|
В этой статье описаны опыты с ЕН антенной и сильно укороченной антенной Диполь, одинаковой геометрии. Такие антенны может сделать любой и сравнить их, посмотреть, насколько различны их характеристики. |
Информация к размышлению
или "борьба противоположностей".
Кононов Владимир ( UA1ACO )
г. Санкт-Петербург
Но, не все радиолюбители используют диапазон 2 метра и имеют аппаратуру для этого диапазона. А значит, не все могут проверить свойства этой антенны. Поэтому родилась мысль сделать такую же плоскую ЕН антенну на диапазон 14 МГц, и я уже начал расчитывать ее и готовить материал, но подумал: а почему не сделать две ОДИНАКОВЫЕ плоские антенны, но настроить их по разному, одну как ЕН антенну, а вторую как сильно укороченный Диполь?
Здесь есть одна интересная особенность и тот кто понимает как работают ЕН антенны, сообразил, что перевести ЕН антенну в режим укороченного Диполя довольно просто, а вот сделать обратную операцию и перевести антенну из режима Диполя в режим ЕН, в большинстве случаев нельзя. И здесь главную роль играет геометрия антенн. Например, стандартную диско-конусную антенну (очень часто используется на УКВ в различных службах) очень легко перевести в режим ЕН, благодаря ее конструкции (и она будет работать эффективнее, хотя и будет менее широкополосная), а вот тонкий полноразмерный Диполь из антенного канатика диаметром 4 мм и длиной 10 метров (для диапазона 14 МГц), перевести в режим ЕН - не удасться.
Но это все вольные отступления, вернемся к идее создания двух одинаковых, по геометрии, антенн. Специально привожу все этапы расчета антенн, хотя это и займет какое-то дополнительное место на странице, для того, чтобы были понятны мои шаги в расчетах.
Для начала, я расчитал в программе VK4ANW, плоскую ЕН антенну, аналогичную по размерам стандартной ЕН антенне с цилиндрами, ранее опубликованной на этом сайте два года назад и уже неоднократно повторенную, многими радиолюбителями, с хорошими результатами (например, мной, на такую ЕН антенну уже проведено более 4000 QSO со всеми континентами), расчет приведен на рисунке Рис. 1
Рис. 1 Расчет плоской ЕН антенны на 14 МГц.
Антенна была изготовлена и ее реальные характеристики (см. Рис. 2) очень хорошо совпали с расчетными. Полоса пропускания ЕН антенны, в расчете, получилась 910 КГц (по уровню 3dB), а реально 1,1 МГц (по уровню КСВ=2), иными словами даже несколько больше, чем в расчете.
Рис. 2 Реальные характеристики изготовленной плоской ЕН антенны, по расчетам, приведенным выше.
Так, одна антенна готова. Теперь необходимо изготовить вторую антенну, аналог первой, но настроенную как обычный сильноукороченный Диполь. Если читатели помнят, то такие эксперименты с сильноукороченными антеннами (по размерам равными ЕН антеннам) я уже проводил в полевых условиях, и сравнивал их с ЕН антеннами. Было это полтора-два года назад. С тех пор многое изменилось, но, тем не менее, приходится возвращаться к прошлым событиям. "Повторение - мать учения" есть такая поговорка. Будем учиться, это никогда не поздно.
Вернемся к силноукороченному плоскому Диполю. Возьмем программу MMANA и зададим в ней размеры Диполя, соответствующие изготовленной плоской ЕН антенне на 14 МГц. Файл программы MMANA находится здесь. При получении результатов в программе MMANA необходимо учитывать особенности этой программы, а именно, что программа расчитывает входное сопротивление и ближнее (реактивное) поле без учета потерь в реальной земле. Потери в земле учитываются только при расчете диаграммы направленности антенны. Это надо знать при согласовании антенны с фидером (результаты расчетов и согласование см. дальше). Еще небольшое добавление, расчитывать плоскую ЕН антенну в программе MMANA не имеет смысла, так как программа не учитывает тех физических особенностей, на которых, собственно, и основана работа ЕН антенны - токов смещения (для обычных диполей это не нужно). Я специально привожу скриншоты расчетов с экрана, для тех, кто не пользуется этой программой.
Рис. 3 Введенные данные в программе MMANA.
Результат прогона программы дает нам следующие результаты, представленные на рисунке Рис. 4
Рис. 4 Результаты расчета сильноукороченного Диполя на 14 МГц в программе MMANA.
Понятно, что для согласования такого диполя с сопротивлением передатчика (кабелем), необходимо использовать схему согласования. Воспользуемся той же программой MMANA и используем L-C согласование по следующей схеме:
Рис. 5 Схема согласования и расчетные данные для Диполя на 14 МГц в программе MMANA.
Все расчитали, теперь только остается изготовить такой диполь (аналогичный по размерам ЕН антенне), сделать схему согласования и настроить антенну. Приступим к работе. Настраивая схему согласования (для этого конечно очень желательно иметь какой-то анализатор антенн аналогичный MFJ-259, А-330, miniVNA или подобный), надо помнить, что настройка довольна критична. Кто настраивал укороченные диполи со схемами согласования, знает, что процесс этот не быстрый. И так, Диполь изготовлен, настроен, его характеристики сняты и их можно посмотреть на рисунке Рис. 6
Рис. 6 Характеристики плоского сильноукороченного Диполя.
Если мы сравним этот рисунок с рисунком Рис. 2, то увидим, что полоса пропускания у плоской ЕН антенны и укороченного Диполя, имеет разницу в 7 раз! При том, что антенны выполнены одинаковых размеров и катушки намотаны одинаковым проводом (механические данные антенн и катушек приведены ниже).
Это первый момент, который должен заставить задуматься и взвесить всю разницу между Диполями и ЕН, а таких моментов еще будет очень много, но о них дальше.
Антенны сделаны, настроены, характеристики сняты, но как же они выглядят? А выглядят они очень просто - ОДИНАКОВО! см. Рис. 7. В этом и вся прелесть, что антенны одинаковые, но с первой большой разницей в характеристике (полосе пропускания) таких антенн мы уже столкнулись выше. Это дает повод к размышлению.
Рис. 7 Внешний вид укороченного Диполя и ЕН антенны
(на фото Диполь еще без схемы согласования)
На фотографии видно, что ЕН антенна (справа) имеет одну катушку, т.е. выполнена по схеме "Star" (можно было выполнить ЕН антенну и с двумя катушками по схеме L+L или L+T, с тем же результатом, практически проверено). Ее индуктивность равна (см. Рис 1), 14,2 микрогенри, отвод сделан от 2-го витка (подбирается при настройке).
Укороченный диполь имеет две удлиняющие катушки, как было расчитано (Рис. 3), по 14 микрогенри, и еще схему согласования (на фото пока нет) с параметрами, приведенными на Рис. 5, т.е. катушку 0,3 микрогенри и конденсатор 300 Пф (возможна подстройка).
Как сделаны антенны и каковы их размеры? На мой взгляд, сделать плоскую ЕН антенну гораздо проще, поэтому и была выбрана плоская ЕН антенна для сравнения с Диполем.
Размеры антенн приведены на рисунке Рис. 8. Повторю, что обе антенны выполнены с одинаковыми размерами.
Рис. 8 Размеры "диполей" ЕН и укороченного Диполя.
И так, с размерами все ясно. Теперь о настроечных элементах. Для ЕН антенны была намотана катушка на каркасе 32 мм (кусочек полипропиленовой белой трубы), она имела 20 витков провода ПЭЛ диаметром 0,69 мм, отвод (после настройки), от 2-го витка.
Укороченный диполь имеет две удлиняющие катушки, намотанные на каркасе также 32 мм (на кусочках полипропиленовых труб серого цвета) и имеющие по 16 витков провода ПЭЛ диаметром 0,69 мм. Кроме того, применяется схема согласования на L-C (Рис. 5) для того, чтобы согласовать входное сопротивление укороченного Диполя, около 17 Ом (см. расчеты в MMANA. входное сопротивление зависит от добротности и влияния земли, о чем говорилось выше) с кабелем 50 Ом. Катушка выполнена на полиэтиленовой сердцевине от кабеля РК-1 (диаметр около 10 мм - средняя жила кабеля и оплетка удалены) и имеет 5 витков того же провода ПЭЛ диаметром 0,69 мм. Конденсатор применен КСО, емкостью 270 Пф (возможен подбор емкости и индуктивности при настройке, по минимуму КСВ), на напряжение 500 вольт.
Вот, собственно, и все данные по этим антеннам. Настройка, как ЕН антенны, так и Диполя, особенностей не имеют и были неоднократно описаны на страницах этого сайта (ЕН антенна) и в популярной литературе (укороченый Диполь).
Еще раз можно повторить, для лучшего понимания сути работы антенн:
В укороченном диполе применяются УДЛИНЯЮЩИЕ катушки, для того, чтобы электрическая длина укороченных диполей была на резонансной частоте (и это существенное отличие Диполя от ЕН).
В ЕН антенне, примненяется катушка, для настройки в резонанс контура LC, состоящего из емкости между пластинами ЕН антенны и этой дополнительной катушки (реактивное сопротивление катушки компенсирует реактивное сопротивление емкости между элементами ЕН антенны).
В результате имеем по ЕН антенне:
- Частота настройки - 14,100 МГц
- КСВ - 1,02
- Полоса пропускания - 1100 КГц (по КСВ=2)
- Эффективность 99% (расчетная)
- Частота настройки - 14,140 МГц
- КСВ - 1,08
- Полоса пропускания - 156 КГц (по КСВ=2)
- Эффективность ?% (не расчитана)
Подключим поочередно ЕН антенну и укороченный Диполь к трансиверу и замерим конфигурацию поля от антенн тем же способом, как и описывалось ранее на этом сайте. Что же мы увидим? см. Рис. 9. Более того, были сняты два коротких видеоролика, которые ясно показывают разницу в полях от плоской ЕН и укороченного Диполя. Видеоролики находятся здесь: укороченный Диполь (3,4 Мб - mpg) плоская ЕН (2,2 Мб - mpg). Как говорится, все видно невооруженным взглядом.
Рис. 9 Поля от укороченного Диполя и ЕН антенны.
Разница есть и существенная, что мы уже и видели при сравнении полосы пропускания этих антенн.
А интерсно, какова форма поля от антенн в ближней зоне? Поворачиваем антенны в горизонтальной плоскости и измеряем уровень сигнала тем же индикатором поля. Рис. 10 Измерения проведены на расстоянии около 5 метров от антенн.
Рис. 10 Поля от укороченного Диполя и ЕН антенны.
При приеме радиостанций из эфира и повороте укороченного Диполя, четко просматривается (прослушивается) разница в силе сигнала от направления антенны на радиостанцию. В то же самое время, при повороте плоской ЕН антенны, такой разницы нет, сигнал принимается примерно с одим уровнем, при повороте антенны.
По сути, рисунок Рис. 10 повторяет рисунок Рис. 9, но в горизонтальной плоскости (рисунок Рис. 9 это как бы половина увеличенного рисунка Рис. 10)
При первом взгляде на рисунок Рис. 10 кажется, что он не верен. Мы знаем, что диаграмма направленности стандартного Диполя представляет собой "восьмерку", здесь же несколько наоборот, "восьмерка", но повернутая на 90 градусов по горизонтали. Но если мы обратимся к рисунку Рис. 9 и продолжим кривые уровня поля "зеркально" через торец диполя, то все встанет на свои места: конечно, максимум электрического поля на концах диполя и поэтому понятно почему получилась такая диаграмма. Другое дело, если диаграмму снимать в дальней зоне диполя, где уже сформирована радиоволна (кстати, это тоже наводит на размышления о КПД антенны и формировании их полей). Тем не менее диаграммы укороченного Диполя и плоской ЕН, представленные на рисунках Рис. 9 и Рис. 10, различны и намного, хотя антенны одинаковые по форме и геометрии.
К сожалению диаграммы направленностей антенн в дальней зона снять пока не удалось, но уровни сигналов от антенн на расстоянии в 20 длин волн (примерно 400 метров), удалось измерить. Решено было также провести измерения в сравнении с полноразмерным проволочным диполем этого диапазона, причем диполь был ориентирован по максимуму сигнала (напомню, что ЕН антенна имеет почти круговую диаграмму, а укороченный Диполь был ориентирован также по максимуму, хотя диаграмма у него более тупая, чем у полноразмероного диполя). Вся аппаратура как на приемной, так и на передающей стороне питалась от автономных источников питания (аккумуляторов). На передающей стороне использовался трансивер ICOM-718 (Р вых=10 ватт, режим CW). На приемной стороне - трансивер Yaesu FT-817, с отключенной АРУ и антенной в виде отрезка провода, длиной около 50 см. НЧ сигнал с трансивера (линейный выход) подавался на ноутбук с установленной программой Spectran. Измеряемые сигналы сохранялись в файл и далее анализировались. Совмещенный скриншот с экрана ноутбука для трех антенн, представлен на рисунке Рис. 11
Рис. 11 Совмещенные скриншоты уровней сигнала от полноразмерного диполя, плоской ЕН и укороченного плоского Диполя.
Разница в уровнях сигнала между антеннами, примерно 5-6 dB. Конечно 20 длин волн это еще не совсем дальняя зона, но все таки... к тому же и измерения нельзя назвать строго инструментальными, трансивер Yaesu FT-817 - это конечно не измерительный приемник. Это видно и на скриншоте Рис. 11, при приеме сигнала от полноразмерного диполя, уровень шума на 1,5-2 dB больше, таким образом соотношение сигнал/шум между полноразмерным диполем и ЕН не 5 dB, а 3-3,5 dB (конечно примерно).
От измерений, пусть и оценочных, перейдем к практической оценке свойств антенн в эфире. На крыше, на высоте 8 метров над землей, установим эти две опытные антенн (плоскую ЕН и укороченный Диполь). Там же стоит и стандартная ЕН антенна на диапазон 14 МГц с цилиндрами. Рис. 12
Рис. 12 Плоская ЕН (или укороченный Диполь) и стандартная ЕН на крыше
Попробуем поработать в эфире и спрашивать у корреспондентов, чтобы они измеряли уровень сигнала с помощью S-метра. Использовался трансивер ICOM-718 (80 ватт на SSB и CW, и 40 ватт на PSK-31 и RTTY). Первая связь SSB с RZ1ZZ (прохождение не ахти какое, но главное федингов нет). Первое впечатление у корреспондента, что при смене антенн (плоской ЕН и укороченного плоского Диполя) я включаю и выключаю усилитель мощности: разница в сигналах от ЕН и укороченного плоского Диполя около 3-4 баллов (в пользу ЕН). Продолжим работу CW и PSK-31. Разница в оценках у корреспондентов, в среднем, около 3-4 баллов. Было проведено несколько десятков QSO с UA1, UA4, UA9, DL, OK, PA. Более точные оценки можно получить при работе PSK-31, так как большинство программ снабжены индикатором измерения силы сигнала и индикатором соотношения сигнал/шум (конечно если попросить измерить уровни и дать истинную оценку сигнала, иначе можно получить стандартные 599). Потом антенны подключались к трансиверу Yaesu FT-817 (выходная мощность 5 ватт) и было проведено много связей в режиме QRP, для сравнения (наверняка кто-то слышал в эфире UA1ACO/QRP). Почему-то многоие радиолюбители часто говорят: "а... PSK-31, понятно, там можно и на кусок проволоки работать". Но, при работе CW можно получить такие же результаты (а может быть и более лучшие, чем на PSK-31). Я это говорю потому, что многие годы (около 20 лет) был заядлым телеграфистом и кроме CW ничего не признавал.
И так, разница 3-4 балла. Что это значит? Давайте посмотрим на шкалу градуировки S-метра Таб. 1 и оценим, что значат эти 3-4 балла в децибелах.
| Единицы шкалы | Уровень сигнала, дБм | Уровень сигнала, мкв |
| 9+40 | -33 | 5000 |
| 9+30 | -43 | 1600 |
| 9+20 | -53 | 500 |
| 9+10 | -63 | 160 |
| 9 | -73 | 50 |
| 8 | -79 | 25 |
| 7 | -85 | 12,5 |
| 6 | -91 | 6,3 |
| 5 | -97 | 3,1 |
| 4 | -103 | 1,6 |
| 3 | -109 | 0,8 |
| 2 | -115 | 0,4 |
| 1 | -121 | 0,2 |
Таб. 1
А теперь вернемся чуть выше по странице и посмотрим на рисунок Рис. 4. В графе "Ga" можно увидеть расчетное значение усиления укороченного Диполя (пусть и не совсем точное, о чем уже упоминалось) и сравнить его с реальной разницей в сигналах, в 3-4 балла по таблице Таб. 1, как видите, эти цифры полностью совпадают. Но отсюда следует и еще один очень важный вывод (в программе MMANA усиление укороченного Диполя расчитывается относительно изотропного излучателя), значит плоская ЕН антенна соответствует по усилению изотропному (всенаправленному) излучателю или на 2 dB меньше усиления стандартного полноразмерного Диполя в максимальном направлении излучения (конечно это приблизительно, а не инструментально). Таким образом еще раз (в десятый или сотый?) подтверждается тот факт, что ЕН антенна работает на уровне полноразмерного диполя. Кстати, как было сказано выше, на крыше стояла еще и стандартная (с цилиндрами) ЕН антенна на этот же диапазон. Эта ЕН антенна (с цилиндрами) работала также, как и плоская ЕН, при сравнении этих антенн в эфире (у цилиндрической ЕН антенны полоса пропускания несколько шире, чем у плоской, при тех же размерах, но речь сейчас о другом).
Еще один маленький опыт, который будет просто иллюстрацией к характеристикам изготовленных антенн. Закрепим укороченный Диполь на какой-нгибудь изоляционной стойке, как видно, например, на рисунке Рис. 13. Подключим укороченный Диполь к трансиверу и настроимся на станцию. А теперь поднесем плоскую ЕН к укороченному Диполю на расстояние 2-3 сантиметра, очень медленно и осторожно (предварительно антенну надо закрепить также на изоляционной ручке и держать за нее). При каком-то критическом расстоянии, вы увидите, что громкость станции возрастет в несколько раз! Да, действительно, плоская ЕН действует как высокодобротный контур.
Помните о безопасности, не включайте трансивер на передачу!
Рис. 13 Укороченный Диполь на изоляционной подставке, рядом плоская ЕН.
А теперь поменяем антенны местами. Подключим к трансиверу плоскую ЕН антенну, а будем подносить к ней укороченный Диполь. И что должно произойти? Глядя на рисунки Рис. 2 и Рис. 6 можно ожидать, что сигнал будет возрастать в большее количество раз (добротность-то у укороченного Диполя выше, судя по характеристикам), но нет... все не так. Да, сигнал может немного возрасти, раза в полтора максимум, но в основном будет падать из-за расстройки ЕН антенны.
Почему такое происходит? На этот вопрос пусть читатели попытаются ответить сами, вспомнив, как формируются поля в ЕН антенне и в Диполе.
Эксперименты с этими плоскими антеннами наверняка будут продолжены (когда появится время), поэтому продолжение, видимо, последует.
Вот, на сегодня, и все эксперименты... более чем достаточно, чтобы задуматься о работе таких одинаковых и таких разных антенн.
Успехов всем и удачи!
73! Владимир UA1ACO
07.2007г.
07.2007г.