Все дальнейшие рассмотрения и эксперименты будем проводить на ЕН антенне, на частоту 7 МГц (диапазон 40 метров). ЕН антенна выполнена на полипропиленовой трубе диаметром 50 мм. Диаметр цилиндров 50 мм. Соотношение длины к диаметру равно 1 (не самое лучшее соотношение, но для нас это сейчас не так важно). Катушка настройки выполнена проводом ПЭЛ 0,85 и имеет 37 витков с отводом от 1,5 витка.
На рисунке Рис. 1 представлена характеристика испытуемой ЕН антенны.
Рис. 1 Характеристика испытуемой антенны.
На рисунке Рис. 2 представлена упрощенная эквивалентная схема ЕН антенны.
Рис. 2 Упрощенная эквивалентная схема ЕН нтенны.
На упрощенной эквивалентной схеме антенны всего 4 элемента:
- Емкость, образованная цилиндрами антенны.
- Rизл. - сопротивление излучения.
- Rпот. - сопротивление потерь в конструкции антенны.
- Индуктивность - катушка настройки с автотрансформаторным включением источника.
Расмотрим каждый элемент отдельно.
Емкость
Емкость, образована цилииндрами антенны. Чем больше в размерах цилиндры, тем емкость больше. Но размеры цилиндров ограничены двумя пределами сверху и снизу. Очень сильно уменьшать размеры цилиндров нельзя - емкость будет мала и для настройки антенны в резонанс на необходимый диапазон, придется увеличивать величину катушки настройки, что повлечет за собой высокие потери в катушке настройки. Увеличивать черезмерно размеры цилиндров тоже нельзя. При чрезмерном увеличении размеров цилиндров будет сказываться индуктивность самих цилиндров, что уменьшит эффективность антенны.
Выяснить оптимальные соотношения длины и диаметра, размеров самих цилиндров еще предстоит. В настоящее время опщепринято, что размер ЕН антенны должен равняться около 1/30 - 1/40 длины волны, а оптимальное соотношение длина/диаметр выбирается в интервале 3-6.
Катушка настройки
Катушка настройки является важным элементом ЕН антенны, от правильного исполнения которой, во многом зависит эффективность антенны. Что важно для катушки настройки? Прежде всего малые активные потери, малая собственная емкость, малые размеры и т.д. и здесь возникают противоречия: если стремится к малым размерам (для уменьшения паразитной емкости с цилиндров на катушку), то катушку придется мотать тонким проводом, что в свою очередь вызовет большие активные потери в проводе катушки. То же самое и наоборот, если намотать катушку толстым проводом, то потери в проводе уменьшатся, но в свою очередь, увеличится паразитная емкость с цилиндров на катушку, снижая эффективность антенны.
Ко всему прочему, потери в катушке зависят и от величины подводимой к антенне мощности (при неизменном диаметре провода) и т.д.
Таким образом, мы видим, что конструкция катушки настройки ЕН антенны может сильно влиять на общую эффективность антенны и к ее конструированию и выборе параметров необходим обдуманный и взвешенный подход.
В настоящее время при мощностях до 100-200 ватт (на КВ диапазоне), вполне можно использовать провод сечением до 1-1,5 мм. и располагать катушку настройки на расстоянии диаметра применяеимой трубы, на этой же трубе.
Rпот. - сопротивление потерь в конструкции антенны.
Сопротивление потерь (Rпот.) вполне реальная, физическая вещь. Сопротивление потерь - собирательный образ. Сюда входит и активное сопротивление провода катушки настройки, сопротивление соединительных проводов внутри антенны, потери в диэлектрике антенны, за счет прохождения по ним токов смещения (tg угла потерь в диэлектрике), потери на токи по паразитным емкостям антенны и т.д. Практически, хотя и с большим трудом, мы можем подсчитать все эти потери в конструкции антенны. Естественно, что подводимая к антенне мощность от передатчика, частично уходит на сопротивлении потерь в тепло. Путем рацианального и продуманного конструирования антенны мы можем уменьшить эти потери, но избавиться от них полностью, конечно нет. Таким образом можно сделать вывод, что надо стремится к уменьшению сопротивления потерь, где теряется часть подводимой мощности.
Rизл. - сопротивление излучения антенны.
И вот, наконец, мы подошли к теме этой статьи. Процитируем классиков (К.Ротхаммель I том, 2007г., стр. 46):
"Сопротивление излучения, является расчетной величиной, из которой выводятся многие характеристики антенны. Обычно оно относится к максимуму тока и представляет собой эквивалентное сопротивление, на котором рассеивалась бы излучаемая мощность". Таким образом, перефразируя, сопротивление излучения, это то сопротивление, на котором рассеивается полезная мощность. Но физически его только расчитывают, так как это сопротивление (виртуальное, расчетное) представляет собой окружающую среду, в которую и уходит энергия передатчика. Грустно, что его не измерить омметром :) а как было бы хорошо :)
Не измерить в диполе (только вычислив через ток в антенне), так как параметры диполя рассредоточены по его длине. А может быть в ЕН антенне (где есть дискретные, но развернутые в пространстве элементы антенны) его можно как-то измерить?
Попробуем порассуждать. Кстати, этот вопрос уже несколько раз поднимался в форумах, и я такие измерения проводил, только они не были опубликованы (частично упоминалось в статье "Игры со светом"). Из чего состоит ЕН антенна? Из дитскретной катушки индуктивности и "развернутой" в пространстве емкости (емкость между цилиндрами). Попробуем, как и в прошлые разы, заменить цилиндры на точечный дискретный конденсатор. Единственное, что надо предусмотреть, это не подавать на антенну большую мощность, чтобы как в прошлый раз не сжечь его от пробоя. Для целей проверки возьмем векторный анализатор антенн, измерим характеристику антенны (Рис. 1), снимем цилиндры и запаяем вместо цилиндров два конденсатора, один керамический, постоянной емкости на 5,1 Пф, а последовательно с ним, для подстройки, тоже керамичсеский, емкостью 5/20 Пф.
Рис. 2a ЕН антенна со снятнымти цилиндрами, замещенными на дискретные емкости.
Включим анализатор и подстройкой переменного конденсатора, настроим антенну на ту же самую частоту и немного изменим согласование (раздвиним витки у отвода на 2-3 мм.), чтобы КСВ был прежний. Характеристика примет вид, показанный на рисунке Рис. 3. Почему нам пришлось немного изменить согласование? Надеюсь это понятно - у нас пропало сопротивление излучения. Если бы не пришлось подстраивать согласование - это явилось бы доказательством того, что мы просто заменили одну емкость другой - заменили емкость между цилиндрами, на точечную емкость и ВСЁ! Но нет, приходится и подстраивать согласование, а это значит что пропало еще и сопротивление излучения.
На рисунке Рис. 3 Характеристика ЕН антенны с включенным дискретным конденсатором вместо цилиндров.
Рис. 3 Характеристика ЕН антенны с включенным дискретным конденсатором вместо цилиндров.
Есть разница между рисунком Рис.1 и рисунком Рис.3 ?
Да есть и существенная. На первом рисунке (ЕН с цилиндрами) полоса пропускания антенны (по КСВ=2) равняется 238 кГц при добротности Q=30, а на третьем рисунке, где вместо цилиндров включен конденсатор, полоса пропускания сузилась до 180 кГц, при добротности Q=40. И такие изменения, также укладываются в общую канву рассуждений. Если сопротивление излучения пропало (при замене цилиндров дискретной емкостью) то добротность антенны должна возрасти и полоса пропускания сузится - что на самом деле и произошло.
Пойдем дальше... теперь добавим еще и переменное сопротивление (330 Ом) в цепь дискретного конденсатора, включенного вместо цилиндров. Подключив антенну к векторному анализатору антенн, изменяя величину переменного сопротивления, добъемся того чтобы полоса пропускания антенны вновь стала 240 кГц (как и до отпайки цилиндров). Получается? Да. Почему полоса пропускания увеличивается при увеличении значения переменного сопротивления, конечно понятно. Мы вносим в цепи "антенны" дополнительные потери в виде дискретного сопротивления. Придется чуть подстроить согласование (мы об этом говорили выше).
И так, мы добились прежней полосы пропускания 240 кГц, см. Рис.4
Рис. 4 Характеристика ЕН антенны с включенным дискретным конденсатором и переменным сопротивлением, вместо цилиндров.
Измерим омметром величину внесенного сопротивления - она равна 240 Ом.
Казалось бы вот оно... удалось измерить прямым методом (методом замещения) сопротивление излучения, и оно равно 240 Ом! Но не так все просто. На рисунке Рис.2 приведена упрощенная эквивалентная схема ЕН антенны, подчеркну - упрощенная. На самом деле в самой антенне существуют потери, показанные на упрощенной схеме как Rпот. Но при замещении цилиндров дискретными конденсатором и сопротивлением, часть этих потерь (паразитные связи и емкости) исчезает, а частично появляются новые. Попробуем изобразить более точную эквивалентную схему антенны, разложив наиболее значимые потери и паразитные емкости "по полочкам" (конечно, практически все потери и паразитные емкости не учесть).
Более полная эквивалентная схема ЕН антенны, представлена на рисунке Рис.5 Паразитные емкости и индуктивности, а также элементы с потерями на тепло - обозначены красным цветом.
Рис. 5 Более подробная эквивалентная схема ЕН антенны.
Рассмотрим ее поэлементно слева-направо:
- С цил. - Емкость между цилиндрами (или величина дискретной емкости при замене цилиндров на дискретный конденсатор).
- R пот диэл. - Потери в диэлектрике.
- R - Переменное (физическое) сопротивление, вноясящее дополнительные потери в контур (величину можно изменять от 0 до 1000 Ом).
- R изл. - Сопротивление излучения (см. формулировку выше).
- L фаз. - Индуктивность фазирующей катушки (компенсирует емкость центрального провода).
- L п1. - Паразитная индуктивность центрального провода и соединительных проводов.
- L настр. - Индуктивность катушки настройки.
- С п1. - Паразитная емкость с верхнего цилиндра на катушку настройки.
- С п2. - Паразитная емкость с верхнего цилиндра на землю (корпус, разъем и т.д.)
- С кат. - Паразитная емкость катушки настройки.
- R пот. - Омическое сопротивление потерь в проводах антенны и катушки настройки.
- ВХ 50 Ом. - Входной разъем антенны.
Теперь посмотрим, какие элементы эквивалентной схемы изменятся при замене цилиндров на дискретный конденсатор.
Емкость (С цил.) между цилиндрами мы заменили дискретным конденсатором такой же величины.
R пот диэл. - потери в диэлектрике (трубе основания антенны) при удалении цилиндров должны исчезнуть.
Переменное сопротивление R, мы вносим дополнительно, при замене цилиндров на конденсатор (R эквивалентно сопротивлению излучения, которое должно исключится при переходе на дискретный конденсатор).
R изл. - сопротивление излучения. При замене цилиндров на дискретный конденсатор, должно исчезнуть.
L фаз. - фазирующая катушка неизменна при работе с цилиндрами или с дискретным конденсатором.
L п1. - паразитная индуктивность проводов тоже остается без изменений.
L настр. - индуктивность катушки настройки остается также без изменений.
С п1. - паразитная емкость с верхнего цилиндра на катушку настройки, при замене цилиндров на конденсатор, должна резко уменьшится на один-два порядка.
С п2. - паразитная емкость с верхнего цилиндра на землю, также должа резко уменьшится на один-два порядка.
С кат. - паразитная емкость катушки настройки остается без изменений.
R пот. - активное сопротивление проводов монтажа антенны также остается без изменений.
Таким образом мы видим, что часть элементов эквивалентной схемы остается, при замене цилиндров на дискретную емкость, неизменной, а часть меняется и значительно. Так как цилиндров теперь нет, паразитные емкости "С п1." и "С п2." должны полностью пропасть. Допустив, что паразитные емкости "С п1." и "С п2." также излучали (они пространственные), а значит и расширяли полосу пропускания антенны, то их отсутствие, в совокупности с дискретным (неизлучающим) конденсатором "С цил." значительно сузило полосу пропускания антенны. Но полученное нами экспериментально значение эквивалентного (замещенного) сопротивления излучения (240 Ом) должно распределяться между этими тремя конденсаторами и потерями в диэлектрике "R пот диэл.".
Частью потерь, от которых удалось избавится (убрав цилиндры и потеряв излучающую способность) - это потери в диэлектрике (R пот диэл.) корпуса антенны (ПП трубы). Убрав цилиндры, мы разумеется, убрали и эти потери (т.е. еще дополнительно сузили полосу пропускания). К сожалению, численно такие общие потери трудно просчитать, но что они близки, в совокупности, по величине к половине сопротивления излучения, полученного нами в результате эксперименета, предположить разумно. Так например емкость между цилиндрами (излучающая емкость) по расчетам равна около 5 Пф, а расчет катушки настройки мы проводим исходя из совокупной емкости (включая празитные) и равные в сумме около 9,5 Пф., причем расчеты совпадают с практической реализацией.
Резумируя сказанное, грубо можно предположить, что сопротивление излучения, за вычетом упомянутых потерь, близко к расчетному, как указано на риснке Рис.6, с примером рачета (обведено красным кружком).
Рис. 6 Пример расчета исследуемой антенны.
Часть II
До этого момента мы рассматривали классическую ЕН антенну конструкции "Star". А теперь попробуем проделать все тоже самое с плоской ЕН антенной на частоту 27 МГц.
Сделаем плоскую ЕН антенну с размерами пластин 120х170 мм. Намотаем катушку настройки на каркасе диаметром 30 мм., 13 витков, проводом ПЭЛ 1,4 мм. (индуктивность 3,95 микрогенри). Ориентировочный расчет антенны был сделан (рисунок Рис.7)
Рис. 7 Ориентировочный пример расчета второй исследуемой плоской ЕН антенны на 27 МГц.
По сравнению с расчетом, расстояние между пластинами было взято не 50мм, а 10мм. (так как подводить большую мощность к антенне не планировалось).
Фотография изготовленной и настроенной антенны представлена на рисунке Рис.8
Рис. 8 Фотография плоской ЕН антенны на 27 МГц.
В процессе изготовления антенны, перед настройкой, прибором "СМ-7115А" была измерена емкость между пластинами. Эта емкость оказалась равной 6,8 Пф (по расчету 6,59 Пф). Также была измерена емкость между пластиной и катушкой настройки. Эта паразитная емкость равна 2,6 Пф. После настройки антенны, была снята характеристика антенны, она представлена на рисунке Рис. 9.
Здесь надо сделать важное замечание, что практические характеристики ЕН антенны на 27 МГц (количество витков, индуктивность, емкость между пластинами) полностью совпали с расчентными, а следовательно, можно предположить, что и расчетное сопротивление излучение (19,17 Ом - обведено красным кружком на рисунке Рис.7) совпадет с реальным, измеренным в результате эксперимента.
Рис. 9 Характеристика плоской ЕН антенны на 27 МГц (снята прибором "miniVNA").
Емкости между пластинами измерены, характеристики сняты, а теперь разберем настроенную антенну и включим вместо пластин, последовательно соединенные керамический конденсатор КПК (6/25 Пф) и переменный резистор (330 Ом), см. фото Рис.10.
Рис. 10 Вместо цилиндров включен переменный конденсатор и переменное сопротивление.
Все готово, будем снимать характеристику, предварительно установив переменный резистор в состояние 0 Ом., а подстроечный конденсатор на минимум - 6 Пф.
Подключаем антенну к анализатору... подбираем связь. Немного остановимся на подборе связи. Отвод от катушки связи был сделан примерно от 0,6 витка. после того как мы заменили цилиндры (пластины) дискретными элементами, естественно, добротность "антенны" возросла (исчезло сопротивление излучения Rизл. и паразитные емкости), а следовательно возросло Rое. (Rое. = Q*ρ). Для согласования изменившегося Rое. с "генератором" (кабель для подключения антенны не использовался) мы немного меняем согласование (подключение у нас автотрансформаторное, так что немного меняем коэффициент трансформации, для согласования). Характеристика приобретает вид, показанный на рисунке Рис.11
Рис. 11 Характеристика плоской ЕН, после замены пластин на дискретные элементы.
Таким образом при замене пластин на дискретные элементы, полоса пропускания антенны изменилась с 570 кГц, на 132 кГц, а добротность возросла с Q=49 до Q=211.
Теперь остается самое простое, путем увеличения сопротивления в цепи контура, добиться прежней полосы пропускания (естественно придется подстроить согласование как и было до изменения конструкции). Подстройка хлопотная: во первых подстроечный конденсатор около своего минимального значения, и во вторых, сопротивление переменного резистора тоже пришлось подстраивать очень точно. После кропотливой подборки величин, получаем характеристику, показанную на рисунке Рис.12
Рис. 12 Вносим в контур потери, увеличивая номинал переменного сопротивления и добиваемся прежней полосы пропускания.
И, наконец, измеряем сопротивление переменного резистора омметром. Оно равно 22 Ома! Если сравнить его с расчетным (19,17 Ом), то оно окажется очень близким к расчетному.
Следует видимо еще добавить, что зная измеренные, путем замещения, сопротивления излучения и активные сопротивления потерь в катушке настройки (основные омические потери), можно подсчитать КПД антенны.
И наконец последнее. Эта статья была написана еще в 2010 году, но выложить ее на сайт не было времени. С 2010 года было проведено еще несколько десятков экспериментов по измерению сопротивления излучения на различных антеннах и частотах от сотен килогерц до сотен мегагерц. Результатами я доволен и можно сделать естественный вывод, что сопротивление излучения в ЕН антенне зависит от ее конструктивного исполнения (от формы и размеров раскрытого в пространстве "конденсатора").
73!
UA1ACO op. Vlad
г. С-Петербург
07.2010г. - 03.2016
