Как найти резонансную частоту антенны

Определение резонансной частоты антенны

В предисловии к своей книге «Антенны», Ротхаммель в первой же строке повторил известную истину : хорошая антенна — лучший усилитель высокой частоты. Однако многие радиолюбители иногда забывают о том, что построить хорошую антенную систему стоит столько же, сколько стоит хороший трансивер и наладка антенно- фидерного устройства требует такого же серьезного подхода как и наладка приемо-передатчика. Построив антенну по взятому откуда- нибудь описанию, радиолюбители чаще всего налаживают ее с помощью КСВ-метра, либо вообще полагаются на случай и не производят никаких измерений. Поэтому во многих случаях можно услышать отрицательные отзывы о неплохих антеннах ,или что для повседневных связей им недостаточно разрешенной мощности. Здесь сделана попытка в краткой форме сделать обзор простых способов согласования и измерений в АФС (антенно-фидерных системах) в виде путеводителя по книгам (далее по тексту ссылки по номерам):

1. К.Ротхаммель «Антенны», М., «Энергия», 1979 третье издание
2. З.Беньковский, Э.Липинский, «Любительские антенны коротких и ультракоротких волн», М., «Радио и связь», 1983

а также приведены некоторые практические советы. Итак.

Почему нельзя серьезно относиться к наладке вновь созданных антенно- фидерных устройств с помощью КСВ-метра? КСВ-метр показывает отношение (Uпрям+Uотр) к (Uпрям-Uотр) или другими словами во сколько раз отличается импеданс антенно-фидерного тракта от волнового сопротивления прибора (выход передатчика, например). По показаниям КСВ-метра нельзя понять, что значит КСВ=3 при сопротивлении выходного каскада 50 Ом. Волновое сопротивление антенно-фидерного тракта в этом случае может быть чисто активным (на частоте резонанса ) и может быть равным 150 Ом или 17 Ом (и то и другое равновероятно!). Не на частоте резонанса сопротивление будет содержать активную и реактивную (емкостную или индуктивную )в самых различных соотношениях и тогда совершенно непонятно, что надо делать — то ли компенсировать реактивность, то ли согласовывать волновое сопротивление. Для точного согласования АФУ необходимо знать:

• a) реальную резонансную частоту антенны;
• б) сопротивление антенны;
• в) волновое сопротивление фидера;
• г) выходное сопротивление приемо-передатчика.

Целью согласования антенны является задача выполнения двух условий подключения антенны к приемо-передатчику:

1. добиться отсутствия реактивной составляющей в сопротивлении антенны на используемой частоте.
2. добиться равенства волнового сопротивления антенны и приемо-передающей аппаратуры.

Если эти условия выполняются в месте запитки антенны (точка соединения антенны с фидером), то фидер работает в режиме бегущей волны. Если выполнить условия согласования в месте соединения фидера с приемо-передатчиком, а сопротивление антенны отличается от волнового сопротивления фидера, то фидер работает в режиме стоячей волны. Однако работа фидера в режиме стоячей волны может повлечь за собой искажение диаграммы направленности в направленных антеннах (за счет вредного излучения фидера) и в некоторых случаях может привести к помехам окружающей приемопередающей аппаратуре. Кроме того, если антенна используется на прием, то на оплетку фидера будут приниматься нежелательные излучения (например помехи от вашего настольного компьютера). Поэтому предпочтительнее использовать питание антенны по фидеру в режиме бегущей волны. До того как поделиться практическим опытом согласования антенн, несколько слов об основных способах измерений.

1. ИЗМЕРЕНИЕ РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫ АНТЕННЫ

1.1. Наиболее простой способ измерения резонансной частоты антенны- с помощью гетеродинного индикатора резонанса (ГИР). Однако в многоэлементных антенных системах измерения ГИРом бывает выполнить сложно или совсем невозможно из-за взаимного влияния элементов антенны, каждый из которых может иметь свою собственную резонансную частоту.

1.2. Способ измерения с помощью измерительной антенны и контрольного приемника. К измеряемой антенне подключается генератор, на расстоянии 10-20 l от измеряемой антенны устанавливается контрольный приемник с антенной, которая на этих частотах не имеет резонансов (например короче l /10). Генератор престраивается в выбраном участке диапазона, с помощью S-метра контрольного приемника измеряют напряженность поля и строят зависимость напряженности поля от частоты. Максимум соответствует частоте резонанса. Этот способ особенно применим для многоэлеметных антенн, В этом случае измерительный приемник необходимо располагать в главном лепестке диаграммы направленности измеряемой антенны. Вариант этого способа измерения — применение в качестве генератора, передачика мощностью в несколько Ватт и простого измерителя напряженности поля(например [1], Рис 14-20.). Однако надо учесть, что при измеренях вы будете создавать помехи окружающим. Практический совет при измерениях в диапазоне 144-430 мГц — при измерениях, не держите в руках измеритель напряженности поля, чтобы ослабить влияние тела на показания прибора. Закрепите прибор над полом на высоте 1-2 метра на диэлетрической подставке (например дерево, стул) и снимайте показания, находясь на расстоянии 2-4 метра , не попадая в зону между прибором и измеряемой антенной.

1.3. Измерение с помощью генератора и антенноскопа (например [1], Рис 14-16). Этот способ применим в основном на HF и не дает точных результатов, но позволяет попутно оценивать и сопротивление антенны. Суть измерений заключается в следующем. Как известно, антенноскоп позволяет измерять полное сопротивление (активное+реактивное). Т.к. антенны обычно запитывают в пучности тока (минимум входного сопротивления) и на частоте резонанса отсутствует реактивность, то на резонансной частоте антенноскоп будет показывать минимальное сопротивление, а на всех остальных частотах чаще всего оно будет больше. Отсюда и последовательность измерений — перестраивая генератор, измеряют входное сопротивление антенны. Минимум сопротивления соответствует резонансной частоте.Одно НО — антенноскоп необходимо подключать обязательно прямо в точке питания антенны, а не через кабель! И практическое наблюдение — если рядом с вами находится мощный источник радиоизлучения (теле или радиостанция), из-за наводок антенноскоп никогда не будет балансироваться «в ноль» и производить измерения становится практически невозможно.

1.4. Очень удобно определять резонансную частоту вибраторов с помощью измерителя АЧХ. Подключив выход измерителя АЧХ и детекторную головку к антенне, определяют частоты , на которых видны провалы в АЧХ. На этих частотах антенна резонирует и происходит отбор энергии с выхода прибора, что хорошо видно на экране прибора. Для измерений подходят практически любые измерители АЧХ (Х1-47, Х1-50, Х1-42, СК4-59). Вариант измерений- с помощью анализатора спектра (СК4-60) в режиме с длительным послесвечением и внешнего генератора. В качестве внешнего генератора можно использовать генератор гармоник: на HF- с шагом 10 кГц, на 144 мГц- с шагом 100 кГц, на 430 мГц- с шагом 1 мГц. На частотах до 160 мГц наиболее ровномерный спектр с высокой интенсивностью гармоник дает схема генератора гармоник на интегральной схеме 155ИЕ1 . В диапазоне 430 мГц достаточный уровень гармоник можно получить в схеме с накопительным диодом 2А609Б (схема калибратора 50 мГц из СК4-60).

2. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ В АНТЕННО-ФИДЕРНЫХ УСТРОЙСТВАХ.

2.1. Самый простой (еще доступный по цене) серийно выпускаемый прибор, для измерений активного сопротивления и фазы сигнала (а значит и реактивной составляющей)- это измерительный мост. Существует несколько модификаций этих приборов для использования с 50 и 75-омным трактом и на различные диапазоны частот до 1000 мГц — это измерительные мосты Р2-33. Р2-35.

2.2 В радиолюбительской практике чаще используют более простой вариант измерительного моста, предназначенного для измерений полного сопротивления (антенноскоп). Конструкция его, в отличие от мостов Р2-33. очень проста и легко повторяется в домашних условиях ([1], стр. 308-309).

2.3 Полезно помнить некоторые замечания, касающиеся сопротивлений в АФС.

2.3.1. Длинная линия с волновым сопротивлением Zтр и с электрической длиной l /4, 3 х l /4 и т.д. трансформирует сопротивление , которое можно рассчитать из формулы

либо по Рис. 2.39 [2]. В частном случае, если один конец l /4 отрезка разомкнуть, то бесконечное сопротивление на этом конце отрезка трансформируется в ноль на противоположном конце (короткое замыкание) и такие устрой- ства используют для трансформации больших сопротивлений в малые. Внимание! Эти виды трансформаторов эффективно работают только в узком частотном диапазоне, ограниченом долями процентов от рабочей частоты. Длинная линия с электрической длиной кратной l /2 вне зависимости от волнового сопротивления этой линии трансформирует входное сопротивление в выходное с отношением 1:1 и их используют для передачи споротивлений на необходимое расстояние без трансформации сопротивлений, либо для переворачивания фазы на 180°. В отличие от l /4 линий, линии l /2 обладают большей широкополосностью.

2.3.2. Если антенна короче , чем вам необходимо, то на вашей частоте сопротивление антенны имеет реактивную составляющую емкостного характера. В случае, когда антенна длиннее, на вашей частоте антенна имеет рективность индуктивного характера. Разумеется на вашей частоте нежелательную реактивность можно компенсировать введением дополнительной реактивности противоположного знака. Например, если антенна длиннее, чем это необходимо, индуктивную составляющую можно компенсировать включением последовательно с питанием антенны емкости. Значение необходимого конденсатора можно рассчитать для нужной частоты, зная значение индуктивной составляющей (см. Рис 2.38 [2]), либо подобрать экспериментально, как это описано в пункте 5.

2.3.3. Введение дополнительных пассивных элементов обычно понижает входное сопротивление антенны (например для квадрата: со 110-120 Ом до 45-75 Ом).

2.3.4. Ниже приведены теоретические значения наиболее часто встречающихся вибраторов (вибраторы находятся в свободном от окружающих предметов пространстве), антенн и фидеров:

• полуволновый вибратор с запиткой в пучности тока (в середине) — 70 Ом, при расстройке на +-2% реактивное сопротивление iX изменяется практически линейно от -25 до +25 с нулем на частоте резонанса;
• полуволновый вибратор с запиткой с помощью Т-образной схемы согласования -120 Ом; — петлевой вибратор с одинаковыми диаметрами всех проводников- 240..280 Ом, при расстройке +-1% реактивного сопротивления нет, но при расстройках более 2% реактивное сопротивление iX резко возрастает до +- 50 и более (см. Рис 2.93 [2]);
• петлевой вибратор с различными диаметрами проводников (см таб. 1.15 [1] или Рис. 2.90в [1]) — до 840 Ом; — двойной петлевой вибратор с одинаковыми диаметрами всех провод- ников — 540. 630 Ом;
• двойной петлевой вибратор с различными диаметрами проводников (см. таб. 1.16 [1] или Рис 2.91 [2]) — до 1500 Ом;
• четвертьволновый вертикальный вибратор с противовесами под углом 135° по отношению к вибратору — 50 Ом;
• четвертьволновый вертикальный вибратор с противовесами под углом 90° по отношению к вибратору — 30 Ом;
• вибратор в виде квадрата длиной l — 110..120 Ом; — вибратор в виде квадрата длиной 2 l (два витка) — 280 Ом;
• вибратор в виде теругольника (дельта) — 120. 130 Ом;
• Inverded-V с углом раскрыва 90° — 45 Ом;
• Inverted-V с углом раскрыва 130° — 65 Ом;
• волновой канал, оптимизированый на максимальное усиление — 5. 20 Ом;
• волновой канал, оптимизированый на наилучшее согласование — 50 Ом;
• двухпроводная линия (Рис 2.26 [2]) — 200..320;
• две параллельные коаксиальные линии Z=75 Ом — 37.5 Ом;
• то же, четвертьволновый трансформатор Zвх=50 Ом — Zвых=28 Ом;
• то же, четвертьволновый трансформатор Zвх=75 Ом — Zвых=19 Ом;
• две параллельные коаксиальные линии Z=50 Ом — 25 Ом;
• то же, четвертьволновый трансформатор Zвх=50 Ом — Zвых=12.5 Ом;
• то же, четвертьволновый трансформатор Zвх=75 Ом — Zвых=8.4 Ом
• трансформатор из трех параллельных линий Z=50 Ом Zвх=50 — Zвых=5.6 Ом;
• то же Z=50 Ом Zвх=75 — Zвых=3.7 Ом;

3. ИЗМЕРЕНИЕ СТЕПЕНИ СОГЛАСОВАНИЯ

Эти измерения желательно делать уже после согласования, описанного в п. 5 для оценки качества согласования.

3.1. Приборы для определения степени согласования открытых двухпроводных линий с антенной:

3.1.1. Обычная неоновая лампочка или ГИР. При перемещении лампочки вдоль линии передачи, яркость свечения лампочки не должна изменяться (режим бегущей волны). Вариант измерений — прибор, состоящий из петли связи, детектора и стрелочного индикатора (см. Рис. 14.8 [1]).

3.1.2. Двухламповый индикатор (см. рис. 14.7 [1]). Настройкой добиваются, чтобы лампочка подключеная к плечу, близкому к антенне, не светилась, а в противополжном плече свечение было максимально. При малых уровнях мощностей можно использовать детектор и стрелочный индикатор вместо лампочки.

3.2. Приборы для определения степени согласования в коаксиальных трактах:

3.2.1. Измерительная линия — прибор, который применим для измерения степени согласования в коаксиальных и волноводных линиях начиная с УКВ и заканчивая сантиметровым диапазоном волн. Кострукция его несложная — жесткий коаксиальный кабель (волновод) с продольной щелью во внешнем проводнике, вдоль которой перемещается измерительная головка с измерительным зондом, опущеным в щель. Перемещая измерительную головку вдоль тракта, определяют максимумы и миниммумы показаний, по соотношению которых судят о степени согласования (режим бегущей волны — показания не изменяются по всей длине измерительной линии).

3.2.2. Измерительный мост (рис.14.18 [1]). Позволяет измерять КСВ в линиях переадчи до 100 Ом на HF и VHF при подводимой мощности около сотен милливатт. Очень простая в изготовлении кострукция, не содержит моточных улов, конструктивных узлов, критичных к точности изготовления.

3.2.3. КСВ-метры на основе рефлектометров. Описано множество конструкций этих приборов (например Рис. 14-14 [1]. Позволяют следить за состоянием АФC в процессе работы в эфире. 3.2.4. КСВ-метры на основе измерителей АЧХ. Очень удобные для изучения качества согласования на любых частотах, вплоть до 40 гГц. Принцип измерений — измерительный комплект приборов состоит из измерителя АЧХ и направленного ответвителя, соединенных в следующую схему:

>———————>3
2
&lt——————-|/ Ант. 4

где 1 — измеритель АЧХ (Х1-47); 2 — низкоомная детекторная головка из комплекта Х1-47; 3 — направленый ответвитель, например для диапазона 144 мГц подойдет НО 991-03 из комплекта к прибору СК4-60; 4 — измеряемая антенна. Высокочастотный сигнал с выхода Х1-47 попадает на вывод 3 направленного ответвителя и далее попадает только на вывод 2 направленного ответвителя. Далее сигнал передается на измеряемую антенну. На частотах, где антенна имеет высокий КСВ, энергия отражается и возвращается на вывод 2 направленного ответвителя. В этом направлении сигнала энергия предается с вывода 2 только на вывод 1, детектируется детекторной головкой и уровень отраженного сигнала отображается на экране Х1-47 в зависимости от частоты.
Перед началом измерений необходимо откалибровать схему. Для этого вместо измеряемой антенны подключают безиндуктивный эквивалент антенны сопротивлением 50 Ом и убеждаются в отсутствии отраженного сигнала(КСВ=1). Далее, отстыковывав эквивалент, отмечают уровень сигнала для КСВ= бесконечности.Все промежуточные значения КСВ будут отображаться на экране прибора положением между 0 и максимальным значением. Подключая эквиваленты антенны сопротивлением 75 Ом , 100 Ом , 150 Ом отмечают на экране прибора значения КСВ соответсвенно 1.5 , 2, 3.
В качестве измерителя АЧХ можно использовать анализатор спектра СК4-60 и внешний генератор, в зависимости от диапазона волн, в котором производятся измерения (Г4-151 до 500 мГц, Г4-76 до 1.3 гГц, Г4-82 5.6гГц, Г4-84 10 гГц). На частотах до 500 мГц в качестве внешнего генератора можно использовать генераторы гармоник, описанные в п.1.4 . Два замечания:

• направленные ответвители вносят переходное ослабление около 15 дБ для источника сигнала, поэтому для измерений необходимы источники сигнала довольно высокого уровня;
• направленные свойства ответвителей (развязка и направленность) обычно не превышают 20. 30дБ, поэтому измерения необходимо выполнять не в логарифмическом, а линейном масштабе отображения.

4. НЕКОТОРЫЕ ПОЛЕЗНЫЕ СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ.

4.1. Измерения с помощью антенноскопа (приведено в [1] стр.308-312).

4.1.1. Определение точной электрической длины l /4 линии:
для этого линию одним концом подключают к антенноскопу, а второй оставляют разомкнутым. Далее, изменяя частоту генератора, определяют самую низкую частоту, на которой достигается баланс моста при нулевом сопротивлении. Для этой частоты электрическая длина линии равна точно l /4.

4.1.2. Измерение волнового сопротивления линии Zтр:
выполнив измерения по п.4.1.1., подключают резистор 100 Ом к свободному концу линии и измеряют антенноскопом сопротивление Zизм на другом конце линии. Рассчитывают волновое сопротивление линии, пользуясь формулой

4.1.3. Проверка точности размеров l /2 трансформирующей линии:

• измеряемую линию подключают к антенноскопу, ко второму концу линии подключают резистор 300 Ом
• Устанавливают генератором частоту, на которой линия l /2 должна трансформировать 1:1.
• измеряют антенноскопом сопротивление- оно должно быть равно 300 Ом, если линия точно равна l /2 для этой частоты.

4.1.4. Определнение коэффициента укорочения линии передачи:
для измерений используют отрезок линии длиной несколько метров(длина X).

• Замыкают один конец линии и изменяя частоту генератора, находят минимальное значение частоты F, на которой антенноскоп балансируется- это будет означать, что линия трансформатормирует сопротивление 1:1 и для этой чатоты ее электрическая длина соответствует l /2 с учетом коэффициента укорочения.
• Повышая далее частоту можно будет найти следующий баланс моста, соответствующий 2 l /2 и т.д. Длина l /2 для частоты L=300/(2F), а коэффициент укорочения K=X/L.

Например, если длина линии X=3.3 метра, а баланс произошел на частоте F=30 мГц, то L=5метров, а K=0.66. Обычные значения коэффициентов укорочения для коаксиальных линий — 0.66, для ленточных кабелей — 0.82, для открытых двупроводных линий — 0.95 .

4.2. Измерения с помощью АЧХ-метра выполняются по схеме, приведеной в п3.2.4. 4.2.1. Локализация неоднородностей в фидере. При необходимости определить расстояние до неоднородности в фидере (короткое замыкание или обрыв) не демонтируя фидер, это можно сделать следующим образом. При обрыве или КЗ в фидере, максимальный КСВ будет наблюдаться на частотах ,где линия работает как трансформатор l /2,а также на кратных частотах независимо от диапазона, выбранного для измерений. Фидер отстыковывают от трансивера и подключают к выводу 2 направленного ответвителя. Устанавивают такую полосу качания,чтобы удобно было производить измерения периода КСВ. Измеренный период в мегагерцах соответствует частоте, на которой линия работает как l /2 отрезок с учетом укорочения. Допустим частотный интервал между максимумами КСВ равен 3 МГц , значит, частота на которой линия сейчас работает как трансформатор l /2, равна 6 мГц и это соответстует длине волны 50 метров (т.е. до неоднородности 50 метров без учета коэффициента укорочения линии). Зная коэффициент укорочения линии можно точно сказать действительное расстояние до неоднородности. Например если линия выполнена коаксиальным кабелем с коэф. укорочения 0.66, то в нашем случае расстояние от передачика до обрыва (КЗ) в коаксоальном кабеле равно 33 метра.

4.2.2. Измерение коэффициента укорочения кабеля.
Измерения производят так же , как в пункте 4.2.1. , но к выводу 2 направленного ответвителя подключают измеряемый кабель длиной несколько метров. Допустим мы измеряем коэффициент укорочения кабеля длиной 33 метра. Измеренная электрическая длина кабеля равна 50 метров, значит коэффициент укорочения равен 33/50=0.66 .

4.2.3. Проверка кабеля 50 Ом на отсутствие неоднородностей.
К выводу 2 НО подключают проверяемый кабель, на другом конце которого подключена согласованая нагрузка 50 Ом. На экране прибора должна наблюдаться ровная линия, если в кабеле нет неоднородностей.

5. ПОРЯДОК НАСТРОЙКИ АНТЕННЫ

В качестве примера, несколько слов о порядке настройки антенны дельта для диапазона 80 метров, пользуясь способами измерений, приведенными выше. Необходимо согласовать выходной каскад передатчика (50 Ом) с антенной по кабелю 50 Ом. Если нет возможности измерить сопротивление антенны и найти резонансную частоту антенны, подключившись прямо в точке запитки , подключаем транформирующую линию l /2 между приборами и антенной. Таким образом, пользуясь трансформирующими свойствами линии (1:1) можно проводить измерения не непосредственно у антенны, а на другом конце линии.
Одним из описанных способов, измеряем сопротивление антенны и резонансную частоту. Если резонансная частота антенны немного смещена, изменением геометрических размеров антенны, добиваются резонанса на нужной частоте. Обычно сопротивление антенны дельта равно 120 Ом и для согласования антенны с кабелем необходимо применить трансформатор 1:2.4 . Этот трансформатор можно сделать, используя трехпроводный ШПТЛ с отношением Rвых/Rвх=4/9 (Бунин, Яйленко «Справочник радиолюбителя-коротковолновика» Киев, Техника). После изготовления трансформатора, подключают к высокоомному входу трансформатора резистор сопротивлением 120-130 Ом и, подключив к другому входу трансформатора антенноскоп, измеряют его входное сопротивление и коэффициент трансформации. Подключив трансформатор между PA и линией питания, проверяют ток в антенне, используя ВЧ-амперметр (Рис. 14-2 [1]). Лучше измерить ток после PA с помощью калиброванного ВЧ-амперметра и рассчитать поглощаемую мощность. Если после рассчета окажется, что P=RII меньше, чем на эквиваленте антенны, значит согласующее устройство вносит реактивность и ее необходимо компенсировать. Для этого последовательно с ВЧ-амперметром включают переменный конденсатор (10-500 пФ) и изменяя его значение, добиваются максимума в показаниях ВЧ-амперметра. В случае, если с помощью конденсатора не удается увеличить ток в антенне, надо заменить конденсатор на вариометр и подобрать компенсирующую индуктивность. После подбора компенсирующей реактивности, измеряют ее значение и заменяют на элемент с постоянным значением.
После настройки согласующего устройства, его помещают в герметичный корпус и переносят в точку запитки антенны от кабеля. В заключении еще раз проверяют согласование с помощью одного из способов измерения КСВ.

СОВЕТЫ ПО ПОДКЛЮЧЕНИЮ КОМПЬЮТЕРОВ.

Многие жалуются, что их настольный компьютер сильно мешает приему. Причиной этого в большинстве случаев является плохое согласование антенны. В этом случае оплетка кабеля питания антенны принимает излучения компьютера и они в виде помехи попадают на вход приемника. Проверить это предположение просто — отстыкуйте кабель от входа приемника, если помехи исчезнут, значит основной путь попадания помех от компьютера на вход приемника- по оплетке кабеля. После тщательного согласования антенны с помощью приведенных ниже способов, можно в значительной мере избавиться от помех по приему и от неустойчивой работы цифровых узлов при передаче. Второе необходимое условие для удобства работы с компьютером — тщательное заземление всех приборов. Заземление на трубу отопления — не годится! Третий путь — заключить все кабеля, идущие от компьютера, в экран и очень желательно пропустить каждый из них сквозь ферритовое кольцо 2000 НМ (по паре витков). Можно также пропустить сквозь кольцо и антенный кабель (для дополнительного симметрирования кабеля и устранения распространения ВЧ-сигналов по оплетке кабеля). Иногда источником помехи является монитор и кабели, идущие к нему. Попробуйте включить-выключить монитор из сети при работающем и загруженом компьютере. Если уровень помехи изменяется, то рекомендуется отдельно заземлить шасси монитора, а точку заземления шасси необходимо подобрать экспериментально по минимуму помех

Источник

Основные параметры антенны.
1. Резонансная частота.
2. Импеданс антенны.
3. Диаграмма направленности.
4. Коэффициент усиления.
5. К.С.В.

Дадим краткую характеристику основным параметрам антенны.

Резонансная частота. Антенна излучает электромагнитные волны, когда к ней приложено возбуждающее колебание. Эффективность ее излучения наибольшая, когда частота возбуждающего колебания совпадает с резонансной частотой. Как правило, длина антенны равна половине или четверти длины волны на центральной рабочей частоте. Однако из-за емкостных и концевых эффектов электрическая длина антенны больше, чем ее физическая длина. На резонансную частоту антенны влияют: близость расположения антенны над землей или какого-нибудь проводящего объекта. Если это антенна многоэлементная, то резонансная частота активного элемента, может изменяться в ту или иную сторону, в зависимости от расстояния активного элемента по отношению к рефлектору или директору.
Импеданс антенны. Импеданс антенны меняется вдоль ее длины. Точка максимального тока и минимального напряжения соответствует наименьшему импедансу и называется точкой возбуждения. Импеданс в этой точке, называют входным импедансом и он состоит из активного сопротивления излучения антенны и реактивной составляющей. В резонансе реактивная составляющего входного импеданса должна быть равна нулю. На частотах выше резонансной импеданс имеет – индуктивный характер, а на частотах ниже резонансной – емкостной характер. На практике реактивная составляющая импеданса меняется от нуля до + 100 Ом. Импеданс антенны зависит и от других факторов, например от близости ее к поверхности Земли или проводящим поверхностям. В идеальном случае полуволновой симметричный вибратор имеет сопротивление излучения 73 Ом, а четвертьволновой несимметричный вибратор – 53 Ом. На практике эти сопротивления изменяются от 5 до 120 Ом для полуволновой и от 5 до 80 Ом для четвертьволновой антенны. Сопротивление антенны можно измерить с помощью измерительного моста. Обычно для этого используют мост Уитстона, который еще называют антенноскопом. Конструкция его проста и описана в разных изданиях для радиолюбителей. Измерение проводят после настройки антенны в резонанс. Принято измерять импеданс антенны во всем рабочем диапазоне частот, чтобы учесть наличие реактивности на краях диапазона.
Диаграмма направленности антенны. Диаграмма направленности передающей антенны
Можно снимать поворачивая ее и измеряя напряженность поля фиксированной точке на частоте передачи. Эти измерения дают диаграмму направленности в полярных координатах.
Полярная диаграмма показывает направление, в котором концентрируется энергия антенны.
В радиолюбительской практике это наиболее сложный вид измерений. Проводя измерения в ближней зоне необходимо учитывать ряд факторов влияющих на достоверность измерений. Любая антенна кроме основного лепестка имеет еще и ряд боковых лепестков, в диапазоне коротких волн мы не можем поднять антенну на большую высоту. Наибольшая энергия поступает от передающей к приемной антенне в случае, если первая зона Френеля свободна от посторонних предметов, При измерениях диаграммы направленности в диапазоне КВ боковой лепесток отразившись от Земли или от ближнего здания может попасть на измерительный зонд, как в фазе так и в противофазе, что приведет к ошибке в измерениях.
Потребуется несколько контрольных измерений с измерением расстояния до измерительного зонда и измерение высоты установки зонда. Такая погрешность возникает и при измерении на дальних трассах. Оптимальный угол прихода радиоволн от корреспондента зависит от состояния тропосферы и количества переотражений. Это приводит к тому, что разные корреспонденты в зависимости от трассы будут давать разные цифры при оценке отношения F/B В связи с выше сказанным желательно размещать зоны на такой же высоте, как и антенна и расстояние от антенны до измерительного зонда выбирать от 1,5 до 2
Коэффициент усиления. Если антенна излучает одинаковую мощность во всех направлениях, она называется изотропной или математической моделью, обычно на практике коэффициент усиления выражают в децибелах по отношению к эталонному диполю. Однако важно, чтобы эталонная и исследуемая антенна измерялись в идентичных условиях. Имеется ввиду одинаковая высота подвеса над Землей и одинаковое расстояние до измерительного зонда, при этом, близкое расстояние между двумя измеряемыми из-за влияния антенн друг на друга. Если возле антенны типа волновой канал, на близком расстоянии расположить диполь,
То мы получим синфазную решетку с одной пассивной и одной активной антенной. Изменится диаграмма направленности обоих антенн и в большей степени это повлияет на полуволновой диполь, его усиление будет больше, чем обычного одиноко стоящего диполя.
Чтобы избежать этой ошибки, сначала с помощью индикатора напряженности поля измеряют
Полуволновой диполь, а потом снимают его, на его место устанавливают новую испытываемую антенну и проводят еще одно измерение.
К.С.В. Коэффициент стоячей волны. Как видим этот параметр стоит на последнем месте и не является первостепенным. Если антенна настроена в резонанс и в ходе настройки мы скомпенсировали ее реактивность, и согласовали с фидером питания по сопротивлению, К.С.В. будет- единица. Любая антенна, простая она или сложная, является резонансным устройством и требует настройки. Настройка включает в себя измерение основных параметров антенны и коррекция их путем подгонки линейных размеров элементов антенны, расстояний между элементами, настройки согласующих и симметрирующих устройств. Так как антенну мы сами не рассчитываем, а берем уже размеры готовой проверенной на практике конструкции, возникает вопрос о целесообразности настройки антенн. Как выше уже было сказано, антенна является резонансным устройством, и так как любое резонансное устройство при повторении требует настройки, то и на антенну распространяются эти же правила. Представьте себе, что нам нужно рассчитать параллельный контур на какую-то конкретную частоту, по каким бы формулам мы бы не считали, какие бы программы не применяли, практически получить нужную частоту мы можем, только после настройки контура уже в готовой конструкции генератора. Не возможно рассчитать влияние экранов, паразитные емкости и индуктивности монтажа и так далее. Тоже самое происходит и с антенной, краевой эффект здания на котором расположена антенна, влияние оттяжек мачты и т.д., очень много неизвестных величин. И даже все перечисленное выше еще не аргумент, подумаешь добились прибавки в усилении антенны пол децибела или децибел, разве это можно реально оценить при работе в эфире, оказывается можно. Ведь антенну характеризует не один какой-то конкретный параметр, а совокупность всех основных параметров, к которым относятся: усиление, диаграмма направленности, коэффициент полезного действия. Здесь следует привести пример, который известен многим радиолюбителям. При переходе от простых антенн к более сложным реальная прибавка в силе сигнала намного больше, чем при сравнении числовых значений усиления простой и более сложной антенны. Например, если простую антенну типа полуволновой диполь, сравнивать с антенной двойной квадрат, то даже не настроенный двойной квадрат с усилением например 5 децибел в эфире может дать прибавку в силе сигнала от 10 до 30 децибел по сравнению с полуволновым диполем, в зависимости от состояния эфира, прохождения, угла прихода сигнала, наличие индустриальных помех и т.д. Точно такой же эффект мы могли бы наблюдать сравнивая две идентичных антенны, одна из которых была настроена по всем основным параметрам, вторая собрана по расчетным значениям. А так как основная масса радиолюбителей настраивает антенны только по К.С.В., отсюда и чудеса в эфире, одну и туже конструкцию антенны одни хвалят, другие ею не довольны. Если настраивать антенну только по К.С.В., то с основными параметрами кому как повезет, а впадая в крайность и настраивая антенну только по К.С.В., можно из антенны сделать хорошую согласованную нагрузку для выходного каскада передатчика. Он хорошо будет работать в нормальном режиме, только антенна при этом может иметь плохую диаграмму направленности, низкий коэффициент полезного действия, часть мощности будет расходоваться на нагрев элементов антенны и антенно-фидерного тракта и самое неприятное, что может быть для радиолюбителя – это помехи телевидению.
Из этого следует, что необходимо проводить измерения и настройку, как самой антенны, так и отдельных ее узлов, входящих в антенно-фидерный тракт, таких, как симметрирующие и согласующие устройства. При изготовлении и проработке узлов и деталей будущей антенны предусмотреть возможности измерения линейных размеров, там, где это необходимо для настройки отдельных элементов антенны, учитывая тот фактор, что антенна должна настраиваться на высоте ее постоянной эксплуатации. Возможность неоднократного спуска и подъема антенны или дистанционной подстройки.
Исходя из того, что основная масса радиолюбителей не имеет хорошей базы специализированных приборов, определим минимум простых и самодельных приборов, необходимых для измерений основных параметров антенны. Приборы представлены в таком порядке, в котором должны проводиться измерения, и другой порядок измерений при настройке недопустим.
Г.И.Р. Гетеродинный индикатор резонанса – прибор для определения резонансной частоты элементов антенны. Это простой генератор, собранный по схеме емкостной или индуктивной трёхточки дополненной детектором и усилителем постоянного тока. В качестве индикатора обычно применяют стрелочный прибор. Желательно, чтобы генератор имел электронную настройку на частоту, например с помощью варикапа. Генератор компактно монтируется в небольшой коробочке из диэлектрика. Генератор крепится к измеряемому элементу антенны через диэлектрик, или подносится к элементу антенны на диэлектрической штанге. К стабильности генератора не предъявляется высоких требований, так как время измерения не продолжительное. Измерение резонансной частоты активного элемента антенны производится при отключенном кабеле питания антенны. Если это симметричный вибратор или рамка, то в месте подсоединения кабеля делают закоротку или устанавливают постоянное сопротивление, величина которого соответствует сопротивлению активного элемента антенны. От генератора вниз идут 4 провода по которым подается: напряжение питания, напряжение для управления варикапом и снимается напряжение с усилителя постоянного тока, четвертый провод общий. В руках оператора дополнительный пульт в котором размещено: питание для генератора, переменный резистор управления варикапом и микроамперметр. Частота генератора контролируется с помощью вспомогательного приемника, который находится рядом. Это измерение лучше проводить вдвоем. Один оператор управляет частотой генератора ГИРа и следит за показаниями стрелочного прибора, второй оператор контролирует по приемнику частоту ГИРа. При настройке, когда частота генератора ГИРа совпадает с резонансной частотой измеряемого элемента антенны, стрелочный прибор покажет падение напряжения. По приемнику определяем частоту генератора ГИРа. Это наиболее точный метод определения резонансной частоты антенны. Иногда генератор ГИРа связывают с активным элементом антенны через кабель питания антенны. Кабель при этом должен быть кратным полволны для заданной частоты. Такой метод требует точного измерения электрической длины кабеля, возрастает погрешность при измерении, сужается диапазон измерений. Подстроив активный элемент антенны в резонанс,
(путем измерения его длины или периметра, если это рамка) переходим к измерению входного сопротивления активного элемента антенны на этой частоте резонанса. Входное сопротивление антенны измеряется с помощью высокочастотного моста. Это так же может быть самодельный, простой прибор доступный в изготовлении даже для начинающего радиолюбителя. Схемы ВЧ – мостов неоднократно публиковались в литературе для радиолюбителей. Возьмите самую простую схему. Пусть этот простой ВЧ – мост даже не показывает характер реактивности, просто вращая переменный резистор находим провал по напряжению, если стрелка прибора не падает до нуля это говорит о том, что в антенне
присутствует какая-то реактивность емкостного или индуктивного характера.
Эта реактивность устраняется введением в точку подключения антенны к РК кабелю емкости или индуктивности в зависимости от характера реактивности (реактивность может быть емкостного или индуктивного характера), подобрав их номинал до устранения реактивной составляющей. Так как радиолюбительские диапазоны узкие, удобно компенсировать реактивную составляющую не дискретными элементами, а короткозамкнутым шлейфом, или узкополосным симметрирующим устройством, об этом подробно изложено в журнале
,, Радио – Дизайн ,, № 13. При изготовлении ВЧ – моста, основное условие, паять схему нужно деталь в деталь, с минимальным по длине выводами от элементов. Схема должна быть компактной, пусть разъемы и переменный резистор располагаются в разных плоскостях, не стремитесь сделать большой и красивый прибор. Резисторы желательно применить без индукционные, если нет возможности достать без индукционные резисторы, вместо одного резистора ставьте 3 – 4 резистора параллельно, это уменьшит индуктивность простых резисторов. На низкочастотных диапазонах, ниже 10 Мгц, можно применить любые резисторы, кроме проволочных. В качестве индикатора напряженности поля – любой микроамперметр с детектором. Единственное условие, антенна индикатора (диполь или штырь) должны быть на много меньше четверти длины волны измеряемого диапазона.
Главное, это научиться пользоваться приборами. Практика показывает, что и простыми самодельными приборами можно хорошо настроить антенну по всем основным параметрам.