Полуволновые антенны с резонаторным питанием

Радиолюбители широко используют для работы на УКВ полуволновую антенну с резонаторным питанием. Согласование высокого входного сопротивления полуволнового излучателя с относительно низким волновым сопротивлением коаксиального кабеля осуществляется с помощью четвертьволнового резонатора. Резонатор имеет высокое выходное сопротивление на своем конце, которое зависит от конструкции резонатора, и нагрузки на его конце. Вдоль резонатора сопротивление уменьшается по синусоидальному закону, от максимального на его конце, до нуля на дне резонатора. Это позволяет использовать для питания полуволновой антенны, подключенной к концу четвертьволнового резонатора коаксиальный кабель любого волнового сопротивления.

Четвертьволновый резонатор, обеспечивающий согласование полуволновой антенны с коаксиальным кабелем часто выполняется из двухпроводной линии. Такое построение упрощает конструкцию антенны и облегчает ее наладку. Полуволновая антенна с резонаторным питанием по своему виду напоминает латинскую букву «J». Вследствие этого в различной радиолюбительской литературе эту антенну часто называют «J-антенна».

Необходимо отметить, что «J» антенна появилась в мире в середине двадцатых годов двадцатого века. Первоначально она использовалась для работы на коротких волнах. Примерно до 50 годов, J-антенна еще использовалась в профессиональной радиосвязи. В наше время эта антенна используется только радиолюбителями. Радиолюбители разработали множество различных конструкций «J» антенны, которые могут быть использованы как для полевой работы, так и для стационарных антенн. В этой главе мы рассмотрим наиболее используемые радиолюбителями «J» антенны.

Простая J-антенна с непосредственным подключением коаксиального кабеля к четвертьволновому резонатору показана на рис. 1. Как известно, классическая J - антенна имеет длину излучающей части "А" равную L/2. Эта часть, представляет собой полуволновой вибратор. Входное сопротивление полуволнового вибратора с любого его конца высокое, и в зависимости от практической конструкции излучателя, может составить около тысячи ом в диапазоне 145 МГц. Для питания J-антенны используют подключение коаксиального кабеля к части четвертьволнового резонатора "В".

Это наиболее распространенный способ питания J-антенны. Он часто используется при построении стационарных J-антенн выполненных из толстого провода. На конце коаксиального кабеля должен быть установлен высокочастотный дроссель. Это необходимо для предотвращения излучения оплетки коаксиального кабеля, и для устранения влияния оплетки коаксиального кабеля на работу четвертьволнового резонатора.. Высокочастотный дроссель для диапазона 145 МГц может быть выполнен в виде катушки из коаксиального кабеля, содержащей 10 -15 витков, намотанных на каркасе диаметром 20-50 мм, как показано на рис. 2. В настоящее время радиолюбители предпочитают использовать в качестве высокочастотного дросселя 10-20 ферритовых колец, надетых на коаксиальный кабель в месте питания J-антенны, как это показано на рис. 3. Магнитная проницаемость этих ферритовых колец некритична.

Подключение коаксиального кабеля к антенне во время настройки можно довольно просто произвести с помощью “крокодилов” , как это показано на рис. 4, и найти оптимальные точки подключения коаксиального кабеля.

Но на самом деле не все так просто! Радиолюбители, которые выполняли J - антенны, знают, сколько труда и времени требует определение точки подключения коаксиального кабеля к резонатору. Кажется, что антенна уже настроена, и сдвиг точки подключения кабеля должен привести к улучшению КСВ антенны, а на практике происходит обратное!

Подключение коаксиального кабеля к четвертьволновому резонатору расстраивает последний относительно его первоначальной или расчетной частоты настройки. Это уменьшает эффективность работы "J"-антенны, приводит к увеличению КСВ в фидере питания. Для устранения этого явления необходимо проводить подстройку четвертьволнового резонатора в резонанс на окончательном этапе настройки антенны. На практике это вызывает определенные затруднения. В итоге, часто J –антенна имеет КСВ в фидере питания в пределах 1,5:1, хотя, при тщательной настройке этой антенной системы, реально достижим КСВ в фидере питания антенны 1,1:1.

На конце J - антенны, даже при мощности радиостанции 0,5 ватта, будет высокое напряжение, достаточное, чтобы вызвать ожог, поэтому необходимо принять меры по предотвращению случайного касания к концу антенны. Можно использовать J - антенны длиной кратной L/2, L, 1,5L, 2L. При экспериментальной проверке оказалось, что применение антенны длиной ? увеличивает силу сигнала по сравнению с полуволновой J-антенной на 1,5 дБ, а при использовании антенны длиной 1,5L сила сигнала выросла чуть более 2 дБ по сравнению с полуволновой антенной. В табл. 1 приведены длины вибратора для выполнения J- антенны длиной L/2, L, 1,5L, 2L.

J - антенна может работать на третьей гармонике, т.е. антенна, настроенная для работы в диапазоне 145 МГц будет работать на диапазоне 430 МГц. Это делает ее незаменимой при работе «cross band», например, через репитеры или радиолюбительский спутник.

На основе J-антенн можно строить направленные антенны. В этом случае рефлектор и директор размещают около J-антенны , как это показано на рис. 5 на традиционном для них расстоянии. В зависимости от длины полотна активной части J - антенны можно использовать полуволновые или волновые рефлектор и директор. Определение точек питания четвертьволнового резонатора для направленной J-антенны аналогично как для простой J-антенны. На конце коаксиального кабеля необходимо использовать высокочастотный дроссель.

При использовании переносной радиостанции из удаленных мест, той укороченной антенны, которая идет в комплекте с радиостанцией, часто недостаточно эффективной для работы. В этом случае совместно с радиостанцией будет успешно работать полуволновая антенна, которая не требует «земли» для своей работы и имеет усиление значительнее большее (до 10 дБ) по сравнению с короткой «резинкой». Полевая антенна, используемая совместно с переносной УКВ радиостанцией, должна легко устанавливаться, легко переноситься, не требовать дополнительной настройки в полевых условиях работы.

Такая J - антенна может быть выполнена из пластикового ленточного кабеля волновым сопротивлением 450 Ом. «Земля» четвертьволнового резонатора припаяна к «земле» антенного разъема. Подключение выхода передатчика сопротивлением 50 Ом к четвертьволновому резонатору выполнено на расстоянии 67 мм от «земли» разъема. Нерабочая жила из ленточного кабеля вытаскивается, в вершине кабеля делается отверстие, через которое привязывается леска. С помощью этой лески антенна может быть растянута в пространстве, подвешена к ветке, к карнизу и т.д. Схема переносной J - антенны из ленточного кабеля показана на рис. 6. При переноске J - антенна может быть свернута, и просто спрятана в карман.

J -антенна при изготовлении ее точно по размерам не требует наладки, и эффективно работает в УКВ диапазоне 145 МГц с низким КСВ. J - антенну возможно подключать к трансиверу через коаксиальный кабель волновым сопротивлением 50 Ом. Связь выхода передатчика с четвертьволновым резонатором в этой антенне комбинированная. Она осуществляется как через магнитное поле петли, так и через подключение к части резонатора.

При ее практическом выполнении антенны желательно использовать двухпроводную ленточную линию волновым сопротивлением 450 Ом. При использовании линии с другим волновым сопротивлением возможно придется изменить точку подключения петли связи к четвертьволновому резонатору. В настоящее время в специализированных магазинах можно приобрести двухпроводные линии передачи с любым стандартным волновым сопротивлением.

Для изготовления J -антенны можно использовать самодельную открытую линию. В этом случае соотношение между расстоянием относительно ее проводником и диаметром проводов, составляющих линию должно быть равно 20 (рис. 7). При использовании самодельной открытой линии без пластиковой изоляции длина четвертьволнового резонатора должна составлять 48 см.

Следует отметить, когда J -антенна выполняется из двухпроводной линии передачи в пластиковой изоляции, то четвертьволновый резонатор должен иметь длину L/4 с учетом коэффициента укорочения в линии, а вибратор должен иметь L/2 (L и т.д.) в свободном пространстве. Недопустимо оставлять вторую жилу кабеля свободной около основного полотна антенны, ее всегда необходимо удалять. В противном случае эффективность работы антенны уменьшится. Возможно параллельное соединение проводников линии J-антенны для выполнения вибратора как это показано на рис. 8. В этом случае полоса пропускания антенны немного расширится. Это упростит настройку антенны.

J-антенна на основе ленточного кабеля является одной из самых простых в выполнении и эксплуатации. Эта антенна позволят работать радиолюбителям из альтернативного QTH, при использовании переносных радиостанций.

Мной была выполнена экспериментальная J -антенна из алюминиевой фольги используемой для пищевых продуктов. Эта антенна показала себя эффективной в работе и несложной в настройке. Это позволяет рекомендовать к повторению конструкцию ленточной J – антенны. Описанию ленточной J – антенны будет посвящен следующий параграф.

Ленточная J -антенна была выполнена по размерам, приведенным на рис. 9. На широкую фольгу, предназначенную для приготовления пищи, заранее была наклеена липкая лента типа “Скотч”. Затем при помощи ножниц была вырезана антенна в соответствии с размерами, показанными на рис. 9. После этого полотно антенны было еще раз укреплено лентой типа “Скотч”.

Секция “А” этой антенны, длиной равной 1 метр, представляет собой излучатель антенны. Четвертьволновой резонатор, выполненный на секции "В", изначально был взят с резонансной частотой немного большей необходимой. Это было сделано для того, чтобы впоследствии была возможность осуществить его настройку с помощью емкостной пластины. Часть "С", длиной равной 1 метр, представляет собой "землю" ленточной J - антенны. Хотя, теоретически, J - антенна вполне может работать без части "С", следовательно, без "земли", но ее наличие улучшает работу антенны. Изменение длины части "С" в процессе настройки позволяет в небольших пределах регулировать значение КСВ и в конечном итоге достигнуть малого значения КСВ в фидере питания антенны.

Как известно, для точного выполнения частей антенны “А”, “В”, “С”, необходимо знать их коэффициент укорочения. Во всех книгах по антеннам, которые были у меня, коэффициент укорочения проводников антенны был приведен только для цилиндрического проводника. Ленточная антенна является плоской антенной, поэтому к ней неприменим коэффициент укорочения для цилиндрических антенн. Также зависит коэффициент укорочения проводников антенны от места расположения антенны, от влияния на нее посторонних проводящих предметов. Мной был принят коэффициент укорочения ленточной антенны первоначально равный 1. Поскольку ленточная антенна располагается в легко доступном месте, ее подстройка осуществляется очень просто, обрезанием части фольги вибратора. Следовательно, нет необходимости выполнять антенну точной длины с учетом коэффициента укорочения.

При определении точек питания ленточной J – антенны я сначала пытался идти традиционным путем ее настройки, подключая коаксиальный кабель к четвертьволновому резонатору с помощью широких "крокодилов". Но через некоторое время экспериментов четвертьволновой резонатор антенны был окончательно испорчен "крокодилами", которые действительно "покусали" фольгу. Стоит в связи с этим заметить, что большие проблемы составляет и пайка алюминиевой фольги, которая понадобилась бы впоследствии для подключения коаксиального кабеля к четвертьволновому резонатору.

Через некоторое время я оставил попытки непосредственного подключения коаксиального кабеля к резонатору и решил применить индуктивную связь коаксиального кабеля с резонатором. Действительно, во многих частотно - разделительных УКВ - фильтрах резонаторного типа, установленных в промышленных УКВ – ретрансляторах, используется индуктивная связь с резонаторами. Почему бы и для ленточной J -антенны не применить ее!

Мной был проведен ряд экспериментов по нахождению оптимальных размеров петли связи коаксиального кабеля с четвертьволновым резонатором. Описание их проведения заняло бы большой объем, поэтому я привожу на рис. 10 готовую конструкцию петли связи. На коаксиальный кабель были надеты 10 ферритовых колец, которые представляли собой высокочастотный дроссель. Этот дроссель препятствует изучению оплетки коаксиального кабеля. На практике это снижает КСВ в фидере антенны и облегчает согласование петли связи с четвертьволновым резонатором. Петля связи была закреплена внизу четвертьволнового согласующего резонатора, как показано на рис. 11.

J - антенна из фольги, выполненная согласно рис. 9, была наклеена на стену комнаты. Первоначальная настройка антенны заключается в определении длины излучающего вибратора (часть антенны “А”). Для этого измеряя КСВ в фидере антенны в месте подключения коаксиального кабеля к передатчику, и постепенно укорачивая вибратор антенны, добиваются минимального значения КСВ на частоте 145 МГц. Вибратор можно понемногу обрезать сверху острой бритвой, можно просто скатывать его верхний конец в рулон , как это показано на рис. 12. С помощью укорочения вибратора (часть антенны “А”) достигают первоначального минимума КСВ фидере антенны. Этот минимум КСВ может находиться лежать в пределах 2-3. Не нужно бояться этого высокого значения КСВ, нам необходимо достигнуть только его минимума.

Следующий этап настройки антенны - подстройка четвертьволнового резонатора в резонанс на частоту 145 МГц. С помощью кусочка фольги, наклеенного на скотч, как производят подстройку резонатора. Фольга играет роль настроечного конденсатора резонатора. Чем ближе к вибратору антенны этот кусочек фольги, тем большую емкость он вносит в резонатор, и тем ниже его частота настройки. Чем ближе к дну резонатора кусочек фольги, тем меньшую емкость он вносит в четвертьволновый резонатор, и тем выше его частота настройки. Реально, с помощью этого кусочка фольги можно менять частоту настройки резонатора в относительно широких пределах. На рис. 13 показан процесс настройки четвертьволнового резонатора.

Перемещением фольги вдоль резонатора, добиваются минимума значения КСВ в фидере антенны. Это довольно легкая подстройка антенны, она не вызывает затруднений. Кусочек фольги двигают с помощью длинной диэлектрической палки, на которую он первоначально прикреплен. Найдя точку положения настроечного кусочка фольги на резонаторе соответствующему минимальному значению КСВ в фидере, с помощью скотча приклеивают этот кусочек фольги на этом месте резонатора.

С помощью настройки четвертьволнового резонатора в резонанс, легко удается достигнуть снижения КСВ в фидере антенны от первоначального значения 2-3 до значения, лежащего в пределах 1,5. Затем, небольшим изгибанием уголков фольги, как показано на рис. 14, дальнейшим небольшим изменением длины вибратора антенны, и, изменением длины земляного вибратора "С", достигают дальнейшего снижения КСВ. В зависимости от желания и упорства радиолюбителя, легко можно достигнуть значения КСВ в фидере лежащем пределах 1,2:1. Может, для снижения КСВ придется немного изменить положение петли связи коаксиального кабеля с четвертьволновым резонатором, или немного изменить ее размеры. Но это возможно лишь в том случае, если есть желание достигнуть значения КСВ в кабеле практически близкого к 1:1.

После полной настройки антенны, длина части "А" была равна 85 см, длина части "С" была равна 87 см. Настроечный кусочек фольги располагался на расстоянии 23 см от дна четвертьволнового резонатора. КСВ антенны был 1,2:1, полоса работы антенны при увеличении КСВ до 1,6:1 составляла от 142 МГц до 146 МГц. Антенна обеспечивала превосходную работу, большую дальность связи по сравнению со штатной антенной УКВ радиостанции.

Ленточная антенна может быть заклеена обоями, в этом случае она будет полностью невидима постороннему наблюдателю. Для работы совместно с этой антенны петлю связи можно располагать в заранее обозначенном месте.

Антенна из фольги может располагаться на чердаке. Она там может быть просто подвешена за верхний конец вибратора. Антенна может быть использована и для работы в полевых условиях. В этом случае коаксиальный кабель может проходить вдоль "земляного" вибратора. Если фольга антенны с обоих сторон будет обклеена скотчем, то антенна будет представлять собой механически прочную, защищенную от погодных воздействий, конструкцию. В этом случае антенну можно использовать и под воздействием атмосферных условий. В этой конструкции J -антенны мной был использован коаксиальный кабель волновым сопротивлением 50 Ом.