Диапазон 160 метров, выделенный начинающим коротковолновикам для освоения азов любительской радиосвязи, имеет одно крупное преимущество перед другими диапазонами и один крупный недостаток. Преимущество состоит в том, что изготовить и отладить приемно-пере-дающую аппаратуру на этот диапазон проще, чем на другие диапазоны. Это очень важно для начинающего коротковолновика. Но изготовив передатчик или трансивер, он тут же сталкивается с основным недостатком этого диапазона - сложностями в изготовлении антенн. Справедливости ради надо сказать, что с этой проблемой сталкиваются все коротковолновики (независимо от категории их радиостанций и опыта работы в эфире), решившие поработать на диапазоне 160 метров.
Дело в том, что передающая антенна обеспечивает высокий коэффициент полезного действия, если ее размеры сопоставимы с рабочей длиной волны. Скажем прямо, возможность подвесить нормальный полуволновой диполь на этот диапазон имеют очень немногие радиолюбители. Во-первых, для этого необходим свободный пролет между домами не менее 80 м. Во-вторых, для питания этой антенны потребуется коаксиальный кабель примерно такой же длины. И так далее...
Возможное решение проблемы антенны диапазона 160 метров - использование проволочной антенны длиной около 40 м, питание которой осуществляется с одного из концов. Такую антенну можно рассматривать как своеобразный аналог хорошо известного четвертьволнового штыря (GP - Ground Plane).
Антенное полотно имеет вертикальный или наклонный отрезок и горизонтальный отрезок (рис. 1, а, б). Соотношение между этими двумя частями антенного полотна произвольное. В частности, полотно может вообще неиметь перегибов и идти, например, от окна комнаты, где находится радиостанция, прямо на высокое дерево или край крыши соседнего дома. Суммарная длина отрезков А и Б для варианта антенны по рис. 1,а-38 м, а по рис. 1,6 - 43 м.
Первый вариант антенны (рис. 1 ,а) при длине отрезка А=10 м имеет входное сопротивление около 10 Ом. Для ее согласования с 50-омным питающим кабелем используется LC-контур. Конденсатором С добиваются резонанса антенны на рабочей частоте, а подбором положения отвода на катушке L - оптимального согласования питающего фидера с антенной. Контрол ировать резонансную частоту антенны лучше всего с помощью гетеродинного индикатора резонанса, связанного с катушкой L. Согласование фидера с антенной контролируют с помощью измерителя КСВ.
Второй вариант антенны (рис. 1 ,б) имеет более высокое значение активной составляющей входного сопротивления (при длине А= 10 м около 50 Ом), но у него есть и реактивная составляющая. Ее компенсируют переменным конденсатором С. Резонансную частоту этой антенны устанавливают подбором длины полотна.
При выборе варианта антенны следует учитывать два фактора. Второй вариант исполнения этой антенны имеет более высокое входное сопротивление, и, следовательно, она из-за меньшего влияния потерь в «земле» будет более эффективна. Но она и более трудоемка в настройке, так как может потребоваться подбор оптимальной длины полотнаантенны. Впрочем, эту операцию проводят всего один раз.
Для эффективной работы любого из этих двух вариантов антенны необходимо иметь хорошую «землю». В большинстве случаев у радиолюбителя нет возможности установить полноразмерный противовес длиной около 40 м (это было бы идеальным решением). Однако установить противовес длиной в несколько метров возможность есть всегда. Его можно протянуть, например, вдоль стены здания от окна к балкону или между окнами. Для того чтобы такой короткий противовес работал на диапазоне 160 метров, между ним и корпусом передатчика (трансивера) надо включить катушку индуктивности (рис.1,в). Ее индуктивность (она, естественно, зависит от длины противовеса) рассчитывают по программе, написанной для GW-BASIC
10 INPUT«A=»;A
20 INPUT «D=»; D
30 INPUT «F=»; F
40 X=LOG(2000*A/D)-1
50 Y=(F"A/73.1)^2-T
60 Z=3.28*A
70 L=-1490/F^2"(X"Y/Z)
80 PRINT «L«»;L
90 STOP
При запуске программа запрашивает длину противовеса А (метры), диаметр провода противовеса D (миллиметры) и рабочую частоту F (мегагерцы). Результат расчета - значение индуктивности катушки L (микрогенри). Контрольные цифры для проверки правильности введения программы: если А=5 м, D=2 мм, a F=1,8 МГц, то 1=207.5963 мкГн. На практике надо найти такой вариант подвески противовеса, чтобы его длина была как можно большей.
Из-за близости стен к полотну противовеса реальное значение индуктивности катушки скорее всего будет отличаться от расчетного. Вот почему катушку лучше сразу выполнить с отводами и экспериментально подобрать точку подключения к ней противовеса. Можно эту процедуру упростить, включив последовательно с катушкой переменный конденсатор емкостью около 200 пФ. Этим конденсатором противовес настраивают на рабочую частоту. Оптимальную настройку противовеса определяют по минимуму тока в подключенном к корпусу радиостанции вспомогательном противовесе длиной несколько метров. Вблизи от корпуса в него включают простейший высокочастотный миллиамперметр (рис. 1 ,г).
Первичная обмотка трансформатора Т1 высокочастотного миллиамперметра - провод противовеса, пропущенный внутри кольцевого магнитопровода. Вторичная обмотка трансформатора содержит десять витков провода диаметром 0,3 мм. Магнитопровод может иметь внешний диаметр 5-15 мм и начальную магнитную проницаемость от 20 до 1000. Диод VD1 - любой высокочастотный.
Отладив таким образом антенну и противовес, надо попробовать подключить к корпусу передатчика арматуру дома (если он железобетонный), систему отопления и водоснабжения. Это может увеличить эффективность антенны.
РЕКОМЕНДУЕМ ПОЧИТАТЬ:
Антенны на диапазон 160м.-Радиоежегодник. - М.: ДОСААФ, 1983, с. 66-73.
Простая антенна с искусственной «землей». - KB журнал, 1997, ? 2, с. 16,17.
Простая антенна с искусственной «землей». - KB журнал, 1997, ? 3. с. 37.
XUSE ОМ! - KB журнал, 1997, ?4. с. 47.
Коротковолновые антенны. - Радиоежегодник. - М.: ДОСААФ. 1985, с. 165-177.
Степанов Б. Антенна «укороченный диполь». - Радио. 1987, ? 5, с. 19,20.
Радиолюбительские антенны
Антенны на диапазон 160 м
"Скажи мне, что у тебя на крыше, и я скажу тебе, кто ты!"
И действительно: то, какую антенну выбрал коротковолновик, как он ее настроил и согласовал, определяет, как правило, общий "Коэффициент полезного действия" радиостанции, ее "дальнобойность".
Наибольшие трудности вызывает у радиолюбителей создание антенных систем на низкочастотные КВ диапазоны и особенно на диапазон 160 м. Ведь для эффективной работы антенны длина ее излучающей части должна быть сравнима с длиной волны. Для диапазона 160 м это означает, что излучатель должен иметь длину по крайней мере 30...40 м. Да и удалять ее от "земли", в частности - от металлической крыши здания, следует примерно на такое же расстояние.
Выполнить полностью эти требования обычно не представляется возможным, поэтому радиолюбители вынуждены искать компромиссные решения, идти, например, на заведомое снижение эффективности антенной системы, лишь бы ее установка была реальной в конкретных условиях дома, где проживает коротковолновик.
Для диапазона 160 м лучше всего подходят симметричные антенны типа полуволнового диполя или различных модификаций рамок, имеющих периметр длиной в длину волны ("Квадрат", "Delta Loop" ). Практически такие антенны можно устанавливать только между домами, причем в этом случае средняя высота их подвеса должна составлять не менее 20...30 м. При меньших высотах из-за влияния "земли" антенна будет излучать радиоволны к горизонту и, следовательно, будет недостаточно эффективна при проведении дальних связей.
Длину l (в мм) излучающей части полуволнового диполя (рис.1) рассчитывают по формуле:
l = 142,5/f.
f - резонансная (рабочая) частота антенны в МГц. Если предполагается работать как телефоном, так и телеграфом, то резонансную частоту антенны следует выбрать близкой к середине диапазона (например, 1,9 МГц). Если же работа будет вестись в основном только одним видом излучения, то ее целесообразно выбрать близкой к середине соответствующего участка любительского диапазона.
Рис.1. Симметричная антенна полуволновой диполь
Следует отметить, что на практике длина излучателя может заметно отличаться от расчетной из-за влияния окружающих предметов. Вот почему при изготовлении антенны первоначальную длину излучателя надо взять с некоторым запасом, а затем, в процессе настройки, уточнить ее.
Входное сопротивление диполя около 75 Ом, поэтому для его питания следует использовать коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом. Однако здесь вполне допустимо применение 50-омного кабеля. Во-первых, весьма вероятно, что входное сопротивление диполя при реальных высотах подвеса будет ниже 75 Ом, а во-вторых, такое незначительное рассогласование антенны с фидером (КСВ до 2) практически не влияет на ее эффективность.
Собственно излучатель выполнен из медного канатика диаметром 2...3 мм. Для того чтобы исключить обрыв коаксиального кабеля в месте его подключения к излучателю необходимо кабель 5 жестко прикрепить (например, U-образными хомутами) к Т-образному изолятору 4, который изготавливают из текстолита толщиной не менее 3 мм. Часть изолятора, которая работает на растяжение, усиливают текстолитовым бруском 6 размерами 15х25х100 мм. Оплетку и центральную жилу коаксиального кабеля припаивают к плечам 2 и 3 излучателя.
Настраивают антенну по измерениям КСВ в полосе частот. Из этих измерений находят резонансную частоту антенны, т.е. частоту, на которой КСВ минимален. Если она меньше (больше) заданной, то диполь укорачивают (удлияют). Величину, на которую надо укоротить или удлинить каждое из плеч диполя, определяют по формуле:
Здесь f2 - частота, на которую должна быть настроена антенна, а l` и f1 -
соответственно первоначальная длина диполя и его резонансная частота.
В реальных условиях плечи диполя можно устанавливать под некоторым углом,
несколько меньшим 180 градусов, и даже изгибать каждое из плеч
(рис.2).
Рис.2. Антенна полуволновой диполь с изгибом плеч
Входное сопротивление антенны при этом несколько понижается, поэтому такие антенны целесообразно соединять 50 Ом коаксиальным кабелем. Изменится также и диаграмма направленности, которая для классического диполя имеет вид "восьмерки". Настройка этой антенны немного сложнее, поскольку влияние окружающих ее предметов сказывается обычно сильнее. Для того чтобы не "проскочить" резонансную частоту, укорачивать плечи диполя здесь следует постепенно, шаг за шагом. Этот вариант установки диполя, естественно, компромиссный, но он позволяет при незначительном снижении эффективности антенны "привязать" ее к конкретным местным условиям.
Длину излучающей части диполя можно уменьшить почти вдвое, если ввести в каждое ее плечо по "удлиняющей" катушке (рис.3).
Рис.3. Антенна полуволновой диполь с удлинняющими катушками
Чтобы не снижать существенно коэффициент полезного действия антенны, "удлиняющие" катушки должны иметь малые собственные потери, т.е. высокую (примерно 150) добротность. Кроме того они должны быть надежно защищены от воздействия атмосферной влаги.
Питание на эту антенну подают 50 Ом коаксиальным кабелем. При указанных на рис.3 размерах излучающей части катушки L1 и L2 должны иметь индуктивность около 70 мкГ. Их можно выполнить на каркасах диаметром 40 мм и длиной 80 мм, на которые наматывают по 65 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,2 мм (намотка рядовая, виток к витку). Если в распоряжении радиолюбителя имеются другие каркасы, то требуемое число витков можно оценить по формуле:
Здесь L - индуктивность катушки в мкГ; D и l - диаметр и длина катушки в см; n - количество витков. Поскольку намотка рядовая, то l = nd, где d - диаметр провода катушки в см. Необходимую резонансную частоту антенны устанавливают подбором длины внешних (14-метровых) отрезков каждого плеча.
Укороченный диполь вполне можно установить на крыше одного здания, модифицировав его в антенну типа "Inverted V" (она показана на рис.3 ). Для установки такой антенны требуется только одна мачта высотой около 15 м. Плечи диполя выполняют одновременно и функции двух (из требуемых четырех) оттяжек для крепления мачты. Как уже отмечалось, при такой высоте подвеса диполь излучает в основном под большими углами к горизонту. Однако даже с учетом этого недостатка описанная укороченная антенна IV может оказаться эффективнее несимметричных антенн, о которых речь пойдет ниже.
Недостатком всех несимметричных антенн (к ним относятся разнообразные "проволочные" антенны типа "Long Wire" , а также вертикальные излучатели типа "Ground Plane" ) является необходимость иметь хорошую "землю", т.е. заземление (в радиотехническом смысле этого слова). Реализовать хорошее заземление в городах практически невозможно, поэтому радиолюбитель, если он решает (или его заставляют обстоятельства) установить антенну с несимметричным питанием, должен позаботиться о хороших противовесах.
Входное сопротивление большинства несимметричных антенн лежит в пределах 10...30 Ом, а для укороченных антенн может составлять единицы Ом и даже доли Ома. Между тем сопротивление потерь для распостраненной системы из трех противовесов под углом 120 градусов друг к другу составляет примерно 30 Ом. Таким образом, при использовании противовесов более половины мощности, отдаваемой передатчиком, бесполезно теряется. Для эффективной работы несимметричной антенны количество противовесов должно быть 10...12, причем совсем не обязательно, чтобы все они имели длину четверть длины волны (рис.4а).
Рис.4а. Размещение противовесов по кругу
Дело в том, что наибольшее значение плотности токов ВЧ - непосредственно у основания антенны, именно здесь надо иметь наибольшее суммарное сечение проводников противовесов. Если противовесы нельзя установить по кругу (обычно дело обстоит именно так), то их следует разместить, как показано на рис.4б.
Рис.4б. Размещение противовесов неравномено
На рис.5 приведены два варианта Г-образной антенны для диапазона 160 м. Питание на обе антенны подают коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом. Соотношение между длинами отрезков А и Б может быть выбрано произвольным, важно лишь, чтобы их суммарная длина составляла 38 м для варианта а и 43 м для варианта б.
Рис.5а. Г-образная антенна с входным сопротивление 10 Ом
Антенна на рис.5а
при длине
отрезка А=10 м имеет входное сопротивление около 10 Ом. Катушка L1 имеет
индуктивность 13 мкГ. Она выполнена на каркасе диаметром 50 мм и содержит 20
витков медного голого провода диаметром 0,8...1,0 мм. Длина намотки 50 мм. При
мощности передатчика до 10 Вт в качестве конденсатора С можно использовать блок
конденсаторов от лампового радиовещательного приемника. Настраивают антенну
сначала конденсатором С, добиваясь последовательного резонанса на рабочей
частоте (устанавливают по максимальной нагрузке антенной передатчика). После
этого подбирают положение отвода на катушке L1 по минимуму КСВ.
Антенна, показанная на рис.5б
, имеет
активную составляющую входного сопротивления около 50 Ом, если длина отрезка
А=10 м.
Рис.5б. Г-образная антенна с входным сопротивление 50 Ом
При настройке этой антенны сначала компенсируют конденсатором С реактивную составляющую входного сопротивления (она имеет индуктивный характер), а затем подбирают длину антенны по минимуму КСВ, каждый раз подстраивая конденсатор С. Из-за большого входного сопротивления эта антенна работает эффективнее, чем изображенная на рис.5а , но последняя проще в настройке, так как не требует тщательного подбора общей длины антенны.
В частном случае любая из этих двух антенн может начинаться непосредственно у передатчика и проходить через оконную раму на ближайший дом или какое-нибудь дерево. В этих условиях создать разветвленную систему противовесов практически невозможно, поэтому корпус передатчика надо присоединить короткими проводниками к трубам водоснабжения, отопления и к арматуре балкона (если дом железобетонный). Кроме того, такую систему "заземления" следует дополнить хотя бы одним противовесом максимально возможной длины (но не менее 5 м). Этот противовес может быть растянут на внешней стороне балкона или вдоль стены дома. К корпусу передатчика его подключают через катушку (рис.6) , индуктивность которой следует установить экспериментальным путем по минимальной величине ВЧ напряжения на корпусе передатчика (исходное значение индуктивности 200 мкГ).
Рис.6. Подключение противовеса
Это напряжение можно регистрировать простейшим ВЧ вольтметром (рис.7) , который подключают к корпусу только одним выводом.
Рис.7. Измерение высокочастотного напряжения на корпусе передатчика
Если радиолюбитель имеет возможность сделать хорошую систему противовесов, то для проведения дальних связей все же лучше установить пусть укороченную, но вертикальную антенну типа GP. Вполне приличные результаты можно получить с антеннами, имеющими высоту до 15 м.
Один из вариантов такой антенны показан на рис.8. Она состоит из вертикального излучателя (мачты) длиной 12 м, изолированного у основания от "земли". Излучатель представляет собой металлическую трубу. Он имеет так называемую верхнюю емкостную нагрузку, которая образована четырьмя проводами длиной по 15 м. Угол между этими проводами (они одновременно играют роль оттяжек) и трубой должен быть 90 градусов. Питание в антенну подают коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом. При небольшой длине фидера целесообразно не устанавливать у основания антенны никаких согласующих элементов (при этом отпадает нужда в их герметизации), а работать со стоячей волной в кабеле. В этом случае обязательным является наличие на радиостанции отдельного антенного согласующего блока у передатчика, так как возможностей по согласованию у его выходного контура (обычно П-фильтра) может не хватить.
Рис.8. Вертикальная антенна типа GP
Антенна, показанная на рис.9 , имеет полную высоту около 13,5 м. Укорачивание в ней достигнуто за счет включения "укорачивающей" катушки L1 подобно тому, как это делалось в укороченном диполе, о котором рассказывалось раньше. Эта катушка должна обладать индуктивностью около 160 мкГ. Ее наматывают медным голым проводом диаметром 70 мм. Она имеет 90 витков. Длина намотки 220 мм, а полная длина вставки в трубу - 300 мм. Индуктивность согласующей катушки L2 около 10 мкГ (20 витков такого же провода, намотанного на каркас диаметром 40 мм, длина намотки 50 мм).
Рис.9. Антенна с "укорачивающей" катушкой
Настраивают эту антенну на рабочую частоту с помощью гетеродинного индикатора резонанса (подбором длины верхней секции антенны и, если этого недостаточно, - подбором числа витков катушки L1). Затем по минимуму КСВ подбирают положение отвода на катушке L2. Как и все другие укороченные излучатели, эта антенна узкополосна, ее следует настраивать на тот участок диапазона, где чаще всего ведется работа.
При тех трудностях, с которыми связана установка антенн, о направленных
передающих антеннах на НЧ диапазоны, и особенно на диапазон 160 м, можно только
мечтать. Но вот для приема такие антенны реализовать относительно нетрудно.
Обычно они представляют собой рамки, состоящие из одного или нескольких витков.
Рамочные антенны имеют два четко выраженных минимума при приеме сигнала,
направленные перпендикулярно ее плоскости. Подавление сигналов с этих
направлений может достигать примерно 30 дБ (пять баллов по шкале S!). Это дает
возможность "убрать" помеху: сигналы другой любительской станции, гармонику от
средневолновой вещательной радиостанции и т.д.
Возможный вариант выполнения рамочной антенны показан на
рис.10.
Рис.10. Рамочная антенна
Она состоит из трех витков (в форме квадрата со стороной 1,5 м), образующих собственно рамку, и одного витка связи. Диаметр и марка провода некритичны, в частности, подойдет и обычный монтажный провод. Рамка помещается в электростатический экран, разомкнутый в верхней части. Экран можно выполнить из оплетки коаксиального кабеля, а в целом рамку закрепить на крестовине из дерева. Настраивают рамку на рабочую частоту конденсатором С, который должен быть надежно защищен от атмосферной влаги. К приемнику рамку подключают с помощью коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом.
"Радиоежегодник" 1983 год
Комментарии к статье:
| Добавил: Сергей | |
|
|
| Дата: 2012-07-23 |
| Добавил: Сергей |
| Дата: 2012-01-07 |
Увлёкшись разработками антенн City Windom, а именно методикой питания с конца привычной всем «американки», мы разработали новую модель и придали ей название CW160.1000, что означает City Windom от 160 метров на мощность до 1000 Ватт. Её прародительницей явилась модель City-Windom 801000 – усиленный и более мощный вариант предыдущих моделей. Следующим нашим шагом стало удлинение этой антенны вдвое, что добавило ей диапазон 160 метров и, наконец-то, появился гармоничный ей диапазон 21 метр. Теперь, если Вы житель верхних этажей многоэтажки, у Вас есть возможность получить 8-ми диапазонную высокоэффективную полноразмерную антенну. Её колоссальным преимуществом является то, что питать её можно непосредственно фидером прямо от вашего окна или балкона, тут же закрепив одну точку антенны. Вторая точка крепления может находиться на соседнем здании или дереве примерно в 85 метрах. Усиленная тросам конструкция обеспечивает высокую устойчивость к обледенениям и ураганным ветрам. А применение ТДЛ (трансформаторов на длинных линиях), фторопластовых кабелей и ферритовых сердечников большого сечения позволяет использовать высокую выходную мощность до 1 кВт. Тем не менее, период работы на передачу оказался недостаточным, ферриты все равно перегревались. Поэтому для этой антенны 1000 Вт-это предельная мощность, и допустима работа на передачу не более 1 минуты. В длительном режиме допускает мощность 300 ватт при отношении времени передачи к времени приёма не менее 1:3. Многолепестковая диаграмма направленности на ВЧ диапазонах повышает эффективность на некоторых трассах.
Типовой график КСВ антенн CW160.1000 и CW160.1000.LTДиаграммы направленности антенн CW160.1000 и CW160.1000.LT в горизонтальной плоскости |
Еще вариант - ёмкостная нагрузка и, в качестве компенсации реактивности сильно укороченного вертикала подстроечный конденсатор в основании антенны. Два очень серьёзных недостатка: тот самый конденсатор, который придётся набирать при настройке, и собственно ёмкостная нагрузка. Она должна быть максимально близка к металлическому диску диаметром 2,5 метра. Конструктивно это квадрат со стороной 2,3 метра, растянутый на подвесках, к центру которого идут 25 проводников от периметра, а в центре подключен сам вертикал. Это может быть и треугольник, но площадь его должна быть около 7 квадратных метров.
Видимо от отчаяния при рассмотрении вопроса о такой громоздкой ёмкостной нагрузке, W8GDQ перенёс центр тяжести на землю - в основание штыря. В связи с тем, что длина антенны резонансные четверть волны - 41,75 метра, для согласования понадобился ёмкостной делитель и, как следствие, компенсатор в виде индуктивности в 2,9 микрогенри. Недостатки очевидны, а в плюсах только высокая эффективность излучения, тоесть КПД. Но не стоит обольщаться: у штыря в самом хорошем варианте КПД не более 33 процентов. Но если бы мне пришлось выбирать между одним из последних двух вариантов, я бы выбрал последний. Несмотря на то что понадобиться высота подвеса в 42 метра. Я бы его изогнул на доступной высоте:-) Зато выигрывал бы при приёме в соотношении сигнал/шум.
