Подключение питания антенны с торца

Антенны с “торцевым питанием”, в частности “полуволновые антенны с торцевым питанием” (EFHW), в наши дни в моде, особенно для портативных устройств. Перекиньте верёвку через ветку дерева, подтяните один конец, подключите другой к согласующему трансформатору и — вуаля! — вы в эфире на нескольких диапазонах. И они работают довольно хорошо. В чём секрет?

Питание по напряжению

Вернёмся к старому термину. То, что мы называем “конечным питанием”, долгое время называлось “подачей напряжения”, что означает, что точка подачи расположена в точке высокого напряжения / низкого тока на антенне. Помня, что импеданс — это отношение напряжения к току, эта точка также является точкой с высоким сопротивлением. Поскольку ток на конце антенны будет довольно низким — куда он пойдёт? — концом будет точка с высоким сопротивлением, независимо от частоты.

Точка питания не обязательно должна быть в конце, чтобы иметь высокий импеданс. Например, на его второй гармонике знакомый диполь становится питаемым напряжением. Serge, ON4AA, сделал очень хороший, хотя и сложный рисунок, показывающий ток на диполе для его основной и нескольких гармоник. Вы можете видеть, что на чётных гармониках центральная точка питания всегда имеет высокое сопротивление, а на нечётных гармониках это точка с низким сопротивлением. Но … единственная точка, где импеданс всегда высок, — это конец.

Существует множество антенн с напряжением или с торцевым питанием. Классический Zepp (названный в честь дирижабля Zeppelin, на котором он использовался) представляет собой полуволновой диполь, питаемый с одного конца. Популярная J-pole также является торцевой антенной — Zepp с полуволновым излучающим элементом, торчащим прямо вверх, а не горизонтально. Вот два хороших рисунка от Owen, VK1OD, которые показывают, что Zepp (вверху) и J-полюс (внизу) — это действительно одна и та же антенна! (Это сделало бы их подключением к цепному полюсу?) Полная статья “Zepp с торцевым питанием” доступна здесь.

       

Другие примеры антенн с питанием от напряжения включают в себя полуквадратичную (сверху) и карликовую шторку (снизу):

Подача напряжения

Итак, как вы “подаёте напряжение” на концевую антенну? Вы можете просто подключить коаксиальный кабель и использовать свой антенный тюнер. К сожалению, КСВ от высокоимпедансной нагрузки приведёт к большим потерям в коаксиальном кабеле! Вам необходимо преобразовать сопротивление в точке высокой подачи до значения, близкого к 50 Ом. Для этого есть три распространённых способа:

Настроенные фидеры

В Zepp и J-pole используется подход “настроенных фидеров”. Четвертьволновая линия передачи, подключенная к высокому импедансу на одном конце, будет иметь низкий импеданс на другом. Именно так первоначально питался Zepp. J-полюс замыкает один конец своего “фидера”, так что другой конец будет иметь высокий импеданс. Где-то между коротким и антенной будет точка, в которой импеданс близок к 50 Ом, и именно там вы подключаете линию питания, как показано выше. Вы можете применить этот метод к любой антенне, питаемой напряжением, но он будет работать только на одной частоте. Это не многодиапазонное решение.

Параллельная LC-схема

Другой одночастотный или “резонансный” подход заключается в использовании схемы с параллельной настройкой, как показано ниже. Схема сначала настраивается на резонанс с подключенной антенной. Схема с параллельным резонансом обеспечивает высокий импеданс в точке подачи. Затем коаксиальный кабель к передатчику присоединяется к катушке с помощью подвижного отвода, и положение отвода регулируется для наилучшего соответствия.

Настроенная схема действует во многом как четвертьволновая линия передачи, не так ли? Один конец имеет низкий импеданс (по отношению к земле), а другой — высокий импеданс. (Существует много параллелей между настроенными LC-схемами и линиями передачи.) Если вы используете этот метод при 100 Ом или более, будьте осторожны с высоким напряжением, возникающим в точке питания! Переменный конденсатор также должен выдерживать эти напряжения. Типичные значения для L и C составляют 15 Мкч и 75-150 пФ для работы в низкочастотном диапазоне. Это узкополосная согласующая сеть с типичной полосой пропускания КСВ 2:1 менее 100 кГц.

Трансформатор импеданса

Решение, которое работает в нескольких диапазонах, заключается в использовании широкополосного согласующего трансформатора полного сопротивления. Это обычная схема согласования для популярных антенн EFHW. Коэффициент преобразования импеданса трансформатора равен квадрату отношения витков. Как показано здесь, соотношение оборотов составляет 7: 1, поэтому коэффициент полного сопротивления составляет 49:1, а феррит типа #43 будет работать во всем диапазоне ВЧ 80-10 метров. Конденсатор ёмкостью 150 пФ компенсирует индуктивность обмотки, поэтому коэффициент полного сопротивления остаётся стабильным выше 15 метров в диапазонах 24 и 28 МГц. Конструкция трансформатора и многие другие детали EFHW описаны в отличной презентации Стива, K1RF, здесь.

Почему 49:1?

При исследовании антенн EFHW и антенн с произвольным подключением рекомендуется использовать трансформаторы с коэффициентом полного сопротивления от 9:1 (соотношение витков 3:1) до 64:1 (соотношение витков 8:1). Чтобы выбрать правильное соотношение оборотов, вам необходимо знать импеданс точки питания антенны. Большинство антенн с торцевым питанием будут иметь сопротивление точки питания от 1000 до 5000 Ом. На самом деле довольно сложно создать импедансы выше 5000 Ом на РЧ из-за паразитной ёмкости и связи с близлежащими проводящими объектами. На графике ниже показан первичный импеданс трансформатора с несколькими различными импедансами в точках питания и коэффициентами витков.

“Лучшим” соотношением будет такое, при котором импеданс в коаксиальном кабельном соединении будет близок к 50 Ом в широком диапазоне импедансов точки подачи.

Начиная с трансформатора 9:1, вы можете видеть, что он будет хорошо сочетаться ниже 1000 Ом (КСВ будет 1:1 при 450 Ом), но по мере увеличения импеданса увеличивается и КСВ. (То же самое верно для соотношений 16 и 25:1.) Если вы используете трансформатор 9:1 при таких высоких импедансах нагрузки, будьте осторожны — потери в кабеле частично скроют высокий КСВ в точке питания.

Постепенно увеличивая коэффициент поворота, вы можете видеть, что при соотношении оборотов 6, 7 или 8 все они обеспечивают достаточно низкий КСВ во всем ожидаемом диапазоне импедансов точки подачи.

Трансформатор 49:1 с соотношением витков 7 (2 первичных витка и 14 вторичных витков) имеет КСВ ниже 3:1 для всех наших импедансов в точках питания, наименьший минимальный КСВ (1,02:1) и наименьший средний КСВ (1,69:1).

Это трансформатор, используемый во многих коммерческих антеннах EFHW, наборах и самодельных антеннах. Если вы создаете это самостоятельно, сначала прочитайте и поймите презентацию K1RF. Следует использовать высоковольтный керамический конденсатор, даже если вы собираетесь работать на уровнях QRP. Эти конденсаторы имеют низкие потери и относительно стабильны при температуре.

Трансформатор может использоваться на большинстве антенн с торцевым питанием или напряжением и станет ценным дополнением к вашему оборудованию для проектирования антенн. У вас также должны быть некоторые неиндуктивные резисторы (из оксида металла или углеродного состава) различных значений для проверки трансформатора при разных значениях нагрузки. Антенный анализатор может измерять совпадение в нескольких диапазонах.

Автор: Ward Silver, N0AX

См. канал в  Telegram