Сайт о ЕН-Антеннах
Сайт, посвященный ЕН-Антеннам. Статьи. Описания. Конструкции. Эксперименты. Результаты испытаний.
Эта статья, по укороченным антеннам, была опубликована в одном из журналов в 2002 году, поэтому не отражает всех изменений по ЕН антеннам, произошедших в последнее время. Тем не менее, до сегодняшнего дня статья не потеряла уникальность и актуальность. Ссылками на нее пестрят другие статьи по антеннам. Статья публикуется с сокращениями (только часть, касающаяся ЕН антенн), с любезного разрешения автора - Гусмана Вадима Яковлевича (RX3APE).


Новые тенденции в теории и практике антенн
(статья опубликована в 2002 году и здесь приводится с сокращениями)

Гусман Вадим Яковлевич (RX3APE)
г. Москва

Предлагаемая вниманию читателей серия статей ( На сайте публикуется с сокращениями. Прим. ua1aco), посвященных рассмотрению "нетрадиционных" конструкций антенн, не претендует на всеобъемлющий научный подход, строгость рассуждений, формулировок и фактов. И дело не в том, что автор недостаточно серьезно отнесся к подготовке публикации. Рассматриваемые идеи, теоретические предпосылки и обоснования, а также практические конструкции в настоящее время находятся в стадии развития и не получили должного устоявшегося объяснения. Почему же автор рискнул опубликовать такой материал? Дело в том, что ожидать окончания процесса формирования новых тенденций можно не один десяток лет, и, на взгляд автора, имеющиеся материалы могут быть интересны и полезны и радиолюбителям, и специалистам, профессионально занимающимся антенной техникой. Необходимо сразу отметить, что некоторые теоретические рассуждения и практические конструкции настолько не укладываются в общепринятые физические законы, что, скорее всего, вызовут неоднозначную реакцию читателей. Тем не менее, автор надеется, что, по крайней мере, статьи вызовут интерес к рассматриваемым вопросам и обратят внимание читателей на существование нетрадиционных идей и конструкций антенн.
Чем интересны "нетрадиционные" антенны?
Для большинства радиолюбителей является аксиомой, что главный элемент системы связи - АНТЕННА, от которой зависит дальность связи и ее качество, время развертывания радиостанции, занимаемая ею площадь и т.д. Если в области создания приемо-передающих устройств, в принципе, все ясно, и практически достигнут разумный предел их возможностей, то в отношении антенн этого предела пока просто нет, а ясность весьма относительна... Недаром до сих пор не только радиолюбители, но и профессионалы изобретают новые конструкции.
Несмотря на существование устоявшейся теории антенн, в последнее время все чаще появляются конструкции, которые ведут себя "странно" с точки зрения классической теории. На сегодняшний день таких нестандартных конструкций появилось слишком много, чтобы относить их к разряду "глупостей" и "первоапрельских шуток". Кроме того, публикуются теоретические работы, не только объясняющие работу этих конструкций, но и НЕ ПРОТИВОРЕЧАЩИЕ устоявшимся на сегодняшний день физико-математическим моделям, на которых базируется электродинамика. Чем же так интересны необычные типы антенн? Ведь по мере развития радиосвязи какие только антенны не конструировались! Подумаешь, еще что-то изобрели!
Тем не менее, новые типы антенн интересны своими уникальными и, на первый взгляд, неправдоподобными свойствами. Так, антенна с размерами всего около 1% от длины волны, работает лучше, чем полноразмерный диполь! Да, именно так - при максимальном размере меньше 1 (одного) метра такая антенна с успехом заменяет 40-метровую проволочную антенну! Кроме того, новые типы антенн обладают и другими интересными свойствами — широкополосностью, помехоустойчивостью и т.д.

ЕН-АНТЕННЫ

ЕН-антенна состоит из двух элементов (рис.3), образующих между собой электрическую емкость (например, представьте себе "толстый" диполь). Если к элементам приложить ВЧ-напряжение, между ними возникнет электрическое поле Е, и через емкость потечет ток, называемый током смещения. В свою очередь, этот ток приведет к появлению магнитного поля Н, расположенного под прямым углом к электрическому полю Е и окружающему его. Однако, при протекании тока через конденсатор, фаза тока опережает фазу приложенного напряжения. Таким образом, несовпадение во времени фаз электрического Е и магнитного Н полей не позволяет создать условия для возникновения электромагнитного излучения, т.е. выполнить все условия теоремы Пойнтинга.
Индуктивность, включенная последовательно с антенной, вызовет сдвиг фаз (временную задержку) тока по отношению к напряжению. С помощью этой индуктивности можно подобрать такую задержку (сдвиг фаз), что на рабочей частоте электрическое Е и магнитное Н поля будут синфазны. Теперь будут выполнены все условия теоремы Пойнтинга и, следовательно, возникнет излучение электромагнитных волн. При этом диаграмма направленности ЕН-антенны в азимутальном направлении является круговой (ненаправленной). Электрическое и магнитное поля образуются и существуют одновременно, отсюда и название - ЕН-антенна.



Рис. 3

Таким образом, возникновение электромагнитного излучения происходит на частоте, на которой реактивное сопротивление внешней индуктивности корректирует фазу тока через конденсатор и позволяет удовлетворить условиям теоремы Пойнтинга. Эта частота приблизительно равна резонансной частоте контура, образованного внешней индуктивностью L и конструктивной емкостью С антенны. Изменяя параметры внешней фазирующей цепи, можно расширить полосу частот, для которых выполняется желательное фазовое соотношение. Кроме того, КПД антенны зависит от качества согласующей цепи.
Из-за высокой эффективности взаимодействия полей Е и Н в пределах физического объема антенны, где они сформированы одновременно, размеры антенны могут быть очень маленькими (меньше 1 % от длины волны). Таким образом, принцип работы ЕН-антенны заключается в том, что поля Е и Н, созданные одновременно при помощи внешнего фазирования и расположенные надлежащем образом в пространстве, обуславливают электромагнитное излучение в соответствии с теоремой Пойнтинга. ЕН-антенны — единственный тип антенн, в которых наилучшим образом выполняются эти условия, что обеспечивает высокую эффективность работы при небольших размерах.
У ЕН-антенны напряженность электрического и магнитного полей резко уменьшается при смещении от центра антенны, поэтому эффективность излучения мало зависит от апертуры. Напротив, для классических антенн апертура имеет решающее значение, т.к. является поверхностью, через которую в основном излучаются электромагнитные волны. Для лучшего понимания можно сравнить, например, концентрированное излучение вблизи вершины конусов ЕН-антенны с рупорной СВЧ-антенной, в которой "коротенький" диполь излучает энергию в коротком отрезке волновода, который затем передает электромагнитную волну в свободное пространство через апертуру рупора. При этом диаграмма направленности рупора очень узкая, что обуславливает высокое усиление. Аналогично и в bi-конической ЕН-антенне электромагнитное излучение образует узкий лепесток из пространства вблизи вершин конусов.
Согласно теореме Пойнтинга, мощность излучения Р=ЕхН. В ЕН-антенне расстояние между пластинами конденсатора меньше метра, поэтому напряженность электрического поля Е достигает десятков вольт на метр, несмотря на относительно невысокое приложенное напряжение.

ЕН-антенна может быть сконструирована таким образом, чтобы сузить диаграмму направленности антенны в плоскости Е двумя способами. Один метод похож на применяемый в рупорной СВЧ-антенне, хотя, разумеется, в данном случае физический размер антенны намного меньше рабочей длины волны. Это наиболее очевидно в bi-конической версии ЕН-антенны (рис.За), в которой излучение происходит в очень маленькой области между вершинами конусов, а остающаяся область конусов увеличивает усиление, формируя диаграмму направленности излучения.

Другой метод заключается в применении длинных цилиндров для формирования "дипольной" конфигурации ЕН-антенны (рис.Зб). Обратите внимание, что если уменьшить длину цилиндров, основная часть силовых линий поля Е будет иметь большую кривизну (рис.4). Следовательно, диаграмма направленности такой антенны будет напоминать сферу. Наоборот, более длинные цилиндры удлиняют вертикальную часть силовых линий, сужая диаграмму направленности антенны. Если цилиндры заменить конусами, силовые линии располагаются ближе к вертикали, и диаграмма направленности антенны получается более узкой с соответствующим увеличением усиления. Вследствие того что поле Н обязательно должно быть замкнутым, bi-коническая антенна является ненаправленной в горизонтальной плоскости. Направленность излучения в плоскости Н может быть достигнута применением фазированных решеток, изготовленных из активных ЕН-антенн, или специальной формой ее элементов.



Рис. 4

ЕН-антенна слабо подвержена внешним полям (по отдельности поля как Е, так и Н, практически не воспринимаются), в силу того, что эти поля в основном сосредоточены в пределах физического объема конструкции. Следовательно, ЕН-антенна является исключительно помехоустойчивой и имеет очень высокое отношение сигнал/шум в условиях индустриальных и атмосферных помех. Кроме того, необходимо учитывать, что поля Е и Н практически полностью преобразуются в излучение, поэтому ЕН-антенна не может использоваться как пассивный элемент в сложной антенной системе (подобно антеннам Уда-Яги). Таким образом, все ЕН-антенны в составе сложных антенных конструкций должны быть активными, т.е. на все элементы должен подаваться сигнал от одного источника.
Сравним напряженность электрического поля Е для классической и ЕН-антенны. В ЕН-антенне поле Е фактически заключено в пределах физического объема, и силовые линии имеют радиус, приблизительно равный половине длины антенны (приблизительно 1% от длины волны). Поля Е и Н в классической антенне объединяются на расстоянии около 1/3 длины волны от антенны, поэтому грубо отношение напряженности полей такой антенны, формирующих электромагнитное излучение, к напряженности полей ЕН-антенны можно оценить как 1:33 (около -30 дБ). Кроме того, не был учтен тот факт, что поле сконцентрировано около центра ЕН-антенны. Следовательно, реальное соотношение еще больше.

Одна из причин более низкого общего КПД классических антенн (по сравнению с ЕН-антеннами) заключается в высокой напряженности полей Е и Н в ближней зоне (до их объединения) и большей протяженности этой зоны (около 1/3 длины волны). Поскольку поля охватывают большую область, они взаимодействуют с объектами, расположенными в этой области (землей, проводами, металлическими заграждениями и т.д.). Любой металлический объект в поле Н вызывает появление вихревых токов. Классическую антенну можно представить как первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого имеет нагрузку в виде вихревых токов. Разумеется, отдельные нагрузки вторичной цепи трансформируются в первичную и изменяют входной импеданс антенны. Наиболее яркий пример этого явления — эффект изменения входного импеданса проволочного диполя в зависимости от высоты подвеса. Такой эффект отсутствует у ЕН-антенны, даже если эта антенна установлена на небольшой высоте относительно поверхности земли. Это еще одно доказательство того, что поля ЕН-антенны ограничены физическим объемом конструкции. ЕН-антенна не является резонансной структурой, следовательно, ее частотные свойства полностью определяются внешней фазирующей цепью. Типичная фазирующая цепь имеет узкий частотный диапазон, поэтому ЕН-антенна фактически не излучает на гармониках. В соответствии с принципом взаимности антенн, ЕН-антенна может быть с успехом использована как для передачи, так и для приема.
Что действительно удивительно, без фазирующей индуктивности ЕН-антенна работает как классическая антенна, т.е. ее сопротивление излучения значительно меньше одного ома. Однако если поля Е и Н синфазны во времени, сопротивление излучения принимает более ВЫСОКОЕ значение, и можно получить сопротивление излучения 50 Ом или любое другое (в зависимости от угла между двумя элементами антенны).
Хотя для работы ЕН-антенны достаточно одной катушки индуктивности, хорошие результаты получаются при использовании более сложной цепи согласования, состоящей из двух катушек и двух конденсаторов, что позволяет осуществить надлежащее фазирование и согласование полного сопротивления.
Следует подчеркнуть, что в существующих программах моделирования антенн (например, NEC) не заложен алгоритм описания расчета тока через конденсатор, поэтому они не могут применяться для анализа работы ЕН-антенны. Возможно, отдельные программисты или софтверные фирмы предпримут усилия для развития математических моделей ЕН-антенн, что позволит создать компьютерные программы для моделирования и расчета таких антенн.

Как известно, любая антенна — это устройство преобразования мощности электромагнитного излучения в электрический ток, поэтому прежде чем рассматривать практическую конструкцию ЕН-антенны, кратко остановимся на типичных требованиях радиолюбителей к идеальной антенне. Вот основные из них:
- небольшие размеры;
- широкая полоса рабочих частот;
- высокая эффективность;
- возможность выбора направления излучения;
- отсутствие противовесов;
- низкая стоимость;
- отсутствие дефицитных деталей;
- простота изготовления;
- нечувствительность к промышленным и атмосферным помехам.
Многие из перечисленных свойств присущи ЕН-антенне и выгодно отличают ее от других типов антенн. Рассмотрим эти преимущества более подробно. В первую очередь необходимо отметить низкую стоимость ЕН-антенны, т.к. она не содержит никаких дефицитных и сложных деталей и очень проста для повторения.

Малогабаритные антенны, созданные на классических принципах, неизбежно имеют узкую полосу работы, и это обстоятельство часто является ограничивающим фактором уменьшения их размеров. Для проволочных антенн ширина полосы связана с добротностью, которая определяется отношением индуктивного сопротивления антенны к сумме сопротивлений излучения и потерь. Маленькая рамочная антенна с приемлемым КПД будет иметь в диапазоне 80 м полосу пропускания по уровню -3 дБ, которой едва достаточно для излучения единственного SSB-сигнала. В то же время, ЕН-антенна в этом диапазоне обеспечивает ширину полосы приблизительно 50 кГц по уровню -3 дБ. Применяя антенный тюнер и/или увеличивая диаметр антенны, можно еще больше расширить полосу рабочих частот.

Рассматривая ЕН-антенны, всегда необходимо помнить, что они работают на принципах, полностью отличающихся от принципов работы классических антенн. Сопротивление излучения ЕН-антенны (при условии, что Е- и Н-поля синфазны) пропорционально отношению напряжен-ностей полей Е и Н и не зависит от рабочей частоты или размеров антенны. При неизменной форме антенны поля Е и Н имеют постоянное соотношение. Это очень простое, но важное свойство ЕН-антенны, вытекающее из самого принципа ее работы. Например, сопротивление излучения для ЕН-антенны заданного размера постоянно при изменении частоты. Или, если соотношение размеров постоянно, сопротивление излучения ЕН-антенны постоянно для антенны любого размера. Что это означает? Только то, что уменьшение длины цилиндров изменяет соотношение между полями Е и Н. Так как это вызывает большее изменение поля Е, чем поля Н, увеличивается сопротивление излучения. Однако минимальный размер ЕН-антенны определяется желаемой шириной полосы рабочих частот при приемлемой эффективности (КПД).
ЕН-антенна имеет очень высокую эффективность, т.к антенная система состоит непосредственно из излучающего элемента и фазирующей/согласующей цепи. Например, в "дипольной" ЕН-антенне потери определяются только тепловыми потерями в цилиндрах. Расчеты показывают — потери настолько малы, что могут полностью игнорироваться. Например, описанный ниже ЕН-диполь имеет сопротивление излучения
R изл=2*(пи)*377=2368 Ом.
Ток через элементы:
I=корень квадратный из (P/R)
Для передатчика мощностью 1 кВт ток равен 0,649 А. Другими словами, при такой величине тока потери практически отсутствуют. Однако потери в катушках согласующего устройства могут быть заметными при недостаточном диаметре провода. Рекомендуется применять провод диаметром не менее 3 мм. При больших мощностях катушки могут немного нагреваться, если провод недостаточно толстый.

Поскольку форма поля Е — главный фактор, формирующий диаграмму направленности ЕН-антенны, "дипольная" версия (если антенна установлена вертикально) имеет круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и прижатый к земле угол излучения — в вертикальной. Аналогично тому, что более длинная проволочная антенна имеет более высокое усиление по сравнению с коротким проводом (например, сравните 1/4 длины волны антенну с 5/8 длины волны), "дипольная" ЕН-антенна с более длинными цилиндрами работает эффективнее, т.е. имеет более узкую диаграмму направленности. Разумеется, при уменьшении длины цилиндров ширина диаграммы направленности увеличивается. Однако даже при длине цилиндров 18 см ЕН-антенна хорошо работает в диапазоне 40 м.
ЕН-антенна с длинными цилиндрами очень эффективно излучает под низкими углами, поэтому ее можно рекомендовать для DX-связей. Например, в диапазоне 40 м сравнивались ЕН-антенна с длиной цилиндра, равной периметру цилиндра, и классическая вертикальная 1/2 длины волны антенна. ЕН-антенна была установлена на высоте около 3,5 м над поверхностью земли. Под низкими углами излучения ЕН-антенна выигрывала по сравнению с проволочной антенной бопее 4 дБ как на прием, так и на передачу. Установка развязывающих дросселей (см. ниже описание конструкции ЕН-антенны) позволила получить более высокое усиление. После укорочения цилиндров и доведения отношения длины к диаметру к величине 1,5:1, было получено расширение диаграммы за счет уменьшения усиления для очень малых углов излучения. После этой модификации ЕН-антенна стала работать аналогично вертикалу 1/4 длины волны.
Поклонники DX-инга на НЧ-диапазонах традиционно считают наиболее подходящей эффективной антенной вертикальный штырь 1/4 длины волны с большим количеством радиалов. Для диапазона 160 м такая антенна должна иметь бопее 100 проводов длиной по 42 м. Разумеется, немногие радиолюбители могут позволить себе такое сооружение. Однако ЕН-антенна на 160 м имеет высоту всего 1,8 м! Если этот короткий "диполь" с физической длиной менее 1% от длины волны установлен на высоте, достаточной для того, чтобы не мешали окружающие предметы, он превзойдет по эффективности вертикальный штырь 1/4 длины волны. Кроме того, ЕН-антенне не требуются противовесы! Любой городской житель, используя ЕН-антенну, может работать в диапазоне 160 м.

Хотя ЕН-антенна не подвержена воздействию электрических или магнитных помех, тем не менее, может появиться проблема с ВЧ-наводками, даже если антенна установлена далеко от помещения радиостанции. Настроенная ЕН-антенна является согласованной 50-омной нагрузкой на конце коаксильного кабеля. Однако эта антенна имеет сильное излучение в маленьком объеме, которое может взаимодействовать с коаксильным кабелем. Полное или частичное решение этой проблемы может заключаться в следующем:
- в размещении антенны вне помещения радиостанции. Если антенна установлена вертикально, необходимо проложить коаксильный кабель от антенны прямо вниз, минимизировав его длину в области излучения антенны. В случае горизонтальной установки антенны, коаксильный кабель необходимо разместить горизонтально по крайней мере на расстоянии 3 м от антенны;
- в размещении коаксильного кабеля внутри заземленной металлической трубы. Нежелательно использовать для ВЧ-изоляции ферритовые кольца на коаксильном кабеле; более эффективное решение - установка развязывающих дрос селей и резисторов последовательно с внутренним и наружным выводами коаксильного кабеля;
- в применении качественного ВЧ-заземления. Если помещение радиостанции физически отделено от точки заземления больше чем на метр, желательно сделать петлю из коаксильного кабеля. Сначала кабель от антенны приходит к точке заземления, где оплетка подключается к заземлению, а затем уже кабельзаводится в помещение. Другой подход состоит в использовании последовательного контура в цепи заземления, настроенного на резонансную частоту, что при водит к компенсации реактивности заземления.

Известно, что антенны обладают свойством взаимности, т.е. одинаково успешно могут использоваться как на передачу, так и на прием. ЕН-антенна чувствительна только к электромагнитному излучению и практически не подвержена влиянию независимых электрического или магнитного полей, что особенно актуально при работе на низкочастотных диапазонах (160, 80 и 40 м), где велика интенсивность промышленных и атмосферных помех. Классические проволочные антенны, напротив, являются своеобразными преобразователями энергии полей Е и Н в электрический ток.
Приведенные выше соотношения энергетики полей в ближней зоне для классической и ЕН-антенн справедливы и при рассмотрении их восприимчивости к электромагнитным помехам, т.е. можно говорить об ослаблении ЕН-антенной этих помех на 30 дБ! (В последних сообщениях Теда Харта приводится даже цифра, полученная в экспериментах - 50 dB! Прим. ua1aco)
При практической проверке уровень шумов приемника, подключенного к классической антенне, соответствовал S9. С ЕН-антенной уровень шума снизился до S2. Сигналы, которые вполне разбираемы при приеме на ЕН-антенну, вообще не обнаруживаются на фоне шумов классической антенны.
При сложной эфирной обстановке (например, наличии сильных внеполосных сигналов) приемники с широкополосными преселекторами подвержены интермодуляционным помехам. Благодаря тому что ЕН-антенна ослабляет все внеполосные сигналы, расположенные за полосой пропускания фазирующей цепи, интермодуляционные помехи фактически не возникают. Таким образом, можно утверждать, что ЕН-антенна в качестве приемной антенны не имеет аналогов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНСТРУКЦИЯ ЕН-АНТЕННЫ

Хотя существуют различные варианты конструкции ЕН-антенны, рассмотрим только ее "дипольную" версию, максимально отвечающую перечисленным выше требованиям. Более высокий коэффициент усиления можно получить для bi-конической версии ЕН-антенны, но она значительно сложнее и дороже, поэтому ее используют при радиосвязи поверхностной волной (например, в радиовещании). Любительская коротковолновая радиосвязь, как правило, осуществляется пространственными волнами с использованием отражения от ионосферы. Повышенный коэффициент усиления bi-конической антенны обусловлен сужением диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Дипольная же версия обеспечивает достаточное усиление при разумной ширине диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Необходимо учитывать, что для излучения под малыми углами антенна должна быть установлена вертикально, а для связи с ближними корреспондентами в диапазонах 40; 80 и 160 м — под наклоном около 45° к поверхности земли.

Кроме того, хотелось бы отметить, что при столь незначительных размерах ЕН-антенна являяется по сути "точечным" излучателем. Однако электромагнитные волны, излучаемые ЕН-антенной, подчиняются тем же законам распространения, что и радиоволны, излучаемые любой классической антенной. Поэтому, например, устанавливать ЕН-антенну необходимо по крайней мере выше любых больших окружающих объектов.
Безусловно, необходимо поблагодарить двух коротковолновиков: Джека Арнольда, WOKPH, и Стефано Галастри, IK5IIR ( Ныне покойный. Прим. ua1aco), внесших значительный вклад в разработку практической конструкции радиолюбительской ЕН-антенны. Подробные сведения о ЕН-антеннах можно найти на сайтах http://www.qsl.net/wOkph и http://www.eheuroantenna.com

В качестве конкретной конструкции ЕН-антенны, пригодной для повторения и экспериментов радиолюбителями, была выбрана антенна на 40-метровый диапазон. Размеры этой конструкции позволяют изготовить антенну и проводить с нею эксперименты даже в помещении. Разумеется, измерение диаграммы направленности и сравнительные испытания с обычной полноразмерной антенной диапазона 40 м придется проводить вне помещения.



Рис. 5

Схема "дипольной" ЕН-антенны приведена на рис.5. Рекомендуется использовать водопроводные ПВХ-трубы в качестве основы конструкции антенны. Следует отметить, что элементы схемы согласования могут быть размещены в той же трубе, на которой располагаются цилиндры. Кроме того, в реальной конструкции используются "развязывающие" дроссели, не показанные на принципиальной схеме. Эти дроссели включены в провода между согласующей цепью и цилиндрами. Они предотвращают излучение проводов, расположенных внутри антенны, и не вносят при этом заметного сдвига фаз. Такое решение увеличивает интенсивность внешнего излучения и значительно снижает затекание ВЧ-энергии на коаксильный кабель.

ЕН-антенна 40-метрового диапазона изготовлена из водопроводной ПВХ-трубы диаметром 10 см. Размеры антенны для других диапазонов могут быть получены путем их пропорционального увеличения/уменьшения. Существуют некоторые соотношения размеров, которых следует придерживаться. Зазор между цилиндрами должен быть равен диаметру трубы. Длина каждого цилиндра должна быть в (пи) (3,14159) раз больше диаметра, т.е. равна длине окружности трубы. Применение более длинного цилиндра приведет к сужению диаграммы направленности, а более короткого — к расширению. При выборе пластмассовой трубы необходимо убедиться, что диэлектрик имеет небольшие потери на рабочих частотах!
Таким образом, главное — выдержать соотношения между диаметром, длиной цилиндров и расстоянием между ними, а их фактический диаметр не критичен. Однако ширина полосы частот антенны по уровню КСВ=2 является функцией диаметра антенны. Большой диаметр цилиндров обеспечивает более широкую полосу. Предлагаемая ЕН-антенна обеспечивает полосу приблизительно 100 кГц по уровню КСВ=2 на 40 м.
Если увеличить диаметр трубы до 20 см, например, для работы антенны в диапазоне 80 м, ее добротность останется той же, поэтому полоса рабочих частот уменьшится в 2 раза. Уменьшение длины цилиндров увеличивает ширину диаграммы направленности за счет потери усиления антенны. Наоборот, удлинение цилиндров увеличивает усиление антенны за счет сужения диаграммы направленности. Кроме того, было замечено, что более короткие цилиндры увеличивают значение сопротивления излучения антенны, более длинные приводят к уменьшению.
Для диапазона 40 м, как указывалось, желательно использовать пластмассовую трубу диаметром D=10 см. Длина каждого цилиндра должна быть равна 1,5D, a зазор между цилиндрами — D. Таким образом, длина каждого цилиндра:
1,5x10=15 см.
Общая длина антенны:
15+15+10= 40 см.
От длины волны 40 м указанное значение составляет 1%!
Общая длина трубы для изготовления антенны должна быть немного больше, чтобы разместить в ней фазирующее согласующее устройство.
Если не предполагается проведение ближних QSO и не требуется широкая полоса рабочих частот, рекомендуется длину цилиндров выбирать равной (пи)*D.
В таблице указаны ориентировочные данные для изготовления "дипольной" ЕН-антенны на распространенные КВ-ди-апазоны.



Таб. 1

Наружные диаметры ПВХ-труб могут быть другими, т.е. они не критичны при изготовлении антенны. Как указывалось выше, необходимо выдержать отношение длины цилиндров к диаметру трубы. Изменение этого соотношения будет влиять на ширину диаграммы направленности, широкополосность и импеданс. Изменение диаметра трубы приблизительно в 1,5 раза приведет к изменению полосы рабочих частот в 2 раза от указанных в таблице. Укорочение цилиндров приведет к увеличению импеданса и ширины диаграммы направленности с соответствующим уменьшением усиления антенны и полосы рабочих частот.
Металлические цилиндры, размещенные вокруг трубы, могут быть изготовлены из любого проводящего материала (алюминиевой фольги, листового алюминия, меди, латунной фольги и даже из железного листа). Правда, если для изготовления цилиндров не используются алюминий или медь, потери будут несколько выше.
Одна из главных задач при конструировании этой антенны заключалась в разработке конденсаторов, которые бы заметно не увеличивали стоимость антенны. Конденсатор состоит из отрезка медной фольги, приклеенной к нижней части пластмассовой трубы — основанию конструкции антенны. В этой части трубы пропиливается щель, чтобы поместить внутрь второй отрезок фольги, закрепленный на трубе болтом. Перемещая второй отрезок фольги вверх-вниз, изменяют емкость конденсатора. Если мощность передатчика более 100 Вт, необходимо увеличить площадь обкладок конденсатора, чтобы минимизировать их нагрев. Расстояние между пластинами конденсатора также необходимо выбирать с учетом подводимой к антенне мощности, и при необходимости использовать дополнительный изоляционный материал.
В процессе многочисленных экспериментов было определено, что сопротивление излучения описываемой ЕН-антенны:

R изл=2*(пи)*377

где 377 — импеданс свободного пространства (377 Ом).
Чтобы преобразовать это сопротивление к 50 Ом (волновое сопротивление распространенных коаксиальных кабелей), используется цепь согласования (рис.6). Предполагается, что передатчик/ггриемник также рассчитан на работу с 50-омным коаксиальным кабелем. Следовательно, цепь согласования должна обеспечивать:
- надлежащее фазирование — сдвиг фаз на 90° между приложенным к антенне напряжением и током в антенне;
- трансформацию сопротивления антенны к сопротивлению источника сигнала Rc=50 Ом.



Рис. 6

ЕН-антенна на рис.6 представлена схемой замещения, состоящей из емкости между двумя элементами Сa и сопротивлением излучения Ra. Цепь согласования обеспечивает с помощью катушки L1 сдвиг тока по фазе на 90° относительно приложенного напряжения, и номинальный сдвиг на 90° с опережением по фазе на рабочей частоте с помощью конденсатора С2. Так как антенна состоит из 2 элементов, изолированных от земли, элементы С1 и L2 создают "искусственную землю". Нижний вывод источника сигнала рассматривается как основная "земля", и эта точка может быть подключена к общей системе заземления.
Сопротивление излучения данной ЕН-антенны постоянно (независимо от ее размера или рабочей частоты), поэтому можно определить элементы цепи согласования.
Емкость конденсаторов цепи согласования:
С=141*(пи)/f

где f — рабочая частота в мегагерцах. Например, для диапазона 7 МГц расчетное значение емкости конденсаторов составляет 63 пФ. Это ориентировочное значение, с которого можно начинать настройку антенны. Окончательное значение определяется экспериментальным путем.

НАСТРОЙКА ЕН-АНТЕННЫ

Для правильной настройки согласующей цепи, потребуется измеритель напряженности поля. Вполне подойдет устройство, состоящее из отрезка провода длиной 60 см и простого диодного детектора с микроамперметром. Провод должен располагаться в той же самой плоскости, что и ЕН-антенна. При настройке антенны измеритель напряженности поля устанавливается на расстоянии нескольких длин волн от нее.
Начиная с минимально возможного значения, подстраивают емкости обоих конденсаторов к расчетному значению для требуемого диапазона частот. Затем, подав небольшую мощность, корректируют индуктивность катушек по максимуму излучения. Катушки необходимо изготовить с "запасом" (намотав лишние витки), а затем, одновременно удаляя витки на обеих катушках и подстраивая конденсаторы по максимальному излучению, добиваются емкости конденсаторов, близкой к расчетной. Такая методика гарантирует, что фазирование и согласование полного сопротивления выполнены правильно. Хорошее значение КСВ легко достигается на требуемой частоте. При максимуме излучения антенна имеет минимальный КСВ и самую широкую полосу рабочих частот. Тем не менее, можно получить хороший КСВ и при низком уровне излучения (т.е. в ненастроенной антенне), поэтому при настройке обязательно необходимо применять измеритель напряженности поля. Как правило, для антенны 40-метрового диапазона катушки настроенной цепи согласования имеют по 7 витков при емкости конденсаторов около 63 пФ. Для более коротких цилиндров получается приблизительно 13 витков для каждой катушки и емкость конденсаторов — около 40 пФ.


Эта статья одна из первых
(скорее всего первая) в России,
описывающая антенны такого класса.
По сути, с прочтения этой статьи
и началось мое увлечение ЕН антеннами.
UA1ACO



| главная | | W5QJR| | UA1ACO | | Теория | | Практика | | Россия | | Германия | | Украина | | США | | Швеция | | Швейцария| | Италия | | Австралия | | Серийные | | Ссылки | | Разное |
Хостинг от uCoz