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:

Лабораторная модель прогнозирования землетрясений 30.11.2025

Предсказание землетрясений остается одной из самых сложных задач геофизики. Несмотря на развитие сейсмологии, ученые все еще не могут точно определить момент начала разрушительного движения разломов. Недавние эксперименты американских исследователей открывают новые горизонты: впервые удалось наблюдать микроскопические изменения в контактной зоне разломов, которые предшествуют землетрясению. Группа под руководством Сильвена Барбота обнаружила, что "реальная площадь контакта" - участки, где поверхности разлома действительно соприкасаются - изменяется за миллисекунды до высвобождения накопленной энергии. "Мы открыли окно в сердце механики землетрясений", - отмечает Барбот. Эти изменения позволяют фиксировать этапы зарождения сейсмического события еще до появления традиционных сейсмических волн. Для наблюдений ученые использовали прозрачные акриловые материалы, через которые можно было отслеживать световые изменения в зоне контакта. В ходе искусственного моделирования примерно 30% ко ...>>

Музыка как естественный анальгетик 30.11.2025

Ученые все активнее исследуют немедикаментозные способы облегчения боли. Одним из перспективных направлений становится использование музыки, которая способна воздействовать на эмоциональное состояние и когнитивное восприятие боли. Новое исследование международной группы специалистов демонстрирует, что даже кратковременное прослушивание любимых композиций может значительно снижать болевые ощущения у пациентов с острой болью в спине. В эксперименте участвовали пациенты, обратившиеся за помощью в отделение неотложной помощи с выраженной болью в спине. Им предлагалось на протяжении десяти минут слушать свои любимые музыкальные треки. Уже после этой короткой сессии врачи фиксировали заметное уменьшение интенсивности боли как в состоянии покоя, так и при движениях. Авторы исследования подчеркивают, что музыка не устраняет саму причину боли. Тем не менее, она воздействует на эмоциональный фон пациента, снижает уровень тревожности и отвлекает внимание, что в сумме приводит к субъективном ...>>

Алкоголь может привести к слобоумию 29.11.2025

Проблема влияния алкоголя на стареющий мозг давно вызывает интерес как у врачей, так и у исследователей когнитивного старения. В последние годы стало очевидно, что границы "безопасного" употребления спиртного размываются, и новое крупное исследование, проведенное международной группой ученых, вновь указывает на это. Работы Оксфордского университета, выполненные совместно с исследователями из Йельского и Кембриджского университетов, показывают: даже небольшие дозы алкоголя способны ускорять когнитивный спад. Команда проанализировала данные более чем 500 тысяч участников из британского биобанка и американской Программы миллионов ветеранов. Дополнительно был выполнен метаанализ сорока пяти исследований, в общей сложности включавших сведения о 2,4 миллиона человек. Такой масштаб позволил оценить не только прямую связь между употреблением спиртного и развитием деменции, но и влияние генетической предрасположенности. Один из наиболее тревожных результатов касается людей с повышенным ге ...>>

Случайная новость из Архива Процессор Intel Core i9-10900K для игровых систем 30.04.2020 Компания Intel представила чип Intel Core i9-10900K, работающий с частотой до 5,3 ГГц и поддерживающий технологию Intel Thermal Velocity Boost "из коробки". Новый процессор стал самым производительным в истории Intel. Это 10 ядер, 20 потоков, поддержка DDR4-2933 и разблокированный множитель, что тоже важно для геймеров. Производитель обещает fps до 187 кадров в секунду на игровой машине с новым процессором. По сравнению с топовыми компьютерами трехлетней давности сборка с Intel Core i9-10900K может обеспечить увеличение скорости редактирования видео на 12%, видео в 4К - на целых 35%. В целом по отношению к трехлетним машинам производительность выросла примерно на 31%. Новинка поступит в продажу уже в мае. Ориентировочная стоимость - около $490.

Другие интересные новости:

▪ Сверхчистые алмазные пластины емкостью до 25 Эбайт данных

▪ Автомобиль узнает лицо водителя

▪ Квазирезонансные контроллеры Infineon CoolSET

▪ Новые микросхемы для коррекции коэффициента мощности в выпрямителях

▪ Плата для разработчиков Winkel Board

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Мобильная связь. Подборка статей

▪ статья Глазные болезни. Конспект лекций

▪ статья Кто такой мечехвост? Подробный ответ

▪ статья Пимента лекарственная. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Усилитель низкой частоты на микросхеме TA8215H-A. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Нож может быть и наверху. Физический эксперимент

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025