|
В различных статьях по ЕН антеннам можно прочитать, что эффективность (КПД) ЕН антенны очень высокая. Естественно, что КПД антенны, показывающий какой процент энергии она передает от передатчика в окружающее пространство, а сколько выделяется в виде тепла, является важной величиной. Радиолюбитель UA4HLQ (Владимир) из Самары предложил простой способ измерения КПД ЕН антенны, о чем и пойдет речь в статье. |
Измерение КПД ЕН антенны калориметрическим методом
Кононов Владимир ( UA1ACO )
С-Петербург
Кононов Владимир ( UA1ACO )
С-Петербург
Изначально хочется сказать, что метод калориметрии действительно показательный и не требует каких-то особенных инструментов для измерения. Единственный, на мой взгляд, недостаток - значительное количество времени для проведения таких измерений. Одно измерение занимает более часа, плюс охлаждение до "начальной" температуры бокса и "изделий", для проведения следующих измерений и т.д. В итоге проведение описываемых здесь измерений заняло не один день.
Действительно КПД (Коэффициент Полезнгого Действия) ЕН антенны (как и всякой другой), является важной величиной. Он показывает сколько процентов энергии антенна излучила в окружающее пространство, и сколько процентов подведенной энергии превратилось в антенне в тепло (по причине несовершенства конструкции и неидеальности ее характеристик).
Есть несколько методов определения КПД, но все они сводятся к измерению (расчету) мощности: Полезной мощности, излученной антенной и той мощности, которая превратилась в тепло.
Один из методов измерения мощности, является калориметрический метод.
Калориметрические методы измерения мощности основаны на преобразовании электромагнитной энергии в тепловую в сопротивлении нагрузки, являющейся составной частью измерителя. Количество выделяемого тепла определяется по данным изменения температуры в нагрузке или в среде, куда передано тепло. Различают калориметры статические (адиабатические) и поточные (не адиабатические). В первых мощность СВЧ рассеивается в термоизолированной нагрузке, а во вторых предусмотрено непрерывное протекание калориметрической жидкости. Калориметрические измерители позволяют измерять мощность от единиц милливатт до сотен киловатт. Статические калориметры измеряют малый и средний уровни мощности, а поточные — средние и большие значения мощности
Калориметр (от лат. calor - тепло и греч. metreo - измеряю) — прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом или биологическом процессе.
Метод калориметрии обычно применяется для работы с СВЧ техникой (размеры устройств там не большие, а метод позволяет не предъявлять повышенные требования к компонентам измерительного оборудования). Этим методом можем воспользоваться и мы, так как размеры ЕН антенны также не велики. В свою очередь калориметрический метод также подразделяется на несколько вариантов. Мы воспользуемся методом статического калориметра, путем замещения.
Как будет выглядеть схема измерения? Она представлена на рисунке Рис.1
Рис. 1 Блок схема для измерения КПД ЕН антенны методом замещения.
Сделаем небольшие пояснения к приведенной блок-схеме.
Красный прямоугольлник справа - трансивер на диапазон 144-146 МГц, с возможностью менять частоту и выходную мощность в пределах от 1 ватта до 50 ватт. Сигнал с ыхода трансивера через развязывающий дроссель на ферритоваом кольце (пять витков кабеля RG-58U) подается на исследуемый объект, обозначенный оранжевым прямоугольником и названный на блок-схеме "Объект". Под объектом подразумевается или исследуемая антенна или эквивалент нагрузки 50 Ом.
Исследуемый объект помещается в пенопластовый бокс размерами 185х155х100 мм. (упаковочная коробка от измерителя КСВ "Diamond SX-600"). В этом же боксе находится небольшой вентилятор "D45SM-12", укрепленный на одной из стенок (с зазором), предназначенный для более интенсивной циркуляции воздуха внутри бокса. Вентилятор подключен к источнику питания через балластное сопротивление для уменьшения скорости вращения.
В этом же пенопластовом боксе расположен датчик температуры "ТР-01" (-50oC ~ +200oC) соединенный с измерителем температуры, мультиметром "M890G", расположенным снаружи бокса. Для контроля за излучением используется также измеритель уровня э/м поля "АТТ-2593".
Порядок проведения измерений следующий:
- В трансивере устанавливается частота 145,450 МГц и выходная мощность 10 ватт.
- Выходная мощность, перед началом эксперимента, контролируется по уровню входного напряжения, непосредственно на "объекте", осциллографом "Tektronix TDS 2022B" (P=((0,7*Up)2)/R).
- Подается питание на вентилятор.
- Датчик температуры "ТР-01" подключается к мультиметру "M890G".
- В качестве "Объекта" в бокс устанавливается ЕН антенна на 145 МГц и подключается к трансиверу.
- Бокс плотно закрывается пенопластовой крышкой.
- Перед началом эксперимента, в течении одной минуты, измеряется температурв воздуха внутри бокса (при эксперименте она была равна 21oС)
- Включается трансивер.
- Дополнительно контролируется КСВ прибором "Diamond SX-600".
- Для контроля измеряется уровень поля на расстоянии до трех длин волн.
- С интервалом в 5 минут измеряется температура внутри бокса с помощью мультиметра "M890G".
- Измерения производятся до прекращения существенного роста температуры внутри бокса (примерно в течении часа).
- Далее пенопластовый бокс с открытой крышкой охлаждается до температуры окружающего воздуха.
- Вместо исследуемой ЕН антенны включается эквивалент антенны 50 Ом.
- Проверяется КСВ с включенным эквивалентом.
- Включается трансивер и его выходная мощность подбирается такой, чтобы ход изменения температуры был такой же как и с ЕН антенной (эти действия повторяются несколько раз до совпадения графиков увеличения температуры как с ЕН антенной, так и с эквивалентом антенны 50 Ом).
- С интервалом в 5 минут измеряется температура внутри бокса с помощью мультиметра "M890G".
- По результатам измерений строится график.
Аналогичные измерения (как указано в вышеприведенном списке) производятся и для второй ЕН антенны на диапазон 145 МГц, а затем и для эквивалента антенны 50 Ом (измеряется лишь для наглядности). Измерения также были повторены и для маленькой (уменьшенной по размерам ЕН антенны для диапазона 27 МГц). Таким образом, измерения проводились для эквивалента антенны 50 Ом, двух ЕН антенн на диапазон 145 МГц и для маленькой (меньшей по рекомендуемым для ЕН антенн размерам), для диапазона 27 МГц.
После построения графиков на мощности 10 ватт, в бокс устанавливается эквивалент антенны 50 Ом и проводятся измерения температуры при понижении мощности от трансивера до такой величины (как позже оказалось менее 1 ватта), чтобы ход кривой температуры с использованием эквивалента, был такой же как и с использованием ЕН антенны при мощности 10 ватт. Величина мощности также записывается (амплитуда напряжения на нагрузке 50 Ом и ЕН антенне регистрируется с помощью осциллографа "Tektronix TDS 2022B").
Теперь можно подсчитать КПД антенны по формуле:
КПД = (1 - Рэкв. / Рант.)*100%
Где:Рант. - мощность подводимая к исследуемой антенне.
Рэкв. - мощность подводимая к эквиваленту антенны и создающая такую же температуру в боксе-термостате, как и температура, при измерениях с исследуемой антенной.
Ниже на фотографиях, можно посмотреть условия проведения эксперимента.
Рис. 2 Расположение элементов стенда с ЕН антенной.
Рис. 3 Расположение элементов стенда с эквивалентом.
Рис. 4 Характеристики ЕН антенны (векторный анализатор антенн "miniVNA").
Рис. 5 Характеристика эквивалента (векторный анализатор антенн "miniVNA").
Рис. 6 Контроль уровня поля.
Рис. 7 Бокс с крышкой и измеритель температуры.
Рис. 8 Контроль уровня мощности 1 ватт (амплитуда 10 вольт, х2), осциллограф "Tektronix TDS 2022B".
Рис. 9 Контроль уровня мощности 10 ватт (амплитуда 32 вольта, х2), осциллограф "Tektronix TDS 2022B".
Рис. 10 По результатам строятся графики изменения температуры воздуха в боксе от времени.
Дадим пояснения к графикам на рисунке Рис.10
Здесь четыре графика. Самые нижние рафики синего и красного цвета (пересекающиеся) относятся к измерению температуры при использовании ЕН антенн (испытывались две ЕН антенн) и подводимой мощности 10 ватт.
График фиолетового цвета - график изменения температуры, при использовании эквивалента антенны 50 Ом, при подводимой мощности 1 ватт. К сожалению он идет все равно выше первых двух графиков красного и синего цвета (при использовании антенн), и надо бы было снизить мощность от трансивера менее 1 ватта (примерно до 0,8 - 0,7 ватта), чтобы графики совместились, но на используемом трансивере ICOM-7000, менее 1 ватта не получить, а ставить аттенюаторы не хотелось, чтобы эксперимент был корректным и картина измерений не менялась.
Самый верхний график коричневого цвета получен при использовании эквивалента 50 Ом и подводимой мощности 10 ватт и снимался для контроля и наглядности.
Какие выводы можно сделать?
Допустим, что график с сиреневой линией (эквивалент 50 Ом, при подводимой мощности 1 ватт) идет чуть ниже и совмещается с краснам и синим графиками (ЕН антенны при подводимой мощности 10 ватт), тогда обратимся к приведенной выше формуле КПД = (1 - Рэкв./Рант.)*100% и подсчитаем КПД.
КПД = (1 - 1/10)*100% = 90%
Таким образом КПД ЕН антенны равен 90%, но... на самом деле фиолетовый график и красный с синим, не совмещены... и чтобы это совмещение произошло, необходимо было снизить выходную мощность трансивера при использовании эквивалента 50 Ом, до уровня меньше 1 ватта (около 0,8 - 0,7 ватта). Видя ход течения графиков, примем, например, 0,75 ватта и снова произведем расчет:
КПД = (1 - 0,75/10)*100% = 92,5%
Таким образом КПД ЕН антенны (каждой из двух антенн, участвующих в эксперименте) равен 92,5%. Конечно эту величину не надо воспринимать как абсолютную. Тем не менее, порядок и ориентировочные значения КПД теперь ясны и проверены и мы знаем, что при проведении эксперимента и использовании ЕН антенн, 7% энергии ушло в тепло, а 93% излучилось в эфир в виде ЭМВ.
Тот факт, что энергия от антенны излучалась в эфир, контролировался с помощью измерителя уровня э/м волн "АТТ-2593", расположенного примерно в метре от пенопластового бокса (для оценки уровня сигнала, измеритель переносился на расстояние до трех длин волн). При использовании эквивалента, часть энергии также излучалась, за счет не точного согласования, излучения самой радиостанцией, соединительного кабеля и т.д. Конечно качество используемого эквивалента судя по КСВ=1,16 (несколько параллельно включенных резисторов МЛТ с общим сопротивлением 50 Ом) нельзя назвать идеальным, но можно считать вполне приемлемым. Уровни полей были следующие: Фон (с выключенным трансивером) ~ 3 мв/м, при испытании с эквивалентом ~ 25 мв/м, при испытании ЕН антенны ~ 10 в/м (10000 мв/м). Разница в 400 раз!
Точно такие же измерения были проведены и с ЕН антенной на диапазон 27 МГц. Эта антенна ранее участвовала в эксперименте, описанном в статье http://ehant.qrz.ru/exp_eh34.htm. Названа она как "маленькая ЕН с цилиндрами", см. рисунок Рис.11
Рис. 11 ЕН антенна на диапазон 27 МГц длиной 85 мм.
Конечно для диапазона 27 МГц у нее размер не оптимален и мал, по всей видимости и результат поэтому хуже чем у антенн выполненых по "классическим ЕН" рекомендациям. Тем не менее антенна в пенопластовом боксе помещалась по размеру, поэтому и было решено ее также испытать. Результаты испытаний приведены на рисунке Рис.12
Рис. 12 Графики изменения температуры воздуха в боксе от времени при испытаниях ЕН антенны на 27 МГц.
Расчитываем КПД по формуле: КПД = (1 - Рэкв. / Рант.)*100%
При испытаниях, для совпадения характеристик ЕН антенны при подводимой мощности в 10 ватт и графика кривой эквивалента, на эквивалент подавалось 2 ватта (Uр-р = 14 вольт на 50 Ом`ах эквивалента).
Подставляем значения в формулу: КПД = (1 - 2/10)*100% = 80%,
таким образом КПД даже такой уменьшенной в размерах ЕН антенны равняется примерно 80%.
Жаль, что невозможно разместить полноразмерный диполь в такой маленькой пенопластовой коробочке и сравнить его по КПД с ЕН антенной.
Поставить описанный эксперимент не сложно, и в принципе, каждому радиолюбителю по силам его провести.
Литература:
1. М.М.Попов. Термометрия и калориметрия, 2 изд., М., 1954
2. В.А.Кузнецов. Измерения в электронике. Справочник. Изд-во Энергоатомиздат, 1987.
Успехов всем!
73!
UA1ACO op. Vlad
г. С-Петербург
12.2010г.
UA1ACO op. Vlad
г. С-Петербург
12.2010г.