Приветствую, друзья. На связи Тимур Гаранин.
Недавно с одним из подписчиков у меня была интересная беседа по поводу устройства направленных антенн типа рамка-штырь, которые обычно используются в спортивной пеленгации. Думаю, Вам будет тоже интересно послушать о нюансах работы таких антенн.
На самой заре радиопеленгации возникла необходимость измерять направление к источнику сигнала при помощи простых и компактных антенн. И своё место здесь сразу нашли рамочнные магнитные антенны – колебательные кОнтуры с открытой индуктивностью. Диаграмма направленности рамочной антенны в горизонтальной плоскости представляла собой восьмёрку с хорошими максимумами и острыми минимумами. Поэтому в радиопеленгации, в том числе в авиации для определения направления на радиомаяк, рамочные антенны сразу нашли применение.
Но у них есть недостаток – это двойственность ДН. Т.е. у них есть два максимума с противоположных сторон, также и два минимума. Но кто-то в те времена догадался совместить рамку со штырём, и их результирующая диаграмма направленности стала похожа на кардиоиду, с одним мощным максимумом и с одним резким минимумом. Двойственность была устранена.
Такая антенная система, рамка со штырём, быстро обрела популярность во многих сферах, и в военной, для поиска источника радиопередачи, и в гражданской, и как простая и компактная антенна для спортивной радиопеленгации.
Каким образом удаётся получить кардиоидную диаграмму направленности при помощи такой комбинации антенн. Самое простое объяснение – это банальное сложение диаграмм направленности от обеих антенн. Но такое объяснение не даёт ясного понимания, почему ДН складываются с одной стороны в фазе, а с другой стороны в противофазе.
Поэтому предлагаю детальнее рассмотреть создаваемые ими ЭМ поля. В ближней зоне рамочная антенна создаёт переменное МП, при этом с одной стороны от антенны силовые линии направлены допустим по часовой стрелке, а сдругой стороны – против часовой стрелки.
А штыревая антенна помимо очевидной электрической составляющей создаёт вокруг себя в ближней зоне МП, силовые линии которого везде направлены одинаково, либо везде по часовой, либо везде против часовой стрелки.
Именно сложение магнитных полей рамочной и штыревой антенн в ближней зоне определяет ДН результирующей комбинации. С одной стороны этой антенной системы магнитные поля рамки и штыря складываются, с противоположной – вычитаются.
Результирующую антенную систему можно считать магнитной, т.к. в ближней зоне она создаёт преимущественно переменное МП.
Ну а теперь оговорим недостатки подобной комбинации.
Очевидный недостаток состоит в несоответствии размеров полноразмерного штыря с рамочной антенной на одинаковую частоту. Рамочные антенны благодаря большому количеству витков и конденсатору в контуре обладают сравнительно небольшими размерами, значительно меньшими по сравнению с длиной волны. В то время как полноразмерный штырь должен составлять ровно четверть волны. Чтобы Вы понимали масштабы проблемы в качестве примера приведу 1 МГц, четверть длины волны которого составляет 75 метров. Очевидно, что это не очень удобно.
Поэтому в таких антенных системах принято использовать сильно укороченные штыри, т.е. длина штыревой антенны часто меньше 1/10 полноразмерного штыря.
А если мы используем укороченную антенну, то мы должны добавлять удлинительную индуктивность, а также резистор для приведения активного сопротивления укороченной антенны к оптимальному.
Дело в том, что хорошую правильную кардиоиду можно получить лишь в том случае, когда магнитные поля, а значит и токи рамки и штыря имеют примерно одинаковую амплитуду и абсолютно одинаковую фазу. Я уже не говорю о том, что их частоты очевидно должны быть одинаковы.
Так вот, чтобы настроить антенну так, чтобы в результате получить хорошую кардиоиду, нужно порядочно поработать с настроичными элементами – переменными индуктивностью и сопротивлением штыря и подстроечным конденсатором рамки. Цель настройки – привести в соответсвие величины токов, активных сопротивлений и фаз рамки и штыря. О практической настройке поговорим чуть позже.
В своё время по классической схеме производились и готовые пеленгаторы. Но гораздо предпочтительнее было изготовить свой собственный прибор. Рассмотрим пример исполнения такой антенной системы.
Жёсткий коаксиальный кабель длиной около 70 см разрезают на два отрезка. С верхних концов снимают экран, а центральные проводники спаивают друг с другом. Но лично я рекомендую не разрезать кабель, а просто снять экран в верхней части петли, оголив диэлектрик на 10-20 мм. Экран кабеля защищает рамочную антенну от электрической составляющей поля штыря, но часто встречаются рамки безо всякого экрана.
Далее этот кабель сгибают кольцом, и нижние концы, очищенные от экрана на 5 мм, закрепляют внутри корпуса, который лучше делать из диэлектрика. А в корпусе центральные жилы соединяют с контурными конденсаторами, а оплётки кАбелей с землёй.
Внутри корпуса также находятся подстроечные резистор и индуктивность для штыря. Штырь крепится к верхней части корпуса, на конце штыря можно сделать резьбу, чтобы крепить съёмный удлиняющий отрезок.
Затем проводят предварительную настройку штыря и рамки. Штырь через катушку подключают ко входу радиостанции и подстроечником катушки настраивают по максимуму принимаемого сигнала. Потом подключают рамку и проводят аналогичную настройку конденсатором С1.
В заключение проводят общую настройку. Антенну направляют предполагаемым минимумом на передатчик и, вращая подстроечник катушки, добиваются минимального уровня сигнала. Резистором устанавливают амплитуду для получения кардиоиды.
Существует ли способ создать компактную антенну с ДН в форме кардиоиды и при этом без проблем с согласованием и настройкой? Гипотетически, решением проблемы может стать вибраторная магнитная антенна. Вспомним, что это такое.
Штыревая антенна обладает круговой диаграммой направленности, и максимум тока в антенне приходится на заземлённый конец.
Контурная рамочная антенна представляет собой колебательный контур с сосредоточенными параметрами, имеет диаграмму направленности в виде восьмёрки, и её ток равномерно распределён по виткам.
А вибраторная магнитная антенна подключается как штыревая антенна, имеет распределение тока в полотне тоже как у штыревой, но работает на магнитную составляющую и имеет ДН в форме восьмёрки как у рамочной антенны.
Можем ли мы повлиять на ДН такой антенны, чтобы из восьмёрки сделать кардиоиду? – Такая возможность гипотетически существует.
Для этого начальный участок полотна с самым большим током нужно расположить вертикально, сформировав искусственный штырь. Сколько витков провода должны быть использованы в качестве центрального штыря определить можно моделированием или практикой.
Очевидно, что фазировка такой антенны будет идеальна, т.к. для штыря и для рамки используется единое полотно с общим током.
Как вариант, можно вынести начальный участок полотна в более явный вертикальный штырь, а оставшуюся длину провода уложить несколькими витками в катушку в верхней его части.
В этих примерах мы можем манипулировать как количеством витков, так и их формой, добиваясь лучшей ДН.
Но существует ещё более лёгкий способ получить кардиоиду без хлопот с фазировкой.
На УКВ существует такая антенна как петля с полуэкраном. Эта святая простота также обладает кардиоидной ДН и не нуждается в сложной фазировке и настройке.
Этот же принцип можно применить и для коротких волн, просто внутрь экрана нужно будет уложить несколько витков провода, вместо одного, а также подключить конденсатор к катушке.
О петле с полуэкраном стоит выпустить отдельный ролик. Если она Вас интересует, пишите в комментариях.
Говоря о современных пеленгаторах, в т.ч. спортивных, то они уже давно выполняются на базе современных электронных компонент, на микросхемах, со сложными алгоритмами приёма, регенеративными приёмниками и множеством дополнительных функций. Они уже не привязаны к одной частоте, не имеют никаких колебательных контуров в антеннах и не нуждаются в настройке. При этом легки и компактны. По сути, единственное, что их связывает с аналоговыми предшественниками – это рамочная антенна со штырём.
Давайте повторим, что мы узнали:
- Комбинация рамочной антенны со штыревой являет собой простую направленную антенную систему
- В спортивных пеленгаторах обычно используют сильно укороченные штыри
- В связи с чем применяется целый ряд подстроечных компонентов для согласования укороченного штыря с рамкой
- Тем не менее,эта комбинация остаётся относительно простой, дешёвой и компактной
- Существуют и другие варианты создания кардиоидной ДН
Если Вы почерпнули что-то полезное из этого ролика, обязательно ставьте лайк и делитесь в соцсетях. Только за счёт этого канал и растёт. В комментариях пишите, какие темы Вы ещё хотели бы рассмотреть. Изучайте мои материалы по ссылкам в описании.
На сегодня это всё. Всем удачи!
