|
Классический Диполь, так называемая ЕН антенна... одного они поля "ягода"? Трудно сказать, но попробуем разобраться... благо о Диполе и его свойствах, расчетах... в литературе написанно очень много статей. Есть и экспериментальные данные по ЕН антеннам, проведенные радиолюбителями в разных странах. Есть, хоть и не стройная теория, но на сегодняшний день более-менее объясняющая работу ЕН антенн. Попробуем сравнить, ссылаясь на классическую литературу. И ещё... спасибо радиолюбителям, экспериментирующим с ЕН антеннами! |
СРАВНЕНИЕ ...
Кононов Владимир ( UA1ACO )
г. Санкт-Петербург
Кононов Владимир ( UA1ACO )
г. Санкт-Петербург
А теперь рассмотрим и сравним обычный Диполь и ЕН антенну, есть между ними разница или нет?
Можно ли объяснить работу ЕН антенны, не привлекая какие-то чудесные неизвестные свойства этих антенн, а используя общеизвестные законы и теории? Действительно ли ЕН антенна, это Диполь, но только укороченный?
Сравнивать будем по той литературе, где описана работа Диполя, и по результатам проведенных экспериментов с ЕН антенной, опираясь на «сырую» теорию работы ЕН антенн.
Опираясь на теорию (и результаты практических экспериментов), видим, что основным рабочим органом ЕН антенны является «конденсатор» (емкость), образованный двумя толстыми цилиндрами. Для достижения резонанса системы ЕН антенны, в ее схему добавлена дискретная индуктивность. Емкость между цилиндрами ЕН антенны и дискретная индуктивность образуют ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ колебательный контур. На резонансной (рабочей) частоте ЕН антенны, напряжения на элементах этого последовательного «контура» максимальны. При этом длина цилиндров, напрямую, не зависит от длины волны (цилиндры не резонансные как плечи в Диполе) и очень короткие. Обратимся теперь к литературе и посмотрим, что в ней сказано о работе конденсатора (ток смещения) и Диполя:
Г.Б. Белоцерковский "Основы радиотехники и антенны"
Естественно, протекающий ток смещения создает поле Н, а высокое напряжение между цилиндрами, в момент резонанса - поле Е. Так как ЕН антенна компактная, то и "центры" полей, практически почти совпадают и находятся близко к зазору между цилиндрами (см. статью "поле ЕН антенны"), что в корне отличается от распределения уровней полей в Диполе (см. также Д.П. Линде "Антенно-фидерные усройства" стр.57, Рис. 31б). Индуктивность "плеч" ЕН антенны практически очень мала (антенна короткая) в сравнении с классическим длинным, тонким Диполем (длинный провод - индуктивность) см. Рис.1.
Д.П. Линде "Антенно-фидерные усройства"
Рис. 1 (Фиг.30) Стандартный симметричный вибратор - Диполь
В ЕН антенне, "плечи диполя" имеют очень маленькую индуктивнеость (т.к. они имеют небольшую длину и большую площадь), а в основном образуют "пространственную" емкость, через которую и течет ток смещения.
Г.Б. Белоцерковский "Основы радиотехники и антенны"
Согласитесь, что поля довольно значительные, так как их величина определяется добротностью ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО контура, а эта добротность, в свою очередь зависит от качества "компонентов" ЕН антенны, но ведь мы применяем толстые цилиндры (паразитная индуктивность минимальна), материал медь и толстый медный провод для изготовления катушки. Вот здесь важно не упустить тот момент, что антенна выполнена на пластмассовой трубе (полипропилен, полиэтилен и т.д.) и качество используемого материала также приобретает важное значение. При неправильном изготовлении ЕН антенны и игнорировании требований к материалу, антенна может разрушиться или даже загореться. (Я получал массу писем, да и на форумах есть информация, когда ЕН антенны загорались, "дымились" или "пели"...)
Пример игнорирования этих требований, на рисунке Рис. 2
Рис. 2 Прогоревшая "дыра" в ЕН антенне (при Р=150 вт)
(толщина стенок трубы = 10мм, диаметр "дыры" - 60-80мм).
Еще раз хочется подчеркнуть: толщина стенки трубы (полиэтилен, черная труба) была 10 мм !!! и мощность всего 150 ватт.
Естественно в Диполе, где максимум напряжения у концов Диполя и добротность значительно меньше, чем у ЕН-антенны (а как известно, напряжение при резонансе пропорционально добротности), вы такого не увидите (и при такой небольшой мощности).
А что нам говорит теория, насчет токов смещения (коль скоро в ЕН антенне они играют ключевую роль) и какую роль они играют в стандартном, классическом Диполе?
Г.З. Айзенберг "Коротковолновые антенны"
Подчеркну вывод! -
| "...НЕ ВВОДЯ В РАССМОТРЕНИЕ ТОКИ НА ТОРЦЕВЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ!" |
...вот и программа "MMANA" с базисными формулами расчета антенн, видимо не учитывает эти токи... (см. например ЗДЕСЬ) конечно для классических Диполей...всё ОК!
И оказывается, что следуя существующей теории, зазор в точке питания классической антенны Диполь, не рассматривается и не учитывается. Более того, при теоретическом рассмотрении работы Диполя, его вообще стараются исключить из расчетов. (В литературе по антеннам, я НЕ нашёл НИ ОДНОЙ строчки по расчету величины этого зазора!)
Г.З. Айзенберг "Коротковолновые антенны"
Ток СМЕЩЕНИЯ, при анализе и расчете классических Дипольных антенн, никакой роли вообще не играет, или вообще не упоминается! (в литературе, при рассмотрении работы Дипольных антенн, буквально несколько строк, а то и совсем нет). Более того, он считается "паразитным" и ухудшающим работу Диполя. Рассматривается только ток ПРОВОДИМОСТИ в проводах (плечах) Диполя (а их-то в ЕН антенне почти и нет... 1/40 длины обычного Диполя). (При этом, очевидно, предполагается, что ток проводимости возбуждает в пространстве ток смещения…)
Г.З. Айзенберг "Коротковолновые антенны"
Более того, по вышеприведенной цитате получается, что емкость между торцами стандартного Диполя (в точке питания), вообще паразитная! и от нее надо избавлятся, путем изготовления торцов Диполя в виде конуса или делая их более тонкими (вспомните Диполь Надененко!)
Г.З. Айзенберг "Коротковолновые антенны"
Здесь необходимы некоторые пояснения. В соотношении "l/a", под "l" понимается длина вибратора, а под "a" - его диаметр. Выходит, что на графиках (в книге) при соотношении "l/a" равном около 3000 (у стандартного Диполя) все нормально расчитывается (теоретически) и сходится с практикой, но при уменьшении этого соотношения "...расхождение тем больше, чем меньше это сооношение...". Но ведь в ЕН антеннах это соотношение варьируется вообще от 1 до 5-6!. Выходит что и расчитать-то ЕН антенну не удастся (даже теоретически, что и доказывают расчеты в "MMANA"), уж слишком расчетные результаты будут разниться с практическими (сейчас кто-то скажет, но ведь MMANA расчитывает... вот так и расчитывает, по теории Диполя... прибавьте сюда "паразитные", "не учитываемые", токи смещения...), странно что усиление ЕН антенны (по расчету в программе) в сравнении с изотропным диполем -20/-30 dBi, а не еще меньше...
Опять обратимся к литературе и посмотрим, что пишут о коротких Диполях:
Слюсар В. "60 лет теории электрически малых антенн"
Драбкин А.Л., Коренберг Е.Б., "Антенны"
Хорошо, действительно это так. Все мы делали не один и не два Диполя (в том числе и укороченные) и убедились в этом практически, а не только теоретически. Так что практика подтверждает теорию.
Кстати, это хорошо видно на примере работы ЕН антенны и сильноукороченного Диполя в статье "Плоская ЕН и Диполь на диапазон 14 МГц". ЕН антенна и Диполь (одного размера) имеют полосы пропускания 1116 кГц и 156 кГц соответственно (разница в 7 раз!) и добротности 13 и 91 соответственно. Да, для Диполя все соответствует теории, но для ЕН ?!
Но теперь обратимся к тем опытам, которые были проведены с ЕН антеннами (неоднократно) по измерению уровня полей и в ближней и в дальней зонах (вплоть до 230 длин волн!). Снова прочитаем статью "Поля от антенн в разных зонах". Посмотрим на графики..., сравним размеры ЕН антенн с Диполем... сравним параметры антенн (по ссылкам на КСВ, они есть в статье) и сделаем какие-то выводы после того, как результаты измерений сведем в таблицу (рассмотрим стандартные ЕН с цилиндрами и плоскую ЕН (W5QJR), а также укороченный Диполь). Все антенны на диапазон 145 МГц.
| Наименование антенны |
Полоса пропускания кГц |
Добротность измеренная |
Добротность расчетная |
Размер антенны в сравнении с Диполем |
Разница в уровне сигнала по сравнению с Диполем (dB) в дальней зоне |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| Диполь | 13360 | 11 | ~10 | 1 | 0 dB |
| ЕН Плоская | 5520 | 26 | ~100 | в 9 раз меньше | -1 dB |
| ЕН № 1 | 6720 | 22 | ~300 | в 14 раз меньше | -2 dB |
| ЕН № 2 | 6720 | 22 | ~300 | в 14 раз меньше | -1 dB |
| Укороченный Диполь аналог ЕН* |
440 | 330 | ~300 | в 16 раз меньше | -20 dB |
* статья, антенна из "гвоздей" (укороченный Диполь).
** Для справки: распределенная емкость полноразмерноего Диполя более чем в 20 раз больше емкости ЕН антенны. (6)
Добротность антенны, при уменьшении ее размеров, согласно теории для Диполя, должна изменятся "...обратно пропорционально третьей степени размера антенны..." (при неизменной частоте). Практически (см. таблицу), размеры ЕН антенн, уменьшены в 10-15 раз (по сравнению с Диполем), а добротность возросла только в ДВА раза! Но если ЕН антенны - укороченные Диполи, то почему практика не стыкуется с теорией Диполя? И было бы понятно, если бы разница получилась в пределах погрешностей, но получается-то, что расхождение на порядок! (кстати, для Диполя-то все сходится).
Результаты в сравнении уровней полей от Диполя и ЕН антенн, в расхождении результатов по добротности (практически и теоретически) и полосе пропускания, заставляют задуматся о том, что работа ЕН антенн должна быть рассмотрена, исходя из других принципов, по сравнению с работой Диполя.
Что такое добротнось антенны?" Гусман В.Я.(RX3APE)
Получается все наоборот!.
- Та часть в ЕН антенне, которая излучает, в Диполе - паразитная емкость!
- То что является основной частью для излучения ЭМВ в Диполе (длинные плечи) - в ЕН антенне почти отсутствует... (плечи в ЕН совсем короткие).
- При такой геометрии ЕН антенны, классические расчеты искаженные и не точны...
- Да еще не рассматриваются токи на торцевых поверхностях!!! (паразитные).
- Добротность (полоса пропускания) ЕН антенны, практически на порядок отличается от расчетной (по теории Диполя).
- Усиление ЕН антенны практически более чем в 10 раз (!) отличается от расчетного (по теории Диполя).
Вопросов, извините, больше чем ответов...
Небольшой экскурс в историю...
Драбкин А.Л., Коренберг Е.Б., "Антенны"
Видимо и Герц "интуитивно" чувствовал, что в антенне можно использовать "сосредоточенную" емкость (шары на концах Диполя), но и от проводов не отказался... вот и получился "гибрид" :), потом шары ликвидировали и сейчас мы имеем то, что имеем - проволочный Диполь (хоть и прошло больше сотни лет), а на пути к ЕН антенне встали многие годы.
Успехов всем!
Литература:
- Белоцерковский Г.Б., "Основы радиотехники и антенны", Часть I, М , Советское радио, 1969г.
- Айзенберг Г.З. и др., "Коротковолновые антенны", изд.-2, М, Радио и связь, 1985г.
- Линде Д.П., МРБ, "Антенно-фидерные устройства", Госэнергоиздат, Москва Ленинград, 1953г.
- Драбкин А.Л., Коренберг Е.Б., "Антенны", М, Радио и Связь, 1992г.
- Слюсар В., "60 лет теории электрически малых антенн", Электроника:НТБ, Выпуск № 7/2006г.
- под. ред. Серкова В.П., "Вопросы теории и проектирования антенных устройств", Академия связи им. Буденного, Ленинград, 1979, стр. 164
73!
UA1ACO op. Vlad
г. С-Петербург
08.2009г.
UA1ACO op. Vlad
г. С-Петербург
08.2009г.