Новая антенна бегущей волны "ОБ-Е"

Новая антенна бегущей волны "ОБ-Е"
Константин Павлович Харченко

Комплекс антенн "ОБ-Е" был создан автором в конце 1979 г. для профессионального приема сигналов KB диапазона на трассах большой протяженности (более 1000 км). В данной статье описывается "средняя" антенна, входящая в комплекс, - антенна высокой направленности. Информация по этой антенне практически недоступна, но по совету редакции журнала "Радио" автор впервые публикует некоторые сведения, достаточные для ее построения в любительских условиях и практического использования.

Антенна схематично показана на рис.1,а. Ее полотно состоит из трех отрезков линейного проводника, расположенных горизонтально над поверхностью земли на высоте h, соосно друг другу (на одной прямой). Под линейным подразумевают проводник, в том числе и составной, поперечные размеры которого d_э много меньше его длины L:
dэ«L (1)
Понятие о d_э, дадим ниже. Длину среднего проводника антенны желательно иметь не менее трех λ_max, где λ_max - самая большая длина волны того диапазона, в котором предполагается работа:
L≥3λ_max (2)
Крайние проводники, называемые противовесами, имеют длину l, равную четверти рабочей длины волны λ_max:
l=λ_o/4. (3)
Между крайними проводниками и средним оставляют зазоры Δ, которые должны иметь величину порядка
Δ≥2d_э. (4)
К точкам 1-2 зазора Δ подводят ЭДС возбуждения (см. рис.1,б). К точкам 3-4 второго зазора Δ подключают согласованную нагрузку-резистор R_H. При этом главный лепесток диаграммы направленности (ДН) будет ориентирован в направлении "начало-конец" антенны, где "начало" - место включения источника ЭДС, а "конец" - место включения резистора нагрузки.
Длина предлагаемой "средней" антенны "ОБ-Е" L=120 м. Диаграмма направленности антенны зависит от параметра L/λ и с изменением λ при L=const существенно изменяет свою форму, сужаясь с укорочением длины волны λ. ДН в вертикальной плоскости с изменением L/λ изменяет еще и угол θ°max - направление максимального излучения (приема) по отношению к горизонту. Эта закономерность присуща, как известно, всем антеннам KB диапазона. Она неприятна тем, что может приводить к нестыковке углов θ°max и θ°пр, где θ°пр - угол, под которым приходит фазовый фронт волны корреспондента, отражаясь от ионосферы. В результате такой нестыковки происходит снижение надежности и качества связи.
Рис. 2 характеризует главный лепесток ДН антенны "ОБ-Е" в вертикальной плоскости на крайних волнах KB диапазона. Кривая 1 дана для λ_max=lOO м. Кривая 2 -для λ_min=10 м. Можно видеть, что по углу θ°_0,5, т.е. по углу раскрыва ДН по половинной мощности, "средняя" антенна "ОБ-Е" способна принять (излучить) радиоволны под углами к горизонту, лежащими в пределах 4≤θ°_пр≤40.

Рис.2
Чтобы закончить построение антенны, осталось обсудить лишь вопрос о высоте подвеса антенны h. Практически сам автор применял опоры высотой 3-4 м. Однако существует экспериментальная зависимость относительного КУ антенны "ОБ-Е" от высоты h в долях λ. Эта зависимость, полученная в условиях "идеальной" земли (над металлической поверхностью), показана на рис.3.

Рис. 3
На этом рисунке, в согласии с экспериментом, по оси ординат слева отложено отношение (КУ)/(КУ)₀, где (КУ)₀ - есть значение КУ антенны "ОБ-Е", полученное при значении h=0,02λ. По оси абсцисс отложено значение h/λ - значение высоты, взятое в долях от длины волны. Что физически означает зависимость рис.3 и что она характеризует?
Изменение высоты h/λ в пределах 0<h/λ<0,5 незначительно влияет на КНД антенны, увеличивая его примерно на 1,5 дБ с ростом h/λ, в то время как КУ изменяется в десятки раз. Объясняется это изменением КПД системы "проводник-земля". По мере удаления проводника от земли (с ростом h/λ) уменьшается доля энергии бегущей волны, рассеиваемая в реальной земле на Джоулево тепло и поглощаемая в нагрузке, а доля энергии, идущая на излучение, соответственно увеличивается.
Как видно из рис. 3, наблюдается почти линейная зависимость КУ=f(h/λ) - коэффициента усиления от высоты подвеса h в пределах 0<h<0,5λ, с быстрым ростом функции. Можно полагать, что в условиях реальной земли с потерями энергии рост функции KУ=f(h/λ) на начальном участке кривой будет еще быстрее. Отсюда следует важный практический вывод, что надо использовать любую возможность для увеличения высоты h при строительстве антенны "ОБ-Е".
Описывая практическую конструкцию антенны и давая рекомендации по ней, автор понимает, что в реальных условиях они могут быть реализованы не каждым, кто захочет ими воспользоваться. Это означает, что и параметры антенны будут отличаться в соответствии с различиями в конструкции. Тем не менее считаю необходимым задать все требования по разумному максимуму, чтобы каждый знал, к чему стремиться и почему.
Начнем с определения понятия эквивалентного диаметра проводника d_э. Известно, что составной проводник, выполненный из нескольких проводников, имеющих диаметр d₀=2r₀ и расположенных параллельно друг другу на некотором расстоянии, ведет себя как сплошной, диаметр которого d_э будет больше, чем d₀. Для составного проводника, сделанного из двух проводников, с диаметром d₀ каждый и разнесенных относительно друг друга на расстояние S, справедливо соотношение
г_э=d_э/2=SQR(r_oS). (5) Выбор эквивалентного диаметра d_э определяется следующими факторами:
- увеличением коэффициента усиления (КУ) антенны с ростом d_э;
- обеспечением согласования с питающим фидером;
- стоимостью антенны;
- сложностью ее конструкции.
Понижение волнового сопротивления Z_B проводника достигается увеличением его эквивалентного радиуса г_э. Увеличение г_э влечет за собой улучшение всех электрических характеристик, а заодно увеличение сложности и стоимости антенны. Волновое сопротивление проводника можно рассчитать по формуле Кессениха:
Z_B = 60 (lnλ/πr_э - 0,577). (6)
Как видно, Z_B зависит от длины волны λ и по KB диапазону будет изменяться. С этим обстоятельством приходится мириться. Простейший составной проводник включает в себя только два проводника. Возьмем медную или алюминиевую проволоку (можно антенный канатик) диаметром d₀=2г₀=4 мм. Тогда на длине волны λ=31,6 м (среднегеометрической длине волны всего KB диапазона) для получения значения Z_B = 300 Ом составной проводник будет выглядеть так, как показано на рис.4. Здесь два проводника радиусом г₀ = 2 мм разнесены относительно друг друга на 750 мм либо по вертикали, либо по горизонтали. Разнос по горизонтали предпочтительнее, так как делает КПД антенны более высоким. Столбы-опоры 1 на рис. 4 должны быть нетокопроводящими. Это могут быть, например, асбестоцементные трубы.

Рис. 4
Позицией 2 на рис. 4 показаны изоляторы, лучше керамические, любого типа. Позицией 3 показана траверза. Она может быть металлической и перемыкать между собой проводники 4. Сопротивление резистора нагрузки для антенны должно равняться волновому сопротивлениюг R_H=Z_B=300 OM.
Антенну можно и нужно использовать как в режиме приема, так и в режиме передачи. С учетом ослабления волны тока по мере ее распространения от начала к концу антенны резистора мощностью 5...10 Вт должно "хватить" для передатчика с отдаваемой мощностью Р0 = 50 Вт.
В качестве фидера для питания антенны можно применить коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 или 50 Ом. В этом случае между фидером и точками 1-2 зазора Δ должен быть включен симметрирующий, он же согласующий трансформатор. В зависимости от типа кабеля коэффициент трансформации п будет равен:
п₁=300/75 4; n₂=300/50=6. (7)
Повышающая обмотка трансформатора должна быть симметричной и не иметь заземленной средней точки. Подключать фидер в точки 1-2 зазора Δ без симметрирующего трансформатора нельзя! Трансформатор должен выдерживать проходящие через него токи при работе на передачу.
На рис.5 схематично показана конструкция точек 1-2 и 3-4 в зазорах Δ. Позицией 1 обозначен керамический палочный изолятор (силовой изолятор); 2 - корпус трансформатора; 3 - резистор R_н; 4 - коаксиальный фидер, остальные размеры пояснений не требуют. Суть рисунка заключается в том, чтобы показать необходимость снять механические нагрузки от натяжения проводников антенны с тех проводников, которые идут непосредственно к трансформатору и резистору. Резистор и особенно трансформатор следует защитить от непогоды, спрятав в диэлектрические обтекатели (чехлы), не забыв предусмотреть снизу отверстия для стока воды - конденсата.

Рис. 5
Проводники-противовесы 3 можно выполнить из одиночного провода с d₀ = 4 мм. Его длину l=λ_max/4 следует сделать по самой длинной волне λ_max того диапазона, в котором прогнозируется работа. Для перехода на волнуλ_o< λ_max нужно сделать перемычки, которые позволят укоротить противовес, отключив его часть со стороны конца, рис 6. В качестве перемычки могут служить две солидные клеммы 1, зажимаемые болтом и гайкой. Электрический контакт в месте стыка проводников перемычки должен быть очень надежным. Скреплять перемычку должен изолятор 2, например, орешковый.
Конец противовеса 3 через изолятор (например, орешковый) 4, фиксируется к оконечной опоре 5. Оконечная опора отличается от промежуточной, например, 6, тем, что имеет контроттяжку 7 с винтовым натяжителем 8 (типа талреп). Контроттяжка 7 заканчивается якорем 9. Простейший якорь 9 представляет собой трубу или брусок, зарытый в землю и затрамбованный (зацементированный).

Рис. 6
В перечисленных вопросах простор для индивидуального творчества неограничен в рамках достижения поставленной цели. Число перемычек должно быть достаточным для того, чтобы в желаемом для работы диапазоне частот можно было переходить с одной волны на другую, учитывая, что одну перемычку можно использовать в некоторой полосе изменения λ_o(±5...7,5 % от λ₀). Оба противовеса должны быть одинаковыми во время работы на данной длине волны λ₀.
Так как антенна "ОБ-Е" имеет высокую направленность, то, соответственно, она имеет значительный эффективный раскрыв. Например, на длине волны λ = 40 м его диаметр равен 100 м. Это налагает требование на ширину площадки перед антенной. Она должна быть не меньше этого диаметра.
Для приема радиоволн, приходящих под низким углом к горизонту θ_пр = 4°, необходимо, чтобы не было объектов с высотой более 30 м, находящихся ближе полукилометра от конца антенны.
Радио 5/2001, с.62-63.

[ На главную] [ В раздел Антенны]