Антенна UA6AGW v. 80

Рейтинг: 5 / 5

Подробности: Категория: КВ антенны; Опубликовано: 02.04.2017 17:19; Просмотров: 5960

Понравилась статья - поделись с друзьями

А. Грачев, UA6AGW, г. Краснодар
Настоящая статья является логическим продолжением публикации [1]. Описанная в ней антенна содержит достаточно известные элементы, но вместе с тем, в целом непохожа ни на одну другую антенну и является совершенно оригинальной конструкцией (патент № 92574 RU). Теоретические основы, заложенные в эту конструкцию, нисколько не противоречат законам современной физики, но механизм создания фронта волны излучения значительно отличается от соответствующего механизма классических антенн.
Как гласит теория, фронт волны излучения на достаточном удалении от источника излучения можно представить в виде плоской волны [2], в которой силовые линии магнитной и электрической составляющей находятся (физически) под прямым углом (не путать с фазовым сдвигом) и в фазе друг с другом (другими словами, синфазны). В этом случае они образуют правовинтовую тройку [3] с вектором Умова-Пойтинга и формируют фронт волны излучения.

В классических антеннах ток и напряжение находятся в квадратуре [2, 3], поэтому только на некотором удалении от антенны можно говорить о формировании фронта волны излучения, там, где составляющие, приобретя дополнительный фазовый сдвиг, будут синфазны [3].
При создании этой антенны стояла техническая задача, сформировать электрическую и магнитную составляющие, точнее, их силовые линии, под прямым углом и обеспечить их синфазность. Задача на первый взгляд вроде бы несложная, но путь к решению этой задачи оказался весьма непростым.
ВТ. Поляков в своей статье [3] вот так описывает историю антенн этого типа: «В конце 80-х годов прошлого века большой интерес вызвали разработки шотландских профессоров Б. Стюарта и М. Хейтли нового типа малой антенны на скрещенных полях, названной ими Crossed Field Antenna или CFA. Основная концепция этой антенны - раздельное формирование вблизи антенны электрического Е и магнитного Н полей соответствующими элементами конструкции. При синфазности полей уже около самой антенны формируется поток излучения (вектор Пойнтинга), направленный вовне.
Концепция не была одобрена многими авторитетами в области антенн, дискуссии продолжаются и поныне. Тем не менее, М. Хейтли и его студент Ф. Каббари получили патент, была образована компания CFA Ltd и построены несколько антенн для СВ радиостанций. В Египте и во Франции (Сан-Ремо). CFA показали неплохие результаты, тогда как в Германии (Ганновер) и в Австралии (вблизи Сиднея) работали плохо.
Дальнейшая модернизация CFA американцем Т. Хартом (W5QJR) привела к разработке в 1998 г. ЕН антенны, вызвавшей еще больший шквал неприятия и критики»
Каждый, кто видел электрическую схему ЕН антенны, поймет, что объемные цилиндры, конечно, сформируют электрическое поле, а вот способ формирования магнитной составляющей не столь очевиден. По мнению Теда Харта, ток смещения, протекающий между цилиндрами, и вызывает формирование магнитной составляющей, причем сразу в фазе без дополнительных фазосдвигающих устройств. Эффективность такого способа обсуждать здесь не будем.
Большинству, если не всем радиолюбителям, известно, сколько споров вызывает одно только упоминание о ЕН антеннах. Острые на язык радиолюбители, переставив буквы в названии, стали их называть «НЕ антенны». Впрочем, скептики и те, кто считает, что уже все изобретено, водились всегда.
Автор этих строк ни сколько не хочет очернить успехи приверженцев ЕН антенн.
Мало того, мне самому посчастливилось провести несколько связей с радиолюбителями, работающими на ЕН антеннах. Особенно запомнилась связь в диапазоне 40 метров с радиостанцией из 9-го района (расстояние порядка 3000 км), работающей на ЕН антенне высотой 85 см. Причем уровень его сигнала достигал 9 баллов. Не правда ли, впечатляет.
К созданию описанной ниже конструкции, кроме статьи Полякова ВТ. [3] и его же статьи [4], меня подтолкнули рассуждения DL1BU, описанные К. Ротхамелем в [5], в главе, посвященной магнитным рамкам.
Вот как у него это описано:
«Радиолюбитель DL1BU наглядно представил формирование магнитной кольцевой антенны. Сначала рассматривается параллельный колебательный контур (рис.1,а).

При возбуждении такого контура на резонансной частоте его электрическая энергия колеблется между конденсатором (электрическое поле) и катушкой (магнитное поле). Поля обоих типов концентрируются в этой замкнутой системе, почти не выходя за ее пределы. Если в замкнутом колебательном контуре (рис.1,а) развести пластины конденсатора (рис.1,б),

ранее замкнутая система оказывается разомкнутой, и между пластинами возникает электрическое, преимущественно ближнее поле. Так как электрическое поле распространяется во внешнее пространство, можно говорить, что данный колебательный контур представляет собой электрическую антенну. Она соответствует сильно укороченному вибратору с концевой емкостью, известному как элементарный диполь, или диполь Герца. Вернув пластины конденсатора в прежнее положение и растянув витки катушки так, чтобы из ее провода образовалось кольцо, получим магнитную рамочную антенну (рис. 1 ,в)».

Очевидно, магнитное поле в малой рамке имеется, нужно сформировать электрическое. И тут родилась идея. Что если этот конденсатор не сворачивать, а использовать для формирования той самой электрической составляющей?
То, что получилось, можно увидеть на рис.2.

Переменный конденсатор на этом рисунке применен для облегчения настройки системы в резонанс. Обратите внимание - все стало на свои места:
1. Рамка (вертикальная), находясь в зоне максимального тока, формирует вертикальную магнитную составляющую электромагнитной волны излучения.
2. Лучи (горизонтальные), находясь в зоне максимального напряжения, формируют горизонтальную электрическую составляющую электромагнитной волны излучения.
Отсюда можно предположить, что формирование фронта волны излучения будет происходит непосредственно на элементах антенны или в непосредственной близости от них.
Экспериментально установлено, что в этом случае пучность напряжения, приходящаяся в классической рамке на пластины конденсатора, отодвигается к концам лучей, что, в свою очередь, значительно снижает требования к электрической прочности настроечного конденсатора.
Кроме того, попутно опровергнут миф, кочующий из форума в форум, из статьи в статью, о том, что ток в малой рамке имеет одинаковое значение в любом месте рамки, и о том, что через настроечный конденсатор течет огромный ток, обусловленный малым сопротивлением рамки.
Экспериментально установлено, что в геометрической середине рамки в точке, находящейся напротив конденсатора настройки, происходит смена фаз напряжения, и величина самого напряжения стремится к нолю. Именно в этой точке имеется пучность тока. На концах рамки ток стремится к нулю, а напряжение имеет максимальное значение. Таким образом, по распределению тока и напряжения малая рамка соответствует неразрезному полуволновому диполю.
Внесенные с помощью удлиняющих лучей в конструкцию изменения, нисколько (проверено экспериментально) не изменяют распределение тока и напряжения.
Другими словами,ток и напряжение в этой антенне находятся в квадратуре, как и в классических антеннах.
Очевидно, что нужна цепь (устройство, элемент конструкции), способная сдвинуть фазу либо тока, либо напряжения, с тем, чтобы были обеспеченны условия формирования вектора Умова-Пойтинга, описанные Б. Стюартом и М. Хейтли.
Поскольку для экспериментов использовалась рамка, выполненная из коаксиального кабеля, и для формирования магнитной составляющей использовалась внешняя оплетка (в виде сплошной гофрированной трубы из красной меди), то логично использовать для сдвига фаз внутренний проводник. Благо в излучении участвовать он не может ввиду полной экранировки внешней оплеткой.
Весь этот достаточно тернистый путь, приведший к созданию антенны, вкратце описан в 27-м номере электронного журнала QRP клуба или более подробно на сервере кубанских радиолюбителей CQHAM.RU (см. [6]).
Опыт, накопленный при создании и эксплуатации антенны этого типа на 40-метровый диапазон, позволил в достаточно точно определить необходимые конструктивные пропорции и размеры. А главное, было ясно, что ожидать от антенны и как это проявится. Забегая вперед, можно сказать, что антенна с лихвой оправдала все возложенные на нее надежды.
В результате всех этих экспериментов родилась антенна, электрическая схема которой показана на рис.3,

где указаны также основные размеры антенны. Как выглядит реальная конструкция показано на рис.4.

Рамка выполнена из коаксиального кабеля, применяемого для обустройства фидерных линий на станциях сотовой связи. Производители его маркируют, как водопроводные трубы, по диаметру в дюймах (к примеру, 1/2", 7/8"). Мой называется «кабель коаксиальный 1,5" гибкий LCFS 114-50 JA, RFS (15239211)», т.е. его наружная оболочка имеет диаметр близкий к 37 мм. Выполнена наружная оплетка в виде медной гофрированной трубы, внутренний проводник выполнен также в виде медной трубы диаметром около 12 мм, пространство между ними заполнено вспененным изолятором, напоминающим строительную пену.
Наружную, черную пластиковую оболочку необходимо снять, наполнитель, который она содержит, обладает способностью поглощать излучение. Поэтому наружная гофрированная труба (оплетка) покрыта цапонлаком в пять слоев (для надежности).
Конденсаторы настройки находятся в пластмассовой коробке, которая применяется в электроснабжении. Расположение деталей показано на рис.5.

Один из переменных конденсаторов (С1) типа «бабочка» емкостью 20 пФ, параллельно ему включены четыре последовательно соединенных конденсатора типа КСО емкостью 91 пФ 250 В. Общая емкость этого конденсатора, необходимая для оптимальной настройки, оказалась порядка 37 пФ.
Второй переменный конденсатор (С2) установлен в «прореженном» варианте, потому что ничего другого в нужный момент под рукой не оказалось. Напряжение, развиваемое на его пластинах при нормальной настройке, оказалось порядка 100 В, при мощности передатчика 100 Вт. Здесь с успехом может работать самый обыкновенный двухсекционный конденсатор 2x495 пФ. Чтобы исключить влияние скользящего контакта и сделать настройку плавной, нужно подключить только статорные пластины. В моем случае, чтобы увеличить емкость до необходимой, параллельно ему подключен кусок коаксиального кабеля емкостью 42 пФ. Общая необходимая емкость этого конденсатора приблизительно 80 пФ.
Петля связи выполнена из коаксиального кабеля 50 Ом. В результате многочисленных опытов установлена зависимость рабочей полосы малых рамочных антенн от отношения диаметра петли связи к диаметру собственно рамки. Чем больше отношение диаметров, тем уже рабочая полоса. Оптимально, на мой взгляд, когда периметр петли связи равен диаметру рамки. Подобная петля связи кроме гальванической развязки обеспечивает еще и симметрирование.
Изготавливается она по методу, предложенному DF9IV.
Петлю связи с антенной изготавливают из питающего антенну коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом. С конца кабеля и участка, отстоящего от него на 2980 мм, снимают внешнюю изоляционную оболочку, а в середине этого отрезка на длине 10 мм удаляют и оболочку, и оплетку. Внутренний проводник на конце кабеля припаивают к оплетке, а затем - к участку, где с него снята внешняя изоляция. Получившееся кольцо прикрепляют изоляционной лентой к верхней части рамки, как показано на рис.6.

Крепится петля связи к рамке пластмассовыми кабельными стяжками. Применяя индуктивную связь с антенной, можно не опасаться статики, а расположение петли связи в пучности тока позволяет легко согласовать фидер с антенной и добиться КСВ=1,0.
Лучи выполнены из неизолированного многожильного луженого провода диаметром около 3 мм, основные требования к которому - это не окисляться и не вытягиваться.
Вся конструкция собранна на 7-метровом бамбуковом (или любом другом не токопроводном) шесте с помощью пластмассовых кабельных стяжек (фото в начале статьи).
Бамбуковые распорки приобретены в хозяйственном магазине.
На момент написания статьи, высота установки ограничена доступностью элементов настройки. Лучи находятся на высоте приблизительно 3,5 м. В моем случае один луч идет параллельно земле, а второй - с небольшим наклоном до высоты 2,5 м.
Настройка антенны очень проста. При указанных размерах достаточно выставить емкость конденсатора С1 приблизительно 35 пФ и с помощью конденсатора С2 антенну настроить на середину диапазона, к примеру, на 3,650 МГц.
Полоса по уровню КСВ=2,0 равна приблизительно 100 кГц, но и при КСВ>2 антенна работает хорошо.
При указанной высоте установки и мощности передатчика немногим более 100 Вт (три ГУ-50), антенна позволяет очень уверенно чувствовать себя в эфире. Все операторы оценивают сигнал как громкий, либо очень громкий.
Опыт, накопленный при эксплуатации этой антенны и антенны такой же конструкции на 40-метровый диапазон, позволяет определить некоторые технические характеристики, присущие этому типу антенн.
Первый и, пожалуй, самый важный вывод - антенна, в отличие от классических антенн, не требует значительной высоты подвеса. Достаточно высоты установки порядка 1/8 длинны волны, чтобы исключить влияние земли (в отличие от диполя с его S). В этом отношении мои результаты полностью совпадают с результатами опытов, проведенных Тедом Хартом и Владимиром Кононовым (UA1ACO) с ЕН антеннами.
Второе, у этой антенны высокий КПД, явно превышающий КПД распространенных антенн. Довольно типична ситуация, когда полученный мной рапорт равен, к примеру, 59+10 дБ, и я корреспондента слышу 59+10 дБ, но мощность его передатчика превышает мощность моего в несколько раз.
Третье, угол излучения в вертикальной плоскости имеет небольшую величину.
У антенны 40-метрового диапазона при высоте установки 5,5 м угол излучения в вертикальной плоскости не превышает 25 град., а вертикальный лепесток отсутствует практически полностью. Полагаю, что и у этой антенны при соответствующей высоте установки следует ожидать подобные характеристики.
Четвертое, антенна нейтральна к окружающим предметам и антеннам.
Перемещение достаточно массивных предметов, например автомобиля, на расстоянии 1,0... 1,5 м от лучей не оказывает никакого влияния на параметры антенны.
Подводя итоги, можно сказать, что описанная в этой статье антенна является одной из первых «ласточек», которые, как известно, «весну не делают, но извещают о ее приходе».
Если говорить серьезно, то чтобы ни говорили скептики о невозможности работы CFA антенн, антенны эти могут работать и очень хорошо.
Принципиальную возможность работы CFA антенн считаю доказанной. Как бы там не упражнялись в остроумии по поводу ЕН антенн Теда Харта, антенны, созданные им, может и не самые простые в настройке, но возможность создания ФАР на диапазон 80 м размерами не с футбольное поле, а с письменный стол вселяет большие надежды.
Описанная антенна в принципе однодиапа-зонная (не может работать на гармониках).
Благодаря однодиапазонности, она не создает помех телевидению, но это не означает, что нет возможности изменять диапазон работы антенны, например, с помощью переключения лучей и конденсаторов. Нужны эксперименты для отработки оптимальных конструкций, для понимания процессов, происходящих в этих антеннах, нужны энтузиасты, желающие и способные невозможное сделать возможным.
В целом антенна получилась простой и очень эффективной.
РА 6'2011
Литература
1. Грачев А. Опыты UA6AGWC магнитными рамочными антеннами // Радиоаматор. - 2011. - №1-2.
2. Ротхамель К. Антенны. Том №1.
3. Поляков ВТ. Рамочно-лучевая или настоящая ЕН антенна // Схемотехника. - 2007. - №5.
4. Поляков ВТ. О ближнем поле приемной антенны // Схемотехника. - 2006. - №3-4.
5. Ротхамель К. Антенны. Том №2, глава 20. -С. 11-23.
6. http://www.cqham.ru/forum/attachment.php? attachmentid=38150&d=1248977466.