Обзор мини-антенн последнего поколения
Почему мы пришли к этому?
Современные устои жизни в городе привели к тому, что радиолюбителям выход на кровлю для размещения своих антенн чаще всего заказан. И хотя кровля является частью недвижимости самого радиолюбителя, получается так, что отношение с соседями важнее увлечения. Словом жизнь в квартире, порой делают установку полноразмерной антенны совершенно невозможной. Тут уже не стоит мечтать о трёхэлементной Яги на 40 метров. А пока, суть да дело, приходиться ограничиться небольшими, невидимыми или малозаметными антеннами. Чему и посвящена эта статья. Более того, не секрет, что в последнее время индустриальные помехи от бытовых электроприборов буквально вытесняют городских радиолюбителей из диапазона 160 и 80 м. Конструкция антенны с магнитной рамкой малых размеров, позволит не только снизить эфирные помехи, но и отстраиваться от них методом пространственной селекции.
Среда радиолюбителей многогранна и изобретательна. Очень много классических антенн модифицировано пройдя их пытливые умы и руки. Не обошли стороной радиолюбители и магнитные антенны с периметром рамки около 0,1 λ. Переболели радиолюбители и ЕН-антенной. Закончились неуважительные выпады в адрес Т. Харта, гражданина США, и нашего соотечественника В. Кононова. Радиолюбители до сих пор обсуждают и экспериментируют как с магнитными антеннами, так и с емкостными антеннами. Казалось бы, что об этих антеннах уже давно всё известно, но жизнь вносит свои коррективы, а сложности проникновения на кровлю всё чаще заставляют радиолюбителя задумываться о мини-антеннах. Европа уже давно сидит на строгом лимите «кровельного голода», а потому там более популярны магнитные антенны, всевозможные «Изотроны» и Бипланы», а так же всевозможные их модификации. Все они размещены на балконах и подоконниках. Прозорливые умы российских радиолюбителей тоже не остались в стороне, они коснулись этой темы сравнительно недавно, но уже имеют достаточно широкий спектр их комбинаций и усовершенствования, которым можно откровенно позавидовать.
Неоспоримо, что классическую популярность завоевали одновитковые магнитные антенны с вакуумным конденсатором и петлей связи. Пожалуй одним из первых после Т. Харта, германский коротковолновик DP9IV с антенной установленной на окне такой рамкой, при мощности передатчика всего 5 Вт, в диапазоне 14 МГц провел QSO с многими странами Европы, а при мощности 50 Вт — и с другими континентами.
Именно эта антенна стала отправной точкой для проведения экспериментов российских радиолюбителей, см. Рис.1.
Сразу в начале этой статьи хочется определиться с типажами антенн. Несомненно, это внесёт ясность в принципе работ антенн разных типов. Лично я справедливо считаю, что все антенны нужно классифицировать по их полю излучения (приёма), а именно, магнитные рамки нужно называть антеннами Н-типа или Н-антеннами. Антенны с емкостными излучателями по типу Т. Хорта нужно называть антеннами Е-типа, или Е-антеннами. А диполь Герца и его производные совершенно справедливо называть ЕН-антенной.
Обзор российских новинок.
Известный коротковолновик и конструктор антенн UA6AGW, Александр Грачёв предложил для дачного варианта рамочную антенну с лучами, см. Рис.2. Где рамка является излучателем магнитной составляющей, а лучи выполняют роль излучателя электрической составляющей радиоволны. Это решение позволило увеличить эффективность магнитной антенны, но самое главное, позволило уменьшить высоту подвеса антенны за счёт формирования ЭМВ в ближней зоне. Последний фактор, несомненно, имеет большой выигрыш при дефиците мачтовых сооружений и назойливо любопытных соседей по даче.
Вместе с тем, Александр Васильевич отлично раскрыл в одной из своих публикаций теорию работы своей антенны. И после теоретических выкладок, кратко и лаконично сделал следующие выводы:
1. Рамка, находясь в зоне максимального тока проводимости, формирует магнитную составляющую электромагнитной волны.
2. Лучи, находясь в зоне максимального напряжения и тока смещения, формируют электрическую составляющую электромагнитной волны.
Прошу прощения у Александра Васильевича, за то, что вставил жирным шрифтом некоторые уточнения! Опираясь на лучи представленной им антенны, как на электрический излучатель он пишет, - …Такая, логически спроектированная нами антенна, уже разработана американским радиолюбителем Тедом Хартом (W5QJR), и названа им как "EH-антенна"….
И действительно, этот тип емкостных антенн, имея очень маленькие размеры относительно длины волны, оказались весьма работоспособными для антенн-лилипуток. Исследования их свойств и разработка новых конструкций антенн у нас в России успешно ведется Владимиром Кононовым (UA1ACO http://www.ehant.narod.ru ). UA9LBG только осмелился рассказать принцип работы емкостного излучателя с позиции классической теории. (http://news.cqham.ru/articles/detail.phtml?id=1067, http://www.qrz.ru/schemes/contribute/antenns/eh2/ ).
Перемещая в пространстве лучи относительно магнитной антенны, Грачёв заметил, что можно менять усиление антенны и диаграмму направленности и это неоспоримый факт, который неоспоримо подтверждает, что магнитное поле-Н перпендикулярно электрическому полю-Е радиоволны. Вместе с тем, если всё же обратить свой взор на антенну Т. Харта, мы придём к выводу, что она не совершенна ввиду отсутствия элемента магнитного излучения типа-Н. Уточняю, что большая часть ЕН-энергии излучения здесь приходится только на емкостные излучатели. То же можно сказать и о магнитных рамках, которые не имеют элемента излучения Е-поля. В связи свыше сказанным, мы видим, что антенна Грачёва (UA6AGW) объединяет в себе оба эти свойства. У конструкции Грачёва общая площадь излучателей увеличена вдвое, а КПД его возрастает за счет потерь на излучение, а не на нагрев среды, как это происходит в точечных излучателях типа-Е и типа-Н. Конечно, с тем же эффектом можно поднять эффективность антенны, если две однотипные конструкции будут работать в спарке и мы здесь имеем дело с увеличением апертуры антенны. По этому, можно с уверенностью сказать, что КПД антенны по типу Грачёва возрастает если, она излучает:
а) сразу двумя типами Е; Н-излучателей;
б) волна уже сформирована.
Что позволило:
а) повысить КПД антенны в целом;
б) снизить влияние земли и окружающих предметов, оказывающих на антенну.
Последнее свойство, позволило автору данной антенны (UA6AGW) разместить её на относительно низкой высоте.
На рисунке 3, наглядно показаны два классических излучателя разных полей, поля-Н и поля-Е.
Кроме того Александр Грачёв добился приемлемой полосы пропускания в пределах любительского диапазона магнитной антенны используя внутреннюю жилу кабеля в качестве второго колебательного контура. Ведь, как известно, расширение полосы пропускания всегда обусловлено двумя связанными контурами.
Дальше пошёл Грифко Яков Моисеевич, в своей антенне «Каракатица», где «вторичный» колебательный контур, настроенный в резонанс первым, он вывел наружу. Этим решением он повысил эффективность двух-рамочной антенны ещё больше и вместе с тем, расширил полосу пропускания согласно той же теории связанных контуров, см. Рис.4. Используя так называемые «усы» в этой антенне, он дал возможность излучать поля-Е и Н в фазе, уже в ближней зоне.
Желание создать экспериментальную компактную комнатную антенну, которую так же смело можно называть ЕН-антенной, при плотном сотрудничестве с Александром Грачёвым (UA6AGW),Сергей Тетюхин (R3PIN)сконструировал следующий шедевр, см. Рис.5.
Именно такой, невысоко бюджетный конструктив комнатного варианта ЕН-антенны может порадовать радиолюбителя-новосёла или дачника. Схема антенны включает в себя, как магнитный излучатель L1;L2, так и емкостной в виде телескопических «усов».
Этот конструктив ЕН-антенны радует своей эстетичностью и законченностью. Почему-то есть предчувствие, что её будут выпускать где-то в Китае, и продавать в Европе, обходя все правила приличия.
Особого внимания в этой конструкции(R3PIN)заслуживает резонансная система согласования фидера с антенной, которая ещё раз увеличивает добротность всей антенной системы и позволяет несколько поднять усиление антенны в целом. В качестве первичного контура совместно с «усами» как в конструкции Якова Моисеевича, здесь выступает оплётка кабеля полотна антенны. Длиной этих «усов» и положением их в пространстве, легко добиться резонанса и наиболее эффективной работы антенны в целом по индикатору тока в рамке. А обеспечение антенны индикаторным прибором позволяет считать этот вариант антенны вполне законченным конструктивом.
Подведение итогов.
Стоит отметить, что ни один из этих радиолюбителей не сделал попытки увеличить ток смещения не за счёт длинны емкостных излучателей, а за счёт увеличения их площади, как это сделал Тед Хард. То есть поделить мощности потерь на излучение, между Н-излучателем (магнитная рамка) и Е-излучателем (емкостной излучатель). Т.е. разгрузить среду вокруг антенны и не греть бесполезно резонансные конденсаторы. О токе смещения, как о равном в данной ситуации, незаслуженно забывают, либо просто умалчивают, а «усы» используют как простой настроечный элемент.
И кто знает, как может повлиять на эффективность антенны, если сравнять ток проводимости в рамке с током смещения в емкостных излучателях? Это как раз тот вопрос, который ещё не исследован и потребует от конструкторов мини-антенн новых изысканий!!! Так и хочется сказать, - друзья! - Вы сделали очень робкий шаг в создании такого шедевра, как ЕН-антенна, но не заявили об этом вслух всему миру!
(Берите пример с Т. Харта).
Где-то на страницах сайта «мир ЕН-антенн» я когда-то писал, что, - не удивлюсь, если в скором будущем ЕН-антенна Т.Харта обретёт магнитный излучатель. Сейчас я утверждаю, что это произошло и в скором будущем радиолюбители выявят в этой антенне оптимальное соотношения XL к XC, как к излучающим элементам.
Используя излучатель Теда Харта, нет, сознаемся честно, - элемент антенны Николы Тесла, мы увеличиваем ток смещения поля-Е. А доля тока, протекающего ранее бесполезно между обкладками закрытого конденсатора, теперь работает на излучение, что не в малой степени позитивно отражается на КПД антенны в целом. Это частично получилось у Сергея Тетюхина (R3PIN). Совсем не обязательно тянуть длинный луч, здесь достаточно увеличивать площадь Е-излучателя и менять его положение в пространстве.
Использование же лучей в антенне Грачёва с размерами почти в λ/2 как-то «давит жаба», особенно когда понимаешь, что для укороченной антенны легче сделать удлинительные катушки, чем громоздить большие рамки и паять переменные конденсаторы.
Проектируем комнатную ЕН-антенну для неутомимых
Обидевшись на лучи Грачёва, которые не влезут в квартиру, легко понять, что, заменив их на плоские и короткие излучатели, можно добиться почти такого же результата. Почему почти? Да потому, что апертура его антенны достаточна для сравнения её с полноразмерным диполем. И как бы мы не пыжились, все мини-антенны тратят часть своей энергии не только на излучение, но и на нагрев среды и элементов антенны. Тем не менее, задавшись целью усовершенствовать мини-антенну, можно пойти тремя путями:
- Первый из них, это оснастить емкостным излучателем резонансную (закрытую) ёмкость классической одновитковой магнитной антенны. Частично заставить работать на излучение резонансный конденсатор. Но этот вариант повторять уже не интересно, его осуществили UA6AGW, R3PIN и другие.
- Второй вариант, это оснастить антенну Т. Харта открытым многовитковым (7МГц и ниже) магнитным излучателем.
При реконструкции любой емкостной мини-антенны, прежде всего, стоит обратить внимание на то, что индуктивность резонансного контура в таких антеннах как «Изотрон», «Биплан», или как в антенне Т. Харта, максимальны. А ёмкости излучателей в таких антеннах минимальны, что неоспоримо повышает добротность контура антенны.
- Третий вариант, это сделать компромисс между первым и вторым вариантами. Сделать двух-витковую рамку с резонансными конденсаторами закрытого типа и одновременно с Хардовскими Е-излучателями.
В одновитковых магнитных антеннах добротности контура добиваются за счёт уменьшения активного сопротивления излучающей индуктивности, но резонансная ёмкость имеет относительно большие номиналы. И действительно, в магнитной рамке с периметром 0,1 λ протекают очень большие токи, которые требуют максимального уменьшения активного сопротивления магнитной рамки.
В результате этих соображений напрашивается вывод, что в мини-антеннах с Е и Н излучателями в низкочастотных диапазонах (1,5 - 10МГц), мы сможем реализовать эту идею, либо с ущербным многовитковым индуктивным излучателем, либо с одновитковой рамкой и с ущербным емкостным излучателем, где доля тока смещения больше приходится на закрытые ёмкости, а не на открытые «Лучи». И как упоминалось выше, можно прийти и к компромиссному третьему варианту.
Перед нами встала задача, реализовать и проверить работу многовитковой рамки совместно с емкостным излучателем, тем более, что у радиолюбителей-новосёлов многовитковые рамки часто участвуют в режиме передачи, и даже пользуются некоторой скромной популярностью.
1.Для удобства произведём расчёт при помощи электронного калькулятора ЕН-антенн Т. Харта http://www.ehant.qrz.ru/ehantenna_r.xls и возьмём в разработку частоту 3,5 МГц, как наиболее трудную. Диаметр провода примем 1мм. Результаты расчётов занесём в верхнюю строку таблицы серого цвета.
2.Далее. Используя ту же программу, рассчитаем параметры открытой катушки индуктивности 98,4мкГн с приемлемым диаметром 1,2 м для размещения на балконе или в квартире.
Примечание: Расчёты индуктивности автоматически корректируются программой с учётом межвитковой и монтажной ёмкостей. По этому, значения индуктивности здесь кажутся вдвое меньше. Кроме того индуктивность катушек большого диметра в значительной степени зависит от её геометрической формы, квадратная она или круглая.
После несложных расчётов, мы проводим анализ, что с увеличением диаметра магнитной рамки, уменьшается количество витков, но длина провода незначительно увеличивается. Хочется отметить, что эта длина слегка превышает 0,25 λ. При уменьшении расстояния между витками до 20-10мм, число витков уменьшается вместе с длиной провода. Плохо это или хорошо, могут подсказать достаточно сложные расчёты противофазного направления токов в близко расположенных витках рамки и практические изыскания. С полной уверенностью можно сказать, что одновитковая рамка всегда работает лучше, чем многовитковая. Но в нашем случае многовитковый вариант с некоторым ущербом для КПД антенны позволяет использовать тонкий провод (1-2мм), так как сопротивление излучения такой антенны имеет достаточно большое значение. И это не маловажный факт для строительства малобюджетной комнатной антенны в смысле расхода дорогостоящей меди.
Вывод: Решение, использовать в низкочастотных КВ диапазонах магнитный излучатель в многовитковом варианте с использованием емкостных излучателей, вполне приемлемо. Ещё раз хочется подсказать приверженцам классических антенн Г. Герца, что это не панацея, а всего лишь эксперименты с мини-антеннами ЕН-излучения. Здесь апертура антенны очень мала, а потому часть энергии передатчика уходит на нагрев среды и элементов антенны, а введением в конструктив мини-антенн новых элементов излучения, позволяет «выцарапывать» из них как можно больше потерь на излучение. Ни о каком сравнении с 3-х элементной Яги или полноразмерным вертикалом со 100 противовесами, которые вряд ли занимают достойное место на кровле вашего дома, речи не ведётся.
Магнитный излучатель.
Любой элемент антенны имеет свою добротность, и чем она выше, тем больше КПД антенны в целом. Мы понимаем, что мы имеем дело с током проводимости с учётом скин-эффекта, а потому учитываем активное сопротивление провода катушки индуктивности. Диаметр медного провода 1мм при его длине в 25-27 метров составит около 0,57 Ом, провод диаметром 2мм составит уже 0,15 Ом, диаметром 3мм, - соответственно 0,07 Ом. Добротность катушки индуктивности 2-х мм провода по отношению к проводу 1мм увеличится почти в 3,8 раза, а провода диаметром 3 мм, в 8 раз! Так, что приведённые цифры помогут радиолюбителю в принятии оптимального решения при проектировании своей домашней мини-антенны (смотрим в свой кошелёк).
Здесь следует так же учесть и тот фактор, что индуктивность катушки в форме квадрата, меньше катушки индуктивности круглой формы в 1,5 и более раз, а проводнику из мягкой меди диаметром даже 3 мм трудно будет удерживать форму круга диаметром 1 метр и более. По этому, не плохим техническим решением будет изготовление катушки индуктивности квадратной формы. Использование биметаллического провода диаметром 4мм с медным покрытием будет наилучшим вариантом в такой антенне. Такой провод отлично держит форму круга. Скин-эффект на низкочастотном участке КВ диапазона вполне позволяет использовать такой выгодный материал. Для такой катушки достаточно 8 точек опоры и фиксации расстояния между двумя витками катушки индуктивности.
Излучатель электрического поля.
По сути это открытый конденсатор с воздушным диэлектриком и током смещения, а потому может быть рассчитан как обычный конденсатор с воздушным диэлектриком по простой формуле:
С= ЕS/d =(пФ), где:
S – площадь поверхности одной пластины(см).
d – расстояние между пластинами (см).
E -диэлектрическая проницаемость воздуха численно равна 1.
Для справки: Пробивное напряжение сухого воздуха имеет электрическую прочность около 30 кВ/см.
Теперь нам легко реализовать емкость колебательного контура в пределах 9-18пФ. А сделать его регулируемым необходимо, т.к. могут возникнуть неточности в расчётах, а так же неточности монтажа. Первоначально необходимо рассчитывать емкость так, что бы диаметр емкостных излучателей будет равняться расстоянию между пластин. Открытая ёмкость может иметь форму дисков, конусов, квадратов и просто веером расположенных жёстких медных проводников как в широкополосных УКВ антеннах.
Что касаемо паразитных емкостей от монтажа конструкции радиолюбителя, то они должны быть минимальными, а изоляционные свойства применяемых материалов не должны вызывать вопросов.
Конструктив ЕН-антенны:
В принципе, электрическая схема колебательного контура антенны может остаться той же, что и у антенны Теда Харта, - с непосредственной связью. Но можно сделать и катушку связи. Если антенна будет располагаться на открытом воздухе, то следует предпринять меры изоляции от влаги всех соединений и промежутка между пластинами емкостного излучателя, а рамка магнитного излучателя должна иметь гальваническую связь с оплёткой кабеля. Которая в свою очередь должна заземляться воизбежании статических разрядов. В комнатном варианте это не обязательно.
Вырисовывается следующая конструкция, см. Рис.6.
Если уж мы заикались об увеличении площади излучающих элементов, не стоит забывать о пользе вторичного контура, который поможет не только расширить полосу пропускания, но и увеличит эффективность всей антенны в целом. Совсем не обязательно заботиться о питании вторичного контура антенны, главное, чтобы они были пространственно параллельны. Расстояние между ними необходимо выбрать компромиссным, выбирая между эффективностью и полосой пропускания. Здесь существуют такие понятия как минимальная, максимальная и критическая связь.
Настройка: Настройка так называемой ЕН-антенны, названной которой вполне справедливо, т.к. в ней присутствуют сосредоточенные элементы излучения магнитного и электрического полей, начинается с настройки резонанса. Если резонанс оказался недалеко от заданного, нужно попробовать добиться его изменением расстояния между емкостными излучателями, помня, что расстояние между ними должно быть примерно равно их диаметру. Изменение количества витков и изменением расстояния между ними, очень сильно влияет на резонанс антенны. Согласование с фидером осуществляется подбором отвода от катушки индуктивности. Уточнение резонанса можно производить небольшим изменением расстояния между емкостными излучателями. Не плохо, если в конструкцию домашней антенны ввести индикатор тока, как это сделано в конструкции ЕН-антенны Сергея Тетюхина (R3PIN).
В данной статье умышленно не приводятся размеры антенны на тот или другой диапазон частот, оставляя радиолюбителю удовлетворение сознанием новаторства и самовыражения.
Симметрия рамки и устранение антенного эффекта в фидере: Не стоит увлекаться ферритовыми заглушками на фидере питания антенны в непосредственной близости от неё. Это касается любых мини-антенн. Лучше, если ферритовые заглушки устанавливать не ближе 1,5-2 метра от излучателя. Феррит, это чёрная дыра для излучаемой радиоволны любого точечного излучателя, где сосредоточено огромное ЕН-поле. Близкое расположение феррита, уменьшает эффективность мини-антенны в µ/100 раз, а все попытки сделать антенну как можно эффективнее становятся напрасными. Самым разумным решением будет использование кольцевой заглушки сделанной из самого фидера питания, это 10-15 витков фидера питания антенны диаметром 20-25см на расстоянии в 0,5 -1,5 метра от магнитного излучателя. Повторить её буквально через пару метров. (Сметная стоимость феррит/ фидер примерно одинаковы).
Предложенный конструктив домашней мини-антенны может быть другим, а потому может быть выполнен радиолюбителем по своему усмотрению с обязательной публикацией в Интернете, как говорится Бог в помощь друзья, паяльник в руки…!!! При проектировании своей антенны главное помнить, что плоскость рамки должна соответствовать плоскости излучателей Е-поля.
Безопасность.
Напоминаю, что при большой подводимой мощности к мини-антенне и нахождении её рядом с радиооператором, мощная электромагнитная волна отрицательно влияет на его мозг…, простите, на его детородные органы и на собственных детей. По этому, больше 10 Вт в QRP экспериментах лучше не использовать.
Подводя итоги по представленным выше конструкциям, невольно напрашивается вывод, что российские радиолюбители в области освоения мини-антенн экспериментального класса, продвинулись значительно. А достигнутые результаты позволяют развиваться ещё дальше. Гонимые ЕН-антенны оказали неоценимую услугу в деле продвижения новаторских разработок даже для тех радиолюбителей, которые яростно отрицали возможность существования емкостных излучателей. (Здесь в своё время сработал Российский менталитет неприязни статьи Т. Харта больше рекламного характера, чем технического). Но ведь это классическая теория радиоволн и элементов излучения. Об этом надо всегда помнить и не отрицать то, чего не успел в своё время выучить и понять в ВУЗе!
73! Сушко Сергей.
(еx.UA9LBG)