Сайт о ЕН-Антеннах
Сайт, посвященный ЕН-Антеннам. Статьи. Описания. Конструкции. Эксперименты. Результаты испытаний.
Продлжение статьи от апреля 2003 года. Более полно описаны физические принципы и конструкция ЕН-Антенны, даны рекомендации (июнь 2004г).
Ллойд Батлер (Lloyd Butler )

VK5BR
Материал взят с сайта:
http://www.qsl.net/vk5br/EHAntennaTheory.htm

ЕН-Антенна - Более полная информация о том, как это работает и как это выполнено.


40-метровый Диполь


Введение
В предыдущей статье, я описал, как постороить ЕН-Антенны для диапазонов 20 и 40 метров, используя, банки для консервирования, установленные на поливинилхлоридной сантехнической трубе. Есть несколько форм этих антенн, представленных изобретателем этих антенн - Тэдом Хартом, но в моей более ранней статье (и в этой также), используется схема согласования, которую он назвал L+L тип.
Принципы действия ЕН-Антенн бурно обсуждаются и до сих пор идут споры по этому вопросу. Базируясь на собственных расуждениях и большом количестве экспериментов, я представляю свои соображения по работе ЕН-Антенн.
В процессе экспериментирования стало очевидно, что значительное количество ВЧ поля направлено вниз на питающий кабель, вызывая его излучение. Фактически, некоторые противники CFA и ЕН теории упорно утверждали, что это и есть основное излучение антенны. Однако это не является основной формой излучения антенны и это побочное излучение можно отсечь. Это позволяет сконцентрировать всю мощность в ЕН-Антенне, это также предотвращает нежелательную взаимосвязь между схемой согласования и настройкой антенны. Такое ограничение также предотвращает нежелательное излучение непосредственно на месте установки радиостанции и поглощение (потерю) мощности в земле.
В следующих параграфах я опишу, как проверить излучение питающего кабеля и как правильно установить фильтры-пробки, чтобы отсечь это излучение. Также будут описаны достигнутые результаты по установке таких фильтров.

Немного об основах
Чтобы достичь Электромагнитного (EM) излучения, необходимо, чтобы Электрическое (E) и Магнитное (H) поля находились под прямым углом и в фазе. В ЕН-Антенне это достигается в намного меньшем пространстве, по сравнению с антенной Герца. Короче говоря, ЕН-Антенна состоит из двух цилиндров с естественной емкостью между ними. Поле E получается из-за приложенного к этим цилиндрам напряжения , и предполагается, что поле H возникает от тока смещения в диэлектрике между этими двумя элементами. Поля пересекающиеся под прямым углом можно увидеть на Рис. 1


Рис. 1

Перед тем как идти дальше, мне кажется, надо обсудить понятие тока смещения и немного о генерации Электрического (Е) и Магнитного (Н) полей.
Поле H образуется изменяющимся электрическим током в проводнике, а также и от виртуального тока, который Максвелл назвал током смещения и который определяется как изменение заряда электрического поля.
Этот ток смещения присутствует в свободном пространстве, но если есть два металлических цилиндра с диэлектриком, формирующие емкость, то диэлектрический ток смещения также происходит. (Диэлектрическое смещение - действительно смещение электронов или искажения их орбит вокруг атомов в диэлектрике). Согласно моему старому Admiralty Handbook, полный ток смещения - это сумма этих двух токов.
Таким образом образуется поле Н от изменяющегося тока в проводнике или от тока смещения, образующегося полем E.


Рис. 2

Теория
Тэд Харт обнаружил что, если он изменял фазу (фактически на 90 градусов), в цепь питающую ЕН-цилиндры, излучение, увеличиваясь, влекло за собой увеличение сопротивления излучения (или, иными словами, сокращение эквивалентного параллельного сопротивления излучения). Это было учтено в цепях согласования, рассчитанных так, чтобы соответствовать новому импедансу антенны и источнику в 50 омов. Типовая схема согласования L+L, показана на Рис. 2.
Изначально идея состояла в том, что изменение фазы так или иначе возмещает фазу входного тока (и следовательно тока смещения), относительно напряжения между цилиндрами так, что ток смещения (и, следовательно, поле Н) было в фазе с напряжением на цилиндрах (и, следовательно с полем Е). Однако эта теория, казалось, бросала вызов некоторым основным электрическим принципам, относительно входного имеданса антенны.
Единственный способ изменить характеристики этого импеданса состоял в том, чтобы изменить кое-что в импедансе а не в характеристиках входного сигнала. Стив Галастри подчеркивал в письмах ко мне, что я не могу рассматривать антенну в отдельности, а необходимо учитывать сразу и схему согласования (питания). Это и есть необходимое условия в рассмотрении работы антенны.
Для меня это было осознанием того, что должно быть не только электрическое поле между цилиндрами, но и поле между каждым цилиндром и фильтром согласования. В версии антенны Стива, он использует сбалансированный мост, для согласования, который также изменяет фазу. Я предполагал, что в обычном способе питания антенны, изменение фазы будет значительно отличаться в точке питания цилиндров. Также, возникал ток смещения от поля E, и частично в фазе с полем E от сбалансированных цилиндров. В свою очередь, это смещение произвело бы поле H, также частично в фазе с полем E цилиндров, чтобы достичь увеличенния излучения.
Регулирование фазы могло вполне точно совпасть с полем H и полем E, как желательно.

Здесь я должен разъяснить, что я подразумеваю под продольным режимом. Продольный или обычный режим в сбалансированной схеме согласования - тот, в котором ток в обеих плечах моста является равным и в фазе, в отличие от иного (дифференциального) режима, в котором токи в каждом плече находятся в противофазе.
Для примера, обратите внимание на Рис. 3. Здесь с двух сторон мост сбалансирован, а центральная точка этого моста заземлена. Ток (Id) в ином режиме, вытекает из источника напряжения (Vd) и течет в противоположных направлениях по двум плечам моста. Если потенциал (VL) существует между двумя земляными точками, ток (IL) будет течь в каждом плече между двумя этими точками, но в том же самом направлении. Это называют продольным или обычным режимом. Если схема сбалансирована, взаимодействие между сигналами, соединенными через трансформатор отсутствует в ином (дифференциальном) и обычном режиме.


Рис. 3 - Продольный Ток

В ЕН-Антенне мы имеем несбалансированную систему согласования , здесь я вижу обычный режим согласования: присутствует напряжение между электрическими центрами двух цилиндров и очкой ноля схемы согласования. Это эквивалентно рассмотрению напряжения от каждого из двух цилиндров к нулевой точке. Теперь посмотрите на Рис. 4. Напряжеение Vin от входной линии 50 Ом подается на схему согласования, Vd - напряжение между цилиндрами, и Vl - продольное напряжение. Из теории, мы должны иметь фазу в 90 градусов между VL и Vd.


Рис. 4 - Напряжения в ЕН-Антенне


Испытания
Вооруженный теорией, я намеревался увидеть, можно ли обнаружить эти поля и согласование по фазе. Испытания проводились на моей ЕН-Антенне на диапазон 40 метров, описанной в моей предыдущей статье, и которая использовала сбалансированную цепь согласования, показанную на Рис. 2.
Первые мои действия заключались в тщательной регулировке и настройке ЕН-Антенны, при подводимой мощности приблизительно в 20 ватт и достижении КСВ близкому к 1:1, с согласующим устройством, расположенным как можно ближе ко входу 50 Ом антенны.
Для проверки полей от диполей, использовалась маленькая неоновая лампочка, которая даже показала распределение поля от цилиндров. Самое сильное поле было в промежутке между цилиндрами и распространялось вниз, на нижний цилиндр, постепенно затухая. Был также еще один пик поля, располагающийся ниже основного, но в пределах цилиндра. Я предположил, что это происходит из-за продольной производной поля.
Я использовал двухлучевой осциллограф, для измерения фазы и исследования импеданса. Это было не легко. Трудность состоит в том, что когда проводятся измерения, антенна несколько расстраивается и ее приходится подстраивать вновь. Также важно, что мощность передатчика должна быть уменьшена до очень низкого уровня, иначе испытательное оборудование "запирается" сильным сигналом или наводками на саму аппаратуру и даже может выдавать ложные показания.
Конечно я не мог непосредственно измерить VL, поскольку один из полюсов находится в виртуальном центре между цилиндрами. Но я мог измерить напряжения от каждого цилиндра до нулевой точки, показанных на Рис. 4, как Vp1 и Vp2. Фактически VL - это среднее значение Vp1 и Vp2. При измерении в этих точках, расстройка уменьшается минимально, так как измерения проводились через резисторы 10 КОм, а входное сопротивление осциллографа велико. Однако даже используя эти резисторы, необходимо поднять мощность, на величину, достаточную для считывания КСВ при настройке антенны в процессе измерения и подстройкм КСВ на величину 1:1.
При измерениях выяснилось, что напряжения на каждом цилиндре были почти равные и немного не в фазе друг с другом.
Используя регулировку усиления по каналам осциллографа, усиление было выровнено насколько возможно, чтобы амплитуды сигналов на экране были равны. Один луч осциллографа был изменен по фазе и при таком наложении двух лучей друг на друга, мы увидим остаточную результирующую этих напряжений.Это остаточное напряжение прекрасно видно и также видно, разницу в фазах на цилиндрах. Таким образом зная ее можно замерить напряжение (Vd).

Теперь важный вывод. Фаза дифференциального напряжения между цилиндрами, в сравнении с диполями сдвинута примерно на 90 градусов. Таким образом мы имеем сдвиг фаз в 90 градусов.

Высокое продольное напряжение должно конечно произвести электрическое (E) поле в 90 градусов относительно дифференциального поля диполя. Поле H должна производить поле E (или в терминах Максвелла - Поток Смещения). Это - дальнейшее изменение в 90 градусов, устанавливает поле Н в фазе (или в противофазе) с полем Е диполя. Так что это удовлетворяет требованию теоремы Поинтинга.
Если Вы будете читать приложение, Вы увидите, что в L системе согласования - фактически происходит настройка и трансформация от низкого сопротивления к высокому. Использование такой схемы согласования было хорошим приемом для того, чтобы изменить фазу для питания этого специфического диполя. Фактически я понимаю, что специфический тип согласования был выбран для этой цели. Чтобы увидеть, как это работает, взгляните на векторную диаграмму, на Рис. 5.


Рис. 5
Отношения фаз между продольным напряжением и дифференциальным
напряжением в сбалансированных LL системах настройки.

(1) Продольное напряжение от цилиндра 1, до схемы согласования. (Vp1)
(2) Продольное напряжение от цилиндра диполя 2, до схемы согласования. (Vp2)
(Напряжение (2) = Напряжение (1))
(Разница фаз между этими напряжениями = 2 тета)
(3) Продольное (виртуальное) напряжение от центра между цилиндрами до схемы
согласования, комбинация (1) и (2) (VL)
(4) Дифференциальное напряжение между этими двумя цилиндрами. (Vd) Обратите
внимание, что напряжения (1) и (2) равны, и находятся в 90 градусах к продольному
(виртуальному) напряжению центра (3).
Это независимо от различия фаз 2 тета).


Из диаграммы видно, что продольные напряжения Vp1 и Vp2 равны и есть какое-то различие фазы между ними, дифференциальное напряжение Vd находится в 90 градусах и виртуальное напряжение VL по центру. Таким образом происходит компенсация этих фаз в согласующей цепи L.
Происходит небольшое изменение частоты, изменение фазы в 45 градусов эквивалентно изменению частоты fo/2*Q. (чем больше Q, тем меньше изменение частоты). К счастью продольная цепь разорвана высоким полным сопротивлением и следовательно продольный элемент Q высокий, так что изменение частоты не такое большое.
Возвращаясь ко второй области поля E, можно вспомнить, чтобы мощность излучалась как монополе. Моей мыслью было то, что мощность излученная будет небольшой, потому, что согласующая схема расчитана для более высокого сопротивления излучения диполя и едва будет пригодной, чтобы соответствовать низкому сопротивлению излучения монополя.
Можно также доказать, что может быть условием, чтобы продольная область E могла также объединиться с областью H сгенерированной током смещения поля E диполя, чтобы обеспечивалось излучение. Кроме того, согласующая схема - вряд ли может быть пригодна для хорошей передачи мощности.

Поле Н и проверка продолного тока
Как описано в введении, обычный режим или продольный ток обнаружены в коаксиальной линии, что в свою очередь, вызывало излучение линии. Мы обсудили в предшествующих параграфах как действует продольное напряжение, чтобы генерировать вторичное поле E. Где есть напряжение, может течь ток и Я принимаю, что ток наведен этим напряжением. Ток, идущий по коаксиальной линии можно проверить с помощью ферритового кольца, одетого на эту линию, на котором сделан один единственный виток, который соединен с ВЧ амперметром, как показано на Рис. 6.


Рис. 6

Для того, чтобы провести измерения, необходимо сделать калибровку, ее можно сделать, пропуская ВЧ ток через через прибор, а затем через экран и убедиться в работоспособности устройства. На моем устройстве ток через экран равнялся 80% тока через сам прибор, а отсюда затем и производилась корректировка.
Я использовал большое ферритовое кольцо, чтобы была возможность пропускать через него кабель с разъемами BNC. При сдвигании кольца, калибровка должна быть повторена.
Испытания проводились на антенне 20-метрового диапазона с L+L схемой согласования. Ток присутствовал, когда ЕН-Антенна была настроена как ЕН, с низким уровнем КСВ.
При мощности 25 ватт, максимальный ток около подсоединения к ЕН-диполю, сосавлял около 0,5 А. Этот ток уменьшался, по мере перемещения кольца ниже диполя, на расстояние 1/4 длины волны. Дальнейшее перемещение кольца показало увеличение тока, который достиг опять максимума на отметке в 1/2 длины волны.
Это подтвердило, что ток действительно есть и он не компенсируется током, протекающим по центральной жиле питающего кабеля.

Отсечение тока в питающем кабеле

Фильтр на диапазон 20-метров с ферритовым сердечником.
Чтобы проводить тесты на антенне 20-метрового диапазона и отфильтровать ток по экрану кабеля, Я сделал небольшой фильтр, показанный на Рис. 7. Катушка состоит из 10 витков кабеля RG58 (аналог РК50-3-11, РК50-3-13 и т.д.) диаметром 1,25 дюйма (около 3,2 см), намотанной на каркасе длиной 8 дюймов (20,3 см), в котором находятся, по центру, ферритовые кольца диаметром 1/2 дюйма (1,3 см). Индуктивность такой катушки составила около 11,5 микрогенри (это обеспечило сопротивление на частоте 14 МГц около 1000 Ом.). Кабель, в целях жесткости, был временно закреплен лентой.


Рис. 7

Чтобы такой фильтр был более эффеективным, его можно настроить конденсатором, включенным в параллель катушке. Описанный фильтр настраивался конденсатором, величиной около 10 Пф (плюс распределенная емкость самой катушки). Резонанс такого фильтра может быть легко проверен, с помощью ГИРа. При добротности Q около 100, полное сопротивление фильтра на частоте 14 МГц становится около 100 000 Ом.
Аргументом для использования такого фильтра служат потери в образовававшимся контуре. Фильтрация с применением контура будет тем выше, чем больше соотношение L/C. Конечно здесь есть тоже предел, когда катушка становится слишком большой, чтобы ее можно было настроить емкостью. В описанном фильтре, потери составили около 4%.

Фильтр на диапазон 20-метров без ферритового сердечника.
Использование больших ферритовых колец стоит затрат денег, поэтому можно изготовить фильтр и без использования ферритовых колец. Такой фильтр показан на Рис. 8. Индуктивность для этого фильтра сделана на полипропиленовой трубе диаметром 55 мм. Для катушки использовался 50-омный кабель RG-174.
Катушка содержит необходимое количество витков, чтобы резонировать на 14 Мгц, с емкостью в 10 Пф.
Фильтр содержит:
  • Полипропиленовая труба диаметром 55 мм.
  • Кабель - RG174.
  • Количество витков - 13.
  • Длина катушки - 36 мм.
  • Индуктивность около 11 микрогенри.
  • Добротность Q, около 50.
  • Потери на частоте 14 МГц около 0,2 децибела.

Рис. 8

Ток в образовавшемся контуре фильтра был замерен и составил около 0,28 А при подводимой мощности в 50 ватт. В фильтре терялось около 3% подводимой мощности.
При подаче в антенну 50 ватт мощности, фильтр немного нагревался.
Использование фильтра без ферритовых колец дает экономию и исключает неправильную работу фильтра из-за насыщения феррита и премагничивания.

Фильтр на диапазон 40-метров без ферритового сердечника.
Был также сделан фильтр для антенны на диапазон 40-метров.
В нем использовалось: Использование таких фильтров - это именно то что надо. Есть конечно неболшие потери. Фильтр на диапазон 20-метров вносит затухание 0,2 децибела, а фильтр на диапазон 40-метров вносит затухание около 0,5 децибела. Фильтры были подключены к согласованной питающей линии 50 Ом, при КСВ 1:1.

Где устанавливать фильтр.
Фильтр может быть установлен на входной раъем ЕН-Антенны и он будет работать ПРАВИЛЬНО. Тем нге менее, Я предлагаю устанавливать фильтр на расстоянии 1-2 метров от антенны. Мои тесты (QSO), проведенные на антенне 20-метрового диапазона, показали, что фильтр, установленный на расстоянии 1,5 метра от антенны, дает прибавку в рапортах корреспондентов на 1-2 балла выше. Без использования фильтра наблюдается отклонение поля антенны и для его компенсации приходилось наклонять трубку антенны под углом 45 градусов.

Сравнение антенн.
Непосредственно тесты с антенной проводились с другим радиолюбителем, живущим от меня в 11 километрах. Я живу на склоне Adelaida Hills, а мой друг радиолюбитель находился в квартире.
Использовалась ЕН-Антенна на диапазон 20-метров c фильтром, установленным на 1,5 метра ниже антенны.
Полуволновой Inverted V, установленный на мачтах 2,5 метра высотой.
Также использовалась вертикальная антенна Ground Plane.
ЕН-Антенна была поднята на 2,5 метра над землей.
При подводимой непрерывной мощности 25 ватт, мой друг давал такие оценки:
Делаем поправки: минус 3 децибела для антенны Ground Plane на согласование. Минус 1,25 децибела у ЕН-Антенны на потери в фидере и еще минус 1 децибел из-за 20% потерь в схеме согласования, что дает в общей сложности 2,25 децибел потерь. Тем не менее по антенне с Ground Plane сила сигнала была на 0,2 балла выше, что можно считать как плюс 1 децибел. Из этого сравнения, мы могли бы сделать вывод, что уровни сигнала с ЕН-Антенной и Ground Plane были одинаковы.
Можно также рассмотреть вариант и с антенной Inverted V, чтобы сравнить тот выигрыш сигнала, по сравнению с ЕН-Антенной в 0,3 балла (2 децибела). Конечно это довольно грубые сравнения этих трех антенн.
Я также отметил уровни принимаемого сигнала SSB:
Итог.
В этой статье я вкратце очертил теорию, как эта антенна работает, отчасти модифицировав более раннюю теорию, изложенную в "EH Handbook" Тедом Хартом (Ted Hart). Эти теории ассимилируют принципы, изложенные Maurace Hately в Poynting Theorum, которая оспаривалась некоторыми скептиками. Лично Я стараюсь не затрагивать конкретные аргументы, так как не обладаю фундаментальными знаниями в области распространения электромагнитных волн в пространстве, чтобы вступать в дискуссии.
Я привлек внимание к феномену этой антенны, чтобы показать какой ток течет в продольном направлении, вызывая излучение фидера. Я описал также, как сделать фильтр, чтобы исключить протекание этого тока.
Здесь описаны также несколько тестов, которые демонстрируют, что даже с отсеченным током в фидере, ЕН-Антенна, установленная в 2,5 метрах над землей, может излучать и притом излучать как другие, даже большие антенны.
Проблема антенн, которые небольшие по размерам, в сравнении с длиной волны в том, что их сопротивление излучения является очень маленьким, по сравнению с сопротивлением питания (источника). Следовательно, наиболшие потери происходят в схемах согласования. В этой ЕН-Антенне, эффективное последовательное сопротивление излучения увеличено, чтобы повысить эффективность работы. Также из-за более высокого сопротивления, Q более низкий и следовательно ширина полосы пропускания - значительно шире чем, например в антенне Magnetic Loop. Это те причины, по которым ЕН-Антенны можно использовать как хорошие небольшие антенны.
Я хочу отметить, что приведенное описание касалось ЕН-Антенны с L+L согласованием, но есть и другие типы согласования. Одна из них названа Тедом Хартом backpacker, и использует согласующую схему L+T, а также новую схему согласования (на момент написания статьи), названную "Star".

Приложение.
Здесь будет описано, как расчитать номиналы компонентов для схемы согласования.
Для ЕН-диполя, мы можем расматривать эквивалентную схему, показанную на Рис. 9. Для антенны с использованием цилиндров, где элементы равны диаметру трубки, емкость составляет около 10 Пф или менее и параллельное сопротивление излучения должно быть близким к 2368 Ом (как дает Тед Харт).


Рис. 9
Эквивалентная схема ЕН-Антенны.

Если мы будем игнорировать рассогласование, и не будем учитывать схему для сдвига фазы, то 2368 Ом могут быть легко трансформированы в 50 Ом простой L-схемой, как показано на Рис. 10.
Мы конечно можем рассчитать L схему согласования, выбрав необходимые компоненты, чтобы получить оптимальную Q, так, чтобы было соотношение 2368/50=(Q*Q+1). Получив Q около 6,8. Отсюда реактивность последовательной индуктивности 6,8*50=340 Ом, и отсюда общая параллельная емкостная составляющая (включая и емкость антенны) будет такая же.

Рис. 10
Базовая схема согласования L типа.
Xa - емкость антенны.
Xc - Xm+Xc

Тем не менее, в обсуждаемой схеме ЕН-Антенны, используется балансная L схема согласования, показанная на Рис. 11. За исключением балансировки цепи в диполе, это также обеспечивает сдвиг фазы как описано в основном тексте. Можно рассматривать, что эта форма состоит из двух цепей L согласования описанных ранее. Но здесь нагрузка антенны соединена с двумя схемами L согласования трансформирующими 1/2 выходное сопротивление антенны (Ra) в удвоенное 50 Ом. Четыре реактивных элемента могут быть вычислены как 50 квадратных корней из Ra, для Ra=2368 Ом, результаты следующие: 340 Ом, как и для антенны с простой L схемой согласования. Для диапазона 14 МГц индуктивности будут равны 4 микрогенри, а емкости 33 Пф (включая параллельную емкость диполя.


Рис. 11
Балансная схема согласования.

Эити вычисления не учитывают, что необходимо получить необходимый сдвиг фаз, а следовательно немного изменить частоту резонанса цепей согласования. Делая сначала вычисления как и описано выше, я обнаружил необходимость уменьшать индуктивность катушки расположенной ниже цилиндров (более низкой), отматывая одн виток, как указано на Рис. 2.

Ссылки.


перевод: В. Кононова (UA1ACO)
| главная | | W5QJR| | UA1ACO | | Теория | | Практика | | Россия | | Германия | | Украина | | США | | Швеция | | Швейцария| | Италия | | Австралия | | Серийные | | Ссылки | | Разное |