МИР ЕН-Антенн


Сайт, посвященный ЕН-Антеннам. Статьи. Описания. Конструкции. Эксперименты. Результаты испытаний.

Этот эксперимент готовился и проводился долго, почти год. Потребовалось большое количество материалов, ожидание хорошей погоды (антенны были без кожухов), транспорт для выезда в поле и т.д. Сказать, что результаты удивили - наверное нет, а вот то, что появилось больше вопросов, чем ответов - это да. Тем не менее, на мой взгляд, любое дополнительное испытание вносит свой вклад в "копилку" знаний об ЕН антеннах.

Сравнение ЕН антенн на 7 МГц с разной геометрией и Диполя
Кононов Владимир ( UA1ACO )
г. Санкт-Петербург

Все началось в прошлом году летом, хотя идея сделать несколько ЕН антенн на одну и ту же частоту, но с разной геометрией, появилась давно. До сих пор не ясно какого же размера ЕН антенны оптимальны. Конечно понятно, что проведение такого эксперимента требует затрат времени на изготовление большого количества ЕН антенн, их настройки, предварительных измерений и т.д. Кроме того возникла и параллельная идея проверки, как будут работать ЕН антенны, изготовленные из различных материалов (медь, алюминий), а также выяснить зависимость геометрии на соотношение сигнал/шум.

Решено было провести испытания и изготовить ЕН антенны на частоту 7 МГц (любительский диапазон 40 метров). Такое решение было принято потому, что для этих частот имелась аппаратная база (трансиверы "ICOM-7000" и "Yaesu FT-817"), антенны получались не такими громоздкими или супермаленькими, с которыми трудно работать, а также имелась возможность провести испытания в полевых условиях (см. заставку к статье), не опасаясь переизлучения и искажения результатов.

Цель эксперимента выяснить:

Насколько оптимальны размеры ЕН антенн, используемых в настоящее время?
Как влияют размеры ЕН антенн в режиме излучения?
Как влияют размеры ЕН антенн в режиме приема (соотношение сигнал/шум)?
Как влияют используемые при изготовлении ЕН антенн материалы, на эффективность ЕН антенн?
Получить сравнительные результаты с Диполем, в режиме приема и передачи.

Таким образом, все материалы были приобретены, антенны изготовлены, аппаратура подготовлена, транспорт зарезервирован... единственное, что не удалось сделать, так это менять погоду в нужное время :), так как все изготовленные антенны были сделаны без кожухов (специально для этого эксперимента) и при влажной или дождливой погоде проводить эксперименты было нельзя из-за чего он откладывался много раз. После проведения первого и второго экспериментов началась зима... и все затянулось почти на год.
Таким образом, всего было проведено 5 экспериментов со всеми антеннами в разных местах и в разное время года.
Что же мы имеем для проведения экспериментов?
Было изготовлено 11 антенн на диапазон 40 метров (7 МГц):

Классический Диполь на диапазон 40 метров (длина ~20 метров).
ЕН антенна из меди с соотношением 6/1 длины цилиндров и диаметром 110 мм. (ЕН 110-6М)
ЕН антенна из меди с соотношением 12/1 длины цилиндров и диаметром 50 мм. (ЕН 50-12М)
ЕН антенна из алюминия с соотношением 12/1 длины цилиндров и диаметром 50 мм. (ЕН 50-12А)
ЕН антенна из меди с соотношением 1/1 длины цилиндров и диаметром 110 мм. (ЕН 110-1М)
ЕН антенна из алюминия с соотношением 1/1 длины цилиндров и диаметром 110 мм. (ЕН 110-1А)
ЕН антенна из меди с соотношением 6/1 длины цилиндров и диаметром 50 мм. (ЕН 50-6М)
ЕН антенна из меди с соотношением 1/1 длины цилиндров и диаметром 50 мм. (ЕН 50-1М)
ЕН антенна из алюминия с соотношением 1/1 длины цилиндров и диаметром 50 мм. (ЕН 50-1А)
ЕН антенна из меди с соотношением 6/1 длины цилиндров и диаметром 20 мм. (ЕН 20-6М)
Т-образная антенна из меди (аналог "антенны из гвоздей", но с большими цилиндрами) и с вариометром. (Т-образная)

* (после обозначения ЕН, первое число указывает диаметр цилиндра, второе - соотношение длина/диаметр, последняя буква указывает на материал: М - медь, А - алюминий)

Внешний вид всех антенн, можно увидеть на рисунке Рис. 1

Рис. 1 Внешний вид ЕН антенн на диапазон 7 МГц
(самые маленькие антенны размером 20х400 мм. и 50х300 мм., самая большая 110х1600 мм.)

Первый этап (подготовка)
После изготовления антенн, были сняты характеристики с каждой антенны. Чтобы не занимать место иллюстрациями на этой странице, все характеристики антенн с их фотографиями, сведены на одну страницу ЗДЕСЬ. КСВ всех антенн не более 1,3
Для подьема антенн над землей, было изговлено три разборных деревянных мачты высотой по 8 метров. Кроме того, для подключения антенн к трансиверу, использовался фильтр-пробка (из ферритовых цилиндров) см. Рис. 2, включаемый сразу же после антенны, в разрыв питающего кабеля.

* Хочется еще заметить, что при проведении первых двух экспериментов, специально измерялось излучение питающего кабеля с помощью Индикатора Поля (после фильтра-пробки). Индикатором поля вблизи кабеля (непосредственно на поверхности) измерялась напряженность... она составила уровень в пределах 2-5% от уровня вблизи антенны (с Диполем, уровень был примерно такой же, по сравнению с уровнем поля на концах Диполя).

Рис. 2 Фильтр-пробка, включаемый после антенны, в разрыв кабеля.

В качестве питающего кабеля, был взят 50-омный кабель "RG-58-mil" (коэффициент укорочения 0,66) длиной в половину волны (для диапазона 40 метров), т.е. 13,98 метра.

Второй этап (измерение)
На передающей стороне использовался трансивер "Yaesu FT-817" с мощностью около 2 ватт (при питании от внешнего аккумулятора, напряжением 12 вольт).
Кабель подключался к антенне, установленной на мачте, а остаток кабеля лежал на земле.
На приемной стороне использовались два трансивера "ICOM-7000" с выключенной АРУ, в режиме LSB с полосой пропускания 2,7 КГц. Информация с трансиверов снималась и записывалась на ноутбуке "HP-6000nc" с помощью программы "Spectran" и по второму каналу на цифровой "магнитофон" (программа "Advanced MP3 WMA Recorder"), Рис.7 В качестве приемной антенны использовался отрезок провода, произвольной длины (около 5-6 метров под углом 40 градусов к земле), а при проведении экспериментов для измерения сигнал/шум - весь набор ЕН антенн и Диполь (Рис. 5). Вся аппаратура была смонтирована в виде стойки (Рис. 4) и перевозилась на микроавтобусе.
Аппаратура и на приемной и на передающей стороне питалась от автономных источников питания (аккумуляторы), с развязкой фильтрами по питанию. см. Рис. 3 ; Рис. 4 и Рис. 5
Расстояние между приемной и передающей позициями составляло около 3000 метров (т.е.75 длин волн).

Рис. 3 Передающая позиция.

Рис. 4 Приемная позиция.

Рис. 5 Приемная позиция, антенны.

При смене антенн на передающецй стороне, показания на приемной стороне записывались в файл и далее результаты (усредненные результаты 5-и повторенных экспериментов, в разных местах) были сведены в таблицу Табл.1
Пример скриншота с экрана ноутбука, при регистрации принимаемого сигнала, на рисунке Рис. 6 и Рис. 7

Рис.6 Пример принимаемого сигнала. Программа "Spectran"
(скриншот с экрана ноутбука, антенна Диполь).

Рис.7 Программа "Advanced MP3 WMA Recorder".
(цифровой магнитофон)

Третий этап (обработка результатов, по уровню сигналов):
Естественно, как и везде, сравнение уровней сигналов проводится по отношению к классическому Диполю.

Табл. 1 (усредненные результаты 5-и повторенных экспериментов)

Дальняя зона (75 длин волн - 3км.)
Наименование антенны	Уровень сигнала (dB) при уровне шума -90 dB	Уровень сигнала в сравнении с Диполем (dB)
1	2	3
Диполь (20 метров)	-37 dB	0 dB
ЕН 110-6М	-35,5 dB	+1,5 dB
ЕН 50-12М	-37,5 dB	-0,5 dB
ЕН 50-12А	-37,4 dB	-0,4 dB
ЕН 110-1М	-36,7 dB	+0,3 dB
ЕН 110-1А	-37,6 dB	-0,6 dB
ЕН 50-6М	-36,5 dB	+0,5 dB
ЕН 50-1М	-36 dB	+1,0 dB
ЕН 50-1А	-37,5 dB	+0,5 dB
ЕН 20-6М	-36,5 dB	+0,5 dB
Т-образная (0 град.) по 4-м экспериментам	-48,1 dB	-11,1 dB
Т-образная (90 град.) по 4-м экспериментам	-48,2 dB	-11,2 dB

Четвертый этап (измерение соотношения сигнал/шум):
На этом этапе, на приемной стороне менялись антенны и измерялся уровень шума (при подключенной антенне) без сигнала и далее измерялся уровень сигнала. На передающей стороне использовался трансивер "Yaesu FT-817" с мощностью около 2 ватт и наклонный луч (около 40 градусов). Усредненные результаты измерений (всех 5-и экспериментов) сведены в таблицу Табл. 2

Табл. 2 Усредненные результаты измерений сигнал/шум по 5-и независимым экспериментам.

Наименование антенны	Уровень шума (dB)	Уровень сигнала (dB)	Разница сигнал/шум	Разница в сравнении с Диполем (dB)
1	2	3	4	5
Диполь (20 метров)	-87 dB	-65 dB	+22 dB	0 dB
ЕН 110-6М	-89 dB	-65 dB	+24 dB	+4 dB
ЕН 50-12М	-85 dB	-67 dB	+18 dB	-4 dB
ЕН 50-12А	-85,5 dB	-67 dB	+18,5 dB	-3,5 dB
ЕН 110-1М	-89 dB	-64,5 dB	+24,5 dB	+2,5 dB
ЕН 110-1А	-90 dB	-66 dB	+24 dB	+2 dB
ЕН 50-6М	-84 dB	-60,5 dB	+23,5 dB	+1,5 dB
ЕН 50-1М	-84 dB	-66 dB	+18 dB	-4 dB
ЕН 50-1А	-83 dB	-64 dB	+19 dB	-3 dB
ЕН 20-6М	-90 dB	-64 dB	+26 dB	+4 dB
Т-образная по 4-м экспериментам	-88 dB	-78 dB	+10 dB	-12 dB

Сравнение результатов измерений проводится по отношению к классическому Диполю.

Пятый этап (выводы):
И так, все эксперименты, так долго продолжавшиеся, наконец закончились. Не выдержала всех экспериментов Т-образная антенна и сломалась на последнем эксперименте... ну что же, она оказалась самым "слабым звеном", причем (как видно по результатам в таблицах) и по своим электрическим параметрам тоже.
Посмотрим на результаты в Таблице №1.
Конечно может показаться удивительным, но я к этому уже привых, ЕН антенны в сравнении с Диполем работают примерно одинаково: где-то 0,5 Децибелла в плюсе, где-то наоборот 0,5 Децибелла в минусе... по сравнению с Диполем. Такие измерения проводились уже много раз, и все подтвердилось в очредной раз. А вот то, что результаты у ЕН антенн, изготовленных из меди и алюминия, примерно одинаковые, это хорошо и теперь понятно, что такие антенны можно изготавливать и из алюминия. Конечно работать с алюминием сложнее. Например, из-за того, что в зимний период эксперименты пришлось приостановить, некоторые алюминиевые антенны несколько корродировали и их пришлось восстанавливать. Естественно, на открытом воздухе этот процесс пойдет еще быстрее, это надо учитывать.

Что еще можно сказать? Пожалуй самым удивительным для меня было то, что не оказалось почти никакой разницы (при работе на передачу) между ЕН антенной длиной 1600мм и антенной длиной 300-400мм. Размеры ЕН антенн, для эксперимента выбирались из сображений, что слишком большие и очень маленькие (в сравнении с общепринятыми размерами) антенны будут работать хуже, и это сразу будет видно. Но теперь стало понятно, что эксперимент надо было расширить и сделать Очень большие и Очень маленькие ЕН антенны, иначе разница не заметна. Объяснить это сейчас не просто.

А вот Т-образная антенна себя не показала. Значительно меньшая эффективность (а как мы увидим дальше и по соотношению сигнал/шум тоже). У меня есть, для себя, этому объяснение и, на мой взгляд, здесь две причины: во первых, это действительно укороченный Диполь, а во вторых дело в расположении катушки и в вариометре... но это отдельный разговор, если удастся написать статью об использовании вариометра в ЕН антеннах (материала много).

Вот, пожалуй, основные выводы, которые можно сделать по результатам измерений уровней сигнала, при работе ЕН антенн на передачу.

-----------------------------------------------

Рассмотрим теперь таблицу №2

В этой таблице обобщены результаты измерений, когда ЕН антенна использовалась в качестве приемной антенны. И здесь нас в основном интересует соотношение сигнал/шум. Посмотрим на результаты. А здесь разница в результатах между антеннами гораздо большая. Но если придерживаться принципа, что антенны дуальны, она должна остаться такой же как и в таблице №1. Хорошо, оставим пока этот вопрос открытым. Еще раз посмотрим на результаты в колонке 1. Наименьший уровень шумов был получен при использовании ЕН антенн ЕН 110-1А и ЕН 20-6М (при использовании Диполя на 3 dB больше). Это понятно, по крайней мере можно объяснить, антенны маленькие, их апертура меньше и поэтому шумов меньше (если придерживаться классической теории). Но тогда не совсем понятно, почему уровни сигнала полученные с применением этих антенн почти такие же как и с применением Диполя? Отсюда и выигрыш в соотношении сигнал/шум +2 и +4 dB соответственно.

Другое, посмотрите на результаты измерений с антеннами ЕН 50-1М и ЕН 50-1А, эти антенны тоже маленькие, но уровни шумов от этих антенн больше, при том же уровне сигнала, а отсюда и соотношение сигнал/шум хуже.
Еще один не совсем понятный момент, самая большая ЕН антенна, длиной 1600мм и самая маленькая и тоненькая, длиной всего 400мм, имеют одинаковый показатель и по уровню шумов и по соотношению сигнал/шум. Как это объяснить - не ясно.

Измерения соотношения сигнал/шум, сведенные в таблицу №2 поставили больше вопросов, чем дали ответов. по крайней мере из этой таблице ясно только, что некоторые ЕН антенны по соотношению сигнал/шум работают лучше Диполя почти на +4 dB, в то время, как другие ЕН антенны (с другой геометрией), дают совершенно "зеркальные" результаты, в -4 dB. Значит все таки существует какая-то зависимость эффективности (по крайней мере на прием, по соотношению сигнал/шум) от геометрии ЕН антенны?

Наконец, Т-образная антенна подтвердила свои параметры - 12 dB по отношению к Диполю и 10 dB соотношение сигнал/ шум (в то время как самая лучшая ЕН антенна имеет соотношение сигнал/шум +24,5 dB), да и по широкополосности уступает ей в 10 !!! раз.

Все параметры ЕН антенн и Диполя снимались в поле... В городских условиях (по опыту использования ЕН антенн и Диполя) результаты могут быть иные... но об этом все досконально описано в предыдущих статьях сайта.

----------------------

Конечно неоднозначность полученных данных (по поставленным вопросам), дает информацию для размышления, а также, видимо, заставит провести еще дополнительные эксперименты с большей номенклатурой ЕН антенн... но это уже в отдаленном будущем, сейчас кризис, однако.
В заключение, хочется выразить большую благодарность моим друзьям: Быкову Вячеславу и Меченкову Константину (сыну известного летчика-испытателя) за неоценимую помощь на всех этапах проведения экспериментов!

73!
UA1ACO op. Vlad
г. С-Петербург
06.2009г.