Эту тему приходится поднимать потому, что до сих пор возникает много вопросов по правильному питанию ЕН антенн, не смотря на то, что ответы на них, пусть и в разрозненной форме, есть в статьях (отечественных и иностранных) представленных на сайте. Естественно, что могут быть и другие мнения, так как этот вопрос до конца не изучен и представленный материал является лишь отправной точкой, как и многие моменты, касающиеся ЕН антенн.
Уже написав эту статью, приходится к ней возвращаться вновь. Не потому, что что-то изменилось в работе антенны, а потому, что многим сразу трудно понять всю разницу, лежащую в работе обычных длинных Диполей и коротких ЕН антенн, а также в силу появившихся новых практических результатов по измерению полей от ЕН антенны. Этот материал, а также более детальное пояснение работы самой ЕН антенны приведены ниже. Материал базируется на схеме ЕН антенны типа "Star".
И хотя я уже говорил об этом, но повторю еще раз:
Необходимо развеять МИФ о каких-то необычайных свойствах ЕН антенны. О ее способности излучать что-то необычное, под землей, под водой и т.д. и постоянно, как в заезженной пластинке, бездоказательно повторяемый на различных форумах. Не понятно откуда взялся такой миф и чем он подкреплен? Со всей определенностью, проверенной на практике, могу сказать: ничего подобного НЕТ. Тысячи QSO проведенные мной на такие антенны, на разных диапазонах, не подтвердили каких-то ее особых свойств. Более того, работу ЕН антенны можно просто объяснить, опираясь на существующую теорию АФУ, как об этом уже писалось много раз. И никаких чудес в этом нет.
Наблюдая за различными форумами и читая приходящие письма по ЕН антеннам, я вижу, что в головах многих людей воцарилась полная неразбериха из разрозненных сведений, почерпнутых из различных сомнительных источников (порой просто лживых), а также от деклараций тех, кто ни разу не сделал ни одной ЕН антенны, не "пощупал" ее на "зуб", а если и повторял ее, то лишь формально (с прогнозируемым результатом). Мне вспоминается одно очень правильное изречение: "если человек хочет выполнить задуманное, он преодолеет тысячу препятствий, чтобы осуществить задуманное. А если лентяй не хочет что-то выполнять, он придумает тысячу причин чтобы не делать эту работу! Очень правильно сказано.
Даже сейчас, в нескольких словах можно объяснить как работает ЕН антенна и это будет понятно. Буквально по пунктам:
- ЕН антенна представляет собой последовательно включенные кондентсатор (емкость между цилиндрами), индуктивность настройки и сопротивление излучения антенны (есть также и активное сопротивление индуктивности, но об этом потом).
- Что это за цепь, из этих последовательно включенных элементов - это последовательный колебательный контур.
- Из школьного курса физики мы знаем, что при подаче мощности на такой последовательный колебательный контур, на его элементах возникают значительные (высокие) напряжения (при резонансе).
- Таким образом, при настройке ЕН антенны в резонанс, в промежутке между цилиндрами возникают очень большие напряжения (это практически подтверждается).
- Это высокое напряжение создает значительное Е поле (кстати, намного большее, чем на концах диполя).
- Высокое напряжение между цилиндрами создает также между ними ток смещения, что не противоречит уравнениям Максвелла (причем ток значительный, цепь то последовательная и в ней токи равны).
- А что же делает этот ток смещения? Он содает поле Н (причем в фазе с напряжением на емкости между цилиндрами, а значит и с полем Е: реактивностей-то в этой цепи нет, если не учитывать мизерную индуктивность цилиндров).
- А это значит, что Е и Н поля находятся в фазе! Да - это радиоволна! (теорема Пойнтинга).
- Это значит что в ЕН антенне (в самой) уже создаются радиоволны, а не в дальнем поле, как в длинных стандартных Диполях, где размер Диполя увязан с длиной волны.
- Активное сопротивление катушки - на нем выделяется тепло, уменьшающее КПД ЕН антенны. чем оно меньше, тем лучше.
И вот здесь главную роль играет сопротивление излучения (как мы помним, включенное также последовательно). При резонансе последовательного контура, сопротивление контура становится близким к "0", а на оставшемся сопротивлении излучения и выделяется мощность излучаемая в пространство. Мы также знаем, что при оптимальной передаче мощности, источник (антенна) и приемник (в данном случае пространство) должны быть согласованы! Вот в этом согласовании и заключается основная трудность настройки ЕН антенн. Если согласования нет - мощность в окружающее пространство не пойдет. Да мы знаем, как линию питания согласовать с антенной в обычных антеннах, а кто задумывался как антенну согласовать с окружающим пространством, для получения высого КПД передачи?
Вот такие "маленькие" отличия ЕН антенн от Диполей. Я не Бог, а всего лишь человек и могу ошибаться, поэтому я проверяю себя по нескольку раз. Так и здесь, сделав отдельно несколько различных датчиков Е и Н полей, я попытался замерить отдельно Е и Н поля от ЕН антенны. Нет, это были не инструментальные измерения (нет у меня такой техники), а всего лишь оценочные. НО ! они подтвердили те предположения, которые были высказаны выше, при описании работы ЕН антенны.
Вот эти результаты (измерения проводились на полноразмерном диполе и ЕН антенне диапазона 40 метров):
Рис. 1 Е и Н поля Диполя.
Рис. 2 Е и Н поля ЕН антенны.
Опыт был проведен два раза в разных условиях и результаты практически совпали. Я думаю, что разница в распределении полей у Диполя и у ЕН антенны очевидна. Результаты опытов также почти полностью совпали с результатами опытов Теда Харта, но Тед использовал более совершенную и современную аппаратуру с передачей информации от датчиков через оптоволокно, что конечно значительно лучше (меньше влияние датчиков на антенну), да и датчики были иными.
Я перепробовал много вариантов, чтобы совместить графики, представленные на рисунках Рис. 1 и Рис. 2, но ничего не получалось, так как разница в размерах Диполя и ЕН антенны настолько велика, что поля от ЕН антенны сливались в одну линию. Тем не менее, что получилось - то получилось. На рисунке Рис. 3 представлены в одинаковом масштабе Диполь и ЕН антенна, а также их Е и Н поля.
Рис. 3 Совмещение рисунков Рис. 1 и Рис. 2
Е и Н поля от Диполя и ЕН антенны (ближняя зона).
В силу намного меньшей геометрии ЕН антенн, соответственно и поле от антенны имеет свои особенности, и с учетом этих особенностей надо использовать антенну. Иногда можно услышать от радиолюбителей, что установка фильтров (или ферритовых колец) на кабеле, сразу после ЕН антенны, сделали антенну неработоспособной (вернее сказать - неэффективной). Первое, что приходит на ум - основное излучение происходит с кабеля, а не с антенны, тем более, что с такой ситуацией можно столкнуться при использовании стандартных дипольных антенн. Но если считать ЕН антенну просто укороченным диполем, то почему такое получается? Все должно быть нормально: антенна настроена отдельно, имеет чисто активное R вх., отсекаем токи в оплетке (если они есть), кабель перестает излучать (если излучал) и т.д. - значит дело обстоит как-то иначе?
На сегодняшний день существуют несколько теорий, объясняющих работу ЕН антенны (см., например RN3ZM и W5QJR, а также VK5BR - советую прочитать, чтобы иметь общее представление). В любом случае авторы сходятся на том, что э/м поле сконцетрировано в самой антенне и очень близко от нее, а не "размазано" в значительном объеме простарнства, как у традиционных "тонких" антенн, типа Диполя. Из этого следует, что более "сконцентрированное" э/м поле сильнее воздействует на все предметы, находящиеся вблизи ЕН антенны. Отсюда и обратная реакция (кто настраивал ЕН антенны это знает), что все близкорасположенные предметы влияют на настройку ЕН антенны. Посмотрите на рисунки Рис. 4, Рис. 5 и Рис. 6
При нормальной настройке ЕН антенны и отсутствии близкорасположенных предметов, КСВ антенны около 1 (Рис. 4). как только мы подносим руку или другой какой-либо предмет к антенне (не обязательно металлический), КСВ антенны ползет вверх, по мере приближения к антенне этого предмета (Рис. 5 и Рис. 6).
Почему же такое происходит? Ответ довольно простой - ЕН антенна является высокодобротным последовательным колебательным контуром (ЕН антенна состоит из сосредоточенных L и С, в отличие от Диполя, где L и С распределены по всей длине Диполя). В обычных антеннах такое явление тоже наблюдается, но только в гораздо меньшей степени. Попробуйте сравнить какие изменения КСВ происходят при поднесении руки к обычному Диполю, скажем на диапазон 40 метров и к ЕН антенне на это же диапазон (как в вышеприведенном примере). Вопросы отпадут сами собой. Конечно я говорю лишь о замере КСВ на приборе (например MFJ-259), при ВЫКЛЮЧЕННОМ передатчике, так как подносить руки к антенне при поданной мощности опасно, помните это.
Конечно идеальным вариантом был бы вариант, когда радиопередающее (или радиоприемное) устройство стоит в самой антенне и нет необходимости использовать питающий кабель, но реально, естественно, приходится использовать кабель питания антенны.
Кстати, в переносных станциях нет кабеля питания и ЕН антенна монтируется непосредственно в разъем на корпусе станции и работает прекрасно.
Смешно конечно приводить такой пример, но попробуйте поставить ферритовую "бусинку" или кольцо на провод идущий к антенне в переносной станции. Примерно то же (только наоборот) происходит и в ЕН антенне, где поле от антенны наводит токи в близлежащих проводниках (а тем более, если на них одеты ферриты или они представляют из себя индуктивность) и если мы поставим ферритовое кольцо, естественно мы усилим этот эффект и наоборот, создадим паразитные токи (наведенные сильным полем антенны) в кабеле питания, а результат будет негативным.
Поэтому и были неоднократно проведены опыты по установке ЕН антенн непосредственно на выход передатчика, без кабеля питания антенны (некоторые из этих опытов описаны на этом сайте, в том числе и в разделе "ЕН антенны в мире"), все они показывают, что ЕН антенна прекрасно работает и без кабеля (а может быть еще и лучше) и прекрасно сама справляется с передачей энергии в окружающее пространство. А так как поле очень сильно вокруг антенны, то оно влияет, естественно, и на кабель. Здесь главное не путать (что очень часто делается) причину со следствием. Не кабель излучает, а антенна излучает и наводит на кабель (так как он находится в сильном поле от антенны). Вот что на мой взгляд главное.
Теперь представьте, что в такое сильное ВЧ э/м поле мы помещаем ферритовое кольцо, да еще надетое на кабель, по которому подводится мощность от передатчика, да еще как можно ближе к излучающей части антенны. Хорошо, если это кольцо не взорвется и не рассыпется от перегрева в этом поле. Но ведь мы используем ферритовые кольца на кабеле в обычных антеннах Герца? Да, но и условия там другие (см. например Рис. 3), там нет такого сильного ВЧ э/м поля, близко к точке питания антенны.
Для примера рассмотрим две реальные фотографии. На нижеследующих фотографиях показаны напряженности полей от реальных антенн: Диполя, длиной 10 метров (слева, виден конец диполя) и ЕН антенны (справа, длиной 50 сантиметров) при одинаковой подводимой мощности в 15 ватт. Как видите, неоновая лампочка светится только на конце диполя (пучность напряжения) и то прижатая плотную к диполю и на расстоянии в 5 метров (!) от точки питания антенны (кабеля). На правом же снимке, неоновая лампочка светится (в том числе) и у нижнего конца ЕН антенны, в 10 сантиметрах до точки питания (кабеля) антенны, и притом еще, на некотором расстоянии от защитного кожуха антенны! Ясно, где напряженность поля больше и даже можно прикинуть во сколько раз!
Эти фоторафии были опубликованы на этом сайте более года назад, но приходится к ним возвращаться вновь.
Можно посмотреть и еще одну фотографию (Рис. 9). Здесь мощность передатчика - 10 ватт (кстати, лампа дневного света загорается и при втрое меньшей мощности).
Рис. 9 Лампа дневного света горит у ЕН антенны (диапазон 7 МГц) на расстоянии 20 см. при мощности TX=10 ватт.
Вполне естественно, что имея такое "сконцентрированное" поле и подход к методам питания антенны должен быть несколько иной. Также естественно, что помещать ферритовые кольца в это поле не имеет смысла, разве только для того, чтобы наоборот, создать нежелательные токи в линии питания и расстроить антенную систему (практически это так и происходит). Насколько известно, до сих пор никто не нашел выхода из этого положения: поле никуда не убрать подальше от кабеля питания, а одевать ферритовые кольца на кабель, как было сказано выше - не получается (да и нет необходимости, если все настроено правильно).
Можно задаться вопросом, а можно ли вообще включать фильтр в фидер питания? Да, можно, но опять же, с учетом вышеизложенного, т.е. в ту часть фидера, где поле от антенны уже не такое сильное и фильтр или ферритовое кольцо действительно может принести пользу (при необходимости), а не вред. Кстати отмечу, что если антенна правильно настроена и согласована с фидером, а волновое сопротивление кабеля равно выходному сопротивлению TX и входному антенны - то и необходимость в разного рода фильтрах и кольцах отпадает сама собой. Посмотрите, например, на характеристики последней изготовленной ЕН антенны на 14 МГц на фото ниже.
Рис. 10 Характеристики ЕН антенны диапазона 20 метров, снятые векторным анализатором.
Надо ставить какие-то кольца на фидер при таких характеристиках антенны? Попробуйте сами ответить на этот вопрос.
Куда же можно включить фильтр или одеть ферритовое кольцо? Практически установлено, что уже на расстоянии 2-3 (а лучше 3-4) длины антенны (не путать с длиной волны), можно включать любой фильтр или одевать ферритовое кольцо, без ущерба растроить антенную систему.
Теперь посмотрим на излучение кабеля с другой точки зрения (хотя, как я писал, в переносных станциях все работает прекрасно и без кабеля).
Взглянем на рисунок ниже (Рис. 11):
Рис. 11
Как видим имеется предатчик (TX - справа на рисунке) с выходным сопротивлением 50 Ом и какой-то выходной мощностью. Передатчик подключен через фидерную линию с волновым сопротивлением 50 Ом, к ЕН антенне (настроенной) с входным активным сопротивлением 50 Ом и реактивным, равным 0.
Что будет излучать? Кабель будет излучать? Да! Кабель будет излучать (помимо согласованной антенны), НО только за счет потерь на активном сопротивлении кабеля (сюда же можно включить и излучение за счет некачественного изготовления кабеля: неравномерности волнового сопротивления по длине кабеля, некачественной оплетки и т.д.). В зависимости от типа применяемого кабеля это будет составлять единицы процентов от полезной мощности, поступающей в антенну.
Это полностью подтверждается тщательными (можно даже сказать скрупулезными) измерениями Ллойда Батлера VK5BR, который пишет в одной из своих последних статей: ...Однако мои испытания показывают, что излучение кабеля конечно не является основным излучением ЕН-Антенны, как некоторые люди об этом говорили, и является весьма и весьма незначительным."
Посмотрите на фотографии Рис. 12. На них представлены практические моменты измерения Н поля в различных точках вблизи ЕН антенны и питающего кабеля, вплоть до передатчика. Измерения проводились неоднократно, различными датчиками и у разных ЕН антенн (КСВ антенной системы около 1, фото 12-8).
Рис. 12 Измерения поля вблизи антенны.
На рисунке Рис. 12-5 четко видно (показано стрелкой), что поле от двух открытых коротких проводников (длиной по 15 см.), соединяющих ЕН антенну с разъемом СР-50 явно индицируется, но только до ВЧ разъема антенны и ВЧ кабеля, соединяющего антенну и передатчик.
Другое дело, если антенна настроена не совсем точно, тогда применяя кабель длиной 0,5 длины волны (электрической) или кратной этой величине, мы можем согласующим устройством у передатчика добиться полного согласования с антенной (даже если входное активное сопротивление антенны не будет равно 50 Ом), благодаря тому, что отрезок кабеля 0,5 длины волны (или кратный) трансформирует сопротивления на концах кабеля 1:1 , иначе мы будем иметь довольно сильное излучение кабеля.
Эти моменты действуют в фидерных линиях не смотря на то, какая антенна применяется ЕН или любая другая. Важным остается только один момент - сильное поле вблизи ЕН антенны и этот фактор надо учитывать обязательно при согласовании, в этом главное отличие "тонких", длинных антенн типа Диполя от коротких ЕН антенн.
Есть один нюанс, для того чтобы получить хорошие характеристики антенны, надо не мало потрудиться при настройке, "на коленке" не получится (по крайней мере, у меня не получается, наверное "коленки" кривые hi).
73! Успехов всем и здоровья хорошего!
Литература:
1. Мясоед В.П. (RN3ZM): "Антенна – движитель электромагнитной волны"
2. Ted Hart (W5QJR): "Introduction to EH antennas."
3. Lloyd Butler (VK5BR): "The EH Antenna - Out of Balance Current or Longitudinal Mode Current in the Coaxial Cable causes radiation from the coax."
4. OMNIREP GmbH: "A QRP test with the 27 MHz EH without feeder cable."
5. OMNIREP GmbH: "An EH Antenna without Coaxial Feeder Cable."
6. В. Дудко (RA3OZ): "ЕН антенна для диапазона 40м"
73!
UA1ACO op. Vlad
г. С-Петербург
08.2006г.
дополнено 05.2007г.
P.S. Так как до настоящего времени не существует еще стройной теории ЕН антенн, некоторые мысли, высказанные в данной статье, могут быть спорными.
