ЕН-Антенна на диапазон 20 метров.

1. Введение в теорию Е-Н антенны.

Е-Н антенна состоит из двух элементов, которые составляют электрическую емкость. Эти элементы могут иметь различную форму. Наиболее удобные для практической реализации это:

• короткий толстый диполь
• диско-конус (по аналогии с диско-конусным излучателем Герца
• биконический (двухконусный) излучатель.

Рис. 1

Rot H = j + D'.

Поля Е и Н должны быть синфазны. Однако, когда ток протекает через емкость, фаза тока опережает фазу приложенного напряжения. Поэтому, поле Н опережает по фазе поле Е, что не удовлетворяет теореме Пойнтинга для данной конфигурации. Для решения этой проблемы необходимо дополнительное фазирующее устройство, включенное между источником сигнала и антенной, которое бы задерживало фазу тока до совпадения с фазой напряжения. Безусловно, это фазирование возможно в определенной узкой полосе частот, однако, как показывает практика, в пределах одного любительского диапазона эта задача вполне разрешима.

Е-Н антенна в зависимости от формы элементов (пластин конденсатора) может излучать как под большими, так и под малыми углами к горизонту. Для формирования излучения под малыми углами к горизонту используются, в основном, два метода. Первый – выполнение элементов антенны в виде конусов. Причем, чем больше отношение диаметра основания конуса к его высоте, тем ниже угол излучения. Второй, в конфигурации диполя – увеличение длины цилиндров по отношению к диаметру. Вышесказанное позволяет сделать вывод о возможности реализации определенных направленных свойств Е-Н антенны в угломестной, в данном случае, Е-плоскости. Исходя из утверждения, что поле Н должно быть замкнутым (иметь форму круга), можно сказать, что Е-Н антенна является ненаправленной, т.е. имеет круговую диаграмму в азимутальной, т.е. Н-плоскости. Направленные Е-Н антенны могут быть реализованы путем создания фазированной решетки или создания излучателей особой формы. Ввиду того, что электромагнитное излучение формируется внутри антенны, Е-Н антенна не может быть использована как пассивный элемент. По той же причине антенна ослабляет внешние помехи реактивного характера.

Так как излучатель антенны является нерезонансной структурой, рабочая частота целиком определяется внешней фазирующей цепью. В случае применения простейшей фазирующей цепи суммарная АЧХ близка к АЧХ одиночного колебательного контура. Это значит, что Е-Н антенна в определенной степени подавляет излучение на гармониках.

Е-Н антенна, как и антенна Герца, одинаково эффективно работает как на прием, так и на передачу. Также она является довольно малошумящей, что немаловажнс, особенно на низкочастотных диапазонах.

Диапазон величины сопротивления излучения Е-Н антенны находится в достаточно широких пределах в зависимости от формы излучателя. Так, для "толстого диполя" при соотношении длины цилиндра к его диаметру равном 3:1 эта величина достигает более 2000 Ом. Для биконического излучателя , созданного для АМ-вещания, обеспечивающего излучение под очень низкими углами, у которого отношение диаметра основания конуса к его высоте приблизительно равно 7, сопротивление излучения находится в пределах 10 – 20 Ом. Промежуточные формы излучателей, соответственно, имеют сопротивление излучения, находящееся между этими крайними значениями.  Кроме того, сопротивление излучения в огромной степени зависит от схемы фазирования. Например, при фазировании L-L контуром (параллельная схема фазирования) сопротивление излучения находится в пределах единиц килоом, в то время как при фазировании L-T контуром (последовательная схема фазирования) – в пределах десятков Ом.

2. Фазирование Е-Н антенн.

Е-Н антенна состоит из двух элементов с натуральной емкостью между ними. Когда достигнуто фазирование, начинается излучение и вступает в силу параметр, который называется сопротивлением излучения, Rизл, которое включено последовательно с емкостью. Также, последовательно с Rизл включена индуктивность фазирующей катушки. Величина сопротивления излучения зависит от размеров и формы антенны. Для " диполя" эта величина колеблется в пределах нескольких килоом. Это значение возрастает при уменьшении длины цилиндров и неизменном диаметре, и наоборот. Для биконическрй антенны Rизл измеряется в Омах и зависит от размера элементов и угла между ними. В первом приближении ожидаемая величина равна 20 Ом. В конструкции антенны нет индуктивности. Однако ток смещения при правильном фазировании имеет фазу виртуальной индуктивности. Исходя из каких соображений авторы вводят этот параметр – вопрос пока открытый. Тем более, что , насколько мне известно, не существует методики расчета этой самой виртуальной индуктивности. Однако, поправка с ее учетом весьма незначительна, несколько градусов, что легко компенсировать настроечными элементами.

     Емкость между элементами может быть измерена с помощью обычного прибора – измерителя емкости. Типовая величина емкости "диполя" для диапазона 40м - около 9 Пф. Величина емкости биконического излучателя зависит  от размера конусов и угла между ними. Для диапазона 20м эта емкость порядка 12 пФ, а для средневолновой радиовещательной антенны эта величина составляет несколько сотен Пф. На рис.2 изображена векторная диаграммаэквивалентной схемы Е-Н антенны.

По горизонтальной оси расположен вектор сопротивления излучения. От конца вектора Rизл в отрицательную область направлен вектор реактивного сопротивления емкости, обозначенный как –JX, а в положительную область – вектор реактивного сопротивления индуктивности, обозначенный как +JX. Расчет реактивного сопротивления неоднократно приводиося в различной радиотехнической литературе. Просуммировав векторы, получаем новый вектор – вектор импеданса Z. Также получаем угол между векторами R и Z, так называемый угол импеданса F. И дополнительная фазирующая цепь должна свести к нулю величину этого угла. Одиночная наружная индуктивность настраивает цепь в резонанс, но это еще не является полной реализацией Е-Н антенны. В Е-Н антенне ток через емкость вызывает поле Н с той же фазой, что и ток. Фаза тока через емкость всегда опережает по фазе приложенное напряжение на 90 град. Поэтому нужна дополнительная цепь для задержки фазы тока на 90 град до полного совпадения с фазой напряжения. В этом суть Е-Н антенны. Выше мы говорили о цепи, осуществляющей фазовую задержку для получения резонанса. Сейчас стоит сказать о суммарной фазовой задержке, которая равна F+90 градусов. Для последовательной схемы фазирования величина угла F довольно большая, достигающая 87 градусов. Тогда суммарная фазовая задержка равна 87 + 90 = 177 градусов.

3.Практическая конструкция.

Существует несколько способов фазирования и согласования Е-Н антенн. В [3] описана антенна в виде "толстого диполя" на диапазон 40м с так называемым высокоомным согласованием. На основании материалов, предоставленных W0KPH, мной была изготовлена и практически опробована конструкция Е-Н антенны с низкоомным согласованием.

Как видно из рис. 3, катушка , настраивающая систему в резонанс и элементы с натуральной емкостью между ними , образуют последовательный контур. Когда достигается правильное фазирование, начинается излучение и вступает в действие параметр, который называется сопротивлением излучения. Тогда эквивалентная схема излучающей системы может быть представлена в виде последовательного соединения емкости, индуктивности и сопротивления излучения. В данной схеме включения их сумма составляет десятки Ом. На рабочем месте оператора между трансивером и питающим кабелем включается дополнительное фазирующе-согласующее устройство.

Данное фазирующе-согласующее устройство, схема которого представлена на рис. 4, представляет собой L-T контур ( L – перевернутое ). В русскоязычной транскрипции это можно назвать как Г-Т контур. Причем, катушка Г-контура и левая катушка Т-контура объединены в одну катушку, которая в авторском варианте называется Ls ( L-source) или катушка со стороны источника. Правая катушка Т-контура называется Ll ( L-load) или катушка со стороны нагрузки. Здесь Г-контур выполняет функцию трансформатора сопротивлений, а Т-контур служит в качестве фазосдвигающего устройства, позволяющего получить необходимый суммарный фазовый сдвиг. Теперь несколько слов о самой конструкции антенны. Мной была изготовлена Е-Н антенна на диапазон 20м. В качестве емкости (источника электрического поля) использованы два цилиндра из луженой жести диаметром 50 мм и длиной 160 мм. Эти цилиндры плотно одеваются на отрезок полипропиленовой трубы для водопровода, которая служит в качестве монтажной конструкции. Расстояниемежду цилиндрами равно диаметру трубы, т.е. 50 мм. Катушка индуктивности расположена под нижним цилиндром на расстоянии 40 мм. Она содержит14 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,2 мм, намотанных на этой же трубе. Такие расстояния выбираются исходя из требований электрической прочности, т.к. между элементами действуют довольно высокие напряжения. Необходимо отметить, что катушка вместе с элементами, образующими емкость, являются открытым колебательным контуром. Поэтому необходимо принять все меры по защите его от атмосферных воздействий.

Расчетные значения указанных выше параметров антенны для других любительских диапазонов приведены в таблице 1.

Катушки фазирующе-согласующего устройства бескаркасные, намотанные медным проводом диаметром 2мм. Катушка Ls намотана на оправке диаметром 40мм и содержит 5 витков. Катушка Ll намотана на оправке диаметром 25мм и содержит 4 витка. Конденсаторы Cs и Cl переменные с воздушным зазором, рассчитанные на относительно невысокие напряжения и большие токи. Это могут быть обычные от радиовещательных приемников. Максимальное значение для Cs – 250Пф, для Cl – 50Пф. Расчетные значения индуктивностей катушек и максимальных значений емкостей для других любительских диапазонов приведены в таблице 2.

Для проверки предположений, изложенных в [4], было предпринято следующее. Антенна была установлена на деревянном шесте на высоте 2м от железобетонной крыши девятиэтажного дома. Кабель от антенны опускался по шесту, затем на расстоянии 5м до релейной коробки (на крыше установлены другие мои антенны) был уложен прямо на крышу и прикреплен к ней скотчем .От релейной коробки кабель опускался вертикально вниз на второй этаж на расстоянии 30 – 50см от железобетонной стены. Для серьезных испытаний антенны был выбран CQ WW SSB Contest 2002. К сожалению, ввиду занятости по работе, я смог выделить только 18 часов свободного времени для работы в контесте и то в основном в светлое время суток. За эти 18 часов было проведено 465 QSO, сработано 82 страны 20 зон.
На фоне зовущих станций мне отвечали 8P8P, 5U7JK, VK3EGN.
ZK1MA, HC8A - Самые дальние корреспонденты в восточном направлении.
Поверьте мне, на оплетку кабеля, лежащую на железобетонной крыше так не отвечают! Общее же впечатление об антенне такое – данная антенна работает как хороший четвертьволновый вертикальный излучатель.

Александр Сенчуров, UT4EK,

Мастер спорта Украины.

E-mail : ut4ek@ukr.net

Список использованных источников.

1. www.qsl.net/wokph
2. www.eh-antenna.com
3. В. Гусман. Новые тенденции в теории и практике антенн. "Радиомир. КВ и УКВ" №8 2002г.
4. И. Гончаренко. МА-ахонькие антенны. "Радиомир. КВ и УКВ" №7 2002г.