НОВАЯ АНТЕННА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ "ОБ-Е"


Константин ХАРЧЕНКО


Комплекс антенн "ОБ-Е" был создан автором в конце 1979 г. для профессионального приема сигналов KB диапазона на трассах большой протяженности (более 1000 км). В данной статье описывается "средняя" антенна, входящая в комплекс, - антенна высокой направленности. Информация по этой антенне практически недоступна, но по совету редакции журнала "Радио" автор впервые публикует некоторые сведения, достаточные для ее построения в любительских условиях и практического использования.

Антенна схематично показана на рис. 1 ,а. Ее полотно состоит из трех отрезков линейного проводника, расположенных горизонтально над поверхностью земли на высоте h, соосно друг дру-

an-501-1.gif
гу (на одной прямой). Под линейным подразумевают проводник, в том числе и составной, поперечные размеры которого d3 много меньше его длины L:

dэ«L (1)

Понятие о d,, дадим ниже. Длину среднего проводника антенны желательно иметь не менее трех Х,(tm),*, где Хпа,, - самая большая длина волны того диапазона, в котором предполагается работа:

L>3Lmax. (2) Крайние проводники, называемые противовесами, имеют длину (, равную четверти рабочей длины волны Х„:

l=Lo/4. (3) Между крайними проводниками и средним оставляют зазоры Д, которые должны иметь величину порядка

D>2dэ. (4)

К точкам 1-2 зазора Д подводят ЭДС возбуждения (см. рис. 1 ,б). К точкам 3- 4 второго зазора Д подключают согласованную нагрузку-резистор RH. При этом главный лепесток диаграммы направленности (ДН) будет ориентирован в направлении "начало-конец" антенны, где "начало" - место включения источника ЭДС, а "конец" - место включения резистора нагрузки.

Длина предлагаемой "средней" антенны "ОБ-Е" L=120 м. Диаграмма направленности антенны зависит от параметра L/Л и с изменением Л при L=const существенно изменяет свою форму, сужаясь с укорочением длины волны Л. ДН в вертикальной плоскости с изменением L/Л изменяет еще и угол Omax - направление максимального излучения (приема) по отношению к горизонту. Эта закономерность присуща, как известно, всем антеннам KB диапазона. Она неприятна тем, что может приводить к нестыковке углов Omax и O°пр, где 0пр -

угол, под которым приходит фазовый фронт волны корреспондента, отражаясь от ионосферы. В результате такой нестыковки происходит снижение надежности и качества связи.

Рис. 2 характеризует главный лепесток ДН антенны "ОБ-Е" в вертикальной плоскости на крайних волнах KB диапазона. Кривая 1 дана для Xma^lOO м. Кривая 2 -для Лmin=10 м. Можно видеть, что по углу O°0,5, т. е. по углу раскрыва ДН по половинной мощности, "средняя" антенна "ОБ-Е" способна принять (излучить) радиоволны под углами к горизонту, лежащими в пределах 4 < 0°пр < 40.

an-501-2.gif

Рис.2

Чтобы закончить построение антенны, осталось обсудить лишь вопрос о высоте подвеса антенны h. Практически сам автор применял опоры высотой 3-4 м. Однако существует экспериментальная зависимость относительного КУ антенны "ОБ-Е" от высоты h в долях Л. Эта зависимость, полученная в условиях "идеальной" земли (над ме-

an-501-3.gif

Рис. 3

таллической поверхностью), показана на рис. 3.

На этом рисунке, в согласии с экспериментом, по оси ординат слева отложено отношение (КУ)/(КУ)0, где (КУ)0 - есть значение КУ антенны "ОБ-Е", полученное при значении h=0.02Л. По оси абсцисс отложено значение h/Л - значение высоты, взятое в долях от длины волны. Что физически означает зависимость рис. 3 и что она характеризует?

Изменение высоты h/Л в пределах 0<h/Л<0,5 незначительно влияет на КНД антенны, увеличивая его примерно на 1,5 дБ с ростом h/Л, в то время как КУ изменяется в десятки раз. Объясняется это изменением КПД системы "проводник-земля". По мере удаления проводника от земли (с ростом h/Л) уменьшается доля энергии бегущей волны, рассеиваемая в реальной земле на Джоулево тепло и поглощаемая в нагрузке, а доля энергии, идущая на излучение, соответственно увеличивается.

Как видно из рис. 3, наблюдается почти линейная зависимость КУ=f(h/Л) - коэффициента усиления от высоты подвеса h в пределах 0 < h < 0,5Л, с быстрым ростом функции. Можно полагать, что в условиях реальной земли с потерями энергии рост функции KУ=f(h/Л) на начальном участке кривой будет еще быстрее. Отсюда следует важный практический вывод, что надо использовать любую возможность для увеличения высоты h при строительстве антенны "ОБ-Е".

Описывая практическую конструкцию антенны и давая рекомендации по ней, автор понимает, что в реальных условиях они могут быть реализованы не каждым, кто захочет ими воспользоваться. Это означает, что и параметры антенны будут отличаться в соответствии с различиями в конструкции. Тем не менее считаю необходимым задать все требования по разумному максимуму, чтобы каждый знал, к чему стремиться и почему.

Начнем с определения понятия эквивалентного диаметра проводника dэ. Известно, что составной проводник, выполненный из нескольких проводников, имеющих диаметр d0=2r0 и расположенных параллельно друг другу на некотором расстоянии, ведет себя как сплошной, диаметр которого dэ будет больше, чем d0. Для составного проводника, сделанного из двух проводников, с диаметром d0 каждый и разнесенных относительно друг друга на расстояние S, справедливо соотношение

гэ=dэ/2=SQR(roS). (5) Выбор эквивалентного диаметра d3 определяется следующими факторами:

- увеличением коэффициента усиления (КУ) антенны с ростом d3;

- обеспечением согласования с питающим фидером;

- стоимостью антенны;

- сложностью ее конструкции.

Понижение волнового сопротивления ZB проводника достигается увеличением его эквивалентного радиуса гэ. Увеличение гэ влечет за собой улучшение всех электрических характеристик, а заодно увеличение сложности и стоимости антенны. Волновое сопротивление проводника можно рассчитать по формуле Кессениха:

ZB = 60 (lnЛ/пrэ - 0,577). (6)

Как видно, ZB зависит от длины волны X и по KB диапазону будет изменяться. С этим обстоятельством приходится мириться. Простейший составной проводник включает в себя только два проводника. Возьмем медную или алюминиевую проволоку (можно антенный канатик) диаметром d0 = 2г0 = 4 мм. Тогда на длине волны X = 31,6 м (среднегеометрической длине волны всего KB диапазона) для получения значения ZB = 300 Ом составной проводник будет выглядеть так, как показано на рис. 4. Здесь два проводника радиусом г„ = 2 мм разнесены относительно друг друга на 750 мм либо по вертикали, либо по горизонтали. Разнос по горизонтали предпочтительнее, так как делает КПД антенны более высоким. Столбы-опоры 1 на рис. 4 должны быть нетокопроводящими. Это могут быть, например, асбестоцемент-ные трубы.

Позицией 2 на рис. 4 показаны изоляторы, лучше керамические, любого типа. Позицией 3 показана траверза. Она мо-

an-501-4.gif
жет быть металлической и перемыкать между собой проводники 4. Сопротивление резистора нагрузки для антенны должно равняться волновому сопротивлениюг RH=ZB=300 OM.

Антенну можно и нужно использовать как в режиме приема, так и в режиме передачи. С учетом ослабления волны тока по мере ее распространения от начала к концу антенны резистора мощностью 5... 10 Вт должно "хватить" для передатчика с отдаваемой мощностью Р0 = 50 Вт.

В качестве фидера для питания антенны можно применить коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 или 50 Ом. В этом случае между фидером и точками 1-2 зазора Д должен быть включен симметрирующий, он же согласующий трансформатор. В зависимости от типа кабеля коэффициент трансформации п будет равен: п, = 300/75 = 4; П2 = 300/50 = 6. (7)

Повышающая обмотка трансформатора должна быть симметричной и не иметь заземленной средней точки. Подключать фидер в точки 1 -2 зазора А без симметрирующего трансформатора нельзя! Трансформатор должен выдерживать проходящие через него токи при работе на передачу.

На рис. 5 схематично показана конструкция точек 1 -2 и 3-4 в зазорах Д. Позицией 1 обозначен керамический палочный изолятор (силовой изолятор); 2 - корпус трансформатора; 3 - резистор Р„; 4 - коаксиальный фидер, остальные размеры пояснений не требуют. Суть рисунка заключается в том, чтобы показать необходимость снять механические нагрузки от натяжения проводников антенны с тех проводников, которые

идут непосредственно к трансформатору и резистору. Резистор и особенно трансформатор следует защитить от непогоды, спрятав в диэлектрические обтекатели (чехлы), не забыв предусмотреть снизу отверстия для стока воды - конденсата.

Проводники-противовесы 3 можно выполнить из одиночного провода с d0 = 4 мм. Его длину I = Xma^/4 следует сделать по самой длинной волне Х(tm)* того диапазона, в котором прогнозируется работа. Для перехода на волну Хо < А(tm)^ нужно сделать перемычки, которые позволят укоротить противовес, отключив его часть со стороны конца, рис. 6. В качестве перемычки могут служить две солидные клеммы 1, зажимаемые болтом и гайкой. Электрический контакт в месте стыка проводников перемычки должен быть очень надежным. Скреплять перемычку должен изолятор 2, например, орешковый.

Конец противовеса 3 через изолятор (например, орешковый) 4, фиксируется

an-501-5.gif

Рис. 5

an-501-6.gif

Рис. 6

к оконечной опоре 5. Оконечная опора отличается от промежуточной, например, 6, тем, что имеет контроттяжку 7 с винтовым натяжителем 8 (типа талреп). Контроттяжка 7 заканчивается якорем 9. Простейший якорь 9 представляет собой трубу или брусок, зарытый в землю и затрамбованный (зацементированный).

В перечисленных вопросах простор для индивидуального творчества неограничен в рамках достижения поставленной цели. Число перемычек должно быть достаточным для того, чтобы в желаемом для работы диапазоне частот можно было переходить с одной волны на другую, учитывая, что одну перемычку можно использовать в некоторой полосе изменения Х„ (±5...7,5 % от Х„). Оба противовеса должны быть одинаковыми во время работы на данной длине волны Х„.

Так как антенна "ОБ-Е" имеет высокую направленность, то, соответственно, она имеет значительный эффективный раскрыв. Например, на длине волны X = 40 м его диаметр равен 100 м. Это налагает требование на ширину площадки перед антенной. Она должна быть не меньше этого диаметра.

Для приема радиоволн, приходящих под низким углом к горизонту впр = 4°, необходимо, чтобы не было объектов с высотой более 30 м, находящихся ближе полукилометра от конца антенны.


Радио 5/2001, с.62-63.