Вибраторные антены с реактивными нагрузками

UY5IY — Mon, 15 Jun 2009 09:22:47 GMT

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.

Добавлено (07.02.2009, 14:43)
---------------------------------------------
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.

Добавлено (07.02.2009, 14:43)
---------------------------------------------
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.

Добавлено (07.02.2009, 14:44)
---------------------------------------------
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).

Добавлено (07.02.2009, 14:44)
---------------------------------------------
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)….

Добавлено (07.02.2009, 14:45)
---------------------------------------------
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…….

Добавлено (07.02.2009, 14:46)
---------------------------------------------
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

ut1izz.at.ua@gmail.com

PS.
увеличьте лимит символов в сообщении

Добавлено (07.02.2009, 21:46)
---------------------------------------------
еще ссылка по теме:

http://www.cqham.ru/ant_ccd.htm

Добавлено (15.06.2009, 12:22)
---------------------------------------------
скачать "Вибраторные антенны с реактивными нагрузками" Овсянников.В.В. можно тут:

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

(Самораспаковывающийся архив.Вирусов и опасных приложений нет)

ХООР

UT5UY в гостях у русскоязычных радиолюбителей Лос Анжелеса

ЛРУ. Что делать?

записи круглых столов

Вибраторные антены с реактивными нагрузками

История сигнала SOS

ХООР

UT5UY в гостях у русскоязыч​ных радиолюбит​елей Лос Анжелеса

ЛРУ. Что делать?

записи круглых столов

Вибраторные антены с реактивными нагрузками

История сигнала SOS

UT5UY в гостях у русскоязычных радиолюбителей Лос Анжелеса