Антенна "граундплэйн"
1.4. Антенна "граундплэйн"
Благодаря своей простоте, небольшим размерам и легкости согласования большой популярностью на Си-Би пользуется антенна "граундплэйн" или сокращенно "GP". В переводе "граундплэйн" означает "заземленный вибратор". Схема антенны представлена на рис. 1.8.
Рис. 1.8
Длина штыря при использовании 15 мм дюралевой трубки составляет 2,65 м (при 20 мм — 2,61 м, при 40 мм — 2,59 м). При использовании более тонких трубок или провода длина вибраторов несколько увеличивается. Горизонтальные проводники (противовесы) играют роль экрана или "искусственной земли". Длина горизонтальных проводников также равна четверти длины волны и при использовании 2 мм провода составляет 2,75 м. Все противовесы соединены между собой и подключены к оплетке кабеля.
Следует учитывать, что на концах горизонтальных проводников имеют место пучности напряжения и, следовательно, крепить проводники следует с помощью хороших изоляторов. Усиление антенны составляет около 2 дБд. При расположении горизонтальных проводников в каком-либо направлении можно получить некоторое дополнительное усиление в этом направлении. Часто обсуждается вопрос о необходимом количестве противовесов для эффективной работы антенны "граундплэйн". Если антенна установлена на высоте более половины длины волны, то она будет вполне прилично работать и с одним противовесом (см. полуволновый диполь, рис. 1.3). Если антенна установлена непосредственно у земли, то необходимое количество противовесов будет определяться проводимостью собственно земли. При сухой песчаной почве желательно иметь более 10 противовесов, иначе КПД антенны будет низким и мощность передатчика в прямом смысле уйдет в землю.
Отличительной особенностью антенны является то, что она питается коаксиальным кабелем с сопротивлением 50 Ом без каких-либо согласующих устройств. Входное сопротивление антенны в свободном пространстве при четырех горизонтально расположенных проводниках составляет около 35 Ом.
Для улучшения согласования количество проводников уменьшают до трех и располагают их под углом 135° по отношению к вертикальному штырю. Сопротивление антенны при этом составляет 50 Ом, благодаря чему обеспечивается точное согласование с коаксиальным кабелем. Однако при этом преимущество антенны в более пологом угле излучения по сравнению с вертикально расположенным полуволновым разрезным вибратором частично теряется. Существует сравнительно простой способ разрешить это противоречие. Он применен в так называемой удлиненной антенне "граундплэйн". Для увеличения сопротивления антенны до 50 Ом вертикальный штырь удлиняется до 3,2 метров, а настройка его в резонанс на частоте 27,2 МГц осуществляется конденсатором переменной емкости, включенным между центральной жилой кабеля и вертикальным штырем. Максимальное значение емкости переменного конденсатора 100 пФ. Так как конденсатор включается в пучности тока, то повышенных требований по электрической прочности к нему не предъявляется. Конденсатор помещают в коробку из диэлектрического материала и после настройки антенны герметизируют. Для молниезащиты и защиты от статического электричества используют закороченный на конце четвертьволновый отрезок коаксиального кабеля, включенный около антенны параллельно питающему кабелю.
Антенны
1. Антенны
Эффективная работа Си-Би станции во многом зависит от параметров примененной антенны. Изготовление и установка хорошей антенны дело трудоемкое и для него не подходит метод проб и ошибок. Надо сначала, реально оценив свои силы и возможности, выбрать тип антенны, подготовить все необходимые материалы и детали и только после этого приступать к работе. Выбор типа антенны должен производиться из конкретных условий расположения радиостанции и целей ее использования.
При выборе антенны следует учитывать, что эффективно работают антенны с размерами не менее 0, 25 длины волны. Укороченные антенны всегда имеют худшие параметры по сравнению с полноразмерными. Большое влияние на качество работы антенны оказывает высота установки антенны. При небольшой высоте установки (меньше половины длины волны) диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости искажается и большая часть энергии радиоволн будет излучаться под большими углами к горизонту. В горизонтальном направлении (а для местных связей именно это направление наиболее важно) будет излучаться незначительная часть мощности. Поэтому желательно устанавливать антенну как можно выше. При этом надо учитывать высоту антенны именно над проводящей поверхностью. Если антенна установлена над сухой непроводящей крышей деревянного дома, то это расстояние до земли, а если дом и крыша железобетонные, то это расстояние до крыши. Оптимальной высотой установки базовой Си-Би антенны с точки зрения затрат и получаемого результата можно считать высоту 5... 6 метров.
1.1. Полуволновый диполь
1.2. Укороченный полуволновый вибратор
1.3. Полуволновый петлевой вибратор
1.4. Антенна "граундплэйн"
1.5. Полуволновый вертикальный вибратор
1.6. Полуволновый вибратор с J-согласованием
1.7. Вертикальная антенна "5/8" 1.8. Укороченная антенна "граундплэйн" 1.9. Направленная антенна "полуромб" 1.10. Синфазная система из двух полуволновых вибраторов 1.11. Магнитная антенна 1.12. Правила безопасности при использовании Си-Би антенн 1.13. Направленная антенна "Волновой канал"
Магнитная антенна
Магнитные антенны удобно использовать для организации связи на небольшие расстояния, когда нет необходимости использовать эффективные полноразмерные антенны. Магнитные антенны меньше других подвержены влиянию окружающих предметов, поэтому их можно размещать даже на внутренней стороне деревянных строений. Описанная ниже дисковая антенна обеспечивает при использовании передатчика мощностью 4 Вт и высоте подвеса около 2,5 метров дальность связи в несколько километров. На расстоянии 2 км уровень сигнала составляет около 50 мкВ при использовании приемной антенны типа полуволновый диполь, установленной на высоте 30 метров.
В качестве основного элемента магнитной антенны можно использовать алюминиевый диск от магнитного накопителя старых ЭВМ. Такие диски часто используют радиолюбители для конструирования телевизионных антенн. Схема антенны приведена на рис. 1.22, а эквивалентная схема на рис. 1.23.
Рис. 1.22
На диске делается радиальный пропил и устанавливается плата из фольгированного стеклотекстолита. На плате размещаются емкости С1 — С3 и закрепляется конец коаксиального кабеля. С помощью конденсатора С2 производится настройка антенны в резонанс. Необходимо отметить, что данная антенна, как и все
магнитные антенны, достаточно узкополосная и обеспечивает удовлетворительную работу на 10—15 соседних каналах.
Рис. 1.23
В литературе [38] описана аналогичная магнитная антенна Си-Би диапазона с согласующим П-контуром.
Направленная антенна "полуромб"
1.9. Направленная антенна "полуромб"
В сельской местности обычно нет возможности устанавливать высокие мачты, зато имеется достаточно места для размещения антенн большой длины. При организации связи преимущественно в одном направлении можно использовать направленную антенну "полуромб" (рис. 1.19).
Рис. 1.19
Основное направление излучения — в сторону нагрузочного резистора. Поляризация в направлении основного излучения — вертикальная. Длина каждой стороны полуромба должна быть равна целому числу длин волны (ориентировочно 10,7 м). Антенну желательно установить на открытом пространстве. Высота подвеса средней части 6... 10 метров от земли. Высота крепления концов вибратора 0,2...0,3 метра. На концах вибратора и в средней точке подвеса имеют место пучности напряжения, поэтому здесь следует применить хорошие высокочастотные изоляторы (керамические или стеклотекстолитовые). Элементами "заземления" антенны могут служить вбитые в землю металлические уголки. В случае сухой почвы можно сделать искусственное заземление с помощью проволочных четвертьволновых противовесов. К каждой точке заземления подключается 4...6 радиальных отрезков провода длиной 2,75 метра, натянутых вблизи земли. Нагрузочный резистор должен иметь мощность рассеивания не меньше половины выходной мощности радиостанции. Его лучше составить из 2...3 последовательно включенных резисторов МЛТ-2, так как резисторы 500.-.800 Ом часто имеют спиральную резистивную часть и обладают существенной индуктивностью. Резисторы с сопротивлением 50...200 Ом имеют небольшую индуктивность. Величина поглощающего резистора не слишком критична, так как влияет, в основном, на степень подавления обратного излучения. Входное сопротивление антенны находится в пределах от 300 до 900 Ом и сильно зависит от ее длины и качества заземления. Согласование входного сопротивления антенны с кабелем обеспечивается согласующим П-контуром. Катушка индуктивности контура намотана проводом ПЭВ-2 диаметром 1,6 мм, имеет внутренний диаметр 8 мм, длину намотки 19 мм и количество витков 9. Конденсатор, подключенный к антенне, имеет емкость 130...200 пф, а конденсатор, подключенный к кабелю — 620 пф. Подстройка П-контура может быть произведена путем сжатия и растяжения витков катушки. Согласующее устройство и нагрузочный резистор должны быть надежно защищены от влаги. Антенна сохраняет свои параметры в полосе частот до 1 МГц.
Направленная антенна "Волновой канал"
Направленные антенны позволяют добиться большей эффективности работы радиостанции. На Си-Би радиостанции обычно используется одна антенна для приема и передачи, поэтому направленная антенна, имеющая определенное усиление, дает выигрыш как по приему, так и по передаче. Выигрыш в режиме передачи состоит в том, что уровень сигнала, принимаемого корреспондентом, будет выше на величину усиления антенны. В режиме приема принимаемый сигнал также будет выше на величину усиления антенны, но кроме того будут дополнительно ослаблены помехи, приходящие с направлений, отличных от направления на полезный сигнал. Этот выигрыш часто оказывается наиболее важным с точки зрения эффективности связи, поэтому антенны настраивают не по максимальному усилению, а по максимальному отношению усиления в прямом и обратном направлениях. Одной из широко распространенных типов направленных антенн является антенна "волновой канал" или "Яги" по фамилии одного из изобретателей. Конструкция 4-х элементной антенны "волновой канал" представлена на рис. 1.25.
Рис. 1.25
Как видно из рисунка, антенна "волновой канал" представляет собой систему вибраторов, расположенных на общем несущем буме. За счет разной длины элементы имеют различные резонансные частоты. Подбирая длину элементов и их взаимное расположение, можно добиться усиления излучения в одном направлении. Длина вибратора, к которому подключается кабель питания, выбирается такой, чтобы обеспечить резонанс на рабочей частоте. Элемент, имеющий несколько большую длину, чем вибратор, обеспечивает отражение электромагнитной волны в сторону вибратора и называется рефлектором. Элементы, имеющие несколько меньшую длину, чем вибратор, обеспечивают дополнительную фокусировку излучения и повышают направленность антенны и называются директорами. В целом элементы составляют сложную резонансную систему, в которой обеспечиваются необходимые параметры антенны. Расчеты и опыт эксплуатации показывают, что невозможно обеспечить оптимизаций всех параметров одновременно.
Так, при регулировке на максимальное усиление уменьшается ослабление в обратном направлении и полоса частот с допустимым значением КСВ. При регулировке на максимальное отношение усиления вперед/назад падает усиление в прямом направлении. На рис. 1.26 изображена антенна с размерами, обеспечивающими достаточно хороший компромисс всех параметров.
Рис. 1.26 В первую очередь при компьютерном моделировании данной антенны решалась задача получения полосы пропускания не менее 2 сеток. Широкополосную антенну проще настраивать и при изготовлении в домашних условиях проще добиться хорошего результата. Большинство промышленных антенн также оптимизируются по полосе пропускания с сохранением достаточно большого усиления. Основные параметры антенны приведены на рис. 1.27.
Рис. 1.27 Как видно из рисунка, антенна имеет КСВ меньше 2 в полосе частот 1,4 МГц. Эта полоса с запасом перекрывает разрешенные сетки С и D. В полосе пропускания усиление составляет не менее 9 дБи (при расположении антенны в свободном пространстве). Соотношение усиления вперед/назад около 15дБ. На рис. 1.28 изображена диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости сильно зависит от высоты установки антенны и проводимости "земли". При установке антенны на проводящей крыше здания (в том числе и железобетонной) крыша и будет являться "землей". За счет отражения от "земли" антенна будет иметь большее усиление и диаграмма направленности в вертикальной плоскости будет более острой, чем диаграмма направленности этой же антенны в свободном пространстве. На рисунках 1.29 — 1.31 приведены диаграммы направленности в вертикальной плоскости при высоте установки антенны 1/2, 3/4 и 1 длины волны.
Рис. 1.28 Следует отметить, что в реальных условиях земля не обладает идеальной проводимостью и при отражении от земли будут потери излучённой антенной мощности. Усиление антенны в этих условиях окажется меньше расчетного, а диаграмма направленности (в вертикальной плоскости) более широкой. В зависимости от диаметра примененных труб, высоты установки над землей и других местных условий размеры могут несколько отличаться от указанных.
Антенна, естественно, может быть настроена и на другие близлежащие частоты путем пропорционального изменения всех размеров. Конструкция антенны предусматривает возможность такой настройки. Антенна представляет собой цельнометаллическую конструкцию из тонкостенных дюралевых труб. В качестве несущего бума используется труба диаметром около 50 мм. Элементы составлены из труб двух диаметров. Центральная часть длиной около 3 метров изготавливается из трубы диаметром 20...25 мм. Концевые части элементов изготавливаются из более тонкой трубы. Диаметр этой трубы подбирается таким, чтобы она плотно входила в центральную часть. Для закрепления соединения в более толстой трубе ножовкой делается пропил на глубину 30 мм. Тонкая труба вставляется в более толстую не менее чем на 300 мм (для обеспечения прочности и возможности последующей настройки) и вся конструкция скрепляется автомобильным хомутом подходящего диаметра. Конструкция узла крепления элементов к буму изображена на рис. 1.32.
Рис. 1.29 Крепление U-образными болтами более предпочтительно с точки зрения прочности конструкции, поэтому если есть возможность использовать уголок большего сечения (50х50), то целесообразней не сверлить отверстия в элементах антенны и применить для крепления U-образные болты. Способ крепления к мачте или поворотному устройству в основном определяется их конструктивными особенностями и здесь не рассматривается.
Рис. 1.30
Рис. 1.31 После сборки антенны все резьбовые соединения стоит защитить краской или герметиком. Это предотвратит самопроизвольное отворачивание гаек и, с другой стороны, позволит при необходимости отвернуть гайки после длительного пребывания антенны под открытым небом.
Рис. 1.32 После сборки антенны необходимо обеспечить ее согласование с кабелем. На рис. 1.33 приведена зависимость комплексного сопротивления антенны от частоты. Значком Х отмечена частота 27,9 МГц, а значком О — частота 26,9 МГц. Кривая линия, соединяющая эти точки, представляет собой график зависимости комплексного сопротивления антенны от частоты.
Пересечение этой кривой шкалы активного сопротивления (вертикальная линия) показывает сопротивление антенны при резонансе — 32,5 Ом. Окружность в центре рисунка ограничивает область, где входное сопротивление антенны соответствует значению КСВ менее 2 при непосредственном подключении 50-омного кабеля (в этом случае вибратор делается разрезным). Однако в этом случае приемлемое значение КСВ обеспечивается не во всем заданном диапазоне частот. Для точного согласования целесообразно использовать одно из согласующих устройств. На рис. 1.35 приведена зависимость комплексного сопротивления антенны с согласующим устройством от частоты при условии точного согласования с 50-омным кабелем на частоте 27,4 МГц. При этом КСВ во всем частотном диапазоне антенны менее 2.
Рис. 1.33 Для согласования антенны с кабелем используется гамма-согласующее устройство. На рис. 1.34 приведена схема этого устройства и приведены необходимые размеры. Конструкция гамма-согласующего устройства показана на рис. 1.36. Длина тонкой трубки составляет 600 мм, что несколько больше величины, указанной на рис. 1.34 из-за особенностей примененного конденсатора. Конденсатор С1 гамма-согласующего устройства имеет коаксиальную конструкцию. С отрезка 50-омного
Рис. 1.34
Рис. 1.35 коаксиального кабеля длиной 600 мм снимается защитная оболочка и медная оплетка. С одной стороны на расстоянии 20 мм снимается внутренний изолятор. Внутренний проводник облуживается и припаивается к разъему SO-239. Затем этот отрезок кабеля вставляется в тонкую трубку. Скоба крепления и перемычка изготавливаются из мягкого алюминиевого листа толщиной около 1,5 мм. Скоба крепления фиксируется U-образной шпилькой, крепящей вибратор к буму.
Рис. 1.36 Настройка антенны на минимальное значение КСВ на частоте 27,4 МГц производится путем перемещения перемычки. После настройки фиксирующие болты на перемычке затягиваются и защищаются герметиком или краской. Необходимо отметить, что настройку антенны следует проводить на той высоте, на которой она в дальнейшем будет эксплуатироваться.Поэтому конструкция мачты с поворотным устройством должна предусматривать возможность многократного подъема и опускания антенны. В заключение следует отметить, что изготовление сложных направленных антенн можно рекомендовать опытным радиолюбителям, имеющим необходимые знания и опыт постройки и эксплуатации антенн. Начинающим стоит придерживаться правила "от простого к сложному".
Полуволновый диполь
1.1. Полуволновый диполь
Одной из наиболее простых антенн является полуволновый диполь или, как его еще называют, полуволновый разрезной вибратор (рис. 1.1). Общая длина антенны для работы в сетке "С" составляет 5,40 метра при использовании провода диаметром 2 мм. Если использовать провода или трубки большего диаметра, то длину следует несколько уменьшить (при диаметре трубки 20 мм длина диполя 5,23 м; при 40 мм — 5,18 м).
Рис. 1.1
При горизонтальном расположении полуволновый диполь имеет горизонтальную поляризацию, то есть он способен принимать только те электромагнитные волны, которые излучаются антеннами с горизонтально расположенными вибраторами. Сигналы от антенн с вертикальной поляризацией теоретически не должны приниматься вовсе. На практике, однако, излучает электромагнитные волны не только антенна, но и подводящий кабель, поэтому радиостанции, использующие антенны с различной поляризацией, все-таки слышат друг друга, хотя и с большим ослаблением. Диаграмма направленности полуволнового диполя имеет вид восьмерки в плоскости, проходящей через полотно антенны, и круга в плоскости, перпендикулярной к полотну антенны (рис. 1.2).
Усиление антенны в направлении максимального излучения принимается за единицу, а усиление антенн других типов обычно определяется относительно полуволнового вибратора. Усиление антенны в децибелах относительно полуволнового диполя обозначается дБд, а усиление антенны в децибелах относительно изотропного (всенаправленного) излучателя — дБи. Соотношение между этими величинами таково: 2,14дБи=0дБд. Некоторые фирмы, производящие антенны, иногда "хитрят" и указывают усиление в дБ, подразумевая при этом дБи. Цифра, характеризующая усиление, получается больше, что и привлекает покупателей. Чтобы не попасться на эту приманку, стоит повнимательнее разбираться, в каких же единицах показано усиление. Более подробные
сведения о параметрах антенн и методах их измерения приведены в разделе "Основные параметры антенн".
Рис. 1.2
Сопротивление полуволнового разрезного вибратора в свободном пространстве около 75 Ом, поэтому питают антенну с помощью кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом.
Согласование с 50- омным выходом трансивера осуществляют одним из способов, приведенных в разделе "Использование 75-омного кабеля". Непосредственное подключение 50-омного кабеля тоже допустимо. Для обеспечения симметрирования антенны на кабель вблизи точки подключения к антенне надевают несколько ферритовых колец небольшого диаметра или делают несколько витков кабеля на ферритовом кольце большого диаметра. Витки на ферритовом кольце делаются неразделенным кабелем, аналогично ферритовые кольца одеваются на кабель до точки разделения оплетки и центральной жилы. Нельзя одеть ферритовые кольца отдельно на центральную жилу и оплетку. Задача ферритовых колец — обеспечить большое индуктивное сопротивление для токов, протекающих по внешней поверхности оплетки кабеля. Поэтому марка феррита большого значения не имеет. Желательно применять ферриты с магнитной проницаемостью от 100 до 2000. Можно использовать ферритовый сердечник от трансформатора строчной развертки телевизора. Кабель на расстоянии 2...3 метров должен быть перпендикулярен полотну антенны. Если требуется расположить полуволновый разрезной вибратор так, чтобы электромагнитная волна имела вертикальную поляризацию, то можно применить конструкцию, изображенную на рис. 1.3.
Рис. 1.3 В качестве нижнего вибратора можно использовать трубку подходящего диаметра, внутри которой будет проходить коаксиальный кабель. Если нижний вибратор будет иметь больший диаметр чем верхний, то его следует сделать на несколько сантиметров короче верхнего. Антенну можно приспособить для использования в. походных условиях. В этом случае верхний вибратор выполняется из гибкой многожильной проволоки, а в качестве нижнего используется гибкая металлическая оплетка, надетая на защитную оболочку питающего коаксиального кабеля. Растягивая или сжимая металлическую оплетку, можно добиться оптимального согласования антенны с питающим кабелем. Антенну можно изготовить целиком из коаксиального кабеля. Для этого с кабеля на расстоянии около 3 м снимается защитная оболочка, а оплетка сжимается, выворачивается и натягивается на нижнюю часть кабеля.Затем верхняя часть антенны укорачивается до требуемого размера и производится настройка антенны путем растяжения или сжатия нижней части диполя. Гибкая антенна устанавливается с помощью нейлоновой веревки, прикрепленной через изолятор к концу верхнего вибратора. В качестве изолятора используется фарфоровый изолятор или подходящая пластина из стеклотекстолита. Установить антенну в походных условиях очень просто. С помощью грузика нейлоновая оттяжка перебрасывается через подходящую ветку дерева. Затем антенна поднимается на такую высоту, чтобы ее средняя часть (точка подключения коаксиального кабеля к вибраторам) находилась на высоте 5...6 метров. При этом антенна может устанавливаться и не строго вертикально. Наклон антенны не меняет ее характеристик, а только изменяет вектор поляризации.
Полуволновый петлевой вибратор
1.3. Полуволновый петлевой вибратор
Разновидностью полуволнового вибратора является полуволновый петлевой вибратор, называемый также шлейф-вибратором Пистолькорса (рис. 1.7).
Общая длина антенны для работы в сетке "С" составляет 5,40 метра при использовании провода с диаметром 2 мм. Расстояние между проводами — 4 см. Усиление и диаграмма направленности петлевого и разрезного полуволновых вибраторов совпадают. Сопротивление петлевого вибратора составляет около 300 Ом, поэтому питание его осуществляется с использованием полуволновой петли, как показано на рис. 1.7. Петля имеет длину в развернутом состоянии 3,64 метра и изготавливается из кабеля той же марки, что и фидер. Наилучшее согласование получается при использовании 75-омного кабеля, но вполне допустимо использовать и 50-омный кабель. Существенным преимуществом петлевого вибратора является то, что он образует замкнутый контур и при заземлении оплетки кабеля вся антенна оказывается заземленной. Кроме того, петлевой вибратор имеет большую широкополосность и менее критичен в настройке.
Рис. 1.7
Необходимо отметить, что на концах диполей, настроенных в резонанс, расположены "пучности напряжения". Даже при мощности передатчика в несколько ватт высокочастотное напряжение может достигать сотен вольт. Поэтому при использовании в качестве вибраторов гибкого провода на концах диполя должны устанавливаться качественные изоляторы (керамические или стеклотекстолитовые). Кроме того, следует избегать прикосновения к антенне при включенном передатчике.
Полуволновый вертикальный вибратор
1.5. Полуволновый вертикальный вибратор
Одной из наиболее популярных на Си-Би антенн является полуволновый вертикальный вибратор или "половинка". Питание этой антенны осуществляется с конца, в "пучности" напряжения. Входное сопротивление при этом составляет около 1000 Ом. Величина сопротивления зависит от диаметра примененных в конструкции трубок и от расположения антенны относительно окружающих предметов. Длина штыря в зависимости от диаметра примененных трубок составляет 5,30...5,50 м. Для согласования высокого входного сопротивления антенны и низкого сопротивления коаксиального кабеля используется высокочастотный автотрансформатор в виде катушки индуктивности с отводами (рис. 1.9).
В этом случае автоматически решается вопрос заземления антенны через оплетку кабеля. Антенна не требует применения специальных противовесов. Роль противовесов играет оплетка кабеля и мачта. Схема антенны представлена рис. 1.10. Усиление антенны составляет около 4 дБд. Настройка антенны в резонанс осуществляется подбором точки подключения штыря к катушке. Для определения резонансной частоты используется гетеродинный индикатор резонанса или КСВ-метр. Резонансной частоте соответствует минимальное значение КСВ. Если резонансная частота выше 27,2 МГц, то отвод необходимо сделать от большего (считая от точки подключения оплетки кабеля) числа витков. После настройки антенны в резонанс производится подбор точки подключения центральной жилы кабеля к катушке для достижения минимального значения КСВ на резонансной частоте.
Рис. 1.9
Согласовать "половинку" с коаксиальным кабелем можно не только с помощью катушки с отводами, но и другими способами. Для согласования антенны можно применить П-контур, как это показано на рис. 1.11. Настройка в резонанс производится путем сжатия или растяжения витков катушки индуктивности. Минимальное значение КСВ достигается путем подбора емкости конденсаторов. Следует отметить, что при разрешенной мощности 10 Вт конденсатор С2, подключенный к вибратору, должен иметь рабочее напряжение не менее 250 В. Рабочее напряжение конденсатора С1 может быть в несколько раз ниже. Катушка индуктивности контура намотана проводом ПЭВ-2 диаметром 1,6 мм, имеет внутренний диаметр 8 мм, длину намотки 19 мм и количество витков 9. Недостатком согласования с помощью П-контура является то, что вибратор антенны оказывается незаземленным. Для обеспечения молниезащиты антенну следует заземлить с помощью короткозамкнутого четвертьволнового отрезка коаксиального кабеля, подключенного параллельно конденсатору С2.
Рис. 1.10
Рис. 1.11
Полуволновый вибратор с J-согласованием
С точки зрения защиты от атмосферного электричества более рационален способ согласования "половинки" с помощью коротко-замкнутого четвертьволнового трансформатора. Такой трансформатор может быть выполнен на двухпроводной линии, как показано на рис. 1.12.
Настройка антенны производится путем перемещения точки подключения коаксиального кабеля к короткозамкнутой двухпроводной линии до достижения минимального значения КСВ. Конструктивно двухпроводная линия может быть выполнена из той же трубы, что и вибратор. Расстояние между проводниками в двухпроводной линии некритично и обычно составляет 100...150 мм. Однако, если расстояние между проводниками двухпроводной линии или их диаметр изменяется, требуется подобрать новую точку подключения коаксиального кабеля для получения минимального значения КСВ.
Короткозамкнутый четвертьволновый трансформатор обладает тем замечательным свойством, что в точке короткого замыкания (нижний конец на рис. 1.12) протекает максимальный ток, но отсутствует высокочастотное напряжение. Это позволяет электри
чески соединить данную точку с металлической мачтой, которая должна быть заземлена. Таким образом надежно решается проблема молниезащиты антенны. Конструктивно мачта, четвертьволновый трансформатор и вибратор могут представлять собой неразрывную трубу из дюралюминия. Некоторое сходство антенны с начертанием латинской буквы "J" закрепило за ней название полуволновый вибратор с J-согласованием. В литературе [47] описана направленная антенна с вертикальной поляризацией, созданная на базе полуволнового вибратора с J-согласованием. Такая конструкция позволяет уменьшить влияние металлической мачты на параметры антенны.
Рис. 1.12
Короткозамкнутый четвертьволновый трансформатор может быть выполнен и из коаксиального кабеля, как это показано на рис. 1.13. На этом рисунке размеры приведены для коаксиального кабеля с внутренней изоляцией из полиэтилена (не вспененного), который имеет коэффициент укорочения 0,66. В случае применения коаксиального кабеля с другим коэффициентом укорочения размеры короткозамкнутого четвертьволнового трансформатора пропорционально изменяются.
Настройка антенны производится подбором длин отрезков коаксиального кабеля, составляющих четвертьволновый трансформатор. Первоначально берутся отрезки кабеля с длиной несколько больше расчетной. Далее путем постепенного укорочения добиваются минимального значения КСВ. Нижний по рисунку отрезок кабеля сильнее влияет на согласование и его длину требуется подбирать более тщательно. Для этого короткое замыкание между центральной жилой и оплеткой делается с помощью тонкой иголки или булавки. После окончания настройки кабель отрезается в точке прокола и в этой точке оплетка и центральная жила соединяются пайкой. Перед началом эксплуатации все места, где влага может попасть в коаксиальный кабель, защищаются герметиком.
Рис. 1.13 В самодельных антеннах необходимо обеспечить надежное крепление антенны к мачте. Помимо прочности требуется обеспечить и хорошие изоляционные свойства. Простой по конструкции и надежный узел крепления показан на рис. 1.14. Основой его служит пластина из толстого оргстекла или стеклотекстолита. Антенна и мачта крепятся с использованием U-образных болтов. Для надежного крепления следует использовать пружинящие шайбы. На этой же пластине монтируют согласующее устройство и разъем для подключения коаксиального кабеля.
Рис. 1.14
Правила безопасности при использовании Си-Би антенн
Основные опасности в Си-Би технике связаны с базовыми антеннами. Как уже отмечалось, эффективность антенны в большой степени зависит от высоты ее установки, поэтому всегда стремятся расположить антенну так высоко, как только возможно. Однако работа на высоте десятков метров над землей крайне опасна. Поэтому устанавливать или настраивать антенну надо обязательно вдвоем, обеспечивая страховку. Если на крыше нет ограждения, то работать можно только с использованием страховочной веревки необходимой прочности. Веревка должна с одной стороны прикрепляться к прочному поясу, а с другой стороны к надежному элементу конструкции крыши. При работе у края крыши веревка не должна иметь слабины. Работать на крыше следует в резиновой обуви. Такая обувь необходима по двум причинам: если крыша металлическая или даже просто мокрая, то резиновая обувь предохранит от поражения электрическим током при случайном прикосновении к токонесущим проводам, если крыша имеет уклон, то резиновая обувь позволит увереннее по ней передвигаться. Запрещается работать на крышах во время грозы, при сильном ветре, дожде и морозе, а так же в темное время суток.
Нельзя протягивать антенны и токопроводящие растяжки над проводами электросети и радиотрансляционной сети, напряжение этих сетей может составлять от 220 до 900 В. Случайный обрыв антенны и растяжек может привести к их падению на эти провода. При этом в лучшем случае произойдет короткое замыкание и сработает защита, а в худшем оборванные провода, фидер и трансивер могут оказаться под напряжением и будут источником смертельной опасности.
Все металлические конструкции на крыше заземлены, поэтому крайне опасно пользоваться бытовым электроинструментом при установке антенны. Лучше использовать заранее подготовленные узлы и детали антенны, а в необходимых случаях использовать ручной инструмент. Если электроинструмент необходим, то следует использовать инструмент с напряжением питания не выше 36 В, а питание его осуществлять через понижающий трансформатор, корпус которого и вторичная обмотка заземлены.
Применение понижающих автотрансформаторов не допускается. Мощность Си-Би передатчиков невелика, однако на концах резонирующих элементов может возникать высокочастотное напряжение величиной до нескольких сот вольт, которое может вызвать ожоги при прикосновении. Поэтому, если расстояние от крыши до антенны менее трех метров, на мачте следует прикрепить предупреждающую табличку:
"Осторожно, опасное напряжение". Эффективность антенны сильно зависит от высоты ее установки, поэтому высоту установки антенны всегда стремятся сделать максимально большой. Если Си-Би передатчик работает в районе аэродрома, то высокая антенна может представлять опасность для пролетающих самолетов. В США существуют правила, согласно которым высота Си-Би антенны не должна превышать 60 футов относительно уровня земли. Если вы живете близко к аэропорту, то высота антенны ограничивается еще больше — один фут высоты для каждой сотни футов от самой близкой взлетно-посадочной полосы.
При работе на чердаках запрещается использование открытого огня и курение. Для освещения следует использовать электрические фонари с автономным питанием.
Рис. 1.24 При установке антенны на высокой мачте необходима ее грозозащита, иначе при попадании молнии может сгореть аппаратура, возникнуть пожар и пострадать люди. Опасность поражения существует не только при прямом попадании молнии, но и при накоплении заряда статического электричества, который возникает при сухой погоде и сильном ветре. Если штырь антенны гальванически соединен с металлической мачтой, а мачта в свою очередь соединена с заземленными металлическими элементами крыши, то заземление обеспечено. Если антенна изолирована от мачты, то необходимо специально позаботиться о заземлении. Наиболее простым способом защиты является использование короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа (длина для стандартного кабеля 182... 184 см), подключенного к фидеру. Экран фидера должен быть заземлен. Шлейф обеспечивает подключение центрального провода кабеля к заземленной оплетке.
В качестве заземления Сложно использовать водопроводные трубы и металлические заземленные конструкции здания. На рис. 1.24 приведена конструкция устройства для подключения заземляющего проводника к водопроводной трубе (использование труб газовой сети запрещается!). Конструкция состоит из хомута 4, винта с заостренным концом 3, пластины 2, контргайки 1. Благодаря заостренному винту надежный контакт с металлической трубой обеспечивается без зачистки краски. Хомут вырезается из жести по размеру трубы. В пластине 2 сверлится отверстие и нарезается резьба под винт с заостренным концом. При отсутствии подходящего метчика пластину 2 можно заменить подходящей гайкой. Заземляющий провод прижимается контргайкой 1 и подключается к корпусу аппаратуры или к оплетке антенного кабеля. Аналогичное приспособление предназначенное для использования в качестве заземления водопроводных труб описано в литературе [33]. В сельской местности в качестве заземления следует использовать металлическую трубу, забитую в грунт до влажного слоя.
Синфазная система из двух полуволновых вибраторов
В некоторых случаях от антенны требуется не максимальное усиление в направлении главного излучения, а максимальное ослабление в определенном направлении. Такая ситуация может возникнуть при близком расположении двух станций, при организации ретранслятора и т.д. При горизонтальной поляризации такая задача решается достаточно просто. Полуволновый диполь, например, имеет минимум излучения (и приема) в направлении оси, проходящей через полотно антенны. Антенны с вертикальной поляризацией обычно имеют круговую направленность. Система из двух вертикальных полуволновых вибраторов, расположенных на расстоянии 1/2 длины волны друг от друга, имеет диаграмму направленности в горизонтальной плоскости в виде восьмерки с минимумом в направлении, проходящем через излучатели (рис. 1.20).
Рис. 1.20
Рис. 1.21
Такая диаграмма получается при синфазном питании излучателей. Для этого длины кабелей от каждой антенны до точки объединения должны иметь равную длину. При параллельном включении двух 50-омных кабелей входное сопротивление уменьшается до 25 Ом. Для согласования с 50-омным выходом трансивера используется четвертьволновый трансформатор сопротивлением 37,5 Ом, составленный из двух включенных параллельно отрезков 75-омного кабеля. При необходимости можно обеспечить переключение диаграммы направленности, если подключить в кабель питания одной из антенн дополнительные отрезки кабеля, обеспечивающие сдвиг фаз.
На рис. 1.21 в качестве примера изображено синфазное включение двух "половинок", каждая из которых согласована с помощью четвертьволнового короткозамкнутого трансформатора.
Укороченная антенна "граундплэйн"
1.8. Укороченная антенна "граундплэйн"
В некоторых случаях, например на автомобиле, невозможно установить полноразмерную антенну. В этом случае используется укороченная антенна "граундплэйн". Согласование осуществляется за счет автотрансформаторного подключения удлиняющей катушки или с использованием согласующего Г-звена. При использовании автотрансформаторного включения удлиняющей катушки резонанс антенны достигается изменением количества витков, а минимальное значение КСВ — подбором точки подключения центральной жилы кабеля к катушке (рис. 1.9).
При использовании согласующего Г-звена (рис. 1.17) значения Cm и Lm для частоты 27,200 МГц вычисляются по формулам:
Cm=240-(Ro-Ra)/Ro, пф
Lm=0,00024-Ra-(Ro-Ra), мкГ, где
Ro — сопротивление фидера, Ом. Ra — активное сопротивление антенны, Ом.
Рис. 1.17
Вычисления показывают, что в диапазоне значений сопротивления антенны Ra от 10 до 25 Ом при Ro=50 Ом величина Lm меняется от 0,096 до 0,15 мкГ, а величина Cm от 960 до 67 пФ. Таким образом, согласование сопротивлений антенны и кабеля достигается в основном подбором величины емкости Cm. Настройка антенны в резонанс осуществляется изменением параметров удлиняющей катушки и контролируется гетеродинным индикатором резонанса. Изменяя величину Cm и подстраивая антенну в резонанс, добиваются минимально возможного значения КСВ. Согласующей индуктивностью Lm может служить часть удлиняющей катушки. В качестве примера приведем параметры укороченной антенны "граундплэйн", предназначенной для установки на автомобиле. Длина антенны — 1,2 метра. Материал — стальная проволока диаметром 2,0 мм. Удлинительная катушка расположена в основании антенны и имеет следующие параметры: диаметр — 20 мм, количество витков — 12, провод ПЭВ диаметром 1,1 мм, длина намотки — 12 мм. Для согласование антенны применяется Г-звено (рис. 1.17). Согласующая индуктивность является частью удлинительной катушки. Ориентировочное значение емкости для согласования с 50-омным кабелем — 30 пФ.
Настройка антенны в резонанс осуществляется изменением длины штыря, а согласование для обеспечения минимального значения КСВ — подбором емкости. На крыше автомобиля антенна устанавливается с помощью магнитного основания. В конструкции используется кольцевой магнит от неисправной динамической головки. Желательно использовать всю магнитную систему от динамической головки. В этой системе кольцевой магнит заключен в стальную чашку с небольшим зазором между боковой стенкой чашки и магнитом. Магнитные силовые линии концентрируются магнитной системой и сила удержания антенны на крыше автомобиля становится больше.
Эскиз антенны приведен на рис. 1.18. Цифрами на рисунке обозначены:
1 — защитный наконечник на конце антенны;
2 — стальной проволочный штырь (1,2 м, диаметр 2 мм);
3 — контргайка крепления штыря;
4 — стальная втулка крепления штыря;
5 — эбонитовый каркас катушки индуктивности (диаметр 20 мм);
.6 — резьбовая шпилька;
7 — медная заклепка;
8 — катушка;
9, 10 — медная заклепка;
11 — стальная пластина;
12 — кольцевой магнит;
13 — фольгированный стеклотекстолит;
14 — гайка;
15 — резьбовая шпилька;
16 — конденсатор;
17 — точка подключения жилы коаксиального кабеля;
18 — точка подключения оплетки коаксиального кабеля;
19 — пластиковый корпус.
Рис. 1.18 Катушка индуктивности наматывается на прочном эбонитовом цилиндре диаметром 20 мм. В торцах цилиндра просверлены отверстия и нарезана резьба М5. В отверстия вкручиваются резьбовые шпильки и фиксируются медными заклепками из провода диаметром 1,5...2 мм. Эти заклепки служат также контактами к которым припаиваются выводы катушки, конденсатора и кабеля. С помощью резьбовых шпилек прикрепляются стальная пластина и резьбовая втулка. Штырь на конце имеет резьбу с помощью которой он крепится к резьбовой втулке. Вкрученный штырь фиксируется контргайкой. Защитный наконечник на конце антенны соединяется со штырем также с помощью резьбы. Для обеспечения максимальной емкостной связи с корпусом автомобиля для диска 13 используется односторонний фольгированный стеклотекстолит минимальной толщины.К фольге припаивается провод, который присоединяется к оплетке коаксиального кабеля. В качестве защитного корпуса используется часть подходящей пластиковой бутылки. Для предотвращения попадания влаги стык деталей 13 и 19 уплотняется герметиком.
Укороченный полуволновый вибратор
В некоторых случаях из-за нехватки места установить полноразмерный полуволновый вибратор затруднительно. В этом случае можно использовать различные приемы геометрического укорочения антенны. При этом электрическая длина должна оставаться равной половине длины волны. Если место ограничено только в горизонтальном направлении, то можно поступить так, как показано на рис. 1.4. Часть вибратора изгибается вниз под прямым углом. В зависимости от соотношения горизонтальной и вертикальной частей меняется усиление антенны и ее входное сопротивление. Эти параметры изменяются относительно мало при увеличении вертикальной части вибраторов от 0 до 1/8 длины волны. При равенстве горизонтальной и вертикальной частей (как изображено на рис. 1.4) усиление уменьшается примерно на 1 дБ, а входное сопротивление — до величины около 50 Ом, что позволяет питать такую антенну непосредственно 50-омным кабелем. Дальнейшее уменьшение горизонтальной части и, соответственно, увеличение вертикальной приводит к резкому снижению коэффициента усиления и входного сопротивления. Благодаря наличию горизонтальных и вертикальных участков вибраторов антенна принимает (и излучает, конечно) электромагнитные волны как горизонтальной, так и вертикальной поляризации. Однако вертикальная составляющая выражена значительно слабее.
Рис. 1.5
Для уменьшения геометрических размеров можно использовать проводник, изогнутый в виде меандра, как это показано на рис. 1.5.
Сжимая или растягивая его, можно добиться резонанса антенны на требуемой частоте. Шаг меандра составляет 15 см, однако этот параметр некритичен. Вместо меандра можно использовать проводник с треугольными изгибами или спираль. Необходимую длину вибраторов можно определить экспериментально. За отправную точку можно положить, что длина "распрямленного" проводника должна быть около 2,75 метра для каждого плеча разрезного вибратора.
При установке одной мачты и использовании гибкого провода в качестве вибраторов удобна конструкция антенны изображенная на рис.1.6.
Рис. 1.6
В радиолюбительской литературе эта антенна называется "Inverted Vee", так как напоминает перевернутую латинскую букву V. Входное сопротивление и коэффициент усиления зависят от величины угла между плечами диполя, а также от высоты подвеса. Чем ближе концы диполя к земле, тем меньше входное сопротивление и усиление антенны. При высоте подвеса центральной части больше половины длины волны и угле между плечами диполя около 90 градусов сопротивление составляет примерно 50 Ом.
Вертикальная антенна "quot;
Наибольшей эффективностью среди Си-Би антенн с круговой диаграммой направленности обладает антенна с длиной вертикального штыря, равной 5/8 длины волны (рис. 1.15).На радиолюбительском жаргоне она имеет сокращенное название "пять восьмых". Усиление ее составляет 5...6 дБд. Антенна имеет наименьший вертикальный угол излучения к горизонту из всех описанных антенн. Диаграммы направленности в вертикальной плоскости антенн типа 5/8, 1/2 и 1/4 (GP) изображены на рисунке рис. 1.16. Эти диаграммы достаточно условны, так как диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости сильно зависит от высоты ее установки над поверхностью земли и от проводимости земли.
Приведенные на рисунке диаграммы получаются при расположении антенн на большой высоте над землей. Тем не менее, при прочих равных условиях, 5/8 более эффективна чем 1/2, а 1/2 имеет большее усиление, чем 1/4.
Конструктивно антенна аналогична "половинке". Некоторые промышленные антенны выпускаются в модификациях 1/2 и 5/8.
Рис. 1.15
Рис. 1.16
Они отличаются наличием противовесов и длиной излучателя. Длина штыря антенны 5/8 должна быть около 6,5 м. Длина каждого из трех горизонтальных противовесов 1,3 м. Согласование антенны с кабелем автотрансформаторное. В качестве автотрансформатора можно использовать катушку индуктивности с параметрами: внутренний диаметр — 18 мм, длина намотки 70 мм, диаметр провода 1,5 мм, число витков — 25. Штырь антенны подключается к верхнему по схеме отводу (ориентировочно 20 витков), оплетка кабеля к нижнему выводу, а центральная жила к нижнему по схеме отводу (ориентировочно 8 витков). Применение автотрансформатора решает проблему молниезащиты при заземлении металлической мачты и оплетки кабеля. Настройка данной антенны аналогична настройке "половинки". Однако следует отметить, что антенна 5/8, более узкополосна и критична в настройке. Возможны также описанные выше способы согласования с использованием четвертьволнового короткозамкнутого трансформатора и П-контура.
