5. Резонансные штыревые антенны, удлиненные индуктивностью
В переносных и передвижных СВ-радиостанциях используют антенны длиной 30… 100 см для переносных и до 1,5 метра для передвижных радиостанций. Рассчитав входное сопротивление активных частей таких коротких штырей для частоты 27 МГц, получаем значения от 0,5 Ом для 30 см до 10 Ом для 1,5 м. Конечно, подключать такие короткие штыри к выходному каскаду передатчика без соответствующего согласования неразумно. Во-первых, мал КПД самого такого штыря как антенны, во-вторых, согласование низкого сопротивления штыря с выходным каскадом передатчика весьма сложно. Наиболее рациональным решением, к которому пришли решая эту задачу, было то, что штырь входит в состав сложной системы, являющейся укороченной антенной. Далее здесь рассматривается эффективность работы штыря в такой системе.
Классическая штыревая антенна представляет собой вибратор длиной в четверть длины волны и систему заземления под ним. В простейшем случае система заземления является системой четвертьволновых противовесов. Естественно, такую систему использовать для переносной станции затруднительно. Потому пытаются укоротить антенну и противовесы. Самое простое в этом случае — включить удлиняющую катушку в антенну. Но и здесь стоит вопрос, в какую точку антенны включить удлиняющую катушку для получения максимального эффекта. Роль системы противовесов играет корпус станции.
Следует сразу обратить внимание на самый неэффективный способ удлинения короткой антенны — включение удлиняющей катушки в ее основание (рис.9). Максимальный ток, протекающий по антенне — в ее основании. Из теории антенн известно, что для получения максимального излучения антенны и, следовательно, максимального ее КПД, необходимо обеспечить максимальный ток в излучающем элементе антенны и максимальное напряжение на ее излучающем конце. Здесь максимальный ток протекает по катушке, поэтому максимальное взаимодействие со средой происходит через катушку.
Достоинство антенны с удлиняющей катушкой в основании лишь в том, что благодаря большой емкости штыря такие антенны имеют сравнительно большую полосу пропускания, позволяющую им работать во всем СВ или любительском диапазонах.
Другой тип антенны — это антенна, удлиненная катушкой в своей середине (рис.10). Здесь уже достигается значительная сила тока в основании антенны, верхняя часть штыря играет роль емкостной нагрузки. Вследствие увеличения концевой емкости увеличивается полоса пропускания антенны до величины, позволяющей работать во всем СВ диапазоне, существенно возрастает и ее КПД.
Штырь до катушки является основным излучающим элементом, он должен быть выполнен максимально толстым, тем более что он ещё и держит на себе удлиняющую катушку. Штырь после катушки представляет собой уже емкостную нагрузку. Он может быть выполнен более тонким. Размещение на конце такой антенны даже небольшой емкостной нагрузки увеличивает эффективность ее работы, но уменьшает механическую прочность.
Следует ещё обратить внимание на то, что, в принципе, при плохой «земле», имеющей место в переносных радиостанциях, все типы коротких антенн работают одинаково плохо, и нет существенной разницы при их использовании. Но уже подключение четвертьволнового противовеса показывает разницу в эффективности разных типов антенн. Также наблюдается эффект и в передвижных автомобильных радиостанциях, где корпус автомобиля представляет собой эффективное заземление.
Сопротивление идеальной четвертьволновой вертикальной антенны — штырь над идеальной проводящей поверхностью — составляет 36 Ом. Сопротивление идеальной укороченной антенны СВ диапазона, в зависимости от степени ее укорочения, составляет 10…20 Ом. Учитывая, что реальная «земля» таких антенн далека от идеальной, в общем случае такие антенны можно согласовать и с коаксиальным кабелем питания антенны в передвижной автомобильной станции (здесь обычно используют 50-омный кабель), и с выходным каскадом носимой радиостанции, плохая «земля» которой увеличивает сопротивление короткой антенны до 50…100 Ом.
6.Практические конструкции штыревых антенн, удлиненных индуктивностью
В основном, все укороченные антенны переносных радиостанций имеют вид, приведенный рис. 11. Катушка индуктивностью около 2 мкГн и штырь длиной около 120 см представляют собой антенную систему, работающую в диапазоне 27 МГц. И лишь от различного исполнения катушки и штыря зависят КПД антенны и полоса ее пропускания. Антенна, изображенная на рис.7, приведена и во многих других, более ранних источниках [7, 8,9, 10].
При испытании антенн из [7, 8] для них использовалась идентичная удлиняющая катушка в 2 мкГн и были получены следующие результаты.
Входное сопротивление с четвертьволновым противовесом — 35 Ом, с корпусом радиостанции — 80 Ом. Полоса пропускания на уровне половинной мощности (-3 дБ) — 600 кГц с противовесом, 750 кГц с корпусом радиостанции. Влияние человека, оказываемое на эту антенну, мало и ее реактивность малы. Смещение частоты при подключении четвертьволнового противовеса достигало 700 кГц.
При испытании антенны из [9], где длина штыря была 80 см, удлиняющая катушка представляла собой 18 витков провода ПЭЛ 0,55, намотанных на каркасе диаметром 4 мм виток к витку, были получены следующие результаты.
Входное сопротивление с четвертьволновым противовесом — 60 Ом, с противовесом-корпусом радиостанции -1100м.
Полоса пропускания с четвертьволновым противовесом — 800 кГц, с корпусом станции — 900 кГц. Смещение резонансной частоты при подключении противовеса — почти 1 МГц.
При испытании антенны из [10] с длиной штыря 0,8… 1,2 м удлиняющая катушка представляла собой 25 витков провода ПЭЛ 0,35, намотанных на каркасе диаметром 5 мм виток к витку, были получены результаты, аналогичные антенне из [9].
Определенный интерес представляют и короткие антенны — длиной до 50 см. Тем более, что эти антенны не столь существенно проигрывают в дальности связи длинным антеннам — длиной около 1м.
Антенна из [11] представляет собой штырь длиной 45 см с удлиняющей катушкой, содержащей 60 витков провода ПЭЛ 0,5 на каркасе диаметром 5 мм, намотанных виток к витку. При испытаниях такой антенны были получены следующие результаты.
С четвертьволновым противовесом входное сопротивление — 75 Ом, полоса пропускания — 700 кГц. С корпусом станции в роли противовеса входное сопротивление — 120 Ом, полоса пропускания — 900 кГц. Смещение резонансной частоты при подключении четвертьволнового противовеса составило 1,2 МГц. Влияние человека на антенну выше, чем в длинных антеннах.
Увеличение входного сопротивления и расширение полосы пропускания короткой антенны (45 см) по сравнению с длинной (1 м) говорит о том, что удлиняющая катушка короткой антенны низкодобротна. Но и увеличение добротности удлиняющей катушки мало влияет на эффективность работы таких коротких антенн. Подключение противовеса смещает резонансную частоту антенны вверх. Для эффективной работы радиостанции при подключении противовеса в данном случае необходимо предусмотреть оперативную регулировку индуктивности удлиняющей катушки.
Желательно в трансиверах при переключении штыря антенны использовать различные удлиняющие индуктивности для приемника и передатчика. Это позволяет оптимально согласовать штырь как на прием, так и на передачу. Естественно, если сопротивление входа приемника и выхода передатчика отличаются несущественно, можно обойтись и одной удлиняющей катушкой, поскольку в этом случае смещение резонансной частоты системы при переключении RX/TX невелико. Но здесь уже необходимо решать из практических условий, что проще — переключать удлиняющие катушки или привести входы передатчика и приемника к одинаковой величине. В «фирменной» аппаратуре стремятся к последнему, хотя и встречаются варианты с подстройкой входа приемника при переключении антенны. В самодельной аппаратуре диапазона 27 МГц вопросу согласования антенн в режиме приема и передачи часто не уделяют должного внимания, что ведет к снижению эффективности носимых радиостанций.
В [12] описана антенна с длиной плеч по 110 мм и удлиняющей катушкой в центре, имеющей 130 витков провода ПЭЛ 0,15, намотанных виток к витку на каркасе диаметрам 6 мм. При испытании эта антенна показала следующие результаты. С четвертьволновым противовесом входное сопротивление было 90 Ом, полоса пропускания . — 400 кГц, с противовесом-корпусом радиостанции входное сопротивление было 140 Ом, полоса пропускания — 600 кГц. Смещение полосы пропускания при подключении четвертьволнового противовеса составило 900 кГц. Добавление емкостной нагрузки, показанной на рис.13, позволило уменьшить смещение частоты при подключении противовесов до 600 кГц. Полоса пропускания при этом увеличилась на 50 кГц в обоих случаях. Входное сопротивление понизилось — с противовесом стало 75 Ом, с корпусом станции — 90 Ом. Напряженность поля возросла в 1,3 раза. Все это говорит о преимуществах емкостной нагрузки для таких типов антенн. Следует заметить, что более эффективно работает емкостная нагрузка, показанная на рис.12, но к сожалению, она сложнее в практической реализации, чем нагрузка на рис.13.
Сравнение величин напряженности поля, создаваемого антенной с центральной индуктивностью и удлиняющей индуктивностью у основания, показало, что на практике антенна с центральной индуктивностью, равная по высоте антенне с индуктивностью у основания, создает напряженность поля примерно в 1,4… 1,6 раза большую. При добавлении емкостной нагрузки преимущества такой антенны ещё больше возрастают. Измерения были проведены при четвертьволновых противовесах. При использовании корпуса радиостанции в качестве противовеса преимущество антенны с центральной индуктивностью было слабее, напряженность поля была лишь в 1,2 раза больше, чем создаваемого антенной с индуктивностью у основания. Это говорит о том, что для переносных станций нет большого различия в типе используемой штыревой антенны, а вот для передвижных станций лучше использовать антенну с центральной нагрузочной индуктивностью. В любом случае желательно использовать емкостную нагрузку, даже в виде шарика диаметром 5…20 мм. Емкостная нагрузка дает эффект и при использовании ее с антенной с удлиняющей индуктивностью у основания.
Практически для переносных станций можно использовать антенны из толстого медного провода диаметром 2…2,5 мм. Антенна меньшего диаметра менее прочна механически и имеет меньший КПД. Для изготовления антенн передвижных автомобильных станций можно использовать короткие «куликовки» или подходящие антенны от армейских радиостанций соответствующей длины и, главное, прочности.
7. Нерезонансные штыревые антенны
Нерезонансные штыревые антенны являются самыми неэффективными из всех существующих укороченных штыревых антенн. Они проигрывают по напряженности поля в 2…3 раза таким же по длине штыревым антеннам с удлиняющей индуктивностью, эти антенны гораздо более нечувствительны к влиянию человека. Но все же они ещё используются, правда, в основном лишь в 2-х типах передатчиков.
Использование таких нерезонансных антенн оправдано лишь в простых игрушках, дальность связи с которыми не выше 50… 100 м. Для более эффективной связи необходимо использовать лишь резонансную антенну, хотя перед ней и необходимо ставить развязывающие каскады для простейших схем. Как показывает опыт, западные простые радиостанции, потребляющие большую мощность, чем отечественные «Колибри», но работающие на нерезонансные антенны, обеспечивают гораздо меньшую дальность связи.
Третий случай использования коротких нерезонансных антенн — это неправильное построение выходного каскада передатчика с его цепями согласования с антенной. В результате этого при подключении к нему нормальной резонансной антенны, будь то полноразмерная или укороченная, происходит его самовозбуждение. Хотя такие передатчики часто и имеют П-контур на выходе, его действие неэффективно.
8. Магнитные рамочные антенны переносных СВ-радиостанций
Магнитные рамочные антенны мне не встречались ни в одной из переносных СВ-радиостанций. Но это не значит, что их использование в данном типе радиостанций нецелесообразно. Мной были изготовлены магнитные рамочные антенны для диапазона 27 МГц с размерами, показанными на рис.14.
Антенна показала следующие результаты. Входное сопротивление — 75 Ом, с очень малой реактивностью. Полоса пропускания — 600 кГц. Антенна была выполнена из 2-хмиллиметрового изолированного медного провода типа ПЭЛ, воздушный конденсатор настройки был укреплен на стеклотекстолитовом основании. Антенна оказалась весьма малочувствительной к влиянию человека и противовесов. Поскольку такая антенна в основном излучает магнитную составляющую электромагнитной волны, ее нельзя строго сравнить по такому показателю как уровень напряженности поля со штыревой антенной, потому что последняя излучает в основном электрическую составляющую электромагнитной волны, и замеры для штыря следует проводить по электрической составляющей ЭМВ, а рамки — по магнитной составляющей ЭМВ. Две антенны, изображенные на рис.14, были подключены к радиостанциям типа «Колибри-М» и была испытана дальность связи по сравнению со штатной спиральной антенной. Оказалось, что при прочих равных условиях дальность связи при использовании магнитных антенн была не менее чем в 1,5 раза больше на открытой местности, и в 2…3 раз больше в условиях города. При этом в значительной степени сказывалась направленность магнитной антенны.
Радиолюбитель 8/96