# Исследование рамочно-лучевой антенны U A 6 A G W. Часть первая.

Александр Васильевич Грачёв

В этой статье, предпринята попытка, по возможности подробно, рассказать об исследованиях антенны UA6AGW, и тех выводах, которые можно сделать, на основе полученных материалов. Публикуется впервые.

Грачёв Александр Васильевич

Исследование рамочно-лучевой антенны UA6AGW.


В этой статье, мной предпринята попытка, по возможности подробно, рассказать о моих исследованиях антенны UA6AGW, и тех выводах, которые можно сделать, на основе полученных материалов.

Структурная схема работы, построена на поочередном исследовании различных элементов антенны и их взаимном влиянии на общие параметры всей конструкции.


Часть первая.


В первой части исследования, я повторил весь путь, проделанный мной в свое время и приведший к разработке базового варианта антенны. В ходе этой работы, я проводил доступные, в моем случае, измерения. Предпринял попытку обобщить полученные данные и сделать соответствующие выводы. В качестве объекта исследования, использовалась антенна UA6AGW v.10.02.

Электрическая схема и размеры элементов антенны, приведены ниже:


Рис 1


Излучающая рамка выполнена в данном случае, из коаксиального кабеля, с экраном в виде гофрированной трубки, диаметром около 15 мм. Переменный конденсатор С-2 применен типа "бабочка", от радиостанции РСИУ. Лучи выполнены жесткими и могут быть установлены под различными углами.

Для сохранения чистоты эксперимента, петля связи применялась двух типов. Одна из них имеет периметр 20 см. и изготовлена из кабеля марки РК 50-7-11. Вторая имеет периметр 60см, и изготовлена из кабеля марки РК 50-4,8-31.

Для упрощения формулировок выводов из полученных результатов, под терминами "активное сопротивление" и "реактивное сопротивление" применительно к антеннам, подразумеваются соответственно, активная и реактивная составляющие комплексного сопротивления излучения антенны.


1.Магнитная рамка. (Magnetic loop)


Поскольку исследуемая антенна была разработана на базе магнитной рамки, то с неё и начнем. Данная статья рассчитана на достаточно подготовленного читателя, поэтому нет смысла здесь напоминать, какие антенны называются магнитными рамками.

Исходная позиция (по схеме, рис номер 1): С-1 отсутствует, лучи отсутствуют, т.е. "магнитная рамка" (Magnetic loop) в чистом виде. Петля связи здесь применена с периметром 20 см.

Графики параметров "magnetic loop", снятые с помощью антенного анализатора, приведены ниже. Первый график, это весь КВ диапазон, от 1 МГц до 30МГц.


Рис 2


Тоже самое, но в более узком частотном диапазоне.


Рис 3


Вот и первый сюрприз! Обратите внимание, как интересно (черные стрелки) ведет себя, график активного сопротивления (зеленая линия). Этот график, очень напоминает график полного сопротивления кварцевого резонатора, из книги В.Г. Бодиловского "Справочник молодого радиста", где показаны частоты последовательного и параллельного резонанса.


Увеличим разрешение до 10 кГц.


Рис 4


Картина стала ещё более "контрастной". Вблизи частоты минимального КСВ (его абсолютное значение, нас пока, не интересует), имеются значения минимального, стремящегося к нулю (стрелка внизу) и максимального, стремящегося к значению 300 Ом (стрелка вверху), активного сопротивления.

Общеизвестно, что численное значение активного сопротивления, в общем виде, характеризует значение сопротивления излучения антенны. Н.М. Изюмов и Д.П. Линде в книге "Основы радиотехники" (глава шестая) дают трактовку полного активного сопротивления антенны:

"Т. е. можно считать, что полное активное сопротивление антенны


где:

- сопротивление тепловых потерь;

- так называемое сопротивление излучения"


Стремящееся к нулю значение активного сопротивления означает, что на этой частоте, эквивалентной схемой антенны, является последовательный контур. Со всеми вытекающими отсюда характеристиками: максимальным на частоте резонанса током, минимальным на частоте резонанса сопротивлением и т.д.

Отсюда, можно сделать вывод, что и сопротивление излучения будет крошечным. Этот вывод вполне совпадает, с устоявшимся мнением об очень незначительном сопротивлении излучения "magnetic loop". Отсюда следует что , даже если сопротивление тепловых потерь будет малым, КПД антенны будет не слишком высоким.

Рассмотрим второй случай. Частота, на которой активное сопротивление рассматриваемой нами антенны превышает значение 300 Ом, совпадает с частотой резкого снижения значения реактивного сопротивления. Очевидно, что наблюдается взаимная (пусть даже, как в нашем случае, частичная) компенсация реактивностей, имеются все признаки параллельного резонанса на этой частоте. Несовершенство, примененной мной измерительной техники, не позволяет более подробно рассмотреть эту ситуацию. Но и того, что видно, вполне достаточно, что бы сделать вывод: на этой частоте эквивалентной схемой антенны, является параллельный контур. Со всеми вытекающими отсюда характеристиками: максимальным на частоте резонанса сопротивлением, минимальным на частоте резонанса током и т.д.

Кроме того, напрашивается вывод, что во втором случае, даже если сопротивление тепловых потерь будет заметно выше, чем в первом случае, то всё равно сопротивление излучения будет значительно превосходить сопротивление потерь.

Н.М. Изюмов и Д.П. Линде поясняют: ...."Отсюда следует, что к.п.д. антенны тем больше, чем больше сопротивление излучения по сравнению с сопротивлением тепловых потерь".

Наличие двух, таких разных, расположенных рядом резонансов, наводит на мысль, не этим ли объясняется, такая разная (у разных авторов), оценка эффективности магнитных рамок??? Впрочем, к данному исследованию это не относится.


2. Лучевая часть.


Лучи в этой антенне появились, благодаря такому распространенному явлению, как пробой настроечного конденсатора, при работе антенны на передачу. Напряжение на нем достигает значительных величин даже при небольшой подводимой мощности, что принуждает ограничивать подводимую мощность. А увеличение влажности воздуха в осенне-зимний период, ещё более снижает пробивное напряжение конденсатора. Помочь в этом случае, могут вакуумные конденсаторы. Они конечно, вещь хорошая, только дорогая.

Вот таким был начальный посыл. Решение этой проблемы нашлось довольно быстро. Идея заключалась в следующем. У меня, в то время, имелся в наличии, конденсатор типа "бабочка", с хорошим зазором между пластинами. Но его ёмкости не хватало, для настройки на частоту 7,0 МГц антенны ML, с которой я экспериментировал в то время. Тут и пришла в голову мысль: а не использовать ли, проволочные лучи для реализации недостающей ёмкости. Как известно, емкость между лучами, к примеру, диполя с длинной каждого луча 1 метр, составляет чуть более 8пФ. Исходя из этого соотношения, и была выбрана длина лучей для первых опытов. В последствии, с легкой руки US0KF, эти лучи получили имя собственное - "усы Грачёва". (Hi) (tnx. Яков Моисеевич).


В исследуемой антенне лучи выполнены съемными, жесткими, на пластиковой основе. Длина каждого 1,5м. Подсоединение их к антенне, дало следующее изменение исследуемых характеристик антенны. (Здесь и далее, применена петля связи с периметром 60см.)


Рис 5


На графиках видны явные изменения (см. рис 4,5). Во первых, заметно снизилась резонансная частота, что легко объясняется добавившейся электрической емкостью лучей. Во вторых, наблюдается резкое снижение (синяя линия) реактивного сопротивления. В третьих, заметно улучшилось согласование петли связи (красная линия) с антенной (КСВ менее 2,0). Ну и самое главное, активное сопротивление не имеет теперь близких к нулю значений. График активного сопротивления вне частоты резонанса, если не считать собственных резонансов питающего кабеля, имеет практически одинаковое значение. Имеющийся на графике подъем активного сопротивления в районе 24 МГц и есть "отголосок" собственного резонанса питающего кабеля (см. рис 2). График активного сопротивления, на частоте резонанса, показывает значение активного сопротивления около 100 Ом.

Гончаренко И.В. в книге "Антенны КВ и УКВ", часть вторая "Основы и практика", дает такое определение:


ещё:


ещё:


Из сказанного выше, можно ещё раз сделать вывод: " Высокое значение сопротивления излучения, означает высокий КПД антенны, т.е. повышение сопротивления излучения, означает повышение КПД антенны".

Теперь посмотрим, насколько велики тепловые потери нашей антенны. Напомню, конструкцией нашей антенны предусмотрено, что та часть антенны, где протекают максимальные токи, выполнена в виде оплетки коаксиального кабеля, из которого выполнена излучающая рамка. R9CAD, по моей просьбе, провел достаточно точные измерения (до четвёртого знака после запятой) омического сопротивления серийного кабеля (tnx. Николай Яковлевич). Омическое сопротивление наружной оплетки, рамки диаметром 50 см., выполненной из коаксиального кабеля, равно 0,0019 Ом, сопротивление внутренней жилы этой же рамки равно 0,0032 Ом. В данном случае, нас не интересуют абсолютные значения омического сопротивления, важен порядок цифр. Две - три тысячные доли Ома составляют очень незначительную величину по отношению к активному сопротивлению, имеющему величину 100 Ом. Поэтому говорить о серьезных тепловых потерях не приходится.

Смотрим, что ещё пишет Гончаренко:


Это как раз наш случай, антенна питается в пучности тока, а сопротивление потерь очень невелико. Таким образом, в исследуемой антенне, измеренное значение активного сопротивления практически равно сопротивлению излучения антенны.

Вывод: "Лучевая часть антенны не только придает антенне особые, отличные от "magnetic loop" свойства, в виде параллельного резонанса, но и попросту значительно увеличивает КПД её"

Кроме того, обнаружился очень полезный эффект от применения лучевой части. Он заключается в том, что максимум напряжения, приходящийся у "magnetic loop" на пластины настроечного конденсатора, в случае применения лучей приходится на их концы. Это значительно снижает требования к электрической прочности настроечного конденсатора.


3. О внутреннем проводнике в антенне UA6AGW.


Антенны UA6AGW (1,2,3,4,5) в своей конструкции содержат элемент, который, судя по источникам в открытом доступе, до этого не применялся в других антеннах. Речь идет о резонансном контуре образованном внутренним проводником коаксиального кабеля, из которого выполнена излучающая рамка и конденсатором С-1.

В самом деле, проводник этот, надежно экранирован наружной оплеткой коаксиального кабеля, из которого выполнена излучающая рамка. На первый взгляд, он не может оказывать, сколь ни будь заметного, влияния на характеристики антенны. Не вдаваясь пока, в подробности участия этого проводника и образованного им контура, в формировании ЭМВ, попробуем все же оценить его полезность.

Сравнительные испытания, проведенные мной, показали, что наличие этого контура и настройка его в резонанс, заметно увеличивает уровень сигналов на прием и расширяет рабочую полосу антенны. Учитывая обратимость антенн можно ожидать такого же увеличения сигнала на передачу. Что в прочем и подтверждалось опытами. Вместе с тем, некоторые коллеги-радиолюбители, экспериментирующие с антеннами этой конструкции, оценивают влияние этого контура на работу всей антенны, как нулевое, и считают его лишней деталью. Оставим на их совести, достоверность проведенных ими сравнений и опытов, позволившим им сделать такие выводы. Попробуем разобраться, что же дает, наличие этого контура в антенне.

Для этого рассмотрим снятые с помощью антенного анализатора АА-330М характеристики антенны. Характеристики, показанные на первом графике, снимались в отсутствии С-1. Внутренняя жила рамочной части оставалась ни куда не подключенной.

Первый график уже рассматривался нами в главе посвященной лучевой части антенны, а размещен он здесь для удобства восприятия изменений характеристик антенн.


Рис 6

Второй график соответствует антенне, у которой к внутренней жиле рамочной части, подключен конденсатор ёмкостью 4,7 пФ, образующий с ней колебательный контур.


Рис 7

Кроме небольшого уменьшения резонансной частоты всей антенны, что вполне объяснимо, видно значительное увеличение активного сопротивления при подключении конденсатора С-1. Его значение приблизительно равно 175 Ом. Остальные параметры, существенных изменений, не претерпели.

Увеличение активного сопротивления антенны, которое, по сути, как мы выяснили, и определяет сопротивление излучения антенны, означает повышение КПД антенны. Сделанные нами выводы вполне совпадают с выводами Н.М. Изюмова и Д.П. Линде в книге "Основы радиотехники":

..."Отсюда следует, что к.п.д. антенны тем больше, чем больше сопротивление излучения по сравнению с сопротивлением тепловых потерь".

Но это ещё не все. Далее, эти же авторы, делают самый главный вывод:

"Чем больше сопротивление излучения, тем шире полоса пропускания антенны и менее резко изменяется ее входное сопротивление при изменении рабочей частоты передатчика. Это облегчает согласование антенны с фидером и генератором на всех частотах, на которых должна работать антенна".

Теперь становится совершенно ясно, что наличие в антенне контура образованного внутренним проводником коаксиального кабеля, из которого выполнена излучающая рамка и конденсатором С-1, совершенно необходимо, для расширения рабочей полосы и повышения КПД антенны, что полученные экспериментально результаты, вполне объяснимы с теоретической точки зрения.

В этом месте, можно закончить первую часть исследования рамочно-лучевой антенны UA6AGW.


Грачёв Александр \UA6AGW\

г. Краснодар