Kleine Antennen tragbarer SV-Kommunikationsstationen. Teil 1. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / UKW-Antennen

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Einführung

Die weite Verbreitung von Mobilfunk auf 27 MHz wirft die Frage nach Antennen für diese Kommunikation auf.

Dieses Problem wird durch die Tatsache erschwert, dass die Verwendung von Viertelwellenantennen – deren Länge 27 Meter für das 2,7-MHz-Band beträgt – in vielen Fällen nicht akzeptabel ist. Die Verwendung verkürzter Antennen ist mit einer Reihe spezifischer Probleme verbunden, die in der populären Literatur nicht berücksichtigt werden, aber wenn sie nicht bekannt sind, kann sich die Effektivität der MW-Kommunikation erheblich verschlechtern.

Für tragbare CB-Funkgeräte werden hauptsächlich asymmetrische Peitschenantennen verwendet. Es hängt damit zusammen. dass andere Antennentypen mit dieser Art von Radio einfach fast unmöglich zu verwenden sind.

1. Betrieb von elektrisch kurzen Antennen von tragbaren Stationen

Eine elektrisch kurze Antenne besteht sowohl aus der Antenne selbst, die ein Strahlungselement enthält, als auch aus Elementen ihres Anpassungssystems und ihres Erdungssystems. Danach setzt sich der Antennen-Gesamtwiderstand Ra aus dem Widerstand des Pins (Rsh) und dem Widerstand seiner Erdung (Rg) zusammen (Abb. 1).

In der Formel enthalten und der "Widerstand der Umwelt" Rav. die mit zunehmender Anzahl der Gegengewichte und der Länge der Antenne abnimmt.

Ra=Rsh+Rz+Rcp

Nützliche HF-Energie wird durch Rsh zerstreut, daher müssen Sie sich bemühen, die Werte von Rc und Rcp zu reduzieren. Im Allgemeinen ist es mit speziellen Methoden möglich, den Widerstand der „Erde“ zu messen, für die Praxis kann jedoch davon ausgegangen werden, dass der Widerstand des als Gegengewichte verwendeten Körpers des CB-Radiosenders mit einer Länge von 20 ... 30 cm für diese Formel mindestens 150 ... 300 Ohm beträgt.

Der Kontakt mit einer menschlichen Hand ändert den Wert nicht wesentlich. Der Anschluss eines resonanten Viertelwellen-Gegengewichts von 2,7 Metern Länge reduziert jedoch den Erdwiderstand Rz. Bereits ein Gegengewicht reduziert den Widerstand Rz ungefähr auf einen Wert von nicht mehr als 50 ... 60 Ohm. und bei Vorhandensein von drei bis vier Gegengewichten kann Rz als vernachlässigbarer Wert von 5 ... 10 Ohm angesehen werden. Der Widerstand des Mediums wird durch die Wechselwirkung des Antennenstifts mit seinem System „Erde“ bestimmt. Wenn bei einer Viertelwellen-Peitschenantenne in voller Größe diese Wechselwirkung in einem großen Raum stattfindet und daher einen unbedeutenden Wert hat, dann tritt bei verkürzten Antennen die elektromagnetische Wechselwirkung einer kurzen Antenne mit einem kurzen Gegengewicht in einem begrenzten Raumvolumen auf. Darüber hinaus verändert jeder Eingriff in dieses Volumen den Widerstand des Mediums erheblich und. hat daher einen erheblichen Einfluss auf die Parameter eines solchen Antennensystems. Darüber hinaus ist bei einem solchen Antennensystem mit verkürzten Elementen eine deutliche Erhöhung eines von ihnen möglich. Beispielsweise verursacht ein Pin auf einen Viertelwellenwert oder ein Gegengewicht keine signifikante Abnahme des Rcp. Und nur eine Zunahme (d. h. Verlängerung) sowohl des Stifts als auch des Gegengewichts führt dazu, dass Rcp abfällt.

Schon daraus können wir schließen, dass der Widerstand der kurzen Antenne der CB-Station kein konstanter Wert ist, sondern eine Variable, die insbesondere von der Position von Fremdkörpern (einschließlich des Bedieners) relativ zur Antenne abhängt.

Im Allgemeinen kann eine gut angepasste Antenne unter dem Einfluss dieser Faktoren vollständig fehlanpassen.

Daraus folgt, dass die Endstufe des MW-Senders so aufgebaut sein muss, dass eine solche Fehlanpassung seine Funktion nicht wesentlich beeinträchtigt und dass die Endstufe nach Beseitigung der Ursachen der Fehlanpassung weiterhin normal funktioniert . Dazu ist es erforderlich, dass der Ausgangstransistor eine 3 ... 4-fache Leistungsreserve hat. Eine Kompromissversion der P-Loop-Anpassungsschaltung wird ebenfalls benötigt. ermöglicht die Arbeit an einer komplexen variablen Last. Beim Ändern der Antennenparameter muss die Selbsterregung beseitigt werden. Bereits diese Anforderungen. die den Endstufen von CBs von tragbaren Stationen präsentiert werden, zeigen, dass es sich lohnt, ihr Design sehr ernst zu nehmen. Für ein mobiles Autoradio, das an einer stationären Autoantenne betrieben wird, sind die Anforderungen an RA viel geringer. Dies liegt an der Verwendung der Karosserie als Gegengewicht, die eine gute „Erde“ für die MW-Antenne darstellt. Ein Stift, der für eine Auto-CB-Antenne verwendet wird. hat eine Länge von etwa einem Meter, in vielen Fällen sogar noch länger. Dies schafft die Voraussetzungen für den Betrieb einer Autoantenne mit wesentlich größerer Wirkung als eine portable Stationsantenne. Es ist auch von Bedeutung, dass sich im System "Antennenstift - Gegengewicht" keine Fremdkörper in der Wechselwirkungszone von Vorspannungsströmen befinden, was Rсp für solche Antennen stabiler macht als in tragbaren Stationen.

Von allen bestehenden Arten von MW-Antennen für tragbare Stationen können zwei Gruppen unterschieden werden – resonante und nicht resonante Antennen. Unter den verkürzten Peitschenantennen aus der Resonanzgruppe können Spiralantennen und durch Induktivität verlängerte Peitschenantennen unterschieden werden. Unter den nicht resonanten Peitschenantennen ist es ratsam, nur einen Typ zu verwenden - einen kurzen Stift als Teil des Ausgangsresonanzkreises. In diesem Fall ist der Pin ein verteilter Schleifenkondensator.

2. Spiralantenne

Eine Wendelantenne kann als offener Wendelresonator betrachtet werden [1]. In diesem Fall ist die Antenne selbst ein Spiralresonator, der Senderanpassungskreis ist eine Fortsetzung des Spiralresonators und tritt in seinen Erregerkreis ein, und der Weltraum kann als unendlich weit entfernter Bildschirm betrachtet werden (Abb. 2).

Fig. 2

Die Gültigkeit dieser Behauptungen lässt sich in der Praxis leicht überprüfen. Wenn sich also die Parameter der Anpassungsschaltung ändern, ändert sich der resonante Teil des Antennensystems. Selbst eine sehr geringe Änderung der Endkapazität der Antenne ändert ihre Resonanzfrequenz stark [2]. Und Wendelantennen sind sehr anfällig für den Einfluss von Fremdkörpern. Bereits die Annäherung einer Hand in 20 cm Entfernung führt zu einer Fehlanpassung zwischen Antenne und Sender, weil aufgrund einer Änderung der Anschlusskapazität ändert sich seine Resonanzfrequenz. Hier bietet es sich an, eine Abstimmung nach dem in [3] vorgeschlagenen Verfahren durchzuführen. Es besteht darin, dass die Wendelantenne so abgestimmt ist, dass bei Annäherung der Hand (oder aufgrund anderer Fehlanpassungseinflüsse) die Signalfeldstärke zunimmt und dann abnimmt. In diesem Fall wird die Antenne nicht genau auf Resonanz abgestimmt, sondern etwas davon entfernt.

Feldstärkemessungen zeigen, dass in diesem Fall die Feldstärke etwa 85 % der Feldstärke bei exakter Resonanz beträgt. Aber beim Testen eines Radiosenders mit einer auf Resonanz abgestimmten Antenne und einer auf die Antennenneigung abgestimmten Antenne liegen die Vorteile der letzteren auf der Hand. Wenn also bei der Verwendung einer Station mit einer Resonanzantenne im Funkkommunikationsprozess die Antenne sich einer Person näherte, traten erhebliche Schwankungen der Feldstärke auf. Bei Verwendung eines Radiosenders mit auf die Steigung der Kennlinie abgestimmter Antenne machte sich der Fehlanpassungseinfluss einer Person deutlich schwächer bemerkbar und die Schwankung der Feldstärke war unbedeutend. Darauf aufbauend kann empfohlen werden, Wendelantennen nach dem in [XNUMX] vorgeschlagenen Verfahren abzustimmen. Nur wenn die Wendelantenne unter Bedingungen arbeitet, bei denen der Einfluss von Fehlanpassungsfaktoren ausgeschlossen ist, ist es möglich, die Antenne auf die maximale Feldstärke abzustimmen.

Bei der Messung der Feldstärke der Wendelantenne und der Peitschenantenne mit Verlängerungsspule stellte sich heraus, dass die resonante Peitschenantenne mindestens dreimal länger war. als die getestete Wendelantenne die gleiche Feldstärke lieferte. Daraus können wir schließen, dass in tragbaren Stationen die optimale Antennenoption eine Spiralantenne ist, die stärker und einfacher im Design ist als eine Peitschenantenne mit den gleichen Parametern. Dabei ist zu berücksichtigen, dass in diesem Fall der kurze Körper der Funkstation eine bessere „Masse“ für eine Wendelantenne ist als für eine Peitschenantenne mit gleichen Parametern. Aber die Spiralantenne. das Bereitstellen einer großen Feldstärke schafft die Voraussetzungen für einen instabilen Betrieb des Senders.

Tatsächlich stellte sich bei den Experimenten heraus, dass derselbe Sender, der mit einer externen kabelgespeisten Antenne stabil arbeitete, angeregt wurde, wenn eine Spiralantenne daran angeschlossen wurde. Nur eine sorgfältigere Überprüfung und Anpassung der Anpassschaltungen ermöglichte es dem Sender, mit einer Wendelantenne ohne Selbsterregung zu arbeiten.

Eine Wendelantenne kann wie eine Peitschenantenne unter Verwendung einer sich verkürzenden Kapazität und einer sich ausdehnenden Induktivität auf eine Betriebsfrequenz abgestimmt werden. Die Verwendung von Kapazität erhöht die Resonanzfrequenz der Antenne, während die Verwendung von Induktivität sie senkt. In diesem Fall ist es zur Erhöhung der Effizienz der Antenne erforderlich, dass die Induktivität der Verlängerungsspule so klein wie möglich und die Verkürzungskapazität so groß wie möglich ist. Die Verwendung solcher Abstimmelemente ermöglicht den Einsatz einer Wendelantenne in einem weiten Frequenzbereich, da die Bandbreite der Wendelantenne je nach Ausführung und Güte der Anpassung klein ist und im 200 MHz-Bereich.

Es gibt noch einen weiteren sehr wichtigen Punkt bei der Verwendung von Wendelantennen. Wenn eine solche Antenne über ein Koaxialkabel angeschlossen wird, ergibt sich ihre Resonanzfrequenz aus der Einführung der Reaktivität des Kabels in die komplexe Impedanz der Antenne und dementsprechend aus ihrer Änderung. ändert sich und muss angepasst werden.

Beim Bau einer Wendelantenne sollte man, wie eigentlich bei jeder anderen verkürzten Antenne, noch auf ein weiteres Merkmal dieses Antennensystems achten, nämlich das. dass sich bei Anschluss eines Viertelwellen-Gegengewichts die Resonanzfrequenz dieses Antennensystems etwas ändert. Dies lässt sich damit erklären, dass das Gegengewicht, das einen eigenen Rz hat, Rsp verändert. Die Kapazität "Antenne - Raum" ändert sich ebenfalls. Die Bandbreite der Wendelantenne wird durch eine Verringerung ihrer Güte und gleichzeitig durch eine effizientere Abstrahlung um etwa das 1.5- bis 2-fache erweitert. Grundsätzlich ging bei der experimentellen Untersuchung die Resonanzfrequenz der Wendel mit Viertelwellenwaagen nicht über die Bandbreite der Antenne hinaus. Gleichzeitig erhöhte sich die Feldstärke mit einem Viertelwellen-Gegengewicht um mindestens das Zweifache.

Die Wendelantenne sollte mit möglichst kurzen Leitern an die Ausgangsanpassungsschaltung angeschlossen werden. Damit stellen Sie die nötige Bandbreite und minimale Störabstrahlung der Anschlussleitung zur Verfügung.

3. Praktische Konstruktionen von Wendelantennen

Unten werden in der Literatur der letzten Jahre veröffentlichte praktische Konstruktionen von Wendelantennen betrachtet. Antennenparameter wurden mit einem Antenoskop gemessen.

Die Spiralantenne, deren Aufbau in Abb. 3 wurde in [4] veröffentlicht. Tests dieser Antenne haben gezeigt, dass diese Antenne eine Viertelwelle auf dem 21-MHz-Band ist. Zusammen mit einem resonanten Viertelwellen-Gegengewicht betrug der Antennenwiderstand hier etwa 40 Ohm. mit geringer Reaktivität.

Nachdem ich eine solche Antenne über ein etwa zehn Meter langes Koaxialkabel an einen 40-W-Transceiver angeschlossen und die Antenne in einer Fensteröffnung platziert hatte, gelang es mir, mit RST21-56 mehrere Verbindungen bei 58 MHz herzustellen, was meine Meinung über ihre wahre Resonanz weiter stärkte. Dennoch konnte durch Anpassung der Windungen und der Kapazität, wie in [4] gezeigt, festgestellt werden, dass im 27-MHz-Bereich seine Resonanz möglich ist, was der äquivalenten Antennenlänge einer halben Wellenlänge entspricht.

Die Antennenbandbreite im 21-MHz-Band betrug 200 Hz, im 27-MHz-Band 250 kHz mit einem Viertelwellen-Gegengewicht.

Spiralantenne, deren Daten in Abb. 4 dargestellt sind. 26 bezieht sich auf Viertelwellenantennen. Mit Hilfe eines Add-On-Pins lässt er sich über einen weiten Bereich abstimmen – von 35 MHz bis 27 MHz. Auf dem 130-MHz-Band betrug seine Eingangsimpedanz mit dem Körper des Radiosenders 650 Ohm und die Bandbreite 65 kHz. Mit 800 Ohm Viertelwellen-Gegengewicht. Die Bandbreite betrug 200 kHz. die Resonanz ist um XNUMX kHz nach oben verschoben. Es sollte beachtet werden, dass dieses Verfahren zum Einstellen der Resonanzfrequenz der Antenne, obwohl es in seiner Einfachheit und Effizienz ziemlich erfolgreich ist, immer noch den Qualitätsfaktor des Spiralresonators und infolgedessen die Effizienz der Antenne reduziert. Dies schlägt sich in der Reduzierung der Feldstärke und in der Erweiterung der Antennenbandbreite nieder.

Die in Abb. gezeigte Spiralantenne. 5 [5] zeigte beim Test mit einem Antenoskop keine Resonanz im 27-MHz-Band und zeigte eine Viertelwellenresonanz im 21-MHz-Band. Zusammen mit einem Viertelwellen-Gegengewicht betrug sein Widerstand hier 25 Ohm bei einer Bandbreite von 250 kHz. Bei Verwendung des Anpassungssystems des jeweiligen Radiosenders [5] wurde jedoch festgestellt, dass Resonanz tatsächlich im 27-MHz-Bereich erreichbar ist. Offensichtlich entsteht hier die Resonanz der Antenne nicht aufgrund ihres Betriebs als Viertelwellenresonator, sondern als P-Kreis mit verteilter Kapazität. In diesem Fall entspricht die Wendelantenne einem System von P-Schaltungen, die an den Ausgang des Senders angeschlossen sind und deren Kapazität der Kapazität der Antenne gegen Erde entspricht. Die Strahlung entsteht durch die Abstimmung des gesamten Systems der P-Kreise des Senders auf Resonanz. Feldstärkemessungen haben jedoch gezeigt, dass in diesem Fall der Einsatz einer Wendelantenne ineffizient ist. Die gleiche Feldstärke kann eine auf Resonanz abgestimmte Peitschenantenne mit einer Verlängerungsspule liefern, die nur 1,3-mal länger ist als die Länge dieser Wendelantenne.

Die in Abb. 6 [6], zeigte eine Eingangsimpedanz bei der Resonanzfrequenz des 27-MHz-Bereichs von 110 Ohm mit dem Stationskörper und 40 Ohm mit einem Viertelwellen-Gegengewicht. Die Bandbreite mit dem Stationskörper betrug 300 kHz. mit einem Gegengewicht - 450 kHz. Dank an. Da ihr oberer Teil mit Entladung gewickelt ist, ist der Einfluss des menschlichen Körpers auf die Abstimmung dieser Antenne nicht so stark wie bei einer kontinuierlichen Wicklung. Das Anschließen eines Viertelwellen-Gegengewichts veränderte die Resonanzfrequenz um 200 kHz nach oben.

Untersucht wurde die in der Funkstation vom Typ Kolibri-M2 verwendete Antenne. Sein Design ist in Abb. 7. Im 27-MHz-Band zeigte diese Antenne eine Impedanz von 100 Ohm und eine Bandbreite von 300 kHz mit dem Stationskörper und eine Impedanz von 47 Ohm und eine Bandbreite von 200 kHz mit einem Viertelwellen-Gegengewicht. Das Anschließen eines Viertelwellen-Gegengewichts veränderte die Resonanzfrequenz um 120 kHz nach oben. Es handelt sich um die in Abb. 5 und 6 lieferten die Feldstärke. vergleichbar mit der Feldstärke, die eine Stabantenne mit Verlängerungsspule entwickelt, bei einer Stablänge, die dreimal so lang ist wie eine solche Wendelantenne.

Eine praktische Ansicht des Frequenzgangs der letzten beiden Antennen ist in Abb. 8 dargestellt. 100. Diese Abbildung zeigt, dass der Frequenzgang der Antenne nicht symmetrisch ist. Wenn ein Viertelwellen-Gegengewicht angeschlossen wird, wird der Frequenzgang leicht durcheinander geraten - um etwa. 27 kHz für das XNUMX-MHz-Band, die Antennenbandbreite erlaubt es jedoch, in den MW-Kanälen zu arbeiten. Wenn Sie den Frequenzgang einer Wendelantenne kennen, können Sie sie richtig einstellen - nicht in der Mitte des Betriebsbereichs, sondern etwas höher.

4. Herstellung und Abstimmung von Wendelantennen

In der Literatur wird empfohlen, Wendelantennen auf die Polyethylenseele des Koaxialkabels zu führen. Tatsächlich ist dies die beste Materialoption für eine solche Antenne. Es ist wünschenswert, ein 75-Ohm-Kabel für die Herstellung einer Wendelantenne zu verwenden, da es normalerweise einen einzelnen Innenleiter enthält, der leicht mit einer Zange herausgezogen werden kann, indem das Kabel selbst am anderen Ende in einem Schraubstock gehalten wird. Wenn Sie für den Antennenrahmen ein 50-Ohm-Kabel verwenden, das normalerweise einen Innenleiter hat, der aus mehreren Kupferdrähten besteht, kann es schwierig sein, diese zu entfernen.

Der einfachste Ausweg besteht darin, die Leiter zu erwärmen, indem mit einer starken Stromquelle ein Strom von 50 ... 100 A durch sie geleitet wird. und ziehen Sie sie dann schnell heraus.

Der Polyethylenrahmen hat nach dem Entfernen des Geflechts eine raue Oberfläche, was das Aufwickeln des Drahts mit Spannung erleichtert. Es sollte daran erinnert werden, dass eine Wendelantenne ein High-Q-System ist, und wenn sie nicht sorgfältig durchgeführt wird, kann ihre Resonanzfrequenz unter dem Einfluss von Temperatur über den Bereich hinausgehen, auf den sie abgestimmt ist. Bei der Untersuchung von Wendelantennen wurde festgestellt, dass sich deren Resonanzfrequenz um 50...80 kHz nach oben verschiebt, wenn sie auf eine Temperatur von -15°C abgekühlt werden. Die Antenne muss fest mit Isolierband umwickelt werden, um zu verhindern, dass sich die Spulen verschieben. und folglich Änderungen in der Resonanzfrequenz. Hierfür eignet sich flexibles PVC-Band. Klebeband ist dafür aufgrund seiner zu hohen Steifigkeit nicht geeignet.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Wendelantenne ein nicht symmetrisches System ist. Es sollte nur mit dem in seiner Beschreibung angegebenen Ende an den Sender angeschlossen werden. Beim Anschluss der in Abb. 6 und 7, am anderen Ende, haben sie völlig andere Resonanzen, weit hinter dem 27-MHz-Band. Auch bei einer Änderung des Verbindungsendes würde es so aussehen. symmetrische Antenne wie in Abb. 5, gibt es eine Verschiebung in seiner Resonanz aufgrund einer gewissen Asymmetrie in der Konstruktion der Antenne.

Strukturell ist es zweckmäßig, das an den Sender angeschlossene Ende mit dem SR-50- oder SR-75-Anschluss auszuführen. durch Schmelzen des Kunststoffsockels der Antenne dort. Vom Metallrahmen des Verbinders bis zum Anfang der Wicklung der Spirale müssen mindestens 12 mm Abstand sein. Bei der Herstellung der Antenne ist es nicht erforderlich, die Basis mit dem angegebenen Durchmesser zu verwenden. Eine Abweichung von 2 ... 3 mm ist durchaus akzeptabel. Beispielsweise können anstelle einer 7 mm Polyethylenbasis 9 mm verwendet werden, es können auch anstelle von 12 mm verwendet werden. Obwohl sich die Parameter der Antenne ändern, ist es durchaus möglich, sie auf das 27-MHz-Band abzustimmen.

Die Antennen werden, wie in der Beschreibung angegeben, abgestimmt, indem die Windungen von der Seite der dichteren Wicklung abgewickelt werden. Bei der Herstellung aller hier beschriebenen Antennen konnte durch Abwickeln eines Teils der Windungen auf den 27-MHz-Bereich abgestimmt werden. diese. sie wurden für eine Resonanzfrequenz knapp unter 27 MHz vorberechnet. Für einen effektiven Betrieb der Antenne ist eine gute Stationserdung, z. B. ein Metallgehäuse, erforderlich. Wenn dies nicht der Fall ist, ist es erforderlich, Kupfer- oder Aluminium-Breitfolie an einer geeigneten Stelle über die gesamte Länge der Station zu verlegen. Ein solches Gegengewicht erhöht die Feldstärke um etwa 15 ... 20%, was ungefähr auch die Kommunikationsreichweite erhöht. In manchen Fällen hilft es, die Eigenerregung des Senders zu entfernen.

Die Abmessungen der Wendelantenne können als optimal angesehen werden, wenn ihre Länge etwa 20 % größer ist als die Länge des Körper-Gegengewichts. Wenn die Antenne kleiner als dieser Wert ist. der Einfluss des menschlichen Körpers und anderer Fremdkörper nimmt zu. Eine weitere Erhöhung bewirkt nicht die gleiche Erhöhung der Feldstärke, es ist einfacher, ein Viertelwellen-Gegengewicht zu verwenden, um die Kommunikationsreichweite zu erhöhen.

Erweiterung

Autor: I. Grigorov (RK3ZK, UA3-113); Veröffentlichung: cxem.net

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