РОЗРАХУНОК ВЕРТИКАЛЬНОЇ ЧЕТВЕРТИХВИЛЬНОЇ АНТЕННИ
Одним з основних способів зниження перешкод телевізійному прийому з боку аматорських передавачів є застосування передаючих антен із вертикальною поляризацією. Найбільш поширена серед короткохвильовиків чвертьхвильова вертикальна антена ("Ground plane"). Ця антена складається з вертикального штиря, довжина якого зазвичай трохи менше чверті довжини робочої хвилі, що випромінюється передавачем, і противаги. Він виконується з декількох горизонтально розташованих чвертьхвильових променів, з'єднаних з оболонкою коаксіального кабелю, яким від передавача подається високочастотна енергія.
Опір випромінювання такої чвертьхвильової антени дорівнює 28-32 ом (залежно від зовнішнього діаметра металевих трубок, з яких вона побудована). Тому з'єднання антени з 50 або 75-омним коаксіальним кабелем призведе до появи в ньому стоячих хвиль і до втрати енергії. Для узгодження вертикального штиря з кабелем потрібно використовувати додаткові елементи - котушки індуктивності, конденсатори або відрізки кабелю з певними параметрами.
Нижче описується спрощений метод розрахунку антени "Ground plane" з горизонтальною противагою та узгоджуючим відрізком кабелю. Антени, побудовані за цим розрахунком, добре працюють на одному аматорському діапазоні (наприклад, 14 Мгц) і, разом з тим, цілком задовільно випромінюють і двох сусідніх діапазонах (21 і 7 Мгц).
Розрахунок наводимо на числовому прикладі для діапазону 14 МГц. З'єднання штиря з кабелем, що його живить, і узгоджуючим відрізком кабелю і позначення їх розмірів показані на рис. 1.
Для розрахунку необхідно знати діаметр металевих трубок або дроту, з яких будуть виконані штир антени та промені противаги. Припустимо, що ми збираємосьзастосувати для виготовлення антени трубки із зовнішнім діаметром 30 мм,
а противагу робитимемо з дроту діаметром 2 мм. Визначаємо коефіцієнт М, що характеризує відношення довжини віддаленого від землі напівхвильового диполя до діаметра антени. Застосовуємо формулу:
Тут: f - середня частота діапазону,
D – діаметр трубок. При f=14,2 МГц та D=30 мм отримуємо:
За коефіцієнтом М визначаємо, користуючись графіком (рис. 2), опір випромінювання чвертьхвильової антени Rізл (для резонансної частоти): Rізл = 30,8 ом.
Тепер слід обчислити справжній опір випромінювання Ry укороченої антени, яку ми будуватимемо; воно через вплив землі та противаги відрізняється від Rізл і одно:
Тут Z - хвильовий опір коаксіального кабелю, з якого виконаний фідер. У нашому прикладі візьмемо його рівним 75 ом. Тоді:
Для обчислення довжини вертикального штиря L необхідно за графіком рис. 3 визначити ще два допоміжні коефіцієнти: Кс, що характеризує зміну опору антени при зміні її довжини, і Кз, що враховує вплив противаги та земної поверхні. Отримуємо: Kc = 535, Kз = 0,97.
Графік визначення коефіцієнта До може бути використаний лише за зміни довжини антени лише на 10%. Якщо антена довша резонансної, її повний опір носить індуктивний характер, якщо коротше - ємнісний.
Довжина штиря (в мм) визначається за такою формулою:
У нас;
Для визначення довжини променів противаги Lnp, виконаних з дроту діаметром 2 мм, обчислюємо
М: M=150000/14,2*2=5280 і за графіком рис. 3 знаходимо Ky = 0,978. Тоді
Укорочена антена має, крім активного, також реактивний опір ємнісногохарактеру. Для його компенсації паралельно антені приєднаний закорочений на кінці відрізок кабелю; довжина його вибирається такою, щоб його реактивний опір мало індуктивний характер необхідної величини. Визначаємо цей індуктивний опір:
Користуючись логарифмічною лінійкою або таблицею тангенсів, знаходимо кут, тангенс якого чисельно дорівнює відношенню отриманого значення Xc до хвильового опору Zc кабелю, з якого буде виконаний узгоджувальний відрізок. При Zc=75 ом:
Xc/Z=61,5/75=0,82 та a=39,4°
Довжина закороченого відрізка дорівнює:
У цій формулі b - коефіцієнт, що характеризує швидкість розповсюдження енергії кабелем. Для поширених кабелів із суцільним наповненням (РК-1, РК-3) b =0,67.
Описаний вище розрахунок враховує, що промені противаги розташовані горизонтально; однак і при похилому їх розташуванні (під кутом 30-40 ° до землі) неузгодженість буває незначною.
Коефіцієнт стоячої хвилі (КСВ) у фідер можна виміряти, зібравши нескладний покажчик КСВ мостового типу, схема якого показана на рис. 4. Тут опори R1, R2, R3 та опір випромінювання антени утворюють міст. В одну з його діагоналей подається енергія високої частоти передавача
(Роз'єм Пер). У другій діагоналі включено діод Д1 типу Д2Е.
Опір R4 служить зменшення вихідного опору джерела енергії (передавача). Дросель (Др1) замикає ланцюг постійної складової випрямленого струму; він необхідний у разі, якщо ланцюг антени немає гальванічної провідності.
При балансі моста стрілка не відхиляється. Розузгодження антени та кабелю викликає появу стоячих волі, що відзначається відхиленням стрілки. Порядок виміру КСВ наступний:
1.Налаштовують передавач з антеною при повній потужності, що випромінюється.
2. Зменшують потужність до нуля, замикаючи, наприклад, одну з ламп попередніх каскадів негативним зміщенням і від'єднують антену.
3. З'єднують відрізком кабелю вхід передавача та роз'єм Пер. на покажчику ксв.
4. Поступово, дуже плавно, щоб не спалити опір R4, збільшують потужність енергії, що подається в покажчик ксв, доти, доки стрілка приладу не відхилиться до кінця шкали.
5. Для перевірки балансу моста тимчасово приєднують до роз'єму Ант опір 75 ом; стрілка міліамперметра повинна стати на нуль.
6. Увімкнувши Ант. коаксіальний кабель, що живить антену, відзначають за шкалою струм і визначають ксв по кривій, зображеної на рис. 5.
Якщо фідер антени не вносить істотних втрат, наприклад, він виконаний з кабелю РК-1 або РК-3 і має довжину не більше 15-20 м, то ксв 2 і навіть 2,5 цілком допустимо. Загальні втрати (сума втрат у фідері та втрат за рахунок неузгодженості) у цьому випадку не перевищать 0,5 дБ. Таке зменшення потужності на приймальні станції на слух не буде відзначено. Помітне падіння гучності прийому (на 1-2 бали) може спостерігатися лише за ксв порядку 5-8.
У тому випадку, якщо побудована антена має надмірний ксв або її розміри вибрані більшими або меншими, ніж слід, необхідно, користуючись покажчиком ксв, налаштувати антену досвідченим шляхом. Антена більшої, ніж потрібно, довжини може бути електрично укорочена конденсатором, послідовно включеним з вертикальною частиною (рис. 6,а). Занадто коротку антену можна електрично подовжити, додавши до неї індуктивність (рис. 6, б). І тут налаштування антени ведуть поперемінно, підбираючи положення обох щипків на котушці. Тут частина котушки між щипками 1 та 2використовується для подовження вертикальної частини антени, а нижня частина (2-3) замінює узгоджуючий укорочений відрізок кабелю (рис. 1).
На закінчення відзначимо, що на антені описаного типу накопичуються заряди статичної електрики, особливо за близької грози. Тому рекомендується застосовувати антени із закороченими відрізками кабелю (рис. 1) або шунтуючої кабель індуктивністю (рис. 6 б) і надійно заземлювати оболонку кабелю.