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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Amateur-LW-Sendeantennen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / HF-Antennen In einer Reihe von Ländern (einschließlich Russland) wird Funkamateuren neben den HF- und VHF-Bändern auch ein kleiner Abschnitt im LW-Band (135,7 ... 137,8 kHz) zugewiesen. Nach Experimenten in diesem Bereich, die vom RU6LWZ-Team durchgeführt wurden (das Magazin berichtete in der Juni-Ausgabe dieses Jahres darüber), ist das Interesse russischer Funkamateure an kDV deutlich gestiegen. Viele Menschen würden gerne mit diesem Band experimentieren, aber seine Entwicklung wird größtenteils durch den Mangel an allgemein verfügbaren Informationen darüber, welche Technik dafür erforderlich ist, behindert. Der vorgeschlagene Artikel ist möglicherweise dem Hauptaspekt der DW-Technologie gewidmet – den Sendeantennen. Gegenwärtig besteht die Hauptaufgabe, die für die umfassende Erschließung des Fernen Ostens durch russische Funkamateure gelöst werden muss, darin, die Zahl der sendenden Amateurfunkstationen im Fernen Osten zu erhöhen. Tatsächlich ist es vor dem Empfang von Signalen notwendig, dass diese vorhanden sind. Wenn auf Kurzwelle die Signale von Amateurfunkstationen auch bei großen Entfernungen zum Sender sehr stark sind, ist es für den Beginn von Experimenten auf Langwellen äußerst wünschenswert, dass die Signalquelle relativ nahe ist. Besonders akut ist dieses Problem für Funkamateure im asiatischen Teil unseres riesigen Landes. Für Funkamateure, die im europäischen Teil Russlands leben, ist es etwas einfacher. In Westeuropa gibt es eine ganze Reihe von Funkamateuren, die auf Langwellen senden, deren Signale bei Verwendung eines herkömmlichen Telegrafen über Entfernungen von bis zu ein- oder zweitausend Kilometern und bei Verwendung von QRSS (langsam) bis zu mehreren tausend Kilometern empfangen werden können Telegraf mit Signalverarbeitung auf einem Computer). Das Hauptproblem, das jeder Funkamateur lösen muss, der mit Arbeiten im LW-Bereich beginnt, ist der Bau einer Sendeantenne. Jeder ist sich bewusst, dass die Antenne bei KB einen großen Einfluss auf den Arbeitserfolg hat, aber bei LW ist dieser Einfluss vielleicht noch größer. Ein Sender für Frequenzen in der Größenordnung von 136 kHz ist relativ einfach herzustellen. Es unterscheidet sich nicht wesentlich von einem KB-Sender. Aber die Antenne ist eine ganz andere Sache! Die Antenneneigenschaften hängen im Wesentlichen vom Verhältnis von Wellenlänge und Antennenabmessungen ab, und die Wellenlänge, die dem 136-kHz-Amateurband entspricht, beträgt etwa 2,2 km, was mehr als dem Zehnfachen der maximalen Wellenlänge entspricht, die bisher von Funkamateuren verwendet wurde. LW-Antennen unterscheiden sich erheblich von denen, die üblicherweise auf HF verwendet werden. Ein direktes Kopieren von KB-Antennen auf dem LW ist nicht möglich, da Antennen in Größen erhalten werden, die für Funkamateure völlig unzugänglich sind. Darüber hinaus ist es auf dem LW in der Regel nicht möglich, eine bestimmte Amateurfunkausführung der Sendeantenne anzubieten. Sie wird weitgehend von den örtlichen Gegebenheiten bestimmt und in der Regel muss der Funkamateur die Antenne selbst konstruieren. Obwohl dies nicht schwierig ist, da der LW nicht über die Vielfalt an Antennentypen verfügt, die beim KB beobachtet werden, erfordert das Design der LW-Antenne dennoch ein gewisses Verständnis ihrer Parameter und wie sie sich auf den Betrieb der Antenne auswirken. wovon sie abhängen und wie sie den Betrieb des gesamten Sendekomplexes, bestehend aus Sender und Antenne, verbessern. All dies veranlasste den Autor, diesen Artikel zu schreiben, in dem die Grundprinzipien für die Erstellung von Amateur-LW-Sendeantennen erörtert werden. Natürlich sind die meisten im Artikel vorgestellten Materialien in der Fachliteratur zu finden, eine solche Präsentation speziell für Funkamateure gibt es jedoch noch nicht. Dies ist nicht verwunderlich, da das LW-Band seit kurzem auch für Funkamateure verfügbar ist. Der Autor versuchte eine komplexe Theorie zu vermeiden und beschränkte sich lediglich auf eine qualitative Darstellung und einfachste Formeln, die für eine sinnvolle Gestaltung einer Antenne dennoch notwendig sind. Dabei wurde das Hauptaugenmerk auf den grundlegenden Unterschied im Design von HF- und LW-Antennen gelegt. Wie erfolgreich das ist, muss der Leser selbst beurteilen. Ein charakteristisches Merkmal von LW-Antennen ist ihre Größe, die deutlich kleiner als ein Viertel der Wellenlänge ist. Dies gilt sogar für professionelle LW-Sender und noch mehr für Amateursender. Tatsächlich sollte der KB bekannte Viertelwellenstift für den 136-kHz-Bereich eine Höhe von mehr als 500 m haben, wie der des Ostankino-Fernsehturms! Der zweite wichtige Punkt, der bei der Konstruktion und Herstellung einer LW-Sendeantenne berücksichtigt werden muss, ist, dass die Polarisation der von der Antenne ausgesendeten Wellen ausschließlich vertikal sein muss. Das liegt an den Eigenschaften der Erde: Bei so niedrigen Frequenzen kommt sie einem idealen Leiter nahe und die Höhe jeder echten LW-Antenne ist viel geringer als die Wellenlänge. Es wird nicht möglich sein, ein horizontales elektrisches Feld effektiv auszustrahlen, und zwar aus dem einfachen Grund, weil die Erde dieses Feld einfach „kurzschließt“. Genauer gesagt liegt der Grund darin, dass, wie aus der Elektrodynamik bekannt, der elektrische Feldvektor auf der Oberfläche eines idealen Leiters immer senkrecht zur Oberfläche steht. Natürlich ist die Erde immer noch kein perfekter Leiter und die Höhe der Antenne ist zwar klein, aber nicht Null. Daher ist die Frage der Verwendung tief liegender (im Vergleich zur Wellenlänge) Sendeantennen mit horizontaler Polarisation (z. B. eines horizontalen Dipols) auf dem LW äußerst interessant und erfordert Experimente. Es ist jedoch unmöglich, einem Funkamateur, der gerade mit der Arbeit im Fernen Osten beginnt, solche Sendeantennen zu empfehlen. Entsprechende Experimente erfordern fundierte Erfahrung und es ist notwendig, die experimentelle Antenne mit etwas Bekanntem zu vergleichen. Aufgrund der Tatsache, dass die Abmessungen jeder echten LW-Antenne viel weniger als ein Viertel einer Wellenlänge betragen, können LW-Sendeantennen in zwei große Klassen eingeteilt werden – elektrische und magnetische. Magnetische Antennen sind geschlossene Rahmen, meist rechteckig, notwendigerweise in einer vertikalen Ebene (vertikale Polarisation!) und mit Abmessungen von mindestens mehreren zehn Metern. Einige Funkamateure in Westeuropa und den Vereinigten Staaten haben mit solchen Sendeantennen experimentiert und konnten nicht viel weniger Leistung abstrahlen als elektrische Antennen vergleichbarer Größe. Dennoch handelt es sich immer noch um eine experimentelle Klasse von Sendeantennen. Der Haupttyp der Sendeantenne des LW ist ein gegenüber dem Boden stark verkürzter Vertikalstrahler, der gespeist wird. Letzteres bedeutet, dass der zweite Pol zum Anschluss des Generators Masse ist. Viele dieser Antennen bestehen aus einer Masse horizontal angeordneter Drähte. Wir betonen jedoch, dass nur der vertikale Teil der Antenne der Strahler selbst ist und alle horizontalen Leiter ausschließlich dazu dienen, einen möglichst großen und gleichmäßig verteilten Strom im vertikalen Draht zu erzeugen. Einige Arten von LW-Sendeantennen sind schematisch in Abb. eines.
Auf Abb. 1a zeigt eine Antenne in Form eines vertikalen Drahtes ohne kapazitive Last; in Abb. 1b - eine vertikale Antenne mit kapazitiver Last in Form eines „Regenschirms“, der Teil der den Mast tragenden Abspannvorrichtungen sein kann; in Abb. 1, c - Dreistrahl-T-Antenne; in Abb. 1,d - Einstrahl-G-Antenne mit geneigter kapazitiver Last; in Abb. 1,e - Einstrahl-T-Antenne mit geneigter kapazitiver Last; in Abb. 1, e - Einstrahl-T-Antenne mit geneigtem „vertikalem“ Teil, in Abb. 1, g - „Schrägstrahl“-Antenne. Mögliche Antennenkonfigurationen sind nicht auf die in Abb. gezeigten beschränkt. 1. Beispielsweise ist eine mehrstrahlige G-Antenne möglich. Die Anzahl der Leiter, aus denen der „Schirm“ (Abb. 1b) besteht, ist nicht unbedingt gleich vier. Der vertikale Teil kann auch aus mehreren parallelen oder aufgefächerten Drähten usw. bestehen. Es ist auch offensichtlich, dass in vielen Fällen eine HF-Antenne durch eine Änderung der Art der Speisung als LW-Antenne verwendet werden kann. Beispielsweise funktioniert ein KB-Dipol gut als T-Antenne, wenn Sie beide Zuleitungen miteinander verbinden und sie in Bezug auf die Erde mit Strom versorgen. Beachten Sie, dass keine dieser Antennen über ein Koaxialkabel mit Strom versorgt wird. Bei allen handelt es sich sozusagen um „Antennen mit einer einadrigen offenen Einspeisung“, obwohl es sich bei dieser „Einspeisung“ tatsächlich um einen Strahler handelt. Ein Funkamateur, der bei der Arbeit an KB immer wieder Probleme mit Fernsehstörungen hatte, steht einer solchen Stromversorgung der Sendeantenne möglicherweise sehr skeptisch gegenüber. Vor allem, wenn ihm weiterhin empfohlen wird, Wasserleitungen als Erdung zu verwenden. Der Autor beeilt sich, ihn zu beruhigen: TV-Störungen seien auf LW in der Regel weitaus weniger problematisch als auf Kurzwelle. Nehmen wir ein Beispiel aus der Praxis. Der Draht von der Antenne verlief zu einem Sender mit einer Leistung von etwa 50 Watt in einer Höhe von mehreren Zentimetern über der oberen Abdeckung des Fernsehers. Darauf lag eine Neonglühbirne, die hell leuchtete, wenn die Taste gedrückt wurde. Und gleichzeitig wurden keinerlei Störungen des Fernsehempfangs beobachtet! Vielleicht ist die Situation nicht immer so günstig, aber offenbar sind Fernseher unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Feldern mit solch niedrigen Frequenzen. Da die Höhe der LW-Antenne immer deutlich weniger als ein Viertel der Wellenlänge beträgt, hat der reaktive Teil der Eingangsimpedanz eines vertikalen elektrischen Strahlers immer kapazitiven Charakter und ist im Vergleich zum aktiven Teil der Eingangsimpedanz sehr groß. Damit der Strom in der Antenne einen signifikanten Wert erreicht, muss der kapazitive Teil des Eingangswiderstands der Antenne durch eine Induktivität kompensiert werden, deren Reaktanz betragsmäßig gleich der Reaktanz der Antennenkapazität ist. Daher ist die Verwendung einer Verlängerungsspule am DW zwingend erforderlich (die Spule ist in Abb. 1 nicht dargestellt). Die Verlängerungsspule ist in Reihe mit der Antenne geschaltet. Um die notwendige Induktivität der Verlängerungsspule abschätzen zu können, ist es notwendig, die Kapazität der Antenne zu kennen, die ein sehr wichtiger Parameter der LW-Sendeantenne ist. Je größer die Kapazität der Antenne ist, desto geringer ist die Induktivität der Verlängerungsspule. Je größer also die Kapazität der Antenne ist, desto geringer ist der nutzlose Verlust an Sendeleistung durch den ohmschen (aktiven) Widerstand der Verlängerungsspule. Und der Leistungsverlust in der Verlängerungsspule ist bei Arbeiten am DW sehr erheblich. Darüber hinaus nimmt mit einer größeren Kapazität der Antenne die Spannung an ihr ab, die am LW selbst bei einem Sender mit relativ geringer Leistung Einheiten oder sogar mehrere zehn Kilovolt erreicht. Durch die Reduzierung der Spannung an der Antenne wird das Isolationsproblem vereinfacht. Es gibt noch andere Gründe, auf die wir später bei der Diskussion der sogenannten „Umweltverluste“ eingehen werden, aus denen man danach streben sollte, die Antennenkapazität so groß wie möglich zu machen. Es ist die Erhöhung der Gesamtkapazität der Antenne (zusammen mit der Erzielung einer gleichmäßigeren Stromverteilung im vertikalen Teil), die der Grund dafür ist, dass bei LW-Sendeantennen versucht wird, den horizontalen Teil so groß wie möglich und oft aus mehreren parallelen Teilen zu machen Drähte (mehrstrahlige L- und T-förmige Antennen). Die Kapazität einer DV-Antenne mit einer für die Amateurfunkpraxis akzeptablen Genauigkeit lässt sich nach einer einfachen Regel abschätzen: Jeder Meter Antennendraht (sowohl im vertikalen als auch im horizontalen Teil) ergibt etwa 6 pF Antennenkapazität. Wenn mehrere Drähte parallel zueinander verlaufen, verringert sich bei geringem Abstand zwischen ihnen die Gesamtkapazität. Daher sollte bei der Herstellung einer L- oder T-förmigen Antenne mit einem mehrstrahligen horizontalen Teil nach Möglichkeit ein Abstand zwischen den Drähten von mindestens 2 ... 3 m eingehalten werden. Mehr macht keinen Sinn, und a Ein kleinerer Abstand führt zu einer Verringerung der Kapazität pro Meter Kabel. Die Reaktanz der Antennenkapazität kann durch die bekannte Formel Xc = 1/(2πfС) ermittelt werden. Da die Reaktanz der Verlängerungsspule im absoluten Wert gleich sein muss, kann die Induktivität aus dem Verhältnis von Reaktanz und Induktivität XL = 2πfL ermittelt werden. Aus praktischen Gründen sind die Formeln bequemer, die durch Ersetzen des Frequenzwerts f = 136 kHz und Umrechnen der Maßeinheiten erhalten werden: Pikofarad und Induktivität – in Mikrohenry. Für ungefähre Berechnungen ist es ziemlich grob, dass bei einer Frequenz von 136 kHz die Reaktanz einer Kapazität von 1000 pF 1000 Ohm beträgt und proportional mit einer Verringerung der Kapazität gegenüber 1000 pF zunimmt. Dementsprechend ergibt für die Induktivität jedes Mikrohenry etwa 1 Ohm. Diese Zahlen sind leicht zu merken. Eine hohe Genauigkeit der Berechnungen ist sehr oft nicht erforderlich, da die berechneten Werte noch experimentell verfeinert werden müssen. Der Einfluss von die Antenne umgebenden Objekten ist theoretisch äußerst schwer zu berücksichtigen! Um uns die Reihenfolge der Parameter einer Antenne in einer typischen Amateurfunkumgebung vorzustellen, erstellen wir eine Schätzung für ein solches Beispiel. Es sei eine L- oder T-förmige Antenne mit einem einstrahligen horizontalen Teil von 80 m Länge in einer Höhe von 20 m vorhanden. Die Länge des vertikalen Teils beträgt 20 m, die Gesamtlänge des Drahtes beträgt 100 m. Die Kapazität einer solchen Antenne beträgt etwa 600 pF, d. h. der reaktive Teil des Eingangswiderstands beträgt etwa 2000 Ohm. Um die Reaktanz der Antennenkapazität zu kompensieren, wird eine Erweiterungsspule mit einer Induktivität von etwas mehr als 2000 μH benötigt. Es könnte sich die Frage stellen, warum man nicht die Induktivität der Verlängerungsspule ermitteln kann, indem man die Kapazität der Antenne kennt und die Formel für einen herkömmlichen Schwingkreis verwendet. Natürlich ist es möglich und so. Aber die Berechnung über Reaktanzen ermöglicht es, beispielsweise die Spannung an den Antennen bei einem gegebenen Strom und den Verlustwiderstand der Verlängerungsspule mit ihrem bekannten Gütefaktor abzuschätzen. So ist im obigen Beispiel sofort klar, dass die Die Spannung an der Antenne beträgt etwa 2000 V pro Ampere Strom in der Antenne. Da der aktive Teil der Antenneneingangsimpedanz viel kleiner ist als der reaktive Teil, entspricht die Spannung an der Antenne in Volt ungefähr dem Antennenstrom in Ampere mal der Antennenreaktanz in Ohm. Der Verlustwiderstand einer Spule, ihre Reaktanz und ihr Qualitätsfaktor werden durch eine einfache Formel in Beziehung gesetzt: Rcat = XL/Q. Bei einem Gütefaktor Q = 200 beträgt der Verlustwiderstand 2000/200 = 10 Ohm. Der zweite äußerst wichtige Parameter der LW-Antenne ist ihre effektive Höhe. Ohne die Abhängigkeit der effektiven Höhe von den Details des Antennendesigns zu berücksichtigen, stellen wir zwei Grenzfälle fest. Die effektive Höhe eines einzelnen vertikalen Drahtes ohne kapazitive Last an der Spitze entspricht der Hälfte seiner geometrischen Höhe. Bei einer L- oder T-förmigen Antenne mit einer Kapazität des horizontalen Teils, die viel größer ist als die Kapazität des vertikalen Teils, nähert sich die effektive Höhe der Höhe der Aufhängung des horizontalen Teils der Antenne über dem Boden. Wir stellen sofort fest, dass wir uns bemühen müssen, die effektive Höhe der Antenne so groß wie möglich zu machen, mindestens 10 ... 15 Meter, vorzugsweise 30 ... 50. Aber vielleicht sind 50 m das Maximum, das unter normalen Amateurbedingungen erreichbar ist. Dies entspricht ungefähr der effektiven Höhe der L- oder T-förmigen Antenne mit einem großen horizontalen Teil, der zwischen zwei 16-stöckigen Gebäuden aufgehängt ist. Warum ist die effektive Antennenhöhe so wichtig? Wenn die Abmessungen der Antenne viel kleiner als die Wellenlänge sind, ist die vom Korrespondenten empfangene Feldstärke direkt proportional zum Produkt (wir bezeichnen es als A) aus dem Strom in der Antenne und der effektiven Höhe der Antenne , gemessen in Metern. Je höher die effektive Höhe Ihrer Antenne, desto stärker ist Ihr Signal. Die von der Sendestation abgestrahlte Leistung Rizl (nicht zu verwechseln mit der Ausgangsleistung des Senders!) steht mit diesem Produkt durch eine einfache Beziehung in Beziehung (für eine Frequenz von 136 kHz): Rizl = 0.00033A2. Schauen wir uns ein Beispiel an, um die resultierenden Werte zu verstehen. Die effektive Höhe der Antenne sei 20 m. Die Stromstärke in der Antenne liegt bei einer Senderausgangsleistung von 100 W üblicherweise im Bereich von 1 ... 3A. Lassen Sie es sich als 2 A herausstellen. Dann ist A \u40d 0,5 Meter und die Strahlungsleistung beträgt XNUMX W. Aus dem Beispiel ist ersichtlich, dass der Wirkungsgrad von Amateur-LW-Sendeantennen sehr gering ist, da nur 0,5 % der vom Sender abgegebenen Leistung abgestrahlt werden. Und es ist immer noch sehr gut! Oft liegt der Wirkungsgrad unter 0,1 %. Und nur bei Verwendung „riesiger“ (nach Amateurfunkstandards) Antennen kann der Wirkungsgrad mehrere zehn Prozent erreichen. Ein Beispiel ist die Antenne der ersten russischen Langwellen-DXpedition des RU6LWZ-Teams, bei der ein über 100 m hoher Mast zum Einsatz kam. Der geringe Wirkungsgrad von Amateur-LW-Sendeantennen führt dazu, dass die Strahlungsleistung meist in Zehntel- oder sogar Hundertstelwatt gemessen wird und selten einige Watt erreicht. Dennoch führen Amateure trotz dieser geringen Strahlungsleistung mithilfe spezieller Arbeitsarten (hauptsächlich QRSS - langsamer Telegraph) Kommunikationen über Entfernungen von Tausenden oder sogar 10 ... 15 Kilometern durch! Gleichzeitig verwaltet ein gewöhnlicher Telegraf die Kommunikation über mehrere Hundert und manchmal bei guter Übertragung, speziellen Empfangsantennen und geringem Interferenzniveau über ein bis zweitausend Kilometer. Wir sehen, dass sich die Situation bei sendenden LW-Antennen grundlegend von dem unterscheidet, was wir auf Kurzwelle gewohnt sind. Wenn der Wirkungsgrad auf HF normalerweise nahe 100 % liegt (mit Ausnahme vielleicht des 160-Meter-Bandes und dann nicht immer), ist er auf LW sehr gering. Wenn wir versuchen, die Strahlung auf HF in eine Richtung zu fokussieren und mit dem Konzept der Verstärkung zu arbeiten, dann ist die Strahlung auf LW immer praktisch kreisförmig und es besteht keine Notwendigkeit, über eine Verstärkung zu sprechen. Wenn wir auf der HF sanfte Strahlungswinkel anstreben, ist der Strahlungswinkel auf der LW immer nahezu gleich. Wenn auf HF die Antenne normalerweise über ein Koaxialkabel gespeist wird und wir ein gutes SWR anstreben, wird die Antenne auf LW immer direkt gespeist und der Begriff SWR verliert seine Bedeutung. Das Einzige, worum es bei der Arbeit am LW zu kämpfen gilt, ist die abgestrahlte Leistung bzw. die maximale Anzahl an „Metern“ in der Antenne. Betrachten wir nun genauer, wie die effektive Höhe der Antenne von ihren geometrischen Abmessungen und Konstruktionsdetails für die gängigsten Antennentypen abhängt. Wie bereits erwähnt, entspricht die effektive Höhe eines einfachen vertikalen Drahtes mit einer kapazitiven Last an der Spitze (Abb. 1a) einfach der Hälfte der geometrischen Höhe der Antenne. Ebenso ist die effektive Höhe der „Schrägstrahl“-Antenne (Abb. 1, g) gleich der halben Höhe des oberen Punktes der Antenne. Wenn die Antenne eine horizontale kapazitive Last aufweist (z. B. Abb. 1, c), wird die effektive Höhe hd einer solchen Antenne durch das Verhältnis der Kapazitäten der vertikalen Sv- und horizontalen Cr-Teile sowie durch die Geometrie bestimmt Aufhängehöhe h des horizontalen Teils. Es kann durch die Formel hd \u1d h (0,5-1 / (Cg / Sv + XNUMX)) ermittelt werden. Die Kapazitäten der horizontalen und vertikalen Teile der Antenne können wie für die gesamte Antenne nach der Regel „6 pF pro Meter Draht“ bestimmt werden. Aus der Formel ist ersichtlich, dass sich die effektive Höhe hd der geometrischen Höhe p annähert, wenn Cg viel größer als Cv ist. Besondere Berücksichtigung ist bei einem geneigten „vertikalen“ Teil (Abb. 1, f) und einem geneigten erforderlich kapazitive Last (Abb. 1,6, d, e). Wenn der „vertikale Teil“ geneigt ist und die kapazitive Last fast horizontal ist (Abb. 1, f), dann ändert sich fast nichts, nur C steigt aufgrund des längeren Drahtes leicht an und die Formel bleibt gleich. Wenn der vertikale Teil der T-Antenne ziemlich genau in der Mitte der geneigten kapazitiven Last angeschlossen wird (Abb. 1, e), funktioniert die Formel auch, nur dass als h die Höhe des Punktes über dem Boden angenommen werden muss Verbindung des vertikalen Teils mit dem horizontalen. Bei dieser Antenne werden die vertikalen Komponenten des elektrischen Feldes, die von den beiden Armen der kapazitiven Last erzeugt werden, gegenseitig kompensiert. Bei der L-förmigen Antenne (Abb. 1,d) oder bei der „Regenschirm“-Antenne (Abb . 1,6) erfolgt ein solcher Schadensersatz nicht. Daher wird die Formel etwas anders: hd \u0,5d 1h ( 2 + a - a1 / (Cr / Sv + 1)), wobei a \uXNUMXd hXNUMX / h das Verhältnis der Höhen des oberen und unteren Endes des ist kapazitive Last. Wir betonen, dass für die in Abb. 1b und Abb. 1, d Es ist unerwünscht, das untere Ende der kapazitiven Last bis auf den Boden abzusenken. Dadurch wird die effektive Höhe auf 0,5 Stunden reduziert. Wenn es nicht möglich ist, diese Punkte anzuheben (z. B. wenn nur ein Mast vorhanden ist), ist es besser, die Drähte, aus denen die kapazitive Last besteht, mit einem Isolierkabel zum Boden zu führen (Sie können den Draht auch verwenden, indem Sie ihn unterbrechen). an zwei oder drei Stellen mit Isolatoren). Wenn die Antennenbefestigungspunkte durch die „örtliche Situation“ bestimmt werden und der Funkamateur keine Lust auf Berechnungen hat, können Sie diese einfache Regel anwenden: Sie müssen darauf achten, dass die maximale Drahtmenge so hoch wie möglich liegt (und, wie aus dem Folgenden deutlich wird, fern von Bäumen, Mauern usw.). Nun, und die aktuelle Höhe - was passiert! Nachdem wir uns mit dem ersten Faktor des „Hauptparameters“ – dem Produkt aus effektiver Höhe und dem Strom in der Antenne – befasst haben, betrachten wir, wovon der zweite Faktor abhängt – dem Strom in der Antenne, und wie man ihn vergrößern kann. Die Stromstärke hängt natürlich von der Leistung des Senders ab. Aber nicht nur. Sie hängt auch vom aktiven Teil des Eingangswiderstands R ab, der wiederum die Summe aus Verlustwiderstand Rp und Strahlungswiderstand Rrad ist, wie im Ersatzschaltbild in Abb. 2.
Der Strahlungswiderstand (in Ohm) bei einer Frequenz von 136 kHz wird durch die Formel Rred = 0,00033hd2 bestimmt und beträgt bei Amateurfunkantennen normalerweise nicht mehr als einige Zehntel Ohm. In den allermeisten Fällen ist der Verlustwiderstand viel größer als der Strahlungswiderstand. Aus diesem Grund wird tatsächlich ein niedriger Wirkungsgrad erreicht, der Rizl / (Rizl + Rp) entspricht. Unter diesen Bedingungen hängt der Strom in der Antenne hauptsächlich vom Verlustwiderstand ab und der Strahlungswiderstand hat nahezu keinen Einfluss auf den Strom. In diesem Verhältnis von Verlustwiderstand und Strahlungswiderstand liegt der Grund für den radikalen Unterschied zwischen DW- und HF-Antennen. Bei KB, wo die Stromstärke in der Antenne hauptsächlich durch den Strahlungswiderstand bestimmt wird, spielt die Größe dieser Stromstärke selbst keine Rolle. Die Antenne kann „strombetrieben“ oder „spannungsbetrieben“ sein, die Stromstärke ist unterschiedlich, aber die Strahlungsleistung ist gleich. Im Fernen Osten ist die Situation grundlegend anders. Der Strom in der Antenne wird durch den Verlustwiderstand bestimmt und die abgestrahlte Leistung ist proportional zum Quadrat des Stroms. Daher muss versucht werden, die Stromstärke so groß wie möglich zu machen, wofür es notwendig ist, den Verlustwiderstand so klein wie möglich zu machen Wenn der Verlustwiderstand in der Antenne Rp bekannt ist, kann man bei bekannter Ausgangsleistung des Senders P leicht die Stromstärke I in der Antenne ermitteln: I = v (P / Rp). Der Verlustwiderstand ist die Summe aus dem ohmschen Widerstand des Antennendrahtes, dem aktiven Teil des Widerstands der Verlängerungsspule, dem Erdungswiderstand und dem sogenannten Umgebungsverlustwiderstand. Letzteres ist mit Energieverlusten aufgrund von in umliegenden Objekten (Häusern, Bäumen usw.) induzierten Strömen verbunden. Der Widerstand des Kupferdrahtes der Antenne mit einem Durchmesser von mindestens 2 mm ist meist sehr gering und kann vernachlässigt werden. Eine Ausnahme kann der Fall sein, wenn der horizontale Teil der Antenne (kapazitive Last) sehr lang ist (Hunderte Meter) und aus einem dünnen Draht besteht. Die übrigen Komponenten des Verlustwiderstandes sind deutlich größer. Der Verlustwiderstand einer Verlängerungsspule ist insbesondere bei niedrigen Gütefaktoren bereits erheblich. Der Gütefaktor ist das Verhältnis des reaktiven (induktiven) Widerstands der Spule bei einer bestimmten Frequenz zum Verlustwiderstand. Letztere setzen sich aus Verlusten im Magnetkreis, im Rahmen und im Draht zusammen. LW-Sendeantennen verwenden keine Spulen mit einem Magnetkreis, was mit hohen Strömen verbunden ist, bei denen eine Sättigung nur schwer zu vermeiden ist. Verluste im Rahmendielektrikum sind in der Regel gering, es gilt jedoch die Empfehlung: Je weniger Material in den Rahmen gelangt, desto besser. Natürlich ist es wünschenswert, ein hochwertiges Dielektrikum zu verwenden Der HF-Strom fließt jedoch hauptsächlich über die Oberfläche des Drahtes (Skin-Effekt) und daher ist der Widerstand viel größer als bei Gleichstrom oder bei Audiofrequenzen. In vielen Büchern findet man eine Formel für den spezifischen (in Ohm/m) Widerstand eines Kupferdrahtes unter Berücksichtigung des Skin-Effekts: Rsp = (0,084/d) vf wobei d der Drahtdurchmesser in mm ist; f ist die Frequenz in MHz. Es scheint, dass Sie den spezifischen Widerstand des Spulendrahts mit dieser Formel berechnen, mit der Länge des Drahts multiplizieren und so den Verlustwiderstand in der Spule erhalten können. Leider gibt es neben dem Skin-Effekt auch den Proximity-Effekt, der dazu führt, dass der Widerstand des Drahtes in der Spule deutlich größer ausfällt als der Widerstand des geraden Drahtes. Aufgrund der gegenseitigen Beeinflussung der Windungen fließt der Strom nicht gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Drahtes, sondern hauptsächlich entlang des Teils der Oberfläche, der der Innenseite der Spule zugewandt ist. Daher weniger effektive Oberfläche – mehr Widerstand. Nach den Ergebnissen einer vom Autor durchgeführten Studie erhöht sich der Widerstand des Drahtes einer einschichtigen Spule aufgrund des Proximity-Effekts um das 1 + 4,9-fache (d / a) 2, wobei d der Durchmesser des Drahtes ist ; a - Wickelschritt. Wenn die Wicklungssteigung klein gemacht wird (Wicklung zu Windung), erhöht sich die Induktivität der Spule um eine Windung, es werden weniger Windungen benötigt und auch die Länge des Drahtes verringert sich. Aber der Effekt der Nähe wird deutlich zunehmen. Wenn Sie eine große Wicklungssteigung vornehmen, ist der Widerstandsanstieg aufgrund des Proximity-Effekts geringer, Sie müssen jedoch mehr Windungen wickeln und die Länge des Drahtes wird länger. Es zeigt sich, dass es ein Optimum gibt, das beobachtet wird, wenn der Wickelschritt etwa das Doppelte des Drahtdurchmessers beträgt. Mit anderen Worten: Der Abstand zwischen den Windungen sollte ungefähr dem Durchmesser des Drahtes entsprechen. Hängt der Verlustwiderstand einer Spule vom Durchmesser des Drahtes ab? Überraschenderweise fast keine. Mit einem größeren Drahtdurchmesser erhöht sich die Länge der Wicklung, und wenn Sie die Spule mehrschichtig gestalten, erhöht sich der Proximity-Effekt. Dementsprechend müssen mehr Kurven gefahren werden. Wenn man das alles mathematisch im Detail analysiert, kommt man zu einem sehr unerwarteten Ergebnis: Die Güte der Spule (und damit der Verlustwiderstand bei gegebener Induktivität) hängt hauptsächlich vom Durchmesser des Spulenrahmens ab! Darüber hinaus ist der Qualitätsfaktor direkt proportional zu diesem Durchmesser. Und der Qualitätsfaktor hängt fast nicht vom Durchmesser des Drahtes ab. Um Missverständnisse zu vermeiden, weisen wir darauf hin, dass dies nur dann zutrifft, wenn der Drahtdurchmesser viel größer ist als die Dicke der Hautschicht. Bei einer Frequenz von 136 kHz erfolgt dies für Kupferdrähte mit einem Durchmesser von 0,5 mm oder mehr (was normalerweise der Fall ist). Um geringe Verluste zu erzielen, ist es daher notwendig, eine Spule mit großem Durchmesser herzustellen. Das Verhältnis von Rahmendurchmesser und Wicklungslänge ist weiterhin von Bedeutung. Es wurde festgestellt, dass die Güte der Spule maximal ist, wenn der Rahmendurchmesser 2...2,5 mal größer ist als die Länge der Wicklung. Unter diesen Bedingungen ergeben sich für eine sehr grobe Abschätzung (bzw. meist nicht erforderlich) bei einer Frequenz von 136 kHz mit einem massiven Kupferdraht die optimalen Verhältnisse von Wicklungssteigung und Drahtdurchmesser sowie dem Durchmesser des Rahmens und der Wicklungslänge kann der Gütefaktor einer einlagigen Spule gleich dem Durchmesser des Rahmens in Millimetern angenommen werden. Kehren wir zum obigen Beispiel zurück, bei dem die Reaktanz der Spule etwa 2000 Ohm, der aktive Widerstand 10 Ohm und der Gütefaktor 200 betragen sollte. Der Rahmendurchmesser sollte etwa 200 mm betragen. Um einen geringeren Verlustwiderstand in der Spule zu erreichen, muss ein noch größerer Rahmendurchmesser gewählt werden. Wir sehen, dass die Verlängerungsspule der LW-Sendeantenne sehr groß dimensioniert werden muss. Daher ist die Spule meist nicht in den Sender eingebaut, sondern separat platziert. Zwar gibt es eine Möglichkeit, die Abmessungen der Spule bei gleichen Verlusten deutlich zu reduzieren oder die Verluste bei gleichen Abmessungen zu reduzieren. Es ist notwendig, die Spule nicht mit einem massiven Kupferdraht, sondern mit einer speziellen Litze für Sender zu wickeln. Es besteht aus einer großen Anzahl (mehrere Hundert) sehr dünner, isolierter Kupferleiter. Über den Leitern befindet sich meist ein Geflecht aus Seide. Bei der Verwendung einer Lizenz muss besonders darauf geachtet werden, dass jeder (!!!) Draht an den Spulenanschlusspunkten angelötet wird. Leider ist dem Autor keine Theorie bekannt, die es erlaubt, den Gütefaktor einer Lizenzspule zu berechnen. Erfahrungsgemäß ist bekannt, dass bei gleichen Abmessungen der Qualitätsfaktor einer Lizenzspule etwa doppelt so hoch ist wie bei einer Wicklung ein massiver Kupferdraht. Der Verlustwiderstand der Verlängerungsspule ist ein wichtiger Bestandteil des Gesamtverlustwiderstands der Antenne. Wenn Sie jedoch eine Spule mit einem ausreichend großen, aber dennoch akzeptablen Durchmesser (200 ... 400 Millimeter) herstellen, wird der Hauptbeitrag zum Gesamtverlust durch den Erdungswiderstand und den Verlustwiderstand der Umgebung geleistet. Sie sind in der Regel schwer zu trennen, und dieser Gesamtwiderstand wird oft als Erdungswiderstand bezeichnet. Wir stellen sofort fest, dass der HF-Erdungswiderstand überhaupt nicht mit dem Erdungswiderstand bei niedrigen Frequenzen übereinstimmt. Liegt also eine „elektrotechnische“ Erdung mit bekanntem Widerstand vor, dann kann und soll diese natürlich verwendet werden, allerdings wird ihr Widerstand bei einer Frequenz von 136 kHz deutlich größer sein als bei einer Industriefrequenz von 50 Hz. Leider ist es für Funkamateure meist unmöglich, Bodenverluste zu berechnen. Die von Profis verwendeten Formeln sind für solch kleine Amateurfunkantennen im Vergleich zur Wellenlänge nicht anwendbar. Und im Gegensatz zu professionellen Antennen befinden sich Amateurantennen meist zwischen Häusern, Bäumen und anderen Gegenständen, was die Verluste in der Antenne erheblich beeinflusst. Funkamateure nehmen in der Regel keine spezielle Erdung vor, sondern nutzen Wasserleitungen etc. Auch das erschwert die Berechnung. Daher müssen wir uns darauf beschränken, darauf hinzuweisen, dass der Verlustwiderstand bei der Erdung zusammen mit dem Verlustwiderstand der Umgebung normalerweise etwa 30–100 Ohm beträgt, sowie Empfehlungen zur Reduzierung des Ausmaßes dieser Verluste. Wie bereits erwähnt, ist es notwendig, den Strom in der Antenne zu maximieren. Je geringer der Verlustwiderstand ist, desto höher ist er. Um den Erdungsverlustwiderstand in der Amateurfunkpraxis zu reduzieren, ist es notwendig, alles Mögliche aus dem im Boden vergrabenen und auf der Erdoberfläche befindlichen Metall zu verbinden. Es können Wasserleitungen, verschiedene Metallkonstruktionen usw. sein. Verwenden Sie jedoch keine Gasleitungen! Dies ist aus Brandschutzgründen nicht akzeptabel! Um Verluste im Erdreich zu reduzieren, wird in der professionellen Praxis eine Erdung in Form der sogenannten „Bodenplattierung“ unter der Antenne durchgeführt. Hierbei handelt es sich um ein System von Drähten, die in geringer Tiefe vergraben sind oder auf der Erdoberfläche liegen. Der Plattierungsbereich sollte nach Möglichkeit die gesamte Oberfläche unter dem horizontalen Teil der Antenne abdecken und sich über die Projektion der Antenne auf der Grundebene hinaus um einen Abstand in der Größenordnung der Antennenhöhe erstrecken. Wenn kein horizontaler Teil vorhanden ist (kapazitive Last), sollte der Plattierungsradius in der Größenordnung der Antennenhöhe liegen. Es ist überhaupt nicht notwendig, die Metallisierung in Form eines regelmäßigen Kreises vorzunehmen; der Radius bedeutet lediglich eine charakteristische Größe. Sie können den Beschichtungsradius vergrößern, eine Verdoppelung macht jedoch keinen Sinn mehr. Auch hier wird in der professionellen Praxis der Abstand zwischen den einzelnen Drähten des „Ground-Plating“-Systems in der Größenordnung von 1 Meter gewählt und teilweise werden sogar massive Bleche verwendet. Es ist unwahrscheinlich, dass dies in der Amateurfunkpraxis möglich ist. Daher wird der Abstand zwischen den Drähten höchstwahrscheinlich größer sein, selbst wenn der Anschein eines solchen Erdungssystems entsteht. Wie viel hängt von den Fähigkeiten eines bestimmten Funkamateurs ab. Mit einer „selteneren“ Metallisierung der Erde nehmen natürlich auch die Verluste in der Erde zu. Durch die Erdung kann die Effizienz einer LW-Sendeantenne erheblich gesteigert werden, indem die Verluste deutlich reduziert werden. Aber wenn der Funkamateur nicht die Möglichkeit hat, den Boden unter der Antenne zu metallisieren (was am häufigsten vorkommt), verzweifeln Sie nicht! Die meisten westeuropäischen Funkamateure arbeiten erfolgreich und nutzen die vorhandene Wasserversorgung als Erdung. Aus diesem Grund stellt sich heraus, dass der Erdungswiderstand von Funkamateuren so groß ist, viel größer als der Erdungswiderstand von professionellen LW-Antennen, bei denen der Verlustwiderstand im Boden oft in der Größenordnung von 1 Ohm liegt, selbst bei relativ kleinen Antennen LW-Stationen mit geringer Leistung. Und an den Antennen von LW-Rundfunkstationen, wenn Dutzende oder sogar Hunderte Tonnen (!!!) Metall im Boden vergraben sind, noch weniger – Zehntel und manchmal Hundertstel Ohm. Dementsprechend liegt der Wirkungsgrad in diesem Fall sehr nahe bei 100 Prozent. Doch darauf sind Funkamateure in der Regel nicht angewiesen, es sei denn, es gelingt ihnen gelegentlich, eine professionelle LW-Antenne zu nutzen. Aber nicht nur die Qualität des Erdungssystems bestimmt die Verluste in der Antenne. Wenn die Antennenleiter in der Nähe von Häusern, Bäumen usw. verlaufen, kommt es zu zusätzlichen Verlusten an HF-Energie, die zur Erwärmung dieser umliegenden Objekte führen. Eigentlich ist das der Verlust der Umwelt. Es ist erforderlich, dass die Antennendrähte unter hohem HF-Potenzial möglichst in einem Abstand von mindestens 1 ... 3 m zu umliegenden Objekten verlegt werden. Und wenn ein solcher Draht lang ist und parallel zum „Störobjekt“ verläuft, muss der Abstand noch größer gewählt werden. Die Situation ist in Abb. 3.
Verluste im Fall von Abb. 3a ist deutlich geringer als im Fall von Abb. 3b. Im letzteren Fall induziert der vertikale Draht erhebliche HF-Ströme in der Hauswand, was zu unnötigen Verlusten der Sendeleistung führt und diese für die Erwärmung der Wand aufwendet. Eine solche Situation muss vermieden werden. Was aber, wenn es unmöglich ist, den vertikalen Antennendraht von der Wand zu tragen? In diesem Fall ist es sinnvoll, die Antenne wie in Abb. 3, in. Und obwohl der Strom im vertikalen Draht fast derselbe sein wird wie im Fall von Abb. 3a, aber das HF-Potential relativ zur Erde wird klein sein (groß ist es erst nach der Verlängerungsspule). Dementsprechend wird auch der Einfluss der Hauswand abnehmen. Allerdings muss die Induktivität der Spule etwas größer sein, da die Kapazität der Antenne, an die die Spule angeschlossen ist, nur der Kapazität des horizontalen Drahtes entspricht. In diesem Fall ist es unpraktisch, eine hohe Spule abzustimmen. Die Lösung ist einfach: Platzieren Sie den größten Teil der Induktivität „oben“ und schalten Sie ein kleines Variometer in der Nähe des Senders ein, nur um die Antenne fein auf Resonanz abzustimmen. In diesem Fall erhöht sich die Spannung an dem in Wandnähe verlaufenden Draht etwas, ist jedoch nicht so stark wie im Fall von Abb. 3b. Eine ähnliche Situation ist in Abb. dargestellt. 3d, wenn sich der Sender im obersten Stockwerk eines mehrstöckigen Gebäudes befindet. Es scheint, dass die Antenne keinen vertikalen Teil hat, aber tatsächlich ist dies der Fall. Es ist nur so, dass das Erdungskabel, zum Beispiel bei Wasserleitungen, seine Rolle spielt. Sie befinden sich in unmittelbarer Nähe der Wände, aber da an ihnen sowie am vertikalen Teil der Antenne in Abb. praktisch kein HF-Potenzial vorhanden ist. 3c ist der Einfluss der Wände schwach. Die Antenne wird also recht zufriedenstellend funktionieren. Die betrachteten Beispiele zeigen, dass besonders große Umweltverluste dann auftreten, wenn sich in der Nähe der umgebenden Objekte Teile der Antenne befinden, die ein hohes Potenzial tragen. Natürlich reduziert die Reduzierung der Spannung an der gesamten Antenne sowie die Reduzierung der Spannung an einem Teil der Antenne den Umweltverlust. Dies erklärt die frühere Bemerkung, dass eine Erhöhung der Gesamtkapazität der Antenne die Effizienz der Antenne erhöht. Tatsächlich führt eine Erhöhung der Kapazität der Antenne zu einer Verringerung der an ihr anliegenden Spannung und folglich zu einer Verringerung der Umweltverluste. Bei gleicher Sendeleistung im vertikalen Teil der Antenne lässt sich eine große Stromstärke erzielen und dadurch das ausgesendete Signal erhöhen. Natürlich erschöpfen die obigen Zahlen und Kommentare dazu nicht alle Situationen, die bei der praktischen Umsetzung der Antenne auftreten können. Der Autor hofft jedoch, dass sie einen allgemeinen Ansatz für den Entwurf einer LW-Antenne mit minimalen Umweltverlusten unter bestimmten Bedingungen veranschaulichen. Nun, in jedem Fall muss der Funkamateur selbst nachdenken, experimentieren und Entscheidungen treffen. Abschließend noch ein paar Worte zum Anschluss der Antenne an den Sender. Aus dem Vorstehenden geht hervor, dass die Eingangsimpedanz der Antenne nach der Abstimmung auf Resonanz mit der Spule in den meisten Fällen nicht 50 oder 75 Ohm beträgt. Dies ist jedoch nicht erforderlich, es gibt kein Koaxialkabel. Sie müssen lediglich die Möglichkeit vorsehen, die Ausgangsimpedanz im Sender anzupassen. Dies gelingt am einfachsten mit einer transformatorischen Gegentaktschaltung der Ausgangsstufe des Senders. In diesem Fall muss die Sekundärwicklung des Transformators mit Anzapfungen und einem eingebauten Schalter versehen werden. Es scheint, dass ein Bereich von Ausgangsimpedanzen von 5, 7, 10, 15, 20, 30, 50, 70, 100, 150, 200 Ohm für jede Amateurfunkantenne völlig ausreichend ist, einschließlich „sehr schlecht“ und „sehr gut“. " Einsen. Ein Standardschalter mit 11 Positionen reicht aus. Um die Antenne fein auf Resonanz abzustimmen, ist es äußerst wünschenswert, ein Variometer von einem LW- oder MW-Sender zu haben. Der Autor verwendet ein Variometer der Mittelwelleneinheit des Radiosenders RSB-5, das eine maximale Induktivität in der Größenordnung von 700 μH aufweist. Dies reicht natürlich nicht aus, und es ist zusätzlich eine ziemlich große Konstantinduktivitätsspule in Reihe mit dem Variometer geschaltet, und das Variometer dient nur der Justierung. Bei der beschriebenen Version der Verbindung zwischen Antenne und Sender beschränkt sich die Einstellung auf die Auswahl der Position des Schalters, der den maximalen Strom in der Antenne bereitstellt, und auf die Einstellung der Induktivität der Verlängerungsspule. Nach jedem Umschalten der Ausgangsimpedanz des Senders muss die Induktivität (Variometer) angepasst werden, um Resonanz zu erreichen und den maximalen Strom in der Antenne zu erreichen. Es gibt andere Versionen der Senderausgangsschaltung und andere Abstimmungsmethoden, aber ihre Diskussion würde uns zu weit vom Hauptthema des Artikels wegführen. Daher wünsche ich dem Leser zum Abschluss des Vortrags erfolgreiche Experimente und wir sehen uns auf langen Wellenlängen! Autor: Alexander Jurkow (RA9MB)
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