Радиоантенны 
Последнюю неделю автор участвовал в обсуждении работы антенны, обычно называемой «коаксиальным диполем». На нескольких веб-сайтах опубликованы примеры её конструкций и расчётов. Некоторые из этих расчётов показались нелогичными и поставили под сомнение понимание того, как должна работать такая антенна.
Вместо того, чтобы пытаться спроектировать коаксиальный диполь с нуля, было решено, что проще собрать его и провести «обратную разработку». Чтобы не усложнять задачу, решено начать с антенны в диапазоне 20-30 МГц. Точная частота не имела значения. В конечном итоге была получена антенна, резонирующую на частоте около 24,7 МГц. Точная рабочая частота просто не интересовала.
Описание:
Базовый коаксиальный диполь состоит из двух отрезков коаксиального кабеля RG58 (или другого типа). На внешних концах центральный проводник подключен к оплётке коаксиального кабеля. В точке питания фидерная линия подключена к центральным проводникам двух ветвей коаксиального кабеля. Экранирующая оплётка коаксиального кабеля при нормальной работе остаётся неподключенной.
Эта антенна во многом похожа на «двойную базуку», и сразу же «интуитивно» почувствовалось, что коаксиальный кабель выполняет две функции.
Во-первых, излучающими элементами антенны будет внешняя поверхность экрана коаксиального кабеля. Во-вторых, сегменты коаксиального кабеля будут обеспечивать некоторое реактивное сопротивление, предположительно индуктивное, что понизит резонансную частоту основного диполя. Чтобы упростить представление об этих двух функциях, антенна перерисована следующим образом:
Упрощённая модель состоит из трёх частей.
Первые две — это просто шлейфы линии передачи. Третья — сам «излучающий элемент». Идея заключается в том, чтобы моделировать и измерять каждый из этих компонентов по отдельности, а затем совместно, чтобы проверить согласованность модели и фактических измерений. Если всё совпадает, можно сделать вывод, что модель верна, и достигнуто полное понимание принципа работы коаксиального диполя.
(Важное замечание: в упрощённой модели шлейфы никак не связаны с «излучением». Можно считать, что они имеют «нулевой физический размер»).
ШАГ 1:
В первом наборе симуляций и измерений игнорировано наличие шлейфов и просто смоделирован «излучающий элемент» антенны. Смоделировано это, с использованием простого провода в EZNEC следующим образом: размещён один провод на высоте 5 метров над землей. Диаметр провода задан 4 мм. Добавлена вокруг провода изоляция толщиной 1 мм с диэлектриком 2. EZNEC предсказал резонансную частоту 39,3 МГц. Ниже приведено описание провода и график КСВ из EZNEC.
Первым измерением было определение собственной частоты «внешней поверхности» коаксиального кабеля. Для этого подключен антенный анализатор AIM 4170b к оплётке коаксиального кабеля. Затем поднята антенна на высоту 5 метров и проведено измерение. Вот результат сканирования:
Как видно на рефлектограмме, «оплётка» коаксиального кабеля резонирует на частоте около 39,5 МГц. Далее проведено то же измерение, соединив центральные проводники и оплётки на обоих концах. Результаты сканирования не изменились. Таким образом, моделирование EZNEC и фактические измерения на удивление хорошо совпали. Таким образом, мы можем быть уверены, что понимаем, как работает «излучающая» часть антенны.
Следующим шагом в проекте было введение шлейфов, которые моделировали бы внутреннюю часть коаксиального кабеля. Это не так просто, поскольку требуется знать коэффициент укорочения коаксиального кабеля. Использовался довольно дешёвый коаксиальный кабель RTF, поэтому предположено его значение 0,66. Также предположено затухание 2 дБ/100 м. Вот линии передачи от EZNEC:
После установки шлейфов ожидалось, что резонанс антенны значительно снизится. Вот моделирование провода «излучающего элемента» с прикреплёнными шлейфами:
Как видно из вышеприведённой диаграммы, EZNEC предсказал, что резонансная частота антенны изменилась из-за введения линий передачи. В частности, EZNEC указывает резонансную частоту 24,8 МГц.
Поэтому следующим шагом было измерение антенны с включёнными шлейфами. Помните, в этом измерении подаётся напряжение на центральные проводники, а экраны в точке питания остаются неподключенными:
Как видно из вышеприведённого сканирования, EZNEC правильно предсказал резонансную частоту. Однако EZNEC неверно предсказал импеданс. EZNEC предсказал 36 Ом, а измерено 64 Ом. Это было неожиданно и немного сбило с толку, поэтому начали искать объяснение.
Заподозрили, что эта модель линии передачи неверна. Поэтому провели измерения непосредственно на коаксиальной линии передачи. Подключили анализатор к центральному проводнику и экрану одного из сегментов коаксиального кабеля. Вот результат измерения:
На скане выше установлен курсор (вертикальная синяя линия) на рабочей частоте. Обратите внимание, что сопротивление составляет 25 Ом, а добротность — всего около 10. Знали, что коаксиальный кабель дешёвый, но всё оказалось гораздо хуже, чем ожидалось. Были повторены измерения в различных конфигурациях и с несколькими шлейфами. Все измерения оказались практически одинаковыми. С помощью EZNEC скорректировали потери в коаксиальном кабеле, чтобы они соответствовали измеренным потерям. Вот скан одного из сегментов коаксиального кабеля, полученный с помощью EZNEC:
Приведённая выше симуляция показывает правильный импеданс на частоте 24 МГц. Чтобы получить эти результаты, пришлось установить коэффициент ослабления коаксиального кабеля на 8 дБ/100 м.
Поэтому вернули значение 8 дБ/100 м в модель EZNEC всей антенны и перезапустили симуляцию. Вот что получилось:
Это ОЧЕНЬ ХОРОШО совпадает с реальными измерениями. На основании этих измерений и моделирования делаем вывод, что коаксиальный кабель работает в соответствии с предсказаниями упрощённой модели.
(Более позднее исследование показало, где была ошибка. Даже «обычный» RG58 может давать потерю 2,5 дБ на 100 ФУТОВ (не метров). С поправкой на метры потеря должна была составить 8,2 дБ на 100 метров. ОЧЕНЬ БЛИЗКО!)
Для независимой проверки моделирования было проведено ещё одно измерение. Рассмотрим, в частности, излучающий элемент: провод диаметром 4 мм и длиной 2×1,73 м. На частоте 24,8 МГц импеданс составил 11 Ом – 484 Ом. Нам известно, что импеданс шлейфов был измерен как 25 Ом + 251 Ом. Сложив импедансы, получим:
Это очень обнадёживает. Измерили импедансы шлейфов и импеданс излучающего элемента. Модель предсказывала, что сумма импедансов будет равна импедансу всей системы. Независимые измерения дали сумму 61 + j18, тогда как фактическое значение — j составило 64 — 2j; очень близкое сравнение. Независимое моделирование подтвердило практически те же результаты.
Вывод:
Коаксиальный диполь можно успешно моделировать с помощью EZNEC. Учитывая соответствующие потери и коэффициент укорочения коаксиального кабеля, можно точно предсказать работу любой выбранной конструкции, по крайней мере, в КВ-диапазоне. Принципиальной тайны в работе антенны нет.
Второй вывод: коаксиальный диполь — ОЧЕНЬ неэффективная антенна. В описанной конфигурации 80% мощности уходит на нагрев шлейфов. RG58 определённо противопоказан, но даже очень хороший коаксиальный кабель всё равно будет рассеивать значительную мощность.
AE6TY
