной плоскости, хотя этот эффект не слишком значителен. В реальных условиях работы этот эффект еще менее заметен ввиду конечной проводимости отражающей земной поверхности.

Для сохранения свойств волнового излучателя питание антенны можно производить из центра одной из его половинок - в одном из максимумов тока (рис.8). Расчетное сопротивление излучения при настройке излучателя в резонанс при таком способе питания составляет около 90 Ом.

Питать волновой излучатель напряжением (с одного из его концов) не рекомендуется по следующим причинам:

- расположение передающей аппаратуры, а также оператора и компьютера вблизи точки питания антенны по напряжению нежелательно ввиду сильных наводок электрического поля;

- несмотря на питание антенны напряжением, в точке питания, тем не менее, протекает небольшой ток, поэтому замыкание этой цепи происходит с помощью системы заземления, которую трудно установить на верхних этажах высотных зданий. Кроме того, при таком питании сильно искажается диаграмма направленности антенны;

- при питании антенны с помощью настроенной линии (антенна "цеппелин" [1]), сама питающая линия становится частью антенны и начинает излучать электромагнитную энергию, т.е. линия становится "второй частью" антенны, на которой замыкается ток в цепи питания. Помимо искажения диаграммы направленности, при использовании излучающей линии питания "светящийся" фидер также весьма нежелателен для оператора и аппаратуры;

- наводки от монитора и системного блока компьютера в целом на линию питания антенны "Цеппелин" (или на саму антенну) могут значительно ухудшить качество приема.

- возникают значительные проблемы при реализации устройства согласования антенны с распространенной приемо-передающей аппаратурой, рассчитанной, как правило, на подключение к коаксиальным фидерам с волновым сопротивлением 50 (75) Ом.

Искажения диаграммы направленности при организации питания волнового излучателя, согласно рис.8, практически незаметны и выражаются в незначительном увеличении числа лепестков в горизонтальной плоскости той части антенны, в которой находится точка питания.

an-2028.gif
Puc.8

Указанный выбор точки питания очень удобен. Как видно из рис.9, линия питания, подходящая перпендикулярно к антенному проводнику, будет располагаться также перпендикулярно линиям напряженности электрического поля Е, возникающего в ближней зоне излучателя, и перпендикулярно линиям напряженности магнитного поля, создаваемого антенными токами I.

an-2029.gif
Puc.9
Это обеспечивает отсутствие наводок ближнего поля антенны на линию питания и сопутствующих им искажений диаграммы направленности. Образно говоря, при таком расположении линии питания она не будет работать как "пассивный элемент" антенны, изменяющий ее свойства. По аналогии с полуволновым диполем, в котором для сохранения симметрии линию подводят перпендикулярно диполю, здесь мы подводим линию к одной из "дипольных половинок", тогда как влияние второй дипольной половинки несущественно - она своим полем линию питания почти "не задевает".

Один из конструктивных вариантов исполнения антенны иллюстрирует рис.10. Поскольку расчетное сопротивление излучения в выбранной точке питания, находящейся в точке максимума тока антенны, находится в пределах 80...100 Ом, участок линии питания, идущей непосредственно от полотна излучателя, можно выполнить из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом.

an-20210.gif
Puc.10
Смирившись с наличием стоячей волны в этом участке линии, рекомендуется все-таки сделать ее по возможности более короткой - от полотна антенны до ближайшего "сухого" места, от которого дальнейший участок фидера можно сделать работающим в режиме бегущей волны с КСВ, близким к 1. Для этого требуется изготовить выносное согласующее устройство, например, в виде П-контура [1], которое позволяет преобразовать сопротивление (в общем случае реактивное), вносимое рассогласованием кабеля и антенны (если электрическая длина кабеля не равна целому числу полуволн) и расстройкой самой антенны в сопротивление конечного участка 50-омного фидера, создавая режим бегущей волны в этом участке. При относительно небольшом рассогласовании сопротивлений на входе и выходе П-контура, которое будет в данном случае, применение качественной катушки индуктивности и конденсаторов с воздушным диэлектриком позволит снизить потери этого устройства до 0,05 дБ, что заметно меньше потерь в линиях. Кроме того, большинство импортных трансиверов имеют выходное сопротивление 50 Ом, поэтому установка П-контура позволяет избежать применения дополнительных тюнеров и согласующих устройств.

В соответствии со сказанным выше, кабель питания первого участка линии следует подводить перпендикулярно полотну антенны. Это позволяет установить симметрирующее устройство непосредственно в "сухой" точке - у окончания первого участка линии (фидера) или у точки ввода в здание. Если же этого сделать не удается, симметрирующее устройство придется установить непосредственно у полотна антенны, а также, как минимум, на каждом отрезке первого участка линии длиной 0,25l (без учета коэффициента укорочения кабеля). Симметрирующее устройство можно изготовить намоткой нескольких витков кабеля на ферритовые кольца или в виде "бухты" кабеля из нескольких витков [1, 2], рассчитав индуктивность этой катушки так, чтобы она представляла достаточное сопротивление для токов рабочей частоты (не менее 1000 Ом). Тщательное симметрирование токов в кабеле, включая установку симметрирующего устройства как можно ближе к точке питания антенны, рекомендуется даже при перпендикулярном расположении линии питания и полотна антенны.

Желательно также настроить антенну в резонанс. Особенно удобно это сделать, если электрическая длина первого участка линии (т.е. с учетом коэффициента укорочения кабеля) кратна целому числу полуволн. В этом случае с помощью антенного моста, например, описанного в [1], из "сухого" места можно оценить величину и знак реактивной составляющей в точке питания антенны (применяя компенсирующие катушки или конденсаторы, добиваются нулевых показаний измерительного прибора моста) и, соответственно, принять решение об удлинении или укорочении полотна. При этом нужно помнить, что если решено изменять длину полотна антенны, то короткую часть (k*l/4) нужно удлинять или укорачивать на втрое меньшую величину чем длинную часть (к*3l/4), для сохранения симметрии полуволновых половинок излучателя.

В качестве примера в таблице приведены ориентировочные расчетные значения геометрических параметров волнового излучателя для трех диапазонов (высота подвеса - 30 м, полотно - медный провод 1,5 мм).

Диапазон,м

Ориентировочная высота, м

Длина длинного плеча (k*Зl/4), м

Длина короткого плеча (k*l/4), м

40

0.7

31,6

10,53

30

1

21,95

7,32

20

1.4

15,75

5,25


В заключение стоит привести очень интересный пример антенны (рис.11), относящейся к типу волнового излучателя. Это т.н. антенна VP2E (Vertical polarized 2 element) [3]. Как волновой излучатель эта антенна не имеет зенитного излучения в принципе при любой, даже самой низкой высоте подвеса (в силу противофазности тока в плечах). Наклон полуволновых половинок излучателя наподобие Inverted V позволяет антенне иметь вертикально поляризованную составляющую излучения, а благодаря их симметричному расположению сохраняются свойства волнового излучателя. В результате, данная антенна более эффективна, чем обычный полуволновой Inverted V.

an-20211.gif
Puc.11

Антенна хорошо работает в направлениях, перпендикулярных ее плоскости, и имеет в этих направлениях низкие углы излучения (соответствующие обычному вертикалу) даже при очень малых высотах подвеса. Это позволяет при установке антенны обойтись единственной мачтой (которую желательно выполнять из диэлектрических материалов, в силу того что основное полезное излучение такой антенны имеет вертикальную поляризацию).

Литература

1. К.Ротхаммель. Антенны. - Бояныч, Санкт-Петербург, 1998.
2. ARRL Antenna Book. 18th edition, by Dean Straw, N6BV.
3. KB журнал, 1997.N2.

РЛ. КВ-УКВ. 2/2002