Электродинамика - это очень просто!

Новости

Бюллетень Си-Би №2 Февраль 1999 г

Автор Владимир "Обруч"

Уже стало традицией в начале каждого разговори вспоминать самое главное, о чем мы смогли договориться в прошлый раз.

Итак, мы уже знаем, что это за антенна - разрезной полуволновый вибратор (или, попросту, диполь). Мы знаем, что он излучает благодаря текущему по нему переменному току. Знаем, что на резонансной частоте его сопротивление всегда около 60-73 ом, независимо от размеров. И еще мы знаем, что добротность тонкого диполя выше, чем толстого, но это ничуть не отражается на эффективности: излучение тонкого и толстого диполей совершенно одинаково, но полоса пропускания у тонкого диполя уже. Вот как много мы уже успели понять с помощью, в общем-то, достаточно простых рассуждений. И теперь попробуем пойти дальше.

Давайте поговорим о нескольких антеннах, которые внешне не очень похожи на обычный диполь, но внутренне мало от него отличаются. Таких антенн три. Это знаменитая антенна GP-1/4, которую ласково называют - кто «четвертушкой», кто –«четвертинкой», а кто и просто – «гепешкой», и которая славится своей неприхотливостью. Затем идет гораздо менее популярный, но ничуть не уступающий «четвертушке» по своим параметрам петлевой вибратор, или вибратор Пистолькорса. И, наконец, очень популярная в CB-диапазоне антенна GP-1/2, или, попросту, «половинка».

Итак, что такое антенна GP-1/4 ? Конструкцию, наверное, все хорошо знают: вверх идет четвертьволновый штырь, вниз - несколько таких же штырей-противовесов. В точке крепления эти противовесы соединены вместе, и это есть одна точка подключения питания, а штырь - изолирован, и его основание - это вторая точка подключения питания. Так что от обычного диполя эта антенна отличается лишь тем, что один из дипольных лучей, в данном случае - нижний, состоит из нескольких стержней, соединенных эдакой «растопыркой». На характиристики излучения это практически не влияет, и вся разница - только во входном сопротивлении. Если стержни, которые составляют нижнюю половину вибратора, свести вместе, то вся конструкция приблизится к обычному диполю, и ее входное сопротивление будет лежать в тех же пределах - 60-73 ом. Если эти стержни «растопырить» сильней, то сопротивление уменьшится, и в какой-то момент составит ровно 50 ом. Именно в таком положении эти стержни обычно и зафиксированы.

Таким образом, от классического диполя антенна GP-l/4 отличается лишь конструкцией и немного меньшим входным сопротивлением. От всех прочих штыревых антенн, популярных в CB-диапазоне, эта антенна отличается большой полосой пропускания и, следовательно, легкостью настройки. Ее можно вообще не настраивать, достаточно просто изготовить по нужным размерам. Вот и все. Прекрасная, неприхотливая, легко настраиваемая антенна. Почему-то, причем совершенно несправедливо, считается здесь, в CB-диапазоне, как бы «антенной начинающего радиолюбителя».

Теперь рассмотрим еще одну антенну - ближайшую родственницу полуволнового диполя. Называется она – «петлевой вибратор», или вибратор Пистолькорса. Чтобы ее построить, нужно поместить на очень небольшом расстоянии, параллельно друг другу, два полуволновых вибратора и концы их попарно соединить так, чтобы образовалась вытянутая замкнутая петля. Эту вытянутую петлю можно рассматривать, как обычный вибратор, но состоящий из двух параллельных проводников. Резонансная частота у него будет такой же, как и у одиночного вибратора, а полоса частот - шире, т.к. Он явно «толще». Этот сдвоенный вибратор можно разорвать посередине и сделать из него обычный диполь, каждый луч которого состоит из двух проводников. Но мы поступим иначе - разорвем посередине только один проводник и вставим в разрыв, как и раньше, наш генератор. А рядом, для сравнения, установим одиночный диполь такой же длины и тоже с генератором. И отрегулируем все так, чтобы ток в обычном диполе был равен суммарному току в петлевом вибраторе. Излучать эти антенны будут одинаково, т.к. токи, текущие по близко расположенным проводникам петлевого вибратора, будут вести себя, как один суммарный ток. Но через наш генератор течет лишь половина этого тока, ведь мы разорвали только один проводник. Значит, чтобы генератор выдавал ту мощность, его выходное напряжение должно быть в два раза выше. А это, в свою очередь, означает, что сопротивление нагрузки стало в четыре раза больше.

Вот мы и получили, что входное сопротивление петлевого вибратора в четыре раза больше, чем у обычного разрезного, и, значит, равно примерно 300 Ом. Для нас это непривычно и, может, не совсем удобно (ведь вся наша техника - 50-омная), но, когда эта антенна была придумана, передатчики предназначались для работы на 300- и даже 600-Омную нагрузку.

Между прочим, у этой конструкции есть продолжение. Можно положить рядом не два, а, скажем три проводника, концы, как и прежде, соединить вместе и разорвать посередине только один. Тогда через генератор потечет только 1/3 полного тока, поэтому напряжение будет в три, а сопротивление - в девять раз больше обычного. И такие конструкции тоже иногда используются.

Итак, мы теперь знаем, как работает петлевой вибратор. Осталось понять, чем же он лучше обычного разрезного? Ясно, что по сравнению с одиночным вибратором, сделанным из того же материала, петлевой имеет большую полосу пропускания (его эффективная толщина больше). Это, конечно, «плюс». Но, если изготовить лучи обычного вибратора двойными, то полосы пропускания будут одинаковы, расход материала - тоже. Правда, одно преимущество петлевого вибратора остается - он менее чувствителен к наводкам от мощных низкочастотных радиостанции и, кроме того, автоматически решает проблему защиты от статического электричества, т.к. жила кабеля гальванически соединяется с оплеткой. Но за это приходится расплачиваться установкой согласующего устройства для преобразования его входного сопротивления к величине 50 - 75 ом. Обычно это устройство выполняется либо в виде трансформатора на ферритовом кольце, либо в виде дополнительного отрезка кабеля.

Напоследок хотелось бы поговорить о штыревой антенне GP-l/2, или «половинке». В принципе, эта антенна есть самый обычный неразрезной полуволновый вибратор, с которого мы начинали все наши рассуждения. Единственное отличие - в способе подвода энергии к этому вибратору. Здесь генератор подключается не в разрыв полотна, как раньше, а к одному из его концов. Второй вывод генератора заземляется или присоединяется к любому противовесу, например - к мачте. При резонансе напряжения на концах вибратора очень велики, поэтому наш генератор должен быть рассчитан на высокое напряжение и малый ток, т.е. для работы на очень высокоомную нагрузку. Но у нас вся техника - 50-Омная, поэтому в непосредственной близости от питаемого конца вибратора приходится устанавливать повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого уже непосредственно подключается к вибратору и к противовесу. Если этот трансформатор действительно правильно выполнен и не вносит никакого реактивного сопротивления, то такая антенна будет работать так же, как и классический диполь или, скажем, антенна GP-l/4, с такой же широкой полосой пропускания. И такие антенны действительно встречаются, правда, очень редко - их изготавливают своими руками радиолюбители. К сожалению то, что можно купить в магазине, устроено гораздо проще и хуже. В такой «фирменной» антенне вместо широкополосного согласующего трансформатора установлена обычная катушка с отводом. И эта катушка очень сильно шунтирует нашу антенну: ее индуктивное сопротивление существенно меньше высокого входного сопротивления вибратора. И эту «вредную» индуктивность приходится компенсировать во-первых, паразитной емкостью между нижним концом вибратора и мачтой, и, во-вторых, само полотно приходится настраивать не точно в резонанс, а так, чтобы у него на входе тоже появилась реактивная составляющая. И задача конструктора состоит в том, чтобы все эти реактивности друг друга взаимно уничтожили, а входное сопротивление всей системы при этом оказалось равно 50 Омам.

Таким образом, при настройке антенны GP-l/2 мы настраиваем в резонанс не само полотно антенны (как в предыдущих случаях), а весь комплекс одновременно; полотно+катушка+паразитные емкости. В принципе, ничего страшного в этом нет. На частоте резонанса эта антенна работает замечательно, но вот ширина этого резонанса у нее получается примерно вдвое уже, чем у антенны GP-l/4 или такой же «половинки», но с широкополосным трансформатором. Правда, для работы в CB-диапазоне и этой ширины вполне достаточно.

Вот мы и познакомились с несколькими простейшими антеннами - разновидностями полуволнового вибратора. Это - антенна GP-l/4, петлевой вибратор и антенна GP-l/2. Их основная особенность состоит в том, что резонирующим элементом этих антенн служит само полотно. Это свойство слегка испорчено у «половинки» ее катушкой, и полоса пропускания этой антенны уже, чем у двух других. А в остальном эти три антенны стоят друг друга, и, на мой взгляд, выбор какой-то одной из них должен производиться только из соображения удобства установки и эксплуатации.

Бюллетень Си-Би №3 Март 1999 г

Продолжение

Автор Владимир "Обруч"

Итак, мы уже знаем, кик работает полуволновый вибратор и три его разновидности - антенны GP-l/4, GP-l/2 и петлевой вибратор. Все они знамениты тем, что имеют естественный резонанс, т.е. резонирует само полотно. Но часто бывает так, что мы не имеем возможности установить такое большое сооружение - например, на портативной радиостанции или на автомобиле. Вот давайте и подумаем над тем, как нашу антенну можно укоротить.

Вы, наверное, заметили, что при рассмотрении физических основ работы полуволнового вибратора мы ни разу не произнесли слов «индуктивность», и «емкость» при том, что речь шла об электрической колебательной системе. Но, хотя мы таких слов и не произносили, тем не менее все процессы, связанные с этими понятиями, мы детально рассмотрели.

Действительно, что такое емкость? Это - способность запасать электрические заряды и вместе с этим и электрическую энергию. Индуктивность же - это способность запасать магнитную энергию. Вот и все. А теперь вспомним механизм собственных колебании в полуволновом вибраторе.

Наибольшая скорость движения электрических зарядов наблюдается в середине вибратора - значит там идет максимальный ток. А на концах вибратора тока нет вообще, т.к. зарядам там просто некуда двигаться. Зато накапливаются заряды именно вблизи концов. Вот и получается, что центральная часть вибратора играет роль индуктивности, ведь именно там, где идет максимальный ток, и запасается магнитная энергия. А концы вибратора - это емкость, накапливающая электрические заряды. Конечно, такое деление достаточно условно, и нельзя провести границу и сказать: здесь - индуктивность, а вот здесь - емкость. Но то, что середина - это преимущественно индуктивность, а концы - преимущественно емкость, вполне соответствует действительности.

Попробуем теперь немножко укоротить наш вибратор. Это можно сделать двумя способами. Самое простое - отрезать кусочки полотна вибратора у его концов. Но мы-то знаем, что концы вибратора - это емкость. Поэтому, чтобы восстановить эту емкость и, следовательно, резонансную частоту, мы можем взамен отрезанных стерженьков присоединить, скажем, металлические шарики или метелочки. И таким образом можно действительно восстановить резонансную частоту слегка укороченной антенны. Но ведь можно процесс укорочения вибратора представить и по-другому: мы вырезаем кусок полотна из середины, а оставшиеся части снова состыковываем. И теперь у нас не хватает индуктивности! Но с этим бороться еще легче - достаточно вместо выброшенного куски вставить катушку нужной индуктивности, и частота, как и в первом случае, опять восстановится.

Итак, электрически удлиннить вибратор можно двумя способами: либо увеличивая емкости его концов, либо увеличивая индуктивность средней части. По многим причинам первый способ не используется, и антенны искусственно удлинняют с помощью катушек. Причем отношение размеров может достигать нескольких десятков - например, 10-сантиметровая резинка, на портативной станции настроена на ту же частоту, что и почти трехметровый штырь антенны GP-l/4. Возникает вполне естественный вопрос: а зачем нам в таком случае мучиться и устанавливать длинные антенны, если их можно заменить на удобные короткие с удлинняющими катушками? На этот вопрос вам, не задумываясь, ответит любой радиолюбитель. Он скажет, что короткая антенна всегда менее эффективная, чем длинная. И ошибется. В этом вопросе вообще много путаницы, поэтому давайте разберемся во всем по-порядку.

Вначале хотелось бы вспомнить о знаменитом принципе взаимности. Точная формулировка нам сейчас не нужна, но одно из следствии очень пригодится. Оно звучит так: если две антенны одинаково работают на передачу, то они одинаково работают и на прием. И если одна из них - лучше другой, то она будет лучше работать и на прием, и на передачу. Поэтому будем и дальше рассматривать работу наших антенн только на передачу - так нам просто удобнее.

Итак, представим себе диполь с катушками, который, для примера, в два раза короче обычного, но настроен на ту же частоту. И предположим, что и катушки, и диполь выполнены очень хорошим проводом, так что потерь на нагревание у нас нет. Вообще говоря, даже не вникая в детали, можно сделать вывод о полной эквивалентности этих двух антенн - полного диполя и укороченного. Действительно, если потерь нет, то вся подводимая энергия излучается в виде радиоволн обеими антеннами. Причем диаграммы направленности у этих антенн очень близки, т.к. хуже, чем у обычного диполя, диаграмму направленности сделать трудно. А раз эти антенны одинаково работают на передачу, то и на прием - тоже одинаково (по принципу взаимности). И это не шутка и не фокус: действительно, вдвое укороченный диполь можно сделать таким же эффективным, как и полноразмерныи. Но в чем-то ведь он должен уступать! Ну что же, будем разбираться дальше.

Давайте, как и раньше, вставим в середины обычного и укороченного вдвое диполей по генератору и отрегулируем все так, чтобы токи в ник были одинаковы. И попробуем сравнить излучения. Из электродинамики известно (тут нам опять придется просто поверить), что при одинаковой частоте и силе тока элемент тока вдвое большей длины излучает вчетверо большую мощность. И получается, что токи в полном и укороченном диполях равны, а мощности отличаются в четыре раза. Значит, напряжение на укороченном диполе тоже в четыре раза меньше, и сопротивление, соответственно, тоже. Вот вам и первое неудобство: укороченный вдвое диполь, оказывается, имеет вчетверо меньшее сопротивление по сравнению с обычным. А втрое укороченный - в девять раз меньшее. Такую низкоомную антенну не только неудобно подключать к стандартному сопротивлению станции (50 или 75 Ом), но, что самое главное, сопротивление потерь в наших катушках становится сравнимо с входным сопротивлением самого диполя. А при сильном укорочении - сопротивление потерь во много раз превышает очень низкое входное сопротивление, и практически вся энергия уходит в тепло. Вот это уже на самом деле резко снижает эффективность антенны. Так что очень короткие антенны действительно имеют низкую эффективность, но не потому, что они «слабо взаимодействуют с полем», или у них «маленькая площадь захвата», а потому, что у нас нет проводников, лучше медных (или серебряных, что почти одно и то же). И катушки поэтому имеют слишком большие омические потери. Будь сопротивление меди раз в 1000 меньше, и короткие антенны были бы гораздо эффективней. Однако вернемся к не очень сильно (всего вдвое) укороченному диполю. При таком укорочении еще можно изготовить хорошие катушки и хорошую согласующую систему и из медных проводников и добиться высокого КПД. Это вполне достижимо. Но при этом нас поджидает еще одна неприятность.

Обратимся снова к нашим двум диполям, по которым течет одинаковый ток, но один из которых укорочен вдвое. Как мы выяснили, короткий диполь излучает при этом вчетверо меньшую мощность, т.е. потери энергии на излучение за период у него вчетверо меньшие, чем у полноразмерного. А вот запас - практически такой же! Действительно, ведь укорачивая диполь, мы просто заменили индуктивность в виде прямого проводника на примерно такую же индуктивность в виде обычной катушки. Значит, раз индуктивность практически не изменилась, то и запасенная энергия (при таком же токе!) - тоже не изменилась. Итак, запасы энергии одинаковы, а потери на излучение у короткого диполя вчетверо меньшие. Значит и его добротность вчетверо больше, а полоса пропускания - вчетверо меньше. Вот вам и второй недостаток: при укорочении диполя вдвое полоса пропускания уменьшается вчетверо, а при трехкратном укорочении - в девять раз и т.д.

Таким образом, если мы очень постараемся и изготовим нашу укороченную антенну из хороших проводников так, чтобы не было потерь на нагревание, то такая антенна действительно будет работать не хуже полноразмерной, но в гораздо более узком диапазоне. К тому же она будет иметь очень низкое входное сопротивление, что потребует установки дополнительного согласующего устройства (в котором, опять-таки, будут происходить потери).

Вот по всем этим причинам, а совсем не потому, что короткая антенна в принципе малоэффективна, мы и стараемся, по возможности, использовать обычные полноразмерные антенны.



До конца мая мы снизили цены на популярные модели

Количество товара по акции ограничено, наличие товара указано на сайте.

Автомобильная антенна Optim Hustler 1c/100
Диапазон: CB (27 МГц)
Магнитное основание
Длина антенны: 150 см
1280 руб.
999 руб.
Автомобильная антенна MegaJet T3-27 N mag 125
Диапазон: CB (27 МГц)
Магнитное основание
Длина антенны: 60 см
2200 руб.
1850 руб.
Автомобильная рация Optim Apollo v 3.0
Диапазон: CB (27 МГц).
Мощность: 6 Вт.
Удобное управление
Не требует установки
6220 руб.
5450 руб.
Автомобильная рация MegaJet MJ-850
Диапазон: CB (27 МГц)
320 (360) каналов
Мощность 18 Вт
Корейская сборка
6690 руб.
4400 руб.

 


ВходРегистрация