В радиолюбительской коротковолновой связи в качестве передающей антенны используется «длинный провод». Выражение — антенна в виде длинного провода — означает, что длина провода больше, чем длина рабочей волны, и, следовательно, антенна возбуждается на гармониках ее собственной длины волны. Рассмотрим подробнее свойства и конструктивные особенности антенны в виде длинного провода.
Сооружение антенны в виде длинного провода достаточно просто и не требует больших затрат, но сама антенна занимает много места, так как пропорционально длине антенны увеличивается ее эффективность. При соответствующем подборе размеров антенны и фидера антенна может служить в качестве коротковолновой широкодиапазонной антенны.
Необходимая длина антенны в виде длинного провода определяется по формуле $$l=\frac{150 \cdot (n-0,05)}{f},$$
где l — искомая длина, м;
n — число полуволн рабочей волны;
f — рабочая частота, Мгц.
Из диаграммы направленности полуволнового вибратора (рис. 1-9) видно, что максимум излучения направлен перпендикулярно оси антенны.
С увеличением длины антенны направление основного лепестка диаграммы направленности все больше и больше приближается к оси антенны. Одновременно увеличивается и интенсивность излучения в направлении основного лепестка. На рис. 2-1 изображены диаграммы направленности антенн, имеющих различную длину.
Особенно заметно, что с увеличением длины антенн появляются боковые лепестки. Такая многолепестковость диаграммы направленности не является существенным недостатком антенн в виде длинного провода, так как они все же сохраняют более или менее удовлетворительную круговую диаграмму направленности, дающую возможность устанавливать связь почти во всех направлениях. Кроме того, в направлении основного излучения достигается значительное усиление, которое увеличивается по мере увеличения длины антенны. Характерной чертой этих антенн, особенно полезной для связей на большие расстояния, является то, что они имеют небольшие вертикальные углы излучения. На рис. 2-2 приведен график, по которому можно определить теоретическое усиление антенны в децибелах (кривая I), угол между направлением основного излучения и плоскостью подвеса антенны (кривая III), а также сопротивление излучения антенны, отнесенное к току в пучности (кривая II).
Пример. Требуется рассчитать и изготовить антенну для любительского диапазона 20 м. Местные условия дают возможность подвесить провод длиной 85 м в направлении восток — запад.
Нужно определить: а) необходимую длину провода для 4λ антенны; б) ожидаемое усиление антенны в направлении максимума основного лепестка; в) сопротивление излучения и направление максимума основного лепестка.
Длина провода определяется по формуле
$$l[м]=\frac{150 \cdot (n-0,05)}{f[Мгц]}.$$
Так как на 4λ антенне может разместиться 8 полуволн, то n = 8. Средняя частота 20-м диапазона 14,1 Мгц.
$$l[м]=\frac{150 \cdot (8-0,05)}{14,1}=\frac{1192,5}{14,1}\approx 84,57 м.$$
Таким образом, длина провода составляет 84,57 м.
Из рис. 2-2 находим, что при длине антенны 4λ (точка пересечений с кривой I) следует ожидать усиления антенны в направлении максимума основного лепестка около 3 дб.
Сопротивление излучения при этом 130 ом (кривая II), а угол между направлением основного лепестка диаграммы направленности и плоскостью подвеса антенны (кривая III) равен 26°.
Так как антенна подвешена в направлении восток — запад, что соответствует 270°, то, как видно из рассмотрения рис. 2-1, основные максимумы диаграммы направленности имеют следующие направления:
270 + 26 = 296°,
270 — 26 = 244°,
90 + 26= 116°,
90 — 26 = 64°.
Определив направления основного излучения, можно по карте мира в конической равноугольной проекции найти те районы, с которыми может быть достигнута наиболее устойчивая связь при использовании рассмотренной выше антенны.
Диаграммы направленности (рис. 2-1) представляют собой идеализированные теоретические диаграммы и на практике всегда претерпевают некоторые изменения. Например, заметная деформация диаграммы направленности имеет место, когда вибратор возбуждается на одном из его концов, т. е. питание антенны несимметричное. Для наглядности на рис. 2-3 приведена диаграмма направленности 2λ антенны в виде длинного провода в горизонтальной плоскости при симметричном и несимметричном питании. При возбуждении антенны на одном из ее концов (диаграмма изображена штриховой линией) диаграмма направленности также становится несимметричной, причем максимум излучения перемещается в направлении открытого конца антенны, а лепестки излучения, находящиеся в направлении конца антенны, с которого производится возбуждение антенны, ослабляются. Подобная деформация диаграммы направленности возникает во всех антеннах с несимметричным питанием. Следовательно, антенна в виде длинного провода дает основное излучение в направлении открытого конца. Дальнейшая деформация диаграммы направленности происходит в случае, если антенна либо наклонена по отношению к земле, либо расположена над наклонным участком. Если открытый конец антенны наклонен или же антенна подвешена над наклонной поверхностью (рис. 2-4), то в направлении, указанном на рисунке стрелкой, в любительских коротковолновых диапазонах могут быть установлены дальние связи.
При установлении связей на больших расстояниях особенное значение имеет направление основного лепестка диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости. Как уже упоминалось, для дальних связей особенно благоприятным является «плоское» излучение, т. е. небольшие вертикальные углы излучения. В частности, для каждого из любительских диапазонов наиболее благоприятные средние углы вертикального излучения составляют: 80-м диапазон — 60°; 40-м — 30°; 20-м — 15°; 15-м — 12° и 10-м — 9°.
Антенны в виде длинного провода имеют пологие углы вертикаль ного излучения в случае большой высоты подвеса провода. Например, при высоте подвеса, равной 2λ, вертикальный угол излучения составляет 10°, а при высоте 0,5λ — около 35°. При меньших высотах подвеса антенны уменьшение вертикального угла излучения и, следовательно, увеличение возможности дальних связей может быть достигнуто, как уже отмечалось выше, за счет наклона вибратора.
Использование антенны в виде длинного провода в качестве многодиапазонной антенны
Самая простая из антенн коротковолнового диапазона L-образная антенна. По своему внешнему виду она мало чем отличается от радиовещательных антенн средневолнового диапазона (рис. 2-5). Ее общая длина l (до антенного зажима подсоединяемого устройства) должна составлять по меньшей мере λ/2. Эту антенну можно использовать как многодиапазонную, если она рассчитана как полуволновая антенна для диапазона 80 м. В этом случае антенна представляет собой для диапазона 40 м 1λ антенну, для 20 м — 2λ антенну, для 15 м — 3λ антенну и для 10-м диапазона — 4λантенну.
К сожалению, сказанное выше не совсем верно. Когда по формуле $$l[м]=\frac{150 \cdot (n-0,05)}{f[Мгц]}$$ определяется длина полуволновой антенны для f = 3 500 кгц, то имеем: $$l[м]=\frac{150 \cdot 0,95}{3,5}=40,71 м.$$
Однако полуволновая антенна для частоты 7 Мгц по той же формуле должна иметь длину $$l[м]=\frac{150 \cdot 1,95}{7}=41,78 м.$$
Таким образом, полуволновая антенна короче требуемого значения более чем на 1 м.
Из приводимого ниже сравнения видно, что полуволновая антенна, рассчитанная для 3 500 кгц, в случае использования ее на высших гармониках расчетной частоты, соответствующих любительским диапазонам, в каждом случае короче необходимого значения.
| Резонансная частота | Длина антенны, м |
|---|---|
| 3 500 (0,5λ) | 40,71 |
| 7 000 (1,0λ) | 41,78 |
| 14 000 (2,0λ) | 42,32 |
| 21 000 (3,0λ) | 42,50 |
| 28 000 (4,0λ) | 42,60 |
Таким образом, когда нормальная L-антенна используется в качестве многодиапазонной, следует учитывать, что она может быть точно рассчитана только для одного диапазона, а в остальных диапазонах полное согласование получено быть не может.
На практике длина антенны, равная 42,2 м, является достаточно хорошим компромиссным решением, так как в этом случае резонансная частота антенны расположена в пределах диапазонов 10, 15 и 20 м (f соответственно равна 14 040 кгц, 21 140 кгц, 28 230 кгц), а для диапазона 40 и 80 м такая антенна имеет длину, большую необходимой. Применение рассмотренной антенны в качестве вседиапазонной антенны, конечно, следует понимать как вспомогательное решение.
Это связано с тем, что в густонаселенных районах вследствие того, что L-образная антенна излучает по всей своей длине, включая подводящий фидер, могут возникнуть сильные помехи радиовещательным приемникам. Часто предлагаемый способ связи антенны с колебательным контуром оконечного каскада через высоковольтный конденсатор (рис. 2-6) может в лучшем случае уменьшить излучение высших гармоник только у станций небольшой мощности.
В этом смысле целесообразно использовать связь L-образной антенны с колебательным контуром оконечного каскада передатчика через П-контур. С использованием П-контура можно добиться точного резонанса во всех диапазонах, а также подавить паразитные высшие гармоники (рис. 2-7). Такая L-образная антенна с П-образным контуром очень распространена и дает хорошие результаты при условии, что 80% ее общей длины подвешены как можно выше и дальше от окружающих предметов.