Согласующее устройство для антенны диполь своими руками

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 19.09.2024

Пришла пора рассказать важную информацию: зачем сдирали обмотку кабеля при конструировании простейшего несимметричного вибратора для приема цифрового телевидения, когда показывали, как сделать самую простую антенну. Напомним, в этих целях кусок коаксиального кабеля выбранной длины зачищался от изоляции, снабжался f-разъемом и втыкался в приставку. Располагали горизонтально и, по возможности, перпендикулярно направлению прихода сигнала. Подобная несложная конструкция ловит сигнал в городах без труда. Но, обратите внимание, в рациях рекомендовали использовать оплетку, замыкая на жилу у основания при стыковке с платой. Уже рассказали, как сделать антенну собственными руками для любого случая, а теперь перейдем к тонкостям.

Диапазон частот

Информация, умалчиваемая в пособиях по изготовлению самодельных антенн

В обзоре изготовления антенны Харченко упомянули, что для каждой частоты используют фиксированный диаметр провода. Чем больше длина волны, тем материал толще. Понятно, что при определенных условиях достать проволоку нужного диаметра уже не получается, потому конструируют из пластин либо создают несколько контуров. Что касается простых вибраторов, упоминали, что повышение толщины медной жилы расширяет полосу принимаемых частот. На чем и основан принцип действия фрактальных биконусных антенн, изобретенных более века назад.

Получается, что толщина провода вносит коррективы. Для длинноволновых антенн и рекомендуется применять антенные канатики. Данный материал подобен одножильной полевки. Прочный и тонкий антенный канатик не искажает характеристик, в отличие от обычной проволоки, толщина которой может оказаться значительной. Как подобный момент учитывать при конструировании. Длина полуволнового вибратора меньше идеальной расчетной. Исключительно в рассматриваемом случае обеспечивается точное попадание частоты в резонанс. Чем толще проволока, тем дальше уход. Что касается канатиков и тонкой проволоки, то в их случае длина составляет 97% расчетной. Теперь становится понятно, почему при ловле цифрового мультиплекса снимали оплетку.

Для радиостанций оставляли экран, в основном, для хороших эксплуатационных качеств. Внешняя изоляция кабелей прочная, и антенна для рации долговечна. Правда, длину следует брать меньше расчетной. Проще определить нужные размеры опытным путем, отрезая немного от кабеля и измеряя дальность приема. А теперь приведем таблицу, где даны длины полуволновых вибраторов и толщины проволоки. Цифры сведены в таблицу. По столбцам идут номера каналов, по строкам длины полуволновых вибраторов в зависимости от двух толщин медной проволоки, 1,5 мм и 4 мм.

Видно, что разница составляет 1 см до нескольких миллиметров и падает с ростом частоты. Это не удивительно, скорее поправка связана с уменьшающейся длиной волны. Поясним, что дело касается телевидения, укажем частоты для приведенных каналов.

Это несущие изображения, близкие к левой границе полосы канала. Звук располагается симметрично сверху. Соответственно, не окажется ошибкой настроить полуволновой вибратор на это значение. Тогда для серединной частоты антенна окажется чуть коротковата, что и требуется. Выше приведена точная таблица, ею руководствуемся для создания приемной системы телевещания. Что делать, если провод отличается по диаметру от указанного. Сообразно чуть изменить длину самодельной антенны. Кстати, не забывайте, что для телевидения полуволновой вибратор расположен горизонтально, а для радиоприемников – вертикально, этим учитывается поляризация сигнала. В первом случае антенна перпендикулярна направлению на станцию вещания.

Согласование и симметрирование самодельных антенн

Тем, кто привык пользоваться покупными антеннами, потребуется выучить два вопроса:

Симметрирование самодельных антенн.
Согласование антенн с кабелем (фидером).

Начнем со второго, так как он очевиднее. В каждой линии волна двигается, отражаясь от стенок. Задан угол переотражения. Собственно, и длина волны в линии меняется, что не так важно в рассматриваемом случае. Сопротивление меди не играет великой роли, ведь волна бежит в диэлектрике, хотя и активная составляющая накладывает ограничения. Энергия отражается экраном и не выходит за пределы линии.

Разумеется, чем выше проводимость металла, тем потери окажутся меньше. Идеальный коаксиальный кабель с золотым напылением. Кстати, прочий тип линий – волноводы – подобным качеством обладает. Потому стоят дорого (а в паспорте указана процентная доля драгоценных металлов, подлежащих сдачи государству при утилизации).

Когда волна бежит внутри линии, то отражается от препятствий. Проще проиллюстрировать на примере оборудования для исследования высоковольтных линий. Специальный фургон с аппаратурой в кабель посылает электрический сигнал звуковой частоты. Тот отражается от любой муфты, но, так как у ремонтников имеется карта, подобные неоднородности не интересуют. Но обрыв заметен на фоне регулярных источников отражения. Из примера понятно, как важна однородность линии. Согласование преследует цели исключения помех движению сигнала. Как правило, речь идет о такой неоднородности, как неодинаковые волновые сопротивления участков линии.

При излучении волна испытывает на себе сопротивление. Соответственно, теряется часть мощности. Это сопротивление называют волновым.

Отличие от активного, что волновое сопротивление зависит от длины волны (частоты сигнала). Измеряют при помощи генератора и высокочастотного вольтметра, как обычное. Это сопротивление равно для радио 50 Ом, а для телевещания – 75 Ом. Сообразно кабелю. На практике далеко не всегда получается. Для этого собирают согласующие устройства, к примеру, четвертьволновые трансформаторы. Передают энергию почти без потерь, точная настройка антенны ведется по КСВ метру. В случае полуволновых вибраторов допустимо укорачивать плечи и смотреть, изменились ли к лучшему параметры.

Важно симметрирование антенны. Это играет роль на метровых и декаметровых волнах, с ростом частоты эффект снижается. Но 12 каналов (вместе с FM-радио) попадают в диапазон, значит, вопрос лишним не является. Сам диполь с двумя плечами устройство симметричное, а кабель – несимметричная линия. В результате образуется разность потенциалов, искажающая диаграмму направленности, усиливающая уровень боковых лепестков. За счет токов, наведенных на оплетке линии, появляются паразитное излучение и паразитный прием. Если для радио это нестрашно, в случае с телевидением все шансы получать вместе с полезным сигналом часть стороннего. Подобные эффекты мешают в крупных городах с сильным уровнем помех.

Симметрирующие устройства для полуволновых вибраторов

Разумеется, выдуманы и прочие разновидности антенн, некоторые годятся и в качестве комнатных. Полуволновой вибратор хорош простотой. Подобная самодельная антенна принимает цифровой мультиплекс, изготавливается из подручного материала. Длинные вибраторы ставят на растяжки и вешают между домами (прием телевещания). Часть конструкций достигают в высоту жилого многоквартирного дома. Неудивительно, что радиолюбители подобные ставят редко.

В эпоху СССР гражданам удавалось связаться с США. Длинные волны огибали земную поверхность и с трудом улавливались пеленгаторами спецслужб. Не скажем, использовались подобные методики диссидентами, но любители баловались, закрывая глаза на разрешенные для бытовой связи диапазоны.

Работ различных современных средств связи невозможна без таких устройств приема и передачи радиоволн, как коротковолновые антенны (сокращенно кв антенны). Востребованность и популярность данных устройств обусловлены большим разнообразием их видов, а также возможностью самостоятельного изготовления. Особенно распространены они в любительской радиосвязи с разрешенным диапазоном для вещания от 1,81 до 29,7 МГц.

Диполь Герца

Диполь Герца (полуволновой вибратор) – простейшее устройство данного вида, состоящее из вертикальной опоры и двух плеч общей длиной 1/2 от принимаемой или излучаемой волны. Так, при длине волны 160 метров длина двух плеч диполя должна быть 80 метров. При монтаже на крыше высотного дома вертикальные стойки не используют, закрепляя плечи диполя на коротких опорах.

Укороченный диполь Герца

Спиральные антенны

Питание антенны

Соединяют такое устройство с трансивером (приемо-передающей аппаратурой) толстым коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50-75 Ом.

Сборка антенны

Собирают небольшое устройство данного вида, наматывая две плоские спирали диаметром 90 см на каркас из полипропиленовой трубы, состоящий из двух крестовин и соединяющей их 90-92-сантиметровой перекладины (траверса). В качестве материала для спиралей используют одножильный изолированный медный провод диаметром 1,5 мм.

Трансформатор

Для данного устройства используют воздушный трансформатор с рабочим диапазоном волн от 10 до 100-160 метров. Делают его, наматывая на полый 140-миллиметровый каркас диаметром 25 мм 16 витков сдвоенного провода толщиной 1,5 мм. Длина намотки провода при этом должна быть 95-100 мм.

Настройка антенны

Процесс настройки включает в себя следующие операции:

Настройка КВС (коэффициента стоячей волны) – выполняется при помощи специального прибора или зажимами-крокодильчиками, фиксируемыми на спиралях вибратора и перемещаемыми по ним, что приводит к изменению положения точки питания. Полученное в процессе настройки на найденной частоте значение КВС должно быть в пределах 1,0-1,2.
Настройка частоты резонанса – осуществляется изменением длины проводов вибраторов с помощью тех же зажимов, что и в предыдущем пункте. Настройку производят, передвигая зажимы по изолированному проводу спиралей.

Усиление антенны, полоса пропускания и угол излучения

Размещают спиральную передающую антенну горизонтально на высоте, равной 1/8 длины излучаемой ею волны.

Магнитные антенны

Наиболее распространенной конструкцией кв антенны является магнитная-рамочная петля (magnetic loop), состоящая из:

Дюралюминиевого или медного излучающего кольца диаметром 25-80 см;
Петли связи, диаметр которой в 5 раз меньше, чем у излучающего кольца;
Питающего кабеля (фидера) с волновым сопротивлением 50 Ом;
Мощного конденсатора настройки резонансной частоты.

Устанавливают такие простые самодельные передающие устройства как на высоких мачтах, крышах многоэтажек, так и на балконах или подоконниках квартир. Благодаря настроечному конденсатору, способному работать при мощности до 100 Вт, такие радиолюбительские коротковолновые антенны работают в диапазонах от 1,8 до 27 Мгц.

Емкостные антенны

Многодиапазонная антенна

Многодиапазонная антенна – устройство, позволяющее производить вещание во всех разрешенных для любителей диапазонах коротких волн. Благодаря данному свойству, многодиапазонки приобрели большую популярность и распространение.

Одна из многодиапазонок типа UA1DZ имеет следующую конструкцию:

Вибратор длиной 9,3 м
З-х метровая подставка;
4-5 оттяжек;
10-14 дополнительных гибких противовесов-оттяжек длиной 9,4 м.

Соединение таких антенн и передатчиков производят при помощи коаксиального кабеля на 50 Ом.

Основными недостатками, которыми обладают такие многодиапазонные конструкции, являются их громоздкость, высокая парусность и риск поражения молнией при установке на крыше высотного дома или другой многоэтажной постройки.

Вертикальная антенна (Ground Plane)

Вертикальные антенны типа Ground Plane – устройства, предназначенные для вещания на диапазонах от 14 до 24-28 Мгц. Основными составляющими таких вертикальных кв антенн являются 2-х метровая мачта, дюралевый вибратор длиной от 2 до 5 метров, 4-5 противовесов длиной 2,5-3 метра и питающий коаксиальный 50-ти омный кабель.

Устанавливают их как на крышах высоток, так и на фронтонах частных домов.

Укороченная дипольная антенна

Самое простое устройство данного вида на 7 мгц представляет собой конструкцию, состоящую из следующих частей:

Разделенный на два 3-х метровых плеча проволочный вибратор с изоляторами и оттяжками на концах. В качестве изоляторов используют небольшие кусочки текстолита, для оттяжек применяют прочный бельевой капроновый шнур.
Две удлинительных 140-ка витковых катушки из медного провода толщиной 0,5-0,6 мм;
Центральный узел с трансформатором (балуном);
Фидер – питающий коаксиальный кабель на 50 Ом.

Используют такую укороченную диполь, как в стационарных, так и в полевых условиях, закрепляя ее на высоте от 3 до 4 метров.

На заметку. Для того чтобы произвести настройку такого устройства по резонансу, необходимо равномерно укорачивать длину расположенных горизонтальных или под углом плеч вибратора. После изменения длины плеча укорачивающая ее оттяжка крепится к ближайшему дереву или другой устойчивой опоре.

Вертикальная кв антенна своими руками

Наиболее популярны для самостоятельного изготовления такие передающие коротковолновые устройства, как вертикальные антенны.

Наиболее простую и эффективную из них делают следующим образом:

В землю вкапывают деревянный столбик высотой 2,5-3 метра;
На вкопанном столбике при помощи саморезов закрепляют распределительную коробку;
В закрепленной коробке помещают высокочастотный дроссель – катушку с намотанными на нее витками изолированного коаксиального кабеля;
К выходу дросселя подключают двухжильный многопроволочный медный кабель сечением 2 мм;
Провод продевают через пропускные кольца дешевого 6-ти метрового углепластикового удилища;
Конец провода закрепляют на вершинке удилища при помощи обычного пластикового хомута-стяжки;
Посередине удилища закрепляют круглую площадку с проволочными оттяжками;
На верхней части столба крепят 2 клипсы и один хомут-держатель (КТР) для полипропиленовых труб диаметром 32 мм;
При помощи клипс и держателя удилище с излучателем (продетым сквозь пропускные кольца проводом) закрепляется на столбе;
Оттяжками мачта с излучателем выравнивается и надежно фиксируется. Оттяжки при этом закрепляются на устойчивых, расположенных рядом столбах, деревьях, вкрученных в несущие конструкции зданий и капитальных построек крюках.

Питающий провод для кв антенн такого вида используют с волновым сопротивлением 50 Ом.

Обслуживание такого устройства сводится к периодической проверке целостности излучателя путем его прозвонки мультиметром, замене сломанных ветром колен мачты, корректировке натяжения оттяжек.

Выбор первого кв трансивера

При выборе первого передающего устройства (трансивера) начинающим радиолюбителям необходимо учитывать:

Габариты и вес – радиостанция должна иметь такие размеры и вес, чтобы ее можно достаточно легко переносить в руках или походном рюкзаке.
Функционал – для начинающего радиолюбителя достаточно трансивера, имеющего небольшое количество основных настроек (резонансная частота, мощность, КСВ);
Надежность и наличие гарантии – как и любая другая аппаратура, коротковолновая радиостанция должна иметь гарантийный срок обслуживания;
Возможность программирования аппаратуры с использованием персонального компьютера.

Не рекомендуют начинающим радиолюбителям приобретать дорогостоящие и очень сложные в эксплуатации, обслуживании коротковолновые радиостанции. Новичку, заинтересовавшемуся радиолюбительством, будет очень тяжело разобраться в такой аппаратуре, при утрате интереса к данному делу продажа такой дорогостоящей радиостанции за ту же сумму, что она была куплена, будет очень затруднительной.

Другие конструктивы антенн

Из других конструкций антенн кв диапазона внимание заслуживает вертикальный спиральный полуволновой вибратор для волн длиной 80 метров, состоящий из:

120-ти сантиметровой спирали из медного изолированного провода диаметром 1-1,5 мм;
Траверса высотой 150 см;
Противовеса длиной не менее 80 см;
Согласующего устройства;
Высокочастотного автотрансформатора;
Питающей линии из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом.

Применяют такие вертикальные антенны в условиях ограниченного пространства небольших приусадебных участков, на крышах многоэтажных домов и других высотных построек.

Простейшие самодельные антенны

Самыми простыми в изготовлении коротковолновыми устройствами из описанных выше являются:

Магнитно-рамочная петля;
Штыревая антенна;
Укороченная диполь;
Полноразмерная диполь.

Изготовить их можно самостоятельно из подручных недорогих материалов, не используя при этом специальные инструменты и оборудование.

Немного слов о коротковолновиках

Коротковолновики – радиолюбители, занимающиеся вещанием в коротковолновом диапазоне. Занимающиеся конструированием, изготовлением и ремонтом передающих устройств люди проводят сеансы связи из различных уголков планеты. При этом для каждого из них достижением считается самая дальняя точка, с которой был проведен сеанс радиосвязи.

На заметку. Согласно действующему законодательству РФ, для радиолюбителей-коротковолновиков доступно вещание на 10 коротковолновых диапазонах со следующей длиной волн: 2200 м, 160 м, 80 м, 40 м, 30 м, 20 м, 16 м, 15 м, 12 м, 10 м. Использование высокочастотных диапазонов запрещено.

Антенны мобильных телефонов

Еще не так давно во многих моделях мобильных телефонов использовались достаточно крупные для данных устройств направленные антенны. Однако по мере развития телекоммуникационных технологий работа мобильных средств связи постепенно перешла из коротковолнового в вч диапазоны до 2500 МГц. Такая рабочая частота соответствует длине волны всего 12 см, благодаря чему для проведения эффективных сеансов связи достаточно небольшого встроенного в телефон передающего устройства.

Таким образом, правильно собранная, установленная и настроенная коротковолновая антенна – это залог устойчивой и качественной связи с живущими в самых отдаленных уголках планеты радиолюбителями. Благодаря большому разнообразию конструкций и моделей, собираемое из подручных материалов такое передающее устройство может быть установлено практически в любом доступном месте: на крыше, балконе и даже внутри жилого помещения.

Видео

Вопросам согласования входа приёмника с антенной следует уделять большое внимание, т.к. хорошее согласование позволяет увеличить реальную чувствительность и улучшить подавление зеркального канала. Если связь с антенной сделать переменной, то появится возможность регулировки усиления по входу, что весьма полезно при наличии мощных мешающих станций.
Как известно, провод антенны обладает распределённой ёмкостью, индуктивностью и активным сопротивлением. Можно настроить в резонанс антенный контур, в который входят распределённые L, C и R провода и катушки связи, с входным контуром приёмника. Если катушку связи сделать переключаемой, то получить резонанс в антенном контуре несложно. Антенный и входной контуры приёмника образуют двухконтурный фильтр с большим коэффициентом передачи по напряжению. Полоса такого фильтра невелика, но достаточна для растянутого КВ диапазона. В диапазонах с большим перекрытием ( 1,5 – 3,0 раза ) перестройка антенного контура неудобна. Если оставлять резонансную частоту антенного контура неизменной, то коэффициент передачи и чувствительность приёмника в пределах диапазона получаются слишком неравномерными. Для улучшения равномерности коэффициента передачи в диапазонах ДВ, СВ и обзорном КВ резонансную частоту антенного контура выносят за диапазон ( обычно ниже ) путём соответствующего выбора индуктивности катушки связи.
Между катушкой связи и антенной может быть включено специальное согласующее устройство, позволяющее настраивать антенную цепь в резонанс с частотой сигнала. Применение блока согласования с антенной позволяет несколько увеличить реальную чувствительность, повысить избирательность по зеркальному каналу и получить дополнительную регулировку усиления по высокой частоте. При этом, например, улучшение подавления зеркального канала в диапазоне 31 м. ( 9,5 Мгц ) достигает величины 15 дб ( 5,6 раза ).

Вариант принципиальной схемы блока согласования с антенной приведены на Рис.1 . Антенная цепь может быть настроена переменным конденсатором С1 на последовательный или параллельный резонанс. Регулируя степень связи, согласование с входным контуром можно сделать оптимальным. Переключатель SA1 ( для переключения на последовательный или параллельный резонанс ) позволяет использовать приставку практически с антеннами любой длинны. Катушка L2 подключается ко входу приёмника с помощью короткого отрезка экранированного провода. Связь между катушками L1 и L2 можно изменять посредством изменения расстояния между катушками. Вариант схемы ( Рис.1 ) даёт лучшее согласование, если приёмник имеет низкое входное сопротивление. Для приёмников с более высоким входным сопротивлением лучший результат можно получить, увеличив количество витков L2 в 2 – 3 раза. Какой из вариантов целесообразно использовать, определяют опытным путём по уровню сигнала.

Приставка рассчитана на работу в диапазоне 5,9 – 12,1 Мгц. Если приставку надо использовать для приёма любительских станций, то её диапазон можно расширить введением в схему переключаемых катушек. Схема такого варианта с диапазоном 3,4 – 30,0 Мгц приведена на Рис.2 .

Конструктивно блок согласования представляет собой экранированную коробку ( 75х120х250 мм ) из немагнитного металла, в которую помещены три пары катушек диаметром 24 мм, переменный конденсатор и все остальные детали схемы. Неподвижные катушки L1, L3 и L5 ( 72, 20 и 4 витка ) расположены на одной оси. Катушки L2, L4 и L6 ( 20, 12 и 2 витка ) закреплены на оси из изолирующего материала так, что при вращении её подвижные катушки входят в зазоры между неподвижными. Передний конец оси выходит из коробки и на нём закреплена ручка регулировки степени связи. На задней стенке находятся гнёзда для подключения антенны и коаксиальный разъём для подключения блока к приёмнику. Блок согласования включается между антенной и приёмником. Включив соответствующий КВ диапазон, находят станцию по шкале приёмника и подстраивают С1 на максимум громкости. В зависимости от длинны антенны и диапазона лучшие результаты могут быть либо при параллельном, либо при последовательном резонансе. Правильным является то положение SA1, при котором при резонансе получается больший уровень сигнала.

Е. А. Момот, “ПРИСТАВКИ К РАДИОПРИЁМНИКАМ”, ” Массовая радиобиблиотека”, стр. 13 – 15

Я спрошу у вас, что может быть более интересное для изучения, чем переменный ток?

Николо Тесла.

Всевозможные схемы согласования и симметрирования при соединении антенны и коаксиального фидера достаточно подробно описаны в любом букваре по антеннам. Однако не только неискушенный аноним, но и посетители достаточно серьезных форумов, часто впадают в шоковое состояние, увидев, например, схему согласования вибратора Пистолькорса с помощью полуволнового U-колена. "Это какой то бред!" - пишут они - "Как может работать схема, в которой один конец подключен к антенне, а второй висит в воздухе? Цепь то не замкнута!" Это не бред, дорогой аноним, это переменный ток, текущий по "длинной линии". Вернее будет сказать - электромагнитная волна, распространяющаяся по длинной линии. Давайте разберемся в этом.

Для начала определимся зачем вообще городить этот огород с петлями, шлейфами, стаканами и т.д. Если у антенны входное сопротивление 50(75) Ом, можно ли непосредственно соединить ее с фидером? Можно, но не всегда. Из-за скин-эффекта ВЧ ток протекает в тонком поверхностном слое проводника толщиной в несколько микрометров. В результате коаксиальный кабель можно представить как систему из трех проводников - центрального, внутренней поверхности оплетки и совершенно независимой от нее внешней поверхности оплетки. Если коаксиальный кабель соединить напрямую с симметричным вибратором, то последний нагрузится несимметрично, диаграмма направленности его исказится, причем этот эффект еще усугубится подключением к вибратору внешней стороны оплетки, которая при этом становится частью антенны. В итоге мы можем прийти к ситуации, когда антенна с таким подключением становится эквивалентна куску провода, заброшенному на дерево. Так что, чтобы "посадить оплетку на ноль", придется мудрить петли, уважаемый аноним. Этот процесс называется симметрированием.

У симметричного вибратора Пистолькорса входное сопротивление около 300 Ом и его придется не только симметрировать, но и одновременно трансформировать это сопротивление к сопротивлению фидера. Этот процессс называется согласованием. У петлевого вибратора точка нулевого потенциала находится на его геометрическом центре. При этом он представляется состоящим из двух одинаковых половин ("0-a" и "0-b") с противофазными источниками напряжения и сопротивлениями по 150 Ом. Соединяем "0-a" с "0-b" с помощью полуволновой петли. Петля не изменяет сопротивление, но переворачивает фазу на 180°. В результате на входе коаксиального кабеля оказываются два синфазных параллельных источника с сопротивлениями по 150 Ом. Напряжения суммируются, сопротивление из-за параллельного соединения, делится пополам и 75-омный фидер оказывается согласованным с источником. В сложных антеннах, например Uda-Yagi, варьируя размерами, прежде всего расстоянием до рефлектора, можно сделать входное сопротивление вибратора равным 200 Ом. Тогда "половинки" вибратора будут по 100 Ом и он согласуется по той же схеме с фидером 50 Ом. Поскольку свойства полуволновой петли не зависят от ее волнового сопротивления, возникает вопрос, какое сопротивление выбрать. Обычно используют тот же кабель, что и для фидера или пигтейла. Полоса пропускания такой системы получается около 30% от центральной частоты, что в большинстве случаев достаточно. Однако, если использовать петлю с волновым сопротивлением равным сопротивлению половинок вибратора (150 или 100 Ом), то она будет работать в режиме бегущей волны и не будет ограничивать полосу пропускания антенно-фидерной системы в целом. Так что если вам попался в руки кусок коаксиала с волновым сопротивлением 150 (100) Ом, приберегите его для U-колена.

Мы не зря в начале статьи привели цитату Н.Тесла, который стоял у истоков современной системы электроснабжения. Как известно, при симметричной нагрузке в трехфазной сети можно отказаться от использования нейтрали, поскольку сумма токов от всех фаз в ней равна нулю. В нашем случае, на концах петли присутствует противофазное напряжение и на участке 0-0` сумма токов равна нулю, поэтому этот кусок провода можно выбросить и схема останется работоспособной. Многие специалисты советуют оставить это соединение. Действительно, на метровых и дециметровых волнах в таком случае антенна работает лучше. Однако иногда, как у антенны Бабочка или Amos, нулевая точка находится "в воздухе" и подключаться просто некуда. На СВЧ лишний кусок провода - уже сам длинная линия, поэтому там лучше использовать минимально короткие выводы без лишних соединений. На следующем рисунке слева можно видеть как надо соединять петлю и фидер на частотах 3G, а справа - как не надо.

В случае разрезного вибратора, имеющего сопротивление около 75 (50) Ом, как у антенны Uda-Yagi конструкции DL6WU, можно также применять для симметрирования полуволновую петлю с небольшим дополнением. Вибратор также представляется состоящим из двух противофазных половинок с сопротивлениями 37,5 (25) Ом. К каждой половинке подключается четвертьволновый трансформатор, который трансформирует его в величину 150 (100) Ом в точки a и b (см. формулу для четвертьволнового трансформатора в статье о длинных линиях), после которых работает уже та же схема с полуволновой петлей. Конечно же нет необходимости делать разрыв в точке a, это сделано только для лучшего понимания механизма работы. Реально практическая конструкция петли для 75(50)-омного вибратора состоит из двух кусков с электрической длиной 3λ/4 и λ/4 такого же волнового сопротивления.

Поскольку волновое сопротивление фидера практически совпадает с входным сопротивлением разрезного вибратора, то хорошо было бы подключить его напрямую, отрезав при этом протекание тока по внешней стороне оплетки. Такие схемы симметрирования существуют и называются схемами с отсечкой тока. Одна из них - схема с четвертьволновым стаканом. Идея заключается в том, что ток на внешней стороне оплетки попадает в дополнительный короткозамкнутый четвертьволновый отрезок линии с бесконечным сопротивлением (к сожалению только в теории бесконечным), отсекается ним, и дальше этого стакана не течет. Сложность заключается в некоторой геморройности конструктивного исполнения такого стакана, поскольку он висит на фидере. Как упростить эту задачу хорошо описано здесь .

Другим способом отсечки паразитного тока на внешней стороне оплетки фидера, с меньшими конструктивными сложностями, является применение четвертьволнового шлейфа. В принципе - это тот же четвертьволновый короткозамкнутый отрезок, только выполненный не в виде стакана, а в виде двухпроводной длинной линии. Иначе можно сказать, что параллельно основному фидеру, вернее его внешней стороне оплетки, подключается такой же провод с противофазным током от другой половинки вибратора и эти противофазные токи потом взаимно компенсируются в точке замыкания. Такая схема в свое время широко популяризировалась для антенны Тройной квадрат. Шлейф можно сделать из таких же трубок, как и вибратор, так и из коаксиального кабеля, такого же как и фидер. Еще один способ симметрирования называется коаксиально-щелевым. Во внешней трубке коаксиальной линии делают два λ/4 пропила. Верхние половинки трубки подключаются к вибратору, а центральный проводник замыкается на одну из половинок. Данную схему можно упростить, сделав полукруглые половинки плоскими.

Шлейфы и стаканы являются резонансными цепями и ограничивают полосу пропускания, однако они достаточно широкополосны, с полосой до 60% от центральной частоты. В тоже время, для таких антенн, как антенна Харченко для цифрового телевидения - этого недостаточно. Выходом из положения является применение широкополосных трансформаторов на длинных линиях с ферритовыми сердечниками, ШПТЛ - в нашей литературе, TLT - в зарубежной. Теоретически такие ШПТЛ в режиме бегущей волны не имеют частотных ограничений, однако на практике их полоса ограничена сверху и снизу . Такие трансформаторы используются во всех польских усилителях и симметризаторах с коэффициентом трансформации 4:1. Они намотаны на ферритовое кольцо или на "бинокль" и неплохо работают как в режиме 300:75, так и 200:50, имея полосу пропускания, охватывающую почти весь ДМВ диапазон. Для согласования (симметрирования) антенн с входным сопротивлением 75(50) Ом также можно использовать ШПТЛ, но с коэффициентом трансформации 1:1. С этой целью можно переделать "польский" трансформатор, удалив из него одну из линий и произведя соединения по схеме на последнем рисунке под буквой д). Иногда можно встретить такие же ШПТЛ, но реализованные в виде полосковых линий на печатной плате. На частотах выше 1 ГГц можно просто надеть несколько ферритовых колец на фидер, получив суррогат ШПТЛ. Хотя ввиду сильной частотной зависимости магнитной проницаемости феррита и ограниченности его работоспособности на СВЧ такое решение выглядит довольно сомнительно, можно для надежности отсечки тока комбинировать это решение с четвертьволновым стаканом, как это сделано в конструкции коллинеарной антенны.

В зарубежной литературе схемы согласования и симметрирования называются одним словом балун. Это понятие в последнее время получило распространение и у нас. Балуны делятся на два класса: Voltage balun и Current balun. Для полного понимания их отличий следует всегда нагрузку рассматривать не как двухполюсник, а как трехполюсник с "нейтралью". Даже если "нейтраль" не задана явно, как в примере с вибратором Пистолькорса, ее нужно представлять виртуально. Однако это уже тема отдельной большой статьи, которую можно прочитать здесь на английском. Если же, как принято у нас на сайте, подойти к вопросу упрощенно, то отличие Voltage и Current балунов легко видно из следующей схемы:Мы видим, что токовый балун является по сути дросселем для синфазного тока, в то время как Voltage balun осуществляет трансформацию напряжения. Упомянутые выше ферритовые ШПТЛ по схемам а) - д) являются классическими токовыми балунами или, по имени автора, балунами Гуанеллы (Guanella current balun). Стакан и шлейф также можно отнести к классу Current balun, а вот полуволновая петля относится к классу Voltage balun. К классу балунов напряжения относятся также ШПТЛ балуны Рутрофа (Ruthroff voltage balun):Чем выше частота, тем выше вредное влияние паразитных индуктивностей и емкостей выводов. Кроме того популярные ферритовые материалы (например 67-ой) перестают работать на СВЧ. Поэтому применение ферритовых ШПТЛ на частотах выше 1000 МГц представляется нецелесообразным. Но ведь линия передачи прекрасно работает и без феррита. Например коаксиально-щелевой балун на самом деле является модификацией 1:1 балуна напряжения Рутрофа. Чтобы убедиться в этом, посмотрите внимательно на схемы подключения.

Вообще, конструирование эффективных балунов на СВЧ довольно непростая задача. По этой причине многие отказываются от применения специальных симметрирующих устройств, некоторые вполне сознательно (зачем мне заморачиваться этой вашей теорией, оно и так нормально работает!), а некоторые и по незнанию, как например сделал проф. Маршалл. Однако наилучшим способом решения проблемы согласования и симметрирования является применение антенн не требующих ни того ни другого. Такие антенны разработаны специально для СВЧ диапазона, например патч-антенна.

Читайте также: