ВВЕДЕННЯ
Широке поширення пересувний зв'язку на 27 МГц гостро ставить питання про антени для засобів зв'язку.
Це питання ускладнюється тим, що використання четвертьволновых антен, довжина яких становить для діапазону 27 МГц 2,7 метра, у багатьох випадках неприйнятно. Використання вкорочених антен пов'язано з цілим рядом специфічних питань, які в популярній літературі не розглянуті, але при незнанні яких ефективність засобів СВ-зв'язку може істотно погіршитися.
Для переносних СВ-радіостанцій в основному використовуються несиметричні штирьові антени. Це пов'язано з тим. що антени інших типів просто практично неможливо використовувати з таким типом радіостанцій.
1. РОБОТА ЕЛЕКТРИЧНО КОРОТКИХ АНТЕН ПЕРЕНОСНИХ СТАНЦІЙ
Електрично коротка антена складається як з самої антени, яка включав випромінюючий елемент, так і з елементів системи його погодження та системи його заземлення. У відповідності з ним загальний опір антени Ra складається з опору штиря (r ш) і опору його заземлення (Rз) (рис.1).
Входить у формулу і "опір середовища" Rср. яке зменшується при збільшенні кількості противаг і довжини антени.
Ra=R Ш+Rз+Rcp
Корисна ВЧ енергія розсіюється на r ш, тому потрібно прагнути до зменшення величин Rз і Rсp. У загальному випадку за допомогою спеціальних методів можна заміряти опір "землі", але для практики можна прийняти, що опір корпусу СВ радіостанції довжиною 20...30 см, використовуваного в якості противаг, для цієї формули становить величину не менше 150...300 Ом.
Контакт з рукою людини несуттєво змінює ну величину. Але підключення резонансного четвертьволнового противаги довжиною 2,7 метра знижує опір землі Rз. Вже один противагу зменшує опір Rз приблизно до величини не більше 50...60 Ом. а при наявності трехчетырех противаг можна вважати Rз пренебрежимо малою величиною 5...10 Ом. Опір середовища визначається взаємодією штиря антени з його "земляний" системою. Якщо у повнорозмірної четвертьволновой штирьовий антени ця взаємодія відбувається у великому просторі і має незначну внаслідок цього величину, то в укорочених антенах електромагнітне взаємодія короткої антени з короткою противагою происходи р в обмеженому обсязі простору. Причому будь-яке втручання в цей обсяг істотно змінює опір середовища, і. отже, чинить значний вплив на параметри такою антеною системи. Причому в такий антеною системі з укороченими елементами істотне збільшення одного з них. наприклад штиря до величини четвертьволнового, або противаги, не викликає суттєвого зниження Rcp. І тільки збільшення (тобто подовження) як штиря, так і противаги викликає падіння Rcp.
Вже з цього можна укласти, що опір короткої антени СВ-станції - величина не постійна, а змінна, яка, зокрема, залежить від положення сторонніх предметів (у тому числі й оператора) щодо антени.
У загальному випадку добре узгоджена антена під впливом цих факторів може повністю рассогласоваться.
З цього випливає, що вихідний каскад передавача СВ-радиостаиции повинен бути побудований так, щоб таке неузгодженість суттєво не впливало на його роботу, і щоб при усуненні причин неузгодженості вихідний каскад продовжував нормально функціонувати. Для цього необхідно, щоб вихідний транзистор мав 3...4-кратний запас по потужності. Необхідний також компромісний варіант согласующей ланцюга П-контура. допускає роботу на комплексну змінну навантаження. Необхідно усунути самозбудження при зміні параметрів антени. Вже ці вимоги. пред'являються до вихідних каскадів СВ переносних станцій, показують, що підходити до їх конструювання стоїть дуже серйозно. Для пересувної автомобільної радіостанції, яка працює на стаціонарну автомобільну антену, вимоги до РА набагато нижче. Це обумовлено використанням в якості противаги корпусу автомобіля, який є гарною "землею" для СВ-антени. Штир, використовуваний для автомобільної СВ-антени. має довжину близько метра, а у багатьох випадках і довше. Це створює передумови для роботи автомобільної антени з набагато більшим ефектом, ніж переносної антени станції. Істотно і те, що в зоні взаємодії струмів зміщення в системі "штир антени - противага" немає сторонніх предметів, що робить Rсp для таких антен стабільніше, ніж в переносних станціях.
З усіх існуючих типів антен СВ переносних станцій можна виділити дві групи - резонансні та нерезонансные антени. Серед штирьових вкорочених антен з групи резонансних можна виділити спіральні антени і штирьові антени, видовжені індуктивністю. Серед нерезонансних штирьових антен доцільно використовувати лише один тип - короткий штир у складі вихідного резонансного контуру. У цьому випадку штир є контурним конденсатором з розподіленою ємністю.
2. СПІРАЛЬНА АНТЕНА
Спіральну антену можна розглядати як відкритий спіральний резонатор [1]. У цьому випадку сама антена є спіральним резонатором, ланцюг узгоджувального контуру передавача - продовження спірального резонатора і входить в ланцюг його порушення, а зовнішнє простір можна розглядати як нескінченно віддалений екран (рис.2).
Рис.2
Справедливість цих тверджень легко перевіряється практично. Так, при зміні параметрів согласующей ланцюга змінюється резонансна годину юта антеною системи. Навіть дуже незначна зміна кінцевої ємності антени сильно змінює її резонансну частоту [2]. І спіральні антени сильно схильні до впливу сторонніх предметів. Вже наближення руки на відстань 20 см призводить до неузгодженості антени з передавачем, оскільки із-за зміни кінцевої ємності змінюється її резонансна частота. Тут доречно проводити настройку по методу, запропонованому в [3]. Він полягає в тому, що спіральну антену налаштовують так, що при наближенні руки (або з-за іншого рассогласующего впливу) напруженість поля сигналу зростає, а потім зменшується. В даному випадку антена налаштована не точно в резонанс, а трохи в стороні від нього.
Як показують вимірювання напруженості поля, у цьому випадку напруженість поля становить близько 85% від напруженості поля при точному резонансі. Зате при випробуванні радіостанції з антеною, налаштованої в резонанс, і з антеною, налаштованої на скат характеристики антени, переваги останньої очевидні. Так, при використанні станції з резонансною антеною в процесі радіозв'язку при наближенні антени до людини відбувалися значні коливання напруженості поля. При використанні ж радіостанції з антеною, налаштованої на скат характеристики, рассогласующее вплив людини виявлялося набагато слабше і коливання напруженості поля було незначним. Виходячи з цього, можна рекомендувати налаштовувати спіральні антени по методу, запропонованому в [З]. Лише у разі, якщо спіральна антена працює в умовах, де виключено вплив рассогласующих факторів, можна налаштувати антену по максимуму напруженості поля.
При вимірі напруженості поля, обеспечиваемою спіральною антеною і штирьовій антеною з подовжуючої котушкою, виявилося, що настроєна в резонанс штирьова антена довжиною не менше ніж в три рази більшою. чим випробувана спіральна антена, забезпечила таку ж напруженість поля. З цього можна укласти, що в переносних станціях найбільш оптимальним варіантом антени є спіральна, яка міцніше і простіше в конструкції, ніж така ж але параметрами штирьова антена. При цьому необхідно учтывать, що в даному випадку короткий корпус радіостанції є кращою "землею" для спіральної антени, ніж для такої ж за параметрами штирьовий. Але спіральна аненна. забезпечуючи більшу напруженість поля, створює передумови для нестійкої роботи передавача.
Дійсно, при експериментах з'ясувалося, що той же самий передавач, стійко працював з зовнішньою антеною з кабельним харчуванням, при підключенні до нього спіральної антени збуджувався. Лише більш ретельне екранування і підстроювання узгоджувальних контурів дозволила працювати передавача зі спіральною антеною без самозбудження.
Спіральну антену, так само як і шгыревую, можна налаштовувати на робочу частоту за допомогою укорачивающей ємності і подовжує індуктивності. Застосування ємності підвищує резонансну частоту антени, а використання індуктивності знижує її. В даному випадку для підвищення ККД антени необхідно, щоб подовжуюча котушка була можливо меншій індуктивності, а укорачивающая ємність - можливо більшої величини. Застосування таких елементів настройки дозволяє використовувати спіральну антену в широкому діапазоні частот, оскільки в залежності від виконання і якості узгодження смуга пропускання спіральної антени невелика і становить 200...300 кГц в діапазоні 27 МГц.
Є ще один дуже важливий момент при використанні спіральних антен. При підключенні такої антени через коаксіальний кабель її резонансна частота внаслідок внесення реактивності кабелю в комплексне опір антени і, відповідно його зміни. змінюється і її необхідно підлаштувати.
При побудові спіральної антени, як, втім, і будь-який інший укороченою антени, слід звернути увагу ще на одну особливість цієї антеною системи, яка полягає в тому. що при підключенні четвертьволнового противаги дещо змінюється резонансна частота цієї антеною системи. Це можна пояснити тим, що противагу, має своє Rз, змінює Rсp. Змінюється також і ємність "антена - простір". Розширюється смуга пропускання спіральної антени приблизно в 1.5...2 рази за рахунок зниження її добротності і в той же час - за рахунок більш ефективного випромінювання. В основному, при експериментальному дослідженні частоти резонансу спіралі з четвертьволновыми противагами не виходили за межі смуги пропускання антени. У той же час напруженість поля з четвертьволновым противагою зростала не менш ніж у два рази.
Спіральна антена повинна бути підключена по можливості короткими провідниками до вихідного согласующему контуру. Це дозволяє забезпечити необхідну смугу пропускання і мінімальне паразитне випромінювання сполучної лінії.
3. ПРАКТИЧНІ КОНСТРУКЦІЇ СПІРАЛЬНИХ АНТЕН
Нижче розглянуті практичні конструкції спіральних антен, опубліковані в літературі останніх років. Параметри антен були виміряні з допомогою антенноскопа.
Спіральна антена, конструкція якої показана на рис.3, була опублікована в [4]. Випробування даної антени показали, що четвертьволновой ця антена є на діапазоні 21 МГц. Дійсно, спільно з резонансним четвертьволновым противагою опір антени тут склало близько 40 Ом. з невеликою реактивністю.
При підключенні такої антени до трансиверу з потужністю 40 Вт через коаксіальний кабель довжиною близько десяти метрів і розташування антени в отворі вікна вдалося провести кілька зв'язків на 21 МГц з RST56-58, що ще більше зміцнило мою думку про її справжній резонанс. Але все ж шляхом підстроювання витків та ємності, як показано в [4]. вдалося установити, що в діапазоні 27 МГц можливий її резонанс, що відповідає еквівалентній довжині антени в половину довжини хвилі.
Смуга пропускання антени на діапазоні 21 МГц була 200 Гц, на діапазоні 27 МГц - 250 кГц з четвертьволновым противагою.
Спіральна антена, дані якої наведені на рис.4, відноситься до четвертьволновым антен. З допомогою надстроечною штиря її можна перебудовувати в широких межах - від 26 МГц до 35 МГц. На діапазоні 27 МГц її вхідний Опір з корпусом радіостанції було 1300м і смуга пропускання - 650 кГц. З четвертьволновым противагою 65 Ом. Смуга пропускання була при цьому 800 кГц. резонанс змістився на 200 кГц вгору. Слід зауважити, що даний спосіб регулювання резонансної частоти антени хоча і досить вдалий у своїй простоті й ефективності, але все ж знижує добротність спиральною резонатора і, як наслідок цього, знижує ефективність антени. Це виражається в зниженні напруженості поля і розширення смуги пропускання антени.
Спіральна антена, наведена на рис.5 [5], при випробуванні на антенноскопе не показала резонанс на діапазоні 27 МГц і показала четвертьволновый резонанс в діапазоні 21 МГц. Спільно з четвертьволновым противагою її опір тут було 25 Ом при смузі пропускання в 250 кГц. Але при використанні снстемы узгодження наведеної радіостанції [5] було з'ясовано, що насправді в діапазоні 27 МГц досяжний резонанс. Очевидно, тут резонанс антени відбувається не за рахунок її роботи як четвертьволнового резонатора, а як П-конгура з розподіленою ємністю. У цьому випадку спіральна антена еквівалентна системі П-контурів, включених на вихід передавача, ємність яких є ємністю антени на землю. Випромінювання відбувається за рахунок настроювання в резонанс всієї системи П-контурів передавача. Однак вимірювання напруженості поля показали, що в цьому випадку використання спіральної антени неефективно. Таку ж напруженість поля може забезпечити настроєна в резонанс з допомогою подовжує котушки штирьова антена довжиною всього лише в 1,3 рази більше, ніж довжина цієї спіральної антени.
Спіральна антена, показана на рис.6 [6], показала вхідний опір на резонансній частоті діапазону 27 МГц 110 Ом з корпусом станції і 40 Ом з четвертьволновым противагою. Смуга пропускання з корпусом станції була 300 кГц. з противагою - 450 кГц. Завдяки тому. що верхня її частина намотана з розрядкою, вплив тіла людини на налаштування цієї антени не таке сильне, як у випадку суцільної намотки. Підключення четвертьволнового противаги змінювало частоту резонансу на 200 кГц вгору.
Була досліджена антена, використовувана в радіостанції типу "Колібрі-М2". Її конструкція показана на рис.7. В діапазоні 27 МГц ця антена показала опір 100 Ом і смугу пропускання 300 кГц з корпусом станції, і опір 47 Ом і смугу пропускання 200 кГц з четвертьволновым противагою. Підключення четвертьволнового противаги змінювало частоту резонансу на 120 кГц вгору. Саме антени, показані на рис.5 і 6. забезпечували напруженість поля. порівнянну з напруженістю поля, що розвивається штирьовій антеною з подовжуючої котушкою, з довжиною штиря, в три рази перевищує довжину такий спіральної антени.
Практичний вид АЧХ останніх двох антен показаний на рис.8. З цього рисунка видно, що АЧХ антени несиметрична. При підключенні четвертьволнового противаги АЧХ кілька змішається вгору - приблизно на. 100 кГц для діапазону 27 МГц, тим не менш смуга пропускання антени дозволяє їй працювати в СВ-каналах. Знання АЧХ спіральної антени дозволяє правильно налаштовувати її - не на середину робочого діапазону, а трохи вище.
4. ВИГОТОВЛЕННЯ ТА НАСТРОЮВАННЯ СПІРАЛЬНИХ АНТЕН
У літературі рекомендується виконувати спіральні антени на поліетиленовому сердечнику коаксіального кабелю. Дійсно, це оптимальний варіант матеріалу для такої антени. Кабель для виготовлення спіральної антени бажано використовувати 75-омний, тому що він зазвичай містить одиночний внутрішній провідник, який легко можна витягнути плоскогубцями, затиснувши сам кабель за інший кінець в лещатах. Якщо використовувати для виготовлення каркаса антени 50-омний кабель, який зазвичай має центральний провідник, що складається з декількох мідних проводів, можуть виникнути труднощі з їх видалення.
Найпростіший вихід - це нагріти провідники, пропустивши через них струм в 50...100 А з допомогою якогось потужного джерела струму. і потім швидко їх висмикнути.
Поліетиленовий каркас має після видалення обплетення шорстку поверхню, що полегшує намотування дроту з натягом. Слід пам'ятати, що спіральна антена - це високодобротна система, і якщо її виконати неакуратно, під впливом температури її резонансна частота може вийти за межі діапазону, на який вона налаштована. При дослідженні спіральних антен з'ясовано, що їх резонансна частота зміщується на 50...80 кГц вгору при охолодженні до температури -15°С. Антена повинна бути щільно обмотана ізолентою, щоб уникнути зсуву витків. а отже, і зміни резонансної частоти. Для цього підходить гнучка ПВХ-ізолента. Липка стрічка типу "скотч" не годиться для цього із-за своєї зайвої жорсткості.
Слід зауважити, що спіральна антена це несиметрична система. К. передавача її слід підключати тільки тим кінцем, який вказано в її описі. При підключенні антен, показаних на рис.6 і 7, іншим кінцем, вони будуть мати вже зовсім інші резонанси, далеко отстящие від діапазону 27 МГц. Навіть при зміні кінця підключення такий, здавалося б. симетричної антени як на рис.5, відбувається зміщення її резонансу з-за деякою несиметричності виконання антени.
Конструктивно зручно виконувати її кінець, підключений до передавача, з допомогою роз'єму СР-50 або СР-75. шляхом заплавлення туди пластикової основи антени. Від металевого каркаса роз'єму до початку намотування спіралі повинно бути не менше 12 мм При виготовленні антени не обов'язково прагнути до використання засади зазначеного діаметра. Відступ в 2...3 мм цілком допустимо. Наприклад, можна використовувати замість 7-міліметрової поліетиленової основи 9 мм, також її можна використовувати замість 12 мм. Хоча параметри антени при цьому змінюються, її цілком можна налаштувати на діапазон 27 МГц.
Налаштовують антени, як і зазначено в описі, шляхом відмотування витків з боку більш щільного намотування. У случак виготовлення всіх описаних тут антен вдалося налаштувати на діапазон 27 МГц шляхом відмотування частини витків. тобто вони були заздалегідь розраховані на резонансну частоту трохи нижче 27 МГц. Для ефективної роботи антени слід мати хорошу "землю" станції, наприклад металевий корпус. Якщо такого немає, необхідно прокласти в зручному місці на всю довжину станції мідну або алюмінієву широку фольгу. Такий противагу дає збільшення напруженості поля приблизно на 15...20%, що приблизно так само підвищує дальність зв'язку. В деяких випадках він допомагає прибрати самозбудження передавача.
Розміри спіральної антени можна вважати оптимальними, коли її довжина приблизно на 20% більше довжини корпусу-противаги. Якщо антена менше цієї величини. підвищується вплив на неї тіла людини та інших сторонніх предметів. Подальше збільшення її не викликає такого ж збільшення напруженості поля, простіше використовувати четвертьволновой противагу для збільшення дальності зв'язку.
(Продовження)
Автор: І. Григоров (RK3ZK, UA3-113), Білгород; Публікація: М. Большаков, rf.atnn.ru