Как настроить антенну для передатчика

Настройка передающих антенн

Качество работы радиопередающего устройства а значительной степени определяется антенной, излучающей электромагнитную энергию в пространство. Необходимо, чтобы возможно большая часть энергии, подводимой от передатчика к антенне, излучалась в пространство, иначе говоря, чтобы коэффициент полезного действия антенны был возможно больше. Добиться максимального к.п.д. можно путем правильной настройки антенны.

Среди наших коротковолновиков наибольшее распространение получили в основном два типа антенн: полуволновая с питанием напряжением (“Цеппелин”) и полуволновая антенна с однопроводным фидером, питаемая бегущей волной — “Американка”. Существующие для расчетов этих антенн формулы довольно приближенны, так как совершенно не учитывают влияние на параметры антенны ее высоты и близко расположенных крыш, стен и т. д. Вследствие этого собственная волна антенны оказывается отличной от той, которая должна была получиться по расчету. В результате часть мощности, подводимой от передатчика к антенне, бесполезно теряется.

По сведениям американского коротковолновика Шнелль, приведенным в журнале “QSТ”, построенная им антенна типа “Цеппелин” первоначально имела по расчету длину 20 м 10 см. При подводимой мощности последнего каскада в 1 квт ток в антенне был 1,94 А. При полном сопротивлении антенны в 70 ом мощность в ней равнялась только 260 W (по формуле V = I 2 R), когда же укоротили антенну на 50 см, ток в ней возрос до 2,72 А и мощность возросла вдвое—до 540 W.

Этот пример ярко показывает значение точной настройки передающей антенны.

Обычно любитель, построив антенну по расчетным данным и получив неудовлетворительные результаты, стремится увеличить мощность передатчика. Однако и при небольшой мощности можно получить хорошие результаты при правильно настроенной антенне. Особенно большое значение настройка антенны имеет при работе на одной фиксированной волне, например при стабилизации передатчика кварцем.

Настройка “Цеппелина” состоит в точной подгонке длины излучающей части антенны на волну передатчика. Если излучающая часть антенны имеет неправильную длину, то при настройке антенны при наличии фидерных конденсаторов (рис. 1) узел тока, который должен находиться в точке присоединения фидера к излучающей части, смещается или в сторону фидера или в сторону излучающей части.

Несимметричное распределение тока в фидерах влечет за собой увеличение их излучения и потери энергии в них. Наивыгоднейшие условия работы излучающей части антенны будут в том случае, когда узлы тока будут точно на ее концах, и излучающая часть колеблется на собственной волне или гармонике. Распределение тока в фидерах должно быть таким же, как и при отсутствии излучающей части, т. е. узел тока должен быть на открытом конце фидера и пучность тока — в точке возбуждения. Только при атом условии внешнее поле вокруг фидера и потери будут минимальными. Наиболее целесообразно излучающие части и фидер настраивать в отдельности.

Порядок настройки антенны “Цеппелин” следующий. В точке соединения фидера с излучающей частью ставится, как показано на рис. 1, изолятор. Излучающая часть может быть отсоединена или присоединена к фидеру посредством щипка А. Отсоединив излучающую часть от фидера, натягивают антенну и связывают фидер с передатчиком, причем связь берется слабой. Затем настраивают фидер в резонанс и замечают деление фидерных конденсаторов. После этого спускают антенну, присоединяют излучающую часть к фидеру, натягивают ее снова и вторично настраивают фидер в резонанс. Если резонанс получается при том же положении фидерных конденсаторов, как и при отсоединенной излучающей части, длина излучающей части совершенно правильна. Если же емкость увеличилась, излучающая часть слишком коротка, если уменьшилась — слишком длинна. Для облегчения настройки вместо изолятора, отделяющего излучающую часть от фидера, лучше поставить обычный рубильник, добавив к нему небольшую пружину, как показано на рис. 2. К ручке рубильника привязывается бечевка. Таким образом управлять рубильником можно с крыши или даже из окна станции.

При настройке волна передатчика должна держаться строго постоянной. Если передатчик работает с самовозбуждением, необходимо следить за его волной по монитору или хотя бы по приемнику, слушая передатчик на гармонике.

Этим методом настройки можно подогнать излучающую часть антенны на волну передатчика с точностью до 10 см, при длине излучающей части около 20 м.

Настройка “Американки” несколько сложнее, чем настройка “Цеппелина”, так как необходимо не только подогнать излучающую часть антенны, но и найти правильное положение точки присоединения фидера. Если фидер присоединен неправильно, его волновое сопротивление будет отличаться от волнового сопротивления антенны, и в фидере наряду с бегущими волнами будут также и стоячие. В результате фидер будет излучать и потери в нем возрастут. На рис. 3 показано распределение тока в антенне при правильном А и неправильном В присоединении фидера. Так же как и при “Цеппелине”, наилучшие результаты получаются в том случае, когда антенна настроена точно на основной волне или гармонике.

При настройке “Американки” соблюдается такой порядок: сначала настраивается излучающая часть, а затем уже находится правильное положение точки присоединения фидера. В точке присоединения фидера к излучающей части ставится рубильник (рис. 2), посредством которого излучающая часть может быть отключена от фидера. Управлять рубильником лучше при помощи бечевки с крыши или с земли. Для подгонки излучающей части антенны на волну передатчика необходим монитор. Сначала отключают излучающую часть от фидера, связывают фидер с контуром передатчика (связь берется слабой) и настраивают передатчик по монитору на рабочую волну. Если передатчик работает с независимым возбуждением или с кварцем, то заставляют последний каскад работать на самовозбуждении и настраивают его на волну задающего генератора. Затем приключают излучающую часть к фидеру. Если длина излучающей части правильна, волна передатчика при этом не изменится. Если же антенна коротка или длинна, волна передатчика в обоих случаях укоротится. Это укорочение будет тем больше, чем больше длина излучающей части будет отличаться от правильной. Укорачивая или удлиняя антенну и замечая по монитору, насколько присоединение излучающей части к фидеру укорачивает волну передатчика, можно добиться отсутствия влияния приключения антенны к передатчику и значит — подогнать излучающую часть на рабочую волну. Точность этого метода достигает 10 —15 см при длине излучающей части около 20 м.

Подогнав излучающую часть, находят правильную точку прикрепления фидера. Для этой цели лампочкой от карманного фонаря шунтируется средняя часть антенны длиною в 40—80 см, а фидер передвигают по антенне до тех пор, пока свечение лампочки не будет максимальным. Конечно лучше для этой настройки применять тепловой амперметр, включив его в пучность тока антенны, но и с лампочкой можно получить хорошие результаты.

Необходимо заметить, что этот метод правилен только в том случае, когда излучающая часть антенны настроена на волну передатчика. Расстройка изменит распределение тока в антенне и приведет к ошибочному показанию амперметра или лампочки.

ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ АНТЕННЫ

Если в распоряжении любителя имеется довольно точный тепловой амперметр, он может произвести измерение полного сопротивления своей антенны и определять мощность в ней. Для точного измерения полного сопротивления необходимы очень сложные приборы. Но, пользуясь простым методом подбора сопротивления, можно получить достаточно точные для любительской практики результаты. Для измерения изготовляется безиндукционное переменное сопротивление, конструкция которого показана на рис. 4.

В качестве сопротивления используется графит от карандаша, полное сопротивление его должно быть 80—100 ом. Это безиндукционное сопротивление включается в пучность тока излучающей части антенны рядом с амперметром (рис. 5).

Сначала измеряется ток в антенне при замкнутом накоротко сопротивлении. Допустим, что ток будет равен одному амперу, Затем включается сопротивление, и величина его подбирается такой, чтобы ток в антенне уменьшился вдвое (для нашего примера до 0,5 А). После этого определяют величину включенного графитового сопротивления на мостике Уитстона. Полученное значение сопротивления и будет равняться полному сопротивлению антенны. Зная полное сопротивление антенны и ток в ее пучности, нетрудно подсчитать мощность в антенне по формуле W = I 2 R.

Б. Кашкин U9АВ и Б. Хитров U9AF
Журнал «Радиофронт» N6, 1936 год.

Материал подготовил Катерин Олег (UA9FGD).

Источник

Настройка и согласование антенно-фидерных устройств

В предисловии к своей книге «Антенны», Ротхаммель в первой же строке повторил известную истину : хорошая антенна — лучший усилитель высокой частоты. Однако многие радиолюбители иногда забывают о том, что построить хорошую антенную систему стоит столько же, сколько стоит хороший трансивер и наладка антенно- фидерного устройства требует такого же серьезного подхода как и наладка приемо-передатчика. Построив антенну по взятому откуда- нибудь описанию, радиолюбители чаще всего налаживают ее с помощью КСВ-метра, либо вообще полагаются на случай и не производят никаких измерений. Поэтому во многих случаях можно услышать отрицательные отзывы о неплохих антеннах ,или что для повседневных связей им недостаточно разрешенной мощности. Здесь сделана попытка в краткой форме сделать обзор простых способов согласования и измерений в АФС (антенно-фидерных системах) в виде путеводителя по книгам (далее по тексту ссылки по номерам):

К.Ротхаммель «Антенны», М., «Энергия», 1979 третье издание
З.Беньковский, Э.Липинский, «Любительские антенны коротких и ультракоротких волн», М., «Радио и связь», 1983

а также приведены некоторые практические советы. Итак.

Почему нельзя серьезно относиться к наладке вновь созданных антенно- фидерных устройств с помощью КСВ-метра? КСВ-метр показывает отношение (Uпрям+Uотр) к (Uпрям-Uотр) или другими словами во сколько раз отличается импеданс антенно-фидерного тракта от волнового сопротивления прибора (выход передатчика, например). По показаниям КСВ-метра нельзя понять, что значит КСВ=3 при сопротивлении выходного каскада 50 Ом. Волновое сопротивление антенно-фидерного тракта в этом случае может быть чисто активным (на частоте резонанса ) и может быть равным 150 Ом или 17 Ом (и то и другое равновероятно!). Не на частоте резонанса сопротивление будет содержать активную и реактивную (емкостную или индуктивную )в самых различных соотношениях и тогда совершенно непонятно, что надо делать — то ли компенсировать реактивность, то ли согласовывать волновое сопротивление. Для точного согласования АФУ необходимо знать:

a) реальную резонансную частоту антенны;
б) сопротивление антенны;
в) волновое сопротивление фидера;
г) выходное сопротивление приемо-передатчика.

Целью согласования антенны является задача выполнения двух условий подключения антенны к приемо-передатчику:

добиться отсутствия реактивной составляющей в сопротивлении антенны на используемой частоте.
добиться равенства волнового сопротивления антенны и приемо-передающей аппаратуры.

Если эти условия выполняются в месте запитки антенны (точка соединения антенны с фидером), то фидер работает в режиме бегущей волны. Если выполнить условия согласования в месте соединения фидера с приемо-передатчиком, а сопротивление антенны отличается от волнового сопротивления фидера, то фидер работает в режиме стоячей волны. Однако работа фидера в режиме стоячей волны может повлечь за собой искажение диаграммы направленности в направленных антеннах (за счет вредного излучения фидера) и в некоторых случаях может привести к помехам окружающей приемопередающей аппаратуре. Кроме того, если антенна используется на прием, то на оплетку фидера будут приниматься нежелательные излучения (например помехи от вашего настольного компьютера). Поэтому предпочтительнее использовать питание антенны по фидеру в режиме бегущей волны. До того как поделиться практическим опытом согласования антенн, несколько слов об основных способах измерений.

1. ИЗМЕРЕНИЕ РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫ АНТЕННЫ

1.1. Наиболее простой способ измерения резонансной частоты антенны- с помощью гетеродинного индикатора резонанса (ГИР). Однако в многоэлементных антенных системах измерения ГИРом бывает выполнить сложно или совсем невозможно из-за взаимного влияния элементов антенны, каждый из которых может иметь свою собственную резонансную частоту.

1.2. Способ измерения с помощью измерительной антенны и контрольного приемника. К измеряемой антенне подключается генератор, на расстоянии 10-20l от измеряемой антенны устанавливается контрольный приемник с антенной, которая на этих частотах не имеет резонансов (например короче l/10). Генератор престраивается в выбраном участке диапазона, с помощью S-метра контрольного приемника измеряют напряженность поля и строят зависимость напряженности поля от частоты. Максимум соответствует частоте резонанса. Этот способ особенно применим для многоэлеметных антенн, В этом случае измерительный приемник необходимо располагать в главном лепестке диаграммы направленности измеряемой антенны. Вариант этого способа измерения — применение в качестве генератора, передачика мощностью в несколько Ватт и простого измерителя напряженности поля(например [1], Рис 14-20.). Однако надо учесть, что при измеренях вы будете создавать помехи окружающим. Практический совет при измерениях в диапазоне 144-430 мГц — при измерениях, не держите в руках измеритель напряженности поля, чтобы ослабить влияние тела на показания прибора. Закрепите прибор над полом на высоте 1-2 метра на диэлетрической подставке (например дерево, стул) и снимайте показания, находясь на расстоянии 2-4 метра , не попадая в зону между прибором и измеряемой антенной.

1.3. Измерение с помощью генератора и антенноскопа (например [1], Рис 14-16). Этот способ применим в основном на HF и не дает точных результатов, но позволяет попутно оценивать и сопротивление антенны. Суть измерений заключается в следующем. Как известно, антенноскоп позволяет измерять полное сопротивление (активное+реактивное). Т.к. антенны обычно запитывают в пучности тока (минимум входного сопротивления) и на частоте резонанса отсутствует реактивность, то на резонансной частоте антенноскоп будет показывать минимальное сопротивление, а на всех остальных частотах чаще всего оно будет больше. Отсюда и последовательность измерений — перестраивая генератор, измеряют входное сопротивление антенны. Минимум сопротивления соответствует резонансной частоте.Одно НО — антенноскоп необходимо подключать обязательно прямо в точке питания антенны, а не через кабель! И практическое наблюдение — если рядом с вами находится мощный источник радиоизлучения (теле или радиостанция), из-за наводок антенноскоп никогда не будет балансироваться «в ноль» и производить измерения становится практически невозможно.

1.4. Очень удобно определять резонансную частоту вибраторов с помощью измерителя АЧХ. Подключив выход измерителя АЧХ и детекторную головку к антенне, определяют частоты , на которых видны провалы в АЧХ. На этих частотах антенна резонирует и происходит отбор энергии с выхода прибора, что хорошо видно на экране прибора. Для измерений подходят практически любые измерители АЧХ (Х1-47, Х1-50, Х1-42, СК4-59). Вариант измерений- с помощью анализатора спектра (СК4-60) в режиме с длительным послесвечением и внешнего генератора. В качестве внешнего генератора можно использовать генератор гармоник: на HF- с шагом 10 кГц, на 144 мГц- с шагом 100 кГц, на 430 мГц- с шагом 1 мГц. На частотах до 160 мГц наиболее ровномерный спектр с высокой интенсивностью гармоник дает схема генератора гармоник на интегральной схеме 155ИЕ1 . В диапазоне 430 мГц достаточный уровень гармоник можно получить в схеме с накопительным диодом 2А609Б (схема калибратора 50 мГц из СК4-60).

2. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ В АНТЕННО-ФИДЕРНЫХ УСТРОЙСТВАХ.

2.1. Самый простой (еще доступный по цене) серийно выпускаемый прибор, для измерений активного сопротивления и фазы сигнала (а значит и реактивной составляющей)- это измерительный мост. Существует несколько модификаций этих приборов для использования с 50 и 75-омным трактом и на различные диапазоны частот до 1000 мГц — это измерительные мосты Р2-33. Р2-35.

2.2 В радиолюбительской практике чаще используют более простой вариант измерительного моста, предназначенного для измерений полного сопротивления (антенноскоп). Конструкция его, в отличие от мостов Р2-33. очень проста и легко повторяется в домашних условиях ([1], стр. 308-309).

2.3 Полезно помнить некоторые замечания, касающиеся сопротивлений в АФС.

2.3.1. Длинная линия с волновым сопротивлением Zтр и с электрической длиной l/4, 3 х l/4 и т.д. трансформирует сопротивление , которое можно рассчитать из формулы

либо по Рис. 2.39 [2]. В частном случае, если один конец l/4 отрезка разомкнуть, то бесконечное сопротивление на этом конце отрезка трансформируется в ноль на противоположном конце (короткое замыкание) и такие устрой- ства используют для трансформации больших сопротивлений в малые. Внимание! Эти виды трансформаторов эффективно работают только в узком частотном диапазоне, ограниченом долями процентов от рабочей частоты. Длинная линия с электрической длиной кратной l/2 вне зависимости от волнового сопротивления этой линии трансформирует входное сопротивление в выходное с отношением 1:1 и их используют для передачи споротивлений на необходимое расстояние без трансформации сопротивлений, либо для переворачивания фазы на 180°. В отличие от l/4 линий, линии l/2 обладают большей широкополосностью.

2.3.2. Если антенна короче , чем вам необходимо, то на вашей частоте сопротивление антенны имеет реактивную составляющую емкостного характера. В случае, когда антенна длиннее, на вашей частоте антенна имеет рективность индуктивного характера. Разумеется на вашей частоте нежелательную реактивность можно компенсировать введением дополнительной реактивности противоположного знака. Например, если антенна длиннее, чем это необходимо, индуктивную составляющую можно компенсировать включением последовательно с питанием антенны емкости. Значение необходимого конденсатора можно рассчитать для нужной частоты, зная значение индуктивной составляющей (см. Рис 2.38 [2]), либо подобрать экспериментально, как это описано в пункте 5.

2.3.3. Введение дополнительных пассивных элементов обычно понижает входное сопротивление антенны (например для квадрата: со 110-120 Ом до 45-75 Ом).

2.3.4. Ниже приведены теоретические значения наиболее часто встречающихся вибраторов (вибраторы находятся в свободном от окружающих предметов пространстве), антенн и фидеров:

полуволновый вибратор с запиткой в пучности тока (в середине) — 70 Ом, при расстройке на +-2% реактивное сопротивление iX изменяется практически линейно от -25 до +25 с нулем на частоте резонанса;
полуволновый вибратор с запиткой с помощью Т-образной схемы согласования -120 Ом; — петлевой вибратор с одинаковыми диаметрами всех проводников- 240..280 Ом, при расстройке +-1% реактивного сопротивления нет, но при расстройках более 2% реактивное сопротивление iX резко возрастает до +- 50 и более (см. Рис 2.93 [2]);
петлевой вибратор с различными диаметрами проводников (см таб. 1.15 [1] или Рис. 2.90в [1]) — до 840 Ом; — двойной петлевой вибратор с одинаковыми диаметрами всех провод- ников — 540. 630 Ом;
двойной петлевой вибратор с различными диаметрами проводников (см. таб. 1.16 [1] или Рис 2.91 [2]) — до 1500 Ом;
четвертьволновый вертикальный вибратор с противовесами под углом 135° по отношению к вибратору — 50 Ом;
четвертьволновый вертикальный вибратор с противовесами под углом 90° по отношению к вибратору — 30 Ом;
вибратор в виде квадрата длиной l — 110..120 Ом; — вибратор в виде квадрата длиной 2l (два витка) — 280 Ом;
вибратор в виде теругольника (дельта) — 120. 130 Ом;
Inverded-V с углом раскрыва 90° — 45 Ом;
Inverted-V с углом раскрыва 130° — 65 Ом;
волновой канал, оптимизированый на максимальное усиление — 5. 20 Ом;
волновой канал, оптимизированый на наилучшее согласование — 50 Ом;
двухпроводная линия (Рис 2.26 [2]) — 200..320;
две параллельные коаксиальные линии Z=75 Ом — 37.5 Ом;
то же, четвертьволновый трансформатор Zвх=50 Ом — Zвых=28 Ом;
то же, четвертьволновый трансформатор Zвх=75 Ом — Zвых=19 Ом;
две параллельные коаксиальные линии Z=50 Ом — 25 Ом;
то же, четвертьволновый трансформатор Zвх=50 Ом — Zвых=12.5 Ом;
то же, четвертьволновый трансформатор Zвх=75 Ом — Zвых=8.4 Ом
трансформатор из трех параллельных линий Z=50 Ом Zвх=50 — Zвых=5.6 Ом;
то же Z=50 Ом Zвх=75 — Zвых=3.7 Ом;

3. ИЗМЕРЕНИЕ СТЕПЕНИ СОГЛАСОВАНИЯ

Эти измерения желательно делать уже после согласования, описанного в п. 5 для оценки качества согласования.

3.1. Приборы для определения степени согласования открытых двухпроводных линий с антенной:

3.1.1. Обычная неоновая лампочка или ГИР. При перемещении лампочки вдоль линии передачи, яркость свечения лампочки не должна изменяться (режим бегущей волны). Вариант измерений — прибор, состоящий из петли связи, детектора и стрелочного индикатора (см. Рис. 14.8 [1]).

3.1.2. Двухламповый индикатор (см. рис. 14.7 [1]). Настройкой добиваются, чтобы лампочка подключеная к плечу, близкому к антенне, не светилась, а в противополжном плече свечение было максимально. При малых уровнях мощностей можно использовать детектор и стрелочный индикатор вместо лампочки.

3.2. Приборы для определения степени согласования в коаксиальных трактах:

3.2.1. Измерительная линия — прибор, который применим для измерения степени согласования в коаксиальных и волноводных линиях начиная с УКВ и заканчивая сантиметровым диапазоном волн. Кострукция его несложная — жесткий коаксиальный кабель (волновод) с продольной щелью во внешнем проводнике, вдоль которой перемещается измерительная головка с измерительным зондом, опущеным в щель. Перемещая измерительную головку вдоль тракта, определяют максимумы и миниммумы показаний, по соотношению которых судят о степени согласования (режим бегущей волны — показания не изменяются по всей длине измерительной линии).

3.2.2. Измерительный мост (рис.14.18 [1]). Позволяет измерять КСВ в линиях переадчи до 100 Ом на HF и VHF при подводимой мощности около сотен милливатт. Очень простая в изготовлении кострукция, не содержит моточных улов, конструктивных узлов, критичных к точности изготовления.

3.2.3. КСВ-метры на основе рефлектометров. Описано множество конструкций этих приборов (например Рис. 14-14 [1]. Позволяют следить за состоянием АФC в процессе работы в эфире. 3.2.4. КСВ-метры на основе измерителей АЧХ. Очень удобные для изучения качества согласования на любых частотах, вплоть до 40 гГц. Принцип измерений — измерительный комплект приборов состоит из измерителя АЧХ и направленного ответвителя, соединенных в следующую схему:

1
X1-47

>———————>3
2
0 0

Источник