МИР ЕН-Антенн


Сайт, посвященный ЕН-Антеннам. Статьи. Описания. Конструкции. Эксперименты. Результаты испытаний.

Статья автора RK6JCV Христофора Ефимова. В статье обсуждается история создания ЕН антенн и принципы их работы, с точки зрения автора. Приводятся примеры изготовления ЕН антенн, взятые из различных источников, а также авторские разработки. Некоторые моменты, описанные в статье не совпадают с точкой зрения автора сайта и комментарии будут даны в отдельных пояснениях после статьи. Тем не менее, информацию надо считать полезной и познавательной. В статье также приводится программа расчета ЕН антенн автора статьи, для операционной системы Android. Статья публикуется без редактирования.

ЕН антенна - забытое старое по-новому
История создания емкостной антенны.

Христофор Ефимов ( RK6JCV )
RDA: LN23i; E-mail: rk6jcv@mail.ru

Вернемся в 1928 год, в журнале «Радио всем» за 9-й месяц имеется статья «QRP для летней работы» на страницах 43-45.

Рис.1

На рисунке Рис.1 представлена схема генератора и антенны соединенные воедино, последовательный контур образуется катушкой L1 и контактами К1 и К2 выполненными из медной проволоки в виде решетки.
Так как же она работала? Медные решетки – это раскрытый (развернутый) в пространстве конденсатор, катушка – индуктивность последовательного колебательного контура, таким образом, получается первый постулат – раскрытый (развернутый) в пространстве конденсатор излучает энергию в эфир в виде радиоволн.
У конструкции этой антенны есть два серьезных недостатка:
1. Последовательный контур запитывается посредством катушки связи [1], что не обеспечивает должной добротности самой индуктивности, из-за взаимного влияния катушек. Т.е. катушка колебательного контура не достигает расчетной добротности диктуемой конструктивом.
2. Низкая высота подвеса антенны менее 0,1 длины волны излучаемой антенной [2].
В 1988 г. Шотландский ученый, профессор М. Хайтли запатентовал антенну CFA.
В начале 90-х к разработке электрически малых АФУ подключился американский инженер Р.Т. Харт, разработал оригинальные конструкции SFRT и PVA антенн. Он их назвал ЕН антенны (читается Е-АШ).
Наш соотечественник Кононов Владимир (UA1ACO) вложил огромный вклад к изучение антенны этого типа. Большая часть замеров и экспериментов принадлежит именно ему.

Принцип работы.
Электромагнитные колебания, возникшие в замкнутом контуре, в окружающее его пространство практически не излучаются. Для этих целей примеряется открытый колебательный контур, который называется антенной или вибратором.

Рис.2
(показан с от закрытого до полуоткрытого)

Отличие диполя от ЕН антенны:
1. В диполе нет сосредоточенных элементов (емкость и индуктивность распределена однородно по всей длине полотна антенны)
2. В ЕН антенне оба элемента колебательного контура присутствуют, но конденсатор конструктивно выполнен открытым (раскрытым).

Если раздвигать пластины конденсатора, интенсивность излучения электромагнитных волн в окружающее пространство будет возрастать, а замкнутый колебательный контур превратится в открытый. Это утверждение справедливо только применительно в дипольной антенне.

Рис.3

ЕН антенна – это полузакрытый или полуоткрытый колебательный контур, поскольку только один элемент раскрыт в пространстве, но при этом остается частью контура.

Рис.4

Хотя есть пример и открытого колебательного контура со всеми элементами развернутыми в пространстве и это не диполь, это – магнитная одновитковая рамка и плоский конденсатор раскрытый в пространстве и расположенный (повернутый) по отношению к рамке на 90 градусов, но не находящийся в объеме рамки [3].

Рис.5

В ЕН антенне создаются именно радиоволны между обкладками конденсатора, а не сдвинутые относительно друг друга Е и Н поля, как в дипольный антеннах, с образованием радиоволны в дальней зоне (теорема Д. Г. Пойнтинга).
Между обкладками конденсатора ЕН антенны имеется переменное электрическое поле, поэтому, согласно Д. К. Максвелла, через конденсатор "проходят" токи смещения, причем в тех участках, где отсутствуют проводники.
Наличие токов смещения подтверждено экспериментально советским физиком А. А. Эйхенвальдом, изучавшим магнитное поле тока поляризации, которое, является частью тока смещения.
Из всех физических свойств, присущих току проводимости, Д. К. Максвелл приписал току смещения лишь одно - способность создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Таким образом, ток смещения создает в окружающем пространстве магнитное поле, которое синфазно электрическому полю. А это уже радиоволна излучаемая в пространство.

Рис.6

Разбор современных ЕН антенн и конструктивные особенности.

В наше время на 2021 год имеется много конструкций:
Еще один постулат – конденсатор антенны может быть любой конструкции, кроме конструкции в виде биконусной антенны или дискоконусной антенны, поскольку у нее угол излучения равен [4] половине угла между конусами, за счет переотражения радиоволн между обкладками конденсатора [4].

Рис.7

Разбор современных ЕН антенн и конструктивные особенности.
Так же конденсатор может быть представлен двумя дисками с расстоянием между ними не менее диаметра диска.

Рис.8

Антенна "Isotron" является простым примером плоских изогнутых емкостных излучателей, см. Рис.9 (Рис.42).

Рис.9

На рисунке антенна двухдиапазонная – это хорошо. Но катушка находиться внутри конденсатора – это плохо, поскольку мешает излучению уменьшая его.
Исходя из этого имеем третий постулат – конденсатор правильной ЕН антенны должен быть разнесен в пространстве с катушкой на расстояние не менее диаметра катушки и не должна катушка находиться между обкладками конденсатора [5].
Например, как вот в этой плоской ЕН антенне на 27 МГц.

Рис.10

Ниже я привожу две мои антенны на 27135 кГц и 9420 кГц.

Рис.11 [6]

27135 кГц

Рис.12

По подключению разберем два типа – стандартная запитка последовательного колебательного контура и запитка параллельного колебательного контура в отвод катушки.

Рис.13

На рисунке показаны: катушка, конденсатор, сопротивление провода (учитывается если катушку выполняют проводом менее 1мм).
Вариант 1 более предпочтителен, поскольку имеет два преимущества:
а) Возможность соединения нескольких ЕН антенн параллельно, тем самым создавая мультидиапазонный вариант.
б) Использование квазирезонанса антенны.
в) Большая ЭДС на прием в сравнении с Вариант 2.
Вариант 2 позволяет согласовать сопротивление антенны под коаксиальный кабель 50 Ом или с другим сопротивлением не более 75 Ом [7], поскольку такого вида подключение вносит в контур расстройку и понижение добротности ввиду того, что часть тока контура протекает и через кабель [8]. Так же антенна в таком включении является короткозамкнутой – что дает защиту от статического электричества, но в защитном кожухе это значения не имеет.
В конечном счете как бы не запитывался колебательный контур, все равно достигнуть теоретически максимальной добротности задаваемой конструктивом элементов контура не получится, потому что, линии питания имеют сопротивление отличное от нуля или бесконечности. Объясню: в последовательном колебательном контуре все элементы соединены последовательно и точка запитки должна иметь нулевое сопротивление [9], в параллельном колебательном контуре все элементы соединены параллельно и точка запитки должна стремиться к бесконечному сопротивлению [10].
ЕН антенна всегда будет иметь отрицательное усиление в сравнении с диполем [11].
Но в ряде случаев отрицательное усиление – хорошо. Например в городе почти во многих случаях включают аттенюатор.
Расчет ЕН антенны.
Здесь все не так однозначно….
Есть проблемы с расчетом емкости конденсатора нестандартных конструкций.
Для конструкции «два соосные цилиндра» и подключение по схеме «параллельный колебательный контур [12] + питание в отвод» есть расчет:
http://www.radioscanner.ru/files/construction/file15358/

Программа для расчета параметров ЕН Антенны

создана: Ted Hart CEO, EH Antenna Systems, LLC

ВВОДИМЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОТМЕЧЕНЫ ГОЛУБЫМ ЦВЕТОМ
Частота = 14.10 МГц
Диаметр цилиндров = 3.20 см
Отношение L/D = 1.50

C = 3.6 Пф
Xc = 3102.6 Ом
Полоса по ур.3 dB = 547.3 КГц
Q = 25.9
Общая длина = 12.8 см
Общая длина = 0.1 метров

ВСТАВЬТЕ СРЕДНЮЮ ВЕЛИЧИНУ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ ГОТОВОЙ АНТЕННЫ
Полоса пропускания BW=800КГц
RR= 175.4 Ом
Ошибка вычисления = 46.2 %

ВЫЧИСЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАТУШКИ НАСТРОЙКИ
Диаметр провода = 0.80 мм
шаг намотки = 1.20 мм
Витков на сантиметр = 10.0
Диаметр витка = 3.20 см
Емкость пров. в цилиндре C = 0.7 Пф
Емкость катушки настройки C = 1.8 Пф Ориентировочно
Индуктивность катушки L = 20.5 микрогенри
Количество витков = 33
Длина катушки = 39.9 мм
Длина провода = 334.4 см; 3.3 метра.
Примечание: значение индуктивности вычисляется, принимая, что емкость
катушки равна примерно половине емкости между цилиндрами. это может
привести к незначительной ошибке в расчете.

ВЫЧИСЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АНТЕННЫ
Сопротивление потерь на ВЧ = 1.30 Ом
Эффективность антенны = 99.26 %
Эффективность антенны = -0.032 dB
Примечание: Истинная эффективность будет несколько меньше, из-за токов в емкости
катушки, включенной параллельно катушки. Но, из-за того, что сопротивление
излучения намного больше потерь в катушке, это влияние незначительно.

ВЫЧИСЛЕНИЕ ДЛИНЫ ПРОВОДА ДЛЯ ФАЗИРУЮЩЕЙ КАТУШКИ
Длина провода = 35.3 см
Длина провода = 0.353 метров
Количество витков = 3.5
Перевод в метрическую систему UA1ACO (Кононов В.В.)

Рис.14

Такую антенну можно рассчитать и в других программах позволяющих рассчитать частоту колебательного контура исходя из имеющихся параметров L и С. Емкость можно замерить прибором и рассчитать по формуле, индуктивность для нужной частоты контура.
При расчете самостоятельно по формулам необходимо учитывать некоторые нюансы:
Добротность дипольной антенны из проволоки примерно равна 30. (Согласно проведенных замеров других экспериментаторов) [13]
Таким образом можно рассчитать ЕН антенну с полосой больше или меньше обычного диполя, с поправкой на то, что при большей полосе пропускания добротность будет низкой, как следствие эффективность антенны падает.
Разумный компромисс конструкции с добротностью как у диполя – 30, таким образом мы приблизимся по усилению и эффективности к диполю.
F – частота в мегагерцах, С – емкость в пикофарадах,
[15] BW – полоса пропускания антенны, Q – добротность антенны.
BW=120*C*0.000000000001*6.28*(F*1000000)^2/1000
Q=F*1000/BW
Хотя я конструировал антенны с добротностью 15 на 20 метровый диапазон. Однако для простоты подхода к расчету и конструкции антенны я нашел один компромис – рассчитываю программой по тексту выше, конструкцию выполняю как на рисунке, но подключение согласно схеме рисунка. Фазирующая катушка намотана в другом направлении по отношению к катушке настройки [14].
График сопротивлений ЕН антенны подключенной по Варианту 1:

Рис.15

Рис.16

На втором графике полоса [15] от 1 МГц до 30 МГц, Видно отсутствие других резонансов в антенне и сопротивление кабеля питания [16] (кратности частот привязанные к реальному размеру коаксиального кабеля).

Рис.17

Фото с антенного анализатора.
Примеры основания антенны из трубы ПП и кожуха

Рис.18

Программа RK6JCV, для расчета ЕН антенны в операционной системе Android файл EH_antenna_by_RK6JCV_base.zip (150 Kb).
Кроме того, ниже ссылка на программу - файл .APK, размещенном в "облаке" (не все браузеры могут скачать!):
ОБЛАКО - http://cloud.mail.ru/public/zZ57/L3H7PswDE.
Следующая ссылка для скачивания программы в формате APK: ЗДЕСЬ .
*Все вопросы по программе - к Ефимову Христофору (RK6JCV).
*Автор сайта программу не проверял.

RK6JCV op. Христофор
RDA: LN23ia
E-mail: rk6jcv@mail.ru
10.2022г.

Комментарии автора сайта UA1ACO/1 "Мир ЕН антенн" к статье RK6JCV

В начале хочу сказать, что после переписки с автором статьи, Христофор решил оставить статью без изменений и мы пришли к согласию, что я изложу свои замечания в отдельном (данном) приложении. Мои замечания в виде сносок, в статье, отмечены красными цифрами в квадратных скобках, например: [8] и далее разобраны ниже.

Cтатья RK6JCV полезная и познавательная, но... чтобы не вводить читателя в заблуждение, необходимо сделать некоторые замечания. Здесь я выражаю только свое личное мнение, основанное на изготовлении СОТЕН ЕН антенн, а также проведении многих сотен экспериментов с ЕН антеннами, и их многократном повторении, как на суше, в воздухе (с применением самолетов, вертолетов, квадрокоптеров), так и в море, и под водой. Получен огромный практический материал, как по изготовлению, настройке, так и по особенностям в характеристиках ЕН (ёмкостных) антенн. Некоторые результаты описаны и отражены в статьях этого сайта "Мир ЕН антенн".
При проведении экспериментов использовались как профессиональные сертифицированные в Госреестре приборы, так и радиолюбительские.
В статьях на сайте опубликованы результаты экспериментов, проведенных ТОЛЬКО с радиолюбительскими измерительными приборами.
Некоторые характеристики ЕН антенн, например диаграммы направленности в вертикальной плоскости, поляризация, зависимости эффективности ЕН антенны от высоты установки и т.д., после проведения и систематизации результатов многочисленных практических измерений, иногда в корне противоречат тем теоретическим предпосылкам, которые высказывались "на заре" в публикациях, несколько лет назад, и повторяемые (копируемые) из статьи в статью.
Понятно почему так происходит - причина одна и основывается, по аналогии, на характеристиках обычных дипольных антенн. К сожалению, в публикуемой выше статье, есть такие моменты.

А теперь перейду непосредственно к моим замечаниям по статье:
[1]
В рассматриваемой конструкции ёмкостной антенны 1928-го года, последовательный колебательный контур запитывается не с помощью катушки связи (L2), как указано в статье, а с помощью автотрансформатора - в отвод катушки L1, как в схеме "Star" в емкостных антеннах. Катушка связи L2 используется для положительной обратной связи, для возбуждения генератора.

[2]
Низкий подвес ёмкостной ЕН антенны - это как раз её преимущество, по сравнению с диполем. Достаточно обратиться даже не к моим измерениям (чтобы не быть предвзятым), а к измерениям Теда Харта. Например можно привести давно известный и многократно подтвержденный график эффективности подвеса ЕН антенны:

Рис.a

Об этих преимуществах ёмкостной антенны как раз и пишет автор публикации в 1928-м году. обратите внимание - как раз 0,1 длины волны.

[3] В данной конструкции Рис.5 параллельно емкости "емкостного излучателя" включен дискретный переменный конденсатор С1, который естественно ухудшит излучающую способность "емкостного излучателя", иными словами эффективность антенны. Кстати, интересно было бы посмотреть на полученные сравнительные результаты, по сравнению с диполем. Теоретически выглядит интересно.

[4] ЕН, ёмкостная антенна, может иметь любую конфигурацию (имеется ввиду емкостной элемент антенны), важно чтобы он был как можно больше раскрыт в пространстве. Ни о каком "угле излучения" в ёмкостной антенне речь идти не может, только об эффективности её работы. Диаграмма направленности нормальной емкостной антенны (ЕН) - сферическая, если она имеет размер в 20-40 раз меньше стандартной и всё больше и больше приближается к изотропному излучателю (по отношению к длине волны). "Переотражение радиоволн", как описано в статье, для таких малых расстояний, которые используются в ЕН антеннах не имеет значения и может происходить только для полноразмерных антенн, где размеры антенны связаны с длиной волны. Классические примеры - расстояния между элементами в антеннах "волновой канал", Yagi и т.д. Такое утверждение легко проверяется в любом электродинамическом моделировщике (не антенном) где достаточно "пипеткой", как в FotoShop`e проверить уровни полей. Например, обратимся к К.Ротхаммелю и посмотрим, что там упоминается о диско-конусных антеннах:

Рис.a

НО! Это все относится к полноразмерной антенне! В ЕН антенне все иначе, нельзя же сравнивать по принципу работы ЕН и GP.

[5] Правильное утверждение. Катушка должна находится на опрееленном расстоянии от емкостного излучателя в ЕН антенне. Расстояние это является компромиссом. Если катушку расположить далеко, то начнут излучать соединительные провода и эффективность антенны ухудшится.

[6] А вот на рисунке Рис.11 катушка (как понятно из фото), как раз находится между пластинами излучающего емкостного элемента, см. пункт №5.

[7] Почему "не более 75 Ом"? авторансформаторное включение позволяет согласовать антенну с фидером в широком диапазоне. Я, например, согласовывал и с фидером (коаксиальным) в 100 Ом, а также с симметричной линией в 300 Ом. так что большой вопрос в этих утверждениях.

[8] Во втором варианте хоть "часть тока", а в первом варианте вообще кабель включен полностью последовательно, а не только к части.

[9] и [10] "Нулевое"... "Бесконечное"... не понятно вообще. Входное сопротивление антенны должно быть СОГЛАСОВАНО с кабелем (фидерной линией). Надо читать, классика - Э.Рэд. "Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике", М, изд."Мир", 1990.

[11] Это утверждение спорное, в каком направлении?, на какой высоте? На практике бывает и так и эдак. Всё зависит от конкретных условий, от диаграмм направленности, высоты подъема, частоты (для КВ и УКВ) и т.д.

[12] Почему "параллельный контур"? Да, можно настроить ЕН антенну и как параллельный контур, но тогда это уже не будет ЕН антенна, как например описано мной в отзыве о статье "Также были проведены опыты с ЕН антеннами." в 2010г. В виде параллельного контура ЕН антенна работать не будет, как, кстати, не заработала у некоторых радиолюбителей настроивших ее как параллельный контур.

[13] Добротность дипольной антенны может лежать в широком диапазоне значений, все зависит от емкости самого диполя: толщины примененных проводников, их количества, конструкции самой антенны (возьмите например диполь Пистолькорса) и т.д.

[14] Фазирующая катушка служит для компенсации паразитной емкости между центральным проводом (в цилиндрических ЕН антеннах) и нижним цилиндром внутри которого проходит этот провод. В плоских ЕН антеннах фазирующей катушки вообще нет - она просто не нужна в связи с иной конструкцией антенны. Направление намотки фазирующей катушки не имеет значения (проверено на многочисленных конструкциях и только в ранних статьях таковое упоминается). Более того даже в цилиндрических конструкциях фазирующую катушку можно вообще не устанавливать и упростить конструкцию, пожертвуя несколькими процентами эффективности.

[15] Не путать с полосой пропускания самой антенны, это диапазон сканирования по частоте.

[16] Сопротивление кабеля постоянно по всей длине. Провалы и горбы на характеристике - это степень согласования в данных точках, зависит от фазы, достаточно посмотреть фазовую характеристику (если прибор позволяет это сделать).

Вот такие мои краткие замечания. Надеюсь, что будет полезно для понимания как работает ЕН ёмкостная антенна.

С уважением, Владимир UA1ACO/1