ЕН антенна - забытое старое по-новому История создания емкостной антенны. Вернемся в 1928 год, в журнале «Радио всем» за 9 месяц имеется статья «QRP для летней работы» на страницах 43-45. На рисунке 1 представлена схема генератора и антенны соединенные воедино, последовательный контур образуется катушкой L1 и контактами К1 и К2 выполненными из медной проволоки в виде решетки. Так как же она работала? Медные решетки – это раскрытый (развернутый) в пространстве конденсатор, катушка – индуктивность последовательного колебательного контура, таким образом, получается первый постулат – раскрытый (развернутый) в пространстве конденсатор излучает энергию в эфир в виде радиоволн. У конструкции этой антенны есть два серьезных недостатка: 1. Последовательный контур запитывается посредством катушки связи, что не обеспечивает должной добротности самой индуктивности, из-за взаимного влияния катушек. Т.е. катушка колебательного контура не достигает расчетной добротности диктуемой конструктивом. 2. Низкая высота подвеса антенны менее 0,1 длины волны излучаемой антенной. В 1988 г. Шотландский ученый, профессор М. Хайтли запатентовал антенну CFA. В начале 90-х к разработке электрически малых АФУ подключился американский инженер Р.Т. Харт, разработал оригинальные конструкции SFRT и PVA антенн. Он их назвал ЕН антенны (читается Е-АШ). Наш соотечественник Кононов Владимир (UA1ACO) вложил огромный вклад к изучение антенны этого типа. Большая часть замеров и экспериментов принадлежит именно ему. Принцип работы. Электромагнитные колебания, возникшие в замкнутом контуре, в окружающее его пространство практически не излучаются. Для этих целей примеряется открытый колебательный контур, который называется антенной или вибратором. Колебательный контур ЕН антенна Диполь (показан с от закрытого до полуоткрытого) Отличие диполя от ЕН антенны: 1. В диполе нет сосредоточенных элементов (емкость и индуктивность распределена однородно по всей длине полотна антенны) 2. В ЕН антенне оба элемента колебательного контура присутствуют, но конденсатор конструктивно выполнен открытым (раскрытым). Если раздвигать пластины конденсатора, интенсивность излучения электромагнитных волн в окружающее пространство будет возрастать, а замкнутый колебательный контур превратится в открытый. Это утверждение справедливо только применительно в дипольной антенне. ЕН антенна – это полузакрытый или полуоткрытый колебательный контур, поскольку только один элемент раскрыт в пространстве, но при этом остается частью контура. Хотя есть пример и открытого колебательного контура со всеми элементами развернутыми в пространстве и это не диполь, это – магнитная одновитковая рамка и плоский конденсатор раскрытый в пространстве и расположенный (повернутый) по отношению к рамке на 90 градусов, но не находящийся в объеме рамки. В ЕН антенне создаются именно радиоволны между обкладками конденсатора, а не сдвинутые относительно друг друга Е и Н поля, как в дипольный антеннах, с образованием радиоволны в дальней зоне (теорема Д. Г. Пойнтинга). Между обкладками конденсатора ЕН антенны имеется переменное электрическое поле, поэтому, согласно Д. К. Максвелла, через конденсатор "проходят" токи смещения, причем в тех участках, где отсутствуют проводники. Наличие токов смещения подтверждено экспериментально советским физиком А. А. Эйхенвальдом, изучавшим магнитное поле тока поляризации, которое, является частью тока смещения. Из всех физических свойств, присущих току проводимости, Д. К. Максвелл приписал току смещения лишь одно - способность создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Таким образом, ток смещения создает в окружающем пространстве магнитное поле, которое синфазно электрическому полю. А это уже радиоволна излучаемая в пространство. Разбор современных ЕН антенн и конструктивные особенности. В наше время на 2021 год имеется много конструкций: Еще один постулат – конденсатор антенны может быть любой конструкции, кроме конструкции в виде биконусной антенны или дискоконусной антенны, поскольку у нее угол излучения равен половине угла между конусами, за счет переотражения радиоволн между обкладками конденсатора. Так же конденсатор может быть представлен двумя дисками с расстоянием между ними не менее диаметра диска. Антенна "Isotron" является простым примером плоских изогнутых емкостных излучателей, см. Рис.42. На рисунке антенна двухдиапазонная – это хорошо. Но катушка находиться внутри конденсатора – это плохо, поскольку мешает излучению уменьшая его. Исходя из этого имеем третий постулат – конденсатор правильной ЕН антенны должен быть разнесен в пространстве с катушкой на расстояние не менее диаметра катушки и не должна катушка находиться между обкладками конденсатора. Например, как вот в этой плоской ЕН антенне на 27 МГц. Ниже я привожу две мои антенны на 27135 кГц и 9420 кГц. 27135 кГц 9420 кГц По подключению разберем два типа – стандартная запитка последовательного колебательного контура и запитка параллельного колебательного контура в отвод катушки. Вариант 1 Вариант 2 На рисунке показаны: катушка, конденсатор, сопротивление провода (учитывается если катушку выполняют проводом менее 1мм). Вариант 1 более предпочтителен, поскольку имеет два преимущества: а) Возможность соединения нескольких ЕН антенн параллельно, тем самым создавая мультидиапазонный вариант. б) Использование квазирезонанса антенны. в) Большая ЭДС на прием в сравнении с Вариант 2. Вариант 2 позволяет согласовать сопротивление антенны под коаксиальный кабель 50 Ом или с другим сопротивлением не более 75 Ом, поскольку такого вида подключение вносит в контур расстройку и понижение добротности ввиду того, что часть тока контура протекает и через кабель. Так же антенна в таком включении является короткозамкнутой – что дает защиту от статического электричества, но в защитном кожухе это значения не имеет. В конечном счете как бы не запитывался колебательный контур, все равно достигнуть теоретически максимальной добротности задаваемой конструктивом элементов контура не получится, потому что, линии питания имею сопротивление отличное от нуля или бесконечности. Объясню: в последовательном колебательном контуре все элементы соединены последовательно и точка запитки должна иметь нулевое сопротивление, в параллельном колебательном контуре все элементы соединены параллельно и точка запитки должна стремиться к бесконечному сопротивлению ЕН антенна всегда будет иметь отрицательное усиление в сравнении с диполем. Но в ряде случаев отрицательное усиление – хорошо. Например в городе почти во многих случаях включают аттенюатор. Расчет ЕН антенны. Здесь все не так однозначно…. Есть проблемы с расчетом емкости конденсатора нестандартных конструкций. Для конструкции «два соосные цилиндра» и подключение по схеме «параллельный колебательный контур + питание в отвод» есть расчет: http://www.radioscanner.ru/files/construction/file15358/ Программа для расчета параметров ЕН Антенны создана Ted Hart CEO, EH Antenna Systems, LLC ВВОДИМЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОТМЕЧЕНЫ ГОЛУБЫМ ЦВЕТОМ Частота = Диаметр цилиндров = Отношение L/D = 14.10 3.20 1.50 МГц см C = Xc = 3.6 3102.6 Пф Ом Полоса по ур.3 dB = Q= 547.3 25.9 КГц Общая длина = Общая длина = 12.8 0.1 см метров .0.546*L/D+2.06* C( Пф )= D BW( КГц R*C*6.28*F^2/10 )= 00 Q= F/BW D+2*D*L/ Длина = D ВСТАВЬТЕ СРЕДНЮЮ ВЕЛИЧИНУ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ ГОТОВОЙ АНТЕННЫ Полоса пропускания BW= 800 RR= 175.4 Ошибка вычисления = 46.2 КГц Ом % ВЫЧИСЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАТУШКИ НАСТРОЙКИ Диаметр провода = 0.80 шаг намотки = 1.20 Витков на сантиметр = 10.0 Диаметр витка = 3.20 Емкость пров. в цилиндре C= 0.7 Емкость катушки настройки C = 1.8 Индуктивность катушки L = 20.5 Количество витков = 33 Длина катушки = 39.9 Длина провода = 334.4 мм мм см Пф Пф Ориентировочно микрогенри мм см 3.3 метры Примечание: значение индуктивности вычисляется, принимая, что емкость катушки равна примерно половине емкости между цилиндрами. это может привести к незначительной ошибке в расчете. ВЫЧИСЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АНТЕННЫ Сопротивление потерь на ВЧ = 1.30 Эффективность антенны = 99.26 Эффективность антенны = -0.032 Ом % dB Примечание: Истинная эффективность будет несколько меньше, из-за токов в емкости катушки, включенной параллельно катушки. Но, из-за того, что сопротивление излучения намного больше потерь в катушке, это влияние незначительно. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДЛИНЫ ПРОВОДА ДЛЯ ФАЗИРУЮЩЕЙ КАТУШКИ Длина провода = Длина провода = Количество витков = 35.3 0.353 3.5 Перевод в метрическую систему UA1ACO (Кононов В.В.) см метров Такую антенну можно рассчитать и в других программах позволяющих рассчитать частоту колебательного контура исходя из имеющихся параметров L и С. Емкость можно замерить прибором и рассчитать по формуле индуктивность для нужной частоты контура. При расчете самостоятельно по формулам необходимо учитывать некоторые нюансы: Добротность дипольной антенны из проволоки примерно равна 30. (Согласно проведенных замеров других экспериментаторов) Таким образом можно рассчитать ЕН антенну с полосой больше или меньше обычного диполя, с поправкой на то, что при большей полосе пропускания добротность будет низкой, как следствие эффективность антенны падает. Разумный компромисс конструкции с добротностью как у диполя – 30, таким образом мы приблизимся по усилению и эффективности к диполю. F – частота в мегагерцах, С – емкость в пикофарадах, BW – полоса пропускания антенны, Q – добротность антенны. BW=120*C*0.000000000001*6.28*(F*1000000)^2/1000 Q=F*1000/BW Хотя я конструировал антенны с добротностью 15 на 20 метровый диапазон. Однако для простоты подхода к расчету и конструкции антенны я нашел один компромисс – рассчитываю программой по тексту выше, конструкцию выполняю как на рисунке, но подключение согласно схеме рисунка. Фазирующая катушка намотана в другом направлении по отношению к катушке настройки. График сопротивлений ЕН антенны подключенной по Варианту 1: На втором графике полоса от 1 МГц до 30 МГц, Видно отсутствие других резонансов в антенне и сопротивление кабеля питания (кратности частот привязанные к реальному размеру коаксиального кабеля). Фото с антенного анализатора. Примеры основания антенны из трубы ПП и кожуха Частота антенны 1.9 МГц 3.6 МГц 7.1 МГц 10.1 МГц 14.2 МГц 18.1 МГц 21.2 МГц 24.9 МГц 28.5 МГц Труба основания антенны / труба кожуха 10 ВП2 / 12,5 ВП2 10 ВП2 / 12,5 ВП2 32 мм / 50 мм 32 мм / 50 мм 20 мм / 32 мм
