Вертикальные штыри для многодиапазонной работы. Как сделать антенну для радио FM

В настоящее время среди радиолюбителей широкое распространение получила так называемая штыревая антенна, дающая в горизонтальной плоскости равномерное излучение.

Штыревая антенна

Она проста в изготовлении и хорошо согласуется с кабелем с волновым сопротивлением 72 ом (рис. 1). Для изготовления антенны (на 38—40 Мгц) нужна алюминиевая труба (стакан) длиной в 1,86 м и диаметром от 25 до 40 мм и; штырь (сплошной или полый) такой же длины.

В качестве штыря можно применить алюминиевую трубку диаметром 12 мм. Стакан выполняется из отрезка дюралюминиевой трубы диаметром 30 мм.

Рис. 1. Конструкция штыревой антенны. 1 — штырь; 2 — изолятор (плексиглас); 3 — место соединения оплетки кабеля со стаканом; 4 — стакан; 5 — кабель (R волн 70 — 75 ом); 6 — пробка.

Штырь должен быть, укреплен в пробке из органического стекла, в которой предварительно просверливают отверстие по диаметру штыря. Центральную жилу кабеля прочно припаивают к штырю, а оболочку кабеля надежно соединяют со стаканом в верхней его части.

После того как все необходимые соединения сделаны, «а штырь надевают пробку, которую затем с большим трением вгоняют в трубу.

В целях предохранения от проникновения воды место вокруг штыря должно быть залито смолкой (от гальванических элементов). При этом надо следить за тем, чтобы «поясок» из смолки не был слишком широк, иначе это резко ухудшит изоляционные качества пробки.

Ни в коем случае нельзя заливать смолкой всю площадь поверхности пробки, так как для токов высокой частоты смолка является плохим изолятором. Если штырь выполнен и» трубы, то верхнее отверстие надо плотно закрыть пробкой, лучше всего резиновой.

Четвертьволновая антенна

В случае отсутствия трубы, необходимой для изготовления стакана, можно применить четвертьволновую антенну (штырь) с наклонно расположенными элементами. Конструкция такой антенны понятна из рис. 2.

Наклонные элементы выполняются из возможно более толстой медной проволоки (2,5—3 мм) и являются как бы продолжением оттяжек верхнего яруса, но изолированы от них двумя орешковыми изоляторами. В качестве фидера следует применить коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 70— 75 ом.

Рис. 2. Штыревая антенна с наклонными элементами. 1 — изолятор; 2 — труба мачты; 3 — наклонные элементы; 4 — изоляторы.

Согласование антенны с фидером достигается изменением длины штыря и наклонных элементов в пределах от 94 до 100% четверти длины волны.

Следует, однако, заметить, что изменение входного сопротивления антенны, вызываемое изменением длины элементов, незначительно. Поэтому длину элементов можно сразу брать равной 0,97 1/4 лямбда.

Центральную жилу кабеля подсоединяют к штырю, а оболочку—к элементам яруса. Труба мачты электрически с антенной не должна соединяться.

Антенна со шлейфом и заземленным крестом

Из всех штыревых антенн лучшей является антенна со шлейфом и заземленным крестом. Антенна с заземленным крестом излучает под небольшим углом к горизонту, что дает существенный выигрыш в дальности при работе земной волной.

По этой причине она мало пригодна для сзязи на очень большие расстояния, когда имеет место отражение от ионизированного слоя.

На рис. 3 показана схема антенны с размерами всех ее элементов для частоты 39— 144 Мгц. Штырь 1 и крест 2 соединены между собой через шлейф 3, центральный проводник которого на другом его конце соединен с оплеткой шлейфа (точка а). Таким образом, штырь 1 также оказывается заземленным через шлейф.

Рис. 3. Штыревая антенна со шлейфом и заземленным крестом. 1 — штырь; 2 — горизонтальные элементы: 3 — шлейф; 4 — фидер из кабеля с волновым сопротивлением 70 — 75 Ом; 5— труба мачты. Для диапазона 38 — 40 МГц: D - 20 мм, h -1695 мм, l1 — 1830мм, l2 - 550 мм для диапазона 144 — 146 МГц, D - 15 мм, h - 440 мм, І1 = 484 мм, l2 = 142 мм.

Фидер подключается центральной жилой к штырю и одновременно к центральному проводнику шлейфа. Оболочки фидера и шлейфа соединяются между собой в точке Ь.

Антенна укрепляется на хорошо заземленной водопроводной или газовой трубе. Элементы антенны выполняются из металлических прутьев или трубок одного диаметра (например, 12 или 15 мм).

Вертикальная штыревая антенна

Другой тип вертикальной штыревой антенны изображен на рис. 4. Антенна состоит из штыря 1 и манжеты 3, надеваемой поверх трубы мачты 4.

Штырь целесообразно выполнять из меди или алюминия, а манжету — из обычной стальной трубы, имеющей диаметр, несколько больший диаметра мачты.

За неимением подходящей трубы манжету можно выполнить из системы сравнительно тонких проволок, расположенных по поверхности цилиндра вокруг мачты. Концы проволок припаиваются к кольцам.

Рис. 4. Манжетная антенна. 1 — изолятор; 2 — манжета; 3 — изолятор; 4 — труба мачты.

Такая антенна дает усиление в 2 раза (в вертикальной плоскости).

Антенна хорошо согласуется с коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 72—75 ом, при этом длина манжеты должна составлять 0,99 1/4 лямбда а штыря — 0,94 1/4 лямбда.

Для 52-омного кабеля длина манжеты берется равной 0,98 1/4 лямбда, длина штыря — 0,95 1/4 лямбда. Согласование достигается небольшим изменением длины штыря, а главным образом — манжеты. Размеры манжеты весьма критичны.

Далеко не всегда удается поставить отдельную вертикальную антенну для каждого диапазона. В этом случае можно использовать один штырь для работы в нескольких диапазонах. Поскольку, подбором физической длины штыря невозможно подогнать его входное сопротивление к волновому сопротивлению коаксиального кабеля при работе на нескольких любительских диапазонах, то для питания таких антенн используют двухпроводную открытую линию, которая допускает работу с высоким КСВ.

Схема такой антенны показана на рисунке 1. Антенна состоит из штыря длиной LA и минимум четырех противовесов длиной LP. Для эффективной работы вертикальной антенны, штырь которой не настроен в резонанс с излучаемым ей сигналом, необходимо чтобы электрическая длина штыря была не менее 1/8 длины волны.

Следовательно для того чтобы антенна работала в любительских диапазонах 6-80 метров, достаточно, чтобы длина её вертикальной части была равна 5 метров. Как указывается во многих радиолюбительских источниках, для работы такой вертикальной многодиапазонной антенны необязательно использовать резонансные противовесы, которые, безусловно, улучшают работу антенны, но в то же время значительно усложняют её конструкцию.

Вполне достаточно четырех противовесов длиной равной высоте штыря. Антенна запитывается через открытую линию волновым сопротивлением 300-600 Ом любой разумной длины через какое-либо известное согласующее устройство.

До сих пор среди радиолюбителей нет единого мнения, какой длины штырь необходимо использовать для создания такой антенны. Есть два мнения о длине штыря. Первое, что штырь должен иметь резонансы на верхних любительских диапазонах, на которых используется антенна, и другое, что не обязательно чтобы штырь имел резонансы на диапазонах работы антенны.

Поскольку штырьевая антенна питается через открытую линию, и антенно-фидерная система требует согласования с низкоомным выходным сопротивлением трансивера посредством согласующего устройства, то теоретически нет разницы используется резонансная штырьевая антенна либо резонанс штыря лежит вне любительского диапазона и, следовательно, будет требоваться компенсация реактивностей антенны посредством согласующего устройства.

На практике может даже оказаться, что эффективнее будет работать не резонансная антенна, питаемая по двухпроводной линии, вследствие усреднения её параметров при работе на нескольких диапазонах. Антенна резонансной длины обязательно будет иметь на каком-либо любительском диапазоне входное сопротивление несколько кОм, т.е. будет узел напряжения на её входе, что может усложнить согласование штыря с линией передачи и далее с согласующем устройством на резонансном диапазоне. Поскольку все же число сторонников резонансных и не резонансных штырьевых многодиапазонных антенн почти одинаково, разберем оба варианта.

Классической не резонансной конструкцией многодиапазонного вертикального штыря необходимо признать антенну WB6AAM. Эта антенна и её противовесы имеют длину равную 6,1 метра. В таблице 1 приведены значения коэффициента усиления этой антенны относительно четвертьволнового несимметричного вибратора работающего на сравниваемом диапазоне.

Таблица 1
Как видно из этой таблицы, параметры этой антенны весьма хороши на диапазонах 6-20 метров, удовлетворительны при работе в диапазонах 30-50 метров, и антенна может быть использована для вспомогательной работы на диапазоне 80 метров. Приведено описание не резонансной антенны с длиной вертикальной части и противовесов по 6,7 метров. Очевидно, что параметры незначительно отличаются от антенны WB6AAM, и практически нет разницы какая длина антенны выбрана 6,1 или 6,7 метра, все зависит только от удобства использования тех или иных материалов для выполнения антенны.

Антенна, работающая в резонансном режиме на диапазонах 10 и 20 метров с высотой вертикальной части и длиной противовесов по 508 см. Эта антенна работает менее эффективно чем антенна WB6AAM из-за того, что её высота немного меньше. Антенна с длиной вертикальной части 10 метров и тремя противовесами.

Эта антенна вследствие относительно большой длины вертикальной части может обеспечить работу не только на диапазонах 10-80 метров, как указано в её описании, но и на диапазоне 160 метров. Усиление её будет примерно в полтора раза больше чем вертикальной антенны WB6AAM (см. табл. 1), и конечно при наличии достаточного места для размещения антенны, и материалов, лучше использовать антенну с длиной вертикальной части 10 метров.

Двухпроводная линия передачи для питания антенн этого типа может быть самодельной, можно использовать стандартный ленточный кабель, например типа КАТВ. При мощности подводимой к антенне не превышающей 100 Вт можно использовать в качестве линии передачи телефонный провод ТРП, более известный среди радиолюбителей как лапша. К сожалению ТРП при эксплуатации под действием атмосферных условий обычно через несколько лет выходит из строя из-за разрушения изоляции.

Именно из-за дефицита открытых линий передачи, радиолюбители предпринимают попытки запитать такую антенну через коаксиальный кабель с использованием различных согласующих устройств, расположенных непосредственно на штыре антенны. Наиболее удачное такое согласование было предложено UA1DZ.

КВ антенны Ю. Прозоровский
РАДИО N 10 1962, c.23-24

Одним из основных способов снижения помех телевизионному приему со стороны любительских передатчиков является применение передающих антенн с вертикальной поляризацией. Наиболее распространена среди коротковолновиков четвертьволновая вертикальная антенна ("Ground plane"). Эта антенна состоит из вертикального штыря, длина которого обычно несколько меньше четверти длины рабочей волны, излучаемой передатчиком, и противовеса. Он выполняется из нескольких горизонтально расположенных четвертьволновых лучей, соединенных с оболочкой коаксиального кабеля, по которому от передатчика подается высокочастотная энергия.

Сопротивление излучения такой четвертьволновой антенны равно 28-32 ом (в зависимости от внешнего диаметра металлических трубок, из которых она построена). Поэтому соединение антенны с 50- или 75-омным коаксиальным кабелем приведет к появлению в нем стоячих волн и к потере энергии. Для согласования вертикального штыря с кабелем необходимо использовать дополнительные элементы - катушки индуктивности, конденсаторы или отрезки кабеля с определенными параметрами.

Ниже описывается упрощенный метод расчета антенны "Ground plane" с горизонтальным противовесом и согласующим отрезком кабеля. Антенны, построенные по этому расчету, хорошо работают на одном любительском диапазоне (например, 14 Мгц) и, вместе с тем, вполне удовлетворительно излучают и на двух соседних диапазонах (21 и 7 Мгц).

Расчет будем приводить на числовом примере для диапазона 14 Мгц. Соединение штыря с питающим его кабелем и согласующим отрезком кабеля и обозначения их размеров показаны на рис. 1.

Для расчета необходимо знать диаметр металлических трубок или провода, из которых будут выполнены штырь антенны и лучи противовеса. Допустим, что мы собираемся применить для изготовления антенны трубки с внешним диаметром 30 мм,

а противовес будем делать из провода диаметром 2 мм. Определяем коэффициент М, характеризующий отношение длины удаленного от земли полуволнового диполя к диаметру антенны. Применяем формулу:

M=150000/(f(Мгц)D(мм))

Здесь: f - средняя частота диапазона,

D - диаметр трубок. При f=14,2 Мгц и D=30 мм получаем:

M=150000/(14,2*30)=352

По коэффициенту М определяем, пользуясь графиком (рис. 2), сопротивление излучения четвертьволновой антенны Rизл (для резонансной частоты): Rизл=30,8 ом.

Puc.2

Теперь следует вычислить истинное сопротивление излучения Ry укороченной антенны, которую мы будем строить; оно из-за влияния земли и противовеса отличается от Rизл и равно:

Ry=Rизл-Z/4Rизл

Здесь Z - волновое сопротивление коаксиального кабеля, из которого выполнен фидер. В нашем примере возьмем его равным 75 ом. Тогда:

Ry=30,8-75/4*30,8=30,2 Ом.

Для вычисления длины вертикального штыря L нужно по графику рис. 3 определить еще два вспомогательных коэффициента: Кс, характеризующий изменение сопротивления антенны при изменении ее длины, и Кз, учитывающий влияние противовеса и земной поверхности. Получаем: Kc=535, Kз=0,97.

Puc.3

График для определения коэффициента К может быть использован лишь при изменении длины антенны не более чем на 10%. Если антенна длиннее резонансной, то ее полное сопротивление носит индуктивный характер, если короче - емкостный.

Длина штыря (в мм) определяется по формуле:

У нас;

Для определения длины лучей противовеса Lnp, выполненных из провода диаметром 2 мм, вычисляем М:

M=150000/14,2*2=5280 и по графику рис. 3 находим Ky=0,978. Тогда

Укороченная антенна имеет, кроме активного, также реактивное сопротивление емкостного характера. Для его компенсации параллельно антенне присоединен закороченный на конце отрезок кабеля; длина его выбирается такой, чтобы его реактивное сопротивление имело индуктивный характер необходимой величины. Определяем это индуктивное сопротивление:

Xc=Z/S=75/1,22=61,5 Ом

Пользуясь логарифмической линейкой или таблицей тангенсов, находим угол а, тангенс которого численно равен отношению полученного значения Xc к волновому сопротивлению Zc кабеля, из которого будет выполнен согласующий отрезок. При Zc=75 ом:

Xc/Z=61,5/75=0,82 и a=39,4°

Длина закороченного отрезка равна:

Lc=(833ab)/f, мм

В этой формуле b - коэффициент, характеризующий скорость распространения энергии по кабелю. Для распространенных кабелей со сплошным заполнением (РК-1, РК-3) b=0,67.

Следовательно,

Lc=(833*38,4*0,67)/114,2=154,9 мм

Описанный выше расчет учитывает, что лучи противовеса расположены горизонтально; однако и при наклонном их расположении (под углом 30-40° к земле) рассогласование бывает незначительным.

Коэффициент стоячей волны (КСВ) в фидере можно измерить, собрав несложный указатель КСВ мостового типа, схема которого показана на рис. 4. Здесь сопротивления R1, R2, R3 и сопротивление излучения антенны образуют мост. В одну из его диагоналей подается энергия высокой частоты от передатчика (разъем Пер). Во второй диагонали включен диод Д1 типа Д2Е.

Рис.4

Сопротивление R4 служит для уменьшения выходного сопротивления источника энергии (передатчика). Дроссель (Др1) замыкает цепь постоянной слагающей выпрямленного тока; он необходим в том случае, если цепь антенны не имеет гальванической проводимости.

При балансе моста стрелка прибора не отклоняется. Рассогласование антенны и кабеля вызывает появление стоячих воли, что отмечается отклонением стрелки. Порядок измерения КСВ следующий:

1. Настраивают передатчик с антенной при полной излучаемой мощности.

2. Уменьшают мощность до нуля, запирая, например, одну из ламп предварительных каскадов отрицательным смещением, и отсоединяют антенну.

3. Соединяют отрезком кабеля вход передатчика и разъем Пер. на указателе ксв.

4. Постепенно, очень плавно, чтобы не сжечь сопротивление R4, увеличивают мощность энергии, подаваемой в указатель ксв, до тех пор, пока стрелка прибора не отклонится до конца шкалы.

5. Для проверки баланса моста временно присоединяют к разъему Ант сопротивление 75 ом; стрелка миллиамперметра должна при этом стать на нуль.

6. Включив к разъему Ант. коаксиальный кабель, питающий антенну, отмечают по шкале ток и определяют ксв по кривой, изображенной на рис. 5.

Puc.5

Если фидер антенны не вносит существенных потерь, например он выполнен из кабеля РК-1 или РК-3 и имеет длину не более 15-20 м, то ксв 2 и даже 2,5 вполне допустим. Общие потери (сумма потерь в фидере и потерь за счет рассогласования) в этом случае не превысят 0,5 дб. Такое уменьшение мощности на приемной станции на слух отмечено не будет. Заметное падение громкости приема (на 1-2 балла) может наблюдаться лишь при ксв порядка 5-8.

В том случае, если построенная антенна обладает чрезмерным ксв или ее размеры выбраны большими или меньшими, чем следует, необходимо, пользуясь указателем ксв, настроить антенну опытным путем. Антенна большей, чем нужно, длины может быть электрически укорочена конденсатором, включенным последовательно с вертикальной частью (рис. 6,а). Слишком короткую антенну можно электрически удлинить, добавив к ней индуктивность (рис. 6,б). В этом случае настройку антенны ведут попеременно, подбирая положение обоих щипков на катушке. Здесь часть катушки между щипками 1 и 2 используется для удлинения вертикальной части антенны, а нижняя часть (2-3) заменяет согласующий закороченный отрезок кабеля (рис. 1).

Puc.6

В заключение отметим, что на антенне описанного типа накапливаются заряды статического электричества, особенно при близкой грозе. Поэтому рекомендуется применять антенны с закороченными отрезками кабеля (рис. 1) или шунтирующей кабель индуктивностью (рис. 6 б) и надежно заземлять оболочку кабеля.

Это несимметричный вибратор , который представляет собой жесткий металлический стержень. Штыревая антенна применяется в области радиовещания и радиосвязи.

Штыревые антенны, работающие в диапазонах коротких волн, используются в портативных и носимых комплектах вместе с автоматическим или ручным тюнером. Антенны могут быть различной длины (1-3 м) и могут иметь разное количество секций (2-6). Высокоэффективные штыревые антенны применяются в лесистых и труднопроходимых местностях, где обычные антенны не могут выполнять свою работу эффективно.

Чтобы увеличить диапазон частот, к штыревой антенне присоединяют удлинительную катушку.
Первые коротковолновые штыревые антенны состояли из опорных фарфоровых изоляторов с большими габаритами. При настройке антенны вибраторы удлинялись или укорачивались. Современные антенны легко настраиваются и без громоздких изоляторов получают желаемое согласование антенны с выходом передатчика и фидером.

Штыревая антенна с гамма-согласующим устройством имеет вид вибратора, который вставлен в муфту.
Муфта , в свою очередь, припаивается к краю металлической площадки. В некоторых штыревых антеннах функции вибратора выполняют водопроводные оцинкованные трубы, которые привариваются к двум муфтам с внутренней резьбой. К еще одной муфте крепятся четыре ушка с пучками-противовесами. На концах противовесов находятся орешковые изоляторы. Пучки, кроме функций противовесов, выполняют еще и работу оттяжек мачт первого яруса. С одной стороны площадки располагается вибратор, в противоположной стороне от него крепится опорный изолятор с трубкой гамма-согласователя. Металлическая перемычка, передвигающаяся вверх и вниз, охватывает как трубку гамма-согласователя, так и трубу вибратора. На верхней стороне площадки закрепляется металлическая коробка между гамма-согласователем и вибратором. Коробка содержит в себе разъем с высокой частотой и конденсатор переменной емкости. Параллельно к конденсатору устанавливается конденсатор постоянной емкости. Пластины ротора и статора конденсатора изолируются от металлической коробки. В трубе вибратора делаются четыре отверстия для медного провода, концы которого загибаются через край трубы. К отрезкам медного провода присоединяются антенные изоляторы, а также изоляторы для комнатных антенн.

Таким образом, полученная конструкция образует второй ярус оттяжек штыревой антенны. Отверстие вибратора, расположенное наверху, закрывается деревянной заглушкой, которая не пропускает влагу внутрь вибратора. Верхнее отверстие трубки гамма-согласователя также закрывается подобной деревянной пробкой.

К разъему высокой частоты, находящемуся на металлической коробке, подключается коаксиальный кабель с определенным волновым сопротивлением. Контакты разъема, предварительно изолированные, соединяются с пластинами статора конденсатора. Изолированный отрезок гибкого проводника соединяется с пластинами ротора конденсатора и крепится к основанию трубки гамма-согласователя.

Настраивается штыревая антенна специальным прибором, определяющим индикатор напряженности поля. Самым простым способом настройки считается включение в разрыв провода теплового амперметра . Наибольшее отклонение стрелки амперметра происходит за счет перемещения перемычки вверх и вниз. Разрыв провода располагается от пластин ротора конденсатора до основания трубки гамма-согласователя.

Через высокочастотный разъем к штыревой антенне подключается фидер. Высокочастотное напряжение поступает к антенне через коаксиальный кабель. При настройке штыревой антенны передатчик должен быть нацелен на максимальное излучение при среднем любительском диапазоне. Когда антенна окончательно настроится, будет исходить от нее наибольшее излучение, перемычка твердо крепится на трубе вибратора и трубке гамма-согласователя. Место закрепления обмазывается пластилином для большей надежности.