МАЛОГАБАРИТНА АНТЕНИ Переносна станція СВ ЗВ'ЯЗКУ

(Частина 1) І. ГРИГОРОВ (RK3ZK, UA3-113), 308015, Білгород-15, а / с 68.

ВСТУП

Широке поширення пересувної зв'язку на 27 МГц гостро ставить питання про антени для таких засобів зв'язку.

Це питання ускладнюється тим, що використання четвертьволнових антен, – довжина яких складає для діапазону 27 МГц 2,7 метра, у багатьох випадках неприйнятно. Використання укорочених антен пов'язано з цілим рядом.спеціфіческіх питань, які в популярній літературі не розглянуто, але при незнанні яких ефективність засобів СВ-зв'язку може істотно погіршитися.

Для переносних СВ-радіостанцій в основному використовуються несиметричні штирові антени. Це пов'язано з тим. що антени інших типів просто практично неможливо використовувати з таким типом радіостанцій.

1. РОБОТА ЕЛЕКТРИЧНО КОРОТКИХ АНТЕНА Переносна станція

Електрично коротка антена складається як із самої антени, яка включає випромінюючий елемент, так і з елементів системи його узгодження і системи його заземлення. Відповідно до нього загальний опір антени Ra складається з опору штиря (Rш) і опору його заземлення (Rз) (рис.1).

Входить у формулу і "опір середовища" Rср. яке зменшується при збільшенні кількості противаг і довжини антени.

Ra = Rш + Rз + Rcp

Корисна ВЧ енергія розсіюється на Rш, тому потрібно прагнути до зменшення величин Rз і Rсp. У загальному випадку за допомогою спеціальних методів можна заміряти опір "землі", але для практики можна прийняти, що опір корпусу СВ радіостанції довжиною 20 … 30 см, що використовується як противаг, котрі три цієї формули становить величину не менше 150 … 300 Ом.

Контакт з рукою людини неістотно змінює ну величину. Але підключення резонансного четвертьволнового противаги довжиною 2,7 метра знижує опір землі Rз. Вже один противагу зменшує опір Rз приблизно до величини не більше 50 … 60 Ом. а за наявності трехчетирех противаг можна вважати Rз знехтувати малою величиною 5 … 10 Ом. Опір середовища визначається взаємодією штиря антени з його "земляний" системою. Якщо в повнорозмірній четвертьволновой штирьовий антени ця взаємодія відбувається у великому просторі і має незначну внаслідок цього величину, то в укорочених антенах електромагнітну взаємодію короткої антени з коротким противагою відбувається г в обмеженому обсязі простору. Причому будь-яке втручання в цей обсяг суттєво змінює опір середовища, і. отже, значно впливає на параметри такої антенної системи. Причому в такій антеною системі з укороченими елементами істотне збільшення одного з них. наприклад штиря до величини четвертьволнового, або противаги, не викликає істотного зниження Rcp. І тільки збільшення (тобто подовження) як штиря, так і противаги викликає падіння Rcp.

Вже з цього можна зробити висновок, що опір короткої антени СВ-станції – величина не постійна, а змінна, яка, зокрема, залежить від положення сторонніх предметів (у тому числі і оператора) щодо антени.

У загальному випадку добре узгоджена антена під впливом цих чинників може повністю неузгоджені.

З цього випливає, що вихідний каскад передавача СВ-радіостаіціі повинен бути побудований так, щоб таке неузгодженість істотно не впливало на його роботу, і щоб при усуненні причин неузгодженості вихідний каскад продовжував нормально функціонувати. Для цього необхідно, щоб вихідний транзистор мав 3 … 4-кратний запас по потужності. Необхідний також компромісний варіант узгоджуючої ланцюга П-контура. допускає роботу на комплексну змінну навантаження. Необхідно усунути самозбудження при зміні параметрів антени. Вже ці вимоги. пропоновані до вихідних каскадам СВ переносних станцій, показують, що підходити до їх конструювання стоїть дуже серйозно. Для пересувної автомобільної радіостанції, що працює на стаціонарну автомобільну антену, вимоги до РА набагато нижче. Це обумовлено використанням в якості противаги корпусу автомобіля, який є гарною "землею" для СВ-антени. Штир, який використовується для автомобільної СВ-антени. має довжину близько метра, а в багатьох випадках та довшим. Це створює передумови для роботи автомобільної антени з набагато більшим ефектом, ніж антени переносний станції. Суттєвим є і те, що в зоні взаємодії струмів зміщення в системі "штир антени – противага "немає сторонніх предметів, що робить Rсp для таких антен стабільніша, ніж в переносних станціях.

З усіх існуючих типів антен СВ переносних станцій можна виділити дві групи – резонансні і нерезонансні антени. Серед штирьовим укорочених антен з групи резонансних можна виділити спіральні антени й штирові антени, подовжені індуктивністю. Серед нерезонансні штирьовим антен доцільно використовувати лише один тип – короткий штир у складі вихідного резонансного контуру. У цьому випадку штир є контурним конденсатором з розподіленою ємністю.

2. Спіральні антени

Спіральну антену можна розглядати як відкритий спіральний резонатор [1]. У цьому випадку сама антена є спіральним резонатором, ланцюг узгоджувального контуру передавача – продовження спірального резонатора і входить в ланцюг її порушення, а зовнішній простір можна розглядати як нескінченно віддалений екран (рис.2).

рис.2

Справедливість цих тверджень легко перевіряється практично. Так, при зміні параметрів узгоджуючої ланцюга змінюється резонансна годину Юта антенної системи. Навіть дуже незначна зміна кінцевий ємності антени сильно міняє її резонансну частоту [2]. І спіральні антени сильно схильні до впливу сторонніх предметів. Вже наближення руки на відстань 20 см призводить до неузгодженості антени з передавачем, тому що з-зa зміни кінцевий ємності змінюється її резонансна частота. Тут доречно проводити настроювання за методом, запропонованим в [3]. Він полягає в тому, що спіральну антену налаштовують так, що при наближенні руки (або з-за іншого рассогласующего впливу) напруженість поля сигналу зростає, а потім зменшується. У даному випадку антена налаштована не точно в резонанс, а трохи осторонь від нього.

Як показують вимірювання напруженості поля, в цьому випадку напруженість поля становить близько 85% від напруженості поля при точному резонансі. Зате при випробуванні радіостанції з антеною, налаштованої в резонанс, і з антеною, налаштованої на скат характеристики антени, переваги останньої очевидні. Так, при використанні станції з резонансною антеною в процесі радіозв'язку при наближенні антени до людини відбувалися значні коливання напруженості поля. При використанні ж радіостанції з антеною, налаштованої на скат характеристики, рассогласующее вплив людини виявлялося набагато слабкіше і коливання напруженості поля було незначним. Виходячи з цього, можна рекомендувати налаштовувати спіральні антени за методом, запропонованим в [З]. Лише у разі, якщо галактика антена працює в умовах, де виключений вплив рассогласующіх факторів, можна настроювати антену по максимуму напруженості поля.

При вимірі напруженості поля, яке забезпечується спіральної антеною і штирьовий антеною з подовжуючі котушкою, виявилося, що налаштована в резонанс штирові антена довжиною не менш ніж у три рази більшою. ніж випробувана галактика антена, забезпечила таку ж напруженість поля. З цього можна зробити висновок, що в переносних станціях найбільш оптимальним варіантом антени є спіральна, яка міцніше і простіше в конструкції, ніж така ж але параметрами штирові антена. При цьому необхідно учтивать, що в даному випадку короткий корпус радіостанції є кращою "землею" для спіральної антени, ніж для такий же за параметрами штирьовий. Але галактика Анен. забезпечуючи велику напруженість поля, створює передумови для нестійкої роботи передавача.

Дійсно, при експериментах з'ясувалося, що той же самий передавач, стійко працював з зовнішньою антеною з кабельним харчуванням, при підключенні до нього спіральної антени збуджувався. Лише більше ретельна екранування і підстроювання узгоджуючих контурів дозволила працювати передавача зі спіральною антеною без самозбудження.

Спіральну антену, так само як і шгиревую, можна налаштовувати на робочу частоту за допомогою вкорочують ємності і подовжують індуктивності. Застосування ємності підвищує резонансну частоту антени, а використання індуктивності знижує її. У даному випадку для підвищення ККД антени необхідно, щоб удлиняющая котушка була можливо меншою індуктивності, а коротшають ємність – можливо більшої величини. Застосування таких елементів налаштування дозволяє використовувати спіральну антену в широкому діапазоні частот, посколь-ку, залежно від виконання і якості узгодження смуга пропускання спіральної антени невелика і складає 200 … 300 кГц в діапазоні 27 Мгц.

Є ще один дуже важливий момент при використанні спіральних антен. При підключенні такої анненни через коаксіальний кабель її резонансна частота внаслідок внесення реактивності кабелю в комплексне опір антени і, відповідно його зміни. змінюється і її необхідно підстроїти.

При побудові спіральної антени, як, втім, і будь-який інший укороченою антени, слід звернути увагу ще на одну особливість цієї антенної системи, яка полягає в тому. що при підключенні четвертьволнового противаги дещо змінюється резонансна частота цієї антенної системи. Це можна пояснити тим, що противагу, що має своє Rз, змінює Rсp. Змінюється також і ємність "антена – простір ". Розширюється смуга пропускання спіральної антени приблизно в 1.5 … 2 рази за рахунок зниження її добротності і в той же час – за рахунок більш ефективного випромінювання. В основному, при експериментальному дослідженні частоти резонансу спіралі з четвертьволновимі противагами не виходили за межі смуги пропускання антени. У той же час напруженість поля з четвертьволновим противагою зростав не менше ніж у два рази.

Спіральна антена повинна бути підключена по можливості короткими провідниками до вихідного узгоджуючої контуру. Це дозволяє забезпечити необхідну смугу пропускання і мінімальне паразитне випромінювання сполучної лінії.

3. ПРАКТИЧНІ КОНСТРУКЦІЇ спіральних антен

Нижче розглянуті практичні конструкції спіральних антен, опубліковані в літературі останніх років. Параметри антен були виміряні з допомогою антенноскопа.

Спіральна антена, конструкція якої показана на рис.3, була опублікована в [4]. Випробування даної антени показали, що четвертьволновой ця антена є на діапазоні 21 МГц. Дійсно, спільно з резонансним четвертьволновим противагою опір антени тут склало близько 40 Ом. з невеликою реактивністю.

При підключенні такої антени до трансівер з потужністю 40 Вт через коаксіальний кабель довжиною близько десяти метрів і розташуванні антени в отворі вікна вдалося провести декілька зв'язків на 21 МГц з RST56-58, що ще більше зміцнило мою думку про її дійсному резонансі. Але все ж таки шляхом підстроювання витків і ємності, як показано в [4]. вдалося Установіть, що в діапазоні 27 Мгц можливий її резонанс, відповідний еквівалентної довжині антени в половину довжини хвилі.

Смуга пропускання антени на діапазоні 21 МГц була 200 Гц, на діапазоні 27 Мгц – 250 кГц з четвертьволновим противагою.

Спіральна антена, дані якої наведені на рис.4, відноситься до четвертьволновим антен. За допомогою надбудовна штиря її можна перебудовувати в широких межах – від 26 МГц до 35 МГц. На діапазоні 27 МГц її вхідний Опір з корпусом радіостанції було 1300м і смуга пропускання – 650 кГц. З четвертьволновим противагою 65 Ом. Смуга пропускання була при цьому 800 кГц. резонанс змістився на 200 кГц вгору. Слід зауважити, що даний спосіб регулювання резонансної частоти антени хоча і досить вдалий по своїй простоті й ефективності, але все ж таки знижує добротність спіральної резонатора і, як наслідок цього, знижує ефективність антени. Це виражається в зниженні напруженості поля і в розширенні смуги пропускання антени.

Спіральна антена, наведена на рис.5 [5], при випробуванні на антенноскопе не показала резонанс на діапазоні 27 Мгц і показала четвертьволновий резонанс в діапазоні 21 МГц. Спільно з четвертьволновим противагою її опір тут було 25 Ом при смузі пропускання в 250 кГц. Але при використанні снстеми узгодження наведеної станцій [5] було з'ясовано, що насправді в діапазоні 27 МГц досяжний резонанс. Очевидно, тут резонанс антени відбувається не за рахунок її роботи як четвертьволнового резонатора, а як П-конгура з розподіленою ємністю. У цьому випадку галактика антена еквівалентна системі П-контурів, включених на вихід передавача, ємність яких є ємністю антени на землю. Випромінювання відбувається за рахунок настроювання в резонанс всієї системи П-контурів передавача. Однак вимірювання напруженості поля показали, що в даному випадку використання спіральної антени неефективно. Таку ж напруженість поля може забезпечити налаштована в резонанс з допомогою подовжуючі котушки штирові антена довжиною всього лише в 1,3 рази більше, ніж довжина цієї спіральної антени.

Спіральна антена, показана на рис.6 [6], показала вхідний опір на резонансній частоті діапазону 27 МГц 110 Ом з корпусом станції і 40 Ом з четвертьволновим противагою. Смуга пропускання з корпусом станції була 300 кГц. з противагою – 450 кГц. Завдяки тому. що верхня її частина намотана з розрядкою, вплив тіла людини на налаштування цієї антени не таке сильне, як у випадку суцільної намотування. Підключення четвертьволнового противаги змінювало частоту резонансу на 200 кГц вгору.

Була досліджена антена, що використовується в радіостанції типу "Колібрі-М2". Її конструкція показана на рис.7. У діапазоні 27 Мгц ця антена показала опір 100 Ом і смугу пропускання 300 кГц з корпусом станції, і опір 47 Ом і смугу пропускання 200 кГц з четвертьволновим противагою. Підключення четвертьволнового противаги змінювало частоту резонансу на 120 кГц вгору. Саме антени, показані на рис.5 та 6. забезпечували напруженість поля. порівнянну з напруженістю поля, що розвивається штирьовий антеною з подовжуючі котушкою, з довжиною штиря, в три рази перевищує довжину такий спіральної антени.

Практичний вигляд АЧХ останніх двох антен показаний на рис.8. З цього малюнка видно, що АЧХ антени несиметрична. При підключенні четвертьволнового противаги АЧХ кілька змішається вгору – приблизно на. 100 кГц для діапазону 27 МГц, тим не менше смуга пропускання антени дозволяє їй працювати в СВ-каналах. Знання АЧХ спіральної антени дозволяє правильно налаштовувати її – не на середину робочого діапазону, а трохи вище.

4. ВИГОТОВЛЕННЯ ТА НАСТРОЙКА спіральних антен

У літературі рекомендується виконувати спіральні антени на поліетиленовому сердечнику коаксіального кабелю. Дійсно, це оптимальний варіант матеріалу для такої антени. Кабель для виготовлення спіральної антени бажано використовувати 75-омний, тому що як правило містить одиночний внутрішній провідник, який легко можна витягнути плоскогубцями, затиснувши сам кабель за інший кінець в лещатах. Якщо використовувати для виготовлення каркаса антени 50-омний кабель, який зазвичай має центральний провідник, що складається з декількох мідних проводів, можуть виникнути труднощі з їх видалення.

Найпростіший вихід – це нагріти провідники, пропустивши через них струм у 50 … 100 А за допомогою будь-якого потужного джерела струму. і потім швидко їх висмикнути.

Поліетиленовий каркас має після видалення обплетення шорстку поверхню, що полегшує намотування дроту з натягом. Слід пам'ятати, що галактика антена – це високодобротних система, і якщо її виконати неакуратно, під впливом температури її резонансна частота може вийти за межі діапазону, на який вона налаштована. При дослідженні спіральних антен з'ясовано, що їх резонансна частота зміщується на 50 … 80 кГц вгору при охолодженні їх до температури -15 ° С. Антена має бути щільно обмотана ізолентою, щоб уникнути зміщення витків. а отже, і зміни резонансної частоти. Для цього підходить гнучка ПВХ-ізолента. Липка стрічка типу "скотч" не годиться для цього з-за своєї зайвої жорсткості.

Слід зауважити, що галактика антена це несиметрична система. К. передавача її слід підключати тільки тим кінцем, який вказаний в її описі. При підключенні антен, показаних на рис.6 і 7, іншим кінцем, вони будуть мати вже зовсім інші резонанси, далеко отстящіе від діапазону 27 МГц. Навіть при зміні кінця підключення такий, здавалося б. симетричною антени як на рис.5, відбувається зміщення її резонансу через деякій несиметричність виконання антени.

Конструктивно зручно виконувати її кінець, підключений до передавача, за допомогою роз'єму СР-50 або СР-75. шляхом заплавленія туди пластикової основи антени. Від металевого каркаса роз'єму до початку намотування спіралі повинно бути не менше 12 мм. При виготовленні антени не обов'язково прагнути до використання основи зазначеного діаметра. Відхилення в 2 … 3 мм цілком припустимо. Наприклад можна використовувати замість 7-міліметрової поліетиленової основи 9 мм, також її можна використовувати замість 12 мм. Хоча параметри антени при цьому змінюються, її цілком можна налаштувати на діапазон 27 Мгц.

Налаштовують антени, як і зазначено в описі, шляхом відмотування витків з боку більш щільною намотування. У случак виготовлення всіх описаних тут антен вдалося налаштувати на діапазон 27 Мгц шляхом відмотування частини витків. тобто вони були заздалегідь розраховані на резонансну частоту трохи нижче 27 МГц. Для ефективної роботи антени слід мати гарну "землю" станції, наприклад металевий корпус. Якщо такого немає, необхідно прокласти в зручному місці на всю довжину станції мідну або алюмінієву широку фольгу. Такий противагу дає збільшення напруженості поля приблизно на 15 … 20%, що приблизно так само підвищує дальність зв'язку. У деяких випадках він допомагає прибрати самозбудження передавача.

Розміри спіральної антени можна вважати оптимальними, коли її довжина приблизно на 20% більше довжини корпусу-противаги. Якщо антена менше цієї величини. підвищується вплив на неї тіла людини та інших сторонніх предметів. Подальше збільшення її не викликає такого ж збільшення напруженості поля, простіше використовувати четвертьволновой противага для збільшення дальності зв'язку.

Радіоаматор 7 / 96