В одной из прошлых публикаций мы овладевали искусством построения максимально простой SSB радиостанции, но при этом ещё не тяготеющей к профанации. Теперь пришла пора укомплектовать её подходящей антенной.
Обзор нескольких типов наиболее подходящих антенн в той публикации тоже содержится. После анализа всех вариантов приходится признать, что не самой лучшей, но наиболее практичной будет «End Fed антенна», что на местный диалект переводится как «запитанная с краю».
Под практичностью подразумевается простота развёртывания на местности, относительная нетребовательность к высоте подвеса, ненужность обычно весьма громоздкого согласующего устройства со всякими крутилками. То есть некоторая «тактичность», как её понимают в армии.
Теперь осталось научиться строить такую антенну из чего попало.
Чётко представляя себе, как это делается, и из каких именно соображений.
Далее отслеживайте пошагово, как проходил квест местный автор.
Ввиду неразработанности темы, повествование не будет лапидарным.
§1 Замечание о доступных измерительных приборах.
Договоримся сразу, что их попросту нет.
Ни антенного анализатора, ни даже прозаического измерителя КСВ.
Пусть на время проектирования в доступности имеется лишь осциллограф уровня «показометр», по которому видать амплитуду сигнала от пика до пика. При колдовании над антенной «в поле» не будет даже его.
Но зато радиостанция оснащена простейшим индикатором тока антенны, подробно рассмотренным в публикации по ссылке выше. Им и обойдёмся.
Если в Вашей самодельной радиостанции почему-то отсутствует столь ценный показометр, загуглите «индикатор антенного тока», и соберите себе такой по сути дела детекторный приёмник из нескольких деталюшек. Оформите его в любой экранированный корпус с двумя разъёмами (да хоть из консервной банки), и этот «прибор» многократно Вам пригодится.
§1.1 Типовой индикатор тока антенны.
Датчик тока антенны обладает нелинейностью характеристики диода:
На графике по вертикали отложена мощность передатчика, а по горизонтали напряжение на выходе детектора, которое далее скармливается линейной цифровой шкале на девяти светодиодах:
Каждому светодиоду шкалы соответствует вполне определённая выходная мощность, но с немного неравномерным шагом, примерно равным 200 мВт.
Предполагается, что генерирование калиброванной мощности и отправка её в нагрузку зажжёт тот или иной сегмент индикатора, в зависимости от рассогласования нагрузки относительно идеальных пятидесяти Ом.
§1.2 Откуда берётся калиброванная мощность.
При SSB модуляции мощность излучается лишь при наличии звука в канале. Это речь или что-то ещё. Например, тональный генератор со стабильной частотой и калиброванной амплитудой.
Под калиброванной амплитудой тонального генератора подразумевается уровень сигнала чуть менее максимально допустимого, чтобы при работе передатчика на резистивную нагрузку 50 Ом дискретный индикатор тока антенны устанавливался не на последнее, а на предпоследнее деление.
Тогда любое отклонение нагрузки в ту или иную сторону от 50 Ом скажется на показаниях индикатора тока антенны. Этим свойством мы и намерены воспользоваться.
§2 Сущность End Fed антенны.
Как ни странно, но с точки зрения физики End Fed антенна ничем не отличается от разрезного диполя с плечами в четверть длины волны, запитанного посерёдке. Вот анимация всех процессов, из которых нам интересны колебания тока и напряжения на полотне антенны (если Ваш браузер не показывает анимацию, виноваты его вредительские настройки и плагины):
На анимированном рисунке мы наблюдаем стоячую волну, возникающую в полотне антенны на резонансной частоте. Ток и напряжение в стоячей волне сдвинуты на 90° по фазе. Причём пучность тока находится в центре, а напряжения - на концах диполя. Потому диполь и крепят к растяжкам через изоляторы - напряжение там сотни вольт.
Самое удивительное, что энергию можно подводить не только к центру полотна, но и с краю. В полотне при этом возникают точно такие же колебания. Разница в кардинально изменившемся входном сопротивлении.
Так, у высоко подвешенного диполя входное сопротивление 72 Ома. У низко подвешенного меньше, и высоту подвеса специально подбирают такой, чтобы сопротивление приближалось к 50 Ом, а сама антенна при этом излучала в зенит (так называемый «военный тактический диполь»).
Входное сопротивление на концах провода длиной ½λ (такую антенну сокращённо называют EFHW, от «End-fed Half-Wave»), судя по разным публикациям, может быть от 2 до 5 кОм в зависимости от исполнения и размещения антенны на местности.
§2.1 Проблематика, связанная с End Feed антеннами.
Возжелав от антенны тактичности и неприхотливости, а затем загуглив такую хотелку, Вы обнаружите весьма небольшое число конструкций, предлагаемых к повторению. Остаётся лишь скопировать какую-нибудь из них до самых мелких деталей.
Это называется «воспроизвести удачный дизайн».
Однако, если исходить только из материалов, имеющихся под рукой, Вас ждёт фиаско. Какие-то параметры антенны обязательно «уйдут», а без опыта, действуя наугад, Вы и близко не приблизитесь к характеристикам, заложенным в конструкцию.
Да и вряд ли исходная конструкция создавалась для работы на нужной Вам частоте, и под мощность Вашей радиостанции. Возможно, что-то придётся в конструкции поменять под конкретику.
Но обычно автор повторяемой конструкции вообще не приводит никакой теории для объяснения, почему взято именно такое ферритовое кольцо именно такого размера, и на нём намотано именно столько витков первички или вторички. Тупо не сумев добыть такого же в точности кольца, как у автора, Вам в жизнь не догадаться, что с этим всем делать дальше.
Как и всегда, требуется глубоко понимать происходящее.
Только тогда Вы сможете собрать рабочую конструкцию из чего попало.
Для этого местный автор предлагает смоделировать антенну самому.
А потом осмысленно собрать её из того, что есть под рукой.
Естественно, предварительно заложив это самое «то, что есть» в модель.
§3 Моделирование End Feed антенны.
Начать лучше всего с исследования Steve Yates (AA5TB) End Fed антенны с коротким противовесом, вот такой конструкции:
Нагрузочного резистора в реальности нет, однако он символизирует собой комплексное сопротивление антенны. Антенна длиной ½λ запитывается балуном по коаксиальному кабелю. Считается, что емкостная связь между первичной и вторичной обмотками (а так же всем, что к ним подключено) отсутствует.
Законы Кирхгофа категорически исключают возможность работы End Fed антенны без заземления или противовеса. Создать пучность напряжения в точке подключения антенны к трансформатору можно, лишь приложив напряжение между полотном антенны и чем-то ещё.
Это «что-то ещё» нарисовано в виде короткого противовеса слева, длиной λ/20. Автор цитируемой работы варьировал длину противовеса от нуля до почти ½λ, и нашёл вот такую интересную зависимость:
По вертикали активное и реактивное сопротивления антенны в килоомах, по горизонтали - длина противовеса, выраженная в единицах λ (длина волны).
Из графика видно чисто активное сопротивление антенны при длине противовеса 0.05λ. Для 80-метрового диапазона это грубо говоря 4 метра.
Вторая точка обращения в ноль реактивного сопротивления антенны зафиксирована при длине противовеса 0.47λ. Это уже получается диполь, но он нам ничуть не интересен из-за нереальной длины.
Информацию, почерпнутую из безусловно ценной статьи, скорее всего, напрямую применить мы не сможем. Но на пару моментов явно стоит обратить самое пристальное внимание:
Длина противовеса в 0.05λ какая-то волшебная.
Во многих других публикациях фигурирует она же.Из графика понятно, как следует проектировать антенну.
Подбором длины полотна до отсутствия реактивной составляющей.
Уяснив эти два момента, попробуем спроектировать свою антенну.
Но без некоторого предварительного квеста тут не обойтись.
§3.1 Софт для моделирования антенных систем.
Радиолюбители хорошо знают программу MMANA на движке MININEC3, умееющую и графики строить, и итерационную оптимизацию проводить. Но софт выдаёт далёкие от истины параметры антенн с низким подвесом. Как себя антенна поведёт, качественно понятно, а вот количественно - нет.
Более корректная модель реальной земли Зоммерфельда-Нортона заложена в движке NEC2. Применить эту модель к геометрии антенны (файлу данных формата .maa для MMANA) можно посредством расширения к MMANA от Дмитрия Федорова «NEC-2 for MMANA». Программа портабельная.
Тут и далее настройки «земли» выбраны близкими к сырой почве леса.
Для других случаев придётся вносить коррективы.
Расстановка всяких прочих крыжиков в главном окне «NEC-2 for MMANA», будем надеяться, идеологически благонадёжна, и соответствует условиям решаемой задачи и логике работы софта.
Ещё сыщется софт под названием «GAL-ANA», визуально напоминающий MMANA, но оборудованный в том числе и движком NEC-2. Настройки земли, подобные изображённым на картинке выше, в него можно заложить, но результаты обсчёта одной и той же антенны не совпадут.
Демоверсия с сайта (все хотят денег) не поддерживает высокую плотность сегментации. Так что этот софт для нас практически бесполезен.
§3.2 Оценочный вариант End Feed антенны.
Исходные данные:
Частота 3.688 МГц.
Противовесом 0.05λ пусть будет коаксиальный кабель.
Длиной 4 метра, и диаметром по оплётке 3 мм.
Волновое сопротивление кабеля, естественно, 50 Ом.Антенный провод медный, диаметром 0.5 мм. Или около того.
С софтом для моделирования антенн есть некоторые проблемы.
Софт не воспринимает провода, спускающиеся до самой земли.Поэтому договоримся считать, что радиостанция стоит на пеньке в 25 см над землёй, и коаксиальный кабель, по совместительству работающий противовесом, уходит вверх от радиостанции под углом. По земле он не стелется.
§3.2.1 End Fed антенна в виде слопера.
Как мы договорились ранее, радиостанция устанавливается на пенёк в четверть метра высотой, и далее одной верёвкой следуют 4 метра кабеля (это 0.05λ противовеса), балун, и собственно антенное полотно. Всё это натягивается оттяжкой на дерево повыше.
Такая конструкция идеологически весьма сильно напоминает обычный «луч», но здесь противовес от точки запитки вытянут в одну линию с антенной, да и сам противовес короткий, в стиле End Fed концепции.
В модели такой конструкции, скормленной софту, остаётся лишь подобрать длину антенного полотна, чтобы реактивная составляющая на частоте 3.688 МГц исчезла.
Пусть высота подвеса в верхней точке составляет 10 метров.
Импеданс складывается из активного и реактивного сопротивлений:
Договоримся данные к важным графикам выкладывать в виде .maa файлов.
Если внимательно приглядеться к поведению реактивного сопротивления, можно с удивлением обнаружить обращение его в ноль в двух точках: при длине антенного полотна около 34 и 39 метров.
Интервал 34.2±1 метр.
Активное сопротивление «луча» длиной 34.21 метр составляет 350 Ом:
Интервал 39±1 метр явно содержит резонанс.
Длина полотна 38.7 метра, активное сопротивление 6800 Ом.
При известной резонансной длине антенны и геометрии, оговоренной моделью, можно посчитать импеданс слопера для разных высот подвеса (.maa файлы).
Пока воздержимся от расчёта КСВ под получившееся сопротивление слопера, потому как есть и другие варианты натяжения антенного полотна. Давайте сперва их рассмотрим, а уж потом определимся с импедансом, под который считается КСВ.
§3.2.2 End Fed антенна, закреплённая как «Inverted V».
Антенна очень широко распространённая, как и слопер.
Потому как у неё всего одна точка подвеса. Но две растяжки.
Правда, есть ограничение - концы антенны не должны доходить до земли на метр по высоте. Так что нам понадобится пенёк метрового роста, на который мы поставим радиостанцию.
А дальше, как и раньше - 4 метра коаксиального кабеля с балуном и 17 метрами антенного провода уходят наклонно вверх к дереву, а оставшийся 21 метр антенны симметрично спускаются вниз под примерно тем же углом до метровой высоты, с применением растяжки.
Подготавливаем файлики в формате .maa, соответствующие модели антенны Inverted V с разной высотой подвеса, и после скармливания их программе «NEC-2 for MMANA» строим по точкам кривые активного и реактивного сопротивления антенны:
§3.3 Выбор импеданса антенны в разных вариантах подвеса.
А вот теперь важный шаг.
Давайте посмотрим на графики импеданса обеих смоделированных антенн. Считать в уме комплексное сопротивление не у всех получается, но навскидку у слопера при вменяемых высотах подвеса импеданс около 6.8 кОм, у Инвертед Ви несколько выше, ближе к 7 кОм.
Правда, опытные конструкторы антенн не сильно веруют в теоретические графики, и всегда советуют амплитуды резонансных пиков делить пополам. Так что пляска синей и красной кривых из параграфа «End Fed антенна в виде слопера» может (но не обязана) обернуться импедансом 3.4 кОм.
Наша задача - подобрать коэффициент трансформации балуна таким, чтобы 50 Ом передатчика преобразовывались ровно в это сопротивление. Ну или весьма близкое к нему.
Теперь встаёт вопрос, как правильно трансформировать импеданс антенны к волновому сопротивлению передатчика.
Отличаются они в 68 раз, а это весьма и весьма много.
Нам понадобится особенный трансформатор импеданса.
§4 Трансформатор импеданса.
§4.1 Что такое трансформатор импеданса.
Это обычный ВЧ трансформатор.
Есть всего три способа организации обмоток ВЧ трансформатора:
Коаксиальный кабель с обмоткой связи электрически изолирован от антенной системы. Под заземлением антенной системы тут понимается в том числе и противовес.
Схема актуальна для симметричных вариантов запитки антенны.
Кстати, такое симметрирующее устройство называют балуном.То же самое, но противовесом служит оплётка коаксиала.
Обмотки по-прежнему включены по трансформаторной схеме.Автотрансформаторная схема включения.
Число витков обмоток считается от нижнего вывода трансформатора.
Первичная обмотка, таким образом, является частью вторичной.
Какой бы вариант не был выбран, для него актуален коэффициент трансформации по напряжению N:M. Всё таинство состоит в возведении числа витков обеих обмоток в квадрат, чтобы затем при делении получить коэффициент трансформации по сопротивлению. Либо, что то же самое, можно сперва найти соотношение витков обмоток, а потом результат возвести в квадрат.
Теперь что касается выбора рабочей схемы трансформатора импеданса.
Первый вариант, кроме излишней сложности своей реализации, нам ровным счётом ничего не даёт.
Трансформатор лучше всего выполнить по концепции ШПТЛ (широкополосный трансформатор на длинных линиях). Это когда N витков первичной обмотки свиты с первыми N витками вторичной обмотки. Выглядит брутально и изощрённо.
ШПТЛ с небольшим коэффициентом трансформации мотают иначе.
Сначала укладывают на кольцо первичную обмотку с большим шагом. Так, чтобы начало и конец обмотки оказались рядом.
Затем делают отвод, и продолжают намотку впритирку к уже уложенным ранее виткам. И так ещё два или три полных оборота кольца, в зависимости от того, сколько витков требуется намотать.
Мы испробуем все возможные варианты, ибо это интересно.
§4.2 Ферритовое кольцо для трансформатора импеданса.
В ВЧ технике важнейшую роль играют материалы.
Лишь от их качества зависит, получится ли девайс хоть на что-то годным.
И сейчас нам нужен хороший феррит в виде кольца. Или трубки.
Правда, радиотехника в Стране давно скончалась, а элементная база для неё не выпускается уже лет 25. Поэтому при конструировании SSB радиостанции по ссылке из начала статьи мы вынужденно использовали ферритовые материалы из радиохлама, оставшегося с прошлых эпох.
Тем не менее, трансформатор импеданса, исполненный как ШПТЛ, вполне может быть намотан на ферритовом кольце с магнитной проницаемостью µ=2000. Это те самые «ферриты из радиохлама», они дёшевы и доступны повсеместно.
Но если у Вас есть амидоновские кольца из 77 или 43 материала, смело используйте их. Это вообще лучший вариант.
§4.2.1. Порядок нахождения число витков первичной обмотки.
Теперь следует определиться с оптимальным числом витков первичной обмотки трансформатора. Без эксперимента тут никак не обойтись.
Подадим мощность прямо с передатчика радиостанции коаксиальным кабелем на трансформатор 1:1 по напряжению, но число витков обеих обмоток будем синхронно менять в каких-то разумных пределах.
Начнём с самого мелкого ферритового кольца К10*6*4.5 М2000НМ
Намотка тестового трансформатора ведётся специальным образом, c оппозитным расположением обмоток. Первичная обмотка мотается на одной половинке кольца, вторичная на другой. Расстояние между обмотками максимальное. Никакого намёка на широкополосный трансформатор пока быть не должно, так как сейчас мы испытываем ферритовое кольцо на магнитные потери.
На выходе трансформатора включен эквивалент антенны сопротивлением 50 Ом. И осциллограф параллельно, для контроля напряжения:
Мощность, передаваемая на выход схемы, рассчитывается по показаниям осциллографа (амплитуда синусоиды от пика до пика) с применением калькулятора, либо простой формулы:
W = Vpp2 / (8*R)
Меняя соотношение витков обмоток трансформатора от 2:2 до 9:9, получаем зависимость эффективности трансформации мощности от этого параметра:
Хотя во всех случаях коэффициент трансформации одинаковый, а именно, 1:1, мощность передаётся в нагрузку с приемлемыми потерями лишь при числе витков, начиная от 7.
Вам необходимо проделать такой же эксперимент со своим ферритом, и найти минимально возможное число витков обмоток, меньше которого явно наблюдается потеря мощности.
При измерениях обращайте внимание на индикатор тока антенны.
Как оказалось, он тут весьма к месту, и даже способен помочь.
Так, при омической нагрузке 50 Ом в авторском варианте радиостанции светится предпоследний, 9 элемент. При росте сопротивления нагрузки загорится 8 элемент шкалы (ток антенны снизился). Если сопротивление нагрузки, наоборот, уменьшить, зажжётся 10 элемент (ток антенны превышает номинальный).
Оказалось, оптимальное число витков обмоток трансформатора мощности вполне можно подбирать прямо по индикатору тока антенны передатчика. При соотношении обмоток до 5:5 включительно индикатор показывает повышенный ток антенны, а от 6:6 и больше номинальный (то есть передатчик видит штатную 50-омную нагрузку).
На графике точки для наглядности огорожены.
Над оградками помечен номер сегмента индикатора тока антенны.
Если вспомнить градуировочный график индикатора тока антенны из начала этой статьи, зажиганию 9 сегмента соответствует мощность передатчика больше 1.3, но меньше 1.5 Ватта.
Инкремент калибровки по мощности тут несколько великоват.
В самом худшем случае КПД трансформатора 9:9 по виткам 91%.
Но по ощущениям он ближе к 95%.
Чем качественнее феррит, тем меньше потери.
У «амидоновских» колец потери передачи мощности могут быть всего 3%.
Итак, на этом этапе устанавливается минимальное число витков первичной обмотки трансформатора импеданса для рабочей частоты радиостанции и выбранного ферритового кольца.
§4.2.1.1 А годен ли феррит М2000НМ для такого применения?
Такой вопрос непременно возникнет на фоне повального засилья амидона.
Китайцы действительно делают на подобных ферритах балуны для QRPP.
Вот типичный представитель с трансформацией 1:9 по сопротивлению:
Ферритовое кольцо здесь стандартного типоразмера 10*6*5 мм. Магнитная проницаемость страницей товара не оговаривается, но на АлиЭкспрессе продаются готовые дроссели с заявленной индуктивностью, намотанные в точности на таких же кольцах. Посчитать число витков и вычислить µ проблемы не составляет, начальная магнитная проницаемость получается в районе 5000, или немногим меньше.
Как видим, намотка трифлярная (в три провода), с последовательным их соединением. Первичная обмотка выполнена красной проволокой, в ней 9 витков. То есть столько же, сколько у нас получилось в ходе изысканий.
Голые зелёные кольца по десятку в лоте продаются с АлиЭкспресса по 7-8 центов за штуку, так что даже по цене это чуть ли не полный аналог отечественных М2000НМ. Мы вправе их применить для передачи в антенну нашего несчастного Ватта мощности.
§4.2.2 Подбор диаметра ферритового кольца.
До сих пор с нашим ферритовым кольцом всё было хорошо, но только вот есть одна засада. Общее число витков трансформатора импеданса при 9 витках первичной обмотки должно быть под сотню, и они ну никак не поместятся на столь миниатюрном колечке. При построении радиостанции мы выяснили, что вместимость кольца максимум 25-27 витков одним слоем.
Это неприятно, но явно потребуется кольцо чуть большего диаметра.
Его магнитная проницаемость µ может быть порядка 2000 и больше.
У местного автора сыскалось в радиохламе ферритовое кольцо крупнее, с замеренной магнитной проницаемостью µ=2500, но не токопроводящее. Видимо, марка кольца должна звучать как М2000НН К19*13*9.
Применяем описанный выше алгоритм, и получаем такой график:
Первичной обмотке тут достаточно содержать всего 4 витка.
И вот такое ферритовое кольцо уже подходит для нашей задачи.
Обратите внимание на общую закономерность. Чем крупнее ферритовое кольцо, тем в более узком диапазоне по числу витков первичной обмотки достигается максимум передачи мощности трансформатором.
Для кольца К10*6*4.5 в первичке могло быть от 7 до примерно 11 витков.
В случае К19*13*9 только 4 витка, и безальтернативно.
Не исключена ситуация, когда максимум передачи мощности приходится на дробное число витков, никак не реализуемое. А при ближайшем целом числе витков потери мощности получатся существенные. Так что для маломощных передатчиков имеет смысл строить трансформаторы импеданса на ферритовых кольцах небольшого диаметра. Лишь бы обмотки на кольце поместились.
§4.2.3 Вторичная обмотка трансформатора импеданса.
Хотя выбор сопротивления антенны, на которое передатчик согласуется трансформатором, остаётся за нами, возможны лишь несколько вариантов.
Ранее мы эмпирически установили, что первичной обмотке трансформатора лучше всего содержать четыре витка.
Исходя из этого знания, имеет смысл построить таблицу с коэффициентами трансформации балуна для интересного нам диапазона значений выходного сопротивления 3400±1000 Ом:
| N, витков: | M, витков: | N : M | RN : RM | REnd Fed |
| 4 | 28 | 1 : 7.00 | 1 : 49 | 2450 |
| 4 | 29 | 1 : 7.25 | 1 : 53 | 2628 |
| 4 | 30 | 1 : 7.50 | 1 : 56 | 2813 |
| 4 | 31 | 1 : 7.75 | 1 : 60 | 3003 |
| 4 | 32 | 1 : 8.00 | 1 : 64 | 3200 |
| 4 | 33 | 1 : 8.25 | 1 : 68 | 3403 |
| 4 | 34 | 1 : 8.50 | 1 : 72 | 3613 |
| 4 | 35 | 1 : 8.75 | 1 : 77 | 3828 |
| 4 | 36 | 1 : 9.00 | 1 : 81 | 4050 |
| 4 | 37 | 1 : 9.25 | 1 : 86 | 4278 |
| 4 | 38 | 1 : 9.50 | 1 : 90 | 4513 |
Трансформатор импеданса 50⇒3400 Ом реализуется при числе витков 4:33, или 4+29 в случае автотрансформатора.
§4.2.3.1 КСВ (SWR, standing wave ratio)
Озадачимся согласованием антенны с передатчиком. Это важно.
По импедансу антенны, исчисляемому из активного (R) и реактивного (X) сопротивления, и сопротивлению передатчика, пересчитанному к выходу трансформатора импеданса (W), сперва найдём коэффициент отражения, а через него и коэффициент стоячей волны по стандартным формулам:
Зная КСВ, можно оценить потери мощности на неидеальном согласовании в точке подключения антенны:
| КСВ: | Мощность, % | Потеря мощности: | |
| В % | В dB | ||
| 1.0 | 100 | 0.00 | 0.00 |
| 1.1 | 99.8 | 0.23 | 0.01 |
| 1.2 | 99.2 | 0.83 | 0.04 |
| 1.3 | 98.3 | 1.70 | 0.08 |
| 1.4 | 97.2 | 2.78 | 0.12 |
| 1.5 | 96.0 | 4.00 | 0.18 |
| 1.6 | 94.5 | 5.33 | 0.25 |
| 1.7 | 93.7 | 6.72 | 0.28 |
| 1.8 | 91.8 | 8.16 | 0.37 |
| 1.9 | 90.4 | 9.63 | 0.44 |
| 2.0 | 88.9 | 11.1 | 0.51 |
| 2.2 | 85.9 | 14.1 | 0.66 |
| 2.4 | 83.0 | 17.0 | 0.81 |
| 2.6 | 80.2 | 19.8 | 0.96 |
| 2.8 | 77.6 | 22.4 | 1.10 |
| 3.0 | 75.0 | 25.0 | 1.25 |
| 3.5 | 69.1 | 30.9 | 1.61 |
| 4.0 | 64.0 | 36.0 | 1.94 |
| 5.0 | 55.6 | 44.4 | 2.55 |
| 7.0 | 43.7 | 56.3 | 3.60 |
| 10 | 33.0 | 67.0 | 4.81 |
| 20 | 18.1 | 81.9 | 7.42 |
| 50 | 7.70 | 92.3 | 11.1 |
У радиолюбителей не считается зазорным потерять на неидеальном согласовании с антенной процентов 5 мощности. Поэтому всё, что на графиках КСВ не превышает значения 1.5, будет кошерным.
Теперь посчитаем КСВ для обоих вариантов подвеса End Fed антенны:
а) КСВ End Fed слопера:
б) КСВ End Fed Inverted V:
Пояснения.
Расчётный импеданс антенн около 7 кОм, но мы их подключаем к трансформатору импеданса 3.4 кОм на выходе. Естественно, согласование «теоретической» антенны никакое, и КСВ получается 2 и больше.
Однако в реальности, как отмечают практики, теоретический предел активного сопротивления в 7 кОм не получить, а достижимые значения оказываются чуть ли не вдвое ниже. Если именно так и случится, ход кривой КСВ соответствует синей линии. И получится идеально.
У реальных антенн зависимости будут лежать между красным графиком и синим. Когда антенна натянута среди деревьев, её полотна в некоторых местах касаются листья, на провод садятся птицы, в воздухе туман, на проволоке антенны сырость, «земля» не соответствует расчётной, и всё такое, учесть подобные моменты нереально.
Но предположение, что КСВ слопера с высотой подвеса более 3 метров окажется около 1.7, а inverted V с типичными высотами подвеса 8-10 метров в районе двойки, кажется адекватным.
§4.2.3.2 Анализ End Fed Sloper.
Фактически нет разницы, на какой высоте удастся перебросить через ветку дерева растяжку, чтобы поднять туда верхний конец слопера. Выше 15 метров без рогатки не получится, а вот в районе 10 метров высота более реальная.
Но в любом случае, с согласованием этой антенны проблем не возникнет.
Диаграмма направленности такой антенны интересная:
Наряду с излучением в зенит, что нам и требуется, наблюдается излучение в сторону, противоположную той, куда направлен луч антенны. То есть ориентирование позиции относительно корреспондента имеет смысл.
§4.2.3.3 Анализ End Fed Inverted V.
То же самое антенное полотно, но подвешенное в стиле Inverted V, оказывается более высокоомным при всех практикуемых высотах подвеса. Коэффициент трансформации для этой антенны хорошо бы установить побольше.
Так же интересно, что антенну можно просто раскинуть по кустам на высоте 2-3 метра. Согласно модели, такая суррогатная антенна должна приемлемо работать. По крайней мере, КСВ на графике ещё остаётся хорошим.
Хотя мы прекрасно знаем, что низко подвешенные антенны имеют плохую эффективность излучения, и ожидать чуда вряд ли стоит. Но, если вдруг захочется прокинуть антенну по высокому деревянному забору в рост человека, это дозволяется сделать.
Диаграмма направленности End Fed антенны, повешенной как Inverted V.
По факту это классическая антенна зенитного излучения:
§4.2.4 Точность подбора длины End Fed антенны.
Все приведённые выше графики не будут полны без исследования зависимости КСВ от длины антенного полотна. Необходимо определиться с шагом изменения длины провода при поиске резонанса. Если шагать широко, можно пройти мимо резонанса, даже его не заметив.
В качестве исходной геометрии антенны возьмём слопер, подвешенный на высоте 10 метров. Проварьируем в модели длину полотна вблизи резонанса.
КСВ идеальной и плохо согласованной антенны (красная линия) не имеет столь резкого минимума, как ожидаемый график реальной антенны (синяя кривая). Тут уже экстремум ярко выражен, и обнаружить его проще. Возможно, будет достаточно даже индикатора тока антенны радиостанции.
§4.2.5 О диаметре провода для антенного полотна.
При изучении литературных данных по End Fed антеннам можно заметить, что авторы публикаций ориентируются на сильно отличающиеся значения импеданса своих антенн. Это кажется немного странным, пока руки не дойдут до самостоятельного моделирования.
Давайте возьмём наш многострадальный слопер, поднятый одним концом на высоту 10 метров, и опять-таки его немножко поварьируем по длине вблизи резонансной длины, как мы делали только что. Но при этом ещё и поменяем в модели диаметр проволоки (½мм, 1мм, 1.5мм)
Ветви активной (сверху) и реактивной (ниже) составляющих импеданса:
Сразу бросается в глаза, что амплитуда пиков на графике сопротивления для толстого провода заметно меньше, чем для тонкого. Соответственно, чем толще антенный канатик по меди, тем меньшее влияние на КСВ окажут внешние условия. И тем точнее под получившуюся антенну удастся подобрать коэффициент преобразования сопротивления трансформатора импеданса.
Как правило, все коммерческие варианты End Fed антенн ориентированы на мощности передатчика в районе 100 Ватт, а потому реализованы на толстом проводе. Сопротивление антенного полотна у них окажется ещё ниже.
Вместе с тем, кратное изменение диаметра антенного канатика сдвигает резонансную длину антенны (мы её смотрим по обращению реактивного сопротивления в ноль) всего на 10-15 см. Это довольно слабая зависимость, которая из-за специфики поведения активной и реактивной ветвей сопротивления антенны и вовсе нивелируется.
Действительно, на зависимости КСВ от длины полотна антенны при разном диаметре медного провода экстремум достигается в одном и том же месте (трансформатор импеданса 1:68 по сопротивлению):
У реальной антенны резонансная длина по КСВ может оказаться чуть иной, как это отмечалось в предыдущем параграфе, но от диаметра антенного провода данный критерий зависит слабо.
§4.3 Испытания трансформатора импеданса.
При оценочном проектировании антенны мы наблюдали, как изменялся её импеданс в зависимости от условий размещения на местности.
Теперь нас должно взволновать, как такое поведение нагрузки скажется на здоровье передатчика, а главное, можно ли это увидеть «по приборам». Из которых «в поле» есть только индикатор тока антенны, и ничего больше.
Только давайте при этом намеренно усложним себе задачу.
Буквально доведём дело до абсурда.
Пока что смоделированные антенны не так уж и сильно меняли своё сопротивление в зависимости от внешних условий. Поэтому в дальнейших изысканиях сопротивление антенны будем менять в разы.
Однако, тут возникает небольшая инженерная проблема.
§4.3.1 Схема измерения мощности на эквиваленте антенны.
Измерение мощности на высокоомной нагрузке без специализированных приборов представляет собой нетривиальную задачу, решить которую в лоб не получится. Входная ёмкость имеющегося оборудования в виде не шибко кошерного осциллографа чересчур велика, и замерить напряжение непосредственно на резистивной нагрузке не получится.
Не помогает даже компенсирующий щуп осциллографа с десятимегаомным сопротивлением, но 12 пФ ёмкостью. По индикатору тока антенны эти несчастные 12 пФ меняют ток в разы.
Придётся изобретать датчик тока. Последовательно с нагрузкой ставится резистор небольшого номинала, чтобы ВЧ напряжение на нём стремилось к нулю, но при этом уверенно и чётко фиксировалось осциллографом. Не привнося лишнюю ёмкость в основную нагрузку.
Из резистора на 6 Ом и осциллографа фактически получается датчик тока, а схема измерения будет такой:
Передатчик подключается коаксиальным 50-омным кабелем к первичной обмотке трансформатора, а мощность со вторичной обмотки рассеивается на эквиваленте End Fed антенны, причём ток через эквивалент замеряется самопальным датчиком тока.
Хотя осциллографом удобно измерять напряжение от пика до пика Vpp, а мощность считается в единицах Vrms, эти величины легко переводятся друг в друга по первой из формул:
Вторая формула выражает мощность, рассеиваемую на эквиваленте End Fed антенны в виде двух резисторов, исходя из падения напряжения Vpp на «измерительном» резисторе Rm датчика тока.
Теперь, варьируя сопротивление Rn в некоторых пределах, можно снять зависимость мощности на эквиваленте антенны от его сопротивления.
Однако, придётся определиться со способом намотки трансформатора.
Есть два альтернативных способа, их надо проверить оба.
§4.3.2 Автотрансформатор с «N-флярной» намоткой.
Обычно трансформаторы с небольшим коэффициентом преобразования по сопротивлению мотают бифлярно или трифлярно, как мы это совершенно не случайно наблюдали на примере китайского зелёного кольца. Далее обмотки соединяются последовательно по схеме автотрансформатора.
Апофеозом будет квадрифилярная или даже квинтофлярная намотка.
Такое иногда тоже практикуется.
Правда, не понять, зачем мучить проволоку, разрезая её на кусочки, а потом спаивая обратно, но в уже намотанном на ферритовое кольцо состоянии. Выполнить точно такую же обмотку с отводом в нужном месте можно и без всякой расчленёнки.
Так и поступим.
Потому как исполнить фокус с 8 кусочками провода нереально.
Ферритовое кольцо на всякий случай обмотано чёрной изолентой, а поверх исполнена 8-флярная обмотка с отводом от 4 витка. Если точнее, витков вышло 33, то есть 8*4+1, как потребовалось по условиям задачи.
Диаметр проволоки тут и далее ½ мм.
Теперь посмотрим на мощность, подводимую к эквиваленту высокоомной антенны, в зависимости от сопротивления этого эквивалента:
На графике мы видим колоколообразный ход зависимости. Нам необходимо получить рабочую точку на вершине кривой, либо вблизи. Но так, чтобы для передатчика антенна чувствовалась как резистор 50 Ом.
С этой целью экспериментальные точки огорожены. Над каждой оградой обозначено, какой по счёту светодиод линейного индикатора датчика тока антенны при этом зажигается на морде радиостанции.
Оказалось, по индикатору наглядно видно, соответствует ли сопротивление End Fed антенны трансформатору импеданса. Если согласование полное, светится 9 светодиод шкалы, а передатчик «чувствует» антенну как 50-омную активную нагрузку. А потому может работать неограниченно долго.
Обратите внимание, трансформатор рассчитан на сопротивление 3400 Ом.
Согласование действительно достигается вблизи этой координаты.
При сопротивлении антенны меньше расчётного загорается 10 светодиод шкалы. В антенну идёт больший ток, но из-за отсутствия согласования мощность в антенне падает. При высоком сопротивлении нагрузки излучаемая мощность тоже снижается, что хорошо видно по индикатору.
В последних случаях передатчик работает с несогласованной нагрузкой.
Любопытное наблюдение.
Давайте вспомним, что при испытании этого же кольца в §4.2.2 с двумя оппозитными обмотками, при оптимальном числе витков через кольцо передавалась мощность в 1.3 Ватта. Здесь же мы видим мощность на эквиваленте антенны порядка 1.1 Ватта, то есть существенно меньше.
§4.3.3 Трансформатор с намоткой Райзерта.
Согласно Ротхаммелю, мотать дроссель на ферритовом кольце именно таким способом предложил Й.Райзерт ещё в 1978 году. Благодарность людская не имеет границ, потому это имя сегодня даже не гуглится, и напрочь забыто.
Что ничуть не помешало распространить метод намотки Райзерта и на ВЧ трансформаторы. Из-за минимальной паразитной ёмкости такая намотка вторичной обмотки стала общепринятой. Выглядит трансформатор так:
На фото есть ошибка - не хватает одного витка.
Далее виток домотан, все испытания трансформатора проделаны уже с ним.
Первые 4 витка вторичной и первичная обмотки выполняются свитым проводом (технология ШПТЛ), бифлярно. Далее вторичная обмотка мотается традиционно, виток к витку. При намотке половины вторичной обмотки осуществляется диаметральный переход на другую сторону кольца, и остаток обмотки идёт как бы противоходом.
У кого с пространственным воображением всё в порядке, тот сообразит, что на самом деле намотка идёт в одну сторону, то есть без особенностей, а диаметральный переход способствует максимальному разносу начала и конца вторичной обмотки. Между ними должен получиться ВЧ потенциал в сотни вольт, может и «прошить» воздушный зазор. А нам этого не надо.
Интересно, что зависимость снятой с эквивалента антенны мощности от сопротивления этого эквивалента имеет иную форму, не очень-то похожую на параболу, как в предыдущем случае:
Из графика сразу заметен ряд существенных моментов:
Трансформатор Райзерта более «широкополосный», если такой термин возможно применить к оси сопротивления. При одинаковых потерях мощности (в %) диапазон возможного сопротивления антенны тут несколько шире, чем в предыдущем варианте.
Самое главное, трансформатор импеданса с намоткой Райзерта передаёт в нагрузку больше мощности, чем трансформатор с оппозитными обмотками, и существенно больше, чем N-флярный.
Отсюда вполне понятна сложившаяся практика намотки трансформаторов импеданса преимущественно способом Райзерта, причём с одновременным использованием ШПТЛ.
§4.3.5 А не лучше ли проволока в изоляции?
Если сохранить диаметр медной проволоки ½ мм, но одеть её в поливинилхлоридную или полипропиленовую оболочку толщиной 0.2 мм (это одиночный провод из компьютерной витой пары пятого класса), намотка трансформатора уже не получается столь плотной, и расползается по всему периметру кольца:
Испытав такой трансформатор 1:68 по стандартной методике, мы увидим чуть меньший КПД, и более узкий рабочий диапазон по сопротивлению эквивалента антенны:
Из чего следует, что лучше всего мотать трансформатор обычной медной проволокой в лаковой изоляции. Но кольцо придётся защитить слоем фторопластовой или тефлоновой ленты, так как оно может оказаться токопроводящим.
§4.4 Подгонка трансформатора под реальную антенну.
Таким образом, построив реальную End Fed антенну, и вывесив её в своей локации, по индикатору тока антенны радиостанции мы однозначно поймём, то ли число витков трансформатора импеданса у нас намотано. Если, конечно, антенна имеет правильную резонансную длину.
При этом действия по настройке трансформатора предельно просты:
Если ток антенны по индикатору мал, число витков вторичной обмотки придётся увеличить.
Если индикатор тока антенны, наоборот, зашкаливает, от вторичной обмотки необходимо отматывать по витку, контролируя процесс.
Идеальна ситуация, когда по индикатору тока антенны радиостанции, работа на End Fed антенну через трансформатор импеданса, ничем не отличается от работы на омическую нагрузку 50 Ом.
Именно к этому и надо стремиться.
§5 Построение реальной End Fed антенны. Практикум.
А теперь, понимая принцип работы трансформатора импеданса, а так же зная, как его правильно мотать, и по каким критериям корректировать число витков вторичной обмотки, пришла пора перейти к собственно полотну антенны.
§5.1 Провод для полотна антенны.
Подойдёт любой медный провод с любым диаметром медной жилы. Но провод просто обязан быть самонесущим, то есть выдерживать свой вес при закреплении на концах. Видимо, с некоторым запасом, дабы упавшая ветка или севшая на провод ворона не обрывали всю эту конструкцию.
Хотя в современных хозяйственных и специализированных магазинах выбор проводов с медной жилой широчайший, вряд ли кто пойдёт по такому очевидному пути. Он для слабых духом.
Потому как магазинный провод сегодня весь поголовно китайский.
Что там за медь, да и медь ли там вообще, лишь только Аллах и знает.
Так что понимающий человек просто оглянется вокруг, и, к примеру, сдёрнет со стены никому не нужный кусок телефонной «лапши» длиной метров 40. Провод зовётся ТРП, имеет две замечательных медных жилы диаметром 0.4 или 0.5 мм в надёжной полиэтиленовой изоляции. Разрывного усилия в 5-7 кГ нам должно хватить.
Ещё более распространена компьютерная витая пара. У местного автора как раз завалялось несколько кусков по 5 метров. На внешней оболочке кабеля маркировка постулирует класс 5E, и рассказывает про толщину медной жилы 24 AWG.
Согласно страшной формуле, 24 размер AWG эквивалентен диаметру ½ мм:
Так как в медной паре два свитых вместе провода 24 AWG (мы же их не будем развивать, верно?), их площадь сечения вдвое больше. Согласно формуле площади круга, при увеличении площади вдвое, диаметр увеличивается в корень из двух раз. Стало быть, одна медная пара из двух жил эквивалентна одинокому медному проводу диаметром 0.7 мм.
В §4.2.5 мы выяснили, что такому диаметру проволоки соответствует резонансная длина антенны порядка 38.6 м.
Всякие мудрые слова про скин-эффект и диэлектрическую проницаемость защитной оболочки провода для частоты менее 4 мГц особого смысла не имеют, так что не стоит забивать себе голову подобными вещами. Витая медная пара должна замечательно работать с QRPP мощностью на нашей частоте.
§5.2 Исполнение полотна антенны.
Как Вы уже поняли, местный автор содрал изоляцию с двух кусков по 5 метров кабеля для компьютерных сетей, расплёл их на пары, зачистил и скрутил оба провода каждой пары на концах между собой, а потом спаял полотно антенны из получившихся восьми коротеньких кусочков.
Далее длина антенного полотна обрезана до 39 метров. С учётом петелек под крепления как раз получается вычисленная ранее длина.
Так как на полотно антенны по-любому будут воздействовать продольные нагрузки, скручивать проволоку перед пайкой лучше всего каким-нибудь хорошо проверенным способом. Стандарт NASA тут вполне сгодится:
Только у нас две медных жилы вместо одной.
§5.3 Пробное вывешивание антенны.
Распустить компьютерный кабель на пары, собрать из них антенное полотно, подключить к трансформатору импеданса, подцепить к тому 4 метра коаксиального 50-омного кабеля - это дело получаса. По идее, теперь надо бы быстренько организовать выезд в лес для проверки возможности связи одним Ваттом через антенну зенитного излучения. Удаления от принимающей радиостанции достаточно 30-40 км (поверхностная волна от 1 Ватта на такое расстояние гарантировано не дотягивается).
С другой стороны, здесь присутствует организационный момент, ибо нужно напрячь знакомого радиолюбителя, подписав его на дежурство у радиостанции. А далее куда-то выдвинуться, учтя при этом направленность антенны напрягаемого человека.
И с этим тоже проблемы, так как обычно стационарные антенны вешаются для излучения под небольшим углом к горизонту, светить же ими в зенит и попутно греть дождевых червяков вообще никому не интересно.
А ведь ещё захочется понаблюдать возможность радиосвязи в динамике, в разное время суток. Всё-таки 1 Ватт мощности это очень мало, и не факт, что одиночного выезда окажется достаточно. Тут уместно вспомнить про пресловутый организационный момент...
Оптимально было бы сработать «в одного». То есть дотянуться одноваттным передатчиком до ионосферного отражающего радиоволны слоя, там переотразиться, и быть принятым за 30-40 км на какой-нибудь SDR приёмник, выведенный в Интернет. Через него можно себя послушать, проконтролировав качество и уровень сигнала. Причём самому, а не догадываться с чужих слов, как всё это обстоит в реальности.
Так что вполне можно обойтись без всяких экспедиций, просто выкинув End Fed антенну с балкона на заросший подлеском пустырь. Ведь End Fed антенна тем и хороша, что её можно вывешивать как угодно. Вот и проверим, так ли это.
Местный автор ни разу не художник, но профиль антенны по высоте подвеса отражён на рисунке относительно размеров человечка более-менее масштабно. По горизонтали, вероятно, всё это надо несколько растянуть, ибо замерив удава в человечках, мы явно не насчитаем 25 штук:
Встреча двух стрелочек символизирует собой трансформатор импеданса 1:68 по сопротивлению. Правее к балкону 3 этажа уходит коаксиальный кабель, а левее по очень извилистой траектории через кусты и деревья проброшены почти 39 метров полотна антенны из витой медной пары.
В дополнение к низкой высоте подвеса в районе кустиков (всего метра три) сама антенна переброшена через ветки деревьев, касается стволов, и так далее. Она вряд ли получилась резонансная, а потому коэффициент трансформации преобразователя импеданса однозначно велик.
То есть пробный подвес антенны сделан не по уму.
Посмотрим, как сильно это скажется на связи.
§5.4 Задействованный SDR приёмник.
В сети встретится множество коллекций SDR приёмников, например kiwisdr.com и websdr.org.
В локации местного автора есть подходящий SDR, базируется в Улыбино. До него 32 км по прямой, и это как раз то, что надо. (Опять-таки помним, что подобные сервисы существуют на голом энтузиазме, и могут часто менять URL, в зависимости от того, кто их согласен приютить на своём сервере. Расположение тоже варьируется, сейчас SDR живёт здесь и по другой прописке.)
Радиотрасса, смоделированная с помощью сервиса Voacap.com, намекает на принципиальную возможность связи на такое расстояние пространственной волной при мощности 1 Ватт и SSB модуляцией. Но не в любое время суток, смотрите на синюю кривую:
Время в радиосвязи используется только UTC. На графике именно оно.
Показания сервиса всегда привязаны к определённой локации.
В других локациях все кривульки нарисуются несколько иным образом.
§5.5 Тест радиосвязи зенитным излучением на 32 км.
Предсказания сервиса на поверку оказались довольно-таки правдивы.
Даже удивительно.
Днём, когда синяя кривая показывает 20-30%, SDR приёмник фиксирует факт нажатия на клавишу «Тон» тангенты. На «водопаде» приёмника чётко видна линия -1 кГц относительно частоты радиоканала, но она слаба. Ухо тоже слышит звук, но это не более чем присутствие радиостанции. Уровень речевого сигнала недостаточен для приёма.
Временами с локаторов исчезает даже тональный маркер.
Связи тупо нет вообще.
Это понятно. Когда уровень шума на приёмной стороне S2-S3, а сигнал заметно меньше, либо на уровне шума (гляньте на график), обнаружить его можно только на «водопаде» SDR приёмника, но вряд ли на слух.
Такое наблюдается с 13 местного времени, и примерно до 20 часов.
Время года для конкретности - весна, майские праздники.
Летом диапазон откроется где-нибудь в районе 23 часов местного времени.
Совсем другое дело, когда экранирующий ионосферный дневной слой D исчезает, и радиоволны наконец-то обретают возможность отражаться от вышележащего слоя E (почитайте про распространение КВ, это довольно забавно, и определённо затейливо, нам такое любо).
Вот тут радиосвязь одним Ваттом на антенну зенитного излучения, даже кривовато и низко подвешенную (будем честны перед собой) уже вполне возможна. Картинка с онлайнового SDR радиоприёмника из Улыбино:
На частоте 3.685 МГц идёт радиообмен стандартной мощностью порядка 300 Ватт, причём две радиосети работают на одной частоте (видимо, не слышат друг друга, такое бывает). А правее, на частоте 3.688 МГц, с уровнем на 1-1.5 балла выше уровня шумов, проходит наша одноваттная станция.
Хотя по сравнению с соседями её уровень на «водопаде» не сопоставим, тем не менее речь без проблем принимается. Качество сигнала самодельной радиостанции, несмотря на некоторую её игрушечность, вполне достойное.
Очень облегчает процесс тестирования наличие запаздывания в канале приёма SDR. У этого приёмника оно составляет 2-3 секунды. Можно сказать в тангенту какие-то слова, а потом услышать их в приёмнике. Даже запись для контроля не нужна.
Вертикальная полосочка между речью - звук тональника.
Им можно подавать кодовые сигналы, если речь тонет в эфирных шумах.
В походных группах с QRPP станциями такое обычно практикуется.
Технически это не что иное, как телеграф, а он весьма дальнобойный.
Вместо тональника можно пустить «цифру», например, PSK31.
Это очень просто, читайте вот этот комментарий.
§5.5.1 Механизм связи на КВ зенитным излучением.
На самом деле перекрытие в 32 км на местности вовсе не означает, что радиоволны преодолели именно указанное расстояние. Так было бы при использовании поверхностной волны, но она работает на более коротких дистанциях.
При зенитном излучении пространственная волна от антенны уходит в небо, и на высоте 100-120 км должна отразиться от слоя E, и опять-таки пройти 100-120 км до приёмника. Такова базовая физика.
Причём может оказаться, что частота передатчика слишком мала, чтобы эффективно отразиться от слоя E, и пространственной волне придётся вознестись ещё выше, до слоя F. То есть пройти ещё большее расстояние как туда, так и обратно.
Кстати говоря, в профессиональных расчётах радиотрасс высота слоя F по умолчанию считается равной 330 км (то есть намного больше, чем обозначено рисунком), и снижается в зависимости от внешних условий.
Далее в игру вступают мешающие факторы.
Например, дневной слой D, поглощающий радиоволны. Сперва на их пути к слою E и F, а затем на обратном пути. В результате чего передатчик с малой энергетикой (наш случай) не сможет быть услышан днём через механизм зенитного излучения. Но, если добавить мощности Ватт до 10, то сигнал всё-таки прорвётся, и тактическая радиосвязь станет круглосуточной.
Но не всё так просто.
В зависимости от времени года и времени суток, а так же магнитных бурь и солнечных вспышек, критическая частота слоя F может меняться в широких пределах. Радиоволны с частотой менее критической способны отразиться от слоя F, в противном случае они уйдут в космос.
Но это не точно :)
Даже если частота передатчика выше критической, но пространственная волна уходит вверх не вертикально, а под углом, она, тем не менее, всё-таки способна отразиться от ионосферного слоя F. Правда, именно для местной связи это бесполезно, так как отражённая волна может быть принята лишь на значительном удалении, за пределами «мёртвой зоны».
Все эти эффекты учтены сервисом моделирования радиотрасс, но именно в рамках строгой математической модели. Трудно прогнозируемые отклонения состояния ионосферы моделью не учтены никак, и это следует понимать.
Так же следует учитывать цикл солнечной активности.
В момент написания этой статьи он был на самом минимуме:
И это очень удобно, так как если даже в таких условиях связь на нужное расстояние имеющейся мощностью обеспечивается, то при более активном Солнце и тех же условиях связь тоже заведомо будет.
§5.5.2 Что важно знать при связи пространственной волной.
Давайте посмотрим на вот такую анимацию процесса радиосвязи антенной зенитного излучения (сделано на джаве, возможен саботаж браузера):
Обратите внимание, пространственная волна в своём горизонтальном сечении напоминает бублик, расширяющийся при движении сначала вверх, а потом вниз. Если под телом бублика условно понимать максимум энергии пространственной волны, то становится понятным явление «мёртвой зоны», когда сигнал радиостанции принимается вдали, а казалось бы совсем рядом его не слышно.
Чтобы не нарываться на этот эффект, следует стремиться к формированию вертикальной диаграммы направленности антенны зенитного излучения. Если максимум диаграммы направленности не нацелен в зенит, передачу этой радиостанции будет лучше слышно на каком-то удалении. Возможно, это удаление окажется больше, чем длина необходимой Вам радиотрассы.
К примеру, если всю мощность излучить вкруговую, почти в зенит, но с углом отклонения от вертикали в 5° (представьте себе форму рупора), а отражающий ионосферный слой расположить на высоте 200 км, то без учёта кривизны поверхности Земли (пусть она будет плоская) отражённый сигнал упадёт на поверхность в виде окружности с радиусом 35 км.
Если лепесток диаграммы направленности антенны прижат к горизонту, то о местной связи и вовсе говорить не стоит.
Поэтому, возвращаясь к красочным картинкам §4.2.3.2 и §4.2.3.3, по возможности стоит использовать вариант подвеса End Fed антенны как «Inverted V». «Sloper» тоже возможен, но его уже нужно правильно ориентировать. И он способен лучше работать на радиотрассах с большим удалением.
В данном же конкретном случае классической горизонтальной «верёвки» диаграмма её направленности практически шаровая, и направлена строго вверх. Шар чуть сплющен с боков, и излучает перпендикулярно «верёвке» лучше, чем вдоль.
§5.6 Чуть более дальняя связь.
У местного автора сложилось ощущение, что привлечённый им сервис моделирования радиотрассы даёт вменяемые показания. Только на вкладке «Settings» выпадающее поле формы «Noise» следует ставить в положение «Residental». В противном случае моделирование покажет ну уж очень оптимистичный результат.
Если красную точку на карте (передатчик) оставить в покое, а синюю (приёмник) поподтаскивать к ближайшим населённым пунктам, можно заметить некоторую анизотропию пространства. Сервис утверждает, что в северном и восточном направлениях связь будет лучше, нежели в южном.
К сожалению, Сибирь это такое место, где до ближайших городов, как говаривал классик, долетит редкая птица, да и никакой радиолюбительской инфраструктуры там нет. Единственный альтернативный SDR приёмник на нужный диапазон находится опять-таки в южном направлении, в Барнауле. На расстоянии 175 км по прямой.
Удивительно, но в ночное время на панораме Барнаульского Web SDR 80-метрового диапазона звук тональника оставляет свой след. Возможно, хоть немного настроенная антенна даст возможность услышать и речь.
Если же воспользоваться для оценки связи живыми радиолюбителями, у которых аппаратура лучше, чем WebSDR, то на дистанции порядка 200 км (Барнаул, Ленинск-Кузнецкий, Анжеро-Судженск) они 1 Ватт через End Fed слышат. Естественно, кому не влом «греть уши» и прислушиваться.
§5.7 Первое впечатление от End Fed антенны.
Несмотря на то, что на прикидочном вывешивании антенны не делалось даже попыток настроить её в резонанс (достаточно и моделирования), тем не менее несчастного Ватта мощности хватает для работы SSB посредством зенитного излучения на дистанции свыше 30 км.
Необходимая оговорка.
Один из пользователей бывших народнохозяйственных станций ряда «Карат», «Нива», «Недра» поправляет, что расстояния в 20-30 км этими изделиями перекрываются именно поверхностной волной. Обычно на «штырь», так что никакой пространственной волной там и не пахнет.
Однако, указанные изделия работают на вдвое меньшей частоте, нежели тут. Разница в напряжённости электрического поля, создаваемого на удалении в 20-30 км, для этих двух сильно разных частот составляет порядка 10 раз. Это экспертная оценка.
Так что нет, одноваттная SSB радиостанция при частоте вблизи 3.7 МГц на 30 км поверхностной волной не дотягивается. Если на той стороне радиотрассы мы имеем аппарат со стандартной микровольтной чувствительностью, а не вундервафлю при абсолютном отсутствии атмосферных помех, и прочих мешающих связи эфирных шумов.
Не сильно испортила ситуацию даже малая высота подвеса антенны.
Само собой, физика распространения радиоволн тут в силе, и в полуденное время энергетики QRPP станции совершенно недостаточно для работы отражением от ионосферы сквозь экранирующий дневной слой D.
На приём антенна работает тоже неплохо. По крайней мере, самодельная радиостанция в своём фиксированном канале слышит то же, что и относительно близко расположенный SDR приёмник на тех же самых частотах. Причём в радиостанцию слышно даже больше, чем в WebSDR.
Естественно, посреди городской застройки помех побольше будет. По сравнению с WebSDR иногда громко проходит какой-то рокот и гул. Но присутствует он не всегда - такое ощущение, что приходит откуда-то извне. И тут сильно помогает аттенюатор - зарезав им чувствительность на 10 или даже 20 dB, можно избавиться от помех и рокота, но всё ещё слыша станцию. Хоть и заметно тише.
Было опасение, что полноразмерная антенна насобирает мощных китайских вещалок, каковые в приёмном тракте с прямым преобразованием так же напрямую детектируются. Однако особенности приёмного тракта с кварцевым фильтром прямо за антенной не позволили реализоваться такой угрозе. По крайней мере, как местный автор ни прислушивался, ничто в радиостанции фоном не поёт по-китайски и не пляшет вприсядку.
Теперь остаётся вывесить эту антенну по-человечески, между отдельно стоящими деревьями, и подобрать резонансную длину, а так же, возможно, коэффициент трансформации балуна. Соответствующим образом это всё оформив, дурако- и вандалоустойчиво.
Но уже очевидно, что End Fed антенна вполне годна для походной связи.
Только это нас сегодня и волновало.
§6 Факультативная лабораторная работа.
У читателя может возникнуть неудовольствие исходными материалами, когда местный автор порылся в карманах, выудил на свет божий непонятное ферритовое кольцо странного типоразмера, явно от какого-то советского военного аппарата, и давай на нём трансформаторы мотать.
Согласен, не кошерно.
Потому сходим в ближайший оффлайновый магазин.
§6.1 Ферритовые кольца из магазина.
В магазине радиодеталей сыскалось 5 номиналов колец, причём все они рождены накануне смерти отечественной электронной промышленности. Дата производства, судя по маркировке, 1988-1992 гг.
Давайте эти кольца будем брать по одному, и последовательно промерять сначала на оптимальное число витков первичной обмотки, а затем изготовлять трансформатор Райзерта для тестирования передаваемой в антенну мощности. В точности так, как это описано выше.
Правда, местному автору захотелось упростить процедуру тестирования, так что он заменил медную проволоку на медную жилу в изоляции (выдернута из компьютерного кабеля с четырьмя медными парами).
Так как жила в изоляции по диаметру сильно толще проволоки, а кольца небольшого диаметра, число витков трансформатора снижено до коэффициента трансформации 1:25 по сопротивлению. Для тестирования самих колец этого достаточно, а ещё их не требуется предварительно изолировать слоем тефлона или хотя бы изоленты.
Далее все графики приводятся в едином масштабе.
Их можно накладывать друг на дружку, сразу же наблюдая разницу.
Строго говоря, было бы достаточно единственного графика с нагрузочными характеристиками трансформаторов, выполненных на всех этих кольцах. Но вдруг кому-то будут интересны подробности. Так что по два графика на каждое кольцо.
§6.1.1 Феррит марки М2000НМ-39.
Самая распространённая марка феррита, сыскалось три типоразмера колец. От мелкого к более крупному:
К16*8*6, оптимальное число витков первичной обмотки равно 5.
Трансформатор импеданса 1:25 по сопротивлению, 50⇒1250 Ом.
График передачи мощности в эквивалент антенны:
К20*12*6, оптимальное число витков первичной обмотки тут равно 4.
Оппозитные обмотки передают несколько меньшую мощность:
Трансформатор импеданса Райзерта на этом кольце работает эффективнее:
К32*16*8, оптимальное число витков первичной обмотки равно 4.
По виткам трансформатор вышел 4:20, по сопротивлению 1:25.
Мощность в эквивалент антенны передаётся заметно большая:
График передачи мощности трансформатором на оппозитных обмотках для этого кольца не приведён, потому как такой трансформатор практически уже и не работает, имея колоссальные магнитные потери (передаётся 0.6 Ватта в лучшем случае). Но какой-то экстремум на графике есть, и он соответствует 4 виткам.
§6.1.2 Феррит марки М2000НМ-17.
Типоразмер попался только один - К18*8*5.
Оптимальное число витков первичной обмотки равно 5.
Передача мощности в нагрузку трансформатором импеданса 50⇒1250 Ом:
Не заметно особой разницы между ферритами М2000НМ-17 и М2000НМ-39.
Их вполне можно рассматривать как один материал.
§6.1.3 Феррит марки М3000НМ-А.
Это кольцо из 1988 года, поэтому маркировка ещё старая.
Типоразмер оказался доступен всего один, К20*10*5
И вот тут реализовался тот редкий случай, когда оптимальное число витков в принципе не намотать - 4 мало, а 5 много:
Очень хорошо, что мы с этим столкнулись.
Можно учредить эксперимент, и сравнить два альтернативных варианта.
Пусть сперва первичная обмотка будет из 5 витков, вторичная из 25.
Получим трансформатор импеданса 1:25 по сопротивлению, 50⇒1250 Ом
Точно такой же трансформатор 50⇒1250 Ом возможен при витках 4:20
Видно, что во втором случае мощность в нагрузку не передаётся полностью.
Более того, и экстремум на графике получился более острый, так что кривая даже не отреагировала на него должным образом. Для нас же выгоднее монотонное поведение кривой вблизи экстремума, с максимально плоской вершиной. Первый график в этом плане лучше второго.
Значит, при дробном оптимальном числе витков оппозитных обмоток, имеет смысл округлять его в большую сторону.
Теперь о феррите: особой разницы между М2000НМ и М3000НМ нет.
Возможно, в ШПТЛ феррит марки М3000НМ работает несколько лучше.
§6.1.4 Феррит марки М2000НН.
Зафиксируем для полноты картины данные по немагазинному кольцу К19*13*9, на примере которого мы изучали разные варианты намотки трансформатора импеданса. Но делали мы это для большого коэффициента трансформации 1:68, а теперь изготовим трансформатор по сопротивлению 1:25, содержащий 4 витка первичной обмотки, и 20 вторичной:
КПД трансформатора вырос на 6-7%.
Возможно, так сказалась замена проволоки на провод. Хотя странно.
§6.2 Заключение по доступным ферритовым материалам.
Из лицезрения полученных графиков напрашиваются очевидные выводы:
Мощность, даже если она QRPP, заметно лучше передаётся в антенну трансформатором на феррите покрупнее. Это ожидаемо.
На мелких кольцах оппозитные обмотки работают хорошо.
А вот на самом крупном кольце почти совсем никак.Несмотря на это, ШПТЛ на крупном кольце К32*16*8 при небольших коэффициентах трансформации всё-таки функционирует, и неплохо.
Однако, дальнейшая попытка реализовать на нём трансформатор 1:68 по сопротивлению, самым досадным образом провалилась.
Из чего следует вывод об обязательности проверки ферритового кольца на передачу мощности через оппозитные обмотки. Если мощность не передаётся, то и трансформатора импеданса с большим коэффициентом из этого кольца не получится.
Из сравнения всех доступных местному автору вариантов, ферритовые кольца с внешним диаметром от 20 мм уже вполне подходят. Мелкие кольца показали себя хуже.
Материал феррита особой роли не играет.
Неплох как М2000НМ, так и М3000НМ.
Другого от предыдущей эпохи нам и не осталось.
Правильно нагруженный трансформатор, выполненный на кольцах с внешним диаметром около 20 мм, и согласованный на расчётное сопротивление антенны, передаёт в нагрузку 1.42-1.45 Ватта мощности из выдаваемых передатчиком полутора Ватт. Результат неплохой.
К сожалению, в магазине полностью отсутствовал ферритовый материал с проницаемостью µ=1000, который так же весьма интересен. Но скудность ассортимента не даровала нам возможность исследовать применимость колец марки М1000НМ под нашу задачу.
Учитывая, что современными техническими условиями предусмотрены внешние диаметры ферритовых колец в 20, 23, 28, 30 мм, Вы можете смело использовать любое ферритовое кольцо внешним диаметром 20 мм или чуть больше с магнитной проницаемостью 2000-3000.
На более широкий диапазон µ эксперимент не распространялся.
Хотя такие кольца существуют, сказать про них нечего.
