Антенна бегущей волны T2FD

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: КВ антенны

Опубликовано: 15.03.2017 12:14

Просмотров: 16937

При дефиците местa в городских условиях трудно разместить парк радиолюбительских антенн для работы в нескольких диапазонах. Поэтому у радиолюбителей пользуются популярностью широкополосные вибраторные антенны бегущей волны. Они не требуют много места для установки, и в то же время одна антенна может обеспечить удовлетворительную работу в эфире на всех любительских диапазонах. О таких антеннах и пойдет речь в данной статье.

Антенна бегущей волны T2FD
И.Н. Григоров RK3ZK, г. Белгород, Россия РА 8'2003
Широкополосный нагруженный вибратор (рис.1) был изобретен в тридцатые годы XX в.
 
Такую антенну использовали для обеспечения радиосвязи во время Второй мировой войны. В частности, она была установлена на некоторых морских кораблях. Для уменьшения занимаемого данной антенной места ее часто располагали наклонно под углом около 30° к поверхности земли или корабля. Такой вариант антенны (рис.2) получил название "Замкнутый наклонный петлевой вибратор" или сокращенно TTFD (Tilted Terminated Folded Dipole).
 
Обычно антенну называют несколько проще - T2FD. Именно под этим именем ее знает большинство европейских радиолюбителей.
После окончания войны радиолюбители продолжили эксперименты с антенной T2FD. В радиолюбительской литературе T2FD была впервые описана в США [1] радиолюбителем W3HH в 1949 г. Не удивительно, что в Северной Америке эта антенна более распространена под названием "Антенна W3HH". Рассмотрим основные особенности антенны T2FD.
Размеры антенны T2FD (см. рис.2) можно рассчитать по эмпирическим формулам:
L=100/F, W=3/F,
где L - длина антенны, м; F - нижняя частота работы антенны, МГц; W - расстояние между проводниками антенны, м. Считается, что антенна T2FD, рассчитанная по этим формулам, будет удовлетворительно работать в пятикратной полосе частот. Например, антенна T2FD для нижнего диапазона работы 14 МГц с длиной L=7,14 м и расстоянием между проводниками W=21 см хорошо работает в полосе частот 14..70 МГц. Это не значит, что антенна неработоспособна на частотах ниже 14 МГц и выше 70 МГц. Антенна вполне будет работать и в этих диапазонах! Но на частотах ниже 14 МГц ее ДН приближается к ненаправленной, а на частотах выше 70 МГц возможно резкое увеличение КСВ. Эти обстоятельства и ограничивают применение T2FD в более широкой полосе частот.
Антенна T2FD очень некритична в изготовлении. Благодаря большой широкополосности размеры антенны могут значительно отличаться (до 40%) от рассчитанных по приведенным формулам. Это позволяет упростить требования к точности изготовления антенны T2FD. В табл.1 приведены данные для изготовления антенны T2FD на любительские диапазоны, рассчитанные по приведенным выше формулам.

 
На нижней частоте коэффициент усиления антенны равен -5...-7 дБ относительно полуволнового диполя. На верхних частотах ее усиление составляет от -3 до -1 дБ относительно полуволнового диполя (правильнее было бы говорить об ослаблении, а не об усилении этой антенны). Многие суррогатные антенны, используемые радиолюбителями, обеспечивают еще меньшее усиление (или еще большее ослабление), так что антенна T2FD на их фоне выглядит весьма неплохо.
Долгое время считали, что сопротивление нагрузки антенны T2FD должно быть равно волновому сопротивлению фидера антенны. На практике же выходит, что оптимальное сопротивление нагрузки немного больше волнового сопротивления линии питания. В табл.2 приведены значения входного сопротивления антенны, показанной на рис.2, в зависимости от сопротивления нагрузки [2].
 
В давно устоявшиеся основы работы антенны T2FD внес новые данные L.B. Cebik. В [3] он определил оптимальное сопротивление нагрузки и оптимальное волновое сопротивление фи-дера для антенны T2FD, рассчитанной по приведенным выше формулам. Оказалось, что оптимальное сопротивление нагрузки антенны T2FD составляет 850 Ом, а оптимальное волновое сопротивление двухпроводной линии при таком сопротивлении нагрузки равно 900 Ом. Такая антенна обеспечивает КСВ в диапазоне ее рабочих частот не более 2.
На пути реализации подобной антенны возникает серьезная трудность - практическая невозможность создания двухпроводной линии с волновым сопротивлением 900 Ом. Если мы рассчитаем размеры двухпроводной линии с воздушной изоляцией, обладающей таким волновым сопротивлением, то окажется, что отношение радиусов проводников линии к расстоянию между ними должно превышать 1000! На практике это очень трудно реализовать. Даже если для изготовления линии использовать диэлектрик, ее размеры будут огромными. В радиотехнической практике наибольшее распространение имеет двухпроводная линия с волновым сопротивлением 300 или 450 Ом.
Не вся высокочастотная мощность, которая подводится к антенне, идет на излучение радиоволн. Некоторая часть этой мощности поглощается в нагрузке антенны и бесполезно превращается в тепло. Для надежной работы антенны вполне достаточно, чтобы мощность рассеяния балластного резистора составляла не менее 30% от подводимой к антенне мощности. Используемый нагрузочный резистор должен быть безындукционным.
Выполнять этот нагрузочный резистор целесообразно в виде набора высокоомных пленочных резисторов мощностью рассеяния 2...5 Вт, включенных параллельно или последовательно до необходимого сопротивления нагрузки. При этом необходимо следить за соблюдением необходимой суммарной мощности рассеяния. Например, если планируется, что в нагрузке будет рассеиваться 50 Вт мощности, необходимо применить 25 двух ваттных резисторов.
Многие современные резисторы допускают кратковременную работу при мощности в 2-3 раза большей номинальной мощности рассеяния. Однако не стоит злоупотреблять этим при конструировании антенны T2FD. Замена сгоревшей нагрузки представляет собой неприятную процедуру, связанную со снятием антенны. Одним из следствий законов Мерфи является то, что антенна имеет склонность выходить из строя в самый неподходящий момент, например, во время радиолюбительских соревнований или в неблагоприятную для ремонта погоду. Поэтому лучше сразу установить нагрузку необходимой мощности и при работе антенны на передачу не превышать мощность.
Параллельное включение резисторов, составляющих нагрузку антенны, более предпочтительно, чем последовательное. Поскольку каждый резистор имеет собственную индуктивность, то при последовательном включении эта индуктивность может составить существенную величину. При параллельном же включении резисторов их суммарная индуктивность незначительна. Правда, при этом возрастает суммарная емкость нагрузки, но в большинстве случаев резисторы имеет небольшую собственную емкость (не более 2 пФ).
Есть и другое обстоятельство, не позволяющее рекомендовать последовательное включение резисторов для выполнения нагрузки антенны T2FD: последовательное соединение имеет более низкую надежность по сравнению с параллельным. Действительно, наиболее распространенными неисправностями резисторов являются либо обрыв токопроводящего слоя, либо нарушение контакта между токопроводящим слоем и металлическими выводами резистора вследствие превышения мощности рассеяния. При выходе из строя только одного резистора в нагрузке, составленной из последовательно включенных резисторов, вся нагрузка выходит из строя. В случае же параллельного включения резисторов нагрузка антенны остается работоспособной, хотя ее сопротивление немного изменяется. Поэтому использовать последовательное включение резисторов нагрузки можно только в крайнем случае.
В [3] LB. Cebik рассчитал мощность рассеяния в нагрузке антенны T2FD. Оказалось, что при работе антенны на нижних частотах в нагрузочном резисторе может рассеиваться более 90% подводимой к антенне мощности! Исходя из этого, первая треть расчетного диапазона работы антенны T2FD, указанного в тобл.1, абсолютно неэффективна для работы антенны, так как основная мощность передатчика идет на нагрев балластного резистора. Работа этой антенны на прием также неэффективна, поскольку большая часть энергии принятых радиоволн рассеивается в нагрузке.
Мною было замечено   что антенна T2FD на низкочастотном
участке рабочего диапазона работает тихо на прием, и при
ее использовании приходится увеличивать усиление приемника. Это обстоятельство сильно удивило меня. Поэтому я изготовил экспериментальную антенну T2FD длиной 5 м и шириной 20см. и измерил рассеиваемую мощность на разных рабочих частотах. График зависимости отношения рассеиваемой
мощности к подводимой от частоты показан на рис.З
 
Как следует из графика, на диапазоне 21 МГц в нагрузке рассеивается 65% ПОДВОДИМОЙ к антенне мощности. Нельзя ожидать высокой эффективности при таких потерях. Начиная же с частоты 27МГц. в нагрузке антенны рассеивается не более 25% подводимой мощности. Поэтому размеры антенны T2FD с минимальными потерями в нагрузке следует определять по формулам:
L=150/F, W=3/F.
Размеры антенны T2FD, рассчитанные по этим формулам, приведены в табл.3.
 
 Следует ожидать, что на нагрузке антенны таких размеров рассеивается не более 25% подводимой мощности.
Для питания антенны T2FD лучше всего использовать двухпроводную линию соответствующего волнового сопротивления (см. табл.2). При этом между трансивером, имеющим выходное сопротивление 50 Ом, и двухпроводной линией необходимо включать согласующее устройство, выполненное, например, по одной из схем, приведенных в [4]. В настоящее время коаксиальный кабель более распространен, чем двухпроводные линии. Поэтому вполне возможно использование для питания антенны T2FD коаксиального кабеля. Согласование антенны с кабелем можно осуществить с помощью широкополосного трансформатора, который, во-первых, должен быть рассчитан на максимальный уровень высокочастотной мощности, во-вторых, работать в требуемом диапазоне частот. Следует чрезвычайно серьезно подходить к конструированию самодельных широкополосных трансформаторов, предназначенных для питания антенны T2FD. Эта антенна на разных частотах имеет значительную реактивную составляющую входного сопротивления, как емкостную, так и индуктивную. Далеко не каждый самодельный трансформатор справится с такой нагрузкой.
Приведу пример из личного опыта работы с антеннами типа T2FD. На свою первую антенну T2FD я поставил самодельный широкополосный трансформатор от старой антенны Бевереджа, имеющей длину 80 м и размещенной на высоте 1,5 м от поверхности земли. Этот трансформатор с коэффициентом трансформации 6:1 использовался для питания через коаксиальный кабель волновым сопротивлением 75 Ом антенны Бевереджа с нагрузкой 400 Ом. Для этой антенны КСВ был не выше 2,5 на всех любительских диапазонах от 160 до 10 м. При установке данного трансформатора в антенну T2FD, рассчитанную для работы на диапазонах 40... 10 м, КСВ достигал 5. Трансформатор при работе T2FD на передачу сильно нагревался, чего с ним никогда не было во время роботы с антенной Бевереджа. Только тщательный подбор высокочастотного ферритового кольца для широкополосного трансформатора и  эксперименту с его намоткой позволили понизить КСВ до уровня 2,5.
При использовании для питания антенны T2FD двухпроводной линии проблемы согласования решаются намного проще, и этот вариант более предпочтителен.
Настройка антенны T2FD состоит в следующем. Во всем диапазоне частот работы антенны измеряют КСВ в коаксиальном кабеле. Добавляя или выкусывая резисторы, составляющие нагрузку антенны, добиваются минимального КСВ на любительских диапазонах. При этом на частотах, находящихся вне любительских диапазонов, КСВ антенны может быть достаточно высоким. Для "сдвига" КСВ в нужную сторону, возможно, придется немного "укоротить" антенну с помощью симметрично расположенных перемычек (рис.4).
 
 Желательно перемычки располагать на одинаковом расстоянии от краев антенны. Но это условие не является обязательным. Если доступен нижний край антенны, то можно устанавливать перемычку только на нем. Главное, чтобы эта перемычка сдвинула минимумы КСВ антенны на участки любительских диапазонов частот.
В городских условиях часто не хватает места для размещения полноразмерной антенны T2FD. В этом случае можно использовать ее несимметричный вариант (рис.5), который вдвое короче полноразмерной антенны T2FD.
 
Диапазон рабочих частот несимметричной антенны практически такой же, а КСВ даже лучше, чем у симметричной антенны T2FD. По коэффициенту усиления несимметричная антенна может проигрывать классической антенне T2FD до 4 дБ, поэтому применять ее можно только в совершенно безвыходных ситуациях.
Несимметричную вертикальную антенну бегущей волны в радиолюбительских условиях можно изготовить из трубок диаметром 10...40 мм. Суррогатным вариантом является антенна из медного провода диаметром 1 ...4 мм, натянутого между подходящими опорами (рис.6).
 
Мне приходилось видеть вертикальные несимметричные антенны бегущей волны, установленные на армейских автомобилях связи. Петля размерами 350x50 см, выполненная из алюминиевой трубки диаметром 40 мм, находится в горизонтальном положении на крыше автомобиля. При работе петлю поднимают. В качестве поглощающего резистора использована стандартная активная нагрузка с рассеиваемой мощностью 1 кВт. Согласование антенны с выходным каскадом передатчика осуществляется с помощью автоматического согласующего устройства. Хотя эта антенна предназначается для ближней связи, на нее возможна и работа с радиостанциями, удаленными на расстояние до 500...1000 км.
Литература
1.  Countryman G.L An Experimental All-Band Non-directional Transmitting Antenna//QST. - June 1949. - P. 54-55.
2.  Rothammels ANTENNENBUCH. - Stuttgart: Verlag, 1995.
3.  Cebik LB. Modeling the T2FD//Antennas: Tales and Technicals. - CD Version 1.0.
4.  Григоров И.Н. Антенны. Настройка и согласование. - М.: ИП РадиоСофт, 2002. - 272 с.