Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Антенны. Измерения, настройка, согласование

 Комментарии к статье

Некоторые любительские KB диапазоны (160, 80 и 10 метров) имеют широкую относительную полосу частот - почти 10%, и не всякая антенна удовлетворительно работает на всех частотах этих диапазонов. Заменить узкополосную антенну более широкополосной - далеко не простое и не самое дешевое решение проблемы.

Существует и другая возможность существенно расширить рабочую полосу частот узкополосной антенны - с помощью специальным образом спроектированного согласующего устройства. Вопросы создания таких устройств и рассмотрены в публикуемой статье.

Нередко антенная система со своим согласующим устройством (СУ) не перекрывает нужную полосу частот при заданном КСВ. При этом антенна имеет свою полосу, а СУ - свою. И, казалось бы, при последовательном включении суммарная полоса частот (BW) будет меньше. Но учтем, что антенна и СУ, как правило, резонансные устройства. Поэтому BW антенной системы может как сузиться, так и расшириться, все зависит от характера изменения реактивности jX(f) у антенны и СУ.

Вспомним о технике полосовых фильтров - двухконтурный фильтр может иметь более широкую полосу, чем одиночный контур. Как известно, правильно сделанный полосовой фильтр содержит чередующиеся последовательные и параллельные колебательные контуры. У нас один из контуров - антенна (с некоторым приближением так можно считать). Следовательно, в зависимости от того, каков характер изменения jXa от частоты (как у последовательного или как у параллельного LC-контура), надо выбирать характер изменения jXcу(f).

1. Широкополосное согласование параллельным LC контуром в точке питания

Вблизи резонансной частоты эквивалентной схемой полуволнового (λ/2) диполя, питаемого в центре, является обычный последовательный LC-контур. То же относится и к λ/4 GP. Если первый контур (антенна) последовательный, то для образования широкополосного двухконтурного фильтра к нему надо подключить параллельный LC-контур, настроенный на среднюю частоту диапазона согласования. Он присоединяется параллельно питающему кабелю и, соответственно, антенне. К чему это приводит, показано на рис. 1, на примере λ/2 диполя на 28 МГц, параллельно которому подключен параллельный же LC-контур (конденсатор емкостью 500 пФ и катушка индуктивностью 62 нГн).

(нажмите для увеличения)

Зависимость jX(f) приобретает характерный для широкополосных систем согласования S-образный характер, и при правильной настройке пресекает нулевое значение трижды. Это и есть следствие взаимной компенсации реактивностей антенны и СУ (нашего контура). В результате BW по уровню КСВ<2 расширяется более чем в полтора раза по сравнению с обычным полуволновым диполем.

Зависимость R(f) имеет непривычный вид - на средней частоте (где LC-контур настроен в резонанс и никак не влияет) R соответствует сопротивлению простого диполя. При расстройке в любую сторону от центральной частоты наличие LC-контура приводит к трансформации сопротивлений и повышению суммарного R. В результате зависимость R(f) имеет два максимума, почти симметрично расположенных относительно центральной частоты.

Реактивное сопротивление контурного конденсатора на рабочей частоте обычно лежит в пределах 5...20 Ом (довольно большая емкость), катушка выбирается исходя из условия получения резонанса. Практика показала, что несколько лучшие результаты по BW получаются в случае, если резонансная частота LC-контура несколько выше (на 10.. 15 % от абсолютной полосы BW) средней частоты диапазона. От емкости конденсатора контура зависит расстояние между крайними нулями S кривой на графике jX(f). Ее увеличение приводит к сближению крайних нулей и, соответственно, к сужению полосы. Чрезмерное уменьшение емкости приводит к расширению S-кривой до тех частот, где уже резко падает R, что опять приводит к сужению BW. Оптимальное значение емкости контура легко подобрать с помощью MMANA, ориентируясь на вид S-кривой графика jX(f) и ширину полосы BW на графике КСВ.

Хорошие результаты получаются при использовании такого согласования для λ/4 GR стоящего на земле, при питании кабелем 50 Ом. Возрастание активной части входного сопротивления от 37 Ом в центре до 50.. .60 Ом на краях диапазона обеспечивает два минимума КСВ. На рис. 2 показан пример согласования к/A GP диапазона 80 м (резонанс GP на 3,65 МГц) с параллельным контуром, настроенным на 3,67 МГц при емкости конденсатора контура 7500 пФ.

(нажмите для увеличения)

КСВ во всем диапазоне 3,5...3,8 МГц не превышает 1,4 с двумя отчетливыми минимумами в CW и SSB DX участках. При уменьшении высоты вертикала до получения резонанса на 3,75 МГц, повышении частоты контура СУ до 3,78 МГц и снижении емкости конденсатора до 5000 пФ становится возможным перекрыть полосу более 500 кГц.

Аналогичным образом λ/4 GP с собственным резонансом на 27,8 МГц с помощью параллельного контура (емкость конденсатора 300 пФ) согласуется в полосе 26...29,7 МГц, охватывающей СВ и любительский диапазоны.

Этим способом можно расширить полосу любой антенны, которая ведет себя на своей резонансной частоте как последовательный контур. К ним относятся почти все антенны, питаемые в разрыве пучности тока (то есть большинство антенн), в том числе и рамки с периметром 1λ.

Отмечу, что для получения оптимальных характеристик желательно, чтобы собственное (без СУ) входное сопротивление Ra антенны на резонансе было несколько ниже волнового сопротивления Zo используемой линии передачи. Отношение Zo/Ra даст величину пикового значения КСВ в центре диапазона. Достигаемое этим способом расширение полосы составляет 1,5...2 раза.

Напряжение на контуре не превышает выходного напряжения передатчика, реактивная мощность контурного конденсатора должна быть не менее мощности передатчика. Контур СУ должен быть настроен на среднюю частоту диапазона до установки на антенну и в дальнейшем в настройке обычно не нуждается. Но подстройка в небольших пределах (растягиванием или сжатием витков контурной катушки) по максимуму BW не повредит.

2. Широкополосное согласование последовательным LC-контуром через А, 4 отрезок линии

Несмотря на все достоинства, у описанного в предыдущем параграфе способа согласования есть недостатки. Во-первых, величина Ra в середине диапазона определяется антенной и не может быть изменена, во-вторых, LC-контур, размещенный в точке питания, не всегда доступен для подстройки (у диполя, например). Описанный ниже способ лишен этих недостатков. Он основывается на любопытном свойстве отрезка линии длиной λ/4: если нагрузить его на последовательный LC-контур, то на входе линии характер зависимости jX(f) будет соответствовать параллельному контуру (выше резонансной частоты jX будет емкостным, а ниже - индуктивным).

Если подключить антенну с характером изменения jX(f), как у последовательного контура, через отрезок линии длиной λ/4, то на конце отрезка получим зависимость jX(f), как у параллельного колебательного контура. Очевидно, что для расширения полосы (то есть образования двухконтурного фильтра) между параллельным контуром (концом λ/4 отрезка линии) и основной питающей линией надо включить последовательный контур, настроенный на среднюю частоту диапазона. В этом способе также можно трансформировать Ra, если волновое сопротивление λ/4 отрезка не равно Ra.

Таким способом удачно согласуются с линией 50 Ом стоящие на земле λ/4 GP. При подключении через отрезок 50-омного кабеля длиной λ/4 сопротивление антенны Ra = 37 Ом повышается на средней частоте до 68 Ом (обеспечивая "горб" КСВ 68/50 = 1,35). Добавление последовательного LC-контура позволяет получить S-образную кривую jX(f) с двумя минимумами КСВ на краях диапазона и расширение BW. Эта схема согласования выглядит так: непосредственно к GP (без СУ) подключен питающий кабель 50 Ом. На расстоянии λ/4 (с учетом коэффициента укорочения используемого кабеля) в разрыв центрального провода кабеля включен последовательный LC-контур (L = 2,15 мкГн, С = 900 пФ), настроенный на среднюю частоту диапазона. Далее к передатчику идет кабель 50 Ом произвольной длины. Вертикал высотой 19,5 м, согласованный таким образом, имеет полосу более 450 кГц с двумя явно выраженными минимумами КСВ на 3,5 и 3,8 МГц.

От емкости конденсатора контура зависит расстояние между крайними нулями S-кривой на графике jX(f). Уменьшение емкости приводит к сближению крайних нулей и, соответственно, к сужению полосы. Чрезмерное увеличение емкости приводит к расширению S-кривой до тех частот, где уже резко падает R, что также приводит к сужению BW. Оптимальное значение конденсатора легко подобрать в MMANA, ориентируясь на вид S-кривой графика jX(f) и ширину полосы ВW на графике КСВ.

К достоинствам этого метода (кроме возможности трансформации Ra) относится доступность контура при настройке. К недостаткам - довольно большая индуктивность катушки контура (реактивное сопротивление на рабочей частоте 100..300 Ом), что требует высокой конструктивной добротности.

Реактивная мощность конденсатора контура должна быть в несколько (в нагруженную добротность контура) раз выше мощности передатчика. Рабочее напряжение конденсатора - во столько же раз выше напряжения передатчика на согласованной нагрузке.

3. Широкополосное согласование вибраторов с гамма- и омега-согласователями

Большинство антенн имеет характер изменения jX(f) такой же, как у последовательного контура. Но большинство - это не все. Часть антенн вблизи резонанса имеет характер изменения jX(f), как у параллельного контура. Прежде всего, это антенны, питаемые не в разрыве вибратора, а параллельно ему, через шлейф, по схеме гамма-и омега-согласования.

Естественно, для образования двухконтурного фильтра в данном случае необходимо последовательно с антенной включить последовательный же LC-контур. В принципе, в антенне с гамма-согласованием он уже имеется - индуктивность шлейфа и включенный последовательно с ней настроечный конденсатор как раз и образуют нужный контур. Но нужный по схеме, а отнюдь не по значениям (для расширения полосы) входящих в него элементов. Длина шлейфа гамма-согласования выбирается из условия получения нужного Ra, а уж его индуктивность - какая получится. Крайне маловероятно, чтобы она совпадала с нужной для обеспечения оптимальной полосы. Поэтому намного проще включить последовательно со шлейфом дополнительную катушку индуктивности, соответственно уменьшив настроечный конденсатор.

Идея такой конструкции была предложена RA9MB. Заземленный GP из трубки диаметром 15 мм и высотой 2,66 м при таком согласовании имеет полосу более 4 МГц и перекрывает диапазоны 12 и 10 м. Трубка гамма-согласования (также диаметром 15 мм) расположена на расстоянии 0,1 м от GP и имеет длину 0,5 м. В точке питания последовательно с кабелем включены конденсатор емкостью 28 пФ и катушка индуктивностью 0,65 мкГн.

Методика проектирования такой антенны следующая:

- Сначала разрабатывается антенна с обычным гамма-согласованием на среднюю частоту диапазона. Длина трубки гамма-согласования выбирается из условия получения Ra, несколько превышающего волновое сопротивление линии передачи Zc. Отношение Ra/Z0 даст значение КСВ на средней частоте. Оно должно быть меньше допустимого.

- Затем последовательно с настроечным конденсатором включается последовательный LC-контур (настроенный на среднюю частоту), обеспечивающий расширение полосы. Увеличение индуктивности этого контура приводит к сужению крайних нулей S-кривой (аналогично тому, как описано выше).

- По достижении нужной полосы два последовательно включенных конденсатора (контурный и настроечный гаммасогласователя) пересчитываются в один.

Таким способом можно получать очень малый КСВ в широкой полосе частот. Заземленный GP высотой 19,7 м (диаметр штыря 40 мм, диаметр трубки согласования 4 мм, ее высота 3,6 м, на расстоянии 0,3 м от GP, в точке питания последовательно с кабелем включены конденсатор 136 пФ и катушка 8 мкГн) имеет КСВ менее 1,25 во всем диапазоне 3,5....3,8 МГц.

Такой же эффект можно получить и на антенне с омега-согласованием. Причем тем же самым способом - включением катушки между последовательным настроечным конденсатором и кабелем питания. Методика проектирования такой антенны в точности совпадает с приведенной выше методикой для гамма-согласования (лишь вместо изменения длины шлейфа надо менять емкость параллельного конденсатора). Параметры контура согласования выбираются как описано, достижимое расширение полосы 1,5...2 раза по сравнению с полосой этой же антенны без контура.

4. Широкополосное согласование антенн с параллельным сосредоточенным элементом

Кроме рассмотренных антенн с гамма- и омега-согласователями, как параллельный колебательный контур ведут себя антенны с согласованием параллельной индуктивностью (hairpin match). Это и понятно - параллельный согласующий элемент образует совместно с реактивностью антенны параллельный колебательный контур, настроенный на рабочую частоту. Здесь для расширения полосы достаточно включить между антенной и кабелем последовательный LC-контур.

Стоящий на земле вертикал высотой 2,37 м и диаметром 10 мм, согласованный таким образом, имеет полосу 3,4 МГц при средней частоте 27,5 МГц. Между вертикалом и землей включена катушка индуктивностью 0,25 мкГн, а между центральным проводником кабеля и вертикалом - последовательный контур с параметрами L= 1,5 мкГн и С = 18 пф.

Еще один тип антенн, которые при резонансе имеют зависимость jX(f), как у параллельного контура, это укороченные вибраторы с катушкой в пучности тока. Линия питания у таких антенн подключается к отводам катушки, чем и обеспечивается согласование. Особенно часто так выполняют укороченные GP - катушка в основании обеспечивает резонанс на нужной частоте, а отвод - согласование с заданным Z0.

Последовательный LC-контур между питающей линией и отводом удлиняющей катушки позволяет намного расширить полосу, что особенно актуально для укороченных антенн, полоса которых принципиально меньше, чем полноразмерных. На рис 3. показан укороченный (высотой всего 13 м) вертикал диапазона 80 м с двумя проводами емкостных нагрузок наверху, согласованный описанным способом.

Схема согласования приведена на рис. 4. Диаметры мачты - 40 мм, проводов емкостных нагрузок - по 2 мм. Эта очень простая и удобная конструктивно (емкостные нагрузки совмещены с верхним ярусом растяжек мачты) антенна, несмотря на свои небольшие размеры, имеет более чем солидную полосу в 370 кГц (см. рис 3), недостижимую при обычном согласовании даже для полноразмерных антенн! И, что очень практично, имеет два выраженных минимума КСВ по 1,2 как в CW, так и в SSB DX-участках. "Горб" КСВ в центре диапазона, где его значение достигает 1, 8, соответствует мало используемому участку 3,6...3,7 МГц.

Настройка СУ (рис. 4) ведется по следующей методике.

1. Отключают нижний вывод катушки L1 от земли. Контур L2C1 также временно отключается. Кабель включается между землей и отсоединенным от земли нижним выводом катушки L1.

2. Изменяя индуктивность L1, устанавливают нулевую реактивную составляющую входного сопротивления антенны на средней частоте диапазона. КСВ при этом будет высоким, но на данном этапе это неважно.

3. Восстанавливают соединение нижнего вывода катушки L1 с землей. Подключив кабель к отводу L1 и перемещая отвод, добиваются получения активной части сопротивления около 80 Ом (ВЧ мостом). На реактивную часть при этом (будет индуктивная составляющая) внимания не обращают. Если ВЧ моста нет, берут отвод примерно от 1 /4 части витков катушки. Но тогда придется делать пункт 5.

4. Подключают последовательный контур L2C1 (предварительно настроенный на среднюю частоту диапазона). Изменяя емкость конденсатора С1, добиваются получения симметричной S-образной кривой реактивной части входного сопротивления (или, что то же самое, графика КСВ с двумя минимумами).

5. Если значение КСВ на частоте 3,65 МГц выше 2 или ниже 1,5 - неправильно установлен отвод катушки L1. Переместите его немного и повторите пункт 4. И так несколько раз, до тех пор, пока зависимость КСВ от частоты не станет такой, как на рис 3.

По сути дела, это - процедура настройки обычного двухконтурного полосового фильтра. Если же для вас важен именно участок 3,6...3,7 МГц, то можно либо сдвинуть крайние нули S-кривой, увеличив индуктивность L2 и, соответственно, уменьшив емкость С1 (зто снизит "горб" КСВ в середине, но одновременно несколько увеличит КСВ на краях), либо использовать антенну, аналогичную описанной, но с меньшими размерами. Так, при высоте GP всего в 8,2 м удается получить полосу более 150 кГц и два минимума КСВ на частотах 3,525 и 3,625 МГц.

5. Расширение полосы нерезонансных вибраторов с гамма- и омега- согласователями

Если длина GP заметно отличается от Х/4 (а симметричного диполя - от Х/2), то при гамма- и омега согласованиях значительно уменьшается емкость последовательного конденсатора согласования. Соответственно растет его реактивное сопротивление, повышая добротность СУ и сужая полосу антенны.

Очевидно решение: для увеличения емкости последовательного конденсатора надо снизить индуктивность шунта. Так как его длина фиксирована, сделать это можно только заметным увеличением диаметра. Непосредственное увеличение диаметра неудобно конструктивно, поэтому поступают так же, как и в диполе Надененко - заменяют толстую трубу шлейфа набором тонких параллельных проводов. Располагают их по кругу около вибратора, как показано на рис. 5.

В диапазоне 14 МГц заземленный укороченный GP высотой 3,5 м и диаметром 30 мм при обычном гамма-согласовании шлейфом из трубки диаметром 12 мм имеет полосу около 200 кГц. При замене трубки на "юбку" из четырех проводов диаметром 2 мм, расположенных вокруг вибратора на расстоянии 0,2 м, он имеет полосу более 300 кГц.

У удлиненных GP с высотой более Х/4 при использовании "юбки" также в полтора-два раза расширяется полоса. Практически все антенны средневолновых радиовещательных станций выполняются как заземленные ажурные мачты с "толстым" шунтом-"юбкой", провода которой расположены вокруг мачты.

Файл модели существующей антенны радиовещательной станции мощностью более мегаватта, согласованной описанным способом, вы можете найти на странице qsl.net/dl2kq/mmana/4-3-12.htm (самый последний в списке MW-Broadcasting.maa). На этой же странице приведены файлы моделей (с подробными размерами, номиналами и характеристиками) всех антенн, упоминавшихся в этой статье, и еще множество других.

Автор: И.Гончаренко (DL2KQ - EU1TT), г.Бонн, Германия

Смотрите другие статьи раздела Антенны. Измерения, настройка, согласование.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Дети, растущие рядом с природой, обретают крепкие кости 02.03.2026

Влияние окружающей среды на здоровье человека становится все более очевидным, особенно в детском возрасте. Новое исследование, опубликованное в журнале JAMA Network Open, показывает, что близость к природе напрямую связана с крепостью костей у детей. Ученые установили, что у детей, чьи дома окружены природными территориями в радиусе 1000 метров на 25% больше обычного, риск развития крайне низкой плотности костей снижается на 65%. Для проведения исследования были проанализированы данные более 300 детей, проживающих в городских, пригородных и сельских районах Фландрии в Бельгии. Плотность костной ткани у детей в возрасте от четырех до шести лет оценивалась с помощью ультразвуковых методов. Такой подход позволил безопасно и точно измерить состояние костей на ранних этапах формирования скелета. При анализе учитывались ключевые факторы, влияющие на рост и развитие детей: возраст, вес, рост, этническая принадлежность и уровень образования матери. На основании этих параметров исследоват ...>>

Самовосстанавливающаяся инфраструктура будущего 02.03.2026

Современные мосты и бетонные конструкции по всему миру сталкиваются с проблемой устаревания и износа. Многие сооружения, построенные до 1980-х годов, постепенно теряют свою несущую способность, что требует дорогого ремонта или полной замены. Недавние разработки ученых из Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологий (Empa) предлагают инновационное решение - систему укрепления бетонных конструкций с помощью "умной стали", способной самостоятельно устранять трещины и повреждения. В основе новой технологии лежит арматура из сплава на основе железа с эффектом памяти формы (Fe-SMA). Этот материал обладает уникальным свойством: при нагревании до 190-200 °C стержни стремятся вернуться к своей первоначальной конфигурации. В бетонной конструкции это создает внутреннее напряжение, которое затягивает трещины и выравнивает деформированные элементы, существенно повышая прочность и долговечность сооружений. Актуальность разработки объясняется критическим состоянием инфрастр ...>>

Поцелуи полезны для здоровья 01.03.2026

Вопрос о том, как социальные связи и близость с партнером отражаются на здоровье человека, привлекает внимание не только психологов, но и специалистов в области микробиологии. Новое исследование показывает, что совместное проживание с любимым человеком может оказывать значительное влияние на микробиом кишечника и общее самочувствие. Доктор Наоми Миддлтон, клинический психологи и эксперт по здоровью кишечника, объяснила, что все аспекты совместной жизни - поцелуи, совместное питание, физическая близость и даже просто пребывание рядом - тесно связаны с поддержанием сбалансированной кишечной микрофлоры. Она подчеркивает, что здоровье экосистемы кишечника во многом определяется социальными взаимодействиями и повседневной близостью с другими людьми. По словам Миддлтон, длительное совместное пребывание с партнером может способствовать увеличению микробного разнообразия в кишечнике, а также снижать воспалительные процессы, связанные со стрессом. Такой эффект обусловлен тем, что микробио ...>>

Случайная новость из Архива Бетон из моркови 05.07.2018 Делать бетон из моркови, превращать древесину в пластик или даже сжимать ее настолько, чтобы она превратилась в "супердревесину", которая будет в разы легче и крепче титана - все это звучит как что-то в духе экспериментов Франкенштейна. Однако, все перечисленные трансформации - это последний пример использования растительных тканей для создания экологически чистых искусственных материалов или примесей. Ученые выяснили, что растительные ткани могут повысить срок эксплуатации и прочность субстанций, которые уже используются в строительстве и производстве различных товаров: от игрушек до мебели, автомобилей и самолетов. Большое преимущество еще и в том, что растения связывают в своей структуре углерод, а следовательно использование их тканей означает сокращение выбросов CO2. Только на производство цемента приходится 5% углеродных выбросов по вине человечества. А процесс изготовления килограмма пластмассы из нефтепродуктов сопровождается выбросом шести килограммов парниковых газов. Специалисты нашли необычное применение моркови. В частности, ее изучением занимался Мохамед Саафи из Университета Ланкастера. Доктора Саафи и его коллег заинтересовала не вся морковка, а нечто, что они назвали "нанотромбоцитами", которые добывали из растений, не пригодных для продажи или морковных отходов на перерабатывающих заводах. Кожура сахарной свеклы тоже хороший источник нанотромбоцитов. Исследователи сотрудничают с компанией CelluComp, которая нашла промышленное применение для этих растительных тканей. В частности, компания производит добавки, которые укрепляют краску после высыхания. Каждый нанотромбоцит имеет площадь в одну миллионную метра. Он состоит из пласта жестких целлюлозных тканей. Несмотря на малый размер, такие елементы очень прочны. Если их совместить с другими материалами, можно получить чрезвычайно твердое вещество. Доктор Саафи смешивает нанотромбоциты с цементом, который изготавливают путем сжигания глины и известняка при высоких температурах. Обычно цемент смешивают со щебнем, песком и водой, чтобы получить жидковатый бетон, который с высыханием затвердевает. Но если добавить к смеси растительные нанотромбоциты, получается что-то покрепче. Биологический материал сам по себе укрепляет бетон, поэтому для его изготовления можно использовать меньше цемента. А это позволяет сократить выбросы CO2 в атмосферу в ходе его производства. Для получения кубического метра бетона достаточно добавить 500 грамм нанотромбоцитов, чтобы сократить при этом использование цемента на 40 килограмм. Доктор Саафи в течение следующих двух лет собирается определить, какая пропорция обнаруженных им природных частиц в строительных материалах будет наиболее оптимальной для строителей.

Другие интересные новости:

▪ Сверхпроводящий электродвигатель Toshiba

▪ Карбид-кремниевых устройств выпускают всё больше

▪ Мультимедийный холодильник

▪ Искусственный интеллект предскажет магнитные бури

▪ Мгновенная зарядка аккумуляторов

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Дозиметры. Подборка статей

▪ статья Соответствие моделей и шасси телевизоров THOMSON. Справочник

▪ статья Какой эпизод в Операции Ы был снят Гайдаем на основе личного армейского опыта? Подробный ответ

▪ статья Майоран обыкновенный. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Отбелка щетины, конского и другого волоса. Простые рецепты и советы

▪ статья Монета и перстень. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026