Балконные антенны
Как известно из теории антенн, для того, чтобы определить напряженность электромагнитного поля, создаваемого передающей антенной, необходимо эту антенну представить в виде множества ее отрезков - элементарных излучателей. В любой точке приема напряженность поля, создаваемого всей антенной, является суммой значений напряженности поля, создаваемых излучениями каждого из этих отрезков. В свою очередь, напряженность поля, создаваемого отдельным элементарным излучателем, пропорциональна току, проходящему через него и его длине. Для того чтобы определить ток, протекающий через каждый элементарный излучатель, необходимо знать закон распределения тока в антенне, который зависит от типа антенны. Закон распределения тока в четвертьволновом вибраторе показан на рис.1, а. Он имеет косинусоидальный характер.
Puc.1
Полноразмерный вертикальный четвертьволновой вибратор для любительского диапазона 28 МГц или Си-Би диапазона 27 МГц на балконе установить, естественно, не представляется возможным, не говоря уже о полуволновом вибраторе или популярном вибраторе длиной 5/8l. Поэтому в качестве балконных антенн используются укороченные антенны.
В промышленных антеннах антенны для мобильных радиостанций (а это антенны длиной меньше четверти длины волны) для компенсации емкостной составляющей полного входного сопротивления применяются удлинительные катушки. Распределение тока в укороченном вертикальном вибраторе с удлинительной катушкой показано на рис.1, б. По отношению к четвертьволновому вибратору в нем как бы исключена нижняя часть антенны, вместо которой устанавливается катушка индуктивности (удлинительная катушка) Lуд. Так как ток в нижней части четвертьволнового вибратора максимален, то, укоротив антенну таким способом, мы исключаем самую эффективную ее часть (распределение тока в которой показано на рис.1, б пунктиром). Возникает справедливый вопрос:
а нельзя ли укоротить антенну так, чтобы исключить не нижнюю ее часть, а верхнюю, в которой ток минимален? Такой способ существует, и антенны такого типа широко распространены, например, в качестве передающих на средневолновых радиостанциях. Антенна, предлагаемая в этой статье, - это антенна именно такого типа.
Для того чтобы понять принцип работы и преимущества предлагаемой антенны, хотелось бы пояснить принцип работы таких антенн вообще. Верхнюю часть четвертьволнового вибратора (рис.1, а), можно представить в виде отдельного вибратора, длина которого меньше четверти длины волны. Входное сопротивление такого вибратора имеет емкостный характер. Поэтому, с некоторыми допущениями, верхнюю часть четвертьволнового вибратора можно заменить нагрузочным конденсатором соответствующей емкости Сн. Антенна такого типа, а также распределение тока в ней показаны на рис.1, в. Как видно из рисунка, распределение тока в этой антенне более благоприятно по сравнению с распределением тока в укороченной антенне с удлинительной катушкой (рис.1, б). Иными словами, при одинаковой физической длине антенны с удлинительной катушкой и антенны с емкостной нагрузкой действующая длина (высота) последней больше. Отсутствие удлинительной катушки в антенне с емкостной нагрузкой также является ее преимуществом. Ведь в антеннах, где применяется удлинительная катушка, существенная доля потерь приходится именно на эту катушку.
На рис. 2 показана простая в изготовлении, но достаточно эффективная балконная антенна для любительского диапазона 28 МГц или Си-Би диапазона 27 МГц. Особенностью ее конструкции является то, что антенна не выступает за края балкона, не имеет удлинительной катушки, а в качестве противовесов используются металлические части самого балкона. Антенна может быть выполнена на балконе жилой квартиры, в котором в качестве основы внешнего ограждения (парапета) используется металлическая конструкция (обычно в виде сварной решетки). Металлическое ограждение балкона вашей квартиры вполне может выполнить функцию противовесов антенны, а металлическое ограждение вышерасположенного балкона - роль " земли" в цепи емкостной нагрузки.
Puc.2
Оплетка коаксиального кабеля подсоединена к металлическому парапету (перилам) балкона. Конденсатор Сн одним выводом соединен с верхней точкой полотна антенны, а другим выводом - с нижней частью металлического парапета балкона верхнего этажа. Емкость конденсатора Сн выбрана при длине вибратора (полотна антенны) - 1, 6 м. Это обычно соответствует высоте потолков жилой квартиры 2, 5 м. Если длина вибратора другая, то емкость Сн может отличаться от указанной. Чем больше длина вибратора, тем меньше должна быть емкость Сн.
Конструкция антенны показана на рис. 3. Полотно антенны выполнено из антенного канатика (сечение не критично). Можно использовать несколько скрученных изолированных проводов. Концы проводов должны быть зачищены от изоляции и спаяны вместе. Изоляторы на концах полотна выполнены в виде пластин из текстолита или другого подручного изолирующего материала. Подстроечный конденсатор Сн - керамический дисковый типа КПК-1. Нижний изолятор антенны крепится к ограждению двумя болтами, которые, кроме того, посредством клемм должны обеспечивать надежный электрический контакт оплетки кабеля с металлическим парапетом балкона. Также необходимо просверлить крепежное отверстие в нижней части парапета вышерасположенного балкона. В это отверстие также вворачивается болт, который должен для надежного контакта крепко зажимать клемму, к которой заранее следует припаять провод, соединенный с ротором подстроечного конденсатора Сн.
Puc.3
Настройка антенны производится с помощью КСВ-метра. Регулировкой подстроечного конденсатора Сн добиваются минимума КСВ в середине рабочего диапазона.
Во избежание попадания осадков на подстроечный конденсатор после настройки на плату с конденсатором следует надеть полиэтиленовый пакет, который затем следует плотно примотать к проводу, идущему от этой платы к верхнему балкону. Нижний край пакета должен быть свободным - это исключит образование конденсата внутри пакета и не позволит накапливаться там влаге.
Следует отметить, что предлагаемая антенна не пригодна для работы с усилителем мощности. Во-первых, в данной антенне, как и в четвертьволновом вибраторе, напряжение на верхнем конце вибратора в несколько раз превышает напряжение, подводимое к антенне фидером (в нижней точке вибратора). Поэтому, если подводимая мощность превышает примерно 20 Вт, подстроечный конденсатор Сн может быть пробит, а при попадании влаги пробой может произойти и при меньшей мощности. Во-вторых, при большой подводимой мощности на металлических ограждениях балконов могут присутствовать достаточно большие ВЧ напряжения. (При мощности до 20 Вт эти напряжения не могут вызывать каких-либо неприятностей). Впрочем, при использовании и других балконных антенн работать с большими мощностями не рекомендуется по санитарно-гигиеническим соображениям.
Без каких-либо изменений в конструкции (требуется только подстройка конденсатором) антенна прекрасно работает и в диапазоне 27 МГц (Си-Би). На мой взгляд, укороченная антенна с емкостной нагрузкой просто идеально подходит для балкона жилой квартиры. Особенно неплохие результаты при работе на балконную антенну получаются, если радиостанция расположена на одном из верхних этажей многоэтажного дома, а также если направление на корреспондента лежит в пределах полуокружности, ограниченной стеной дома со стороны балкона (±90° от перпендикулярного направления к стене).
Литература
Радио 1/2000, с.65-66
Публикация: Н. Большаков, rf.atnn.ru