НА ГЛАВНУЮ - - адрес этой страницы -- http://ra6foo.qrz.ru/FD.html -- версия 10 01 2011 - - НА ГЛАВНУЮ

ПЕТЛЕВОЙ ВИБРАТОР

1 - ПВ с прямоугольными и с полукруглыми торцами
2 - О самосимметрировании ПВ
3 - Положение и пропорции ПВ в антеннах ВК
4 - Питание ПВ коаксиальным кабелем.
5 - "Симметрирующе- трансформирующая .... ?"
6 - Кабель для полуволновой петли
7 - ПВ в MININEC3M и в NEC2


ПВ с прямоугольными и с полукруглыми торцами,
равные периметры или равные частоты собственного резонанса?

В реальных антеннах петлевой вибратор обычно выполняют из цельного куска прутка или трубки с полукруглыми краями. Такой ПВ сложен в моделировании и снижает точность расчетов, поэтому в модели имеет форму прямоугольника. Такое изменение формы практически не влияет на параметры антенны, но требует пересчета длины вибратора так, чтобы получить те же параметры антенны. Вопрос лишь в том, делать вибратор с полукруглыми торцами того же периметра, что и в модели или с той же собственной частотой резонанса. Дело в том, что ПВ с полукруглыми торцами имеет резонансную частоту значительно ниже, чем прямоугольный того же периметра.
На рисунке справа условно показаны три петлевых вибратора равного периметра 1984 мм и равной ширины 50 мм из материала 10 мм и их расчетные частоты собственного резонанса:
1 - 942х2+(25+25)х2, габаритом 942 мм, прямоугольный. 143,54 МГц. Размеры взяты из 9 эл. RA3AQ
2 - 938х2+(27+27)х2, габаритом 958 мм, с выпуклыми наружу на 10 мм боковыми сторонами, 143,17 МГц
3 - 938х2+(27+27)х2, габаритом 938 мм, с прогнутыми внутрь на 10 мм боковыми сторонами, 144,92 МГц
ПВ с полукруглыми торцами того же периметра имеет габарит 950.5 мм и в модели с торцами более
бликими к полукругу показал собственную частоту еще ниже, 143,0 МГц.

Ведем в модель 9 эл. RA3AQ вибраторы 2 и 3 и посмотрим, как влияет форма торцов вибратора и действительно ли петлевой вибратор с полукруглыми торцами должен быть меньшего периметра или того же периметра что и прямоугольный, как советует автор. ПВ с полукруглыми торцами в рекомендованной им статье RW3AC сделан длинее на 0,43 ширины, чем прямоугольный в модели, что соответствует равным периметрам.
На графиках справа видно, что кривая КСВ в модели антенны с ПВ 2 смещена вниз по частоте на те же 0,5 МГц, а с ПВ 3 на те же 1...1,5 МГц вверх. Причем настройкой, меняя позицию вибратора, исправить это невозможно.
Результаты расчетов в NEC2 и EZNEC также подтверждают вывод о том, что периметр ПВ с полукруглыми торцами должен быть меньше периметра прямоугольного ПВ, вопрос лишь в том, насколько?

Длина (габарит) вибратора с полукруглыми краями больше, чем длина вибратора с прямоугольными краями того же периметра на величину, которая зависит только от ширины D вибратора и ее несложно расчитать, увеличив длину на 0,43 D (0.215Dx2, см. рисунок). Но полукруглый вибратор с тем же периметром, что и прямоугольный, будет иметь резонансную частоту ниже, чем прямоугольный.
Резонансную частоту петлевого вибратора кроме периметра определяют его торцевые емкости и направление векторов тока на торцах, а они у прямоугольного и с полукруглыми краями имеют различия, поэтому вибратор с полукруглыми краями будет иметь резонансную частоту ниже, чем прямоугольный вибратор того же периметра. Из примера выше делаем вывод о том, что его периметр должен быть уменьшен настолько, чтобы частоты их собственного резонанса были равны.
Моделирование петлевых вибраторов различной ширины с полукруглыми торцами и сравнение их частот собственного резонанса и длин с прямоугольными петлевыми вибраторами той же ширины позволяет сделать вывод о том, что для петлевых вибраторов шириной в пределах от 0,01λ до 0,04λ (20...80 мм на 145 МГц) при одинаковой ширине ПВ резонансные частоты ПВ с полукруглыми торцами и ПВ с прямоугольными совпадают при длине ПВ с полукруглыми на 0,32 ширины больше, чем длина ПВ с прямоугольными торцами. У вас фактическое расхождение меньше? Значит ваша антенна на металлическом буме и вы просто не учли бумкоррекцию для вибратора.

ДЛИНА ПВ C ПОЛУКРУГЛЫМИ КРАЯМИ ДОЛЖНА БЫТЬ БОЛЬШЕ ДЛИНЫ ПВ С ПРЯМОУГОЛЬНЫМИ КРАЯМИ НА 0,32 ШИРИНЫ ПВ

Но в моем примере антенны RA3AQ-9 рекомендация в статье RW3AC делать ПВ с полукруглыми торцами с тем же периметром, что у прямоугольного, ошибкой не является. Дело в том, что в статье представлена не только модель, а достаточно подробно представленная конструкция на металлическом буме. Для пассивных элементов в таком случае производится коррекция их длины в сторону увеличения (бумкоррекция). Петлевому вибратору она тоже нужна и в конструкции уже учтена тем, что его длину рекомендовано делать того же периметра, т. е. как бы уже с учетом бумкоррекции. При изготовлении антенн, представленных просто моделями, можно поступать так же, на металлическом буме брать ПВ того же периметра с К=0,43, а на диэлектрическом - ПВ той же частоты с К=0,32.


О самосимметрировании петлевого вибратора

При питании разрезного вибратора коаксиальным кабелем ток затекает на внешнюю сторону оплетки также успешно, как и на плечо вибратора, к которому подключена оплетка. Негативные явления, возникающие при этом, уменьшают с помощью устройств отсечки тока по оплетке непосредственно около вибратора: четвертьволновым стаканом, ферритовым кольцом и т.п. Обычный ПВ 200 или 300 Ом с питанием через полуволновый повторитель симметрирования не требует - оплетка кабеля подключена к точке нулевого потенциала, центру вибратора. В антеннах ВК входное сопротивление ПВ несложно уменьшить до 75 или до 50 Ом и питать его также, как разрезной - подключением кабеля напрямую, без 0,5 λ петли. При этом ток по оплетке меньше, чем у разрезного вибратора 75 или 50 Ом. Этот эффект, эффект самосимметрирования рамочных антенн, впервые был описан Hиколаем Кудpявченко UR0GT на форуме "Hz" 19. 11. 2004 г. Ток по оплетке действительно меньше и в рамочных антеннах и простых УКВ антеннах ВК этот эффект позволяет обходиться без устройств отсечки тока. В современных УКВ антеннах ВК этот эффект недостаточен для сохранения в реальной антенне достигнутых в модели параметров, и влияние остаточного тока по оплетке сводит на нет их преимущество. На примере лучшей на сегодняшний день антенны длиной 5 wl, 16 эл. антенны RA6HLF, видно, что самосимметрирования недостаточно и для достижения в реальной антенне параметров модели 1/4 стакан на кабеле обязателен.

Антенна 16 эл 50 Ом RA6HLF:

без кабеля, на диэлектрическом буме

на металлич. буме с кабелем без стакана

на металлич. буме с 1/4 стаканом на кабеле

Надо также учитывать, что по мере сближения сторон рамки до ее формы в виде ПВ эффект самосимметрирования уменьшается и растет ток по оплетке кабеля (рис. слева). Кроме того из за несимметрии токов плеч вибратора наводится ток по траверсе антенны ВК и диаграмма становится несимметричной. При некоторых сочетаниях длины траверсы и проводки кабеля, для отсечки тока по оплетке может быть явно недостаточен не только эффект самосимметрирования, но и стакан на кабеле. Такие случаи предусмотреть сложно, значительно уменьшить их вероятность можно установкой на кабель, кроме самого стакана, еще и нескольких ферритовых колец в 0,2...0,23λ от ПВ, около дна стакана. В случае, когда сочетание длины кабеля, взаимовлияния его с траверсой и наведенного на кабель тока создает у точек питания высокое входное сопротивление для затекающего тока, этот ток минимален, а стакан малоэффективен. аксимум тока будет в 1/4 λ от торца стакана. Здесь можно расположить или торец следующего стакана или насадить группу из 3...4 ферритовых колец.

Еще одна причина обязательной установки усторйств отсечки тока на кабель, питающий ПВ, в том, что эффект "самосимметрирования" при некоторях значениях емкостной составляющей входного сопротивления внешней стороны экрана кабеля, как провода, подключенного к одной из точек пилания, недостаточен или вообще исчезает. Предугадать или рассчитать его значение невозможно и бессмысленно, оно равновероятно может оказаться как индуктивным, так и емкостным и зависит от многих эксплуатационных факторов. Отсюда и необходимость отсечки тока по кабелю, питающему не только разрезной, но и петлевой вибратор.

Положение ПВ в антеннах ВК

ПВ может иметь положение "стоя" (рис.1), "лежа" (рис. 2) или любое промежуточное между ними.
В параметрах антенны ВК то или иное положение вибратора преимуществ не дает.

ПВ стоя конструктивно менее удобен. Его минимальная ширина ограничена диаметром проходящей сквозь него траверсы плюс зазоры между ней и ПВ, крепление к траверсе сложнее и та же траверса мешает в ПВ 200/300 Ом с полуволновой петлей соединить оплетки кабеля и петли с центром вибратора коротким толстым и при этом прямым проводником, лежащим в плоскости симметрии антенны (подробнее о необходимости подключения оплеток вообще и прямым коротким проводом - ниже).

ПВ лежа свободен в выборе ширины вибратора, прост в креплении к траверсе и соединении оплеток с центром вибратора.
Его можно сделать в виде отдельного узла вибратора, который можно ставить, снимать или заменять при ремонте антенны.
Во избежание ошибок при изготовлении антенн с ПВ лежа надо учитывать, что простой поворот ПВ лежа для отвода кабеля в другом направлении полностью расстраивает антенну. В случае необходимости такого разворота надо менять ПВ на ПВ другого размера и изменять его позицию. Например в антенне ВК 144 МГц длина ПВ лежа с питанием в ближний к рефлектору провод должна быть меньше на 2...5% или на 20...50 мм, чем у ПВ с питанием в ближний к директору провод.


Пропорции сторон
Как меняются параметры антенны с увеличением ширины ПВ и изменением формы от вытянутого прямоугольника до квадрата.

У антенн ВК с ПВ стоя с увеличением этого расстояния увеличивается усиление на 0,1 дб у длинных и на 0,5...0,7 дб у коротких антенн, в 1,5...2 раза снижается входное сопротивление, становится более выражен эффект самосимметрирования и усложняется его крепление.
ПВ в положении лежа позволяет делать его с минимальным, вплоть до нескольких мм, зазором между сторонами, который ограничен расстоянием, при котором снег не скапливается в зазоре, а иней и обледенение смыкают этот зазор не раньше, чем вся антенна под их влиянием становится неработоспособной. Максимальная ширина ПВ лежа ограничена пропорциями сторон 2 к 1 из за близости длинных сторон ПВ к 1 директору и рефлектору. С увеличением ширины ПВ лежа усиление практически не изменяется, несколько облегчается достижение в модели большего подавления излучения вне главного лепестка, но для вывода о определенном преимуществе в этом у ВК с широким ПВ лежа пока недостаточно моделей различных авторов.


Питание петлевого вибратора

Петлевой вибратор может быть запитан тремя способами:

1 - одним источником (зеленый источник),
2 - двумя источниками последовательно (красные источники)
3 - двумя источниками последовательно со средней точкой,
соединенной с центром противоположного проводника ПВ.
(красные источники + синяя линия)

Схема с одним источником (нагрузкой) применяется в антеннах ВК с петлевым вибратором 50 или 75 ом с непосредствнным питанием коаксиальным кабелем и мерами по отсечке тока по оплетке. Схема с двумя источниками - классическая схема питания антенн ВК с петлевым вибратором 200/300 Ом. Эти три схемы равноценны и в общем случае условие согласования: r внутр. источника = R вх.антенны, соблюдается при r зеленого источника или параллельно r+r красных источников равными R вх петлевого вибратора.

1 - ПВ с прямым подключением кабеля.
Его пониженное R вх. 50 (75) Ом определяет структура пассивных элементов. Он как бы "зажат" между рефлектором и 1 директором. Такая антенна эквивалентна антенне с разрезным вибратором с R вх. 12,5 ( 18,75) Ом и в такой антенне возможна замена ПВ 50 (75) Ом на РВ 12.5 (18.75) Ом без подстройки. ПВ 50 (75) Ом требует более щательной отсечки тока по оплетке, чем РВ 12.5 (18.75) т.к. сопротивление его плеча, соединенного с оплеткой, относительно виртуальной средней точки нулевого потенциала, 25 (37.5) Ом в 4 раза выше, чем у РВ (6,25 и 9,375 Ом), и при том же "входном сопротивлении" устройства отсечки тока ( у стакана на кабеле с ПЭ оболочкой - 1000...1500 Ом ) и в соответствии с законом Кирхгофа через него и далее по оплетке кабеля будет протекать больший ток, чем в случае с РВ.

2 - ПВ с полуволновой петлей без подключения оплеток.
Здесь R вх. ПВ 200 (300) Ом есть сумма двух последовательно источников (нагрузок) 100 (150) Ом между плечом вибратора и средней, "нулевой" точкой - центром противоположной строны вибратора , но не соединенной с "нулевым" проводом - оплеткой, точнее с ее внешней стороной. C точки зрения электротехники здесь все правильно и схема работает. Но центральная жила гальванически не связана с оплеткой и для частот вне диапазона, вплоть до обычной статики, ПВ является просто куском металла, соединенным с центральной жилой и принимающим в меру своей конфигурации весь мусор и статику. Соединение центра противоположной строны ПВ с траверсой и далее с мачтой, растяжками, заземлением или контуром заземления на крыше многоэтажки только усугубляет ситуацию. В таком случае мы имеем большую рамочочную антенну в виде петли: ПВ - траверса - мачта - растяжки - земля (контур заземления) нулевой провод сети 220 - блокировочные и конструктивные емкости трансивера - оплетка кабеля. Два крайних случая: 1 - этот контур полностью разомкунут по постоянному току - имеем статику и помехи и 2 - полностью замкнут - имеем в контуре блуждающие токи 50 Гц и коммутационные помехи в прямой ветви этого контура или в боковых (а их в доме - множество), приложеные к входу трансивера. При промежуточных вариантах ситуация не лучше.
И ещё: в схеме без подключения оплеток не удавалось добиться полного согласования: на диапазоне около 1000 МГц КСВ не ниже 1.5, на диапазоне 435 КСВ не ниже 1.2. Это из практики, уверенно обосновать причину пока не могу, видимо связано с торцевыми эффектами перехода от коаксиала кабеля к линейным проводникам.

3 - ПВ с полуволновой петлей с оплетками, соединенными с центром противоположной стороны вибратора.
Такая схема питания свободна от этих недостатков и является основной при питании ПВ 200 (300) Ом кабелем 50 (75) Ом.


"Симметрирующе- трансформирующая"... ?
Ни то, ни другое. Почему?

Рассмотрим сначала схему рис. 6.

Здесь для условия полного согласования и работы кабеля 50 Ом с КСВ 1 нужна нагрузка 50 Ом между точками А и Ао. К имеющейся уже здесь нагрузке 100 Ом через полуволновый повторитель также подключена параллельно вторая нагрузка 100 Ом. Если полуволновый повторитель из кабеля 100 Ом, то он также работает с КСВ 1, если его волновое сопротивление Zo отличается от R нагрузки, то повторитель работает с КСВ = R/Zo. Отметим, что токи резисторов различны по фазе на 180 гр. (противофазны) за счет задержки сигнала повторителем.

В таком случае можно отключить резисторы от оплеток и соединить их последовательно. (Рис. 7). Но такая схема будет работать только при соединении точек Ао и Во в одну точку.

Для этого согнем полуволновый повторитель в петлю, которую назовем полуволновой петлей, совместим точки Ао и Во в одну точку 0 и нагрузим точки А и В одним резистором 200 Ом (рис. 8). Эта схема полностью соответствует рассмотренному выше 2му варианту питания ПВ - без подключения оплеток.

Соединим центр резистора (а в ПВ - центр противоположной стороны ПВ) с точкой соединения оплеток 0. (рис. 9) Эта схема полностью соответствует классическому питанию ПВ (вариант 3 выше) с подключением оплеток.

"Симметрирующе - трансформирующая" ? Учитывая то, что с помощью петли сделано устройство с средней точкой для перехода от коаксиального кабеля на симметричный вибратор, весьма условно можно считать ее симметрирующей. Но искать в ней трансформатор 200 в 50 Ом также безуспешно, как в скрученных впараллель двух резисторах по 100 Ом. Задача полуволновой петли лишь изменить фазу напряжения одного из плеч на 180° чтобы затем сложить напряжения на нагрузке.


Кабель для полуволновой петли: любой или... ?

Из сказанного выше следует вывод, кабель что для полуволновой петли в общем случае лучше выбирать с волновым сопротивлением, равным входному сопротивлению плеча или, что то-же самое, в половину от входного сопротивления антенны. Например при 200 Омном ПВ это петля из 100 Омного кабеля и 50 Омный фидер. В таком случае петля работает с КСВ 1 в ней и и ее полоса рабочих частот ограничена лишь допустимой несинфазностью сложения (деления) сигнала с плеч ПВ при отклонении от центальной частоты и соответственно отклонени ее электрической длины от 180° или 1/2λ. "В общем случае" - сказано потому, что у некоторых антенн ВК c петлей из кабеля, отличного от 2 Zo кабеля питания (а это обычное дело, кабель питания 50 Ом, а петля из кабеля 75 или, более того, из кабеля 50 Ом вместо 100) частотные характеристики R и Jx антенны могут быть в некоторой полосе комплиментарны изменению R и Jx входа петли, что приведет к некоторому расширению полосы частот АФС по допустимому максимуму КСВ.

Полуволновая петля достаточно широкополосна для антенн радиолюбительских диапазонов.
На графике слева зависимость КСВ согласующего устройства для антенны 200 Ом - полуволновой петли из кабеля 50 Ом в полосе частот 385...485 МГц. Одно деление по горизонтали - 10 МГц. По КСВ 1,1 полоса такого устройства +- 18 МГц от центральной 435 МГц, т.е. ПП даже из кабеля 50 Ом вместо оптимальных 100 Ом достаточно широкополосна для работы в диапазоне 430...440 МГц.

Для широкополосных антенн надо выбирать Zo кабеля для петли возможно ближе к 2 Zo.
На графике справа - КСВ СУ ТВ антенны 300 Ом ДМВ диапазона 470....790 МГц с петлей из кабеля 100 Ом (зеленая линия - полоса по КСВ 1.5 400 МГц, от 400 до 800 МГц) и из кабеля 50 Ом (синяя линия - полоса по КСВ 1.5 120 МГц). Во втором случае КСВ на крайних частотах диапазона 470...790 МГц КСВ достигает 3,0.


Петлевой вибратор в MININEC 3M и в NEC2

В двух случаях расчет в NEC 2 ПВ или антенн с ним может дать совершенно не соответствующие реальности результаты.
Здесь только кратко напомню о них.
1 - Когда источник в результате конвертации файла в NEC или ручной сегментации оказывается не точно в центре вибратора.
2 - Когда торцы ПВ сделаны из проводов другого, обычно меньшего, диаметра. Эта ошибка расчета в NEC 2 существенна и неисправима.
Оба случая подробно рассмотрены на странице УКВ. NEC2 или MMANA? Прочитайте, там не о том, что лучше, что хуже, MMANA или NEC2,
просто малоизвестные и интересные вероятные случаи в моделях и антеннах с ПВ.


НА ГЛАВНУЮ