|
Очень часто можно услышать, что настройка емкостной (ЕН) антенны довольно трудная. Да, это действительно так, особенно если антенна изготавливется и настраивается в первый раз. При настройке (и даже при проектировании конструкции) необходимо учесть много особенностей, которые присущи только емкостным антеннам. И даже правильно настроив антенну, установив ее на постоянное место, необходимо проводить дополнительную настройку, что усложняет процесс настройки. В этой статье постараемся остановиться на этих особенностях, на примере емкостной (ЕН) антенны на 14 МГц. |
Емкостная (ЕН) антенна на 14 МГц и
применение элементов развязки кабеля
Кононов Владимир ( UA1ACO )
г. Санкт-Петербург
применение элементов развязки кабеля
Кононов Владимир ( UA1ACO )
г. Санкт-Петербург
Все манипуляции, описанные в этой статье, базируются на антенне диапазона 14 МГц, описанной в более ранней статье ЗДЕСЬ , Рис.1.
Рис.1 Общий вид антенны на 14 МГц.
Зачем мы вернулись к этой антенне? Для того, чтобы не делать новую антенну и заново измерять все параметры, а используя уже готовую, обкатанную антенну и применить к ней ряд приемов, изменяющих параметры ее использования.
В основном, в этой статье уделим внимание на развязку самой антенны от кабеля, чтобы при изменении положения кабеля или его длины, параметры не изменялись. Да, ничего даром не дается, что-то улучшится, а что-то и ухудшится. В мире ничего идеального нет, но все можно объяснить с физической точки зрения работы антенны.
Много приходит писем, с различными вариантами решения проблемы развязки антенны от кабеля: это установка ферритовых "защелок", установка развязки на ферритах от отклоняющей системы телевизора, использование дросселей на бухтах кабеля РК, использование ШПТ (широкополосных трансформаторов), использование катушек связи и т.д. Все эти варианты, в свое время были опробованы и испытаны, но на сайте не было публикаций с результатами таких испытаний. Попробуем закрыть такой пробел в этой статье.
Изначально было желание разобрать каждый такой вариант, но после перебора вариантов, в результате которых полное решение проблемы не решалось, остановлюсь на двух вариантах, один из которых частично решает проблему, а второй полностью ее решает (хотя и с ухудшением некоторых параметров антенны). Что же это за варианты?
1. Использование широкополосного трансформатора (ШПТ).
2. Использование катушки связи.
ШПТ Широкополосный трансформатор.
Что собой представляет широкополосный трансформатор и для чего он нужен? Такой трансформатор предназначен для согласования сопротивлений, например, питающей линии и антенны с разными сопротивлениями. Но для нашего случая согласовывать сопротивления нет необходимости, так как емкостную (ЕН) антенну можно согласовать практически с любым сопротивлением линии без применения ШПТ. Тогда зачем же трансформатор? Сделаем трансформатор с коэффициентом трансформации 1:1. И трансформатор позволит нам гальванически развязать антенну и кабель. Но... всегда есть но. ШПТ хорошо работают с активной нагрузкой. Если появляется реактивность (а она всегда есть в той или иной степени), ШПТ может не помочь. Тем не менее, попробуем изготовить ШПТ и испытать его. Сначала обратимся к рекомндациям RX3AKT: "Энергия в ШПТ передается не через перемагничивание сердечника, а непосредственно от элемента линии к элементу. Феррит здесь нужен для того, что бы повысить сопротивление линии для синфазных токов и в качестве “сборщика” полей рассеивания." и "Все обмотки трансформатора должны быть сделаны из параллельных или слегка скрученных проводов с одинаковыми расстояниями между ними.". Очень полезно предварительно прочитать исключительно полезную книгу (можно даже сказать - настольную) автора Э.Ред "Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. 1. 50-омная техника". В этой книге можно увидеть различные схемы использования ШПТ трансформатора, но тмы выберем самую простую. Полезен будет и перевод статьи UA9LAQ "Разработка мощных высокочастотных широкополосных трансформаторов. Часть 2." на сайте www.cqham.ru.
Таким образом, покопался я в своих радиодеталях, нашел ферритовое кольцо (без обозначения, проницаемость видимо около 2000), взял провод ПЭЛ 0,5мм и намотал обмотку из двух скрученных между собой проводов, содержащую 16 витков, 2 скрутки на сантиметр, Рис.2. Кстати, замерил индуктивность каждой обмотки, она равнялась 35,43 мкГн. Кольцо диаметром 32мм. Размеры кольца не так важны, при правильном подборе кольца и изготовлении трансформатора. Вспомните миниатюрные трансформаторы на "биноклях" в трансиверах с выходноцй мощностью 100 ватт и более.
Рис.2 Широкополосный трансформатор на кольце диаметром 32мм.
Можно иизмерить и АЧХ трансформатора с помощью VNA, нагрузив трансформатор на активное сопротивление 50 Ом. КСВ на 14 МГц не более 1,5, а затухание не более 1dB. Кстати, на других кольцах результаты были более худшие, так что кольцо все же надо подобрать по лучшему результату. Далее переходим к настройке и измерению параметров антенны.
1. Подвешиваем антенну на веревке к потолку.
2. Соединяем антенну с антенным анализатором miniVNA с помощью кабеля длиной ~1 метр (физическая длина).
3. ОБЯЗАТЕЛЬНО! Соединяем корпус VNA с корпусом трансивера (или землей), отрезком провода минимальной длины.
Измерим АЧХ антенны в чистом виде, без применения дополнительных элементов, Рис.3.
Рис.3 АЧХ антенны на кабеле длиной 1 метр.
f=14,043 МГц; КСВ=1,05; полоса (по уровню КСВ=2) 103 КГц
Попробуем взяться рукой за кабель... частота уйдет вниз. Это закономерно, так как мы увеличили (внесли) дополнительную емкость с цилиндра на землю.
Немного отвлекаясь скажу, что когда я привез емкостную (ЕН) антенну на один из радиолюбительских слетов и установил ее на палку высотой около метра над землей, подключив ее к векторному анализатору miniVNA, собралась толпа радиолюбителей, поглазеть на это "чудо". Один из радиолюбителей, взялся рукой за кабель (1 метр длиной) и на анализаторе частота естественно ушла вниз. Сделанный вывод: "вот видите - излучает кабель!". В то время, не понимая принципов работы емкостной антенны, это было общее заблуждение, "излучает кабель", "НЕ-антенна" и т.д. Кстати, на антенну в таком положении над землей, на слете, было проведено большое количество связей, но это и понятно... "излучает кабель" :-)))
Но вернемся к нашей антенне. Можно попробовать увеличить длину кабеля с 1 метра до двух метров, а затем до трех метров. При каждом увеличении длины кабеля, частота антенны будет уходить вниз и КСВ ухудшаться - это тоже понятно. При дальнейшем увеличении длины кабеля, антенна уже может полностью расстроиться.
Теперь включим трансформатор между кабелем и антенной. Трансформатор необходимо располагать как минимум на расстоянии длины самой антенны и более, чтобы исключить на него наводки с самой антенны. Я, например, использовал вот такую конструкцию, рис.4.
Рис.4 Трансформатор ШПТ в кожухе и с доп. кабелем 50 Ом.
Снимем АЧХ, при длине кабеля 3 метра, Рис.4a.
Рис.4a АЧХ антенны с включенным трансформатором.
Как видим, частота настройки антенны ушла не вниз (при длине кабеля 3 метра), а вверх от первоначальной. Почему это произошло? Просто за счет развязки, уменьшилась емкость от антенны на землю и частота ушла вверх.
Попробуем подключить антенну с трансформатором, через кабель произвольной длины в 10,8 метра (для справки: кабель длиной в полволну электрической длины волны равен - 300/14=21,428; 21,428/2=10,714; 10,714*0,66=7,071 метра). Частота конечно тоже ушла вверх и КСВ ухудшился (реактивность появилась, о чем говорилось выше о применении ШПТ), Рис.5.
Рис.5 АЧХ антенны с включенным трансформатором через кабель длиной 10,8 метра.
Конечно, можно подстроить антенну по месту, но придется побегать от места установки к месту измерения АЧХ. Есть правда более простой способ, но о нем будет сказано дальше. Можно приводить и еще примеры и АЧХ при других длинах кабеля. Подстроим антпенну с трансформатором и кабелем длиной 10,8 метра до КСВ=1,15, можно и частоту подстроить раздвинув витки сверху катушки, см. Рис.6.
Рис.6 АЧХ антенны с включенным трансформатором через кабель длиной 10,8 метра, подстроен КСВ.
Но не будем загружать статью лишними изображениями, надеюсь и так ясно, что применение трансформатора хотя и уменьшает зависимость параметров антенны от изменения положения и длины кабеля, но.... полностью проблему не решает :-(((
Что же делать?
Попробуем применить катушку связи, а не знаменитую схему включения кабеля "STAR", Звезда.
Катушка связи
Так как наша катушка настройки выполнена на отрезке ПП трубки диаметром 50 мм. (см. статью с антенной), намотаем катушку связи на отрезке ПП трубки (можно склеить и из картона) диаметром 75 мм., чтобы можно было перемещать катушку связи сверху катушки настройки. Для того чтобы катушка связи не болталась, временно подложим под нее кусочки пенопласта, Рис.7.
Рис.7 Катушка связи на антенне.
Изначально катушка связи содержала 5 витков провода ПЭЛ 1,0мм, как и основная катушка настройки. В дальнейшем количество витков катушки связи было уменьшено до 3 витков, что впрочем ничего не изменило. Что переделывалось: На основной катушке витки были плотно сдвинуты друг к другу (можно даже и добавить 1 виток). Отвод от катушки настройки к разъему был удален. Концы катушки связи припаяны к разъему BNC.
Настройка происходит также как было описано в начале статьи. Передвижением катушки настройки вверх-вниз добиваемся минимума КСВ. Частота настройки устанавливается как обычно в катушке настройки. Положение катушки настройки фиксируется довольно точно, как показано на рисунке Рис.7.
И что же мы получили в итоге? Стоит игра свч? Посмотрим на АЧХ антенны с катушкой связи (естественно параметры настроены с катушкой связи), Рис.8.
Рис.8 АЧХ антенны с катушкой связи (кабель 1 метр).
f=14,056 МГц; КСВ=1,04; полоса (по уровню КСВ=2) 48 КГц
С первого взгляда прекрасная характеристика. Но... посмотрите на полосу пропускания и сравните ее со скриншотом Рис.3. Полоса пропускания по уровню КСВ=2 сузилась в два раза! И это тоже закономерно и от этого никуда не уйти, хотя цель - снизить зависимость влияния на антенну по месту установки или длины кабеля была достигнута.
Так ли это? Перенесем антенну и подвесим ее в другом месте на чердаке, см. Рис.7 и Рис.9.
Рис.9 Антенна на чердаке в новом месте, длина кабеля 10,8м. Катушка связи еще не установлена.
Увеличим длину кабеля до 10,8 метра (кабель остался от предыдущих измерений). Посмотрим на результат, Рис.9.
Рис.10 АЧХ антенны с катушкой связи (кабель 10,8 метра).
f=14,069 МГц; КСВ=1,05; полоса (по уровню КСВ=2) 45,6 КГц
Возьмемся рукой за кабель в полуметре от антенны - частота ушла на 18 КГц вниз !!! может быть из-за того, что приблизился человек? Т.е. практически частота и КСВ не изменились. Есть и еще скриншоты с измерениями... их около 50-ти, но не все же приводить в статье. Все измерения натуральные, проведены по несколько раз.
По крайней мере, этот вариант с катушкой связи, достиг желанной цели - избавится от влияния кабеля и частично от местоположения антенны. Посмотрим как антенна покажет себя в реальном эфире. Для меня это всегда важно.
Рис.11 Уровни сигнала на SDR приемнике в Чехии.
обратите внимание на замирания, что говорит о диаграммах направленности.
Да, уровни сигнала от емкостной антенны с катушкой связи примерно на 10 dB меньше, чем от широкополосного диполя "ВВА-120" длиной 30 метров и на высоте 10 метров. Что сравнимо с емкостной антенной и без катушки связи. Оптимальные размеры, для емкостной антенны 20-и метрового диапазона, должны быть несколько больше.
Посмотрим, что нам покажет система WSPR с мощностью 1 ватт, видимо то же самое. Не будем приводить объемные рисунки скриншотов с сервера WSPR, а возьмем лишь отдельные принятые сигналы.
Рис.12 Уровни сигнала WSPR 14-12 ВВА-120; 14-02 Емкостная антенна.
| Позывной | Антенна ВВА-120 в dB | Антенна емкостная с витком связи, в dB |
Разность в dB |
| RA9UIP | -12 | -20 | -8 |
| OE3GBB/Q2 | -09 | -20 | -11 |
| DF7PNX | -13 | -23 | -10 |
| YO6DXE | -14 | -22 | -8 |
Реально все что получилось. Вперед в эфир! Включаем FT-8 и проводим QSO с мощностью в 30 ватт (антенна висит рядом в метре от меня).
Рис.13 QSO в FT-8 с DL9PN.
Рис.14 QSO в FT-8 с EA5ET.
Рис.15 QSO в FT-8 с F4BYA.
Рапорта не очень высокие, но сравнимы с теми, которые мне дают в FT-8 при использовании широкополосного диполя ВВА-120, при мощности в 30 ватт (можно посмотреть в логе FT-8 на HamLog). Такая полоса пропускания антенны в 50-60 КГц не мешает проводить связи в цифровых видах связи. Что еще выявилось полезного? При использовании катушки связи намного уменьшились наводки на всякое компьютерное оборудование, хотя при близком расположении антенны, исключить это невозможно. В вое время, в руководстве к радиостанции "Vertex Standart VX-1700" было сказано: "Мы рекомендуем, чтобы антенна была расположена, по крайней мере, в 5 метрах в стороне, если возможно, чтобы минимизировать ВЧ обратную связь, вызванную прямым излучением элемента антенны в корпус трансивера". Все что описано в данной статье, относится к двухцилиндровым емкостным антеннам.
Вот такое резюме.
Теперь о "дистанционной" настройке и подстройке антенны. Чтобы исключить "беганья" от антенны к измерителю АЧХ (miniVNA, NanoVNA и т.д.) возможно использовать следующий простой способ, Рис.16.
Рис.16 Вариант дистанционного наблюдения (настройки) характеристик антенны.
Есть несколько вариантов, см. Рис.16.
1. Антенна, естественно подключается к VNA (не забудьте о соединении корпусов). Смартфон (а лучше планшет, с большим экраном) соединяется с VNA по USB кабелю (какова максимальная длина кабеля не знаю, сам не пробовал). Используется программа "NanoVNA WebApp" для Android. Единственное условие - необходим USB OTG.
2. Один смартфон включается в режим видеокамеры и устанавливается напротив VNA, а на другом смартфоне (планшете), соединенном через WiFi или через интернет (WhatsUp, Telegram - все бесплатно с существующими тарифами), наблюдаем характеристику антенны и можем настраивать антенну и наблюдать все изменения при настройке в реальном времени.
Можно использовать и ноутбуки - фантазии радиолюбителей нет предела.
Чтобы финал статьи не был грустным, добавим маленько положительных эмоций :-)
Рис.16 Хорошего всем настроения!.
Удачи всем и хорошего эфира!
73!
UA1ACO op. Vlad
г. С-Петербург
04.2025г.
UA1ACO op. Vlad
г. С-Петербург
04.2025г.