РАДИОВЕЩАТЕЛЬНАЯ РАДИОСТАНЦИЯ YSJW С ЕН АНТЕННОЙ
RADIO CADENA GENTE, AM 700
EL SALVADOR, CA
Ted Hart (W5QJR)
Статья с сайта http://www.eh-antenna.com/
оригинал статьи (на английском) в PDF формате, можно посмотреть
ЗДЕСЬ
ВВЕДЕНИЕ:
Этот документ рассказывает о рабочих характеристиках ЕН Антенны, используемой на радиостанции YSJW. Как и во всем мире, затраты на монтаж новой радиостанции, прежде всего, диктуют стоимость доступного стационарного оборудования. Естественно большая стоимость является препятствием для потенциальных клиентов, но если стоимость все же приемлема, то местоположение, в свою очередь, также может явиться препятствием для монтажа оборудования. В любом случае, если количество необходимого земельного участка значительно меньше для установки антенны, которая не требует применения системы противовесов (радиалов), тогда экономическая выгода монтажа радиостанции становится очень желательной.
Так и обстоит дело в Ель-Сальвадоре, где стоимость земли очень высока, даже если земля не пригодна к употреблению в сельском хозяйстве, кроме возможно выращивания бананов или плантаций кофе. Сальвадор - очень холмистая область, созданная старыми вулканами. Поэтому, вне главной столичной зоны Сан-Сальвадора, пики и долины не благоприятны для монтажа антенн для радиостанции и на них нет достаточные плоских областей для закапывания и установки противовесов (радиалов), за исключением вершин холмов. Эти факторы и сыграли главную роль, для выбора ЕН антенны для радиостанции.
Необходимость в большом участке земли становится еще более острой, когда Вы знаете, что эта радиостанция работает на частоте 700 КГц, таким образом каждый закопанный радиальный провод (противовес) должен быть 351 фут (примерно 107 метров) длиной. Для 120 радиальных закопанных проводов, необходим круг, охватывающий 8,9 акров (36 017 кв. метров). Однако, земля всегда покупается и продается прямоугольными участками, таким образом полная требуемая площадь земли в акрах была бы 11.3 акра (примерно 45 730 квадратных метра!).
МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ:
Антенна расположена на склоне горы,с координатами: 13°45 ' 42"
Северной широты и 89°13 ' 19.5" Западной долготы. Рисунок 1 показывает антенну на фоне горы.
Ее расположение показано красной точкой на рисунке Рис. 2, взятом с Google Earth,
на фоне Сан-Сальвадора и горы. Несмотря на неблагоприятное расположение радиостанции и антенны, ее работа была исключительно хорошей.
Рис. 1 Расположение ЕН антенны.
РАДИОВЕЩАТЕЛЬНАЯ ЗОНА:
К сожалению, в этой гористой области, нет разветвленной сети дорог, передвигаясь по которым, можно бы было измерять напряженность поля от антенны, есть только
несколько дорог но измерения с их использованием, не являются практически ценными.
Единственная альтернатива, это использование сравнительных данных по уровню поля с уже установленных антенн других радиостанций. Для образца можно использовать данные напряженности поля от «обычной» антенны радиостанции, установленной на вершине холма, с закопанными радиальными проводниками (противовесами). Эта радиостанция работает на
частоте 540 КГц с уровнем мощности 5500 ватт, в то время как мощность, на радиостанции с ЕН антенной равнялась 2500 ватт. Сравнительные измерения были проведены на большой площади и затем данные были перенесены на карту. Эта карта приведена в приложении и озаглавлена «Рабочие характеристики радиостанции YSJW».
Антенна расположена на склоне горы, 13°45 ' 42"
Северной широты и 89°13 ' 19.5" Западной долготы. Рисунок 1 показывает антенну на фоне горы.
Ее расположение показано красной точкой на рисунке Рис. 2, взятом с Google Earth,
на фоне Сан-Сальвадора и горы. Несмотря на неблагоприятное расположение радиостанции и антенны, ее работа была исключительно хорошей.
Рис. 2 ЕН антенна радиостанции на склоне горы (обозначена красной точкой).
Примечание: Этой станции больше нет в эфире. ЕН Антенна была разрушена штормом.
Рис. 3 Вид на гору.
|
Рис. 4 Вид на ЕН антенну.
|
ТЕХНИЧЕСКОЕ КОНЦЕПЦИЯ:
Поскольку ЕН Антенна - новое понятие в теории антенн, техническое объяснение в данной статье также приведено. На рисунке Рис. 5 показана эквивалентная схема антенны, которая является просто конденсатором, последовательно включенным с сопротивлением излучения антенны. Ширина полосы пропускания антенны зависит от величины этого конденсатора и сопротивления излучения, чем больше величина любого из них, тем больше ширина полосы. По этой причине в ЕН Антенне используются большие (толстые) цилиндры в отличие от тонких проводов, используемых в обычных антеннах, и используется уникальная конфигурация, чтобы увеличить E поле конденсатора и увеличить сопротивление излучения.
Рис. 5 Эквивалентная схема ЕН антенны.
Чтобы была возможность создать ток через сопротивление излучения, необходимо уменьшить реактивное сопротивление конденсатора. Это может быть сделано, добавляя индуктивность, имеющую ту же самую величину реактивного сопротивления как и в конденсаторе, на рабочей частоте. Таким образом, создается резонансный контур, как показано на рисунке Рис. 6. Катушка индуктивности может быть с отводом, чтобы обеспечить необходимое согласование с коаксиальной линией передачи в 50 Ом. Полная схема антенны изображена на рисунке Рис. 7.
Рис. 6 и Рис. 7 Схемы ЕН антенн.
На рисунке Рис. 8 изображены большие цилиндры, из которых состоит ЕН антенна. Настроечная катушка расположена ниже более низкого цилиндра.
Чтобы иллюстрировать полное сопротивление антенны как функцию от частоты, на рисунке Рис. 9 приведен такой график.
На графике приведены характеристики для входного сопротивления, реактивного сопротивления, и КСВ/10 для AM радиовещательной ЕН антенны, которая работает на частоте 700 КГц. Необходимо также отметить, что достаточно только изменить величину индуктивности настроечной катушки, чтобы перестроить антенну на любую другую частоту между 500 и 1200 КГц. Для частот более чем 1200 КГц можно использовать меньшую по геометрии антенну.
Расчет был взят из набора уравнений, для определения параметров ЕН антенны, который был включен в компьютерную программу. Размеры изготовленной ЕН антенны обеспечивают подобные характеристики как показано в приложении. Заметьте, что сопротивление излучения достигает максимума по сравнению с обычной антенной, которая имеет почти постоянное сопротивление в широком частотном диапазоне. По этой причине ЕН антенна фактически устраняет гармоническое излучение.
Рис. 8 Реальная ЕН антенна АМ радиостанции.
Рис. 9 Типовые параметры ЕН антенны.
Реактивная составляющая входного сопротивления изменяется от «+» до 0 на рабочей частоте и далее уходит в «-» на верхних частотах. Антенна для этой радиостанции имеет диаметр 36 дюймов (90 см.) и длину 39 футов (около 12 метров, с двумя цилиндрами). Эта ЕН антенна установлена на высоте 1/8 длины волны (примерно 53 метра). Эффективность этой ЕН антенны, которая является типовой для всех ЕН антенн, больше чем 90 %, не смотря на то, что полная длина антенны - только 2,8 % от длины волны, по сравнению со стандартной антенной с физической длиной 25 % от длины волны.
Чтобы понять концепцию ЕН антенны, удобно рассмотреть электрическое (E) и магнитное (H) поля антенны, как показано на рисунке Рис.10. Здесь важно понять, что полная длина антенна – является малой частью от длины волны. По этой причине цилиндры - конденсаторы имеют незначительную индуктивность.
Рис. 10 Е и Н поля от ЕН антенны.
Когда возникает высокое напряжение между двумя цилиндрами ЕН антенны, это способствует возникновению поля Е.
Если напряжение высокое в точке между цилиндрами, то на концах цилиндров оно равно нулю. Поэтому, есть большая разница напряжения между двумя концами каждого цилиндра. Это разность напряжений, является причиной возникновения тока в цилиндрах и магнитного поля Н вокруг цилиндров.
Теперь мы имеем все необходимые компоненты, чтобы получить излучение, которые включают концентрированное поле E, являющееся физически ортогональным к полученному полю Н, и они находятся во временной фазе, отсюда и идет название ЕН антенна.
Это происходит, потому что поле E и области поля Н созданы одним приложенным напряжением. Другими словами, в то время как напряжение радиочастоты создает (чередующаяся синусоидальная волна) поле E, существует и поток тока проводимости на поверхности цилиндров, который и создает поле Н.
Обратите внимание, что E и Н поля находятся в пределах сферы, определенной диаметром сравнимым с длиной антенны, и нет никаких реактивных полей. В отличие от обычных антенн, имеющих реактивные поля, простирающиеся на, приблизительно 1/3 длины волны от антенны. Эти характерные особенности совершенно очевидно различаются в информации, представленной ниже.
Рис. 11 Компоненты ЕН антенны.
Рисунок Рис. 11 объединяет рисунки Рис. 7 и 9, чтобы показать ясную картину процесса, свойственную ЕН антенне. Ход объяснения начинается с пункта А – подводимой мощности (P=IV), приложенной к антенне в точке A. В точке В, ток запаздывает на 90 градусов относительно напряжения, потому что ток проходил через катушку индуктивности. Ток через конденсатор опережает напряжение на индуктивности на 90 градусов, который заставляет мощность в точке С быть реальной мощностью{энергией}. Другими словами, ток отставал через катушку индуктивности и опережал через конденсатор, в результате 0 градусов. Надо отметить, что ток через конденсатор – это ток смещения, в отличие от тока проводимости в цилиндрах. Резонансный контур развивает максимальное напряжение на концах конденсатора/резистора, и то напряжение приложено к цилиндрам. Мы уже объяснили, что приложенное напряжение создает поле E и поле Н. Сопротивление излучения является соотношением между полем E (Вт/метр) и полем Н (Ампер/метр). Отношение между ними должны соответствовать полному сопротивлению свободного пространства, которое составляет 377 Ом. Антенна – это преобразователь, который преобразует мощность, приложенную к сопротивлению излучения в излучение в свободное пространство. В действительности сопротивление излучения – это только математическое выражение, используемое для того, чтобы показать факт, что мощность{энергия}, прикладная к антенне излучается, и процент от мощности излучения связан с относительными величинами сопротивления потерь и сопротивления излучения. По этой причине эффективность антенны очень высока.
Рис. 12 Монтаж ЕН антенны.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ:
Эта часть статьи содержит информацию о сопротивлении и реактивном сопротивлении и представляет их в графической форме. КСВ (относительно 50 Ом) также показан на рисунке Рис. 11. Обратите внимание, что при КСВ = 2 ширина полосы пропускания этой антенны - ПРИБЛИЗИТЕЛЬНО 35 КГц, а ширина полосы пропускания по уровню 3 децибела, около 101 КГц. Стоит также повторить, что ЕН антенна может иметь высокую эффективность и большое сопротивление излучения, таким образом имея большую ширину полосы пропускания. Коаксиальный фидер связан с настроечной катушкой на одном конце и у передатчика на другом. Нет никаких реактивных элементов (катушки и конденсаторы) в согласующих схемах, которые обычно используются, чтобы увеличить ширину полосы пропускания антенны.
Рис. 13 Параметры ЕН антенны радиостианции YSJW.
Синяя кривая на графике – сопротивление излучения, фиолетовая кривая - реактивное сопротивление, и желтая кривая - КСВ. Для графика КСВ, он был разделен на 10, чтобы позволить отсчитать КСВ на шкале графика. Значение КСВ 20 на графике, представляет истинное значение КСВ=2. При КСВ=2 полоса пропускания составляет - от 685 до 720 КГц, ПРИБЛИЗИТЕЛЬНО 35 КГц.
По уровню 3 децибела - ПРИБЛИЗИТЕЛЬНО 105 КГЦ. Поскольку антенна - по существу последовательное соединение, сопротивление излучения может быть рассчитано следующим образом: Q=XL/R=F/BW, где XL - реактивное сопротивление катушки индуктивности настройки. Обычно мы использовали бы реактивное сопротивление емкости антенны; однако есть шунтирующая емкость, прежде всего емкость самой настроечной катушки. Поэтому, более точно использовать реактивное сопротивление настроечной катушки чем емкость антенны. R - полное сопротивление антенны, включая и сопротивление излучения и сопротивление потерь в катушке. F - рабочая частота, и ширина полосы - +/-ширина полосы по уровню в 3 децибела. Перестраивая уравнения мы находим R=XL*BW/F.
КОМПЬЮТЕРНАЯ ПРОГРАММА: Чтобы гарантировать полное понимание работы ЕН антенны, используемой этой радиостанцией,можно воспользоваться компьютерной программой, чтобы анализировать антенну и включать специфические особенности для этой радиостанции. Программа устроена следующим образом: первая секция вычисляет параметры, чтобы возможно было изготовить антенну и настроить ее на рабочую частоту. Затем, измерения полного сопротивления сделаны на уже изготовленной антенне и эти данные, по ширине полосы, введены в программу. Это дает необходимую информацию, чтобы позволить вычисление КПД антенны. Заключительная секция программы вычисляет напряжения и токи в антенне. Как правило, оценочная величина сопротивления излучения используется в начальном проекте, чтобы позволить получить параметры, типа напряжения и тока, которые могут иметь влияние на строительство антенны.
Чтобы воспользоваться программой, должны быть введены рабочая частота и размеры антенны. Затем, диаметр настроечной катушки и диаметры проводов. Емкость антенны и сосредоточенная емкость настроечной катушки вычисляются в результате работы программы, чтобы получить суммарную емкость. После этого может быть рассчитана величина индуктивности катушки настройки. После того, как антенна настроена, реальная ширина полосы измерена и введена в программу. Это позволяет рассчитать сопротивление излучения. Затем, рассчитывается сопротивление потерь в катушке, основанное на оценке добротности катушки. Эти данные в дальнейшем используются, чтобы вычислить КПД антенны. Заключительная секция программы вычисляет различные токи и напряжения в системе антенны.
Интересно обратить внимание на то, что это ЕН антенна имеет большую емкость (192 Пф) и большое сопротивление излучения (больше чем 170 Ом). По этой причине ширина полосы пропускания значительно больше, чем у обычной антенны и эффективность также очень высока.
ПРОГРАММА ДЛЯ РАСЧЕТА ЕН АНТЕННЫ
Written by Ted Hart CEO EH Antenna Systems
Частота (МГц) = 0.70
Диаметр Цилиндров (дюймы) = 36
L/D отношение = 6
Полная Длина (дюймы) = 468
Емкость Антенны (Пф) = 192
ДРУГИЕ ПАРАМЕТРЫ:
Собственная емкость катушки (Пф) = 9.2
Паразитная емкость(Пф) = 20.0
Полная емкость (Пф) = 221.0
Индуктивность (МкроГн) = 234.1
Реактивное сопротивление (Ом) = 1029.3
Диаметр Катушки (дюймы) = 24.0
Шаг намотки (дюймы) = 1.0
Витки = 23.7
Длина Катушки (дюймы) = 23.7
Длина провода = 148.7
Измеренная ширина полосы по уровню 3 децибела (КГц) = 121
Сопротивление излучения (Ом) = 177.9
Добротность Антенны = 5.8
ВЫЧИСЛИТЕ КПД АНТЕННЫ:
Принимаем добротность катушки = 200
RF Сопротивление в катушки (Ом) = 5.9
КПД антенны (%) = 96.8
КПД антенны (децибел) =-0.142
ПАРАМЕТРЫ МОЩНОСТИ В АНТЕННЕ:
МощностьПередатчика (ватты) = 12 000
Линия передачи Z (Ом) = 50
Напряжение Линии передачи (СРЕДНЕКВАДРАТИЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ) = 775
Ток Линии передачи (СРЕДНЕКВАДРАТИЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ) = 15
Напряжение между Цилиндрами (СРЕДНЕКВАДРАТИЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ) = 9725
Напряжение между Цилиндрами (P-P) = 27230
Ток между Цилиндрами (СРЕДНЕКВАДРАТИЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ) = 8.2
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОСТАНЦИИ YSJW
Этот документ описывает рабочие характеристики радиостанции YS JW расположенной на севере Сан-Сальвадора, El Salvador, и сравнение работы ЕН антенн в сравнении с обычными антеннами. Не совсем удачно, что есть очень немного дорог в той местности, где расположена антенна, таким образом, нет возможности провести нормальные измерения полей, как принято для радиостанций в Соединенных Штатах. Поэтому данные, представленные в этом документе приведены в сравнении с уровнями напряженности поля от различных радиостанций. ЕН антенна расположена низко, на склоне холма и по сравнению с обычной антенной, расположенной на намного более высоком горном хребте того же холма. Это предполагает существенное преимущество для станций, расположенных в более высокой точке.
ЕН антенна выбрана была прежде всего потому, что местоположение не было подходящим для закапывания радиальных проводов в землю. Территория страны El Salvador - результат вулканической деятельности, таким образом это очень неровный ландшафт. Где есть маленькие плоские участки поверхности, они были давно застроены. Мачта антенны имеет три (3) уровня оттяжек, один из которых - на том же самом уровне что и сама антенна, второй - приблизительно на 12 футов выше основы и третий, приблизительно на 15 футов ниже антенны. Это сказано для того, чтобы иметь общее представление. ЕН антенна окружена банановыми деревьями и плантациями кофе, потому что эту территорию не использовать для другой деятельности.
Диаграмма изображает относительное местоположение радиостанций и местоположения, где были сделаны измерения. Есть список радиостанций и цветовых кодов, чтобы идентифицировать эти радиостанции на диаграмме. Радиостанции сгруппированы приблизительно на 89 ° 13' 30" западной долготы. Что не показано на диаграмме – так это относительная высота расположения радиостанций. Это имеет главное значение, учитывая гористый ландшафт местности, что очень существенно сказывается на более длинных трассах. По этой причине только лучевые уровни обозначены на диаграмме для расстояний больше чем 10 км. На третьей странице есть список нормализованных взвешенных данных для всех расстояний. Обратите внимание, что на близком расстоянии, уровень для YSHV только немного выше чем YS JW, расположенной немного ниже в 1,85 км и также немного дальше в 5 км. Различие становится более контрастным для более длинных трасс, и можно предположить, что это происходит вследствие того, что YSHV расположена намного выше на холме, таким образом увеличивая напряженность поля для более удаленных точек. И наоборот, холм искажает ДНА, таким образом обеспечивая пониженный уровень в малой дальности.
При сравнении ЕН антенны и стандартных антенн, интересно обратить внимание, что до 10 км дальности, уровни сигналов остаются примерно сравнимыми. Для целей сравнения, все уровни мощности разных радиостанций были нормализованы, так же как и частотное отношение. Сделано это потому, что более низкие частоты имеют меньшие потери чем верхние частоты. Как было предварительно сказано, ЕН антенна была установлена на высоте 0.14 длины волны над землей. Если бы ЕН антенна была поднята на высоту 0.25 длины волны, потери в земле уменьшились бы и дополнительно значительно увеличилось бы полезное излучение (больше чем отношение мощностей на 2 децибела или отношение напряжений на 4 децибела). На расстоянии 39 км это увеличение дало бы прибавку уровня сигнала в 1,59 раза и равнялось бы 1,6 по сравнению с 1,82 милливольтами от стандартной антенны, установленной на большой высоте на горе!
Рис. 14 Сравнение уровней сигналов от ЕН антенны и обычной.
Прогнозируя далее, на расстоянии в 60 километров уровень от ЕН антенны равнялся бы 0,11 милливольт, по сравнению с 0,06 от стандартной антенны. Другими словами, даже не смотря на то, что ЕН антенна расположена намного ниже по высоте, напряженность поля от нее была бы выше на больших дистанциях, по сравнению со стандартной антенной, хотя стандартная антенна по высоте располагается намного выше!
Кривые уровней напряженности поля от этих двух антенн пересекаются приблизительно в 16 км от антенн. Это можно объяснить фактом, что стандартная антенна, расположенная высоко на горе, фактически не создает должной напряженности поля из-за блокировки горой. Однако, размещение ее на вершине горы дает преимущество на более длинных дистанциях.
Резюме: при сравнении ЕН антенны по сравнению со стандартными АМ антеннами, ЕН антенны будут всегда выигрывать по созданию большей напряженности поля т также имеют более широкую полосу пропускания.
Рис. 15 Сравнение уровней сигналов от ЕН антенны и обычной.
Рис. 16 Исходные данные сравниваемых радиостанций.
перевод с английского
В.Кононова (UA1ACO)
04.2008г.
