Записки программиста
Самодельный диполь: теория и практика
18 февраля 2019
Диполь является одной из наиболее популярных коротковолновых антенн. В простейшем случае изготавливается он таким образом. Берется два провода длиной около 1/4 длины волны. Это будут плечи диполя. Один провод подключается к жиле коаксиального кабеля, а второй — к его экрану. Все это хозяйство поднимается как можно выше над землей, после чего плечи антенны расправляются в разные стороны. Диполь готов! Но такой простейший диполь может работать хорошо, а может работать и плохо, как повезет. Вот о том, с чем это связано, и как это исправить, далее и пойдет речь.
Теория
Проблема заключается в питании симметричной антенны, нашего диполя, несимметричной линией, коей является коаксиальный кабель. Для полноты картины, типичной симметричной линей является двухпроводная линия. Такая линия представляет собой два провода, идущих параллельно на фиксированном расстоянии друг от друга. Если бы мы питали диполь через двухпроводную линию, все работало бы отлично. Однако современные трансиверы не имеют выхода для подключения симметричных линий. К тому же, двухпроводные линии чувствительны к осадкам и находящимся рядом с ними металлическим предметам. Что же до коаксиального кабеля, его можно не сильно думая просто проложить где нужно.
Так вот, при питании симметричной антенны несимметричной линией могут возникать синфазные токи (common mode current). В чем суть данного явления и почему нам есть до него какое-то дело? Прекрасное объяснение дается в статье Baluns: What They Do And How They Do It [PDF] за авторством Roy Lewallen, позывной W7EL:
В идеальном сценарии внутри коаксиального кабеля течет противофазный (дифференциальный) ток. По жиле кабеля течет ток в некой фазе, а по внутренней стороне экрана течет ток в обратной фазе. За счет того, что магнитные поля, создаваемые этими токами, компенсируют друг друга, кабель не излучает. Теперь представьте, что вы — это переменный ток, текущий по внутренней стороне экрана. Вот вы приходите на границу кабеля, туда, где начинаются плечи диполя. Казалось бы, у вас нет особых вариантов, кроме как пойти в плечо диполя, подключенное к экрану. Но не стоит забывать про скин-эффект. Оказывается, что внешняя сторона экрана для вас выглядит не менее привлекательным проводником.
Если ток, или часть тока, решит пойти по внешней стороне кабеля, излучать будет кабель, а не плечи антенны. Другими словами, кабель превращается в часть антенны. В итоге антенна работает не так, как мы хотим. Входное сопротивление, диаграмма направленности — все идет коту под хвост. Плюс к этому, поскольку кусок антенны теперь находится у вас в доме, электроника ловит наводки и утюг начинает разговаривать с холодильником. В описанном сценарии ток в жиле кабеля и на внешней стороне экрана будут иметь одинаковую фазу, потому и говорят про синфазный ток. По понятным причинам, в симметричной линии такая проблема не возникает.
Для борьбы с синфазным током используется устройство под названием балун (balun). Название образовано от «bal-un», то есть, устройство для соединения симметричной линии (balanced line) и несимметричной (unbalanced line). Бывают балуны как по току (current balun), так и по напряжению (voltage balun). Отличие заключается в том, что балун по току следит за тем, чтобы на выходе у него был равный и противоположный ток. Соответственно, балун по напряжению делает то же самое, но в отношении напряжения. Помимо своей основной функции, часто балун занимается еще и согласованием импеданса, то есть, выполняет роль трансформатора. Например, если балун спроектирован для соединения линии с волновым сопротивлением 50 Ом к антенне с входным сопротивлением 200 Ом, говорят, что это балун 1:4. Далее в этой заметке речь пойдет исключительно о балуне по току 1:1.
Теоретически, в диполе нет разницы, какой балун использовать — по току или по напряжению, поскольку антенна является симметричной. Однако все в той же статье W7EL убедительно показывается, что на практике применительно к диполям балуны по напряжению существенно проигрывают балунам по току. Связано это с тем, что на самом деле диполи не бывают идеально симметричными. Для правильной работы антенны требуется, чтобы несмотря ни на что в его плечах шел одинаковый и противоположный ток. В связи с этим необходимо использовать именно балун по току.
Как же балун может препятствовать возникновению синфазного тока? Для этого нужно, чтобы току было не выгодно течь по внешней стороне экрана коаксиального кабеля. То есть, увеличить импеданс этой стороны. Существует несколько похожих способов сделать это. Простой и эффективный способ заключается в том, чтобы сделать несколько витков коаксиального кабеля вокруг ферритового кольца. При протекании через кабель противофазного тока, магнитные поля двух токов компенсируют друг друга. В результате такой ток протекает по балуну без каких-либо препятствий. Если ток попытается свернуть не туда, куда мы хотим (стать синфазным), для него балун начинает работать, как дроссель. А как нам с вами известно, дроссель препятствует протеканию переменного тока. Таким образом, внешняя сторона экрана теперь имеет высокий импеданс. Току становится невыгодно идти по ней, потому он уходит в плечо антенны.
Альтернативный способ заключаются в использовании катушки из коаксиального кабеля с воздушным сердечником, так называемый ugly balun. Свое имя балун получил из-за больших размеров, так как для корректной работы ему требуется большое число витков и большой диаметр катушки. Еще один способ заключается в использовании ферритового кольца и бифилярной намотки, то есть, намотки из двух параллельных проводов. Принцип действия таких балунов аналогичен описанному в предыдущем параграфе. Далее мы сосредоточимся на балунах, сделанных из коаксиального кабеля и ферритового кольца.
Как определить, какое ферритовое кольцо нам нужно, и сколько витков на него наматывать? В общем случае — экспериментально. Большое исследование по этой теме было проведено оператором Steve Hunt, G3TXQ. Восемь витков кабеля RG58 вокруг кольца FT240-31 дают очень хорошие результаты на всех любительских КВ-диапазонах. В книге «The ARRL Handbook for Radio Communications 2019» приводятся аналогичные графики и также рекомендуется 31-ая смесь. Соответствующие кольца несложно найти, например, на eBay.
Практика
Изготовленный мной балун выглядит следующим образом:
Использованная здесь намотка была придумана оператором Joe Reisert, W1JR. Она удобнее обычной намотки по тем соображениям, что концы кабеля максимально удалены друг от друга. Несложно убедиться в том, что намотка W1JR и обычная намотка электрически эквивалентны. Достаточно вспомнить, как направление линий магнитного поля в катушке зависит от направления намотки катушки, так называемое правило правой руки.
Корпус было решено напечатать на 3D-принтере пластиком PLA. Для крепления к балуну веревки был использован рым-болт M6. Для крепления плеч я использовал болты M3. Поскольку корпус не герметичен, а PLA разлагается под воздействием окружающей среды, после полевых испытаний балун был покрыт двумя слоями лака Plastik 71. Хороший лак — не сильно пахнет, быстро сохнет, а кисточка легко очищаются от него при помощи тряпки, смоченной в ацетоне.
Важно! Наносите лак только в хорошо проветриваемом помещении, или делайте это на улице.
Плечи антенны были сделаны из провода П-274М, он же «полевка». Испытания проводились по очереди в диапазонах 20, 40, и 80 метров в режиме SSB на мощности 100 Вт. Антенна была установлена в конфигурации inverted vee. Центральная часть была закреплена на удочке на высоте 6-7 метров над землей. Минимальная высота плеч от земли составила около 1.5 метров. В итоге удалось провести множество QSO в каждом из трех диапазонов.
На 20 метрах значение КСВ было около 1 во всем диапазоне. Были проведены QSO с операторами из Германии (1900 км), Хорватии (1860 км), Италии (2200 км), Болгарии (1700 км), Словении (1950 км), Бельгии (2300 км), а также из ряда городов России. Наиболее удаленным городом оказался Ирбит (1540 км).
В диапазоне 40 метров КСВ был около 1 во всем диапазоне, за исключением телеграфной части, где КСВ составил 1.2 или около того. В этом диапазоне были проведены QSO с операторами из Чехии (1670 км), Австрии (1740 км) и Украины (830 км). Также отозвались операторы из множества городов России, среди которых наиболее удаленным от меня городом оказался Сочи (1360 км).
Что же до 80 метров, здесь КСВ не превышал 2 во всем диапазоне, а на интервале от 3.555 МГц до 3.715 МГц значение КСВ не превышало 1.5. Узкополосность антенны на этом диапазоне объясняется малой высотой мачты. В идеале, для диполя она должна составлять 1/2 длины волны. Тем не менее, удалось провести QSO со многими операторами из России. Наиболее удаленный от меня проживает в Оренбурге (1230 км). Также мне ответили радиолюбители из следующих городов Украины: Киев (750 км), Кропивницкий (870 км), Донецк (850 км) и Волноваха (900 км).
Заключение
Как видите, если изучить матчасть, все становится просто, логично, и получается воспроизвести без каких-либо проблем.
Прикинем стоимость получившейся антенны. Самым дорогим компонентом оказалось ферритовое кольцо. Его цена составила 18$ вместе с доставкой. Полевка обошлась мне в 3.5$ за 20 метров. Она продается в виде пары проводов, поэтому получается как раз 40 метров. Разъем SO-239 стоит около 1.5$. Остальные компоненты эффективно ничего не стоят. Корпус, к примеру, можно изготовить из какой-нибудь пластиковой бутылки. Итого выходит не более 25$. Для сравнения, готовый балун по току 1:1 обойдется вам в интернет-магазине где-то в 40$ вместе с доставкой, и к нему еще потребуется докупить плечи. Вроде как, проект вышел экономически выгодным.
Существенным минусом описанной выше антенны является то, что в один момент времени она работает только на одном диапазоне. Есть несколько решений этой проблемы. Например, можно подключить плечи на два диапазона. Плечи одного диапазона размещаются в плоскости, перпендикулярной плоскости второй пары плеч. Полученная конструкция называется fan dipole. Такие диполи делают и более, чем на два диапазона. Другой подход заключается в разделении плеч диполя при помощи LC-контуров («трапов»), резонирующих на частотах радиолюбительских диапазонов. Однако эти темы уже выходят за рамки данной статьи.
Исходники корпуса балуна для OpenSCAD, а также соответствующие STL-файлы, вы можете скачать здесь. Как обычно, буду рад вашим вопросам и дополнениям.
Источник
Самая простая КВ антенна. Полуволновой Диполь.
Последнее время все чаще слышу от своих начинающих коллег о возникающих трудностях в постройке той или иной антенны. Они замахиваются на антенны сложные для постройки для начального уровня знаний.
Я сам был в их «шкуре» и примерно также мыслил и действовал, но все же вернулся к наиболее простой в изготовлении и настройке антенне «Полуволновой диполь» В этой статье я опишу самый простой и не затратный способ постройки антенны полуволновой диполь и ее настройки. И так что бы не в даваться в формулы, воспользуемся онлайн расчетом. Ниже представлены размеры для диапазона 40 м.
И так берем медный антенный канатик или электрический провод (например сечением 2 квадрата) и режем плечи по 10 м. Я не буду здесь вдаваться в споры, какой материал лучше для изготовления антенны. Наверное лучший материал это тот который есть под руками или достался бесплатно (шутка). Надо заметить что электрическая длина антенны несколько отличается от физической длинны из расчета.
Ниже показан пример как можно легко изготовить диполь
После того как нарезаны элементы, изготовлен центральный изолятор и изолятор на концы полотен. Можно подвесить диполь в пространстве. Рекомендуемая высота подвеса не ниже 1/4 длинный волны для выбранного диапазона. Лучше конечно как можно выше, но если высота подвеса будет ниже 1/4 тоже не страшно, просто антенна будет работать не так эффективно. Т.к будет вносится реактивная составляющая. Но об этом позже.
Диполь изготовлен, подвешен, подключен к трансиверу. Все можно работать?
В принципе да. Но нам не известно значение КСВ и лежит ли резонанс антенны в необходимом участке частот. Поэтому работа на такую антенну будет мало эффективна.
Значит нам надо настроить антенну. Для этого можно воспользоваться КСВ метром или Антенным анализатором. КСВ метр показывает нам степень согласованности антенны с трансивером. Значение хорошо настроенной антенны должно стремится к 1, но вполне приемлемо проводить связи на антеннах с КСВ до 3. Антенный анализатор же показывает нам несколько большие параметры — это КСВ, активное и реактивное сопротивление антенны. Все эти показатели имеют большое значение, но на начальном этапе не так важны.
Так выглядит КСВ метр (ну как минимум один из миллиона вариантов)
Ну а так Антенный анализатор
К сожалению не каждый радиолюбитель может позволить купить себе антенный анализатор, а вот КСВ метр вполне по карману.
Источник
Антенна диполь на Си-Би
Что может быть проще диполя? Наверное, ничего. Это самая простая в изготовлении антенна доступная большинству радиолюбителей. Ее просто рассчитать, просто изготовить, просто настроить и еще проще использовать. Вышло так, что в лаборатории журнала у меня не было никакой антенны где-то год, и вот недавно я решил, что хватит это терпеть!
В этой статье я расскажу, как рассчитать, из чего и как изготовить простую дипольную антенну на 27 МГц. Покажу весь ход построения антенны, от идеи до законченного изделия. Антенна проектировалась с расчетом на долгую не обслуживаемую эксплуатацию и поэтому вниманию защиты от пагубного воздействия атмосферы было уделено много внимания. Кроме того правильный диполь должен обязательно запитываться через балун. Что это такое и с чем его едят, читайте ниже.
Техническое задание
Условия, в которых предполагается использовать антенну, не самые благоприятные. Крыша двухэтажного здания. Не доминантная высота. Вокруг высотных зданий не много, но они есть. Мягкая кровля. В маневре мы ограничены с той точки зрения, что самовольно попадать на крышу проблематично, закрепить антенны выше уровня крыши тоже достаточно сложно, для этого нет никаких конструкций, а новые городить никто не даст. Единственно, разрешили вбить в стену крюк над окном, и на том спасибо. В общем, рассчитывать на великую дальнобойность подобной антенны не приходится, просто даже исходя из условий размещения.
Кроме того, антенна не должна никому мешать эксплуатировать кровлю. На крышу частенько заходят всяческие организации, следящие за состоянием кровли и кондиционеров и прочего оборудования. Короче, условия – отстой, но антенну все равно хочется. 
Поэтому был выбран самый простой вариант – диполь.
Что такое диполь
Диполь – симметричный вибратор, простейшая и наиболее распространённая на практике антенна. В самом простом варианте представляет собой прямолинейный проводник длиной в половину длины волны и питаемый в середине от генератора токами высокой частоты.
Иными словами, это два одинаковых куска провода растянутые в пространстве последовательно, друг за другом. Но в центре этой конструкции, точке их соединения к ним подключается кабель, по которому сигнал будет идти от диполя в трансивер и от трансивера в диполь. Все просто. Диполь может быть как вертикальный, так и горизонтальный. При этом поляризация волн принимаемых и излучаемых такой антенной будет меняться сообразно ориентации диполя. Вертикальный диполь – вертикальная поляризация (целесообразно использовать для местных связей), горизонтальный диполь (целесообразно использовать для дальних связей). Диполь, натянутый под углом, имеет обе составляющие.
Проект и расчет
Прежде чем брать в руки инструменты и начинать что-то делать не плохо бы посчитать какого же размера нам нужен диполь, кроме того, это поможет нам рассчитать количество провода который мы будем использовать для лучей диполя.
Надо понимать, что действительная (геометрическая) длина диполя несколько меньше чем рассчитанная формуле. Это связано с тем, что на концах антенны возникает емкостный ток, который эквивалентен увеличению ее длины. Необходимую длину диполя, с учетом соответствующего коэффициента укорочения можно посчитать по всяким умным формулам, которые я приводить не буду, а можно воспользоваться более технологичными средствами и привлечь к нашему творчеству программу моделировщик MMANA. И если Вы, будучи радиолюбителем ее, по какой-то причине все еще не освоили, настоятельно рекомендую это сделать. Для проектирования и расчета простых антенн, это совершенно незаменимый инструмент.
Итак, наш проект выглядит следующим образом. Антенна диполь. Верхняя точка подвеса на высоте 3м, центр на 2,5м, нижняя точка на 2м. Не густо, с учетом того, что КСВ и параметры работы антенны дипольного типа в целом довольно сильно зависят от высоты подвеса, но выбирать особенно не из чего. Длина плеч антенны примерно 2,57м, диаметр провода 2мм (R=1мм).
Вбиваем эти данные в моделировщик и получаем следующее.
Считаем параметры для частоты 27.200МГц. Центральная частота центральной сетки.
Похоже на правду, с учетом того, что диполь в свободном пространстве имеет сопротивление около 75Ом, что соответствует КСВ=1,5. Меня это вполне устраивает.
КСВ, а также активная и реактивная составляющая импеданса. Параметры для нашей антенны вполне подходящие.
Диаграмма направленности. Антенна при данном размещении будет по большей части зенитного излучения. Это следствие низкого подвеса, но тут уж ничего не поделаешь.
Питать антенну мы будем не просто через коаксиальный кабель, а через балансировочное устройство (балун). Балун это симметрирующий трансформатор. Называется так из-за использования в названии сокращенных англицизмов. Balanced-Unbalanced. Или BalUn. (БалУн). Он необходим для питания симметричной антенны. Диполь как раз антенна симметричная, а питаться она будет не симметричной линией, коей как раз является коаксиальный кабель. Но о балуне чуть ниже. Итак, примерно прикинув, что нас ждет, можно приступать к изготовлению.
Конструктив
Для ленивых, и тех, кто хочет просто попробовать сделать такую антенну, есть вариант проще. Сразу приведу картинку позаимствованную у EU4DGC. Отдельно комментировать не буду, на ней и так все понятно. Повторите и оно заработает.
Но так как надежность конструкции у меня стояла не на последнем месте, я решил подойти к делу более основательно.
Для изготовления диполя нам в первую очередь потребуется сделать заготовку для антенны дипольного типа. Эта штука необходима для полноценной реализации балуна. Вы, конечно, можете купить готовый балун, но, на мой взгляд, сделать его своими руками проще, дешевле и интереснее.
Для конструирования нам потребуется. 
1. Сантехническая пластиковая муфта диаметром 50-55мм. Продается в сантехнических магазинах.
2. Сантехнические заглушки того же диаметра. Продаются там же.
3. Разъем типа SO-239
4. Винт-кольцо 3 штуки (М6).
5. 6 шайб и 3 гайки.
Начинаем подготовку. Сверлим отверстия в крышках-заглушках и муфте.
В муфте одной из заглушек диаметром 6мм, для крепления, и 16мм в другой, для разъема. Сверлим отверстия под креплениями и для вывода проводов которыми будем питать лучи антенны.
Монтируем крепления. В собранном виде конструкция выглядит вот так.
Теперь приступаем к изготовлению балуна.
Балун
Как я уже писал выше, балун это симетрирующее устройство позволяющее избавиться от антенного эффекта фидера. Если этого не сделать, наш кабель снижения станет полноправной частью антенны и при приеме будет работать как часть антенны, собирать сигналы, помехи и шум, а при передаче излучать. Нам это совершенно не нужно, поэтому мы изготовим балансирующее устройство на ферритовом кольце. Как мы помним, сопротивление диполя у нас около 75Ом, это значит, что для правильного согласования антенны, наш балун не должен трансформировать сопротивления, а должен просто передавать сигнал 1 к 1. Самый простой вариант балуна представлен на рисунке ниже. Он выполнен на ферритовом кольце трифилярной обмоткой.
Для изготовления такого балуна нам потребуется ферритовое кольцо, у меня нашлось с проницаемостью 600, кусок провода сечением 0,5-1мм., в закромах нашелся кусок МГТФ сечением 1мм и длиной 2,5м.
Складываем провод втрое и начинаем наматывать на кольцо. В итоге у нас должно получиться нечто вроде этого.
Фиксируем обмотку на кольце при помощи хомутов или изоленты и начинаем соединять обмотки в нужной последовательности. Готовый вариант.
Монтируем балун в нашу заготовку. И припаиваем разъем.
Собираем все вместе и в итоге у нас должна получиться вот такая конструкция.
Почти готово. Теперь нам необходимо отмерить нужное количество провода для лучей антенны и закрепить их на нашем, теперь уже балуне-заготовке. Для лучей можно использовать почти любой провод достаточной толщины, я обычно использую обычный ПВ сечением 1,5мм^2. Отмеряем по 3 метра, не смотря на то, что MMANA нам посчитала 2,57м, лучше взять с запасом и потом отрезать лишнее, чем судорожно соображать, как нарастить недостающее. Плюс, часть провода пойдет на крепление лучей к балуну и оттяжкам. Прикручиваем лучи к ушкам балуна и подсоединяем выводы нашего балуна к лучам.
После этого все хорошо пропаиваем. Собственно, сама антенна готова.
Осталось придумать из чего сделать оттяжки. Лично я для этих целей предпочитаю использовать обычный паракорд. Он крепкий, надежный и не особенно вытягивается под нагрузкой.
Пришла пора лезть на крышу и устанавливать антенну. Весь процесс выкладывать не буду, но по основным пунктам пройдусь.
Верхняя точка крепления антенны. В стену вкручен анкер-крюк.
Сама антенна и кабель снижения. Кабель – обычный RG-58 C/U длиной от точки запитки до радиостанции примерно 15м. Длина кабеля на настройку антенны не влияет.
Настройка антенны
Поскольку диполь – антенна симметричная, длина плеч антенны должна быть одинаковой! Начинать я рекомендую с той длины которая нам выдала MMANA, как правило, начав с этого можно с высокой вероятностью попасть именно туда, куда нам нужно. Отрезать полотно антенны не нужно, достаточно просто загнуть лишнюю часть параллельно полотну антенны и примотать изолентой или зафиксировать кабельной стяжкой. Возможно, для точной настройки придется несколько раз снимать и опять натягивать антенну, подгоняя длину плеч под нужную Вам частоту.
Вот что в итоге получилось у меня.
По КСВ=3 диполь имеет полосу почти 5МГц, по КСВ=2 почти 2,5МГц.
Активная и реактивная составляющие.
На мой взгляд, все не плохо.
Итог
В итоге получилась достаточно универсальная, а самое главное простая антенна на Си-Би диапазон. Расположенная в моем случае не самым лучшим образом, но, тем не менее, вполне себе работоспособная. Принимающая и передающая пусть и не так как вертикал длиной 5/8, но, на мой взгляд, это сильно лучше, чем вообще ничего. Собирается эта конструкция при наличии всех необходимых частей за час-полтора, очень быстро. Эта антенна висит за окном всего несколько дней, тестирование продолжается, пока результат меня вполне устраивает, если будут какие-то дополнения, обязательно про них напишу. Ну, или если кто-то решится повторить мой подвиг, был бы рад свежим мнениям и комментариям.
Источник