Антенны вертикальной поляризации  EW8AU

 

            С учетом интересов радиолюбителей к антеннам с вертикальной поляризацией возникает необходимость в пояснении тех особенностей, которыми отличаются антенны одной поляризации от другой. Здесь в первую очередь надо отметить влияние земли на диаграммы направленности антенн, способы питания (особенно несимметричных) коаксиальным кабелем. И главная проблема, затекание тока на фидер питания и мачту. Антенные устройства по способу питания подразделяются на симметричные и несимметричные. Симметричные антенны, как правило, применяются в качестве антенн горизонтальной поляризации. Объясняется это тем обстоятельством, что влияние поверхности земли сказывается равным образом на левом и правом плечах антенны и не нарушают ее симметрии. Использование симметричных антенн в качестве антенны с вертикальной поляризацией вызывает некоторые принципиальные трудности. Здесь уже нижнее и верхние плечи антенны неравнозначны размещены относительно земли и земля “вносит “ в нее асимметрию. Степень асимметрии будет тем значительнее, чем ближе к земле (в длинах волн) будет расположен электрический центр антенны. Нарушение симметрии приводит к так называемому антенному эффекту фидера и мачты на которой установлена антенна. Фидер и мачта становятся излучающей частью антенны, а так как это излучение носит случайный, нецеленаправленный характер, то в большинстве случаев оно ведет к снижению коэффициента полезного действия антенны, искажению ее диаграмм направленности и, как следствие, уменьшению коэффициента усиления.

 При работе антенны на прием - дополнительный уровень местных индустриальных помех. При работе на передачу помехи телевидению и другой бытовой техники. У несимметричных антенн антенный эффект фидера и мачты присутствует всегда и можно говорить лишь о степени его проявления. Последняя в основном определяется формой и размерами противовеса, который на практике подчас имеет самые разнообразные конструкции. Для ослабления этого эффекта дополнительно по длине мачты устанавливаются четвертьволновые запирающие стаканы, количество которых подбирается в зависимости от предъявленных требований к электромагнитной совместимости аппаратуры. Все основные характеристики и параметры несимметричной антенны определяются и потенциальной, и противовесной частями антенны. Возможны различные варианты совокупного использования одних и тех же штырей и противовесов. Входное сопротивление противовесов надо иметь возможно меньшим для того, чтобы противовесы шунтировали входное сопротивление оболочки и мачты. Последнее условие выполняется наиболее оптимально, когда длина противовеса приблизительно равна четверти рабочей длины волны. В этом случае модуль входного сопротивления противовеса становится минимальным. Чтобы противовесы работали в заданной полосе частот, они должны быть выполнены неодинаковыми по длине, чтобы на любой частоте рабочего диапазона нашелся бы противовес, длина которого была бы близка к четверти волны. Фидер питания антенны прокладывают внутри мачты. У несимметричных заземленных антенн антенный эффект мачты влияет на диаграмму направленности и на импеданс антенны.

В диапазоне  УКВ  очень часто применяется полуволновой вибратор с                            J – согласованием. Рассмотрим практическую конструкцию антенны для диапазона 144 – 146 мегагерц. При разработке преследовались следующие цели:

1.     Обеспечить хорошее согласование в полосе частот радиолюбительского диапазона.

2.     Ослабить антенный эффект фидера и мачты.

3.     Максимально прижать диаграмму направленности к горизонту.

Конструкция и детали.

            Полотно антенны и трансформатор J – согласования выполнены из тонкостенной латунной трубы диаметром 16 мм. Толщина стенки трубы 1,0 мм. Основание к которому припаян вибратор и трансформатор, из латунной пластины толщиной 5 мм. Труба ниже основания Æ 20 мм, для придания механической прочности всей конструкции. На этой трубе ниже основания закреплен четвертьволновый запирающий стакан выполненный таким образом, что совместно с ниже расположенным противовесом образуют еще один пассивный элемент, предотвращающий затекания тока на мачту и сужающий диаграмму направленности антенны. Основание стакана из латуни круг Æ 60 мм, толщиной 14 мм. В основании стакана по кругу просверлены четыре отверстия в которые впрессованы и запаяны четыре штыря из биметалла Æ 4 мм. Два штыря длиной 505 мм, и два штыря длиной 510 мм. В верху и посередине стакана установлены два изолятора из фторопласта. Расстояние от основания трансформатора до верха стакана » 30 мм. Ниже запирающего стакана расположен противовес, который состоит из трех лучей изготовленных из биметаллической проволоки Æ 4 мм, имеющих угол по отношению к мачте 45 °, длина  лучей 510 мм, 514 мм, 517 мм.

Длина трубы трансформатора J – согласования 535 мм от верха до основания.

            Длина вибратора от верхней точки антенны до основания 1455 мм. Осевое расстояние между трансформатором и вибратором 44 мм. Внизу трансформатора установлен подвижный короткозамыкатель, на расстоянии 14 мм от верхней плоскости основания до середины короткозамыкателя. На другом конце основания закреплен корректирующий штырь, выполненный из латунной трубки  Æ 8 мм и длиной 517 мм от основания до верха штыря. Корректирующий штырь находится на расстоянии 72 мм от вибратора (расстояние между центрами). Корректирующий штырь влияет на диаграмму направленности антенны и прижимает ее к горизонту под углом 0-4 °. Верх трансформатора, вибратор и корректирующий штырь фиксируются фторопластовой пластиной. Точки подключения коаксиального кабеля находятся на расстоянии 82 мм от основания.

            Кабель питания проходит внутри трубы мачты и крепится к вибратору и трансформатору двумя подвижными хомутиками из латуни. В точках подключения питания, в трубе трансформатора и в трубе вибратора, сделаны продольные отверстия в виде пазов. Ширина паза 5 мм, длина 20 мм, для корректировки точки питания при настройке. Трансформатор критичен к настройке, поэтому его надо сделать на 20 мм короче, вставить в него разрезанную вдоль (с одной стороны) латунную трубку Æ 14 мм, длиной 35 мм, для точной настройки на среднюю частоту диапазона.

Для компенсации реактивности и расширения полосы пропускания антенны, к трансформатору в точках питания, параллельно фидеру подключен четвертьволновый короткозамкнутый шлейф. Внутри трубы трансформатора, от точки питания до верха расположен проводник Æ 4 мм, образующий с трубой трансформатора коаксиальную линию с волновым сопротивлением » 50 Ом, закороченную на конце. Расстояние от точки питания до верха трубы трансформатора  » 433 мм,  чтобы уложиться в этот размер заполним коаксиал диэлектриком, полиэтиленом или фторопластом. С учетом коэффициента укорочения, длина четвертьволнового отрезка коаксиальной линии для частоты 145 мГц будет равна,  340 мм при заполнении полиэтиленом, или 367 мм при заполнении фторопластом. В конкретном случае был использован фторопласт. В трубу вставлены фторопластовые втулки, общая длина фторопластовых втулок  350 мм. Это чуть меньше четверти длины волны, но у нас еще до верха трубы остается » 70 мм, не заполненной диэлектриком линии. В этом месте устанавливается латунная втулка, выполняющая роль подвижного короткозамыкателя. Диаметр втулки 14 мм, длина 14 мм, отверстие для центральной жилы коаксиала Æ 4 мм по длине втулки просверлены еще два отверстия, под резьбу  М3, через одно отверстие втулка винтом фиксируется к центральной жиле коаксиала, второе отверстие для фиксации втулки с трубой трансформатора. В том месте, где размещен короткозамыкатель, в трубе трансформатора сделан продольный паз шириной 3 мм и длиной 50 мм. Таким образом мы имеем возможность в небольших пределах изменять электрическую длину короткозамкнутого шлейфа, что и требуется для настройки.

            Рассмотрим подробнее работу компенсирующего четвертьволнового короткозамкнутого шлейфа, который может быть применен не только в данной конструкции, но и в любых других антеннах, где требуется коррекция реактивности и расширение полосы пропускания. Наиболее часто для трансформации сопротивлений применяют четвертьволновые отрезки линий, позволяющие осуществить согласование активных нагрузок в узком диапазоне частот. Если попытаться скорректировать таким трансформатором и реактивность (то есть немного укоротить или удлинить его от четверти волны)  то это приведет к еще большему сужению полосы пропускания трансформатора. Для расширения полосы пропускания применяются многоступенчатые трансформаторы и компенсирующие шлейфы. Рассмотрим возможность расширения полосы пропускания четвертьволнового трансформатора с помощью короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа. Входное сопротивление четвертьволнового трансформатора чисто активно и равняется волновому сопротивлению питающей линии. При расстройке частоты на входе трансформатора появляется реактивная составляющая сопротивления, скомпенсировать которую можно введением реактивности противоположного знака. В качестве компенсирующего устройства широкое применение находит короткозамкнутый отрезок линии с длиной равной четверти длины средней волны диапазона. Остановимся на принципе действия устройства обеспечивающего широкополосное согласование. Четвертьволновый короткозамкнутый шлейф Рис.1, включенный в линию параллельно трансформатору, на средней волне диапазона имеет бесконечно большое входное сопротивление и поэтому не вносит никаких изменений в режим трансформатора.

 

 

 

                                                                  Рисунок 1                                                          Рисунок 2

 

 

            При изменении частоты реактивное сопротивление шлейфа оказывается противоположным по характеру входному сопротивлению трансформатора, что и обеспечивает согласование в достаточно широкой полосе частот. Конструктивно целесообразно сделать шлейф и трансформатор из линии одинакового волнового сопротивления. На Рис.2 показана конструктивное оформление коаксиального широкополосного трансформатора с короткозамкнутым компенсирующим шлейфом.

            В нашем случае четвертьволновый компенсирующий шлейф включен по схеме Рис.3.

 

 

 

 

Рисунок 3

 

Кабель РК-50 входит в трубу вибратора, в точках питания оплетка кабеля припаивается к подвижному хомутику на вибраторе, центральная жила запаивается на хомутик трансформатора. Жила компенсирующего шлейфа выходит через изолятор в трансформаторе и запаивается на оплетку кабеля питания.

            Настройка антенны производится с помощью полуволнового повторителя.

            Предварительная настройка антенны производится без подключения компенсирующего шлейфа. Устанавливаем короткозамыкатель внизу трансформатора  J-согласования на 18 мм, от верхней поверхности основания до верхней поверхности короткозамыкателя. На двух трубах хомутики с припаянным к ним кабелем питания устанавливаем на расстоянии 82 мм, от верхней поверхности основания до середины хомутика. Ширина хомутика 11 мм. Перемещая верхнюю вставку трансформатора устанавливаем размер 531 мм, от верхней поверхности основания до верха вставки. Высота корректирующего штыря 517 мм. Настройка производится при помощи высокочастотного моста или при помощи КСВ – метра.

Перемещая в небольших пределах хомутики с РК – кабелем по трансформатору вверх или вниз находим минимум КСВ в диапазоне. Следующая операция корректировка установки короткозамыкателя. Операцию повторить несколько раз. Если минимальное КСВ оказалась на краю диапазона (в верху или в низу)  подстроить трансформатор перемещая верхнюю вставку. При КСВ 1,2 – 1,4 подключаем компенсирующий шлейф. Изменяя длину шлейфа короткозамыкатлем смотрим КСВ в диапазоне частот 143-147 мГц. КСВ по краям диапазона на частотах 143 и 147 мГц не должно превышать 1,2. Естественно, что в рабочем диапазоне 144-146 мГц КСВ будет стремиться к единице. После настройки все подвижные элементы запаять и закрасить краской. Основные несущие детали антенны спаяны газопламенной пайкой припоем МЦФЖ или ПСР-40, остальное запаять припоем ПОС.

В точках питания, кабель и центральный проводник шлейфа закрывается дополнительной полой перемычкой из фторопласта, защищающий узел питания от попадания атмосферных осадков рис.4. Для того, чтобы показать на фотографии узел питания, защитную перемычку не установили.

 

 

Рисунок 4

 

Антенна покрашена органосиликатной краской ОС12-03. Краска достаточно радиопрозрачна до частоты 1 ГГц, гарантийный срок покрытия 12 лет.

Антенна настраивалась при помощи самодельного высокочастотного моста. Проверка параметров настройки проверялась прибором РЧ-37 – измеритель комплексных коэффициентов передач. Диаграммы направленности снималась стендом СТ14/4.

Проверка показала возможность настройки таких антенн в домашних условиях простыми приборами.

 

 

 

Владимир Приходько                                EW8AU