Сайт о ЕН-Антеннах
Сайт, посвященный ЕН-Антеннам. Статьи. Описания. Конструкции. Эксперименты. Результаты испытаний.
В этой статье затрагивается важный вопрос о сопротивлении излучения ЕН антенны и сделана попытка провести измерения Rизл. Измерения конечно "сырые". Эти эксперименты были начаты еще в начале 2010 года, но потом, из-за недостатка времени все дальнейшие опыты были отложены до лучших времен. В ходе экспериментов стало ясно, насколько сложно провести корректные измерения, путем замещения цилиндров антенны на точечный конденсатор... но это все в статье. Тем не менее, даже и эти "сырые" измерения, надеюсь, могут оказать помощь в обсуждении работы ЕН антенны.

Измерение сопротивления излучения ЕН антенны.
(предварительные, результаты еще "сырых" опытов)
Кононов В.В. ( UA1ACO )
г. Санкт-Петербург


Преамбула

Эта история началась давно, еще в 2007 году, когда я занимался простой плоской ЕН на диапазон 145 МГц. Такая антенна была придумана Тедом Хартом и предназаначалась прежде всего для легкого ее повторения http://ehant.qrz.ru/exp_eh20.htm.htm, чем и воспользовались многие радиолюбители и у нас и за рубежом. Более того, было решено посмотреть (с помощью люминесцентной лампы), как распределяется поле вокруг антенны, и результаты с фотографиями можно увидеть в продолжении статьи "Игры со светом" и "Игры со светом-2". Многие фотографии в статье не фигурируют (кстати, недавно "взвесил" количество различных фотографий по ЕН в своих архивах... их более 10000 :).
Но вернемся к теме. В ходе "игр со светом" и усечения ЕН плоской антенны в два раза, появилась мысль заменить "плечи" ЕН антенны подстроечным конденсатором КПКМ, что сразу и было сделано. Излучение конечно сразу пропало (в статье этих фотографий нет), а конденсатор через 3-5 секунд засветился как лампочка от карманного фонарика и сгорел (все опыты проводились на переносной станции с мощностью не более 5 ватт).
В теории АФУ есть такое понятие как сопротивление излучения (Rизл). Размерность у него Омы. Это виртуальная величина, так как совместно с сопротивлением портерь в элементах конструкции антенны, оно образует общее сопротивление потерь (в том числе и на излучение) в антенне. Разделить сопротивление излучения и сопротивление потерь в элементах конструкции антенны трудно, если ни сказать невозможно. Тем не менее в ЕН антенне это вполне может стать возможным... попробуем.
Этот опыт навел на размышления об измерении сопротивления излучения (Rизл) ЕН антенны, путем замены цилиндров (следуя "гипотезе" работы ЕН, цилиндры - основной излучающий элемент ЕН антенны), на дискретный конденсатор. Время шло, а руки все не доходили. И вот представилась возможность осуществить задуманное. В ходе описываемых далее экспериментов, стало ясно насколько не просто, с достаточной точностью, измерить R изл. Дело не в приборах и инструментарии, дело в том, что в ЕН антенне существует большое количество паразитных емкостей, затрудняющих измерения путем замены цилиндров на дискретный конденсатор. Тем не менее, измерения были проведены. Естественно они "сырые" (как есть). И теперь понятно, что для таких измерений нужна очень продуманная методика измерений, учитывающая изменения "емкостной картины" при проведении измерений (так как ЕН антенна, емкостная).

Часть I

Все дальнейшие рассмотрения и эксперименты будем проводить на ЕН антенне, на частоту 7 МГц (диапазон 40 метров). ЕН антенна выполнена на полипропиленовой трубе диаметром 50 мм. Диаметр цилиндров 50 мм. Соотношение длины к диаметру равно 1 (не самое лучшее соотношение, но для нас это сейчас не так важно). Катушка настройки выполнена проводом ПЭЛ 0,85 и имеет 37 витков с отводом от 1,5 витка.

На рисунке Рис. 1 представлена характеристика испытуемой ЕН антенны.



Рис. 1 Характеристика испытуемой антенны.


На рисунке Рис. 2 представлена упрощенная эквивалентная схема ЕН антенны.



Рис. 2 Упрощенная эквивалентная схема ЕН нтенны.

На упрощенной эквивалентной схеме антенны всего 4 элемента: Расмотрим каждый элемент отдельно.

Емкость
Емкость, образована цилииндрами антенны. Чем больше в размерах цилиндры, тем емкость больше. Но размеры цилиндров ограничены двумя пределами сверху и снизу. Очень сильно уменьшать размеры цилиндров нельзя - емкость будет мала и для настройки антенны в резонанс на необходимый диапазон, придется увеличивать величину катушки настройки, что повлечет за собой высокие потери в катушке настройки. Увеличивать черезмерно размеры цилиндров тоже нельзя. При черезмерном увеличении размеров цилиндров будет сказываться индуктивность самих цилиндров, что уменьшит эффективность антенны из-за задержки тока в самих цилиндрах.
Выяснить оптимальные соотношения длины и диаметра, размеров самих цилиндров еще предстоит. В настоящее время общепринято, что размер ЕН антенны должен равняться около 1/30 - 1/40 длины волны, а оптимальное соотношение длина/диаметр выбирается в интервале 3-6.

Катушка настройки
Катушка настройки является важным элементом ЕН антенны, от правильного исполнения которой, во многом зависит эффективность антенны. Что важно для катушки настройки? Прежде всего малые активные потери, малая собственная емкость, малые размеры и т.д. и здесь возникают противоречия: если стремится к малым размерам (для уменьшения паразитной емкости с цилиндров на катушку), то катушку придется мотать тонким проводом, что в свою очередь вызовет большие активные потери в проводе катушки. То же самое и наоборот, если намотать катушку толстым проводом, то потери в проводе уменьшатся, но в свою очередь, увеличится паразитная емкость с цилиндров на катушку, снижая эффективность антенны.
Ко всему прочему, потери в катушке зависят и от величины подводимой к антенне мощности (при неизменном диаметре провода) и т.д.
Таким образом, мы видим, что конструкция катушки настройки ЕН антенны может сильно влиять на общую эффективность антенны и к ее конструированию и выборе параметров необходим обдуманный и взвешенный подход. В настоящее время при мощностях до 100-200 ватт (на КВ диапазоне), вполне можно использовать провод сечением до 1-1,5 мм. и располагать катушку настройки на расстоянии диаметра применяеимой трубы, на этой же трубе.

Rпот. - сопротивление потерь в конструкции антенны.
Сопротивление потерь (Rпот.) вполне реальная, физическая вещь. Сопротивление потерь - собирательный образ. Сюда входит и активное сопротивление провода катушки настройки, сопротивление соединительных проводов внутри антенны, потери в диэлектрике антенны, за счет прохождения по ним токов смещения (tg угла потерь в диэлектрике), потери на токи по паразитным емкостям антенны и т.д. Практически, хотя и с большим трудом, мы можем подсчитать все эти потери в конструкции антенны. Естественно, что подводимая к антенне мощность от передатчика, частично уходит на сопротивлении потерь в тепло. Путем рацианального и продуманного конструирования антенны мы можем уменьшить эти потери, но избавиться от них полностью, конечно нет. Таким образом можно сделать вывод, что надо стремится к уменьшению сопротивления потерь, где теряется часть подводимой мощности.

Rизл. - сопротивление излучения антенны.
И вот, наконец, мы подошли к теме этой статьи. Процитируем классиков (К.Ротхаммель I том, 2007г., стр. 46):
"Сопротивление излучения, является расчетной величиной, из которой выводятся многие характеристики антенны. Обычно оно относится к максимуму тока и представляет собой эквивалентное сопротивление, на котором рассеивалась бы излучаемая мощность". Таким образом, перефразируя, сопротивление излучения, это то сопротивление, на котором рассеивается полезная мощность. Но физически его только расчитывают, так как это сопротивление (виртуальное, расчетное) представляет собой окружающую среду, в которую и уходит энергия передатчика. Грустно, что его не измерить омметром :) а как было бы хорошо :)
Не измерить в диполе, так как параметры диполя рассредоточены по его длине. А может быть в ЕН антенне (где есть дискретные, но развернутые в пространстве элементы антенны) его можно как-то измерить?
Попробуем порассуждать. Кстати, этот вопрос уже несколько раз поднимался в форумах, и я такие измерения проводил, только они не были опубликованы (частично упоминалось в статье "Игры со светом"). Из чего состоит ЕН антенна? Из дитскретной катушки индуктивности и "развернутой" в пространстве емкости (емкость между цилиндрами). Попробуем, как и в прошлые разы, заменить цилиндры на точечный дискретный конденсатор. Единственное, что надо предусмотреть, это не подавать на антенну большую мощность, чтобы как в прошлый раз не сжечь его от пробоя. Для целей проверки возьмем векторный анализатор антенн, измерим характеристику антенны (Рис. 1), снимем цилиндры и запаяем вместо цилиндров два конденсатора, один керамический, постоянной емкости на 5,1 Пф, а последовательно с ним, для подстройки, тоже керамичсеский, емкостью 5/20 Пф.



Рис. 2a ЕН антенна со снятыми цилиндрами, замещенными на дискретные емкости.


Включим анализатор и подстройкой переменного конденсатора, настроим антенну на ту же самую частоту и немного изменим согласование (раздвиним витки у отвода на 2-3 мм.), чтобы КСВ был прежний. Характеристика примет вид, показанный на рисунке Рис. 3.

На рисунке Рис. 3 Характеристика ЕН антенны с включенным дискретным конденсатором вместо цилиндров.



Рис. 3 Характеристика ЕН антенны с включенным дискретным конденсатором вместо цилиндров.

Есть разница между рисунком Рис.1 и рисунком Рис.3 ?
Да есть и существенная. На первом рисунке (ЕН с цилиндрами) полоса пропускания антенны (по КСВ=2) равняется 238 кГц при добротности Q=30, а на третьем рисунке, где вместо цилиндров включен конденсатор, полоса пропускания сузилась до 180 кГц, при добротности Q=40.

Пойдем дальше... теперь добавим еще и переменное сопротивление (1 Ком) в цепь дискретного конденсатора, включенного вместо цилиндров. Подключив "антенну" к векторному анализатору антенн, изменяя величину переменного сопротивления, добъемся того чтобы полоса пропускания антенны вновь стала 240 кГц (как и до отпайки цилиндров). Получается? Да. Почему полоса пропускания увеличивается при увеличении значения переменного сопротивления, конечно понятно. Мы вносим в цепи "антенны" дополнительные потери в виде активного сопротивления. Придется немного подстроить антенну на частоту (переменное сопротивление и короткие соединительные провода внесли небольшую дополлнительную емкость) и чуть подстроить согласование.
И так, мы добились прежней полосы пропускания 240 КГц, см. Рис.4



Рис. 4 Характеристика ЕН антенны с включенным дискретным конденсатором и переменным сопротивлением, вместо цилиндров.

Измерим омметром величину внесенного сопротивления - она равна 240 Ом.
Казалось бы вот оно... удалось измерить прямым методом (методом замещения) сопротивление излучения, и оно равно 240 Ом! Но не так все просто. На рисунке Рис.2 приведена упрощенная эквивалентная схема ЕН антенны, подчеркну - упрощенная. На самом деле в самой антенне существуют потери, показанные на упрощенной схеме как Rпот. Но при замещении цилиндров дискретными конденсатором и сопротивлением, часть этих потерь (паразитные связи и емкости) исчезает, а частично появляются новые. Попробуем изобразить более точную эквивалентную схему антенны, разложив наиболее значимые потери и паразитные емкости "по полочкам" (конечно, практически все потери и паразитные емкости не учесть).
Более полная эквивалентная схема ЕН антенны, представлена на рисунке Рис.5 Паразитные емкости и индуктивности, а также элементы с потерями на тепло - обозначены красным цветом.



Рис. 5 Более подробная эквивалентная схема ЕН антенны.

Рассмотрим ее поэлементно слева-направо:
Теперь посмотрим, какие элементы эквивалентной схемы изменятся при замене цилиндров на дискретный конденсатор.

Емкость (С цил.) между цилиндрами мы заменили дискретным конденсатором такой же величины.
R пот диэл. - потери в диэлектрике (трубе основания антенны) при удалении цилиндров должны исчезнуть.
Переменное сопротивление R, мы вносим дополнительно, при замене цилиндров на конденсатор (R эквивалентно сопротивлению излучения, которое должно исключится при переходе на дискретный конденсатор).
R изл. - сопротивление излучения. При замене цилиндров на дискретный конденсатор, должно исчезнуть.
L фаз. - фазирующая катушка неизменна при работе с цилиндрами или с дискретным конденсатором.
L п1. - паразитная индуктивность проводов тоже остается без изменений.
L настр. - индуктивность катушки настройки остается также без изменений.
С п1. - паразитная емкость с верхнего цилиндра на катушку настройки, при замене цилиндров на конденсатор, должна резко уменьшится на один-два порядка.
С п2. - паразитная емкость с верхнего цилиндра на землю, также должа резко уменьшится на один-два порядка.
С кат. - паразитная емкость катушки настройки остается без изменений.
R пот. - активное сопротивление проводов монтажа антенны также остается без изменений.

Таким образом мы видим, что часть элементов эквивалентной схемы остается, при замене цилиндров на дискретную емкость, неизменной, а часть меняется и значительно. Так как цилиндров теперь нет, паразитные емкости "С п1." и "С п2." должны полностью пропасть. Допустив, что паразитные емкости "С п1." и "С п2." также излучали (они пространственные), а значит и расширяли полосу пропускания антенны, то их отсутствие, в совокупности с дискретным (неизлучающим) конденсатором "С цил." значительно сузило полосу пропускания антенны. Но полученное нами экспериментально значение эквивалентного (замещенного) сопротивления излучения (240 Ом) должно распределяться между этими тремя конденсаторами и потерями в диэлектрике "R пот диэл.".
Важной и существенной частью потерь, от которых удалось избавится (убрав цилиндры и потеряв излучающую способность) - это потери в диэлектрике (R пот диэл.) корпуса антенны (ПП трубы). Убрав цилиндры, мы разумеется, убрали и эти потери (т.е. еще дополнительно сузили полосу пропускания). К сожалению, численно такие общие потери трудно просчитать, но что они близки по величине к половине сопротивления излучения, полученного нами в результате эксперименета, предположить разумно.
Резумируя сказанное, грубо можно предположить, что сопротивление излучения, за вычетом упомянутых потерь, близко к расчетному, как указано на риснке Рис.6, с примером рачета (обведено красным кружком).



Рис. 6 Пример расчета исследуемой антенны.

Часть II

До этого момента мы рассматривали классическую ЕН антенну конструкции "Star". А теперь попробуем проделать все тоже самое с плоской ЕН антенной на частоту 27 МГц.
Сделаем плоскую ЕН антенну с размерами пластин 120х170 мм. Намотаем катушку настройки на каркасе диаметром 30 мм., 13 витков, проводом ПЭЛ 1,4 мм. (индуктивность 3,95 микрогенри). Антенна была сделана не по классическим расчетам, а опираясь на опыт изготовления десятков плоских ЕН антенн и исходя из имеющихся материалов. Тем не менее, ориентировочный расчет антенны был сделан (рисунок Рис.7)



Рис. 7 Ориентировочный пример расчета второй исследуемой плоской ЕН антенны на 27 МГц.

По сравнению с расчетом, расстояние между пластинами было взято не 50мм, а 10мм. (так как подводить большую мощность к антенне не планировалось).
Фотография изготовленной и настроенной антенны представлена на рисунке Рис.8



Рис. 8 Фотография плоской ЕН антенны на 27 МГц.

В процессе изготовления антенны, перед настройкой, прибором "СМ-7115А" была измерена емкость между пластинами. Эта емкость оказалась равной 6,8 Пф (по расчету 6,59 Пф). Также была измерена емкость между пластиной и катушкой настройки. Эта паразитная емкость равна 2,6 Пф. После настройки антенны, была снята характеристика антенны, она представлена на рисунке Рис. 9.



Рис. 9 Характеристика плоской ЕН антенны на 27 МГц (снята прибором "miniVNA").

Емкости между пластинами измерены, характеристики сняты, а теперь разберем настроенную антенну и включим вместо пластин, последовательно соединенные керамический конденсатор КПК (6/25 Пф) и переменный резистор (330 Ом), см. фото Рис.10.



Рис. 10 Вместо цилиндров включен переменный конденсатор и переменное сопротивление.

Все готово, будем снимать характеристику, предварительно установив переменный резистор в состояние 0 Ом., а подстроечный конденсатор на минимум - 6 Пф. Подключаем антенну к анализатору... подбираем связь. Немного остановимся на подборе связи. Отвод от катушки связи был сделан примерно от 0,6 витка. после того как мы заменили цилиндры дискретными элементами, естественно, добротность "антенны" возросла (исчезло сопротивление излучения Rизл. и паразитные емкости), а следовательно возросло Rое. (Rое. = Q*ρ). Для согласования изменившегося Rое. с "генератором" (кабель для подключения антенны не использовался) мы немного меняем согласование (подключение у нас автотрансформаторное, так что немного меняем коэффициент трансформации, для согласования). Характеристика приобретает вид, показанный на рисунке Рис.11



Рис. 11 Характеристика плоской ЕН, после замены пластин на дискретные элементы.

Таким образом при замене пластин на дискретные элементы, полоса пропускания антенны изменилась с 570 кГц, на 132 кГц, а добротность возросла с Q=49 до Q=211.
Теперь остается самое простое, путем увеличения сопротивления в цепи контура, добиться прежней полосы пропускания (естественно придется подстроить согласование как и было до изменения конструкции). Подстройка хлопотная: во первых подстроечный конденсатор около своего минимального значения, и во вторых, сопротивление переменного резистора тоже пришлось подстраивать очень точно. После кропотливой подборки величин, получаем характеристику, как показана на рисунке Рис.12



Рис. 12 Вносим в контур потери, увеличивая номинал переменного сопротивления и добиваемся прежней полосы пропускания.

И, наконец, измеряем сопротивление переменного резистора. Оно равно 22 Ома!
Смотрим, что мы получили при расчете - рисунок Рис.7 (обведено красным кружком)? Расчетные значения: 19,17 Ом.

Можно задаться вопросом, а почему с плоской антенной расчетные значения более точно совпадают с измеренными в результате эксперимента? На самом деле ответ очень простой, если посмотреть на конструкцию плоской ЕН антенны и ЕН антенны с цилиндрами. Основную погрешность при измерении (методом замещения), как и упоминалось выше, дают паразитные емкости и потери в диэлектрике конструкции антенны. Даже ничего не подсчитывая и не измеряя, видно что паразитные емкости и потери в диэлектрике у плоской ЕН антенны (пластины "висят" в водухе) меньше, а следовательно и погрешность измерений (методом замещения), также меньше.

В заключение хочется сказать, что эти опыты необходимо повторить на разных ЕН антеннах, на разных частотах и в разных условиях, чтобы однозначно определить Rизл., а оно будет меняться от конструкции к конструкции.

Также хочу выразить благодарность Владимиру (UR4III), Tadas`у (LY1CE), Вадиму (RX3APE), Александру (UA6AGW), Аркадию (UA4HJI), Владимиру (UA4HZ), Александру (RA3XDN), Н.Туркину, и многим, многим другим радиолюбителям, за конструктивные и критические замечания, в ходе подготовки этих экспериментов.

Успехов всем!
73!
UA1ACO op. Vlad
г. С-Петербург
2010 - 2011 г.г.
Рейтинг@Mail.ru

| ЕН в мире | | W5QJR | | UA1ACO | | Теория | | Практика | | Серийные | | Статьи | | Разное |