Оптимальное согласование антенны

Эффективность антенны во многом зависит от ее согласования. Особенно это важно при работе на QRP, где требования к применяемой аппаратуре и антеннам особенно важны. Работа с малой мощностью очень интересна в полевых условиях, в пешем или байдарочном походе, где учитывается каждый грамм веса рюкзака за спиной или в лодке. В поход не возьмешь тяжелый трансивер, а малогабаритные варианты тоже не очень удобны – только на прием потребляют около двух ампер, не говоря уже о потреблении в режиме передачи. Не будешь же таскать с собой автомобильный аккумулятор для питания трансивера. Есть, конечно, и малопотребляющие, маленькие импортные трансиверы. Например, FT-817. Но нам - Радиолюбителям, у когда есть возможность, желание и умение сделать самодельный трансивер с нехудшими параметрами на прием и передачу, но с пренебрежением излишним сервисом «иномарок», почему бы не сделать его своими руками? Тем более, если это получается с гораздо меньшими габаритами, весом и, главное - потреблением энергии от источника питания.

Рис.1

Ссылка на оригинал изображения:

http://narod.ru/disk/20380671000/qrptrx20.jpg.html

Ссылки на видео с записью звучания трансивера: http://narod.ru/disk/26336244000/dds_modl.mpg.html

Про самодельную любительскую аппаратуру, это отдельный разговор. Здесь речь об антенне, о ее согласовании. В поход не возьмешь тяжелую мачту и сложную, направленную антенну. Приходится применять легкие проволочные конструкции. «Королем» всех антенн является полуволновый диполь. Он служит «точкой отчета» для сравнения с другими антеннами. Например, коэффициент усиления всех направленных антенн рассчитывается в сравнении именно с таким диполем. Полуволновый диполь с запиткой в центре (есть полуволновые вибраторы, которые питаются с конца –  http://rx3akt.narod.ru/ant_akt.html) имеет одно очень удобное свойство – сопротивление в точке питания довольно близко к волновому сопротивлению распространенных марок коаксиальных кабелей. Это позволяет гораздо легче их согласовывать. Конечно, оптимальное или наилучшее согласование всего тракта антенно-фидерного устройства можно произвести только на одном единственном диапазоне. В данной статье рассказывается о диполе для диапазона двадцать метров.

Зачем и с чем нужно согласовывать антенны? Есть общеизвестный принцип в электра и радиотехнике – он называется «Условие максимальной отдачи мощности от источника». Напомню его суть: Каждый источник электрического сигнала (передатчик, генератор, батарейка, Братская ГЭС…) можно представить в виде эквивалентной схемы – собственно источника электроэнергии – источника ЭДС и последовательно с ним соединенного сопротивления, внутреннего сопротивления источника.

Рис.2

Источник ЭДС условно берется с бесконечно малым внутренним сопротивлением. Это значит, что он способен отдать бесконечно большой ток в бесконечно малую по величине омическую нагрузку и, при этом, не иметь «просадки» напряжения на своих выводах. Лом или рельса должны просто испариться при КЗ ими такого источника. Внутреннее сопротивление источника отражает все потери внутри него. В генераторе электростанции, например, – это в основном сопротивления обмоток роторов или статоров, проводов ЛЭП, потери в трансформаторах. В трансивере – омические потери на сопротивлениях ламп или переходах транзисторов и др. Именно на внутреннем сопротивлении источника и происходит падение напряжения, которое мы ощущаем при присоединении нагрузки к реальной батарейке или к генератору. Таким образом, мы как бы мысленно, отделяем мух от котлет – отдельно рассматриваем внутренний источник электродвижущей силы (ЭДС), который определяет напряжение в режиме без нагрузки (холостой ход – Х.Х.) и внутреннее сопротивление источника – его потери. Так, вот – максимальную мощность от реального источника сигнала можно «взять» только тогда, когда сопротивление подсоединенной внешней нагрузки будет равно тому самому «теоретическому» внутреннему сопротивлению источника. Конечно, не обойтись без знакомой всем по практике просадки напряжения на клеммах нашего источника – это напряжение, которое садится на сопротивлении, спрятанном внутри источника. Но, все равно, произведение тока и напряжения на внешней нагрузке (т.е. МОЩНОСТЬ) будет максимальной именно при условиях равенства величин внутреннего и внешнего нагрузочного сопротивлений. Кстати, из вышесказанного можно увидеть простой экспериментальный способ определения этого неуловимого внутреннего сопротивления источника – Измеряем напряжение без нагрузки, в режиме холостого хода (ХХ). Затем присоединяем переменную нагрузку и, изменяя ее, добиваемся напряжения на внешних клеммах источника, равного половине от напряжения ХХ. Сопротивление нагрузки при этом будет равно искомому внутреннему сопротивлению источника. Почему так получается? Взгляните на эквивалентную схему - при равенстве сопротивлений мы имеем знакомый всем резистивный делитель напряжения на два. Вот и вся премудрость! (Изложенное выше не относится к системам с авторегулировкой внутреннего сопротивления, к которым например относятся стабилизированные источники питания и все выходные каскады УМ современных трансиверов с системой ALC. А то некоторые умники бездумно цитируют меня, без малейшего упоминания на авторство текста цитаты, а мне потом за них приходится краснеть... http://www.cqham.ru/forum/showthread.php?t=9305&page=57 ... Посты ##385,414,554,)

Зачем этот рассказ про батарейки и электростанции нужен нам, радиолюбителям? Да, именно, для того, что бы знать, как взять максимально возможную мощность от наших и без того слабых QRP передатчиков и довести ее с минимальными потерями через фидер до излучающей части антенны. При наличии фидера задача разделяется на два этапа – согласования (уравнивания) выходного сопротивления передатчика с волновым сопротивлением применяемого фидера и на стороне полотна антенны -  согласования волнового сопротивления фидера с сопротивлением в точке подключения полотна антенны. Всем известно, что внутреннее сопротивление выхода всех современных трансиверов постоянно и равно 50 Ом. (Как это достигается во всей полосе рабочих частот?  Это отдельный, интересный рассказ. Скажу только, что здесь важнейшую роль играет система ALC.) В трансиверах с П-контуром необходимо предварительно добиться максимальной отдачи мощности на 50-ти омный эквивалент и потом не трогать настройку.

Обратите внимание, что я намеренно не упоминаю о реактивных составляющих сопротивлений. Третья, немаловажная цель согласования – это достижение резонанса в нагрузке. Явление электрического резонанса в любой колебательной системе, контуре или полотне антенны, заключается в том, что реактивные составляющие емкостного и индуктивного характера имеют равные сопротивления, но противоположные по знаку. Это значит, что воздействия этих зловредных сопротивлений на нагрузку взаимокомпенсируются и равны нулю. При резонансе существует только активная составляющая нагрузки, реактивных НЕТ! Это очень удобно из практических соображений. Ведь согласование (трансформация сопротивлений) на радиочастотах гораздо легче осуществляется с помощью широкополосных трансформаторов на длинных линиях (ШПТЛ), чем с помощью колебательных контуров. Но ШПТЛ-ы могут и должны работать ТОЛЬКО на активные нагрузки со стороны входа и выхода. Резонанс излучающей части антенны зависит от ее геометрических размеров – длины.

Ссылка на мой сайт – статья про ШПТЛ http://rx3akt.narod.ru/shptl.html

Есть и четвертая цель согласования – это симметрирование. Здесь важен старый Римский принцип: «Подобное к подобному». Точки питания полуволнового диполя РАВНОПРАВНЫ относительно земли или, СИММЕТРИЧНЫ, относительно ее же. Значит, и питаться они должны симметрично. Для этого обычно применяется фидер в виде симметричной открытой линии, но, оказывается, волновое сопротивление такой линии очень далеко от сопротивления в точке питания диполя. Есть еще один недостаток открытой линии – она критична к условиям прокладки. Окружающая среда влияет на ее параметры. Напротив – коаксиальные кабели нечувствительны к магнитным и диэлектрическим условиям среды прокладки и обладают равным или близким сопротивлением с точками питания вибратора дипольной антенны. С точки зрения обеспечения первого условия согласования антеннофидерной системы – уравнивания выходного сопротивления несимметричного выхода передатчика и волнового сопротивления коаксиального (несимметричного) фидера, в качестве последнего, конечно, необходимо применять 50-ти омный кабель. Соображения разницы потерь в симметричном и несимметричном фидерах считаю несущественными по сравнению с потерями на согласование. При небольших длинах фидеров в полевых условиях потерями в них можно пренебречь, а разница потерь в согласующих устройствах при этом будут гораздо существеннее. Здесь действует правило: «Чем больше надо трансформировать сопротивление, тем больше потерь». Оказывается проблему настоящего, а не мнимого симметрирования может успешно выполнять тот же широкополосный трансформатор, что согласует сопротивления полотна антенны и кабеля фидера.

         Теперь несколько практических соображений, порядок создания описываемой антенны. Сперва я исследовал свойства горизонтального диполя на теоретических моделях в программе MMANA. Смотрел, как изменяется комплексное сопротивление в зависимости от длины полотна условий подвеса. Следил за изменениями характера диаграммы направленности. Основной моей целью было выяснить при какой длине вибраторов в точке питания будет исключительно активное сопротивление (резонанс) и какова величина получившегося сопротивления. Попутно выяснял, как сдвигается частота резонанса и диаграмма направленности в зависимости от высоты подвеса. Почему я интересовался исключительно горизонтальным расположением (поляризацией) антенны? Из опыта работы в полевых условиях я понял, что такое расположение полотна наиболее часто применяется и более удобно на практике. А из своих теоретических знаний я знаю, что после первого же скачка отражения от ионосферы на приемном конце от исходной поляризации не остается и следа! Мало того – поляризация постоянно изменяется, крутится. Это и является одной из причин федингов. Стоит ли тогда любыми средствами стремиться иметь вертикальную поляризацию, как по рекомендациям многих «гуру» стремятся делать многие радиолюбители для увеличения дальности связи? Ясно, что НЕТ! А, ведь, это один из многих устойчивых мифов в нашей радиолюбительской среде. К тому же – при горизонтальном подвесе можно использовать направленные свойства диполя и получить преимущества в выбранном направлении (на восток) и подавление в нежелательном (на юг), где много мешающих станций. Я такие мифы собираю и может быть когда ни будь, напишу о них.

Так, вот – выяснилось, что сопротивление диполя при резонансе будет около 76 Ом, а наилучшая форма диаграммы направленности – при высоте подвеса близком к половине волны (см. Рисунок 13).

Рис.3                   Страницы MMAN-ы, размеры

Рис.4                   ЧХ комплексного сопротивления антенны

Рис.5                   Диаграммы направленности при высоте подвеса половина волны (10 метров).

         С выбором фидера, мы уже все решили. Теперь разберемся с полотном. Полотно легкой полевой антенны я сделал из многожильного, монтажного медного провода в ПВХ изоляции. Он гибок, прочен и легок, при необходимости сматывается в клубок и не спутывается.

Рис.6                   Общий вид антенны в сборе. Для сравнения размеров – микрофон от Кенвуда 570Д.

При настройке резонансной длины антенны ее концы симметрично подворачиваются назад и накручиваются на подходящее полотно с небольшим шагом. Концы фиксируются нитяным бандажом. Кембрики из ПВХ трубки служат для плавности закруглений концов при растягивании оттяжками, в качестве которых я всегда использую тонкий витой капроновый шнур, диаметром 1 мм, применяемый для рыбной ловли.

Рис.7                   Заделка настраиваемых концов полотна

Такой способ регулировки длины полотна не ухудшает его излучающей способности, ведь скрученные участки представляют собой витые пары линии. На радиочастоте они сильно связаны друг с другом полем и, фактически являются единым проводником с токами, текущими в одном направлении.

         Контроль резонанса осуществлялся по минимуму КСВ в нижней части фидера, возле трансивера. Можно применять внешний КСВ метр или собственный КСВ метр радиостанции. Так как ни каких промежуточных значений КСВ, кроме 1,0 не должно быть, то правильность настройки резонанса полотен уточнялось включением дополнительных удлинителей фидера произвольной длины – отрезки кабеля с разъемами и с тем же волновым сопротивление, что и фидер. Соображения здесь следующие: если имеется истинная настройка согласования в точке нагрузки кабеля (в верхней, дальней части фидера), то от ЛЮБОГО изменения его длины значение измеренного КСВ в нижней, ближней точке не должно изменяться и уходить от идеального значения. Если КСВ все же изменяется, это очевидно свидетельствует о неправильном согласовании на дальнем конце фидера и наличии трансформирующего эффекта кабеля по его длине. Замеры делаются на одной, единой частоте. Я выбрал частоту середины «Русского» SSB участка 14,150 КГц. Хотя потом оказалось, что идеальный КСВ сохранялся во всем диапазоне от начала до конца. Повышение КСВ наблюдалось только за пределами диапазона. Еще раз подчеркну, что такой метод проверки истинности согласования фидера с нагрузкой может применяться только при оптимальном согласовании и при КСВ, близком к идеалу. При компромиссных значениях КСВ этот метод недопустим, так как может ввести в заблуждение – вы получите идеальный КСВ в нижней точке кабеля, а истинный КСВ в нем будет далек от нормы. Судить о настройке антенны по КСВ в нижней точке фидера – это еще один устойчивый ЛОЖНЫЙ МИФ, существующий в радиолюбительской среде.

Основной изюминкой данной антенны является симметрирующий и согласующий широкополосный трансформатор на длинных линиях. Как было описано в упомянутой уже моей статье

Ссылка на статью про ШПТЛ  http://rx3akt.narod.ru/shptl.html

Для трансформации сопротивления 50 Ом в сопротивление 75 Ом требуется коэффициент трансформации 5:6. Применяемый в антенне трансформатор дополнительно еще выполняет функцию симметрирования. О проверке и тестировании свойств ИСТИННОГО симметрирования написано в конце той же статьи по ссылке на мой сайт. Достаточно присоединить активный эквивалент нагрузки 75 Ом к выходу трансформатора, подать на пятидяситиоммный вход сигнал от ГСС-а и убедиться в равенстве напряжений на выводах симметричной нагрузки относительно оплетки кабеля, подходящего к несимметричному входу трансформатора (общему проводу сигнала).

Рис.8                   Схема симметрирующего трансформатора 50 на 75 Ом

Конструкция моего трансформатора является производной от известной схемы ШПТЛ с коэффициентом трансформации 1:1, так называемый «трансформатор с компенсирующей обмоткой»

Рис.9                   Схема симметрирующего трансформатора 50:50 Ом

Здесь приведена схема в привычном начертании. Так легче увидеть, что основным признаком любого симметрирующего трансформатора является то, что оплетка подходящего несимметричного коаксиального кабеля является центром для симметричной части обмотки трансформатора. Вот, к примеру, схема трансформатора 1:2 (1:4 по сопротивлению). Та же картина.

Рис.10                 Схема симметрирующего трансформатора 50:200 Ом

Сердечником для ШПТЛ-ов служит кольцевой ферритовый магнитопровод диаметром 10…50 мм и с магнитной проницаемостью 600…2000. Такие маленькие трансформаторы при правильном их использовании (активные нагрузки с входа и выхода) способны легко трансформировать мощности до 500…1000 Вт без нагрева, то есть, без больших потерь, в широком диапазоне частот. Показательный пример – мизерные размеры выходных трансформаторов в малогабаритных трансиверах (IC-706, IC-7000…). Максимальная выходная мощность у них равна 100 Вт, а размер биноклей – чуть больше наперстка. И ничего, работают!

Обмотка трансформатора 1:1 представляет собой три сложенных провода, диаметром 0,5…1,0 мм. Проволока – обычная обмоточная, медная, лакированная. Провода слабоскрученны между собой. Для чего нужна скрутка? Для обеспечения равноправия между каждым проводом. Передача энергии между «обмотками» ШПТЛ-а происходит не путем перемагничивания сердечника, а с помощью ПОЛЯ между элементами линии. Если мы намотаем все три провода плоской обмоткой, без скрутки, то центральный проводник будет равноправен относительно двух крайних, а, вот крайние, относительно друг друга, будут далеко не равны в правах. Передача энергии поля между ними будет затруднена наличием среднего провода. При слабой скрутке все три провода передают энергию друг другу одинаково. Достаточно 1…2 скрутки на 1 см длины. Число витков не особенно критично – довольно 3…6. Другими словами – длина «колбаски» проводов должна быть 20…30 см. После намотки необходимо соединить начала и концы проводов, согласно схеме.

         Как же заставить трансформатор осуществлять такой диковинный коэффициент трансформации – 5:6? Да еще так, что бы симметричная часть пропорции – шесть, имела землю по середине – разделялась на две части 3+3? Я это сделал следующим образом: сперва сделал «колбаску» из трех проводов, как для трансформатора 1:1. Затем условно разделил ее на три части. Отметил деления маркером – фломастером. Выбрал один из проводов линии и расплел его на одну треть общей длины, до первой риски, загнул перпендикулярно «колбасе». На оставшиеся две трети линии из трех проводников, надел термоусадочную трубку и усадил ее термофеном. (можно вместо этого обмотать всю колбасу монтажной ниткой, что бы не расплелась при намотке). Одну треть линии из двух проводов тоже, отдельно, заправил в трубку и усадил при температуре. Перпендикулярный отвод временно загнул обратно, к «друзьям», и общей косичкой произвел намотку на кольцо. Термоусадочная трубка сохранит провода линии и механически и электрически. После намотки произвел коммутацию проводов линии – два длинных провода соединил начало с концом – н.2 с к.3. Эта точка – земля или оплетка входящего кабеля. Один из свободных длинных концов соединил с началом короткой проволоки – к.2 с н.1. Это один из симметричных выходов – на один из лучей диполя. Конец короткого провода к.1 – к центральной жиле подходящего кабеля, несимметричный вход. Начало оставшегося длинного провода н.3 – это второй симметричный выход, ко второму лучу диполя.

IMAGE12$

Рис.11                 Рисунок «раздела колбасы»

Рис.12                 Конструктивная схема трансформатора

Теперь посмотрим, что получилось? Смотреть будем относительно земли (оплетки). На центральную жилу кабеля идет 3+2=5 частей длины линии. На выход идет 3+3=6 частей линии, причем, посередине – земля. Получили все два условия: соотношение витков 5:6 и в центре выхода земля. То есть, обеспечивается корректная трансформация сопротивлений 50 Ом на 75 Ом и функция симметрирования. Теперь осталось «прогнать» получившийся трансформатор по частоте и мощности при работе на симметричный эквивалент нагрузки 75 Ом, проверяя КСВ на несимметричном пятидесятиоммном конце. Смонтировать этот маленький и легкий трансформатор на изоляционном основании, прикрепить коаксиальный кабель и полотна диполя. После этого подвесить антенну и настроить длины полотен по методике, которая была описана выше. Убедитесь попутно, что значение КСВ при других условиях и высотах подвеса изменяется незначительно. То, что КСВ должен сильно «уходить» - это еще один ДУРНОЙ «радиолюбительский» МИФ! Сколько же их? Нет числа!

Рис.13                 Таблица расчетных параметров в зависимости от высоты.

Красной чертой обведена графа с высотой подвеса, при которой получается наилучшая расчетная диаграмма направленности т.е. 10 м.

Рис.14                 Диаграмма направленности при высоте подвеса больше 1/2 волны т.е. 17 м.

Выводы:

         Антенна великолепно показала себя при работе совместно с малогабаритным экспериментальным QRP трансивером, собранным из радиолюбительских модулей (смотри фото в начале статьи). Ее премьерная презентация была на первом московском слете радиолюбителей, состоявшемся под Серпуховом в сентябре 2010 года.  http://narod.ru/disk/24806203000/mos_slet.zip.html И, далее, в поездке на радиорыбалку в Астраханскую Область, в Дельту Волги.  http://narod.ru/disk/26030141000/astrah10.zip.html

         Расчетные резонансные размеры плеч диполя равны 2х5,21 м. (Рис.3) Реальные размеры, полученные после ЖИВОЙ настройки, оказались на 0,8 м короче! То есть, каждое плечо получилось короче на 40 см. Это колоссальная разница! Стоит ли после этого так слепо доверять MMAN-е, как это делают некоторые псевдо – теоретики? 

         Антенна на практике имеет стабильный, неизменны КСВ, близкий к идеалу вне зависимости от высоты подвеса (в разумных пределах).

         Антенна хорошо работает при разных высотах подвеса. Для нее справедлив принцип: «Чем выше – тем лучше».

19 октября 2010 г.

Сергей Макаркин

RX3AKT