Сайт Тамбовских радиолюбителей

\главная\р.л. конструкции\антенны\...

Вседиапазонная КВ антенна VMA-10 NO PROBLEM

Эрнест Гуткин (UT1MA) г.Луганск

  

2. Приложение – свойства и применение реактивной нагрузки в антенном излучателе

 

2.1. Термины – сопротивление, волновое сопротивление.

 

Сопротивление – коэффициент пропорциональности между напряжением и током на данном участке цепи. Например, если входное сопротивление антенны Ra=50 Ом, при любой подаваемой мощности напряжение U на входе антенны в вольтах (В) в 50 раз больше входного тока в амперах (А).

 

В фидерной линии коэффициент пропорциональности называется волновым сопротивлением W. К примеру, в линии с W=75 Ом в любом сечении линии отдельно для прямой и отраженной волн напряжение (В) будет в 75 раз больше тока (А).

 

Проводник антенны также характеризуется волновым сопротивлением Wа. Соотношение между напряжением и током в разных точках проводника разное, для расчетов применяют усредненное значение Wа. При выводе формулы для Wа используют ряд допущений, поэтому существует несколько формул, каждая из которых наиболее точна для своего вида антенн. Для вертикальных несимметричных полноразмерных антенн рекомендуется [4] формула

 

Wа=60[(ln2/d)-1] ,                                                                                 (П.1)

 

а для укороченных [5]

 

Wа =60ln1,15ℓ/d,                                                                                   (П.2)

 

где ℓ - длина и d – диаметр проводника антенны.

 

Wa может быть определено и для отдельных частей антенны по (П.2).

 

Реактивная составляющая входного сопротивления вибратора зависит от длины ℓ и волнового сопротивления Wа

 

Ха = Wа ctg(360°/λ)                                                                              (П.3)

 

Аналогично, для верхнего участка – концевой секции (КС) вибратора XКС=WКСctg(360°КС/λ).

 

Величина активной составляющей входа антенны и вопросы согласования с фидером в данном приложении не рассматриваются.

 

2.2. На рис.5 показаны несколько вибраторов разной конфигурации, расположенных над “идеальной” землей, точки питания А–О.

 

А. Принимаем, что первый (исходный) вибратор А-В имеет резонансную длину ℓ=λ/4.

 

Б. Уменьшить длину вибратора, сохранив его настройку Ха=0, можно за счет применения т.н. емкостной нагрузки ЕН1 (рис.5б). Нагрузка характеризуется емкостным сопротивлением XЕН, которое зависит от количества n проводников ЕН, их длины ℓЕН и диаметра dЕН.

 

В. Еще более короткий вибратор получится при использовании емкостной нагрузки больших геометрических размеров ЕН2 (рис.5в) и, соответственно, с меньшим значением │ХЕН│.

 

Г. Уменьшить величину │ХЕН│ нагрузки можно не только за счет увеличения размеров ЕН, но и искусственно, включив последовательно с ЕН реактивное сопротивление другого знака – индуктивность L c

ХL<│ХЕН│ (рис.5г). К примеру, допустим, что ХЕН1= -j1000 Ом и ХЕН2= -j400 Ом. Если добавить к ЕН1 катушку L c ХL=j600 Ом, получим результирующую нагрузку ХН= -j1000+j600= -j400 Ом. Таким образом, включение индуктивности позволяет с ЕН1 меньших размеров получить эффект большей ЕН2.

 

Однако надо иметь в виду, что вариант Г менее широкополосный, чем предыдущие.

 

Пример: Считаем, что при небольшом 1% изменении частоты все реактивные нагрузочные сопротивления также изменяют свое значение на 1%. В случае понижения частоты получаем   ХЕН1= -j1010, ХЕН2= -j404 и ХL=j594 Ом и новое значение ХН= -j1010+j596= -j414 Ом. Таким образом, при чисто емкостной нагрузке изменение составило всего 4 Ома, а при комбинированной в 3,5 раза больше – 14 Ом.

 

Д. На вибраторе  А-В (рис.5а) можно условно выделить концевую секцию (КС) В-С. Из условия равенства настроек вибраторов (рис.5а и 5б) следует, что ХКСЕН1. Следовательно, роль ЕН1 может выполнять и одиночный вертикальный штырь (КС), включенный выше катушки L (рис.5д). Отличие КС от ЕН состоит в том, что КС участвует в излучении, повышая тем самым эффективность вибратора. Во многих случаях применение КС более рационально, чем ЕН, т.к. на КС требуется, как правило, меньше материала и получается более простая конструкция.

 

Входное ХКС по известным геометрическим размерам определяется с помощью формул (П.2) и (П.3), возможна и обратная задача – по известному значению ХКС найти её геометрические размеры, здесь возможны варианты.

 

Е. При равенстве (по абсолютной величине) обеих частей нагрузки ХL=│ХКС│ получится вибратор на рис.5е.

 

Ж.  Если пойти дальше и задаться нагрузочной цепью с ХL>│ХКС│, для сохранения  резонанса размер вибратора придется увеличить до ℓ>λ/4 (рис.5ж).

 

Физика процессов в рассмотренных вариантах заключается в следующем. В резонансном вибраторе длиной ℓ=λ/4 (рис.5а) поступившая из фидера очередная порция тока при движении сохраняет фазу неизменной и только в момент отражения от конца вибратора испытывает скачок фазы на 180О. Изменение фазы вновь поступающего из фидера тока, к моменту возвращения отраженного, также достигнет 180О, т.е. фазы обоих токов совпадут, что и составляет суть резонанса.

 

При реактивной нагрузке на конце вибратора также произойдет отражение тока. Если нагрузка емкостная, фаза отраженной волны будет меньше 180О (ток через емкость опережает напряжение), в результате для сохранения резонанса длину вибратора придется уменьшить на величину Δ1 (т.е. уменьшить время движения волны по вибратору). Этот вариант иллюстрируется рис.5б,в,г. И, наоборот, если нагрузка индуктивная, фаза отраженной волны будет больше 180О (ток через индуктивность отстает от напряжения), что потребует удлинения вибратора на величину Δ2 (рис.5ж).

 

Для расчета Δ была опробована формула, применяемая в теории однородных длинных линий в случае реактивной нагрузки ХН на конце линии [4, 5]. По аналогии

 

Δ=(λ/360О)arctg(WаН),                                                                                    (П.4)

 

где ХНLКС (или ХНLЕН), а Wа вибратора определяется его конструктивными размерами.

 

Проверка на макете антенны показала хорошее совпадение расчетных и опытных данных.

 

Пример: Применим формулу (П.4) к рассмотренным выше вариантам Б, В и Г. Расчет произведем отдельно для проволочного (Æ2мм) и трубочного (Æ40 мм) вибраторов, оба длиной 10 м. По формуле (П.1) находим

 

Wа-пр=60[(ln20000/2)-1)≈550 Ом, аналогично Wа-тр=313 Ом.

 

Для варианта Б: ХНЕН1= -j1000 Ом, укорочение

 

Δ1-ПР=(λ/360)arctg550/-1000≈0,08λ,

 

Δ1-ТР=(λ/360)arctg313/-1000≈0,048λ.

 

Из этого расчета видно, что одна и та же емкостная нагрузка ЕН1 приводит к значительно большему укорочению тонкого вибратора, чем толстого.

 

Для варианта В: ХН=Хен2= -j400 Ом, аналогично Δ1-ПР=0,15λ и Δ 1-ТР=0,1λ.

 

Для варианта Г: ХН=ХLЕН1= -j400 Ом, следовательно, Δ такие же, как в варианте В.

 

Отметим, что в действительности ток отражается от конца проводников ЕН, роль реактивной нагрузки заключается в соответствующем изменении фазы тока.

 

Вариант Ж практически не применялся по понятной причине – габариты и сложность больше чем у четвертьволнового вибратора. Однако, как выяснилось, он может быть использован для 2-х частотной работы (в частности, на смежных КВ диапазонах) и в этом плане представляет несомненный интерес.

 

В обычной практике включенную в укороченную антенну катушку принято называть удлиняющей (при ХL<│ХКС│), по аналогии при ХL>│ХКС│ катушку можно назвать укорачивающей. Разница в “поведении” определяется тем, какого вида будет результирующая реактивность связки L+КС – емкостной или индуктивной. Это обстоятельство можно использовать для 2-х частотной работы, подобрав величины L и КС таким образом, чтобы на одной (низшей) частоте fН сопротивление связки было емкостным, а на другой (высшей) fВ – индуктивным. Разместив такую связку на вершине вертикального вибратора, получим антенну, у которой вместо прежней резонансной частоты появятся два новых резонанса на частотах ниже и выше прежней.

 

Для антенн такого класса можно предложить название 2BLC-антенны ( 2 Band  Loading Coil – антенна или

2-х диапазонная антенна с  нагрузочной катушкой ).

 

На рис.6 условно пунктиром показаны резонансные четвертьволновые вибраторы А-Д длиной ℓ1 и А-В длиной ℓ2 на частоты fН и fВ, а также призванный заменить их  2BLC-вертикал в составе вибратора А-С длиной ℓа, катушки L и окончания КС. С учетом (П.4)

 

 

а=ℓ1-Δ1=ℓ1-Н/360)arctg(WаН1),                                                                                   (П.5)

а=ℓ2+Δ2=ℓ2+В/360)arctg(WаН2),                                                                                 (П.6)

 

где ХН1L1+ХКС1 - суммарное реактивное сопротивление связки (нагрузки) L + КС на низшей частоте fН, аналогично ХН2L2+ХКС2 - на высшей частоте fВ.

 

В результате расчета должны быть найдены величины ℓа, L и геометрия КС. Т.к. в двух уравнениях (П.5), (П.6) содержится 6 переменных, для расчета необходимо сделать ряд подстановок и допущений. Методика расчета выходит за рамки статьи и здесь не приводится. В частном случае, когда fН=0,5fВ (например, диапазоны 7 и 14 МГц) Δ1+Δ2=ℓ2=0,25λВ. В VMA-7 Δ2≈0,04λВ и Δ1≈0,21λВ=0,105λН.

 

Распределение тока вдоль проводника 2BLC-антенны показано на рис.7. На нижней резонансной частоте fН (рис.7а) ток от входной точки А до катушки L изменяется незначительно, а после катушки быстро убывает.

 

 

На fв (рис.7б) наличие участка (В-С) с током обратного направления во многих случаях нежелательно, так как приводит к расширению ДН. Излучение участка В-С можно исключить, применив небольшую емкостную нагрузку ЕН (рис.7в). Размеры ЕН выбирают с расчетом, чтобы ХЕН= -(ХLКС ). Такую связку (ЕН+L+КС) можно рассматривать как своеобразный трап, в котором роль конденсатора выполняет ЕН, а индуктивным плечом является связка L+КС. На частоте fН применение ЕН практически не отражается на настройке.

 

Для расчета 2BLC-антенн возможно создание компьютерной программы или использование уже существующих. Впрочем, понимание внутренних взаимосвязей делает экспериментальную отработку такой двухдиапазонной антенны несложной.

 

При этом необходимо иметь в виду, что настройка антенны зависит не только от индуктивности катушки (измеренной на невысокой частоте, что характерно для большинства измерителей L), но и от её собственной паразитной межвитковой емкости С0, под влиянием которой эквивалентная индуктивность цепи (катушки)  увеличивается. Например, конкретная катушка на каркасе Æ39 мм с LВ=13 мкГн (измерено прибором Е7-9) имела собственную резонансную частоту f0=28,4 МГц (измерено ГИРом). Отсюда, на f0 ХС0= -ХL и С0=1/ωXL=2,4 пФ. На частоте 14,1 МГц ХС0= -j4690 Ом, ХL=j1155 Ом, сопротивление цепи из параллельно включенных ХС0 и ХL будет ХП=1155(-4690)/(1155–4690)=j1532 Ом и эквивалентная индуктивность LЭ14П=17,3 мкГн, соответственно, на 7 МГц LЭ7=13,8 мкГн. Аналогичная катушка на каркасе Æ26 мм показала f0=38 МГц, соответственно её эквивалентная индуктивность на частотах 7 и 14 МГц будет значительно ближе к номинальному значению 13 мкГн. Следовательно, настройка КС (т.е. её длина) будет зависеть не только от измеренной индуктивности катушки, но и от её исполнения.

 

Двухчастотная настройка антенны возможна и при отношении fВ к fН отличном от двух.

 

Включая последовательно несколько катушек со своими КС (или ЕН), можно получить несколько резонансных частот, как это и сделано в VMA-10.

 

Возможно также использование нагрузочных катушек в симметричных антеннах, в частности, в активных и пассивных элементах YAGI антенн, вместо резонансных трапов (естественно, при других размерах элементов).

 

2.3. Проверка правильности приведенных выше соотношений производилась на макете антенны  VMA–7 [1,  2,  3] с жестким противовесом ПР и радиалом Р4 (Р30/40), масштаб 1:10 ( размеры в 10 раз меньше, частоты в 10 раз выше, величины ХКС и ХL - без изменений). В работе использовались мостовой КСВ-метр и генератор Г4–151. Для корректности результатов были отключены проволочные вибраторы ПВ и снята емкостная нагрузка ЕН. Измеренное значение индуктивности LВ=1,3 мкГн, длина ЦВ регулировалась в широких пределах.

 

Были проведены следующие измерения:

 

1. При отключенных катушке LВ и КС изменением длины ЦВ получен резонанс на частоте f1=70,5 МГц, при этом ℓЦВ1=1250мм;

2. Аналогично, резонанс на частоте f2=141 МГц, при этом ЦВ2=740 мм;

3. При включенной LВ настройкой ЦВ и КС снова получены частоты резонансов 70,5 и 141 МГц, соответствующая длина ℓЦВа=820 мм, длина КС из провода Æ2мм составила 205 мм.

 

Итого: укорочение на частоте 70,5 МГц Δ1=1250–820=430 мм; удлинение на частоте 141 МГц Δ2=820-740=80 мм.

 

Расчетная разница между ℓЦВ1 и ЦВ2 должна равняться λ2/4=2120/4=530 мм, реальная разница составляет 1250–740=510 мм. Небольшое расхождение можно объяснить разной величиной эквивалентных индуктивностей катушки Lв на частотах f1 и f2.

 

Во время измерений также фиксировалась полоса частот в пределах КСВ=2. В третьем варианте (включена LВ) полоса оказалась всего на 20…25% уже, чем в двух предыдущих. Это значительно лучше, чем при применении резонансных трапов. Использованные в эксперименте длины ЦВ1 и ЦВ2 отличались от четвертьволновых значений, что объясняется схемой VMA, но в данном случае это не имеет значения, т.к. важна была разность длин ЦВ1 и ЦВ2 по отношению к ЦВа, а не сами длины.

 

Параллельно проведена расчетная проверка полученных в эксперименте значений с помощью формул (П.1…П.6). Исходные данные: КС – длина 205 мм при Æ2 мм, средний диаметр ЦВ – 3,5 мм, частоты настройки 70,5 и 141 МГц, эквивалентные индуктивности катушки на fН и fВ приняты соответственно 1,35 и 1,7 мкГн.

 

Расчетные значения: WКС≈305 Ом, WЦВ≈280 Ом. На частоте 70,5 МГц ХКС= -j940, ХL=j600, ХН= -j340 Ом и Δ1=464 мм; на 141 МГц - ХКС= -j420, ХL=j1510, ХН=j1090 Ом и Δ2=85.

 

Учитывая относительную точность формул (П.1) и (П.2) и принятых значений эквивалентных индуктивностей LЭ, совпадение расчетных данных с экспериментальными можно считать удовлетворительным.

 

2.4. Хотя рассмотренный выше способ создания двух- и многодиапазонных антенн вполне “конкурентен” по сравнению с другими известными способами, он стал применяться только в самое последнее время, пример – многодиапазонные антенны MFJ–1798 и AV–640 HY GAIN. Единственная известная автору работа на эту тему была опубликована в апрельском номере журнала QST за 1961 г. (tnx UA2BD за копию статьи). W.Lattin (W4JRW) в статье “Multiband Antennas Using Loading Coils” описал 2-х диапазонную антенну на 40 и 80 м.д. в виде симметричного диполя с катушками в каждом плече. Данные из этой статьи были представлены в популярной книге [6] на стр.187. Lattin писал, что не смог обнаружить в литературе формул для определения взаимосвязи между длиной проводов, индуктивностью нагрузочных катушек и двумя резонансными частотами и свои антенны настраивал опытным путем с помощью ГИРа. Возможно, что именно из-за неразработанности темы этот способ был предан забвению.

  Ключевые слова из заголовка пионерной статьи W4JRW  использованы автором этой статьи в предложенной выше аббревиатуре  2BLC.

 

Литература.

 

4. Г. З. Айзенберг и др. “ Коротковолновые антенны”, 1985 г.

5. Х. Мейнке и Ф. Гундлах “Радиотехнический справочник”, 1960 г.

6. К. Ротхаммель “Антенны”, 1979 г.

7. В. Овсянников “Вибраторные антенны с реактивными нагрузками”, 1985 г.

 

Эрнест Гуткин (UT1MA), ut1ma@mail.ru



Глас народа
04.08.2007 12:35 по горизонту нужно антенну...  --  ua1zpo
19.06.2005 09:54 Повторял ли кто вариант этой антенны (укороченный)на диапазоны 2...  --  Валентин RU2FM...

Возврат