Антенна франклина своими руками

Правильное высказывание может быть ошибочным. Это не каламбур, а констатация факта. Вырванное из контекста правильное высказывание может ввести в заблуждение, если, например, не названы ограничения, при которых оно справедливо. Нечто подобное, по мнению автора этой статьи, произошло с характеристиками популярной антенны 5 l /8. имеет «нуль» под углом к горизонту и ненужный побочный лепесток под еще большим углом. Этот лепесток — плата за прижатый к горизонту главный лепесток и упомянутый максимальный КНД. Вот, пожалуй, вкратце и все, что было известно автору (так же, как и другим радиолюбителям) об этой антенне, и. вызывало некоторое недоумение.

Не давал покоя нижний участок излучателя, где ток направлен в противоположную сторону по отношению к току в верхней, полуволновой части. Ведь известно, что диаграмма направленности формируется следующим образом:
поля от каждого малого отрезка излучателя суммируются в любом направлении с учетом их амплитуд и фаз. В направлении на горизонт длины путей распространения волн от всех отрезков одинаковы и дополнительного набега фазы нет. Поля от участков верхней, полуволновой части антенны синфазны и складываются по амплитуде, а поля от нижней части (где направление тока противоположно) противофазны и. вычитаются!

Из этих соображений получалось, что более короткий — полуволновый вертикальный излучатель должен работать лучше, чем вибратор длиной 5 l /8. А если направление тока в нижнем участке излучателя длиной 5 l /8 каким-либо образом изменить на противоположное, то он будет более эффективным. Для доказательства этого вывода можно было либо рассчитать КНД теоретически, либо поставить соответствующий эксперимент. Но подозревая, что это все давным-давно сделано, автор предпочел изучить старые литературные источники. И что же оказалось?

Впервые вертикальная антенна-мачта длиной 5 l /8 была описана С. Баллантайном еще в 1924 г. [1]. Она разрабатывалась как средневолновая радиовещательная антифединговая антенна. Дополнительным достоинством этой антенны, немедленно ставшей весьма популярной, оказалось то, что она действительно создает в направлении на горизонт максимальную напряженность поля, но лишь в классе антенн с естественным (синусоидальным) распределением тока вдоль вибратора расположенного непосредственно над идеально проводящей поверхностью.

Первую часть выделенного курсивом. утверждения многие помнят хорошо а про вторую часть авторы статей в радиолюбительской литературе, видимо немножко подзабыли. В профессиональной же сообщается [2]: «If specia means are taken to prevent a reversal о currents below the upper half wavelength of the radiator, further horizontal gain car be obtained. «. Иными словами, ест реверсировать направление тока в нижней части антенны, получится дополнительный выигрыш в излучении не горизонт. При этом возможно и дальше наращивать длину антенны с целью увеличения выигрыша. Напомним, что у классической антенны длиной 5 l /8 увеличивать длину уже нельзя, так как резко увеличивается побочный лепесток диаграммы и уменьшается главный.

Puc.1

Реверсировав ток в нижней части антенны, целесообразно увеличить ее длину еще на l /8, чтобы избавиться от согласующей катушки. В результате получится хорошо известная синфазная коллинеарная антенна, предложенная еще в 1911 г. инженером фирмы «Mapкони» Франклином. Антенна Франклина представляет собой вертикальный провод, разбитый на отрезки по полволны, между которыми включены катушки (рис. 2,а) или четвертьволновые линии (рис. 2,6). В этих элементах и «спрятаны» обратные полуволны тока. Токи же в излучающих отрезках оказываетеся синфазными (рис. 2,в), что сужает диаграмму и значительно уменьшает побочный лепесток (рис. 2,г). Полоса пропускания такой антенны — несколько процентов. Динамика изменения диаграммы направленности при увеличении высоты антенны и числа «этажей» (по Франклину) иллюстрируется рис.3, заимствованным из [2].

Puc.2

Диаграммы приведены опять-таки для случая идеально проводящей земли. Отнести же почву под антенной к проводникам или диэлектрикам можно, вычислив тангенс угла потерь (отношение токов проводимости к токам смещения): tg = Jпр/Jсм=о/weeо. У проводников он много больше единицы, а у диэлектриков много меньше. Тангенс угла потерь зависит от частоты. Одна и та же почва будет близка к проводнику при работе на средних волнах, а на высокочастотных KB диапазонах и на УКВ (интересующий нас диапазон частот!) окажется диэлектриком. А это изменит фазу отражения от земли на обратную, и в направлении на горизонт окажется уже не максимум диаграммы направленности, а минимум. Главный лепесток диаграммы направленности в этом случае отрывается от поверхности и направляется под некоторым углом к ней (тем меньшим, чем выше над землей установлена антенна).

Иными словами, при работе над проводящей землей антенна 5 l /8 действительно превосходит полуволновый диполь. Объяснить это можно сужением диаграммы направленности из-за того, что основная излучающая часть находится выше над поверхностью, что и компенсирует уменьшение поля из-за излучения нижней части. Если же антенна 5 l /8 расположена в открытом пространстве, то такой компенсации не произойдет, исчезает ее преимущество перед полуволновым диполем. Сказанное в меньшей степени относится к многоэтажным антенным системам, составленным из УКВ антенн длиной по 5 l /8.

Puc.3

Разнесение на большее расстояние основных, полуволновых излучающих отрезков, также как в случае проводящей земли, сужает диаграмму и компенсирует проигрыш от излучения участков с обратным током. Но и в этом случае исключение «обратных» участков должно дать выигрыш.

Не известно, были ли споры между Баллантайном и Франклином о достоинствах своих антенн. Скорее всего, нет, поскольку антенны создавались для совершенно разных целей. А вот среди радиолюбителей такие споры возникают неоднократно. Надеюсь, что приведенные в статье аргументы помогут в этих спорах сторонникам синфазных антенн.

А практический вывод, к которому пришел автор этих строк, следующий. Если вы решили наготовить вертикальную ненаправленную антенну и имеете при этом возможность сделать ее высотой больше l /2, но меньше l , то наибольший положительный эффект получите не с антенной «пять восьмых лямбда», а с антенной Франклина (см. рис. 2).

1. Ballantine S. On the optimum transmitting wave length for a vertical antenna over perfect Earth — Proc. IRE, 1924, December, p. 833.
2. Radio Engineering Handbook, Fifth ed., McGraw-Hill, 1959, p. 20-24.

Источник

Антенна франклина своими руками

А чем хуже J-антенна, 3дб усиления и круговая диаграмма направленности!
http://www.hamradio.cmw.ru/antenna/433_j2.jpg
Описание антенны смотрим на http://www.hamradio.cmw.ru/antenna/433_j.htm
Антенны 5/8 сложны в изготовлении и морально устарели!
Из вертикалов я предпочитаю именно J-ку, неоднократно раз собирал!
Превосходно работает,собирается буквально из подручного материала, настраивается легко, а главное, заземленная антенна!
Настройка антенны подробно описана на http://www.qrz.ru/schemes/contribute/antenns/rk3zk-ant.shtml (http://www.cqham.ru/ant_j.htm)

Другой вариант исполнения — http://rf.atnn.ru/s5/an-rx501.html
Успехов в выборе!

4l1fp спасибо, но все же хотелось по существу.

оригинальная статья датируется 1924 годом
Так ведь мало чего изменилось с тех пор.

Из вертикалов я предпочитаю именно J-ку, неоднократно раз собирал!
Превосходно работает,собирается буквально из подручного материала, настраивается легко, а главное, заземленная антенна!

Но тут есть одно НО.
У J-ки довольно большие антенный эффект фидера и антенный эффект мачты (если J-ка является продолжением мачты или ее основание заземлено).
Из-за антенного эффекта, при неблагоприятной длине фидера, мачты или заземляющего провода, параметры J-ки могут существенно ухудшиться. Особенно, когда основной лепесток ДН «задирается» вверх.
Причем, когда оплетка фидера подключается к длинному отрезку антенны (как рекомендуется на ссылке), антенный эффект фидера будет больше. Поэтому надо подключать наоборот — оплетку к короткому концу антенны.
Все это подробно обсуждалось на форуме «Hz» в декабре 2004 г.:
http://groups.yahoo.com/group/Hz/message/5297

Вот модель J-ки, которая там приводилась, демонстрирующая пагубное влияние антенного эффекта мачты на параметры антенны.
Если провод 8, имитирующий металлическую мачту, сделать «изолятором», то параметры антенны становятся нормальными.

У вас есть еще какие либо предложения по поводу антенн. Какие.
Надо подумать. Чтоб обойтись без шлейфов; внизу — как у J-ки или в разрыве антенны. Для автоантенны это некрасиво и непрактично.
И чтоб усиление при этом было поболее чем у четвертушки.
А пока можно посмотреть двухдиапазонные варианты 144/430 МГц:
http://forum.qrz.ru/thread8065-1.html

У вас есть еще какие либо предложения по поводу антенн. Какие.
Да вот такие два варианта пожалуй подойдут для авто.
Усиление у обеих антенн больше чем у «Франклина», Rвх 50 Ом, не узкополосные, простая конструкция.
Антенну желательно монтировать примерно в центре крыши. Тогда параметры будут близки к расчетным.
Связь с крышей, которая служит «землей», можно сделать с помощью конструктивной емкости — как у серийных антенн.

Безусловно, эти антенны можно использовать не только для авто, если добавить четвертьволновые противовесы.

Конденсатор в «геометрии» — это примерная величина собственной емкости катушки ( катушек без собственной емкости не бывает).

Не могли бы вы в кратце описать конструкцию вашей антенки.
Это штырь высотой 680 мм и диаметром 6 мм запитанный снизу кабелем 50 Ом напрямую.
Штырь из двух кусков: нижний 240 мм, затем зазор 20 мм и верхний 420 мм. Между нижней и верхней частями штыря включена катушка 0,12 мкГн.

Второй вариант отличается от первого только размерами и индуктивностью катушки.
Нижняя часть штыря 260 мм, зазор тоже 20 мм, верхняя часть 430мм, а катушка 0,097 мкГн.

У первого варианта усиление на 4,2 дБ больше чем у четвертьволнового штыря. А у второго варианта — на 4,5 дБ.
КСВ меньше 1,5 в диапазоне 425. 440 МГц (на 432 МГц КСВ равен 1).

2 4l1fp
Ну убивать за антенну это слишком. Для автомобиля, я считаю, она не приемлима.

2 Alfred
Можно по подробнее о симетрирующем устройстве. Его конструкция, размеры.

врезная ант.на 433МГц штырь 17см далее кондер 5пФ потом опять штырь 30см.Работает около года и нет проблем.
У такой антенны из прутка диаметром 4 мм резонанс на 469 МГц, где КСВ равен 1,1. А на 432 МГц КСВ равен 5,2. Усиление на 3 дБ меньше, чем у первого варианта предложенной мной антенны.
Но самое неприятное то, что основной лепесток диаграммы направленности сильно задран вверх. Кому нужно излучение под 47 град.? Разве что для связи с летающими объектами 🙂

Фирменный арсенал. 😀

Diamond SG7200
144/430MHz(2m/70cm) (300MHz receiving only)
Gain: 3.2dB(144MHz), 5.7dB(430MHz) / Max. power rating: 150W(total) / Impedance: 50ohms
VSWR: Less than 1.5:1/Length: 0.96m / Weight: 335g / Connector: M
Type: 1/2wave C-Load radialless(144MHz), 2×5/8 C-Load radialless(430MHz)

2 ur0gt
А вы не могли бы пересчитать ВОТЯ»нину антенну в Манне на 433 Мгц и выложить ее размеры.
По сути, на данный момент мне нужна такая внешняя антенна для работы в автомобиле, чтобы избежать экранеровки кузовом авто и чтобы все прелести внешней антенны не умирали в тонком кабеле метров 3 длинной.

PS. С наступающим праздником!

А вы не могли бы пересчитать ВОТЯ»нину антенну в Манне на 433 Мгц и выложить ее размеры.
Параметры антенны, которую предложил Вотя, практически не изменяются при замене конденсатора перемычкой.
Поэтому такую антенну с резонансом на 433 МГц можно просто выполнить в виде прутка диаметром 4 мм и длиной 497 мм. Расчетный размер немного больше, но недостающую длину компенсируют разделанные концы фидера (примерно 10 мм).

Напоминаю еще раз, что штырь длиной 3/4 волны хорошо согласуется с 50-омным фидером напрямую, но бОльшую часть энергии излучает под углом 47 град. к горизонту. И зачем Вам нужна такая диаграмма? 🙂

Желаю удачи и с праздником!
Николай

2 ur0gt
Так зачем там Конденсатор стоит? И как изменятся характеристики антенны сделанной из 2-3 мм прутка?

Да, 47 градусов это не дело. Но если я не ошибаюсь, то и у 1/4 то же излучает куда то вверх, а Ку имеет меньше чем 3/4.

Так зачем там Конденсатор стоит?
И как изменятся характеристики антенны сделанной из 2-3 мм прутка?
Отвечу сразу на простой второй вопрос.
При использовании прутка 2мм параметры антенны 3/4 волны практически не изменятся, если антенну удлинить до 500мм + 10мм на разделанные концы фидера.

А что касается конденсатора в разрыве штыря 3/4 волны, то видимо Вотя слышал про емкостное фазирование колинеаров. Но более чем на порядок завысил емкость фазирующего конденсатора, что на этих частотах, при включении конденсатора столь большой емкости в пучности напряжения, практически эквивалентно короткому замыканию.

Для получения «правильного» синфазного колинеара из четвертьволнового штыря и полуволнового вибратора емкость фазирующего конденсатора должна быть всего 0,22 пФ и требуется коррекция длины отрезков такой антенны.
При применении прутка 3мм нижний отрезок — 195мм, верхний — 277мм. Между ними — конструктивный конденсатор 0,22 пФ (самый простой вариант — с помощью небольшого зазора между прутками через изоляционную прокладку).
Благодаря синфазной запитке составляющих колинеара усиление антенны близко к максимально достижимому при такой высоте штыря, а диаграмма направленности прижата к линии горизонта.
Эта антенна очень широкополосна — по краям полосы в 100 МГц КСВ поднимается только до 1,6.
Но входное сопротивление антенны 200 Ом. Поэтому 50-омный фидер надо подключать через согласующий трансформатор 1:4.
Модель этого колинеара 1/4 + 1/2 с емкостным фазированием в прилагаемом файле.

Да, 47 градусов это не дело. Но если я не ошибаюсь, то и у 1/4 то же излучает куда то вверх, а Ку имеет меньше чем 3/4.

Да нет, четвертьволновой штырь излучает под гораздо меньшими углами:
http://www.qslnet.de/member/dl2kq/ant/kniga/344.htm
Усиление штыря 3/4 больше, чем у 1/4. Но, повторяю еще раз, почти вся энергия у 3/4 излучается под очень большими углами. Поэтому для связи на УКВ между наземными объектами 1/4 будет намного эффективнее.
Сплошные штыри не делают длиннее 5/8 (а только колинеары), поскольку при дальнейшем удлинении диаграмма направленности резко «задирается» вверх.

Надеюсь Николай UR0GT объяснит Вам, почему так происходит.
А может объяснит кто-нибудь другой?
Накопилось много вопросов в приват. Займусь пока ответами на них. Все не успеваю 🙂

73 Николай
Народ требует чтобы Николай объяснил.

2 ur0gt
Спасибо за разъяснения. У меня пявилось еще пара вопросов.

Между ними — конструктивный конденсатор 0,22 пФ (самый простой вариант — с помощью небольшого зазора между прутками через изоляционную прокладку)
Как посчитать этот зазор? Подскажите формулу расчета емкости конденсаторов.

Поэтому 50-омный фидер надо подключать через согласующий трансформатор 1:4.
Как изготовить такой трансформатор? И возможно ли его применение в автомобильной антенне?

RW3DKB сказал: известно, что при случайной длине кабеля УКВ автомобильные антенны работают из рук вон плохо.
Как с этим быть? Какая длинна кабеля считается правильной?

Приходилось заменять кабель на новый с требуемой длиной.. иначе антенна просто не работала — связь на расстоянии 1-2 км была, а дальше — ничего. при нормальной длине кабеля связь работала в радиусе 20-25 км. Надеюсь Николай UR0GT объяснит Вам, почему так происходит.

это происходит потому, что антенна не согласована с кабелем.
линии передачи бывают согласованные и настроеные. при согласованной с антенной линией передачи (кабель) она может быть любой длины. при настроеной приходиться подбирать длину кабеля.. поэтому согласовывайте антенну с кабелем, и вам не прийдеться решать загадки с длиной кеабеля.

Источник