СИММЕТРИЧНЫЙ ПОЛУВОЛНОВОЙ ВИБРАТОР

ВЛАДИМИР ПРИХОДЬКО (EW8AU), г. Гомель, БеларусьSeptember 29, 2023

Прежде чем браться за постройку сложной антенны, желательно изготовить простой полуволновой вибратор, в процессе работы над которым  можно  разобраться в способах  согласования   и  настройки.  В  дальнейшем,   при разработке сложных антенн, эта пригодится как образцовая для оценки усиления новой антенны.
    Полуволновой   вибратор    относится    к простым     антеннам,     имеет     диаграмму направленности  в форме восьмерки  и  входное сопротивление  60...70 Ом - в зависимости  от диаметра   проводника  вибратора   и   высоты
подвеса.  Производить  расчет  длины  полуволнового    диполя   с   учетом    коэффициента укорочения,  зависящего  от  отношения  длины
волны   к   диаметру  провода  вибратора,   в диапазоне коротких волн не имеет смысла,  так как   значительное   влияние   на   параметры
вибратора    оказывает    высота     подвеса, окружающие предметы (дома, деревья) и  т.  д.
 Практика   показывает,  что   антенну   нужно настраивать    на   месте    ее    постоянной эксплуатации,   поэтому  длина  полуволнового вибратора  берется  равной  0,5Х.  На  концах вибратора должны быть предусмотрены  элементы
коррекции   длины  проводников.   Оптимальная высота  подвеса  антенны над землей  -  0,5λ.
 Влияние   земли   можно  заменить   действием мнимого  вибратора, расположенного по  другую сторону   экрана  -  зеркально   относительно
действительного   вибратора.   Причем    фаза возбуждения    мнимого   вибратора     будет отличаться  от фазы возбуждения реального  на 180 градусов.  Таким  образом, вибратор над  экраном можно рассматривать как антенную систему,  со держащую   два   вибратора,  разнесенных   на чрасстояние  1λ  и возбужденных  противофазно. Угол излучения такой системы - 30 градусов.
    На   самом  деле  землю  нельзя   считать идеальным  экраном, в связи с этим  амплитуда отраженной  волны меньше амплитуды  падающей. Поэтому  амплитуда  результирующей  волны  не достигает своего максимального значения.
    Незначительное  изменение  длины   диполя или  частоты в первую очередь сказывается  на изменении       реактивной       составляющей сопротивления вибратора и лишь во вторую — на изменении активной составляющей ZA.
    Реальный     диполь     имеет     входное сопротивление  меньше 73 Ома,  а для  питания антенн    применяется   кабель   с   волновым сопротивлением  75 Ом,  поэтому   необходимо согласование   их  сопротивлений.   Небольшое увеличение  длины  диполя  повышает   входное сопротивление антенны, но при этом появляется реактивная  составляющая,  которую  необходимо компенсировать.
    Для   правильной  настройки   антенны   и получения минимального КСВ обязательно  нужен симметрирующий  мостик  (рис.   1),   который изготавливается из коаксиального кабеля.  Два отрезка  кабеля  длиной 0.246λ  располагаются параллельно друг другу на расстоянии  20...30 мм.   Уменьшение  этого  расстояния  улучшает симметрирование, но приводит к росту потерь в
диэлектрических  защитных  оболочках  кабеля. Очень  важно сохранить постоянство расстояния между  кабелями. Направляющие распорки должны
быть   из   хорошего  диэлектрика,  например, оргстекла  или  фторопласта. Кабель   должен заходить в отверстие направляющих пластинок с натягом, тогда распорки хорошо  держатся  на кабеле,  не сползая вниз, без дополнительного крепежа.     Симметрирующий     трансформатор желательно изготовить из светлых по цвету  кабелей.

Рисунок 1. Симметрирующий мостик

В симметрирующем трансформаторе ток протекает по наружной оплетке кабеля (в одном из плеч — и по внутренней жиле), поэтому, естественно, интенсивно работает внешняя оболочка, и существуют потери в диэлектрике.

Кабель  со  светлым полиэтиленовым  покрытием будет  иметь  меньшие потери  в  диэлектрике, особенно на высоких частотах.
    В  УКВ-диапазоне мостик изготавливают  из медных или алюминиевых трубок.
    В  нижней  части симметрирующего мостика, где  оплетки спаиваются между собой,  следует обратить внимание на наличие хорошего  контакта.  Кроме  того, желательно в одно  из  плеч внизу    поставить   кабельный   коаксиальный разъем.
    При  пайке  ни в коем случае  не  следует применять  активный флюс -  он  проникает  по оплетке  глубоко под оболочку и  со  временем разрушает наружную оплетку кабеля. Место  пайки  промывают спиртом и покрывают  нитролаком или  клеем  БФ-2. После этого  можно  сделать бандаж клейкой полихлорвиниловой лентой.
    К     активным    (агрессивным)    средам относятся и эпоксидные смолы. Перед  заливкой эпоксидной     смолой    медных,     латунных проводников  или  деталей, последние  следует предварительно покрыть тонким слоем нитролака
или    клея    БФ-2.   Чтобы   убедиться    в агрессивности  эпоксидной смолы  или  какого-либо  клея, попробуйте нанести их  на  старый кусочек фольгированного стеклотекстолита.  Вы увидите, что фольга под эпоксидкой очистится, изменив  свой цвет, как будто вы  капнули  на медь  кислоту. Дело усугубляется еще  и  тем, что смолу, как правило,разводят"на глазок", и
передозировка  отвердителя  ускоряет  процесс окисления.   Если  смола  прозрачная,   через несколько месяцев вы увидите, что желтый цвет
изменился на зеленый.
    К  агрессивным относятся и некоторые виды изоленты. Например, черная лента на  тканевой основе  способна  разрушить  даже  эмаль   на медном проводе. Из доступных материалов можно использовать клей БФ-2, который  неактивен  и имеет   малые  потери  даже  на  сверхвысоких
частотах.
    Перед   распайкой  коаксиального   кабеля обязательно  его  проверьте.  Вначале  просто внимательно осмотрите по всей длине -  кабель должен  быть  ровным,  не  иметь  вздутий  по диаметру  и механических повреждений защитной оболочки.  Затем  следует  проверить  кабель, подключив  к  нему согласованную  нагрузку  и измеряя   КСВ.   Необходимо   провести    два
измерения, поменяв местами условные начало  и конец   кабеля.  При  большой  длине  скрытый дефект,    заключающийся   в   неоднородности оплетки или диэлектрика (при условии, что эта неоднородность  находится не  в  середине,  а
недалеко   от   какого-нибудь   конца),   при измерении   КСВ  с  разных  сторон  позволяет выявить дефект кабеля.
    Итак,    проверив   кабель    и    запаяв симметрирующий   мостик,  устанавливаем    и закрепляем антенну в том месте, где она будет находиться при постоянной эксплуатации.     
    Далее  приступаем к проведению измерений. К трансиверу очень коротким кабелем (не более 10  см), или, используя короткий коаксиальный переход,  подключаем КСВ-метр, выход которого соединен  с согласованной нагрузкой. Настроив трансивер  на  нужный диапазон и  манипулируя элементами П-контура, устанавливаем КСВ=1 или близкий    к    этому   значению.   Настройку
производим  в  середине диапазона.  Измерения следует проводить на мощности 0,5 от номинальной.  Выключив  трансивер, подключаем  к  его выходу коаксильный кабель, а на другой  конец кабеля  -  согласованную  нагрузку.  Еще  раз измеряем  КСВ. Допустим, что КСВ=1. При  дальнейших   измерениях  ни  в  коем  случае   не изменяем  настройку  П-контура  -  ведь  была проведена  калибровка  выхода  трансивера   с нагрузкой,   поэтому  далее   при   настройке
антенны  по диапазону перестраивается  только трансивер.   На  следующем  этапе   отключаем нагрузку  и  подключаем антенну.  Теперь  все измерения   и  настройку  желательно   делать вдвоем,  имея  переносные  радиостанции,   на
пример, на 27 МГц.
    Включив  трансивер,перестраиваем  его  по всему  диапазону,  следя за показаниями  КСВ-метра.  Отмечаем  место  на  диапазоне,   где значение  КСВ минимально, например, в  начале или  в  конце  диапазона (допустим,  что  КСВ
изменяется от 4 до 2,5 - конкретное  значение КСВ   для  нас  сейчас  не  имеет  значения).
 Определяем, что требуется сделать  с  диполем dk  его  настройки.  Если  КСВ  минимален   в начале   диапазона,   следовательно,   диполь необходимо   укоротить.  Если   минимум   КСВ находится   в  конце  диапазона  -  требуется
удлинение   диполя.   Устанавливаем   частоту трансивера  на середину диапазона и  проводим коррекцию   размеров  диполя  по  наименьшему
значению  КСВ.  Концы  диполя  предварительно необходимо разметить какой-нибудь контрастной краской,  чтобы операция укорочения/удлинения проходила симметрично. Риски на концах диполя следует нанести с шагом 1 см (примерно по  20 рисок с каждой стороны).
    Итак,  мы  получили какое-то  минимальное значение  КСВ в середине диапазона, например, 1,5. Теперь переходим к настройке симметрирую
щего    мостика.   Можно   рассчитать   длину симметрирующего мостика с учетом коэффициента укорочения, но практически все равно придется
подстраивать длину мостика перемычкой,  чтобы компенсировать    реактивную     составляющую полуволнового вибратора. Поэтому сразу  можно отмерить кабель длиной 0.246λ, и удалить  его защитную   полиэтиленовую   оболочку    внизу мостика примерно на 250 мм. Двигая перемычку, добиваемся  минимального значения КСВ.  Путем подстройки  мостика  можно  добиться  КСВ=1,1 (вполне приемлемое значение).     Если  мы  хотим улучшить КСВ,  необходимо вновь   попробовать  удлинить  или  укоротить концы    диполя.   Только   теперь   операция удлинения/укорочения      диполя       должна
происходить с меньшим шагом, например,  по  5 мм.  После корректировки размеров диполя  еще раз  уточняется длина мостика. При  настройке
мостика   можно   не   снимать   изоляционное покрытие  кабеля. Сначала пробуем укорачивать мостик  при помощи самодельного конденсатора.
Берем тонкую пластинку фольги (медь, алюминий или  белую  жесть), достаточно  мягкой  и  не пружинящей,   размерами   100x100    мм,    и
накладываем  ее  внизу  симметрично  на   два кабеля  симметрирующего мостика.  Выступающие края пластинки слева и справа оборачиваем вок
руг   левого  и  правого  кабеля.  Получилась широкая  подвижная перемычка, которая замкнет (по   переменному  току)  нашу  двухпроводную линию. Перемещая ее вверх-вниз по мостику, мы увеличиваем   или   уменьшаем   его    длину, настраивая   его  в  резонанс  и  компенсируя реактивность   диполя.   Найдя    оптимальное положение,  после настройки  следует  надежно
закрепить  края пластинки на кабеле,  наложивбандаж.
    Практически    реализовать    КСВ=1    не составляет труда, но следует сделать оговорку - прибор,  которым  мы  проводим  измерения, строго говоря, не является прибором, если  он самодельный  и/или  не  аттестован.  В  таком
случае   правильнее   называть   используемый ophanp  индикатором.  Вообще  говоря,   любое соединение кабелей и сращивание их при помощи коаксиальных разъемов вносит неоднородности в тракт   передачи.  Кроме  того, коаксиальный кабель  также  имеет разброс волнового  сопро
тивления по длине.
    Не  следует  забывать,  что  чем  длиннее кабель,  тем лучше КСВ из-за потерь в кабеле. Естественно,  здесь  мы  подразумеваем  малые значения КСВ. 
    В    нашем    примере   мы    осуществили нерезонансный  способ питания  антенны,  и  в линии  передачи  присутствует только  бегущая волна.    Но   так   как   антенна   обладает резонансными свойствами, КСВ=1 будет только в
середине  диапазона,  т.е.  там,  где  мы  ее настраивали.  Переместившись  по  частоте   в начало  или  в  конец  диапазона,  мы  увидим ухудшение   КСВ.  Как  было  описано   ранее, незначительное  изменение  длины  диполя  или частоты  в  первую  очередь  сказывается   на изменении реактивной составляющей.
    Переместившись  по  частоте,   мы   можем подстроить П-контур передатчика и в небольших пределах  изменить КСВ. Таким образом,  можно
сделать  вывод,  что  равномерность  КСВ   по диапазону   зависит  от  полосы   пропускания антенны.
    В  заключение приводим интересное решение проблемы т.н. вращающегося перехода. Чтобы не устанавливать      концевые      выключатели, ограничивающие  поворот  антенны,  можно  применить   самодельный   вращающийся   переход.
 Единственный  его  недостаток  заключается  в применимости только в трехэлементной  антенне волновой  канал,  так  как  активный  элемент
такой   антенны  находится  в  геометрическом центре  конструкции. При  питании  антенны  с помощью гамма-трансформатора, для компенсации
индуктивности  к  центральной   жиле   кабеля подключается    переменная   емкость.    Если конструктивно    изменить    эту     емкость, получается хороший вращающийся переход  (рис. 2). 

                                                                  Рисунок 2.
Статорная пластина представляет собой круг с отверстием в середине, который крепится через изолятор к подшипнику мачты. К этой пластине припаивается центральный проводник фидера. Круг с одной стороны разрезан с зазором около 4 мм, чтобы исключить короткозамкнутый виток. Ротор состоит из двух секторов. Две пластины ротора выбраны не случайно - при повороте антенны возможны перекосы в плоскости вращения. В нашем случае перекос ротора относительно статора не влечет за собой изменение емкости конденсатора. Так как емкость имеет небольшие значения (например, для диапазона 14 МГц она составляет 150 пФ), конденсатор получается небольших размеров.

Регулировка      емкости     производится вращение ротора от оси влево или  вправо. Зазор  между  пластинами -  около  12  мм,  в нижней  пластине ротора нужно просверлить  не сколько  отверстий  или  наклонить   ее   под
небольшим  углом  для  стока  воды,  чтобы  в зимнее время не образовывался лед. Сверху  на роторную  пластину  можно  прикрепить  легкий диск  из  диэлектрика, например,  из  тонкого оргстекла.  Гладкая поверхность  оргстекла  и плохая   теплопроводность   предохраняет   от налипания снега.