ЛЮБИТЕЛЬСКИЕ ПЕРЕДАЮЩИЕ ДВ АНТЕННЫ
Александр ЮРКОВ (RA9MB)
В ряде стран (в том числе и в России) радиолюбителям кроме KB и УКВ диапазонов выделен также и небольшой участок в ДВ диапазоне (135,7... 137,8 кГц). После экспериментов в этом диапазоне, предпринятых коллективом RU6LWZ (журнал рассказывал о них в июньском номере за этот год), интерес кДВ у российских радиолюбителей заметно возрос. Многие хотели бы начать эксперименты на этом диапазоне, но его освоение в значительной мере сдерживается отсутствием широко доступной информации о том, какая для этого нужна техника. Предлагаемая статья посвящена, пожалуй, главному аспекту ДВ техники — передающим антеннам.
В настоящее время основная задача, которую необходимо решить для широкого освоения ДВ российскими радиолюбителями, состоит в увеличении числа передающих любительских ДВ станций. Действительно, прежде чем принимать сигналы, необходимо, чтобы они существовали. Если на KB сигналы любительских станций весьма сильны и при больших расстояниях до передатчика, для начала экспериментов на ДВ крайне желательно, чтобы источник сигнала находился сравнительно недалеко. Особенно остро стоит эта проблема перед радиолюбителями азиатской части нашей огромной страны. Несколько проще радиолюбителям, проживающим в европейской части России. В Западной Европе достаточно много радиолюбителей, передающих на длинных волнах, сигналы которых вполне можно принимать на расстояниях до одной-двух тысяч километров при работе обычным телеграфом и до нескольких тысяч километров при работе QRSS (медленный телеграф с обработкой сигнала на компьютере).
Главная проблема, которую надо решить любому радиолюбителю, начинающему работу в ДВ диапазоне, это постройка передающей антенны. Всем хорошо известно, что на KB антенна в большой степени влияет на успех в работе, но на ДВ, пожалуй, это влияние еще больше. Передатчик на частоты порядка 136 кГц изготовить относительно несложно. Он мало чем отличается от передатчика KB диапазона. Но антенна — совершенно другое дело! Свойства антенны принципиально зависят от соотношения длины волны и размеров антенны, а длина волны, соответствующая любительскому диапазону 136 кГц, около 2,2 км, что более чем в десять раз превышает максимальную длину волн, ранее использовавшихся радиолюбителями.
ДВ антенны существенно отличаются от обычно применяемых на КВ. Прямое копирование KB антенн на ДВ невозможно, так как получатся антенны совершенно недоступных для радиолюбителей размеров. Кроме того, на ДВ обычно нет возможности предложить конкретную радиолюбительскую конструкцию передающей антенны. Она в значительной мере определяется местными условиями, и конструировать антенну радиолюбителю, как правило, приходится самому. Хоть это и не сложно, так как на ДВ нет того разнообразия типов антенн, что наблюдается на KB, но все же конструирование ДВ антенны требует некоторых представлений о том, какие у нее параметры, как они влияют на работу антенны, от чего зависят и как улучшить работу всего передающего комплекса, состоящего из передатчика и антенны.
Все это и побудило автора написать данную статью, в которой рассмотрены основные принципы создания любительских передающих ДВ антенн. Конечно, большую часть изложенного в статье материала можно найти в профессиональной литературе, но специально для радиолюбителей такого изложения пока не было. Это и не удивительно, поскольку ДВ диапазон стал доступен для радиолюбителей недавно. Автор старался избегать сложной теории, ограничиваясь лишь качественным изложением и самыми простыми формулами, которые все же необходимы для осмысленного конструирования антенны. При этом основное внимание было уделено принципиальному отличию в конструировании KB и ДВ антенн. Насколько это удалось — судить читателям.
Характерной особенностью ДВ антенн являются их размеры, намного меньшие, чем четверть длины волны. Это справедливо даже для профессиональных ДВ станций, а для любительских — и подавно. Действительно, привычный на KB четвертьволновый штырь для диапазона 136 кГц должен иметь высоту более 500 м, как у Останкинской телебашни!
Второй важный момент, который надо учитывать при проектировании и изготовлении передающей ДВ антенны, состоит в том, что поляризация излучаемых антенной волн должна быть исключительно вертикальной. Это связано со свойствами земли: на столь низких частотах она близка к идеальному проводнику, а высота любой реальной ДВ антенны намного меньше длины волны. Эффективно излучать горизонтальное электрическое поле не удастся по той простой причине, что земля просто "закоротит" это поле. Если говорить более строго, то причина в том, что, как известно из электродинамики, вектор электрического поля на поверхности идеального проводника всегда перпендикулярен поверхности.
Конечно, земля все же не идеальный проводник, а высота антенны, хоть и мала, не равна нулю. Поэтому вопрос использования на ДВ низкорасположенных (по сравнению с длиной волны) передающих антенн с горизонтальной поляризацией (например, горизонтального диполя) крайне интересен и требует проведения экспериментов. Но рекомендовать такие передающие антенны радиолюбителю, только начинающему работу на ДВ, никак нельзя. Соответствующие эксперименты требуют солидного опыта, да и сравнивать экспериментальную антенну надо с чем-нибудь известным.
В связи с тем, что размеры любой реальной ДВ антенны намного меньше четверти длины волны, передающие антенны ДВ можно разделить на два больших класса — электрические и магнитные.
Магнитные антенны — это замкнутые рамки, чаще всего прямоугольной формы, расположенные обязательно в вертикальной плоскости (вертикальная поляризация!) и имеющие размеры, по крайней мере, порядка десятков метров. Некоторые радиолюбители Западной Европы и США проводят эксперименты с такими передающими антеннами, и им удается излучить мощность, не намного меньшую, чем в случае электрических антенн сравнимых размеров. Но все же это пока экспериментальный класс передающих антенн.
Основной тип передающей антенны на ДВ — это сильно укороченный вертикальный излучатель, питаемый относительно земли. Последнее означает, что вторым полюсом для подключения генератора является заземление. Многие такие антенны имеют массу проводов, расположенных горизонтально. Но подчеркнем, что собственно излучателем является только вертикальная часть антенны, а все горизонтальные проводники служат исключительно для того, чтобы создать в вертикальном проводе как можно больший и равномернее распределенный ток.
Некоторые типы передающих ДВ антенн схематически изображены на рис. 1. На рис. 1,а показана антенна в виде вертикального провода без емкостной нагрузки; на рис. 1,6 — вертикальная антенна с емкостной нагрузкой в виде "зонтика", который может являться частью оттяжек, поддерживающих мачту; на рис. 1 ,в — трехлучевая Т-антенна; на рис. 1 ,г — однолучевая Г-антенна с наклонной емкостной нагрузкой; на рис. 1 ,д — однолучевая Т-антен-на с наклонной емкостной нагрузкой; на рис. 1,е — однолучевая Т-антенна с наклонной "вертикальной" частью, на рис. 1 ,ж — антенна "наклонный луч".
Puc.1
Возможные конфигурации антенн не исчерпываются показанными на рис. 1. Возможна, например, многолучевая Г-антенна. Число проводников, составляющих "зонтик" (рис. 1,6), совсем не обязательно равно четырем. Вертикальная часть также может состоять из нескольких параллельных или расходящихся "веером" проводов и т. д. Также очевидно, что в качестве ДВ антенны во многих случаях можно использовать KB антенну, изменив способ ее питания. Например, KB диполь с успехом послужит в качестве Т-антенны, если соединить оба провода фидера вместе и за-питать их относительно земли.
Обратим внимание, что ни одна из этих антенн не питается по коаксиальному кабелю. Все они — как бы "антенны с однопроводным открытым фидером", хотя на самом деле этот "фидер" собственно и является излучателем. Радиолюбитель, который не раз испытывал проблемы, связанные с помехами телевидению при работе на KB, может весьма скептически отнестись к такому питанию передающей антенны. Особенно когда ему далее еще будет рекомендовано использовать в качестве заземления водопроводные трубы. Автор спешит его успокоить: на ДВ помехи телевидению обычно значительно меньшая проблема, нежели при работе на КВ. Приведем такой пример из практики. Провод от антенны проходил к передатчику мощностью около 50 Вт на высоте несколько сантиметров над верхней крышкой телевизора. На ней же лежала неоновая лампочка, которая ярко светилась при нажатии на ключ. И при этом помех приему телевидения совершенно не наблюдалось! Может, и не всегда ситуация оказывается столь благоприятной, но судя по всему, телевизоры малочувствительны к электромагнитным полям столь низких частот.
Так как высота ДВ антенны всегда намного меньше четверти длины волны, реактивная часть входного сопротивления вертикального электрического излучателя всегда имеет емкостный характер и очень велика по сравнению с активной частью входного сопротивления. Для того чтобы ток в антенне достиг значительной величины, емкостная часть входного сопротивления антенны должна быть скомпенсирована индуктивностью, реактивное сопротивление которой равно по абсолютной величине реактивному сопротивлению емкости антенны. Таким образом, применение удлиняющей катушки на ДВ является абсолютно обязательным (на рис. 1 катушка не показана). Удлинительная катушка включается последовательно с антенной.
Чтобы можно было оценить необходимую индуктивность удлинительной катушки, необходимо знать емкость антенны, которая является весьма важным параметром передающей ДВ антенны. Чем больше емкость антенны, тем меньшую нужно индуктивность удлиняющей катушки. Соответственно, чем больше емкость антенны, тем меньше будут бесполезные потери мощности передатчика из-за омического (активного) сопротивления удлинительной катушки. А потери мощности в удлиняющей катушке весьма существенны при работе на ДВ.
Кроме того, при большей емкости антенны уменьшается напряжение на ней, которое на ДВ даже при сравнительно маломощном передатчике достигает единиц, а то и десятков киловольт. Уменьшение напряжения на антенне упрощает проблему изоляции. Есть и еще причины, о которых мы поговорим позднее, при обсуждении так называемых "потерь окружения", по которым следует стремиться сделать как можно большую емкость антенны. Именно увеличение суммарной емкости антенны (вместе с получением более равномерного распределения тока в вертикальной части) это причина, по которой в передающих ДВ антеннах стараются сделать горизонтальную часть как можно больше и часто из нескольких параллельных проводов (многолучевые Г- и Т-образные антенны).
Емкость ДВ антенны с приемлемой для радиолюбительской практики точностью можно оценить по простому правилу: каждый метр провода антенны (как в вертикальной, так и в горизонтальной части) дает около 6 пф емкости антенны. Если несколько проводов расположены паралельно друг другу, то при малом расстоянии между ними суммарная емкость уменьшается. Поэтому при изготовлении Г- или Т-образной антенны с многолучевой горизонтальной частью следует, по возможности, выдерживать расстояние между проводами не менее 2...3 м. Большее не имеет смысла, а меньшее расстояние приводит к уменьшению емкости, приходящейся на каждый метр провода.
Реактивное сопротивление емкости антенны можно найти по общеизвестной формуле Хс = 1/(2пfC). Так как реактивное сопротивление удлинительной катушки должно быть по абсолютной величине таким же, то из связи реактивного сопротивления и индуктивности XL = 2пfL можно найти индуктивность. Для практических целей удобнее формулы, которые получаются, если подставить значение частоты f = 136 кГц и преобразовать единицы измерения: Хс=1170000/С, XL = 0,85L, L = Xl/0,85, где сопротивления подставляются в омах, емкость — в пикофарадах, а индуктивность — в микрогенри.
Совсем грубо для прикидочных расчетов можно считать, что на частоте 136 кГц реактивное сопротивление емкости 1000 пФ составляет 1000 Ом и пропорционально увеличивается при уменьшении емкости по сравнению с 1000 пФ. Соответственно для индуктивности каждая микрогенри дает около 1 Ом. Такие цифры легко запомнить. Большая точность расчетов очень часто и не нужна, поскольку рассчитанные величины все равно придется уточнять экспериментально. Влияние окружающих антенну предметов теоретически учесть крайне затруднительно!
Чтобы представить себе порядок параметров антенны в типичных радиолюбительских условиях, сделаем оценку для такого примера. Пусть имеется Г- или Т-образная антенна с однолуче-вой горизонтальной частью длиной 80 м, расположенной на высоте 20 м. Длина вертикальной части составит 20 м, общая длина провода — 100 м. Емкость такой антенны будет около 600 пф, т. е. реактивная часть входного сопротивления — примерно 2000 Ом. Для компенсации реактивного сопротивления емкости антенны потребуется удлиняющая катушка с индуктивностью несколько больше 2000 мкГн.
Может возникнуть вопрос, почему бы не найти индуктивность удлиняющей катушки, зная емкость антенны и используя формулу для обычного колебательного контура? Конечно, можно и так. Но расчет через реактивные сопротивления позволяет оценить, например, напряжение на антенне при заданном токе и сопротивление потерь удлинительной катушки при известной ее добротности. Так, в приведенном примере сразу ясно, что напряжение на антенне будет порядка 2000 В на каждый ампер тока в антенне. Поскольку активная часть входного сопротивления антенны много меньше реактивной части, напряжение на антенне в вольтах приблизительно равно току антенны в амперах, умноженному на реактивное сопротивление антенны в омах. Сопротивление потерь катушки, ее реактивное сопротивление и добротность связаны простой формулой: RKaT = XL/Q. При добротности Q = 200 сопротивление потерь будет 2000/200 = 10 Ом.
Вторым крайне важным параметром ДВ антенны является ее действующая высота. Не принимая пока во внимание зависимость действующей высоты от деталей конструкции антенны, отметим два предельных случая. Действующая высота одиночного вертикального провода без емкостной нагрузки наверху равна половине его геометрической высоты. Для Г- или Т-образной антенны с емкостью горизонтальной части много большей, чем емкость вертикальной части, действующая высота приближается к высоте подвеса горизонтальной части антенны над землей.
Сразу отметим, что надо стремиться сделать действующую высоту антенны как можно больше, по крайней мере, метров 10...15, а лучше 30...50. Но, пожалуй, 50 м — это максимум, достижимый в обычных любительских условиях. Примерно такой получится действующая высота Г- или Т-образной антенны с большой горизонтальной частью, подвешенной между двумя 16-этажными домами.
Почему же действующая высота антенны так важна? Все дело в том, что когда размеры антенны много меньше длины волны, напряженность поля, принимаемого корреспондентом, прямо пропорциональна произведению (обозначим его как А) силы тока в антенне на действующую высоту антенны, измеряемому в метрамперах. Чем больше действующая высота вашей антенны, тем сильнее ваш сигнал. Мощность, излучаемая передающей станцией Ризл (не путать с выходной мощностью передатчика!) связана с этим произведением простым соотношением (для частоты 136 кГц): Ризл = 0.00033А2.
Чтобы ориентироваться в получаемых значениях, рассмотрим пример. Пусть действующая высота антенны составляет 20 м. Сила тока в антенне при выходной мощности передатчика в 100 Вт обычно бывает в пределах 1...3 А. Пусть она оказалась 2 А. Тогда А = 40 метрампер и излученная мощность составит 0,5 Вт.
Из примера видно, что КПД любительских передающих ДВ антенн весьма мал, ведь излучается всего 0,5 % мощности, отдаваемой передатчиком. И это еще очень хорошо! Часто КПД бывает меньше 0,1 %. И только при использовании "гигантских" (по радиолюбительским меркам) антенн КПД может достигать нескольких десятков процентов. Примером служит антенна первой русской длинноволновой DX-экспеди-ции, проведенной коллективом RU6LWZ, когда использовалась мачта высотой более 100 м.
Низкий КПД любительских передающих ДВ антенн приводит к тому, что мощность излучения обычно измеряется десятыми, а то и сотыми долями ватта, редко достигая единиц ватт. Тем не менее и при таких мизерных излучаемых мощностях любители, используя специальные виды работы (прежде всего QRSS — медленный телеграф), проводят связи на расстояниях в тысячи, а то и 10... 15 тысяч километров! Обычным телеграфом при этом удаются связи на несколько сотен, а иногда, при хорошем прохождении, специальных приемных антеннах и малом уровне помех, на одну-две тысячи километров.
Мы видим, что ситуация с передающими ДВ антеннами радикально отличается от того, к чему мы привыкли на КВ. Если на KB обычно КПД близок к 100 % (за исключением разве что 160-метрового диапазона, и то не всегда), то на ДВ он очень мал. Если на KB мы пытаемся сфокусировать излучение в одном направлении и оперируем понятием коэффициента усиления, то на ДВ излучение всегда практически круговое и ни о каком усилении говорить не приходится. Если на KB мы стремимся получить пологие углы излучения, на ДВ угол излучения всегда практически одинаков. Если на KB антенна обычно питается по коаксиальному кабелю и мы стремимся получить хороший КСВ, то на ДВ антенна всегда питается непосредственно и понятие КСВ теряет смысл. Единственное, за что приходится "бороться" при работе на ДВ, это излучаемая мощность, или, что то же самое, максимальное количество "мет-рамперов" в антенне.
Рассмотрим теперь более детально, как зависит действующая высота антенны от ее геометрических размеров и деталей конструкции для наиболее распространенных типов антенн. Как уже указывалось, действующая высота простого вертикального провода без емкостной нагрузки наверху (рис. 1 ,а) просто равна половине геометрической высоты антенны. Точно также действующая высота антенны "наклонный луч" (рис. 1,ж) равна половине высоты верхней точки антенны. Если антенна имеет горизонтальную емкостную нагрузку (например, рис. 1,в), то действующая высота hД такой антенны определяется соотношением емкостей вертикальной Св и горизонтальной Сг частей, а также геометрической высотой подвеса h горизонтальной части. Она может быть найдена по формуле hд = h(1-0,5/(Сг/Св+1)).
Емкости горизонтальной и вертикальной частей антенны могут быть, как и для всей антенны, определены по правилу "6 пф на каждый метр провода". Из формулы видно, что если Сг намного больше Св, то действующая высота hд приближается к геометрической высоте h. Особого рассмотрения требуют случаи наклонной "вертикальной" части (рис. 1 ,е) и наклонной емкостной нагрузки (рис. 1,6, г ,д). Если "вертикальная часть" наклонна, а емкостная нагрузка практически горизонтальна (рис. 1,е), то почти ничего не меняется, лишь несколько возрастает Св из-за более длинного провода, а формула остается той же.
Если у Т-антенны вертикальная часть подключается достаточно точно посередине наклонной емкостной нагрузки (рис. 1,д), формула также работает, только в качестве h надо брать высоту над землей точки подключения вертикальной части к горизонтальной. В этой антенне вертикальные компоненты электрического поля, созданные двумя плечами емкостной нагрузки, взаимно компенсируются. Но в Г-образной антенне (рис. 1,г), или в "зонтичной" антенне (рис. 1,6), такой компенсации не происходит. Потому и формула становятся несколько иной: hд = 0,5h( 1 + а - а2/(Сгг/Св + 1)), где а = h1/h — отношение высот верхнего и нижнего концов емкостной нагрузки.
Подчеркнем, что для случаев, показанных на рис. 1,6 и рис. 1 ,г нежелательно опускать нижний конец емкостной нагрузки до самой земли. Это приведет к снижению действующей высоты до 0,5h. Если нет возможности поднять эти точки (например, имеется только одна мачта), лучше провода, составляющие емкостную нагрузку, продолжить до земли изолирующим шнуром (можно применить и проволоку, разбив ее в двух-трех местах изоляторами).
Если точки закрепления антенны определены "местной обстановкой", а у радиолюбителя нет желания заниматься расчетами, то можно воспользоваться и таким простым правилом:
надо стремиться к тому, чтобы максимальное количество провода было расположено как можно выше (и, как будет ясно из дальнейшего, подальше от деревьев, стен и т. п.). Ну а уж действующая высота — какая получится!
Разобравшись с первым сомножителем "основного параметра" — произведения действующей высоты на силу тока в антенне, рассмотрим, от чего зависит второй сомножитель — сила тока в антенне, и как ее сделать побольше. Конечно, сила тока зависит от мощности передатчика. Но не только. Еще она зависит от активной части входного сопротивления R, которая, в свою очередь, есть сумма сопротивления потерь Rп и сопротивления излучения Rизл, как показано на эквивалентной схеме рис. 2.
Puc.2
Сопротивление излучения (в омах) на частоте 136 кГц определяется по формуле Rизл = 0,00033hд2 и для радиолюбительских антенн составляет обычно не более нескольких десятых долей ома. В подавляющем большинстве случаев сопротивление потерь намного больше сопротивления излучения. Собственно, именно поэтому получается низкий КПД, равный Rизл/(Rизл + Rп). В этих условиях ток в антенне зависит в основном от сопротивления потерь, а сопротивление излучения на ток почти не влияет.
Именно в таком соотношении сопротивления потерь и сопротивления излучения заключается причина радикального отличия ДВ и KB антенн. На KB, где сила тока в антенне определяется в основном сопротивлением излучения, не имеет значения сама величина этой силы тока. Антенна может "питаться током" или "питаться напряжением", сила тока будет разная, а мощность излучения — одинаковая. На ДВ ситуация принципиально другая. Сила тока в антенне определяется сопротивлением потерь, а излучаемая мощность пропорциональна квадрату силы тока. Поэтому необходимо стремиться сделать силу тока как можно больше, для чего надо сделать как можно меньше сопротивление потерь.
Если сопротивление потерь в антенне Rп известно, то при известной выходной мощности передатчика Р легко найти силу тока I в антенне: I =Sqr(P/Rп).
Сопротивление потерь складывается из омического сопротивления провода антенны, активной части сопротивления удлинительной катушки, сопротивления заземления и так называемого сопротивления потерь окружения (enviroment loss). Последнее связано с потерями энергии за счет токов, наведенных в окружающих предметах (домах, деревьях и т. п.).
Сопротивление медного провода антенны диаметром не менее 2 мм обычно весьма мало и его можно не учитывать. Исключением может быть случай, когда горизонтальная часть антенны (емкостная нагрузка) очень длинная (сотни метров) и выполнена в виде одного тонкого провода. Остальные составляющие сопротивления потерь намного больше.
Сопротивление потерь удлинительной катушки уже существенно, особенно при невысокой добротности. Добротность — это отношение реактивного (индуктивного) сопротивления катушки на данной частоте к сопротивлению потерь. Последние складываются из потерь в магнитопроводе, каркасе и проводе. В передающих ДВ антеннах не используют катушки с магнитопроводом, что связано с большими токами, при которых трудно избежать его насыщения. Потери в диэлектрике каркаса обычно малы, тем не менее справедлива рекомендация: чем меньше материала идет на каркас, тем лучше. Разумеется, желательно использовать высококачественный диэлектрик.
Но ВЧ ток течет в основном по поверхности провода (скин-эффект) и поэтому сопротивление оказывается существенно больше, чем на постоянном токе или на звуковых частотах. Во многих книгах можно найти формулу для удельного (в Ом/м) сопротивления медного провода с учетом скин-эффекта: Rуд = (0,084/d)Vt где d — диаметр провода в мм; f — частота в МГц. Казалось бы, можно сосчитать удельное сопротивление провода катушки по этой формуле, умножить на длину провода и получить сопротивление потерь в катушке. К сожалению, кроме скин-эффекта есть еще и эффект близости, приводящий к тому, что сопротивление провода в катушке оказывается существенно больше сопротивления прямолинейного провода. Из-за влияния витков друг на друга ток течет не равномерно по всей поверхности провода, а в основном по части поверхности, обращенной внутрь катушки. Следовательно, меньше эффективная поверхность — больше сопротивление.
По результатам исследования, проведенного автором, из-за эффекта близости сопротивление провода однослойной катушки возрастает в 1 + 4,9(d/a)2 раз, где d — диаметр провода; а — шаг намотки. Если шаг намотки сделать маленьким (намотка виток к витку), индуктивность катушки на один виток станет больше, витков понадобится меньше, уменьшится и длина провода. Но зато существенно возрастет эффект близости. Если сделать большой шаг намотки, увеличение сопротивления за счет эффекта близости будет меньше, но зато придется намотать больше витков и станет больше длина провода. Оказывается, есть оптимум, который наблюдается при шаге намотки примерно в два раза больше диаметра провода. Другими словами, зазор между витками должен примерно равняться диаметру провода.
(Окончание следует}
Радио 8,9 2002.