Ежедневный радиожурнал со звуком. Иногда с юмором. Всегда с картинками

SAT/SPACE MONITOR ВЫ можете участвовать в формировании новостей

Какую антенну выбрать?

Обычно радиолюбитель не специалист в области радио, приступающий к изготовлению антенны, теряется перед многообразием различных конструкций антенн.  И не всегда ему удаётся даже  сформулировать требования к своему антенному хозяйству. В предыдущей статье я коротко рассказал об основных параметрах антенн, чтобы в этой  (и следующих) статье советовать человеку, уже понимающему, о чём идёт речь.
Первое, что должен будет определить  человек, выбирающий антенны для своего радиоузла, это характер радиолюбительского хобби, который он предпочитает. Если, например, его интересует «поговорить» и не интересны соревнования и DX, рекомендуемая антенна будет одного типа. Если наоборот, он желает заняться DX-ингом, другого.  И т.д.
Если человек не очень большой любитель работать на передачу, то задача сильно облегчается, потому что к приёмным антеннам требования гораздо менее ёмкие.  Одним словом вариантов много, но с последнего, экономичного варианта можно и начать. Итак, нужна одна или несколько  антенн  только на приём. Теперь снова оцениваем её задачи. Она должна  позволять принимать сигналы радиостанций в широком диапазоне частот и быть универсальной.  Поэтому выбираем антенну которая называется Лонг Вайр -  просто длинный (насколько это возможно в ваших условиях) провод, растянутый на максимально возможной от земли высоте. Отвод не обязателен, можно просто подключить конец провода к большой катушке, нижний конец которой соединить с землей. Или реальной, или корпусом приёмника. А вот антенный разъем приёмника снабдить проводом с зажимом типа «крокодил» на конце и, в зависимости от диапазона, подбирать точку включения в катушку по максимальному качеству приёма.  Если провод очень длинный, то у него появляется диаграмма направленности: в ту сторону, куда провод натянут. В нашем случае это плохо. Мы хотим принимать со всех направлений одинаково.  Ведь никто не знает, с какого континента будет работать следующий коротковолновик, которого мы услышим: нам нужна антенна с круговой диаграммой направленности.   Нет худа без добра: иногда натянуть длинный провод в одном направлении не удаётся.  Не страшно. Изгибаем провод столько раз сколько нужно для того чтобы он поместился в пределах возможной территории. И тогда такая антенна перестанет быть направленной. Конечно, часть сигнала будет теряться если провод будет "возвращаться" к началу, т.е. проводник будет не просто изогнут, а "завёрнут" на 180 градусов.  И тут следует предостеречь тех, кто уже почувствовал вкус победы: мы выбрали самую плохую антенну из всех возможных.
Во-первых, она будет принимать множество помех, шумов и щелчков, и, чем ниже частота помехи, тем сильнее будет сигнал помехи и слабее нужный вам сигнал. Т.е. она не резонансная, не выделяет нужный нам диапазон. Во-вторых, она будет принимать радиоволны со всех направлений. И, самое неприятное, со всеми электрическими помехами, вызванными бытовой техникой (щелчки выключателей, щётки электромоторов, импульсные блоки питания ит.д.)  эта антенна сама будет вести себя как бытовой прибор – пылесос. А всё потому что такая антенна, с разомкнутыми краями, обладает высоким комплексным сопротивлением и предрасположена принимать в первую очередь электрические волны, а уже потом магнитные. А все перечисленные выше источники как раз генерируют электрические импульсы (волны).    Как быть? Переходим ко второму варианту. 
С учётом того, что мы рассматриваем приёмные антенны, очень симпатично выглядит вариант рамочной магнитной антенны. Помимо её основных преимуществ в контексте этой статьи, она обладает еще одним, очень уддобным для не фанатов, свойством: она очень маленькая. Вплоть до того, что её можно разместить прямо в комнате, радом с приёмником. Если выбрать размеры чуть побольше, то на балконе, еще больше, многодиапазонную, на крыше. Пока мы не пытаемся с её помощью передавать, элементы антенны (детали) некритичные, можно сделать её из обычного коаксиального кабеля и любого конденсатора. Но, конечно же, размеры - не главное. Первое преимущество этой антенны по сравнению с предыдущей - помехоустойчивость. Она резонансная, и принимает сигналы только в узкой полосе частот. Второе заключается в следующем  - поскольку рамка замкнутая, она принимает только магнитную составляющую радиоволн, т.е. нечувствительна к бытовым электрическим помехам. И третье - она обладает ярко выраженными направленными свойствами - т.е. её можно направлять в нужную сторону.          
С учётом того, что антенна комнатная, это не составит труда... :-)  Однако у каждой медали, как водится, две стороны. Всё то, что я только что перечислил как преимущества, являются и недостатками: антенну нужно настраивать на нужную частоту конденсатором, иначе есть риск вообще не услышать корреспондента, направлять в нужную сторону и даже переключать диапазон. Всего этого предыдущая антенна не требовала. А если мы еще задумаем её попробовать в качестве передающей, то нас ожидает полное разочарование: конденсатор в составе этой антенны должен быть очень прочным электрически - рассчитанным на высокое напряжение, т.е. большим.
Одним словом мы только что разрушили светлый образ идеальной антенны, который с такими трудами только что создавали...:-)
Двумя словами, простого решения нет. Вывод первый. Антенну надо стараться сделать резонансной. Вывод второй. Антенну лучше выполнять в виде замкнутой рамки (петлевого вибратора). Вывод третий: если всё это сложно или невозможно, возвращаемся и выбираем один из вариантов описанных ранее :-) 



   До сих пор мы не рассматривали проблему под углом зрения на доступную вам территорию. Пришло время это сделать. Потому что мы рассмотрим в качестве приёмной антенны вариант требующий минимальной площади из всех возможных. Конечно же это популярный у всех племён и народов штырь. Вообще-то, использовать штыревую антенну без противовесов не имеет смысла. КПД такой антенны очень низкий. Хотя бы небольшие противовесы применяют в своих конструкциях почти все производители штырей. Например V640 от DX Engeeniring. Но если использовать хотя бы несколько противовесов различной длинны (сколько сможете) то антенна становится достаточно широкополосной и очень привлекательной в соотношении эффективность/площадь/трудозатраты.  Еще более минималистический вариант - антенны Butternut. В них резонансные элемнты выполнены не в виде отрезков, как в V640, а в виде высокодобротных катушек.  Антенна получается очень экономичных размеров, но требует огромного количества противовесов.  Не забудем упомянуть достоинства штырей - замечательная работа на передачу. Особенно на дальние расстояния, потому что, как известно, штырь излучает под малыми углами к горизонту.  
  Если при этом делать штырь не произвольной длинны, в кратный четверти волны любительских диапазонов, то получим слабый намёк на резонансные свойства. Следует только помнить, что шырь эффективен на дальние расстояния, если мы его выбираем, то должны иметь возможность поднять его над окружающими деталями (объектами) ландшафта. Если штырь стоит на земле, то тогда предметов выше или на уровне штыря не должно быть в радиусе 200 метров. При невозможности размещения штыревой антенны в таких условия, лучше от этой идеи отказаться.  На фото слева антенна установлена неправильно, несмотря на хорошие КСВ и даже противовесы, работать эффективно она не будет.
 По этой же причине может быть  неэффективна работа на передачу магнитных антенн. Дополнительнаф трудность в этом случае - дистанционное управление высоковольтным переменным конденсатором в верхней части катушки магнитной мнтенны. Ну и, аналогично описанному выше GP очень важна высота установки.  Но несомненное преимущество этих антенн - их резонансные свойства.  Вы уже наверное обратили внимание на частоту повторения слова "резонанс". Дело всё в том, что любая антенна лучше всего принимает (и передаёт) тогда, когда её электрическая длинна равнв длинене волны или половине длины волны. В этом случае наводимое в проводнике антенны напряжение полезного сигнала самое большое.  Разница очень большая. Настолько, что  мы рассмотрим следующий раздел


Часть II  Проволочне антенны.
Теперь, когда мы уяснили что антенна, которую мы выбираем, должна быть эффективной и определённой длинны, рассмотрим несколько типов резонансных проволочных антенн.
 В первую очередь следует выделить семейство полуволновых вибраторов.Они имеют электрическую длину, равную 0,5λ и излучают в направлении, перпендикулярно плоскости, в которой они подвешиваются. Такими простыми полуволновыми антеннами являются: полуволновой и волновой диполи, их вариации известные как инвертед ви, "американка", VS1AA,  виндом и хотите верьте, хотите нет - W3DZZ.  Чаще всего используется один или несколько диполей запитанных коаксиальным кабелем. Это самый простой, но  не единственный способ питания антенн. 
Картинку из книги Карла Ротхаммеля, я надеюсь, узнали все и надпись в данном случае излишество.
Первое, что мы должны сделать до принятия решения - измерить доступную нам территорию. Это делается для того чтобы обоснованно принять решение поместится ли выбранная нами антенна на той территории владельцем которой мы являемся (или имеем доступ). Например если максимальное расстояние между двумя потенциальными точками подвески менее 20 метров, то мы не сможем разместить там полуволновый диполь на 40 метровый диапазон. Используя теорему Пифагора ( :-) ) можем подсчитать, на какой высоте должна быть точка подвеса узла питания, если мы попробуем вариант полуволнового диполя известный под именем инвертед Ви, Это тот же диполь, входное сопротивление которого близко к 70 омам, но концы проводников опущены к земле, в результате сопротивление уменьшается примерно до 50 Ом, а расстояние между крайними точками становится меньше. Соответственно теперь следует оценить возможность подвеса кабеля и узла питания на требуемой высоте. Не забудьте, что полотна вибратора можно раположить под углом 90°, что так же даст экономию площади.  Еще одно очень полезное свойство полуволновых вибраторов при этом - диаграмма  направленности измениться к лучшему. Пропадут глубокие провала в плоскостях перпендикулярных полотну и диаграмма с натяжкой может быть названа круговой. Подробнее об этом можно посмотреть  в предудущем разделе про характиристики антенн и настройки (http://gosh-radist.blogspot.com/p/i.html)        Рис.2  
При всей их простоте, антенны великолепно (для своего класса, конечно) работают. Вариантов подвеса и подключения питания множество, поэтому когда вы определитесь с пространством, просто полистайте книгу Карла Ротхаммеля или Интернет и вы наверняка найдете подходящий для вас вариант.  Если у вас есть место для установки еще одной или нескольких антенн - вы счастливчик. Заведомо лучше иметь отдельную антенну на каждый диапазон. Но часто об этом можно только мечтать.   Тогда вы - пленник обстоятельств, можете попробовать многодиапазонный инвертед Ви. Конечно, с его настройкой вы провозитесь гораздо дольше, естественно, начинать с самых длинный полотен, и диаграмма направленности на разных диапазонах будет различной, но вы получите несколько диапазонов "на одном дворе".  Слабым, но утешением, является еще и то, что всё запитано одним кабелем.  В этом варианте как нигде более, важно применение симметрирующего устройства. Пусть  простого, например описанного на моём саёте здесь, http://gosh-radist.blogspot.com/p/i.html но обязательно.  Тут же можете посмотреть принцип размещения полотен для обеспечения почти круговой диаграммы направленности для всех диапазонов.  
 Следующей группой антенн являются антенны в виде длинного провода. Они представляют собой излучатели, по длине которых укладывается несколько полуволн рабочей частоты. При этом отдельные полуволновые отрезки возбуждаются в противофазе и следовательно, с увеличением длины проводника направление основного излучения всё больше приближается к направлению натяжения провода. К антеннам "длинный провод" принадлежат: антенна в виде длинного провода(или иначе антенна Бэвэриджа), всеволновая антенна DL7AB, V-образная антенна. Принцип работы понятен, хватило бы нашего картофельного поля для размещения этих антенн.  :-(((


 Хорошим решением является электрическое (резонансное) деление частей антенны на отрезки нужной длинны в нужном месте контуром, настроенным на максимальное сопротивление на нужной частоте.  Известные фотографии антенн волновых каналов с "утолщениями" (где и прячутся эти контура-трапы) хорошо иллюстрируют этот принцип. Но его легко можно применить к проволочным антеннам. Только при этом обязательно следует учесть, что полоса пропускания и так  очень узкополосных антенн станет еще меньше.  Хорошо известный вариант траповой антенны W3DZZ.


Короче пытаемся любыми средствами уменьшить геометрические размеры антенны соблюдая длины электрические. Но помните: любой укороченный вариант работает заметно хуже полноразмерного. Именно по указанной выше причине радиолюбители часто превращают этот отмерянный длинный провод в замкнутую рамку, присно известную как "дельта 80-ти метрового диапазона". Она тоже гармоническая, т.е. работает на частотах кратных резонансу. Например 3550, 7100,  14200 и т.д.  Обратите внимание что из этого ряда выпадает 21 мгц и все WARC диапазоны. Да и по диапазонам не всё так хорошо. Если вы, например, телеграфист, то резонанс на 14200 вас не устроит. Тем более что рамки очень узкополосные. Но так мы благополучно сделали шаг вперёд от разомкнутых вибраторов к замкнутым. :-) Конечно, если размеры нашей дворовой территории позволяют.
      В принципе, любая рамка является вариацией петлевого вибратора (диполя).  В связи с тем, что полоса пропускания петлевого диполя шире, чем у обыкновенного диполя в несколько раз, они были бы достаточно привлекательны, если бы не их входное сопротивление= ~300 Ом.   Дальнейшая модификация - растягивание сторон петлевого вибратора на максимальное расстояние (круг) или его вариации (треугольник или квадрат)  приводит к падению входного сопротивления примерно до 120 Ом. Промышленностью выпускаются коаксиальные кабели с таким сопротивлением (100 Ом), так что любой формы замкнутая рамка помещающаяся на вашей территории является очень хорошим вариантом.  Будьте внимательны: усиление, о котором говорят имея в виду одноэлементные рамочные антенны,  это только концентрация излучаемой мощности в горизонтальных составляющих (соответственно ослабляя вертикальные). Это усиление относительно изотропной антенны, виртуальной теоретической антенны излучающей во всех направлениях (диаграмма излучения - сфера, шар).  Поэтому реальный  выигрыш относительно диполя будет равен 1 дб и только если рамка расположена вертикально и только в направлениях перпендикулярных полотну рамки. 
Если эту рамку "вытянуть" вертикально, получим гибрид петлевого вибратора и штыревой антенны. Подробное описание варианта можно почитать тут http://dl2kq.de/ant/3-17.htm  Соответственно вокруг должно быть свободное пространство, иначе антенна всё-равно будет работать плохо. Но выигрыш в 1 дБ - всё равно выигрыш. И пренебрегать им не следует.
   Правильное питание любой антенны является необходимым для ее эффективной работы. В случае использования рамочной антенны следует помнить, что это симметричная антенна, и, следовательно, она требует использования симметрирующего устройства для ее питания. Без симметрирующего устройства возможно рассиметрирование, т.е. будет наводка переотраженной от различных предметов электромагнитной волны на внешнюю оболочку коаксиального кабеля, затем попадание этой переотраженной энергии в антенну, не говоря уже о том, что излучать будеи и оплётка кабеля. Если кабель будет расположен вблизи бытовых радио или телеустройств - проблемы неминуемы. Поэтому симметрирующее устройство является обязательным. В материале о свойствах антенн (см. ссылку выше) я рекомендовал некоторое количество витков на пластиковом каркасе. Но там антенны были механически прочными (трубы), была точка крепления. В рамочной антенне прийдется использовать либо ферриты, либо делать катушку из питающего кабеля на пластиковой бутылке из под пива или минералки подвешенными на самой рамке. Следует также учитывать, что входное сопротивление волновой рамки составляет 110-130 Ом. В случае небольшой высоты нижних участков рамки над землей оно падает еще больше и может достигать даже величин менее 50 Ом, но рамки, все же, имеют высокое входное сопротивление. И, если мы не нашли кабеля с сопротивлением 100 Ом, то совершенно очевидно что прийдется применять согласование. В данном случае  это использование четвертьволнового трансформатора. Т.е. усложнение, а его мы хотим избежать. 
    Вы уже ощущаете приближение момента, когда мы будем говорить о двух рамках, которые составят одну антенну, имеющую реальный коэффициент усиления относительно диполя в свободном пространстве. Т.е. если рамки расположить паралельно на расстоянии от 0,1 до 0,25 длинны волны, то за счет сложения на одной из них собственной ЭДС и энергии наведенной переизлучением второй рамки, получим увеличение полезного сигнала в несколько раз.  То же самое можно сказать и об обычных полуволновых вибраторах. Изменяя длинну одного элемента относительно длинны волны добиваются еще и усиления мощности (наводимой ЭДС в случае приёма) в определённом направлении. при этом более длинный, "отражающий" элемент называют рефлектором, а второй, активный (куда подключен кабель) - вибратором. Существует вариант, когда второй элемент делают короче вибратора. В этом случае он назывется директором. (В эту сторону формируется максимальная составляющая излучения).  Конечно, и две подвешенные рамки имеют право на существование. Но очень хочется эти две рамки поворачивать на одной траверсе во все стороны света.  Теперь пришло время отправить вас в интернет на поиски конструкции двойного квадрата. Или двухэлементного волнового канала
    В рамках поставленной перед этим материалом задачи осталось только обсудить плюсы и минусы Yagi v& Quad.  
Мы уже давно знаем, что сколько человек, столько и мнений, но есть темы где человечество чётко делится на две половины: сторонники Yagi и приверженцы Quad.   Совершенно естественно, что у каждой стороны есть достаточно весомые аргументы.  Не мудрствуя лукаво изложу свои, в пользу Yagi. Первое – конструкция. Легко повторяемая, прозрачная для понимания, не содержащая сложных механических узлов и поэтому прочная и легкая.  Нет риска запутаться в проволочных элементах :-) Второе – питание по одному кабелю с активным  ли питанием  или с  переизлучением.  Квадраты требуют для каждого отдельного диапазона своих элементов настройки, трансформаторов и кабелей.  Ну, или, коммутатора непосредственно у основания антенны или наверху. Всё это увеличивает вес, а стало быть влечёт за собой дополнительные затраты: на более материалоёмкую опору (мачту), на более мощное поворотное устройство, не говоря уже о прямых затратах на большее количество  кабеля и приобретение коммутатора.  Правда, например, Русские Яги, предлагаюм мачты нового поколения. 

      Практики утверждают, что эффективность квадратов всегда на одну условную единицу ( на 1 элемент) превышает эффективность волнового канала.   Но так ли это?  Насколько мне ведомо, это утверждение применимо  в том случае,  когда волновой канал траповый и расстояние между элементами определялось не в пользу максимального усиления на конкретном диапазоне, а в пользу простоты конструкции и дешевизны производства.  Мы пошли другим путем, и современные яги имеют полноразмерные элементы на оптимальных для коэффициента усиления в каждом диапазоне расстояниях. Так что расстаёмся с еще одним мифом о преимуществах квадрата. Сюда же отнесем и многодиапазонность квадратов. Да.  Действительно, число элементов наращивается без проблем. Теоретически.  А практически, в связи с большим весом крепления элементов, начинают проявлятся  тенденции к ограничению длинны несущей траверсы (бума).
Сторонники квадратов утверждают, что антенна «малошумящая», в связи с тем, что  токи, протекающие в вертикальных частях рамки, взаимно компенсируются.  Да, это закон физики. Но кто сказал, что шум наводится только в вертикальных проводах квадрата?   Это зависит от поляризации мешающего сигнала , а какой она будет в различные моменты времени – неизвесно. Здесь те, кто не читал начало этой статьи  могут поспорить. 
    Утверждение о том, что  квадраты меньше подвержены влиянию земли и работают на небольшой высоте тоже справедливо, поскольку рамка замкнутая. Но кто сказал, что небольшая высота подвеса антенны есть преимущество.  Достаточно часто антенну всё равно приходится поднимать всё выше и выше из-за мешающих строений, растущих деревьев и т.д.  : - ).   Совсем не секрет, что  мы все, если бы имели возможность, жили бы на возвышающихся над округой холмами где стояли бы наши мачты и антенны.
Да, рамки, конечно, более широкополосны и не требуют специальных мер для обеспечения хорошего КСВ во всём диапазоне. Но, если эти меры всё-таки применить, а в промышленных конструкциях это предусмотрено, то боевая ничья.   
Понятны приоритеты и в части оценки ветровой нагрузки: яги значительно безопаснее.
Ну и последнее.  Радиолюбительство – это для души. Лично мне кажется, что  эстетичные, устремлённые к горизонту и блестящие на солнце волновые каналы произведут на моих соседей лучшее впечатление чем  громадные, раскрашенные как пограничные столбы (или противотанковые)  ежи.

       Давайте дружить. Добавьте этот сайт в избранное                                         
© Copyright 2011-2016 UY2RA.   All rights reserved.    Все права защищены.    Пожалуйста уважайте их.
Использование материалов c этого сайта разрешается только с указанием АКТИВНОЙ ссылки на этот сайт.

FREE & OPEN UKRAINIAN HAM  RADIO  BANNERS NET