Ллойд Батлер (Lloyd Butler )
VK5BR

ЕН-Антенна - баланс токов или
излучение ВЧ энергии коаксиальным кабелем питания.
Какая часть энергии излучается и какая теряется?

Введение.
Много было сказано о наводках ВЧ энергии на коаксиальный кабель питания ЕН-Антенны. Это происходит потому, что протекает продольный ток, когда антенна непосредственно связана с кабелем. Есть и такие, кто говорил, что излучение кабеля и является главным излучением в ЕН-Антенне, поэтому и работает ЕН-Антенна. Так что давайте разберемся как обстоит дело на самом деле. Возьмем конкретную антенну и выясним, какая часть энергии излучается антенной, а какая кабелем.

В этой статье я описываю, какие измерения были проведены, чтобы определить какой ток течет в кабеле питания в различных точках, при заданной мощности. Это позволило определить непосредственно излучаемую мощность и мощность потерь.

Демонстрация ЕН-Антенн на диапазон 10 и 40 метров (VK5BR) на встрече операторов CW QRP Клуба
(Фото: Don Callow VK5AIL)

Какие причины вызывают разбалансировку и почему излучает кабель?

При разбалансе и продольного тока при питании антенны коаксиальным кабелем, происходит излучение кабеля если нет фильтров, отсекающих этот ток.

В результате протекания тока, образуется поле вокруг проводника, по которому протекает ток. Если этот ток идет по оплетке кабеля, то она является своеобразной антенной.

Чтобы смоделировать, как это происходит в антенне, мы должны смоделировать и проследить путь этого тока от передатчика к антенне.

Рисунок Рис. 1 иллюстрирует как протекают токи в несбалансированной системе источник-антенна. На рисунке показано питание симметричного диполя по коаксиальному кабелю 50 Ом. Согласующий элемент не показан на рисунке. Длина кабеля в нашем случае является очень маленькой, по сравнению с длиной волны, чтобы не усложнять вопрос из-за обсуждения стоячих волн. И так, ток в кабеле постоянен по всей длине.

Рис. 1
Баланс токов в коаксиальном кабеле.

Здесь я не говорю об излучении кабеля, хотя линия заканчивается диполем, который излучает.

Здесь мощность источника равна 50 ватт, нагрузка 50 Ом и ток 1 Ампер. Это все видно из рисунка.

Я принял реактивную емкость между землей и каждом из диполей в 500 Ом, для целей демонстрации.

Между точками В и С существует потенциал и можем предположить небольшой ток от нижней части диполя к земле. Однако верхняя половина диполя из токи А в точку С, через входное сопротивление диполя в 50 Ом, имеет реактивную емкость в 500 Ом и ток будет приблизительно -j 0,1 Ампера, и он возвращается назад к источнику.

Векторная сумма токов в этих трех проводниках (оплетка кабеля, внутренняя жила кабеля и земля) должна быть равна нулю. А отсюда есть небольшая разница между токами по оплетке кабеля и по внутренней жиле, составляющая j 0,1 ампера.

А раз есть разница в токах, есть магнитное поле, которое может образовываться линией питания. Естественно если есть излучение, значит есть и сопротивление излучения, и этот ток, на самом деле, становится более сложным, чем простой реактивный ток. Однако, я надеюсь, что рисунок объяснил, как может происходит излучение кабелем.

ЕН-Антенна - специфический случай.
В предыдущем примере мы изобразили ток между элементом диполя и землей в 0.1 Ампера. Чтобы сделать это, мы нуждались в реактивной емкости 500 Ом и для диапазона 20 метров, это подразумевает емкость к земле приблизительно в 20 Пф. С такими маленькими размерами элементов, ЕН-Антенна вряд ли покажет высокую эффективность. Однако, эффект умножается из-за увеличения напряжения в схеме согласования ЕН-Антенны.

Возьмем случай L+L, соответствующий ЕН-Антенне, описанной мной ранее (см. ссылку 1). Добротность Q на входе системы согласования равна приблизительно 7, следовательно напряжение между каждым цилиндром и землей надо умножить на 7. Чтобы достичь такого же тока в этом случае необходимо емкостное сопротивление 500 Ом умножить на 7: 500 х 7 = 3500 Ом. В этом случае можно предположить емкость в 3 Пф между диполями и землей на частотах диапазона 20 метров, чтобы получить такой же ток в 0,1 А.

Можно также рассмотреть схемы L+T и STAR согласования (смотрите приложения), но увеличение напряжения и ток на землю с диполей все равно есть и его можно показать.

Конечно мы можем исключить этот ток. Цель фильтра или balun, состоит в том чтобы отсечь этот ток, чтобы не образовывалось поле от кабеля питания.

Но сколько мощности теряется на согласовании при использовании короткого кабеля питания?

Короткий коаксиальный кабель.
Для короткого кабеля питания менее 0,15 длины волны,его сопротивление излучения будет менее 10 Ом. Фактически же, если не поднимать его высоко над землей, оно будет намного меньше.

Давайте посмотрим на возможность такого излучения. Возьмем ток равный 1 Амперу и сопротивление ЕН-Антенны 50 Ом. Мощность = (I*I)*R = (1*1)*50 = 50 ватт.

Излучение кабеля может только происходить за счет поля, которое образуется от разницы токов во внутреннем и внешнем проводнике линии питания (кабеля). Худший результат, который я мог наблюдать, это когда ток во внутреннем и наружном проводнике линии питания различались в 2 раза, при нагрузке в 50 Ом. Таким образом эти токи различались в 0,5 раза или 0,5 Ампера, для нашего случая. Мы говорили что сопротивление излучения кабеля приняли в 10 Ом, таким образом, излучаемая мощность (с кабеля) равняется: (0,5*0,5)*10 = 2,5 ватта. Это всего 5% излучаемой мощности при подводимых 50 ваттах.

Таким образом вы видите, что при питании антенны кабелем не более 0,15 длины волны, теряется совсем небольшая мощность и здесь не требуется фильтр или balun. Поэтому не стоит пугаться, что будет излучаться мощность с кабеля, основная мощность будет излучаться ЕН-Антенной.

Но, давайте теперь рассматривать случай с длинным кабелем. Высота антенны и длина кабеля те же самые, что я и описывал в предыдущих моих статьях с ЕН-Антенной на 20-метровый диапазон. (ранее я писал, что ток образуется из-за разбаланса между токами во внутреннем и внешнем проводниках).

Тест линейного тока.
Далее я опишу, что было сделано, чтобы измерить величину линейного тока по линии питания ЕН-Антенны, без заградительного фильтра или balun. Испытания были проведены на ЕН-Антенне 20-метрового диапазона, чтобы получить информацию по измерению мощности. Испытания проводились на антенне с L+L согласованием и STAR согласованием. Токи в ЕН-Антенне с L+L согласованием тоже были зарегистрированы, но далее не приведены.

Рис. 2
Схема для измерения линейного тока.

Детали схемы для измерения линейного тока.

Ферритовое кольцо диаметром 40 мм.
Внутренний диаметр 20 мм.
Высота кольца 11 мм.
Тип феррита - неизвестен.
Устройство было откалибровано при ВЧ токе 1А и последовательно включенном другим измерителем ВЧ тока.
Шкала: 1,2 х фактический ток (для 20-метрового диапазона).
Шкала: 2,5 х фактический ток (для 40-метрового диапазона).
Результаты измерений.

Антенна была установлена на высоте примерно 2,5 метра над землей.
Кабель питания к антенне равен 17,5 метра.
подводимая мощность 50 ватт.
Расчетный ток 1 Ампер.
Точки измерения:
(1) в 1,5 метра от антенны
(2) у передатчика
Фильтры или balun использованы не были.
Антенна на диапазон 20-метров с L+L схемой согласования.

В 1.5 метрах - 0.26A
у Передатчика - 0.17A
Антенна на диапазон 20-метров со схемой согласования STAR.

В 1.5 метрах - 0.25A
у Передатчике - 0.2A
Антенна на диапазон 40-метров с L+L схемой согласования.

В 1.5 метрах - 0.6A
В Передатчике - 0.08A
Интересный результат - не смотря на тот факт, что в согласовании STAR питание подводится непосредственно к одному из цилиндров, в отличие от схемы согласования L+L. Можно было бы ожидать различных результатов для этих схем согласования, учитывая, что для образования линейного тока в L+L схеме используется только вторичное поле. Результат подтверждает мое мнение, что схема согласования почти исключает линейный ток по оплетке кабеля из-за характеристик ЕН-Антенны, а не из-за использования дополнительных фильтров.

Линейное сопротивление и поглощаемая мощность.
Для того чтобы измерить мощность при линейном способе, коаксиальная линия была разорвана в тех же точках, что и было описано выше в предыдущих тестах, чтобы измерить сопротивление. Шумовой мост использовался для измерения сопротивления, как показано на Рис. 3.

Рис. 3

Измерение было выполнено на ЕН-Антенне диапазона 20-метров с L+L схемой согласования.
Кабель длиной 17,5 метров как описано ранее.
Измерения проводились в 1,5 метрах от антенны и у передатчика.

Результаты измерений.

Сопротивление в 1.5 метрах - 104 Ом.
Ток предыдущего измерения в 1.5 метрах - 0.23 A.
Мощность в 1.5 метрах = (0,23 х 0,23) x 104 = 5.5 Ватт.

Сопротивление у передатчика - 252 Ом.
Ток предыдущего измерения у передатчика - 0.15 A.
Мощность у передатчика = (0,15 х 0,15) x 252 = 5.6 Ватт.
Предыдущие измерения были сделаны с мощностью 50 ватт, от передатчика.
Следовательно, очень близко к 11 % мощности теряется.

Резюме и Заключения.
Я описывал, как может происходить излучение с питающего кабеля, когда вы питаете симметричную антенну несимметричным кабелем. Это явление зависит от тока, протекающего через емкость между элементами антенны и землей. В случае с ЕН-Антенной, ее элементы физически очень маленькие, а значит и эта паразитная емкость также мала, а значит и ток будет маленький. Однако ток в ЕН-Антенне увеличивается за счет увеличения напряжения на элементах антенны. Для короткого питающего кабеля, его сопротивление излучения мало, чтобы излучать большую мощность. Для более длинной питающей линии, излучаемая кабелем мощность может увеличится и мои измерения показывают такой случай, где сопротивление излучения возрастает до 250 Ом у передатчика. Однако если умножить это сопротивление на квадрат тока, мы получим только 11% потерянной мощности. Излучение с кабеля питания в ЕН-Антенне - это конечно неприятно. Если эта неприятность вас беспокоит, вы можете легко от нее избавиться, используя заградительный фильтр, который я описывал в своих предыдущих статьях. Однако мои испытания показывают, что излучение кабеля конечно не является основным излучением ЕН-Антенны, как некоторые люди об этом говорили, и является весьма и весьма незначительным.

Ссылки и литература.

(1) ЕН-Антенны для 20 и 40 метрового диапазона (http://www.qsl.net/vk5br/EHAntenna20_40.htm)
- Ллойд Батлер VK5BR, Любительское Радио, апрель 2003.
(2) ЕН-Антенна - Дополнительная информация о том, как это работает и как это выполнено.
(http://www.qsl.net/vk5br/EHAntennaTheory.htm)-
Ллойд Батлер VK5BR, Любительское Радио

ПРИЛОЖЕНИЕ: Схемы согласования ЕН-Антенн.

Рис. 4

--------------------------------------------------------------------------------

Перевод Кононова В. (UA1ACO)
Источник: http://www.qsl.net/vk5br/EHInhibCoax.htm