Евразийский
научный
журнал

Передающая линейная антенна для ВЧ диапазона (часть 3)

Поделитесь статьей с друзьями:
Автор(ы): Ляско Арий Борисович
Рубрика: Технические науки
Журнал: «Евразийский Научный Журнал №2 2019»  (февраль, 2019)
Количество просмотров статьи: 320
Показать PDF версию Передающая линейная антенна для ВЧ диапазона (часть 3)

Ляско Арий Борисович
Радиоинженер,
канд. физ.-мат. наук, Ph.D.
E-mail: lyasko.ariy@mail.ru

1. 31 Октября 2018 года было произведено в условиях не настой погоды (шёл дождь) испытание трансляции лишь на несущей частоте (без модуляции) Второго Любительского диапазона (3.5 МГц — 3.999 МГц) и при установке уровня выходной мощности Трансивера ИС 7300 равной 100 Ватт, подаваемой по коаксиальному 20 м кабелю типа RG-213 20 м на вход Модели ЛМА№ 7 ВЧ, когда внутри её герметичной оболочки использовался согласующий трансформатор в резонансном контуре, питаемого ВЧ током её обмотаки соленоида «Возбуждения» ВЧ продольного магнитного потока, вызывающего излучение радиоволн в окружающее пространство. На Фото.1 представлен вид модели ЛМА№ 7ВЧ в тот вечер при её расположении на Антенном Поворотном Устройстве (АПУ). На расстоянии порядка 850 км в пригороде Санкт -Петербурга её сигеал несущей частоты удалось зарегистрировать на 20 м вертикальную антенну стационарной любительской радиостанцией с уровнем 50 мкВ.


Фото.1 Вечер 31.10.2018.

Модель ЛМА№ 7 ВЧ на Фото.1 впереди справа,- ориентирована в направлении «Север — Юг» её максимума излучения, находясь на АПУ. На Фото.2 представлен её внешний вид в герметичной оболочке в лабораторном помещении после замены внутри её корпуса ВЧ резонансного конденсатора Со и замены системы согласования импеданса вместо трансформаторного на «емкостное согласование» импеданса с коаксиальным 50 Ом силовым кабелем типа RG-213.


Фото.2

2. Проводились попытки согласования Модели ЛМА№ 7ВЧ кабеля типа RG-213, имеющегося в лаборатории длиной 15 и 30 метров, тогда как при расположении вне помещения на АПУ используется кабель RG-213 длиной 20 м. Резонансный конденсатор Со и Согласующий конденсатор Спар расположены в центральном отсеке корпуса внешней герметичной оболочки модели (см. Фото.2).

Прежде, чем конец кабель RG-213, идущий от Модели ЛМА№ 7ВЧ подсоединялся к источнику питания ВЧ мощностью, производилось его подсоединение к Измерителю Антенного Тракта типа АА-54 с целью выяснения основных ВЧ антенных параметров: Импеданса (его активной и реактивной составляющих), коэффициента КСВ и частоты f* его минимума. .


Фиг.1 В помещении при длине фидера типа RG-213 30 м Со=27 пФ Спар=585 пФ


Фиг.2. В помещении при длине фидера типа RG-213 15 м Со 27=пФ Спар=870 пФ

Как можно видеть, исходя из Фиг.1 и Фиг.2 частота минимального значения КСВ меняется при изменении длины кабеля питания антенны.

3. Антенные параметры модели зависят, как от места установки, так и от погодных условий, времени суток и состояния ионосферы при прочих равных условиях. В качестве примера приводится ниже информация состояние параметров Модели ЛМА№ 7ВЧ, установленной на АПУ , ориентированной в направлении «Запад-Восток» примерно в одно и то же время суток производимых измерений основных показателей режима её работы 18 Февраля (см. Фото.3) и 21 Февраля (см. Фото.11) этой Зимой.


Фото.3 Полдень 18.02.2019, слева Модель ЛМА № 5, впереди справа Модель ЛМА№ 7.

3. На Фиг.1 — Фиг.8 представлен результат теста этой модели 18.02.2019 при использовании в качестве источника питания ВЧ мощностью Функциональный генератора (ФГ) типа АКИП 3409/2. и Трансивера IC 7300.

3а. При использовании ФГ как источника ВЧ мощности с целью определения собственной частоты fo и полосы пропускания BW антенного резонансного токового контура Модели ЛМА№ 7ВЧ были сняты Амплитудно — частотные характеристики, представленные на Фиг.3 и Фиг.4, а так же при частоте резонанса fo временные характеристики и спектральная плотность сигналов в контрольных точках режима её работы на Фиг.6 и Фиг.5, соответственно.

. При использовании Трансивера IC 7300 были сняты соответственно на Фиг.7. и Фиг.8 соответственно, временная характеристика и спектральная плотность сигналов в этих же контрольных точках. На Фото.8 Фото.10 представлен вид используемой при этом аппаратуры. Можно видеть значения измерений: излучаемой частоты несущей f =3.874 МГц на Фото.8, поступающую в ВЧ фидер Мощность равной 20 Ватт и КСВ=1.0 и на Фото.9 потребляемый Трансивером постоянный ток равный 10 А . Так же на Фото.10 можно видеть показания направления ориентации максимального излучения Модели ЛМА№ 7ВЧ на АПУ, и используемый в качестве предварительного усилителя в режиме приёма Трансивера устройство MFG-1040C.

 

Фото.4 Фото.5


Фото.6 Фото.7

Одновременно, с помощью портативного спектрометрического цифрового измерителя напряжённости электрического поля Е и индукции магнитного поля В типа АКИП 4210/3 (см. Фото.12) в лабораторном помещении на расстоянии примерно 10 м от места установки Модели ЛМА№ 7ВЧ в момент отсутствия и существования излучения электромагнитного ею. Результат измерения в трёхмерном пространстве величины Индукции магнитного поля в отсутствии излучения и в момент излучения показан на дисплеи Фото.4 (Вфон=489 пТл) и Фото.5 (Втест=334 нТл),соответственно. На Фото.6 представлено значение (Ефон=204.9 мВ/м) Напряжённости Электрического поля в отсутствии излучения и на Фиг 7 Етест=62.11 В/м в момент излучения.


Фото.8


Фото.9


Фото.10

На Фиг.9 представлена частотная зависимость КСВ и основных характеристик Антенного тракта Модели ЛМА№ 7ВЧ измеренные с помощью измерителя типа АА-54 перед моментом описанного теста выше.


Фиг.3


Фиг.4


Фиг.5


Фиг.6


Фиг.7


Фиг.8


Фиг.9


Фото.11 Полдень 21.02 2019, слева Модель ЛМА№ 5, впереди справа Модель ЛМА№ 7,

4. Результат аналогичного выше изложенному тесту Модели ЛМА№ 7ВЧ 21 Февраля 2019 года в момент её нахождения на АПУ в реальных условиях (Фото.11) представлен на Фиг.10 , Фиг.11 и Фиг.12 при использовании Трансивера в качестве источника подводимой к Модели ЛМА№ 7ВЧ ВЧ мощности.


Фиг.10


Фиг.11


Фиг.12

Одновременно в лабораторном помещении с помощью приёмо-передающей антенны Модели ЛМА№ 6ВЧ и пассивной приёмной вертикальной штыревой 1 м антенны, расположенных рядом с упомянутым измерителем типа АКИП — 4210/3, как показано на Фото.12, были с помощью Виртуального двуканального Цифрового Осциллографа и Анализатора Спектра получены временная характеристика и спектральная плотность принятых ими сигнала излучения в момент описанного теста трансляции моделью ЛМА№ 7ВЧ,


Фото.12

представленных соответственно на Фиг.13 и Фиг.14.


Фиг.13


Фиг.14

5. В отличии от ЛМА НЧ, используемых в диапазоне НЧ (30 Гц — 80 КГц) под ЛМА ВЧ подразумевается сочетание в прямом смысле собственно тела самой ЛМАВЧ и фидер питания обмотки её соленоида «Возбуждения» ВЧ током от источника ВЧ мощности. Поэтому для ЛМАВЧ недостаточно иметь лишь АЧХ с целью определения резонансной частоты fо и полосы пропускания BW на уровне 0.71 (- 3 дБ). Для ЛМАВЧ требуется снятие кривой зависимости КСВ от частоты несущей f, подаваемой на вход ВЧ фидера её питания ВЧ энергии, с целью определения частоты f* (f* — ВЧ аналог значения fо) минимального значения величины КСВ, обязательно , а) чтобы f* укладывалась в диапазон частот использования , б) чтобы величина КСВ была меньше 1,5 и как можно ближе было к 1.0; г) определяется диапазона частотной полосы BW* (BW*- ВЧ аналог значению BW), при котором значение КСВ не превышает величины 2,0. Следует иметь в виду, что при превышении КСВ=3 ряд ВЧ Линейных Усилителей Мощности (ЛУМ) и Трансиверы автоматически отключают (при наличии такой внутренней защиты и индикации) подачу ВЧ выходной мощности в режиме трансмиссии на нагрузку, так как в противном случае это может привести (в отсутствии индикации или автоматической защиты) к повреждению выходного устройства источника ВЧ Мощности. К сожалению ВЧ ЛМА и Трансиверы (в режиме трансмиссии) имеющиеся в «свободной» продаже работоспособны в ВЧ диапазоне частот, начиная иногда с 1.5 МГц, но как правило, с 1.8 МГц и рассчитаны на использование 50 Ом коаксиального кабеля для питания ВЧ энергией Антенн. Для питания ЛМА ВЧ током Ia от источника подводимой к ней ВЧ мощности, которым может быть Трансивер с внутренним или внешним Устройством Согласования Импеданса Антенного Тракта (УСИАТ), или ВЧ ЛУМ с УСИАТ или без. Как правило ВЧ ЛУМ обладают выходным сопротивлением Rвых=50 Ом и при этом без УСИАТ выходная мощностью Рвых = 300 Ватт на 50 Ом фидер, а при наличии УАИАТ — Рвых=1000 Ватт. Их амплитудное значение выходного напряжение Uмвых соответственно может составлять максимум 173 В и 316 В. Таким образом, на выходе ВЧ фидера может быть амплитудное значение напряжения Uмвх, в зависимости от его длины чуть меньшее Uмвых. При емкостном согласовании с импедансом фидера во время резонанса, когда несущей частота f моно гармоничного напряжения совпадает с собственно резонансной частотой fо антенного контура тока Ia, зависимой от соотношения величиной La и величин последовательно соединённых конденсаторов Со (соединяемый одним концом последовательно с индуктивностью обмотки соленоида «Возбуждения»), и конденсатора Спар, в свою очередь в герметичной внешней оболочки Модели ЛМА ВЧ подсоединен параллельно выводам входного ВЧ разъема подключения силового коаксиального кабеля. При этом амплитудное значение напряжения Uма на индуктивности La, практически так же как на резонансном конденсаторе Со (Со<< Спар) в Qэфф раз больше, напряжения Uмвх, где

Qэфф = fо / BW. Qэфф — является эффективным значением добротности резонансного токового контура питания ЛМАВЧ мощностью. Обычно для ЛМА ВЧ Qэфф может находится в пределах от 30 до 110. Принято называть Передающие антенны, обладающие определённой величиной BW,- «резонансными Антеннами». Для цели увеличения напряжения на La ЛМАВЧ, как и ЛМАНЧ в сравнении с выходным напряжением источника подводимой мощности и применяется резонансный конденсатор Со в антенном токовом их контуре. Таким образом Модель ЛМА№ 7ВЧ является резонансного типа приёма — передающей антенной.

6. В качестве примера, воспользуемся данными, приведёнными в нижней текстовой части Фиг. 11 и Фиг.12 для определения ряда параметров антенного токового тракта ЛМА№ 7ВЧ и возможной величины излучаемой ей электромагнитной энергии.

6.1 Зная величину f = f о=3.852 МГц и величину конденсаторов Ссер=28.9 пФ и Спар=1260 пФ определяем значение Со= 28.25 пФ и La= 60.74 мкГн. Видим, что на данной частоте значение индуктивности обмотки соленоида возбуждения в сравнении с замером на частоте 1 КГц значения La (1 КГц)=44.1 мкГн — увеличилось.

6.2. Длина lc обмотки соленоида «Возбуждения» равна 50 см, а её внешний диаметр dc =4.5 см и состоит из N=38 плоского гибкого двухпроводного кабеля, каждый изолированный провод которого в изолирующей оболочке диаметра 3 мм прижатый друг к другу плотно содержит множество медных проводников сечением 2.5 кв мм. Без находящегося в соленоиде «Возбуждения» магнитопровода цилиндрической формы внешнего диаметра dм=32 мм и длиной lм=1000 мм индуктивность его обмотки Lо =5.5 мкГн. Поэтому эффективное значение магнитной проницаемости магнитопровода на частоте несущей μэфф=11.

6.3. Волновое сопротивление ρа =(La /Со) 0.5=1466 Ом. Так как BW=93.8 КГц, то при

f о=3.852 МГц эквивалентная величина Добротности Qэфф =41, тогда значение последовательного эквивалентного сопротивления антенного токового контура

rэфф = ρа / Qэфф, поэтому rэфф=11.37 Ом. Так называемое активное параллельное эквивалентное сопротивление антенного (практически параллельного контура)

Rоэ= Qэфф ρа=60.11 КОм. Потому для его согласования с 50 Ом ВЧ фидером требуется согласующий конденсатор Спар=КсСо, где Кс должен быть равен корню квадратному отношения значения Rоэ к значению сопротивления фидера, равного 50 Ом. Таким образом Кс=34.7, а Стпар=979 пФ. Как можно видеть полученное на практике значение используемого конденсатор «ёмкостной связи» Спар=1260 пФ с ВЧ фидером близко к расчётному его значению Стпар=979 пФ.

6.4. Зная величину измеренного значения падения напряжения Uart =346.1 мВ на сопротивлении 0.2 Ом определяем величину амплитуды антенного тока Ia=1.73 А. И по измеренному значению падения напряжения Urt =262.6 мВ на сопротивлении 0.05 Ом значение тока в силовом фидере Iф=5.3 А. При измеренной Измерителем мощности

Рвых =20 Ватт, выданной на вход силового фидера при КСВ=1.0 , зная величину антенного тока Ia=1.73 А, число витков N=38 и длину соленоида lc=0.5 м можно рассчитать величину напряжённости магнитного поля в теле магнитопровода Нм=131.5 А/м, и с учётом значения эквивалентной его магнитной проницаемости μэфф=11 на частоте несущей f определить максимально возможное значение Индукции магнитного поля

Вмакс=1.82 мТл. Эта величина намного меньше возможного значения порядка 480 мТл индукции насыщения материала Внас магнитопровода. Это означает, что даже до мощности подаваемой на вход силового фидера Модели ЛМА№ 9ВЧ, равной максимально возможной выходной мощности Трансивера Рвых=100 Ватт используется линейный режим её работы.

6.5. Зная величину Волнового сопротивления ρа=1466 Ом и амплитудное значение антенного тока Iа=1.73 А в момент резонанса можно определить амплитудное значение на обмотке Соленоида и на обкладках конденсатора Со. Таким образом, Ua=3536 В при Рвых = 20 Ватт. Тогда как при данной выходной мощности напряжение на входе фидера не превышает 129.5 В.

6.6. Оказалось, что Индукция магнитного поля Втест=159.3 нТл на расстоянии 10 м от места установки Модели ЛМА№ 7ВЧ. Для частоты 3.852 МГц длина волны в открытом пространстве λо=77.9 м, а расстояние конца «Ближней зоны» Дбз=12.4 м. Интересно какой степени х соответствует обратно пропорциональность отношения dс= 0.045 м к дистанции Д=10 м относительно отношения величины Втест(Д=10 м)= 159.3 нТл в трёх мерном измерении. Не трудно показать, что в одномерном измерении В(10 м)= 80 нТл, тогда как Вмах=1.82 мТл. Для этого нужно решить уравнение В(10 м)/ Вмах=( dс/Д)х . Решение которого даёт значение х=1.67. Таким образом, действует до дистанции 10 м закон уменьшения величины индукции обатно пропорционально отношению исходной дистанции к конечной в степени 1.67. Используем эту зависимость при расчёте В(3λо=234 м). Тогда получим В(234 м)=В(10)(23.4)-1.67= 0.39 нТл, это означает, что на расстоянии равном 3 длин волн в свободном пространстве может принять величина напряжённости магнитного поля Н(3λо)=0.3 мА/м в данном месте. Тогда напряжённость электрического поля на границе начала «Дальней зоны» может составить величину порядка 0.12 В/м. В таком случае можно полагать, что мощность излучения Ррад= 12.4 Ватт Модели ЛМА№ 7ВЧ при подводимой мощности 20 Ватт. Это означает, что рассчитанное значение эффективности излучения электромагнитных волн Модели ЛМА№ 7ВЧ в Втором ВЧ Любительском диапазоне ζ рад= 12.4 / 20 = 0.62, наче, составляет порядка 62%.

7. Настоящая работа автора является продолжением его исследований ЛМА ВЧ, астично изложенных в работах [1, 2, 3, 4, 5].

Литература

  1. А.Б. Ляско, Патент РФ № 2428774 на изобретение «Передающие Линейные Магнитные Антенны (ЛМА)», 10 Сентября 2010 г., ФИПС, Москва
  2. А.Б. Ляско, «Об испытании излучения передающей ВЧ модели ЛМА№ 4ВЧ с помощью ВЧ модели ЛМА№ 9ВЧ», «Евразийский Научный Журнал», № 10, Октябрь20173.
  3. А.Б Ляско. «Передающие линейные магнитные антенны для ВЧ диапазона (ЛМАВЧ)», «Евразийский Научный Журнал, № 7, Раздел «Технические Науки», Июль 2018 г.
  4. А.Б. Ляско «Передающие линейные магнитные антенны для ВЧ диапазона (ЛМАВЧ) Часть 2» «Евразийский Научный Журнал», № 12, Раздел "Технические Науки"Декабрь, 2018
  5. А.Б. Ляско, Заявка № 2018147389 для патентования изобретения " Линейная Магнитная Антенна для ВЧ диапазона", 28 Декабря 2018 г., ФИПС, Москва