Пятница, 24.11.2017, 11:55
Сайт Радиолюбителей Донецкой Магистрали
Главная Регистрация Вход
Приветствую Вас, Гость · RSS
Меню сайта
Форма входа
Логин:
Пароль:
Категории раздела
Историческое [1]
Антены [1]
Polls
Оцените мой сайт
Всего ответов: 33
 Каталог статей
Главная » Статьи » Антены

Практика эксплуатации многодиапазонных проволочных антенн на коллективной радиостанции UT1IZZ
Практика эксплуатации многодиапазонных проволочных антенн на коллективной радиостанции UT1IZZ

   Для радиолюбителя, коллективной радиостанции при выборе типа приемопере-дающих антенн определяющим, без всякого сомнения, являются главные задачи, которые мы ставим перед собой . Участие в международных или региональных соревнованиях, работа на «DX» или участие в «круглых столах» определяют наш выбор антенного хозяйства. Большин-ство радиолюбителей оборудуют себе проверенные опытом других и наиболее подходящие к своим условиям месторасположения антенны. Чаще всего это дает результат сразу. Настоя-щими учебниками для многих радиолюбителей стали книги об антеннах К. Ротхаммеля, З.Беньковского и Э.Липинского, но при этом несправедливо умалчивались труды и разработки многих авторов Советского Союза. Видимо срабатывало то, что большинство научных раз-работок шли под грифом «Секретно», «Для служебного пользования» и т. д. В последние го-ды ослабление цензурных функций государств привело к появлению на «книжных рынках» России и Украины большого количества литературы об антеннах и, к сожалению, не всегда высокого качества, но появились и книги авторов многие годы работавших на «космос и оборонку». Об одной из таких книг В.В.Овсянникова, адресованной инженерам и техникам, конструирующим антенны, и опыте использования разработок автора этой книги в теории антенн на коллективной радиостанции UT1IZZ в этой статье.
   Первой антенной на UT1IZZ была проволочная антенна, которая имеет (если рассматривать ее в плане) три плеча, два из которых - симметричный диполь, с длиной каждого плеча по 29 метров, а третье плечо, длиной 107 метров, было почти перпендикулярно диполю. Продолжением этих проводов была трехпроводная открытая линия длиной 10 метров, входившая в комнату - операторскую. Относительно сторон света плечи располагались таким образом:


  • два плеча по 29 метров – на Север и на Юг;
  • одно плечо 107-ми метровое – на Юго-восток восток.

   Средняя высота подвеса провода 12 метров от земли и, при этом, короткие лучи опускались к земле до высоты 5 метров. Согласование антенны с передатчиком при помощи параллель-ного контура, где катушка индуктивности диаметром 95 мм, бескаркасная, провод 6 мм, медь посеребренная, 18 витков, конденсатор емкостью около 500 пф, с зазором между пластина-ми 3мм. Использовались разные комбинации включения лучей, что давало возможность ра-ботать в диапазонах 160( питание по току), 80, 40, 20, 18, 15 и 10 метров при удовлетвори-тельных результатах. Максимальная мощность передатчика при участии в соревнованиях (подводимая - по постоянному току) составляла 500 Ватт, а ежедневная, стандартная около 200 Ватт.
   Как рассказывал один из радиолюбителей – железнодорожников россиян,на электрифицированных участках железнодорожного транспорта действует норматив, сог-ласно которого использование радиоприемных устройств (кроме радиостанций с частотной модуляцией) в зоне ближе 170 метров от ближайшего тягового контактного провода не рекомендуется из-за очень высокого уровня помех. Для радиолюбительских приемников с высокочувствительными входными цепями этот норматив можно увеличить в несколько раз. От нашей антенны до контактного провода около 50 метров, кроме того, более 20 цехов пред-приятия со всевозможными электромашинами, приборами, сварочным оборудованием, испытательными стендами и т.д. и т.п. увеличивали шумы. Выход был один. Увеличить соотношение полезный сигнал-шум с помощью специальной антенной системы. Расположение помещения операторской «коллективки», на втором этаже Красного уголка предприятия, от которого до ближайшего здания-цеха ремонта локомотивов 100 метров (высота этого цеха 14 метров) позволяло выполнить антенну практически параллельно земле. На крыше цеха было установлено несколько вертикальных деревянных брусьев длиной по 4,5 метра с расстоянием между ними по 20-30 метров и по ним растянута рыболовная леска толщиной 2 мм. К леске подвесил медный обмоточный провод диаметром 0,7 мм, прикрепив его к леске с помощью отрезков такого же провода в виде 4-5 витков вокруг несущей лески и антенного провода. Длина антенны рассчитывалась по формуле
Code
L = 150 (n+0.95-1)/f
,
где:
  • L - длина провода;
  • n -число полуволн диапазона, на который рассчитывалась антенна;
  • 0,95-коэфициент укорочения для вибраторных антенн;
  • f - частота середины диапазона.

Результаты были хорошие, но только на одном диапазоне, что объясняется узкой полосой пропускания антенны. Новая проблема заставила открыть учебники.


Теория антенн предлагает несколько вариантов расширения полосы пропускания. Это утолщение непосредственно вибратора, выполнение его из нескольких параллельно рас-положенных проводов равной длины (диполь Надененко) или системы проводов по внешним контурам, напоминающим крылья мотылька, морковку, цилиндр, конус и т.д., петлевые ви-браторы. Практически во всех источниках, которыми пользуется подавляющее большинство радиолюбителей, эти варианты описаны и прокомментированы. Но неожиданно с книжной полки на стол легла давно купленная, но не востребованная, книга В.В.Овсянникова «Вибраторные антенны с реактивными нагрузками» (Издательство Радио и связь г. Москва, тираж 11000 экземпляров). Изложенная в книге теория, несмотря на внешнюю физико-математическую сложность и насыщенность графиками описывающими результаты экспериментальных исследований автором вибраторных (и не только вибраторных) антенн в области частот от 600 до 3000 МГц, была необычной, интересной и увлекательной, давала массу новых идей в проектировании антенн. Следует напомнить опыт Эрнеста Ильича Гуткина (UT1MA), его творческий подход к проектированию известных многим вертикальных многодиапазонных радиолюбительских антенн. На мой вопрос, «Каким образом Вам удается рассчитать такую сложную многодиапазонную антенну?» он ответил: «Методом подобия. Пропорциональное уменьшение (или увеличение) всех составляющих частей системы позволяет построить уменьшенную во много раз заданную конструкцию, испытать ее на высоких частотах и, увеличив, перенести в НЧ диапазоны. Система работает».
Первые опыты на UT1IZZ показали, что я на верном пути. Рассчитанная по теории В.В.Овсянникова антенна для диапазона 40 метров общей длиной 275 м с включенными в разрыв антенны 3-мя конденсаторами в дальнем конце антенны в точках 10, 30 и 50 метров считая от конца провода, т.е. в точках кратных нечетным четвертям 40 метрового диапазона заработала с хорошими результатами в диапазонах 160, 80, 40 и 20метров. Антенна легко согласовывалась во всех диапазонах обычным параллельным контуром и при стандартной для 1-й категории мощности 200 Ватт позволяла на 40 метрах работать с Дальним Востоком и Камчаткой с рапортами 57 в оба конца, а все кто ближе 59 с большими плюсами в оба конца. Диаграмма на этом диапазоне получалась круговая в зоне 3000 км с хорошо выраженным лепестком на Восток. На 80 метровом диапазоне круговая диаграмма в радиусе1500 км с хорошим лепестком на Восток, но уже появились зоны с провалами в диаграмме. Менее активная работа в диапазонах 160 и 20 метров, тем не менее, доставляла удовольствие от хороших связей, как на ближних, так и на дальних трассах. Многие корреспонденты в эфире живо интересовались необычностью и простотой конструкции, дающей высокую эффективность приемо-передающей системы, многим обещал на сайте коллективной радиостанции UT1 IZZ рас-сказать об этом опыте, но сдерживало сомнение что результат - это может быть просто совпадение нескольких факторов таких как:
большая длина горизонтального провода, дающего высокий коэффициент усиления,
хорошая «земля», то есть большая масса металлических конструкций на территории предприятия, соединенных между собой.
Нужна была проверка теории В.В.Овсянникова в условиях, приближенных к условиям большинства радиолюбителей и такая возможность появилась в конце 2008 года.


  Пора сказать о том, что все вопросы функционирования на нашем предприятии, а это локомотивное депо Иловайск Донецкой железной дороги, коллективной радиостанции UT1IZZ , связано с людьми, без помощи которых мне сложно было бы организовать работу «коллективки». В первую очередь это главный инженер нашего предприятия Владимир Коваленко (US2IAG), чье покровительство и «одобрямс» моих проектов вдохновляло и помогало решать проблемы. Председатель профсоюзного комитета предприятия Николай Витер живет и работает по принципу – максимально помочь каждому работнику предприятия реализовать себя как личности. Большая работа выполнена моими заместителями на коллектив-ной радиостанции Сергеем Копыловым ( UR3IRX)-старшим мастером заготовительного цеха депо и Андреем Рубцовым (UT5IG) – инженером Харцызского Предприятия Электрических сетей. На предприятии работает 15 радиолюбителей имеющих лицензию и среди них известные многим украинским и зарубежным радиолюбителям Евгений Вербаховский (UR5ITZ) и Петр Заяц (UR3IUB), активно работающий в эфире Виктор Сороколетов (UR3IBS), влюблен-ный в диапазон 160 метров Виктор Демидов (US7IVZ). В это непростое время люди в первую очередь думают о хлебе насущном, а потом о хобби, поэтому снижена активность многих радиолюбителей и не будем их судить за это. Но то, что самому молодому нашему радио-любителю Максиму Сидоренко (US2IJK) уже 30 лет и в последние 10 лет нет пополнения в наши ряды – это большой вопрос. Пишу рапорт на имя руководителя предприятия и в проф-союзный комитет, в котором докладываю о результатах работы за 2007 год и прошу помочь в создании детской секции коллективной радиостанции. Совместным решением администрации и профсоюзного комитета в Доме Науки и Техники депо (так теперь у нас называется Дворец культуры железнодорожников) была выделена комната для детской секции коллективной радиостанции UT1IZZ, а это парковая зона, удаленная от промышленных помех, с хорошими возможностями для оборудования антенных полей.


  За прообраз новой антенны взята обкатанная многими радиолюбителями в те времена, когда коаксиальный кабель был большим дефицитом, двойной удлиненный Цеппелин (Der verlangerte Doppel-Zepp . V.E.O.-Dt.Pat.562306- Prior, 1931( Karl Rothammel. Antennenbuch. 11.,Berlin,DDR,1989 ISBN 3-327--00848-5).
   Длина каждого плеча, а их три и они одинаковы, по 68 метров(0,825 длины волны диапазона 3,5 МГц) в горизонтальной части и 16 метров в открытой линии питания (68+16=84метра, для f=3.6MГц n=2; f=7,05MГц n=4; f=14,2MГц n=8 ) . Относительно сторон света плечи сориентированы так: первое на Северо-северо запад, второе на Восток и третье на Юго-юго восток. Высота точки питания антенны – примерно 14 метров. Первое и третье выполнены из военно-полевого телефонного провода (это несущие плечи) а второе из медного обмоточного про-вода диаметром 0,68 мм подвешенного на рыболовной леске толщиной 2 мм. В каждом плече в точках 10,65 метра и 32 метра от дальнего конца провода включены конденсаторы. Их по два емкостью по 150 пф, при этом в первом плече это КВИ-2 ненормируемой реактивной мощностью и рабочим напряжением 16кВ, во втором плече К15У-1 реактивной мощностью 6КВАр и рабочим напряжением 3,5 кВ и в третьем плече керамические трубчатые реактив-ной мощностью 0,4кВАРа и рабочим напряжением 2кВ. Согласование с передатчиком при помощи того же параллельного контура, описанного выше. Мощность, подводимая к антен-не стандартная – около 200 Ватт. На первом этапе испытаний антенной системы применяется ручной переключатель для последовательного включения каждого плеча. Результаты сразу воодушевили. На 80-метровом диапазоне с мощностью около 200 Ватт на Сахалине (UA 0 FFO) 55, в Советской Гавани (UA 0 CM) 58, на Европейском континенте с хорошими уровнями и ,практически, с круговой диаграммой. Переключение плеч антенны в зоне до 1000км едва ощущается, а в Сибири, Польше и Чехии разница в уровнях до 20 dBl. На 40-метровом и 20- метровом диапазоне антенна испытывалась несколько дней и о результатах говорить рано, но при той же мощности в 200 Ватт - уверенные связи в Европе и Сибири обнадеживают. Хотелось бы подчеркнуть то, что для настройки вышеперечисленных антенн на коллективной радиостанции использовались приборы, доступные каждому радиолюбителю. Это индикатор тока в антенне и индикатор напряженности поля, подключаемый к короткой антенне (электрической длиной не резонансной на испытываемых диапазонах). Публикаций об этих простых приборах более чем достаточно. Но главным мерилом эффективности антенн, конечно же, являются проведенные связи.
   Теперь о книге и теории Виктора Владимировича Овсянников, о которой я говорил выше. К большому сожалению, тираж в 11000 экземпляров мал для массового читателя. Информация в эфире о том, что в Интернете ее можно найти не подтвердилась, есть только ссылка на эту книгу. Но, в то же время, обратившись в Техническую библиотеку Донецкой железной дороги, получил подтверждение о наличии 2-х экземпляров. Думаю, что библиотеки технической книги в больших городах могут иметь в наличии эту интересную и полезную для радиолюби-теля книгу.
Овсянников В.В. ВИБРАТОРНЫЕ АНТЕННЫ С РЕАКТИВНЫМИ НАГРУЗКАМИ. - М.:Радио и связь, 1985,-120 с. ББК 32.845 О – 34( Написана для инженеров и техников, специализирующихся в области конструирования антенн).


ВЫДЕРЖКИ ИЗ КНИГИ.
….. «Недостатками всех антенн, как с сосредоточенными, так и распределенными активными и комплексными нагрузками являются значительная длина (в 2…3 раза больше, чем у обычных вибраторных антенн) и малый КПД(40…50%). Более высоким КПД обладают вибраторные антенны бегущей волны с последовательно включенными чисто реактивными нагрузками – емкостными.

Широкополосные вибраторные антенны с реактивными нагрузками.

   Антенны с емкостными нагрузками были упомянуты еще в 1947 г.(1) но ввиду многогранности свойств и разнообразных вариантов выполнения их и в настоящее время продолжают исследовать. Из теории (31) известно, что включение в определенном месте плеча антенны одной чисто реактивной нагрузки приводит к возникновению бегущей волны тока между точкой возбуждения и нагрузками. Это теоретическое предположение подтверждается результатами экспериментальной проверки на частоте 600 МГц антенны длиной d=1 м, радиусом ra=0,003175м с реактивными нагрузками Хс = -j363 Ом, включенными в точках hс =+0,811(-0,811)м. Между точками возбуждения антенны и указанными емкостными нагрузками образуется бегущая волна тока. Реализация такой антенны показала, что режим бегущей волны можно обеспечить при включении не только активных, но и реактивных нагрузок, что существенно увеличивает КПД антенны благодаря малым потерям в емкостных нагрузках. Из-за большой длины (d= 2 длины волны) такая антенна практического интереса не представляет, однако ее разработка послужила определенным толчком к созданию подобных антенн с меньшей длиной.
   В(32) показано, что режим бегущей волны в антенне с конденсаторами можно воссоздать при значительно меньших длинах плеча антенны (d <0.8 длины волны), чем в антенне Найквиста и Чена. Однако эти расчеты проводились на основе приближенной теории и не дали приемлемой точности, особенно вблизи параллельных резонансов. Не были также определенны оптимальные значения и места включения конденсаторов. В (33) предлагается широкополосный симметричный вибратор, в каждое плечо которого включен конденсатор, причем при соблюдении соотношения hz /d=0.4…0.6 и С/d=0.25….0.30, где С – емкость нагрузки в виде конденсатора в пикофарадах; d- длина плеча антенны (в сантиметрах); hz – координаты включения нагрузок, обеспечивается КБВ >0,40 в диапазоне частот 470…890 МГц. Однако в (33) не оговорена электрическая длина антенны, что не позволяет оценить ее габариты и электрические параметры.
   В(34) для получения экспоненциально спадающего к концам антенны распределения тока типа бегущей волны предложено включить в разрывы проводников антенны через равные интервалы емкостные нагрузки, абсолютные значения которых экспоненциально увеличиваются к концу антенны…. Всего в плечо антенны длиной 250 мм включено 39 конденсаторов…. Во всем частотном диапазоне (600…3000 МГц) ток на антенне с емкостными нагрузками экспоненциально затухает в направлении свободного конца и его распределение слабо зависит от частоты. При этом электрическая длина антенны на низшей частоте диапазона fн =600 МГц составляет d = 0.5 длины волны. КСВ напряжения данной антенны при наличии емкостных нагрузок заметно снижается и стабилизируется в диапазоне частот по сравнению с КСВ антенны без нагрузок. Диаграмма направленности рассмотренной антенны с нагрузками стабилизируется только в трехкратном диапазоне частот(600…1800МГц)….


Оптимальное число емкостных нагрузок в плече антенны, координаты их включения и суммарное реактивное сопротивление

   Значения Zвх и КБВ для антенны с тремя одинаковыми равномерно включенными конденсаторами найдены при реактивном сопротивлении Хс =-j470 Ом каждого из них на низшей частоте диапазона (d/длина волны низшего диапазона = 0,5) Это значение Хс получено экспериментально и является оптимальным с точки зрения достижения в наиболее широком частотном диапазоне при электрических длинах плеча антенны, равных (0,5…1,0) длины волны, максимально возможных значений КБВ при волновом сопротивлении подводящего фидера W=50…100 Ом. Введение в антенну конденсаторов укорачивает ее эквивалентную электрическую длину, при этом ослабляется отраженная от конца антенны волна тока, благодаря чему расширяется полоса пропускания антенны. При КБВ>0.3 обеспечивается перекрытие частотного диапазона более чем в два раза, а при КБВ>0,5 перекрытие частотного диапазона составляет 1,82, что превышает даже возможности антенны с тридцатью девятью конденсаторами в плече (34). Полученный результат свидетельствует о том, что для достижения режима бегущей волны не обязательно включать в антенну большое число конденсаторов (9,35,36). Для подтверждения того, что сопротивление Хс= - j 470 Ом для каждого из трех конденсаторов является оптимальным, проведен эксперимент определения Zвх и КБВ при Xc= -j 160 Ом. В этом случае Zвх антенны в диапазоне частот значительно хуже стабилизируется, чем в предыдущем случае, особенно при малых электрических длинах плеча антенны порядка d=0.5….0.6 длины волны и КБВ при этом снижается до 0,1.
У аналогичной антенны, но с двумя одинаковыми конденсаторами, реактивное сопротивление каждого из которых на низшей частоте диапазона (при d/длину волны=0,5) Xc= -j 720 Ом, координаты включения конденсаторов hc1 = 0.28d и hc2 =0.54 d, перекрытие частотного диапазона при КБВ > 0,3 составляет 1,90. У такой же антенны, но с одним конденсатором, реактивное сопротивление которого на низшей частоте диапазона (при d/длину волны=0,5) Хс = - j 1450 Ом, координата включения конденсатора hc =0.34d, перекрытие частотного диапазона по уровню КБВ>0,3 равно 1,80.Во всех трех случаях Диаграмма Направленности стабилизируется в полосе частот и подобны ДН полуволнового вибратора.
Из приведенного следует, что широкополосные антенны с емкостными нагрузками по сравнению с обычными антеннами, имеют приблизительно в два раза большую длину. Попытки уменьшить длину антенны приводит к сужению полосы пропускания в области низких частот. В отличие от многочастотных антенн, в которых сопротивления нагрузок составляют десятки и сотни килоОм, в широкополосные включаются реактивные нагрузки сопротивлением в сотни Ом, причем независимо от числа введенных в плечо антенны конденсаторов их суммарное сопротивление на низшей частоте диапазона должно находится в пределах Хс = -j (1400…1500) Ом. На верхних частотах это сопротивление соответственно снижается. При этом включение в плечо всего лишь одной емкостной нагрузки позволяет образовать в антенне режим, близкий к режиму бегущей волны, и застабилизировать КБВ на уровне не менее 0,3 в полосе частот около 55…60%. С увеличением числа конденсаторов в плечах антенны можно более равномерно распределить реактивное сопротивление. Конденсаторы одинаковой емкости целесообразно включать на расстояниях от концов антенны, кратных нечетному числу четвертей короткой волны. Ближайшие к центру антенны конденсаторы не рекомендуется располагать на расстоянии от него менее чем 0,2 длинной волны, причем длина плеча антенны должна быть d= или>0.5 длинной волны…….


Список литературы
1.Пистолькорс А.А. Антенны. - М: Связьиздат, 1947.-480с.
…9.Егоров А.Н., Малакшинов Н.П. Оптимизация диапазонных свойств нагруженного вибратора.- Труды МФТИ. Сер. Радиотехника и электроника, 1976 (1977) с.112-116
…31.Nyguist D.P., Chen K.M. Traveling Wave Linear Antenna with Nondissipative Loading.-IEEE
Trans., 1968, v. AP-16, N 1, p.21-31
32.Maclean T.S.M. Impedance Properties of capacitively Loaded Dipoles.- Proc.IEE, 1968,
v.115, p. 1411-1416
33. Пат. 3747112(США). Wide-band dipole antenna with capacitive reactance added to
Arms/K. Hidaka, Yamoto shi, Kanagawa – ken
34. Rao B.L.J.,Ferris J.E., Zimmerman W.E. Broadband Characteristics of Cylindrical Antennas
With Exponentially Tapered Capacitive Loading.-IEEE Trans., 1969, v.AP-17 ,N 2,p.145-151
35. Popovic B.D. Theory of Cylindrical Antennas with Lumped Impedance Loadings.-Radio and Electron.Eng., 1973, v. 43, N 4, p. 243-248
36.ПАТ.1524210(Англия) Improvements in or Relating to Radio Antennae/G.T.Newington.

Мы коснулись нескольких тем о работе вибраторных антенн с сосредоточенными нагрузками. Автор в других разделах книги предлагает нашему вниманию новые взгляды на работу штыревых и петлевых антенн с реактивными нагрузками, в том числе конденса-торами, шунтами, но об этом в следующей публикации.
P.S. Я по образованию инженер-экономист железнодорожного транспорта и, к сожалению, не могу профессионально, корректно комментировать изложенный в книге материал. Надеюсь, это сделают специалисты – радиоинженеры, что будет хорошим подспорьем для массового радиолюбителя в новых экспериментах со «старыми» вибраторными антеннами.
Журавлев Е.А.(UY5IY) Начальник коллективной радиостанции UT1 IZZ

скачать "Вибраторные антенны с реактивными нагрузками" Овсянников.В.В. можно тут:

http://narod.ru/disk....xe.html

e-mail:ut1izz.at.ua@gmail.com
Категория: Антены | Добавил: UT1IZZ (08.10.2009)
Просмотров: 5069 | Комментарии: 2 | Рейтинг: 4.7/12 |
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *:
qbCode © 2017
Поиск
Полезные ссылки
  • ЛРУ
  • CQHAM
  • QRZ
  • JCAR
  • Сайт ДЖД
  • HamRadio
  • Статистика

    Онлайн всего: 1
    Гостей: 1
    Пользователей: 0