СОГЛАСОВАНИЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ АНТЕНН
И.ГРИГОРОВ, RK3ZK, г.Белгород.
p> Вертикальные антенны очень часто применяются радиолюбителями, поэтому понятен интерес к вопросам согласования этих антенн с линиями питания - ведь от качества согласования во многом зависит эффективность работы антенны. Особенно остро проблема согласования встает в том случае, когда входное сопротивление антенны значительно отличается от волнового сопротивления используемого фидера (например, для укороченных вертикальных антенн НЧ-диапазонов). Ниже будут описаны основные методы согласования вертикальных несимметричных антенн, находящихся в различных условиях и имеющих различную длину. Например, для питания заземленных четвертьволновых антенн часто используют гамма-согласование, с помощью которого можно подключить к антенне коаксиальный кабель с любым волновым сопротивлением, а в служебной и радиолюбительской радиосвязи иногда используют согласование вертикальных антенн с коаксиальным кабелем, варьируя количество противовесов и угол их наклона относительно штыря антенны.
Многие из методов согласования, предложенные в статье, известны радиолюбителям и широко используются на практике. Однако некоторые методы, разработанные давно, в настоящее время благополучно забыты. Тем не менее, помня, что новое - это хорошо забытое старое, они описаны в статье и могут помочь радиолюбителям в экспериментах с вертикальными антеннами. В качестве примера даны описания нескольких антенн служебных радиостанций. Надеюсь, что приводимые сведения позволят радиолюбителю выбрать тот способ согласования вертикальной несимметричной антенны, который оптимален для него в конкретных условиях.
Согласование четвертьволновых штыревых антенн
изменением угла наклона противовесов
Как известно, четвертьволновая антенна, размещенная непосредственно над идеальной проводящей поверхностью, имеет входное сопротивление 36 Ом. Антенну с таким входным сопротивлением можно питать коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом, установив четвертьволновый трансформатор, изготовленный из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом (рис.1). К сожалению, случай установки несимметричной четвертьволновой антенны над идеальной проводящей поверхностью достаточно редок. Например, это может быть вариант размещения четвертьволновой антенны УКВ-диапазона над корпусом автомобиля, который можно считать идеальной проводящей поверхностью.
Рис. 1
Антенна КВ-диапазона чаще всего бывает установлена непосредственно над плохо проводящей поверхностью, например, на бетонной крыше здания. Кроме того, практически любая почва может рассматриваться при работе на КВ-диапазонах как плохо проводящая поверхность, которая не может служить "землей" вертикальной несимметричной антенны. Вот почему для обеспечения хорошей "радиотехнической земли", необходимой для эффективной работы вертикальной несимметричной антенны, используются противовесы. Оптимальный вариант - применение четвертьволновых противовесов. В этом случае при варьировании количества противовесов и угла их наклона относительно штыря вертикальной несимметричной антенны, можно осуществить оптимальное согласование антенной системы с коаксиальным кабелем.
Рассмотрим, как осуществляется согласование на практике. Четвертьволновая штыревая антенна, установленная на высоте не менее четверти длины волны относительно поверхности плохо проводящей земли и снабженная тремя четвертьволновыми противовесами, расположенными под углом 90° к штырю (рис.2), имеет входное сопротивление от 40 до 50 Ом. Следовательно, для ее питания можно использовать стандартный 50-омный коаксиальный кабель. Увеличение числа противовесов до четырех понизит сопротивление антенны до 40 Ом. Дальнейшее увеличение количества противовесов уменьшит входное сопротивление несимметричной вертикальной антенны до 36 Ом. В этом случае для ее питания можно использовать 75-омный коаксиальный кабель с четвертьволновым согласующим трансформатором, как было показано ранее на рис.1.
Рис.2
Для увеличения входного сопротивления антенны, имеющей четыре противовеса, до величины 50 Ом, противовесы располагают под углом 135° к штырю антенны (рис.3). Такая конструкция часто используется в антеннах служебных радиостанций УКВ-диапазона. Однако, чтобы сопротивление такой антенны было близко к 50 Ом, необходимо концы противовесов расположить относительно проводящей поверхности на высоте не менее четверти длины волны. Это условие легко выполняется при установке антенны на металлической мачте, как показано на рис.3.
Рис. 3
Аналогично можно изготовить несимметричную вертикальную антенну для высокочастотных КВ-диапазонов. Однако с увеличением длины волны, на которой будет работать антенна, и, следовательно, с увеличением ее размеров, это условие становится все более и более трудновыполнимым.
Поэтому на практике при построении антенн на НЧ-диапазоны концы противовесов часто находятся на небольшой высоте над землей. В этом случае входное сопротивление антенной системы, скорее всего, не будет точно равно 50 Ом, а во многом будет зависеть от проводящих свойств земли и от высоты установки штыря антенны и противовесов над нею. При хорошей проводимости земли входное сопротивление антенны может быть менее 50 Ом, а резонансные четвертьволновые противовесы, расположенные близко над поверхностью, неизбежно будут расстроены.
При "плохо проводящей земле" входное сопротивление антенны приближается к 50 Ом и может быть согласовано с коаксиальным кабелем с таким же волновым сопротивлением. В реальных условиях под плохо проводящей землей можно понимать бетонную крышу, сухую почву и т.д.
Следует обратить внимание на то, что для правильной работы штыревой несимметричной антенны необходимо использовать четное количество противовесов, расположенных диаметрально друг относительно друга. В этом случае высокочастотные токи, протекающие в противовесах, расположенных противоположно друг другу, компенсируются (рис.4), и излучение внешней оплетки коаксиального кабеля минимально. При нечетном количестве противовесов компенсации высокочастотных токов не происходит, и в результате возможно проявление антенного эффекта фидера.
Рис. 4
Диаграмма направленности несимметричной вертикальной антенны с противовесами имеет лепестки диаграммы направленности, расположенные вдоль противовесов. При четном количестве противовесов диаграмма направленности антенны все более и более приближается к круговой. Коммерческие вертикальные несимметричные антенны в основном имеют четное количество противовесов. В радиолюбительских условиях возможна установка вертикальной антенны как с четным, так и с нечетным количеством противовесов. Поскольку эффективность работы штыревой антенны пропорциональна количеству противовесов, конечно, наилучшие результаты обеспечивает антенна с большим количеством противовесов.
Несимметричные антенны с вертикальным расположением противовесов
Чтобы использовать для питания вертикальной несимметричной антенны коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом, необходимо противовесы располагать под углом 180° к штырю антенны (рис.5). Практически такое расположение требует экспериментальной корректировки длин противовесов, т.к. вследствие близости от металлической мачты неизбежна их расстройка. Такая вертикальная антенна излучает под малым углом к горизонту (примерно 24°) и хорошо подходит для обеспечения служебной низовой УКВ-связи и для проведения дальних связей на КВ.
Рис. 5
В коммерческих УКВ-антеннах часто вместо противовесов используют четвертьволновый стакан (рис.6). В радиолюбительских условиях изготовление четвертьволнового стакана хотя и затруднительно, но все же возможно. Тем не менее, для работы на KB такие антенны используются редко, что связано с громоздкостью конструкций высоких мачт - ведь для корректной работы такой антенной системы требуется, чтобы концы противовесов находились на расстоянии не менее полуволны над поверхностью земли (в случае ее хорошей проводимости). Если на УКВ это условие выполняется относительно легко, то для работы на KB оно часто трудновыполнимо.
Рис. 6
Коэффициент укорочения вертикальной антенны
При конструировании четвертьволновой несимметричной антенны и четвертьволнового стакана необходимо учитывать коэффициент укорочения, который зависит от диаметров штыря и стакана. Часто при установке радиолюбительских антенн коэффициент укорочения для штыря и противовесов не рассчитывается, и крайне редко производится настройка противовесов в резонанс. Вследствие этого входное сопротивление такой антенны может значительно отличаться от теоретического значения, и антенная система будет нуждаться в дополнительном согласовании с коаксиальным кабелем. Для определения коэффициента укорочения штыря антенны К можно воспользоваться графиком, приведенным на рис.7. Как видно из графика, коэффициент укорочения антенны зависит от отношения ее диаметра к длине волны. Но в реальной конструкции вертикальной KB- или УКВ-антенны свой вклад в увеличение коэффициента укорочения вносят элементы конструкции. За счет протекания емкостных токов между элементами антенны, влияния посторонних предметов, проводящих свойств земли и множества других факторов, которые иногда трудно поддаются учету, значение реального коэффициента укорочения вибратора антенны обычно больше его теоретического значения.
Рис.7
Гамма-согласование штыревых антенн
Трудности, связанные с согласованием входного сопротивления антенны с помощью противовесов, заставляют радиолюбителей обращаться к другим видам согласования антенн с линиями питания. Рассмотрим часто используемое в радиолюбительской практике гамма-согласование. Облегчить понимание принципа его работы поможет графическое изображение распределения тока, напряжения и входного сопротивления антенны вдоль длины четвертьволнового вертикального штыря (рис.8).
Рис. 8
Рис. 9
Тем не менее, данный вид согласования не является оптимальным для вертикальных антенн. Подбор точки подключения коаксиального кабеля к антенне представляет собой достаточно трудоемкое занятие. Место расположения точек питания антенны зависит от диаметра штыря,материала, из которого он изготовлен, качества заземления, количества и типа противовесов, используемых совместно с этой антенной, и множества других причин. Кроме того, не всегда удается полностью скомпенсировать реактивные составляющие входного сопротивления антенны.
На практике обычно используют схему гамма-согласования, показанную на рис.10, которая отличается от схемы гамма-согласования, приведенной на предыдущем рисунке, наличием переменного конденсатора С1.
Рис.10
С помощью этого конденсатора можно практически полностью компенсировать индуктивную составляющую, вносимую во входное сопротивления антенны гамма-согласованием, что позволяет изначально выбрать фиксированную длину h в конструкции согласующего устройства, которая может быть немного больше необходимой. Излишек длины вносит во входное сопротивление антенны индуктивную составляющую, которая компенсируется при помощи переменного конденсатора С1.
Дальнейшим развитием гамма-согласования является омега-согласование, схема которого приведена на рис.11.
Рис.11
Омега-согласование отличается от схемы гамма-согласования наличием конденсатора С2, включенного между центральной жилой коаксиального кабеля и землей антенны. При помощи этого конденсатора удается практически полностью компенсировать реактивную составляющую входного сопротивления антенны. В результате этого достижим КСВ=1 для коаксиального кабеля любого волнового сопротивления - как 50, так и 75 Ом. Конструктивные данные для изготовления гамма- и омега-согласования приведены в табл.1, а ориентировочные значения емкостей переменного конденсатора для разных диапазонов работы - в табл.2.
Табл.1
|
Волновое сопротивление коаксиального кабеля, Ом |
|
Размеры |
|
|
R |
d |
h |
|
|
50 |
3D |
0,5D |
0,15H |
|
75 |
5D |
0.2D |
0,18H |
Табл.2
|
Диапазон, м |
Емкость конденсаторов |
,пФ |
|
С1 |
С2 |
|
|
10...17 |
100 |
30 |
|
20...30 |
150 |
50 |
|
40 |
150 |
50 |
|
80 |
200 |
70 |
|
60 |
250 |
100 |
Сейчас в Интернете на различных радиолюбительских сайтах можно отыскать множество программ, позволяющих рассчитать параметры гамма-и омега-согласования. Однако, поскольку далеко не у каждого радиолюбителя есть компьютер и доступ в Интернет, приводимые таблицы могут быть полезными при конструировании вертикальных антенн с использованием указанных видов согласования. При изготовлении устройств согласования в соответствии с табл.1 и 2 практически не требуется подбирать место подключения перемычки в процессе настройки антенны Тем не менее, на практике они все же могут отличаться вследствие конструктивных особенностей антенны и влияния близкорасположенных предметов Настройка гамма- и омега-согласования в этом случае может быть осуществлена лишь с помощью конденсаторов переменной емкости при использовании КСВ-метра или высокочастотного моста Предпочтительнее использовать высокочастотный мост, упрощающий процесс настройки. Первоначально определяют входное сопротивление антенны со стороны гамма согласования. Если оно выше волнового сопротивления используемого для питания антенны коаксиального кабеля, длину h уменьшают. Если больше, длину h увеличивают. Последовательно настраивая конденсатор С1 и изменяя длину h, подбирают входное сопротивление антенны, равное волновому сопротивлению коаксиального кабеля. При использовании омега-согласования, в конце настройки при помощи конденсатора С2 добиваются минимальной реактивной составляющей импеданса антенны
Конденсаторы С1 и С2 должны быть заключены во влагонепроницаемую коробку Они могут быть рассчитаны на невысокое рабочее напряжение. Тем не менее, желательно использовать переменные конденсаторы с воздушным диэлектриком. Через конденсатор С1 протекает значительный ток, поэтому он должен иметь малое сопротивление контактов в роторе. Очень хороший вариант - использовать конденсатор типа "бабочка". Возможно последовательное включение двух переменных конденсаторов, связанных общим ротором.
Согласование вертикальных антенн, имеющих длину, отличную от l/4.
Не всегда возможна установка вертикальной четвертьволновой антенны. Иногда для изготовления вибратора используют уже имеющиеся в наличии списанные вертикальные армейские антенны, или длину вибратора выбирают с учетом компромиссной работы на нескольких любительских диапазонах. В этом случае входное сопротивление антенны будет различным на разных диапазонах, и потребуется обеспечить согласование входного сопротивления антенной системы с волновым сопротивлением коаксиального кабеля. Для лучшего понимания теоретических принципов согласования вертикальной антенны произвольной длины, рассмотрим распределение тока и напряжения в штыре высотой Л. Как видно из рис.12, при длине штыря вертикальной антенны, равной l/4, входное сопротивление вертикальной антенны при расположении над идеально проводящей поверхностью составит 36 Ом. При длине вертикальной антенны в пределах l/8 l/4, входное сопротивление этой антенны будет лежать в пределах 15...36 Ом. Если длина штыря будет l/4 Зl/8, активное сопротивление будет находиться в пределах 36...100 Ом. При промежуточных значениях длин штыря его сопротивление излучения будет находиться в пределах или 100...1000 Ом, или менее 10 Ом
Рис.12
При использовании для питания вертикальной антенны коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом, наибольший интерес представляет участок, где входное сопротивление штыря меняется в пределах от 36 до 100 Ом. Именно в этом участке можно оптимально согласовать вертикальную антенну с коаксиальным кабелем. На рис.12 показан также знак реактивной составляющей входного сопротивления штыря при изменении его длины. При работе антенны на этом участке, для компенсации реактивного входного сопротивления, радиолюбители обычно используют включение реактивного сопротивления противоположного знака. Например,последовательно с "электрически коротким" штырем включают так называемую "удлиняющую" индуктивность, компенсирующую емкостную составляющую входного сопротивления штыря Последовательно с "электрически длинной" вертикальной антенной включают так называемую "укорачивающую" емкость, служащую для компенсации индуктивной составляющей входного сопротивления штыря. Существуют и другие методы согласования входного сопротивления вертикальных антенн с волновым сопротивлением коаксиального кабеля. Далее они будут рассмотрены более подробно
(Продолжение следует)
РМ КВ и УКВ 3/2002