Революционная мысль о том, как генерируются электромагнитные волны, вылилась в результат воспроизведенный в маленькой эффективной антенне, изготовленной в виде диполя из труб, который назвали ЕН-Антенной. Здесь мы описываем изготовленные антенны, для диапазонов 20 и 40 метров.
40-метровый Диполь
Введение Хороший способ начать изготовление антенны состоял в том, чтобы прочитать статьи Тэда Харта (W5QJR) на на вебсайте http://www.eh-antenna.com. Однако не каждый имеет доступ к Интернету, и я дам очень короткий конспект того, как Тэд объясняет суть дела. Прошло приблизительно 120 лет, с тех пор как Генрих Герц обнаружил, что радиоволны имеют периодический характер. В течение прошлого столетия наше понятие фундаментальной антенны было основано на резонансе полуволнового отрезка, пррименявшегося и к другим разновидностям антенн Герца. Также приблизительно 120 лет назад Джон Генри Пойнтон (John Henry Poynton) обнаружил следующие зависимости между компонентами излучения: (1) Есть Электрическое (E) поле и Магнитное (H) поле, которые должны образовываться в одном и том же месте, должны быть сдвинуты относительно друг друга на 90 градусов и распространяться синхронно. (2) Отношения между полем E (в вольт/метр) и полем H (в ампер-виток/метр) равны 377 омам, это есть импеданс окружающего пространства. Чтобы появилось излучение, поля E и H должны удовлетворять этим требованиям. Мы знаем, что поле E в резонансной антенне Герца в полволны, образуется на концах антенны, где напряжение является наиболее большим, и поле H образуется, по существу, в центре, где ток является наиболее большим. Очевидно правильные соотношения между полями E и H не происходят, до, приблизительно, одной трети расстояния длины волны от антенны, где поля становятся более слабыми. Так возможно есть лучший путь! Мы соглашались с теорией антенны Герца в течение столетия. Однако в 1980-х годах, шотландский профессор Морис Хейтлай (Maurice Hately GM3HAT) правильно заключил, что нет необходимости в большой резонансной антенне, и излучение может быть достигнуто, созданием поля, в правильных отношениях, в результате правильного, поэтапного генерирования поля в излучающих компонентах. В результате, Профессор Хейтлай, вместе с несколькими партнерами, изготовил (и фактически запатентовал) различные формы Антенны с Пересекающимися Полями (CFA), которые предназначались для того, чтобы излучать поля E и H под прямым углом, в фазе и однолвременно в самой антенне. Такая антенна получила название Кросс-Филд Антенна (CFA). Некоторые из нас вcпомнят Тэда Харта (W5QJR), который предлагал расчеты "магнитной" антенны LOOP. Тэд, в конечном счете, был вовлечен в работу по созданию X Полевой антенны и продолжал развивать ее, что в дальнейшем вылилось в запатентованную ЕН-Антенну.
Так, я делал попытку изготовить эту антенну для диапазонов 20 и 40 метров. Эта статья о том, как изготовить такие антенны и как они выполнены.
Изготовление ЕН-Антенны Антенна состоит из двух цилиндров (или конусов) с естественной емкостью между ними. Вы могли бы полагать, что это толстый диполь (или толстый bi-конус). Поле E создается напряжением между цилиндрами, поперек цилиндров и поле Н создается током смещения в диэлектрике, между двумя этими элементами. (Поля, пересекающиеся под прямым углом, показаны на рис.1). Я собрал - два образца этой антенны, основанные на идеях Стефано (Stefano Galastri IK5IIR), которые можно посмотреть на вебсайте, который я упомянул. Стив сформировал диполь, обертывая листы меди вокруг сантехнической поливинилхлоридной трубы. Цилиндры в моей антенне находятся внутри этой трубы, а не снаружи.
Рис. 1
В стандартной ЕН-Антенне, сопротивление излучения (RL) получается равным: 2 * (Пи) * 377 = 2368 Ом. Внешняя схема согласования должна преобразовать сопротивление линии передачи в 50 Ом, в сопротивление диполя с сопротивлением излучения 2368 Ом. В мостовой L-схеме согласования используется две катушки индуктивности и два конденсатора. Легко вычислить величины этих компонентов, поскольку каждый из них должен равняться квадратному корню (50*RL) и равняться 344 Ом. Регулировка схемы согласования также гарантирует, что ток смещения находится в фазе с напряжением поперек пластин так, чтобы поля E и H находились в фазе. В моих экспериментах, расхождение фазы было настолько мало, что трудно заметить отклонение от расчетных значений, на которые я только что указывал. В этом пункте я должен привлечь внимание к тому факту, что в Австралии мы используем метрическую систему измерения. Однако все данные, на которые я сослался, используют имперские единицы. Чтобы избегать любых ошибок, я преднамеренно использовал имперскую систему (в дюймах). Схемы антенны представлены на Рис. 2 Я сначала собрал 40-метровую антенну, как показано на Рис. 3. Для каждого цилиндра (половина диполя) я использовал стандартные банки из под консервов, которые равны 4 дюймам в диаметре и 4.5 дюймов глубиной. Внутренний диаметр поливинилхлоридной трубы, которую я получил, был 4 дюйма, поэтому банки очень хорошо подошли - это приятно порадовало. Конечно можно использовать и подходящие банки с внешней стороны трубы.
Рис. 2 Схема ЕН-Антенны
Рис. 3 Ен-Антенна на 40-метровый диапазон
Я старался следовать рекомендациям Стива, делая схемы согласования. Для статоров конденсаторов я приспособил секции банок для консервирования. Для перемещающихся частей конденсаторов я использовал также части от банок, которые закрепил на трубе большими упругими кольцевыми резинками. Это позволило передвигать подвижные части конденсатора по трубе, для настройки антенны в резонанс. После настройки антенны эти подвижные части могут быть приклеены. Катушка индуктивности L1, расположенная ниже имеет на один виток меньше,чем верхняя L2. При испытании антенны, я нашел что она должна быть несколько меньше по индуктивности и это происходит видимо из-за длинного провода, соединяющего катушку L1 с верхним цилиндром.
Размеры цилиндра Согласно рекомендациям, диаметр цилиндра не очень важен, и мои собственные испытания, казалось, дали этому подтверждение. Однако, от отношение длины цилиндра к диаметру, действительно меняется угол излучения антенны. Маленькое отношение этих величин, делает связи на близкое расстояние более устойчивыми, тогда как, большое отношение делает диаграмму направленности более пологой, что хорошо для дальних (DX) связей. Эти соотношения могут колебаться от 1:1,5, для оптимального соотношения, до 1:3,14 для дальних связей (DX). Мои соотношения были следующими: Для 40-метровой антенны, отношение было 1:2,4. Используя такое соотношение, местные станции давали мне на 2 балла ниже по сравнению с антенной Inverted V. Для более длинных дистанций, различие было значительно больше. Для антенны на диапазон 20 метров, я взял соотношение немного больше 1:2,85 и это было гораздо лучше для дальних станций. Для антенны на диапазон 20 метров, рекомендовалось использовать цилиндры диаметром 2 дюйма, я же использовал цилиндры немногим меньше 3 дюймов, так что они были несколько больше рекомендованных. ЕН-Антенна на диапазон 20 метров показана на Рис. 4. Схема согласования у этой антенны почти такая же как и у антенны на диапазон 40 метров, за исключением того, что антенна выполнена на сантехнической трубе 3 дюйма в диаметре. Банки к этой трубе чудесно подошли от других австралийских консервов. конструкция цилиндров у этой антенны тоже несколько иная. В антенне на диапазон 40 метров я использовал по две банки для изготовления каждого цилиндра, расположив их на маленьком расстоянии друг от друга, а для антенны на диапазон 20 метров - банки в каждом цилиндре спаяны друг с другом, как это можно видеть на схеме. Катушка L1, как и в варианте с антенной на 40-метровый диапазонимеет несколько меньшую индуктивность.
Рис. 4 ЕН-Антенна на диапазон 20 метров.
Изолирующая катушка Здесь не были упомянуты две катушки, состоящие из одного витка, которые можно увидеть на антенне 40-метрового диапазона. они установлены ниже верхнего цилиндра и выше нижнего цилиндра. Согласно рекомендациям такие катушки несколько изменяют фазу и фактически увеличивают отдачу антенны. Стив говорит, чтоинтервал между цилиндром и катушкой является критическим, но я не знаю почему. Тем не менее я намотал катушки на расстоянии 0,25 дюйма от края цилиндра. Я не использовал такие катушки в антенне на диапазон 20 метров, но, в принципе, я мог бы их добавить в любой момент, чтобы посмотреть разницу.
Настройка антенны При регулировке антенны, настройки L и C являются весьма критическими. Настойте передатчик на частоту середины диапазона и установите мощность около 10 ватт и ищите наименьший КСВ в диапазоне. Изначально я специально сделал большее количество витков в катушке, по сравнению с расчетным по формуле Вилера, и далее отматывал витки, одновременно подстраивая конденсаторы С1 и С2 каждый раз. После закрепления концов катушек, все равно можно регулировать частоту настройки, немного раздвигая витки. Когда вы подходите к резонансу, КСВ быстро становится 1:1 при точном резонансе. Когда регулировка была закончена, я смог зажечь лампу дневного света, поднеся ее к цилиндру, хотя мощность передатчика была менее 15 ватт. Низкое КСВ также способствует максимальному излучению антенны, измеренному индикатором поля вдали от антенны. После настройки антенны, я разъединил катушки и конденсаторы и замерил их номиналы. Они получились очень близкими к расчетным, как и показано на Рис. 2, и как было расчитано по формуле с принятым сопротивлением излучения 2368 Ом. Тестовые испытания антенны чтобы проверить работу антенны в эфире, я решил сравнить ее работу с антенной Inverted V, которая по размерам равна полволны на диапазоне 40 метров, и длине волны на диапазоне 20 метров. для 20-метрового диапазона эта антенна довольно длинная и, без сомнения, имеет много боковых лепестков и сложное согласование. При расположении этих двух ЕН-Антенн на расстоянии 1 метр от земли, они проигрывали антенне Inverted V приблизительно на 2 балла, хотя действительно были сигналы на 20-метровом диапазоне равные по силе, на антенне ЕН и на Inverted V. Уровень принимаемых сигналов значительно улучшился, когда я поднял ЕН-Антенну на 3 метра над поверхностью земли. При проведении связей с местными станциями (пригород столицы), оценка на ЕН-Антенну, на 40-метровом диапазоне, была примерно на 2 балла ниже, чем на Inverted V. эта разница пропадала, при проведении связей с DX и на большие расстояния. С другой стороны, ЕН-Антенна работала в любом случае лучше, чем произвольной длины провод, натянутый до ближайшего дерева и согласованный с помощью Z-согласования. При работе на диапазоне 20 метров на расстояние, приблизительно, 1500 км на восток Австралии, уровень сигнала был чуть ниже, чем на антенну Inverted V. Это весьма внушительно, учитывая, что размер ЕН-Антенны равняется 20 дюймам (около 50 см), а длина диполя Inverted V равна длине волны в 20 метров!
Влияние погоды Мои антенны были построены как экспериментальные и не расчитаны на противостояния стихии, не содержат элементов защиты. Без защитного покрытия, пайки будут окисляться, а банки ржаветь. Я также мог ожидать, что птицы могут свить гнездо в трубе антенны, а сама труба может стать прибежищем для пауков. Вообразите себе паука в качестве диэлектрика между двумя цилиндрами. Однако, на мой взгляд, антенна могла бы прекрасно работать будучи защищенная, например на чердаке дома.
Заключение и комментарии Конечно восприятие к стандартной антенне Герца изменилось. Факт, что радиосвязи на большие расстояния можно проводить с такими маленькими по размерам антеннами, весьма революционен. Однако если Вы имеете место для размещения полноразмерной антенны, или Вы имеете уже установленную такую антенну, я не демонтировал бы ее. В моих испытаниях полноразмерный диполь работал все же лучше. Однако если Вы живете в таком месте, что у Вас стесненные условия и Вы не можете позволить поставить полноразмерную антенну, установка ЕН-Антенны будет, несомнено, выходом из этой ситуации. Конечно может быть, что мой собственный пример построения ЕН-Антенны не может быть оптимальным. Например, для цилиндров я использовал стальные, покрытые оловом банки для консервов. Более дорогая медь для цилиндров имела бы более низкое поверхностное удельное сопротивление, хотя, с другой стороны, при таком высоком сопротивлении излучения, это и не могло бы сыграть значительную роль. Однако есть одна вещь, над которой я все время размышляю. Сталь - ферромагнитный материал и я все время задаюсь вопросом: могли бы его магнитные свойства, некоторым образом, исказить магнитное поле и изменить свойства антенны? Я, естественно, сравнил ЕН-Антенну с магнитной рамкой LOOP на диапазон 20 метров, диаметром 1 метр. Однако магнитная петля имеет чрезвычайно высокое Q, и это заставляет все время перестраивать рамку по диапазону во время работы. ЕН-Антенна может быть настроена в центре диапазона и использоваться без перенастройки. Я настраивался с КСВ 1:1 в центре диапазона и тогда КСВ не падал хуже 1:1,5 по краям диапазона. Следующее сравнение тоже не маловажно - это физический размер ЕН-Антенны и рамки LOOP. Они не столь контрастны для диапазона 20 метров, на на 40-метровом диапазоне, для изготовления магнитной рамки требуется уже около 10 метров медной трубки (33 фута). Сравните эти размеры с ЕН-Антенной на диапазон 40 метров, описаной выше. Следующая особенность ЕН-Антенны, это ее маленькая чувствительность к шумам. Это очень тихая антенна, по отношению к шумам. Концепция антенн Герца было с нами на протяжении долгого времени. Но теперь у нас открыт путь и даны рекомендации в экспериментировании с электромагнитной волной теоретическое обоснование которой дал Джон Генри Пойнт 120 лет назад.
Ссылки 1. Сайт по ЕН-Антеннам Теда Харта W5QJR - http://www.eh-antenna.com
2. ЕН-Антенна на 20 метров - http://www.qsl.net/w0kph/fullnet.htm
3. Как сделать и настраивать ваши радиоллюбителдьские ЕН-Антенны (Stefano Galastri IK5IIR) http://www.eh-antenna.com
Дополнения от апреля 2003 года Эта статья была написана в сентябре 2002 года и опубликована в журнале "Любительское Радио" в апреле 2003 года. Теория ЕН-Антенны была описана в этой статье так, какой она была на момент написания. Много воды утекло с того времени и было много противоречий относительно того, как все это работает. Первоначально я изучил как образовывается поле Н от тока смещения поля Е. Я разместил эту статью в интернете на странице: http://www.qsl.net/vk5br/EHAntennaTheory.htm. Я полагаю, что пока поле Е образуется поперек цилиндров, поле Н образуется от тока смещения вторичного поля Е между цилиндрами и взаимодействуют со схемой согласования... Позже также выяснилось, что есть также поле вокруг питающего кабеля (http://www.qsl.net/vk5br/HFieldTests.htm) и (http://www.qsl.net/vk5br/CoaxShieldTests.htm). Вот в этом и есть источник противоречий. Некоторые даже думают, что ЕН-Антенна излучает преимущественно питающим кабелем. Другие считают, что не требуется использовать специальные фильтры на питающем кабеле. Это дает широкое поле для экспериментов в будущем.
Меры предосторожности
В экспериментировании с этими антеннами, нельзя забывать, что близость к полям вокруг антенны может быть опасна для здоровья и может превышать допустимые уровни. В ЕН-Антенне эти поля имеют весьма высокую концентрацию в области двух маленьких цилиндров и схемы согласования. Нужно быть особенно осторожным, при работе вблизи элементов антенны, особенно при работе большой мощностью. Как упомянуто в предыдущем параграфе, небольшое поле было обнаружено вокруг питающего кабеля. На данный момент не установлено, может ли это поле достигать больших уровней опасных для жизни, но тем не менее, это надо учитывать, так как кабель питания подходит на рабочее место оператора.
