Антенны из коаксиального кабеля

Антенны из коаксиального кабеля

Практические конструкции радиолюбительских антенн


Коаксиальный кабель используется для передачи радиочастотных электрических сигналов. Радиолюбителями применяется для питания антенн, но можно построить и сами антенны из этого кабеля. Так даже небольшие куски, длиной от 2 до 5 метров, пойдут в дело, кстати их можно недорого купить на разного рода "развалах", да и в радиолюбительском хозяйстве найдутся невостребованными такие обрезки, потому что для питания антенн они слишком коротки, а если скручивать их и потом пытаться использовать как "цельный" кабель, то по крайней мере это будет совсем нецелесообразно.

Коаксиальный кабель, по сравнению с медным проводом такой же толщины, который также широко используется радиолюбителями в антенностроении, имеет преимущества. Кабель по цене будет дешевле медного провода, он легче, и, что конечно очень важно, обладает достаточной механической прочностью для построения антенн.

 

Экранирующую оплётку кабеля можно паять паяльником небольшой мощности (для антенных, зачастую уличных работ - это важно), а внешняя оболочка коаксиального кабеля обеспечивает его многолетнюю работу в условиях атмосферных воздействий, так как она для этого специально была разработана.

 

ДИПОЛЬНАЯ КОАКСИАЛЬНАЯ АНТЕННА

 

Антенна, показанная на рисунке 1, является симметричной антенной независимо от её подвеса — вертикального или горизонтального. Оптимальным вариантом питания такой антенны будет питание её через симметрирующее устройство, которое можно сделать из такого же коаксиального кабеля, как и сама антенна.

 

 

Наиболее простая антенна из коаксиального кабеля - это обычный вертикальный или горизонтальный диполь (рис.1).

 

Для питания этой антенны подойдёт коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом.

 

В табл. 1 приведены значения длин плеч диполя для диапазонов от 2 до 20 метров.

 

Вследствие относительно большой толщины антенна обладает достаточно большой широкополосностью в этих диапазонах.

 

Поэтому, при точном соблюдении размеров, указанных в табл. 1. антенна настройки не требует.


Конструкция простого симметрирующего устройства показана на рисунке 2, а в таблице 2 приведены данные его длин для работы в диапазонах от 2 до 20 метров.

 

Длины отрезков кабеля симметрирующего устройства указаны для коаксиального кабеля с полиэтиленовым заполнением и коэффициентом укорочения, равным 0,66. Такое симметрирующее устройство подойдёт и для питания дипольных антенн сделанных из обычного провода.

 

РЕЗОНАТОРНАЯ ДИПОЛЬНАЯ АНТЕННА

 

Более эффективную резонаторную антенну из коаксиального кабеля можно построить согласно рисунку 3. Эта антенна представляет собой вариант обыкновенного петлевого диполя сделанного из коаксиального кабеля.

 

Первые упоминания о такой антенне появились в литературе ещё в 50-х годах, очевидно к тому времени можно отнести и изобретение этой антенны. Как и для многих других антенн, имя её изобретателя точно указать не представляется возможным, очевидно, с распространением коаксиального кабеля такая антенна была изобретена практически одновременно и независимо в разных странах.

 

Резонаторная антенна иногда используется как составная часть некоторых сложных антенн СВЧ-диапазона. Эта дипольная антенна работает как обычный классический петлевой диполь. Длина плеч антенны "С" составляет четверть длины волны. Длина плеч антенны "А" составляет четверть длины волны в коаксиальном кабеле. Отрезки "В", выполненные из короткозамкнутых отрезков коаксиального кабеля, удлиняют плечи антенны "А" до четвертьволновой длины. Отрезки "В" могут быть сделаны из отрезков медного провода.

 

Полоса пропускания антенны ограничена с одной стороны полосой пропускания диполя образованного частью "С", а с другой стороны полосой пропускания четвертьволнового резонатора "А". Однако, резонаторный диполь имеет работоспособность в полосе частот любительских УКВ и KB диапазонов. Теоретически входное сопротивление резонаторного диполя равно волновому сопротивлению коаксиального кабеля, из которого он сделан. Вот это и позволяет использовать для его питания такой же коаксиальный кабель, как и тот из которого сделана антенна, что еще более увеличивает её универсальность.

 

Резонаторная антенна является симметричной, и для её питания целесообразно использовать симметрирующее устройство, показанное на рисунке 2. Размеры резонаторной дипольной антенны для работы в диапазонах от 2 до 20 метров приведены в таблице 3.

 

НЕСИММЕТРИЧНЫЕ ВЕРТИКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ ИЗ КОАКСИАЛЬНОГО КАБЕЛЯ

 

Несимметричная вертикальная антенна отличается от симметричной тем, что одно её плечо или часть выполнено отличным образом от другой части, или тем, что на одну из её частей влияние посторонних предметов будет гораздо больше, чем на другую.

 

Наиболее простая конструкция несимметричной антенны из коаксиального кабеля показана на рис. 4. Здесь вертикальная часть антенны с помощью капроновой веревки может быть подвешена вертикально между двумя опорами — деревьями, мачтами других антенн (рис. 4А), или подвешена наклонно с помощью капронового шнура к одной из опор (рис. 4Б). Противовес штырьевой антенны, сделанной из коаксиального кабеля, может находиться в непосредственной близости от земли. Для вертикальной антенны противовес целесообразно выполнить как показано на рисунке 5.

 

В данном случае он сделан из четвертьволнового изолятора-резонатора "А", который удлинен до резонансной частоты, необходимой для работы противовеса, отрезком "В". Отрезок "В" можно сделать как из коаксиального кабеля, так и из медного провода. Длины частей "А" и "В" приведены в табл. 4. Таблица с учетом использования коаксиального кабеля с коэффициентом укорочения 0,66.

 

Вертикальная антенна из коаксиального кабеля, с четвертьволновым резонатором в противовесе, обладает преимущества перед вертикальной антенной с обычными противовесами. Полотно всей антенны получается электрически замкнуто, что делает её работу безопасной во время грозы, четвертьволновый резонатор имеет малое сопротивление для нерезонансных частот, а это обеспечивает дополнительную частотную селекцию при приеме и фильтрацию гармоник в антенной системе при передаче.

 

Вертикальная антенна из коаксиального кабеля, с одним противовесом, расположенным под углом 90° к штырю имеет сопротивление, близкое к 40 Ом, для изготовления и питания этой антенны подходит кабель с волновым сопротивлением 50 Ом.

 

Если для питания антенны используется 75-омный коаксиальный кабель, можно согласовать антенну при помощи укорачивающего конденсатора.

 

ПРОСТАЯ НЕСИММЕТРИЧНАЯ АНТЕННА

 

Из коаксиального кабеля можно сделать очень простую несимметричную антенну. Впервые в радиолюбительской литературе она была описана W6SA1 в 1956 году. Эта антенна получила название - антенна "Slim cobra". Её различные модификации время от времени появляются в радиолюбительской литературе.

 

Это чисто радиолюбительская антенна, так как при обзоре достаточно многих источников, не попадались упоминания о её использовании в профессиональной связи.

На рис. 7 показана классическая антенна W6SA1. Она полностью сделана из коаксиального кабеля, на длине кабеля 0,24 длины волны снят экран. Это излучающая часть антенны. На расстоянии 0,27 длины волны от излучающей части на экране выполнен высокочастотный дроссель из 5-7 ферритовых колец. Кольца можно закрепить на кабеле при помощи изоляционной ленты. Проницаемость феррита колец некритична. Этот дроссель может обеспечить работу антенны при подводимых к ней мощностях 100 - 200 Вт. Больший уровень мощности на нижних KB диапазонах, и меньший уровень на верхних. При превышении указанной мощности ферритовые кольца могут перегреться и рассыпаться.

 

Если все же предполагается работать на больших мощностях, дроссель целесообразно выполнить бескаркасным, намотав 10-20 витков этого же коаксиального кабеля на оправку диаметром 30-60 мм. Но, конечно, такой дроссель более громоздок, чем на ферритовых кольцах.

 

 

В однопроводной кабельной антенне длина излучающей части с учетом коэффициента укорочения, равна длине излучающей части классической вертикальной антенны, длина "земли" однопроводной кабельной антенны немного больше длины классического противовеса.

 

Это связано с тем, что при протекании земляных токов отсутствует коэффициент укорочения, который имеет место в дипольных и несимметричных вертикальных антеннах.

 

На практике опытным путем выведено, что минимальный КСВ антенны, сделанной из 50-омного кабеля, будет при расположении дросселя на расстоянии 0,27 длины волны.

 

 

Антенна может работать в полевых условиях, её можно легко установить в качестве вспомогательной антенны, просто "бросив" из окна верхнего этажа на дерево, или другой дом, при этом антенна не нуждается в настройке.

 

 

В таблице 5 приведены размеры антенн для работы в диапазонах от 2 до 40 метров.


 

КОАКСИАЛЬНЫЕ ВЕРТИКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ

 

Основное преимущество антенн коаксиального типа - это расширенная полоса частот, образованная отвесно расположенным коаксиальным кабелем с произвольным волновым сопротивлением. Нижний конец центральной жилы кабеля соединен с системой заземления, а верхний конец центральной жилы припаян к оплетке кабеля.

 

 

Схема коаксиальной вертикальной антенны 

(Rv - сумма сопротивлений потерь)

 

Длина кабеля (излучателя) рассчитывается из расчета 1/4λ умноженная на величину коэффициента укорочения кабеля (обычно этот показатель равен 0,66).

L1 = 1/4λ x Vk

 

Таким образом, получается коаксиальная замкнутая четвертьволновая линия, действующая как параллельный резонансный контур. Радиоволны излучаются только экраном кабеля, но вследствие малого отношения l/d его коэффициент укорочения близок к 0,95, и потому он слишком короток для четвертьволнового резонанса.

 

Чтобы получить четвертьволновый Groundplane, требуется длину L1 нарастить отрезком L2 до резонансной длины в 1/4λ.

 

Например:

 

Используется коаксиальный кабель с коэффициентом укорочения Vk = 0,66. Геометрическая четверть длины волны L1=0,25λ х 0,66 = 0,165λ.

 

Если для экрана кабеля принять с учетом его отношения l/d коэффициент укорочения V=0,95, то нормальная длина составит L1 + L2 = 0,25λ х 0,95 = 0,2376λ, а длина отрезка L2 = 0,2376λ — 0,165λ = 0,0725λ.

 

При резонансе встроенный четвертьволновый шлейф не работает из-за очень высокого входного сопротивления (параллельный резонансный контур). Если повысить частоту передатчика, то отрезок L1 + L2 окажется слишком длинным — иначе говоря, на нем появится индуктивная реактивная составляющая. Одновременно станет чрезмерно длинной и короткозамкнутая четвертьволновая коаксиальная линия (шлейф). Линия, превосходящая четверть длины волны, оказывает емкостное действие, и в результате индуктивная составляющая отрезка излучателя и емкостная реактивность четвертьволнового шлейфа взаимно компенсируются, а сопротивление излучению возрастает.

 

С понижением частоты передатчика происходит обратное: отрезок излучателя становится емкостным, а шлейф — индуктивным, что также приводит к взаимной компенсации реактивных составляющих.

 

Благодаря такой способности четвертьволновой линии частотная полоса антенны расширяется. Сверху её ограничивают нежелательные изменения диаграммы направленности, а снизу — резкое падение сопротивления излучения.

 

Благодаря подобной широкополосности длину элементов антенны не обязательно точно выдерживать. Для повышения КПД необходимо очень хорошая система заземления.

 

DL2FA подробно описал коаксиальные антенны данного типа.

 

Если коэффициент укорочения коаксиального кабеля равен 0,66, то его геометрическая длина составит 0,25λ х 0,66 = 0,165λ; это длина излучателя, поскольку никакие способы удлинения этого элемента не применялись. Сопротивление излучения этого варианта антенны приблизительно равно 13 Ом. Для достижения высокого КПД антенны сопротивление потерь должно быть тем ниже, чем меньше сопротивление излучения.

 

Более благоприятные условия создает применение коаксиального кабеля с полувоздушным диэлектриком и коэффициентом укорочения равным 0,82. Тогда длина кабеля L1 = 0,25λ х 0,82 = 0,205λ, с величиной сопротивления уже равной 20 Ом.

Благодаря действию коаксиального четвертьволнового шлейфа входное сопротивление остается активным в широкой области частот, а его величина изменяется вместе с сопротивлением излучения.

 

С помощью омега-согласующего звена осуществляется согласование с волновым сопротивлением практически любого кабеля.

Типы вертикальных коаксиальных антенн:

 

а) - укороченная Grondplane;

б) - полноразмерная Grondplane;

в) - сильно укороченная Grondplane, с удлиняющей катушкой L и концевой ёмкостью CD

 

Коаксиальные антенны можно применять как многодиапазонные. В этом случае следует помнить об изменениях вертикальной диаграммы направленности с переходом от одного диапазона к другому и сопротивления излучения, а также о необходимости подстройки омега-образного звена при переключении диапазонов.

 

Коаксиальный кабель излучателя нуждается в искусственной или естественной опоре. Идеальным решением была бы изоляционная труба с коаксиальным кабелем внутри. Иногда можно протянуть кабель между двумя высоко расположенными опорными точками (например, на деревьях).

Из разных источников

См. также  Антенны КВ