Журнал Радио 10 номер 2002 год. РАДИО - О СВЯЗИ

Журнал Радио 10 номер 2002 год. "РАДИО" - О СВЯЗИ ЛЮБИТЕЛЬСКИЕ ПЕРЕДАЮЩИЕ ДВ АНТЕННЫ Александр ЮРКОВ (RA9MB)   Окончание. Начало см. в "Радио", 2002, ╧ 8, 9

Зависит ли сопротивление потерь в катушке от диаметра провода? Как ни удивительно, практически нет. При большем диаметре провода увеличится длина намотки, а если сделать катушку многослойной, то увеличится эффект близости. Соответственно придется делать больше витков. Если все это подробно проанализировать математически, получается весьма неожиданный результат: добротность катушки (и, соответственно, сопротивление потерь при заданной индуктивности) зависит в основном от диаметра каркаса катушки! Причем добротность прямо пропорциональна этому диаметру. А от диаметра провода добротность почти не зависит. Во избежание недоразумений отметим, что это справедливо только в случае, когда диаметр провода существенно больше толщины скин-слоя. На частоте 136 кГц это выполняется для медного провода диаметром 0,5 мм и больше (так обычно и бывает).

Таким образом, для получения малых потерь надо делать катушку большого диаметра. Некоторое значение еще имеет соотношение диаметра каркаса и длины намотки. Установлено, что добротность катушки максимальна при диаметре каркаса в 2...2,5 раза больше длины намотки. В этих условиях для очень грубой оценки (а точнее обычно и не нужно) на частоте 136 кГц при сплошном медном проводе, оптимальных соотношениях шага намотки и диаметра провода, а также диаметра каркаса и длины намотки добротность однослойной катушки можно полагать равной диаметру каркаса в миллиметрах.

Вернемся к приведенному выше примеру, где реактивное сопротивление катушки должно быть порядка 2000 Ом, активное — 10 Ом, а добротность — 200. Диаметр каркаса надо взять около 200 мм. Еще больший диаметр каркаса придется выбрать для получения меньшего сопротивления потерь в катушке. Мы видим, что удлинительную катушку передающей ДВ антенны приходится делать весьма больших габаритов. Поэтому катушку обычно не встраивают в передатчик, а размещают отдельно.

Правда, есть одна возможность заметно уменьшить габариты катушки при тех же потерях или уменьшить потери при прежних габаритах. Надо намотать катушку не сплошным медным проводом, а специальным литцендратом для передатчиков. Он состоит из огромного числа (несколько сотен) очень тонких, изолированных друг от друга медных проводников. Поверх проводников обычно имеется оплетка из шелка. Применяя лицендрат, надо уделить особое внимание тому, чтобы каждая (!!!) проволочка была пропаяна в точках подключения катушки. К сожалению, автору не известна какая-либо теория, позволяющая рассчитать добротность катушки из лицендрата, из опыта известно, что при тех же габаритах добротность катушки из лицендрата примерно вдвое больше, чем при намотке сплошным медным проводом.

Сопротивление потерь удлиняющей катушки — это важная составляющая общего сопротивления потерь антенны. Но если сделать катушку достаточно большого, но еще приемлемого диаметра (миллиметров в 200...400), основной вклад в общие потери дадут сопротивление заземления и сопротивление потерь окружения. Их обычно трудно разделить, и часто это общее сопротивление называют сопротивлением земли.

Заметим сразу, что ВЧ сопротивление заземления совсем не совпадает с сопротивлением заземления на низких частотах. Так что если есть "электротехническое" заземление с известным сопротивлением, то его, конечно, можно и нужно использовать, но его сопротивление на частоте 136 кГц будет намного больше, чем на промышленной частоте 50 Гц.

К сожалению, рассчитать потери в земле радиолюбителям обычно невозможно. Формулы, применяемые профессионалами, не применимы для столь маленьких по сравнению с длиной волны радиолюбительских антенн. Да и в отличие от профессиональных, любительские антенны обычно расположены среди домов, деревьев и других объектов, что существенно влияет на потери в антенне. Радиолюбители обычно не делают специального заземления, а используют водопроводные трубы и т. п. Это также затрудняет расчет. Таким образом, придется ограничиться только указанием на то, что обычно сопротивление потерь в заземлении вместе с сопротивлением потерь окружения составляет порядка 30— 100 Ом, а также рекомендациями по уменьшению величины этих потерь.

Как уже говорилось, необходимо максимизировать ток в антенне. Чем меньше сопротивление потерь, тем он больше. Чтобы уменьшить сопротивление потерь заземления в радиолюбительской практике, необходимо соединить все, что только возможно из закопанного в землю и расположенного на поверхности земли металла. Это могут быть водопроводные трубы, разные металлические конструкции и т. д. Только не надо использовать газовые трубы! Это недопустимо по соображениям пожарной безопасности!

В профессиональной практике для уменьшения потерь в земле заземление выполняют в виде так называемой "металлизации земли" под антенной. Это система закопанных на небольшую глубину или лежащих на поверхности земли проводов. Площадь металлизации должна, по возможности, покрывать всю поверхность под горизонтальной частью антенны, выходя за пределы проекции антенны на плоскость земли на расстояние порядка высоты антенны. Если горизонтальной части (емкостной нагрузки) нет, то радиус металлизации должен быть порядка высоты антенны. Совсем не обязательно делать металлизацию в виде правильного круга, под радиусом подразумевается просто характерный размер. Можно сделать радиус металлизации больше, но удваивать его уже не имеет большого смысла.

Опять же в профессиональной практике расстояние между отдельными проводами системы "металлизации земли" выбирают порядка 1 метра и иногда даже применяются сплошные металлические листы. Вряд ли в радиолюбительской практике это возможно. Поэтому даже если и делается некоторое подобие такой системы заземления, то расстояние между проводами будет, скорее всего, больше. На сколько, зависит от возможностей конкретного радиолюбителя. Естественно, при более "редкой" металлизации земли потери в земле возрастают.

Металлизация земли может сильно поднять эффективность передающей ДВ антенны за счет существенного уменьшения потерь. Но если у радиолюбителя нет возможности сделать металлизацию земли под антенной (что чаще всего и бывает), не стоит отчаиваться! Большинство западноевропейских радиолюбителей успешно работают, используя в качестве заземления имеющийся водопровод. Собственно поэтому и оказывается, что сопротивление заземления у радиолюбителей такое большое, намного больше сопротивления заземления профессиональных ДВ антенн, где сопротивление потерь в земле зачастую бывает порядка 1 Ом, даже для сравнительно небольших антенн маломощных ДВ станций. А у антенн вещательных ДВ станций, когда в землю закапываются десятки, а то и сотни тонн (!!!) металла, и того меньше — десятые, а иногда и сотые доли ома.

Соответственно и КПД в этом случае становится очень близким к 100 процентам. Но на это радиолюбителям рассчитывать обычно не приходится, разве что удастся, при случае, воспользоваться профессиональной ДВ антенной.

Но не только качеством системы заземления определяются потери в антенне. Если проводники антенны проходят вблизи домов, деревьев и т. п., возникают дополнительные потери ВЧ энергии, идущие на нагрев этих окружающих предметов. Собственно, это и есть потери окружения. Необходимо, чтобы провода антенны, находящиеся под высоким ВЧ потенциалом, располагались, по возможности, на расстоянии не менее 1 ...3 м от окружающих предметов. А если такой провод длинный и идет параллельно "мешающему предмету", расстояние надо выбирать еще больше.

Ситуацию иллюстрирует рис. 3. Потери в случае рис. 3,а существенно меньше, чем в случае рис. 3,б. Вертикальный провод в последнем случае будет наводить в стене дома значительные ВЧ токи, приводящие к бесполезным потерям мощности передатчика, расходуя ее на нагрев стены. Подобной ситуации необходимо избегать.

Но что делать, если отнести от стены вертикальный провод антенны невозможно? В этом случае имеет смысл модифицировать антенну так, как показано на рис. 3,в. И хотя ток в вертикальном проводе будет практически такой же, как в случае рис. 3,а, но ВЧ потенциал относительно земли на нем будет мал (он большой только после удлиняющей катушки). Соответственно уменьшится и влияние стены дома. Катушку, правда, придется сделать несколько большей индуктивности, поскольку емкостью антенны, к которой подключена катушка, будет только емкость горизонтального провода. В этом случае неудобно настраивать высоко расположенную катушку. Выход простой — большую часть индуктивности разместить "наверху", а вблизи передатчика включить небольшой вариометр, только для точной подстройки антенны в резонанс. При этом напряжение на проводе, проходящем вблизи стены, несколько возрастет, но оно не будет столь значительным, как в случае рис. 3,б.

Похожая ситуация показана на рис. 3,г, когда передатчик расположен на верхнем этаже многоэтажного дома. Казалось бы, антенна не имеет вертикальной части, но на самом деле она есть. Просто ее роль играет провод заземления, например, водопроводные трубы. Они расположены в непосредственной близости от стен, но так как ВЧ потенциала на них практически нет, как и на вертикальной части антенны на рис. 3,в, влияние стен слабое. Так что антенна будет работать вполне удовлетворительно.

Рассмотренные примеры показывают, что особенно большие потери окружения оказываются в случае, когда вблизи окружающих предметов находятся части антенны, несущие высокий потенциал. Конечно, уменьшение напряжения на всей антенне, также как и уменьшение напряжения на части антенны, уменьшает потери окружения. Это объясняет ранее сделанное замечание о том, что увеличение суммарной емкости антенны увеличивает эффективность антенны. Действительно, увеличение емкости антенны приводит к уменьшению напряжения на ней и, следовательно, к уменьшению потерь окружения. При той же мощности передатчика в вертикальной части антенны удастся получить большую силу тока и, как следствие, излучаемый сигнал возрастет.

Конечно, приведенные рисунки и комментарии к ним не исчерпывают всех ситуаций, которые могут случиться при практическом выполнении антенны. Но автор надеется, что они иллюстрируют общий подход к конструированию ДВ антенны с минимальными в данных условиях потерями окружения. Ну а в каждом конкретном случае радиолюбителю придется думать, экспериментировать и принимать решения самостоятельно.

В заключение — буквально несколько слов о подключении антенны к передатчику. Из изложенного ясно, что входное сопротивление антенны после настройки в резонанс катушкой в большинстве случаев не будет равно 50 или 75 Ом. Но в этом нет и необходимости, коаксиального кабеля-то нет. Просто следует в передатчике предусмотреть возможность регулировки выходного сопротивления. Легче всего это сделать при трансформаторной двухтактной схеме выходного каскада передатчика. Вторичную обмотку трансформатора в этом случае необходимо сделать с отводами и установить переключатель. Представляется, что ряд выходных сопротивлений 5, 7, 10, 15, 20, 30, 50, 70, 100, 150, 200 Ом вполне достаточен для любых радиолюбительских антенн, включая как "очень плохие", так и "очень хорошие". Подойдет стандартный галетный переключатель на 11 положений.

Для точной настройки антенны в резонанс весьма желательно иметь вариометр от ДВ или СВ передатчика. Автор применяет вариометр от средневолнового блока радиостанции РСБ-5, имеющий максимальную индуктивность порядка 700 мкГн. Конечно, она недостаточна, и последовательно с вариометром включена дополнительно достаточно большая катушка постоянной индуктивности, а вариометр служит только для подстройки.

В описанном варианте связи антенны с передатчиком настройка сводится к подбору положения переключателя, обеспечивающего максимальный ток в антенне, и к регулировке индуктивности удлиняющей катушки. После каждого переключения выходного сопротивления передатчика надо подстраивать индуктивность (вариометр) для получения резонанса, добиваясь максимального тока в антенне.

Возможны и другие варианты выполнения выходной цепи передатчика, и другие методы настройки, но их обсуждение увело бы нас слишком далеко от основной темы статьи. Поэтому, завершая изложение, пожелаю читателю успешных экспериментов, и до встречи на длинных волнах!

От редакции. Надеемся, что опубликованный материал будет чрезвычайно полезен радиолюбителям, осваивающим длинные волны. Дополнительно рекомендуем читателям посмотреть статью В. Полякова "О питании радиоприемников "свободной энергией" ("Радио", 1997, ╧ 1, с. 22, 23). Хотя там и рассматриваются радиоприемные антенны, все выводы и формулы для КПД, сопротивлений потерь и т. д. остаются справедливыми в силу принципа обратимости и для передающих антенн.

Вернуться к содержанию журнала "Радио" 10 номер 2002 год







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.