Глава 1. Антена Бевереджа.
Антена Бевереджа або, як її ще називають, антена біжучої хвилі (АБВ) широко використовується в професійного радіозв'язку і в країнах колишнього СРСР і за кордоном. З різних причин антена Бевереджа має кілька імен, які використовуються в різних країнах, але в цій роботі вона буде називатися АБВ, антена біжучої хвилі.
Радіоаматорам нашої країни ця антена маловідома, а ті, хто знає про неї, часто будують, і використовують неправильно, отримуючи результати, що розчаровують при її експлуатації. Але слід ставитися до цієї антени з повагою. Якщо Ви не змогли її правильно використовувати, потрібно проаналізувати свої помилки, і усунути їх.
Антена Бевереджа має великі можливості, як на прийом, так і на передачу. Більшість трансокеанських QSO на 160 метрів радіоаматори проводять, використовуючи антену Бевереджа на приймальному кінці. Якщо ми відкриємо інструкцію до радіостанції Р126, то дізнаємося, що при використанні четвертьволнового штиря дальність зв'язку між двома однотипними радіостанціями становить 2 км, при використанні АБВ - 4-5 км.
Для радіостанції Р105 дальність зв'язку при використанні штирьовий четвертьволновой антени становить 6 км, при використанні АБВ - до 25 км. Ці радіостанції працюють в УКХ (6-4 м) діапазоні. Сподіваюся, ці цифри, неодноразово перевірені військовими, переконають навіть найзатятіших противників антени Бевереджа в тому, що в ній "дійсно щось є".
Тільки антена Бевереджа при мінімальних витратах на її виготовлення може працювати без перебудови у всіх аматорських діапазонах і абсолютно не потребуючи в налаштуванні при зміні діапазонів роботи. Ця її особливість приваблює не тільки радіоаматорів, а й любителів далекого прийому мовних станцій.
1. Ідеальна антена Бевереджа.
Класична АБВ являє собою тонкий дріт довжиною, більшою в кілька разів довжини хвилі, на якій працює антена, навантажений на опір, рівний хвильовому (рис.1) опору лінії, утвореної провідниками: антена-земля. Висота підвісу АБВ становить від 1 до 5 м, в залежності від діапазону частот, в якому вона використовується.
Вхідний опір АБВ високо, і так само хвильовому опору лінії, утвореної проводом, що становить полотно антени і землею, що грає роль другого проводу. Розрахувавши значення хвильового опору провідника діаметром 1-2 мм отримаємо, що вже починаючи з висоти близько 1 метра і вище (до 5-10 м) його хвильовий опір складе приблизно 400-600 Ом. Це дуже важливий результат. Немає необхідності при підвісі АБВ дотримуватися скрізь рівну висоту підвісу. Залежно від місцевих умов, при роботі в експедиції, наприклад, вона може бути розтягнута на кущах, деревах, кілках. Стаціонарна антена Бевереджа також може варіювати висотою підвісу.
Слід пам'ятати, що на 160 метрів ефективно працює антена з висотою підвісу 3-5 м, а на 10 метровому діапазоні - з висотою підвісу не менше 1 м.
З цього можна зробити висновок, що АБВ слабо схильна до низькочастотних складових атмосферних перешкод.
Коефіцієнт посилення АБВ дорівнює:
G = K '(L / l)
де G - коефіцієнт посилення,
К - коефіцієнт, що залежить від якості виготовлення АБВ,
L - довжина антени,
l - довжина хвилі, на якій працює антена.
З цієї формули зрозуміло, що чим довше полотно антени, тим вище її коефіцієнт посилення.
Антена Бевереджа приймає вертикальну поляризовану хвилю, що падає на неї під невеликим кутом. Такі характеристики має або поверхнева хвиля радіостанції, що знаходиться в межах радиовидимости, або хвиля далекого радіостанції (рис.2).
Максимум прийому лежить в площині паралельної полотну антени. Очевидно, що при перпендикулярному падінні електромагнітної хвилі, вона просто нічого не наведе в антені, а при падінні під кутом, внаслідок складання наведених в антені з різними фазами напруг, останні будуть компенсувати один одного (рис.3).
Очевидно, що при падінні електромагнітної хвилі під кутом до горизонту також буде відбуватися подібна компенсація сигналу, наведена цією хвилею (рис.4).
Якщо електромагнітна хвиля буде приходити від напрямку, протилежної навантаженні, то вона буде поглинатися в ній (рис.5). Зрозуміло, що ніколи не вдасться домогтися ідеального узгодження навантаження Rн c хвильовим опором полотна антени, і при роботі антени в ній будуть стоячі хвилі. Це означає, що не вся енергія, падаюча на антену з протилежного кінця, поглине в навантаженні, невелика її частина відіб'ється на вхід приймача.
На підставі вищевикладеного можна побудувати теоретичну діаграму спрямованості антени Бевереджа. Вона являє собою вузький промінь в горизонтальній і вертикальній площині, спрямований в бік навантаження і по теорії, точне відображення цієї ж діаграми спрямованості, але значно менше за інтенсивністю спрямоване в протилежну сторону (рис.6).
При значному перевищенні довжини полотна антени над довжиною хвилі, на якій працює антена, відбувається дроблення діаграми спрямованості на пелюстки (рис.7). Докладні діаграми спрямованості антени Бевереджа наведені в Л.1. Чим менше задній пелюстка діаграми спрямованості, тим краще узгоджена антена з навантаженням.
Але робота реальної антени Бевереджа значно відрізняється від ідеальної, наприклад, задній пелюстка ніколи не буде точним відображенням переднього через нерівності в опорі навантаження антени Rн опору входу приймача (або виходу передавача), втрат на випромінювання і втрат в землі. Саме "земля" грає для антени Бевереджа першорядну роль.
2. "Земля" антени Бевереджа.
Робота реальної антени Бевереджа багато в чому залежить від якості "землі". Розберемо ідеальний випадок: "земля" нескінченна і проводить. Почнемо з окремого випадку, коли проводить ділянку зосереджений прямо під полотном антени і дорівнює йому за фізичними розмірами. На практиці це означає те, що нами прокладений дріт від навантаження до генератора, що лежить на погано проводить землі (рис.8).
Очевидно, при цьому струм в полотні антени буде майже дорівнює току в "земляному" дроті. Електромагнітне поле буде взаємодіяти в основному тільки з двома проводами - верхнім і нижнім.
Якщо ми прокладемо кілька "земляних" проводів, то також очевидно, що струм Ii дорівнює сумі струмів In (рис.9). Також очевидно, що максимальний струм буде протікати в противазі n2, а в інших противовесах струми будуть менше.
На практиці, якщо розраховують використовувати антену Бевереджа на передачу, то для ефективної роботи прокладають не менше 3 противаг. Один - під полотном антени, і два інших - по краях від нього на відстані рівному від половини висоти підвісу до висоти підвісу полотна антени (рис.10).
Для ефективної роботи цих противаг вони повинні бути підняті над землею на невелику висоту (5-10 см) або, при забезпеченні їх захисту від корозії, лежати на землі або їх можна закопати на глибину не більше 10 см.
При використанні антени Бевереджа як приймальні антени "землі" не приділяють такої великої уваги. Зазвичай на прийомних центрах використовують 10-30 противаг довжиною близько 0,1 від довжини антени, закопаних на глибину 10 см на кінці навантаження і трансформатора.
Але при цьому не економиться провід для противаг, більш того, його витрачається навіть більше, ніж було б, якщо використовувати провід, прокладений під антеною Бевереджа, і в деяких випадках зростає шум антени. Це відбувається за рахунок того, що в неї включаються ділянки землі, які можуть служити джерелом шуму (рис.11). Зазвичай важко визначити, що за аномалія є джерелом шуму - це може бути наслідком струмів, що протікають в земній корі, може бути також обумовлено дією промисловості (повітряні ЛЕП, підземні лінії електропередач і т.д.).
Якщо на прийомних радіоцентрах вибирають місцевості, де таких впливів немає, то у Вашому випадку можливо, QTH знаходиться там, де і розташований таке джерело шуму. До речі, таке джерело шумному середовищі досить настільки інтенсивним, що іноді забиває своїм білим шумом приймач. В такому місці через шумів насилу приймаються слабкі сигнали радіостанції, але віднісши приймач на кілька сот метрів в будь-яку зі сторін, якість прийому у всіх діапазонах значно поліпшується через зниження рівня шуму. Антена Бевереджа найбільш схильна до впливу таких шумових джерел, особливо без "земляного" проводу під нею.
На передачу така антена (рис.11) буде працювати незадовільно. Це пов'язано з тим, що в ланцюг антени включено опір землі R3, яке в загальному випадку можна порівняти з хвильовим опором антени. R3 зменшує ККД антени. При використанні антени Бевереджа на прийом це не страшно, тому що зазвичай приймачі мають запас по посиленню. Зрозуміло, що при роботі на передачу ККД є найголовнішим показником антени. Треба ще знати, що реальний спротив "землі" в багатьох випадках не лінійно, тобто залежить від величини високочастотного струму, що протікає в ній. Це може викликати зміну параметрів антени в залежності від потужності, що підводиться до неї. Очевидно, що при SSB сигналі параметри антени можуть змінюватися в залежності від його піків, що може погіршити роботу вихідного каскаду і викликати спотворення випромінюваного антеною SSB сигналу.
Не слід забувати і про те, що грунт в Росії може промерзати взимку на значну глибину. Це істотно знизить ефективність антени Бевереджа. Але часто з багатьох причин важко або недоцільно використовувати "земляний" дріт під полотном антени. У цьому випадку використовують так звану "променеву антену", яку ми розглянемо нижче.
3. Використання в якості "землі" чвертьхвильових противаг.
"Променева" антена, яка використовується для роботи на радіостанціях типу Р105, зображена на рис.12. Вона являє собою провід довжиною L, де L становить близько десяти довжин хвилі, на якій працює радіостанція, до якої через резистор 400 Ом підключено кілька противаг довжиною в чверть хвилі. Кілька таких же противаг підключено і до корпусу радіостанції.
Струм в такий антени протікає за рахунок струмів зсуву в просторі між противагами (рис.13). Струм в грунті в цьому випадку не грає великої ролі, навіть якщо земля ідеальний провідник. У частині, яка описує штирові антени (п.12) наведені значення опору чвертьхвильових противаг.
Цей параграф вірний і для антени Бевереджа. Тоді можна уявити еквівалентну схему, антени як показано на рис.14. Для збільшення ККД потрібно прагнути до зменшення опору системи противаг. При хвильовому опорі антени 400-600 Ом бажано використовувати не менше 2 противаг на стороні навантаження і стороні харчування.
При використанні антени Бевереджа в різних діапазонах необхідно для кожного діапазону використовувати не менше 2 противаг довжиною в чверть хвилі (рис.15). Антена Бевереджа з четвертьволновий противагами вже не є класичною антеною Бевереджа, але параметри такої антени збігаються з параметрами антени Бевереджа.
4. Навантаження антени Бевереджа.
Приблизно від 50 до 30% потужності передавача розсіюється в навантаженні. Виходячи з цього, навантажувальний резистор повинен забезпечувати таку потужність розсіювання. Вкрай важливо, щоб він був безіндукціонним.
При конструюванні передавальних антен Бевереджа я використовував резистори типу МЛТ-2 великого опору (30-18 кОм), з'єднаних в паралель. Конструктивно вони розташовувалися як в кільце, так і в лінію (рис.16). При такій побудові можна використовувати тільки фарбування такого навантаження міцним лаком для захисту від атмосферних впливів. При попаданні на навантаження вологи, вона висохне при роботі антени на передачу або днем під сонцем і вітром. Бажано виключити пряме попадання дощу на таке навантаження, тобто розмістити її під будь-якої кришкою. Зазвичай для антени Бевереджа використовують навантаження близько 300-600 Ом. Точно встановити хвильовий опір антени важко і на практиці це можна зробити лише зміною навантаження і виміром при цьому КСВ антени.
5. Довжина антени Бевереджа.
Вище було сказано, що коефіцієнт посилення антени Бевереджа залежить від її довжини, але кращі результати виходять, коли довжина антени кратна непарному кількості довжин півхвиль:
L = n 'l / 2
де L - довжина антени,
n - ціле, непарне,
l / 2 - робоча довжина хвилі радіостанції.
Для успішної роботи довжина антени Бевереджа повинна бути не менше довжини хвилі, на якій працює передавач.
6. ККД антени Бевереджа.
Коефіцієнт корисної дії визначає ефективність антени як перетворювача ВЧ енергії передавача в енергію електромагнітної хвилі при передачі і, навпаки, ЕМВ в ВЧ-потужність сигналу при прийомі.
Розглянемо ККД передавальної антени. Відповідно до теорії взаємності параметри антени однакові, працює вона на прийом або на передачу.
Розглянемо, де відбуваються втрати енергії.
По-перше, це в Rн (рис.17). відбуваються втрати на активному опорі проводи полотна, антени Ran. По-друге, втрати відбуваються в "земляному" дроті під полотном антени Бевереджа. Чим довше антена, тим інтенсивніше випромінювання. Збільшити інтенсивність випромінювання можна, так само піднявши антену Бевереджа над землею. На основі цього, ККД приблизно можна визначити за формулою:
ККД = (1 / (Rн + Ran + R3)) '(L / l)' (H / l 3) 'K
де Rн - опір навантаження антени,
Ran - активний опір антени,
Rз - активний опір землі,
L - довжина антени,
l - робоча довжина хвилі антени,
H - висота антени,
К - коефіцієнт ефективності.
Взявши до уваги, що зазвичай Ran і Rз в порівнянні з Rн мало, а Rн одно хвильовому опору антени Rw, то ККД буде равeн:
ККД = (1 / R w) '(L / l)' (H / l 3) 'K
Величина До залежить від багатьох параметрів, в тому числі, від довжини L і висоти Н. В загальному випадку, радіоаматорами завдання знаходження ККД може бути виконана лише якісно.
ККД антени на рис.13 можна також визначити по виведеної тут формулою.
Для підвищення ККД антени Бевереджа використовують паралельне включення полотен. Розташовують їх при цьому як паралельно, так і послідовно (рис.18). Цифрою 1 позначено пристрій, що антени.
При розташуванні антен так, як показано на рис.18 відбувається і складання їх діаграми спрямованості відповідно в горизонтальній (рис.18) або у вертикальній (ріс.18б) площині.
Для довідки, ККД антени Бевереджа довжиною в одну хвилю з висотою підвісу близько 0,005 довжини хвилі не перевищує 10%. Збільшення довжини антени до 6 довжин хвилі підвищує ККД приблизно до 40%, потім зростання ККД сповільнюється (рис.19).
7. Зміна діаграми спрямованості антени Бевереджа.
Одним з головних недоліків антени Бевереджа є те, що її діаграма спрямованості фіксована. Деякі радіоаматори радять зробити відключається навантаження. Дійсно, при відключенні навантаження в антені встановиться режим стоячої хвилі. У цьому режимі, як випливає з п.1, відбита хвиля буде майже дорівнює прямій, і діаграма спрямованості антени набуде вигляду "вісімки" (рис.20). Однак, при відключенні навантаження, режим роботи антени Бевереджа змінюється докорінно.
Її опір вже не дорівнює 600 Ом в діапазоні частот від 1,8 до 30 МГц, а може приймати в цьому діапазоні частот абсолютно різне значення, від часток Ом до десятків кіло. Природно, що простий трансформатор 75/600 Ом, який використовується для класичної антени Бевереджа, при відключеному навантаженні використовуватися не може.
Підбором довжини можна знайти компромісний варіант антени, яка буде працювати в кратних аматорських діапазонах - 80-40-20-10 м, але при цьому ця антена не буде узгоджуватися в WARC- діапазонах і на 160 метрів.
Відбита хвиля, викликана відключенням навантаження, іноді призводить до порушення трансивера, змушує мікрофон і ключ "жечься". Кращий варіант харчування такої антени - підключення її безпосередньо до П-контуру підсилювача потужності, але це не завжди можливо.
Мною був випробуваний варіант антени Бевереджа з двома трансформаторами (рис.21). Робота антени зрозуміла з рисунка. При подачі постійної напруги по кабелю реле спрацьовують і перемикають навантаження і харчування.
При відключенні постійної напруги реле повертаються в своє колишнє положення, і діаграма спрямованості змінюється на 180 °. Я використовував реле типу РМУГ. Як навантаження 75 Ом використав паралельно включені резистори типу МЛТ-2, набрані до цього номіналу.
Конструкція трансформатора показана на рис.22. Така антена мала КСВ не більше 1,8 у всьому діапазоні частот від 1,8 до 30 МГц. харчувалася вона через коаксіал 75 Ом.
При перемиканні напряму випромінювання RS, одержувані мною, відрізнялися від 1-2 балів на НЧ до 6 балів на ВЧ діапазонах. Зустрічаються рекомендації по установці круглої антени Бевереджа. У цьому випадку діаграма спрямованості такої антени - коло (рис.28). Вона може працювати в широкому діапазоні частот, але коефіцієнт посилення її буде менше, ніж у диполя при роботі його на цьому ж діапазоні. Однак такий варіант антени Бевереджа можна спробувати, особливо коли є проблеми з установкою чогось більш складного.
8. Практичне виконання сторін навантаження і харчування антени Бевереджа.
Для зменшення КСВ і усунення впливу землі сторону навантаження і харчування зазвичай виконують за допомогою плавного переходу (рис.23). При цьому L1 = L2 і рівні n = h, де n одно 1-3. Якщо такий варіант виконання антени утруднений, можна виконати антену і по рис.24. При такому виконанні зручно захищати і навантаження і трансформатор 75/600 Ом, якщо використовується коаксіал для харчування.
Дуже добре працює варіант, показаний на рис.25. Він також дуже простий у виконанні. Якщо виникають труднощі з конструктивним виконанням антени по рис. 23-25, можна виконати антену, як показано на рис.26. Навантаження і харчування найкраще підключити в середині щогл.
Із запропонованих чотирьох варіантів виконання антени, варіант на рис.23 найкращий. Тут найменший вплив землі і найкраще узгодження з навантаженням і харчуванням. У варіанті на рис.24 проявляється більший вплив землі на навантаження і трансформатор, і можливий витік ВЧ енергії за рахунок ємнісних струмів. Варіант виконання на рис.25 краще, ніж на рис.26, хоча обидва ці варіанти виконання поступаються першим двом.
На практиці радіоаматор може виконати антену Бевереджа так, як йому буде зручно. Різниця в роботі всіх цих варіантів невелика, і часто може бути, виявлена лише за допомогою приладів і методів, які радіоаматорами не використовуються і носять лише чисто теоретичний характер.
9. Спрощена антена з перемикається діаграмою спрямованості.
При наявності достатньої кількості відкритої лінії, або КАТВ, або навіть двухпроводной лінії типу "локшина" можна зробити спрощене перемикання діаграми спрямованості "вперед-назад". Схема антени для цього приведена на рис.27. Але при такому виконанні антени виникає ряд проблем, пов'язаних з тим, що відкрита лінія повинна бути піднята над землею. Зростає загасання антени, і зменшується її ККД. Але якщо антена використовується на прийом, таке її побудова цілком прийнятно.
Для перемикання напрямку діаграми спрямованості в цьому випадку можна використовувати навіть звичайний тумблер.
10. Установка антени Бевереджа.
Для успішної роботи антена Бевереджа, втім, як і антени інших типів, повинна бути правильно встановлена щодо сторонніх предметів. Звичайно, ідеальна установка - це відсутність поруч проводять предметів. Однак на практиці таке зустрічається рідко. У всякому разі, слід прагнути, щоб не було проводять предметів в головному і, якщо можливо, в задньому пелюстці. Так як антена Бевереджа випромінює вертикально поляризовану хвилю, слід звернути увагу на вертикальні проводять
предмети. Дуже хороший варіант - установка на даху будинку, коли в головному пелюстку діаграми спрямованості лежить вільний простір (рис.29). Саме така антена Бевереджа використовується з 1989 р на моїй станції UA3ZNW і потім UZ3ZK, RK3ZK.
Якщо в головному пелюстку антени Бевереджа виявиться будинок, антена, і т.д., то слід очікувати TVI в цьому будинку, перевантаження споживача цієї антени вашим сигналом або, якщо ця антена передає, то перевантаження буде відбуватися у вашому приймачі.
Часто на даху проходять дроти радіомережі і телефону, які будуть скоріше за все паралельні Вашої антени Бевереджа. Вони будуть сприйматися як "земля" і в них будуть наводитися значні струми, які можуть привести до перешкоди багатопрограмного мовлення і можливо телефонного зв'язку. Для усунення цього ефекту досить прокласти екранує провід поруч з цими проводами. У всіх випадках, з якими я стикався на стовпчиках, були вільні "ріжки" для його установки. Провід слід заземлити, годі й дуже якісно, біля кожної з щогл (рис.30).
Провід повинен бути ближче до антени, ніж дроти, в яких наводиться перешкода. У важких випадках може знадобитися установка декількох таких проводів на відстані 20-50 см одна від одної (рис.31). Ви можете на досвіді якісно визначити, якої сили струм протікає в такому екранувальній дроті. Для цього включіть в нього лампочку на 6,3 '0,26А або подібну їй, і вже при 100 Вт, підводяться до антени, Ви побачите як світяться.
Якщо тепер Ви будуєте такий провід з лампочкою за екранують проводами, то побачите, що лампочка світиться значно слабкіше або не світиться зовсім.
Взагалі ж антена Бевереджа є найбільш невибагливою антеною. Якщо змиритися з TVI і з наведеннями на довгі дроти, то вже чистий простір в радіусі близько 1-2 метрів щодо полотна антени забезпечить її роботу. Антена Бевереджа може бути встановлена під диполем, поруч зі штирем і т.д. Жодна з сусідніх антен не заважає їй, так само, як і антена Бевереджа із мінімальним впливом на інші антени. Це також слід віднести до її переваг над іншими антенами, для яких неправильна установка веде до значного погіршення їх працездатності.
11. Грозозахист антени Бевереджа.
Немає більш безпечною в грозовому щодо антени, ніж антена Бевереджа. Полотно її заземлено з двох сторін, так що навіть пряме попадання блискавки в неї не призведе до поразки оператора і руйнування радіоапаратури. Антена Бевереджа зазвичай розташована нижче інших провідних предметів, чим забезпечується її додатковий захист від грози. Антена Бевереджа не накопичує статику, що особливо помітно при прийомі перед грозою, на неї можна працювати навіть під час грози, не побоюючись поразки.
Так як антена Бевереджа ефективно приймає хвилі з вертикальною поляризацією (а блискавка якраз і випромінює їх), то антену Бевереджа можна використовувати як індикатор грози. Для цього можна підключити до коаксіалі, що йде від неї, світлодіод. При наближенні грози він почне світитися в такт ударам блискавки. Підключення ж такого світлодіода до іншої антени - диполю або штиря - часто викликає вихід з ладу світлодіода.
ЛІТЕРАТУРА:
Г.З. Айзенберг. Короткохвильові антени. М. Радио и связь, 1985.
І.Н.Грігоров (RK3ZK).
(Тільки для публікації на СКР)
