Сложенные диполи как составная часть антенн CobWebb

Повышение квалификации

А. Введение

Сложенный диполь

Недавний интерес к «изогнутым» полуволновым диполям побудил меня более глубоко изучить теорию классического свернутого диполя (FD). Диполи, изогнутые в квадратную форму - например, те, которые используются в конструкции антенны CobWebb - обычно демонстрируют низкий импеданс точки питания около 12 Ом, и для улучшения КСВН удобно использовать характеристики преобразования импеданса FD. Я узнал, что объяснение, которое часто приводится в учебниках относительно того, как функционируют ФД, является грубым упрощением того, что происходит на самом деле.

 

Сложенный диполь

Верхний рисунок справа типичен из тех, что вы найдете в простом описании FD. В сопроводительном тексте обычно утверждается, что если два провода одинакового диаметра, то в резонансе ток в верхнем проводе (I2) и ток в нижнем (ведомом) проводе (I1) имеют одинаковую величину и фазу во всех точках вдоль. антенна. Следовательно, импеданс точки питания должен был быть увеличен в 4 раза, потому что при той же мощности, излучаемой обычным диполем, ток уменьшился вдвое. Предполагаемые распределения тока показаны на второй диаграмме - две синусоиды одинаковой амплитуды и фазы.

Сложенный диполь

Однако, когда мы моделируем FD в EZNEC, мы видим слегка другую форму по сравнению с текущим распределением, как показано на третьей диаграмме. В центре антенны ток следует синусоидальной форме, которую мы ожидали, и если мы исследуем фазы токов в верхнем и нижнем проводах, мы обнаружим, что они одинаковы. Однако ток не падает до нуля на концах антенны - распределение «сглаживается» - и когда мы смотрим на фазы этих оконечных токов в верхнем и нижнем проводах, мы обнаруживаем, что они находятся в противофазе. друг с другом и в квадратуре с источником тока в центре.

Есть простое объяснение. Добавив верхний провод и концевые закорачивающие перемычки, чтобы сформировать FD, мы дополнительно создали два отрезка линии передачи короткого замыкания. Эти штыри, образованные правой и левой сторонами антенны, имеют длину около четверти волны. Их открытые концы находятся в центре FD, а короткие замыкания шлейфов - это закорачивающие перемычки FD. Два шлейфа подключены последовательно друг к другу и параллельно точке питания FD. Четвертая диаграмма показывает текущее распределение, относящееся к заглушкам; он максимален на концах и падает по закону косинуса по мере того, как мы движемся к середине FD. Шлейфовые токи в верхнем и нижнем проводах находятся в противофазе, потому что это режим «линии передачи».

Сложенный диполь

Таким образом, ток в любой точке FD представляет собой суперпозицию двух токов: тока «антенного режима» или «синфазного» тока, который максимален в центре антенны и отвечает за излучение; и ток «шлейфового» или «дифференциального» режима, который максимален на концах антенны и не вызывает излучения.

Интересно, что в ранних версиях книги антенн ARRL есть раздел о FD, который распознает эффект заглушки, но в последней версии (21-е издание) он не упоминается.

Мы можем довольно легко проверить справедливость этого аргумента, исследуя токи в модели EZNEC. При использовании источника тока 1 А мы обнаруживаем, что ток, протекающий в перемычках, составляет 0,23 А. Если мы правы в том, что это ток шлейфового режима, он будет падать в соответствии с соотношением 0,23 * cos (θ) по мере того, как мы приближаемся к середине FD. В то же время ток «антенного режима» будет расти от нуля в соответствии с соотношением 1 * sin (θ). В какой-то момент два тока будут равны, и, поскольку они находятся в квадратуре фаз, общий ток будет иметь фазовый угол 45 °.


    Equal magnitude currents occur at distance θ from the ends.
    So: 0.23*cos(θ) = 1*sin(&theta)
    Giving θ = tan-1(0.23) = 13°
    At this point, net current = 1.414*sin(θ) = 0.318A at a phase angle of 45°
  

Если мы теперь сверим это предсказание с чистыми токами, предсказанными в модели EZNEC, мы обнаружим, что ток в сегменте, ближайшем к позиции 13 °, составляет 0,33 А при фазовом угле 46,9 ° - достаточно близко, чтобы поддержать «гипотезу шлейфа».

B. Последствия

Используя возможности EZNEC с несколькими источниками, можно отделить характеристики режима антенны от характеристик режима шлейфа и, таким образом, получить лучшее понимание последствий для конструкции антенны. Наша основная задача - узнать, какое различие между двумя шлейфами повлияет на настройку и полосу пропускания антенны. Модель, использованная для последующего обсуждения, представляла собой 34-футовый диполь, изготовленный из медной проволоки №14 с верхним и нижним проводами, разделенными на 6 дюймов.

i) Тюнинг

Резонанс антенной моды для антенны происходит на частоте 13,72 МГц, где полное сопротивление точки питания составляет [288 + j0] Ом. Это подразумевает формулу длины l = 466 / f, которая достаточно близка к формуле ARRL Antenna Book l = 468 / f.

Четвертьволновой резонанс в режиме шлейфа для этого калибра и расстояния между проводами возникает на частоте 14,35 МГц, что подразумевает формулу l = Vf * 493 / f, если мы предположим, что коэффициент скорости равен 0,99. Опять же, это близко к формуле ARRL Antenna Book: l = Vf * 492 / f.

Поскольку 17-футовые шлейфы короче четверти волны, они являются индуктивными при + j9000, и это немного изменяет импеданс антенной моды на 13,72 МГц, так что полное сопротивление FD составляет [289 + j5,7]. Следовательно, FD становится резонансным на несколько более низкой частоте - 13,70 МГц - где импеданс антенного режима является немного емкостным и смещает параллельную индуктивность шлейфов.

Обратите внимание, что антенна с коэффициентом скорости шлейфа 0,95 не будет расстроена никаким образом, потому что длина антенной моды идентична длине шлейфовой моды; шлейф будет иметь длину ровно четверть волны, и его шунтирующее влияние на импеданс точки питания будет минимальным.

Обратное происходит, когда коэффициент скорости шлейфа чуть ниже 0,95. Шлейф длиннее четверти волны на резонансной частоте антенного режима и, следовательно, емкостный. Это заставляет резонанс FD повышаться до частоты, на которой индуктивность импеданса антенного режима смещает емкость шлейфа.

Серьезная проблема возникает, когда коэффициент скорости шлейфа значительно ниже 0,95, как это может иметь место, если FD построен из ленты 300 Ом или даже из двух гибких кабелей. Есть два обостряющих эффекта:

  • Падение характеристического импеданса (которое часто сопровождает снижение коэффициента скорости) снижает реактивное сопротивление шлейфа и делает его шунтирующий эффект более выраженным.
  • Увеличенная длина шлейфа приводит к настолько низкому шунтирующему реактивному сопротивлению, что отсутствует частота, на которой оно может быть компенсировано реактивной составляющей импеданса антенной моды.

К счастью, есть изящное решение проблемы. Перемещая закорачивающие перемычки от конца FD к точке, где шлейфы становятся четвертьволновыми, мы сделаем их шунтирующим эффектом незначительным без какого-либо значительного влияния на характеристики режима антенны.

Вкратце: Коэффициенты скорости шлейфа выше 0,95 приведут к небольшому снижению резонансной частоты FD, а коэффициенты скорости ниже 0,95 приведут к ее увеличению на величину, которая также зависит от характеристического сопротивления шлейфа. В этих случаях небольших изменений общей длины антенны должно быть достаточно для ее успешной настройки. Однако комбинация низкого коэффициента скорости и низкого характеристического сопротивления (например, Vf = 0,7 и Zo = 100) может сделать невозможным определение резонансной частоты; в этих случаях концевые перемычки следует переместить к центру антенны, к точке, где длина шлейфа составляет четверть длины волны. Формулы, приведенные в книге по антеннам ARRL, являются полезной отправной точкой:


   Antenna length(ft) = 468 / f(MHz)
   Shorting link spacing(ft) = Vf * 492 / f(MHz) [for Vf<<0.95]
   
Сложенный диполь КСВ

Первая диаграмма справа показывает для ряда характеристических сопротивлений и коэффициентов скорости, что происходит с импедансом точки питания SWR (левая ось Y) и фазовым углом (правая ось Y), если мы не перемещаем перемычки внутрь. Заметка:

  • При коэффициенте скорости около 0,95 нет никакого влияния на импеданс точки питания, независимо от характеристического импеданса;
  • Проволока с характеристическим сопротивлением 300 Ом или выше и с коэффициентом скорости 0,85 или выше оказывает незначительное влияние.
  • Провода с характеристическим сопротивлением 100 Ом или ниже, с коэффициентом скорости 0,88 или ниже, вероятно, не следует использовать без перемещения перемычек внутрь.
Частота сложенного диполя

Вторая диаграмма справа показывает для ряда характеристических сопротивлений и коэффициентов скорости, что произойдет, если вместо перемещения закорачивающих перемычек внутрь мы компенсируем их путем сдвига частоты. На диаграмме показан минимально достижимый КСВ (левая ось Y) и необходимое смещение частоты в процентах (правая ось Y). Заметка:

  • При коэффициенте скорости, близком к единице, резонансная частота немного падает. Это связано с тем, что шлейф меньше четверти волны и, следовательно, индуктивный. Падение частоты вносит компенсирующую емкостную составляющую в синфазный импеданс.
  • При коэффициенте скорости ниже 0,95 резонансная частота повышается. Шлейф длиннее четверти волны и, следовательно, емкостный. Повышение частоты вводит компенсирующую индуктивную составляющую в синфазный импеданс антенны.
  • При коэффициентах скорости около 0,95 нет расстройки частоты и влияния на импеданс точки питания, независимо от характеристического импеданса;
  • Проволока с характеристическим сопротивлением 300 Ом или выше с коэффициентом скорости 0,85 или выше оказывает лишь незначительное влияние на импеданс точки питания, хотя минимальный КСВ возникает на целых 0,75% выше по частоте.
  • Провод с характеристическим сопротивлением 100 Ом или ниже и с коэффициентом скорости 0,8 или ниже имеет недопустимый минимальный КСВ, и невозможно найти частоту, на которой антенна является резонансной.

ii) пропускная способность

В большинстве описаний FD утверждается, что он имеет более широкую полосу КСВ, чем однопроводной диполь. В основном не объясняется, почему. Если дано объяснение, оно обычно объясняется «эффектом заглушки», вызывающим смещение реактивного сопротивления, когда частота смещается от резонанса; результаты моделирования говорят о другом!

34-футовый диполь, состоящий из одного провода калибра 14, имеет полосу КСВН (эталонный 73 Ом) 950 кГц. 34-футовый FD, состоящий из двух проводов калибра № 14, расположенных на расстоянии 6 дюймов, имеет полосу КСВН (исх. 288 Ом) 1380 кГц. Таким образом, FD определенно расширил полосу КСВН на 45%.

Однако, если мы исследуем "антенный режим" FD (т.е. игнорируя шлейфы), мы обнаружим, что он имеет полосу КСВН 1340 кГц. Другими словами, 97% увеличения полосы пропускания можно отнести к увеличенной ширине излучающего элемента, и только 3% - к эффекту заглушки. Мы могли бы достичь почти такого же увеличения полосы пропускания, сконструировав обычный диполь с «ножками», состоящими из двух проводов, разнесенных на 6 дюймов, как классический «диполь с решеткой».

С. Практические эксперименты

Чтобы проверить некоторые из этих теорий, я сконструировал обычный диполь и FD, используя сдвоенный силовой провод, который, как я измерил, имел характеристический импеданс 105 Ом и коэффициент скорости 0,66.

Я использовал две длины сдвоенного провода, чтобы сформировать обычный диполь, скручивая четыре конца вместе. Я обрезал его для резонанса на частоте 43 МГц - каждая ножка должна быть 64,25 дюйма, что предполагает сокращение на 1,6% из-за изоляции. Его импеданс при резонансе составлял 53 Ом. Не меняя никаких длин, я переконфигурировал его как сложенный диполь. Точка питания Импеданс на частоте 43 МГц был измерен как [120-j79], а не как [212 + j0], которое можно было бы ожидать от простого преобразования импеданса 4: 1.

Это близко к значению, которое мы могли бы предсказать, включив «эффект заглушки». Двухжильный провод, который я использовал, имеет характеристики, очень близкие к характеристикам варианта линии "ZIP105" в одном из онлайн-калькуляторов потерь в линии передачи; Этот калькулятор предсказал входной импеданс [17,7-j134,5] для короткозамкнутого шлейфа длиной 64,25 дюйма этого провода. Два таких шлейфа, подключенных последовательно через предполагаемый импеданс антенного режима 212 Ом (4 * 53), дают значение [129-j90].

Я подсчитал, что мне нужно будет разместить перемычку на 45 дюймов с каждой стороны от центра, чтобы штыри составляли четверть длины волны. Я поместил перемычки на место, и точка питания затем измерила 195 + j0 - что приятно близко к ожидаемому 212 + j0.

В пределах моей точности измерения это, кажется, полностью поддерживает гипотезу «эффекта заглушки» и ясно демонстрирует необходимость во внутренних перемычках, если Vf и Zo низкие.

http://www.karinya.net/g3txq/folded_dipole/

 

 


 Информационный партнер:  Мариупольский радиоклуб Маррад