Глава 1. Антенна Бевереджа.

Антенна Бевереджа или, как ее еще называют, антенна бегущей волны (АБВ) широко используется в профессиональной радиосвязи и в странах бывшего СССР и за рубежом. По некоторым причинам антенна Бевереджа имеет несколько имен, используемых в разных странах, но в этой работе она будет называться АБВ, антенна бегущей волны.

Радиолюбителям нашей страны эта антенна малоизвестна, а те, кто знает о ней, часто строят, и используют неправильно, получая разочаровывающие результаты при ее эксплуатации. Но следует относиться к этой антенне с уважением. Если Вы не смогли ее правильно использовать, нужно проанализировать свои ошибки, и устранить их.

Антенна Бевереджа имеет большие возможности, как на прием, так и на передачу. Большинство трансокеанских QSO на 160 метров радиолюбители проводят, используя антенну Бевереджа на приемном конце. Если мы откроем инструкцию к радиостанции Р126, то узнаем, что при использовании четвертьволнового штыря дальность связи между двумя однотипными радиостанциями составляет 2 км, при использовании АБВ – 4-5 км.

Для радиостанции Р105 дальность связи при использовании штыревой четвертьволновой антенны составляет 6 км, при использова-нии АБВ – до 25 км. Эти радиостанции работают в УКВ (6-4 м) диапазоне. Надеюсь, эти цифры, неоднократно проверенные военными, убедят даже самых закоренелых противников антенны Бевереджа в том, что в ней “действительно что-то есть”.

Только антенна Бевереджа при минимальных затратах на ее изготовление может работать без перестройки во всех любительских диапазонах и абсолютно не нуждаясь в настройке при смене диапазонов работы. Эта ее особенность привлекает не только радиолюбителей, но и любителей дальнего приема вещательных станций.

 

1. Идеальная антенна Бевереджа.

Классическая АБВ представляет собой тонкий провод длиной, большей в несколько раз длины волны, на которой работает антенна, нагруженный на сопротивление, равное волновому (рис.1) сопротивлению линии, образованной проводниками: антенна-земля. Высота подвеса АБВ составляет от 1 до 5 м, в зависимости от диапазона частот, в котором она используется.

Входное сопротивление АБВ высоко, и равно волновому сопротивлению линии, образованной проводом, составляющим полотно антенны и землей, играющей роль второго провода. Рассчитав значение волнового сопротивления проводника диаметром 1-2 мм получим, что уже начиная с высоты около 1 метра и выше (до 5-10 м) его волновое сопротивление составит примерно 400-600 Ом. Это весьма важный результат. Нет необходимости при подвесе АБВ соблюдать всюду равную высоту подвеса. В зависимости от местных условий, при работе в экспедиции, например, она может быть растянута на кустах, деревьях, кольях. Стационарная антенна Бевереджа также может варьировать высотой подвеса.

Следует помнить, что на 160 метров эффективно работает антенна с высотой подвеса 3-5 м, а на 10 метровом диапазоне – с высотой подвеса не менее 1 м.

Из этого можно заключить, что АБВ слабо подвержена низкочастотным составляющим атмосферных помех.

Коэффициент усиления АБВ равен:

G = K ´ ( L/l )

где G - коэффициент усиления,

К - коэффициент, зависящий от качества изготовления АБВ,

L - длина антенны,

l - длина волны, на которой работает антенна.

Из этой формулы понятно, что чем длиннее полотно антенны, тем выше ее коэффициент усиления.

Антенна Бевереджа принимает вертикальную поляризованную волну, падающую на нее под небольшим углом. Такие характеристики имеет или поверхностная волна радиостанции, находящейся в пределах радиовидимости, либо волна дальней радиостанции (рис.2).

Максимум приема лежит в плоскости параллельной полотну антенны. Очевидно, что при перпендикулярном падении электромагнитной волны, она просто ничего не наведет в антенне, а при падении под углом, вследствие сложения наведенных в антенне с разными фазами напряжений, последние будут компенсировать друг друга (рис.3).

Очевидно, что при падении электромагнитной волны под углом к горизонту также будет происходить подобная компенсация сигнала, наведенная этой волной (рис.4).

Если электромагнитная волна будет приходить от направления, противоположного нагрузке, то она будет поглощаться в ней (рис.5). Понятно, что никогда не удастся добиться идеального согласования нагрузки R_н c волновым сопротивлением полотна антенны, и при работе антенны в ней будут стоячие волны. Это значит, что не вся энергия, падающая на антенну с противоположного конца, поглотится в нагрузке, небольшая ее часть отразится на вход приемника.

На основании вышеизложенного можно построить теоретическую диаграмму направленности антенны Бевереджа. Она представляет собой узкий луч в горизонтальной и вертикальной плоскости, направленный в сторону нагрузки и по теории, точное отражение этой же диаграммы направленности, но значительно меньшее по интенсивности направленное в противоположную сторону (рис.6).

При значительном превышении длины полотна антенны над длиной волны, на которой работает антенна, происходит дробление диаграммы направленности на лепестки (рис.7). Подробные диаграммы направленности антенны Бевереджа приведены в Л.1. Чем меньше задний лепесток диаграммы направленности, тем лучше согласована антенна с нагрузкой.

Но работа реальной антенны Бевереджа значительно отличается от идеальной, например, задний лепесток никогда не будет точным отражением переднего из-за неравенства в сопротивлении нагрузки антенны R_н сопротивлению входа приемника (или выхода передатчика), потерь на излучение и потерь в земле. Именно “земля” играет для антенны Бевереджа первостепенную роль.

 

2. “Земля” антенны Бевереджа.

Работа реальной антенны Бевереджа во многом зависит от качества “земли”. Разберем идеальный случай: “земля” бесконечная и проводящая. Начнем с частного случая, когда проводящий участок сосредоточен прямо под полотном антенны и равен ему по физическим размерам. На практике это означает то, что нами проложен провод от нагрузки к генератору, лежащий на плохо проводящей земле (рис.8).

Очевидно, при этом ток в полотне антенны будет почти равен току в “земляном” проводе. Электромагнитное поле будет взаимодействовать в основном только с двумя проводами – верхним и нижним.

Если мы проложим несколько “земляных” проводов, то также очевидно, что ток I_i равен сумме токов I_n (рис.9). Также очевидно, что максимальный ток будет протекать в противовесе n₂, а в остальных противовесах токи будут меньше.

На практике, если рассчитывают использовать антенну Бевереджа на передачу, то для эффективной работы прокладывают не менее 3 противовесов. Один – под полотном антенны, и два других – по краям от него на расстоянии равном от половины высоты подвеса до высоты подвеса полотна антенны (рис.10).

Для эффективной работы этих противовесов они должны быть подняты над землей на небольшую высоту (5-10 см) или, при обеспечении их защиты от коррозии, лежать на земле или их можно закопать на глубину не более 10 см.

При использовании антенны Бевереджа как приемной антенны “земле” не уделяют столь большого внимания. Обычно на приемных центрах используют 10-30 противовесов длиной около 0,1 от длины антенны, закопанных на глубину 10 см на конце нагрузки и трансформатора.

Но при этом не экономится провод для противовесов, более того, его расходуется даже больше, чем было бы, если использовать провод, проложенный под антенной Бевереджа, и в некоторых случаях возрастает шум антенны. Это происходит за счет того, что в нее включаются участки земли, которые могут служить источником шума (рис.11). Обычно трудно определить, что за аномалия является источником шума – это может быть следствием токов, протекающих в земной коре, может быть также обусловлено действием промышленности (воздушные ЛЭП, подземные линии электропередач и т.д.).

Если на приемных радиоцентрах выбирают местности, где таких воздействий нет, то в Вашем случае возможно, QTH находится там, где и расположен такой источник шума. Кстати, такой источник шума иногда бывает настолько интенсивным, что иногда забивает своим белым шумом приемник. В таком месте из-за шумов с трудом принимаются слабые сигналы радиостанции, но отнеся приемник на несколько сот метров в любую из сторон, качество приема во всех диапазонах значительно улучшается из-за снижения уровня шума. Антенна Бевереджа наиболее подвержена воздействию таких шумовых источников, особенно без “земляного” провода под ней.

На передачу такая антенна (рис.11) будет работать неудовлетворительно. Это связано с тем, что в цепь антенны включено сопротивление земли R3 , которое в общем случае сравнимо с волновым сопротивлением антенны. R3 уменьшает КПД антенны. При использовании антенны Бевереджа на прием это не страшно, так как обычно приемники имеют запас по усилению. Понятно, что при работе на передачу КПД является главнейшим показателем антенны. Надо еще знать, что реальное сопротивление “земли” во многих случаях не линейно, т.е. зависит от величины высокочастотного тока, протекающего в ней. Это может вызвать изменение параметров антенны в зависимости от мощности, подводимой к ней. Очевидно, что при SSB сигнале параметры антенны могут меняться в зависимости от его пиков, что может ухудшить работу выходного каскада и вызвать искажение излучаемого антенной SSB сигнала.

Не следует забывать и о том, что почва в России может промерзать зимой на значительную глубину. Это существенно снизит эффективность антенны Бевереджа. Но часто по многим причинам трудно или нецелесообразно использовать “земляной” провод под полотном антенны. В этом случае используют так называемую “лучевую антенну”, которую мы рассмотрим ниже.

 

3. Использование в качестве “земли” четвертьволновых противовесов.

“Лучевая” антенна, используемая для работы на радиостанциях типа Р105, изображена на рис.12. Она представляет собой провод длиной L, где L составляет около десяти длин волны, на которой работает радиостанция, к которой через резистор 400 Ом подключено несколько противовесов длиной в четверть волны. Несколько таких же противовесов подключено и к корпусу радиостанции.

Ток в такой антенне протекает за счет токов смещения в пространстве между противовесами (рис.13). Ток в почве в этом случае не играет большой роли, даже если земля идеальный проводник. В части, описывающей штыревые антенны (п.12) приведены значения сопротивления четвертьволновых противовесов.

Этот параграф верен и для антенны Бевереджа. Тогда можно представить эквивалентную схему, антенны как показано на рис.14. Для увеличения КПД нужно стремиться к уменьшению сопротивления системы противовесов. При волновом сопротивлении антенны 400-600 Ом желательно использовать не менее 2 противовесов на стороне нагрузки и стороне питания.

При использовании антенны Бевереджа в разных диапазонах необходимо для каждого диапазона использовать не менее 2 противовесов длиной в четверть волны (рис.15). Антенна Бевереджа с четвертьволновыми противовесами уже не является классической антенной Бевереджа, но параметры такой антенны совпадают с параметрами антенны Бевереджа.

 

4. Нагрузка антенны Бевереджа.

Примерно от 50 до 30 % мощности передатчика рассеивается в нагрузке. Исходя из этого, нагрузочный резистор должен обеспечивать такую мощность рассеивания. Крайне важно, чтобы он был безиндукционным.

При конструировании передающих антенн Бевереджа я использовал резисторы типа МЛТ-2 большого сопротивления (30-18 кОм), соединенных в параллель. Конструктивно они располагались как в кольцо, так и в линию (рис.16). При таком построении можно использовать только покраску такой нагрузки прочным лаком для защиты от атмосферных воздействий. При попадании на нагрузку влаги, она высохнет при работе антенны на передачу или днем под солнцем и ветром. Желательно исключить прямое попадание дождя на такую нагрузку, т.е. разместить ее под какой-либо крышкой. Обычно для антенны Бевереджа используют нагрузку около 300-600 Ом. Точно установить волновое сопротивление антенны трудно и на практике это можно сделать лишь изменением нагрузки и измерением при этом КСВ антенны.

 

5. Длина антенны Бевереджа.

Выше было сказано, что коэффициент усиления антенны Бевереджа зависит от ее длины, но лучшие результаты получаются, когда длина антенны кратна нечетному количеству длин полуволн:

L= n ´ l /2

где L - длина антенны,

n - целое, нечетное,

l /2 - рабочая длина волны радиостанции.

Для успешной работы длина антенны Бевереджа должна быть не менее длины волны, на которой работает передатчик.

 

6. КПД антенны Бевереджа.

Коэффициент полезного действия определяет эффективность антенны как преобразователя ВЧ энергии передатчика в энергию электромагнитной волны при передаче и, наоборот, ЭМВ в ВЧ-мощность сигнала при приеме.

Рассмотрим КПД передающей антенны. Согласно теории взаимности параметры антенны одинаковы, работает она на прием или на передачу.

Рассмотрим, где происходят потери энергии.

Во-первых, это в R_н (рис.17). происходят потери на активном сопротивлении провода полотна, антенны R_an. Во-вторых, потери происходят в “земляном” проводе под полотном антенны Бевереджа. Чем длиннее антенна, тем интенсивнее излучение. Увеличить интенсивность излучения можно, так же подняв антенну Бевереджа над землей. На основе этого, КПД примерно можно определить по формуле :

КПД = (1/(R_н+R_an+R₃)) ´ (L/l ) ´ (H/l ³) ´ K

где R_н – сопротивление нагрузки антенны,

R_an – активное сопротивление антенны,

R_з – активное сопротивление земли,

L – длина антенны,

l – рабочая длина волны антенны,

H – высота антенны,

К – коэффициент эффективности.

Приняв во внимание, что обычно R_an и R_з по сравнению с R_н мало, а R_н равно волновому сопротивлению антенны R_w, то КПД будет равeн:

КПД = (1/R_w) ´ (L/l ) ´ (H/l ³) ´ K

Величина К зависит от многих параметров, в том числе, от длины L и высоты Н. В общем случае, радиолюбителями задача нахождения КПД может быть выполнена лишь качественно.

КПД антенны на рис.13 можно также определить по выведенной здесь формуле.

Для повышения КПД антенны Бевереджа используют параллельное включение полотен. Располагают их при этом как параллельно, так и последовательно (рис.18). Цифрой 1 обозначено согласующее устройство антенны.

При расположении антенн так, как показано на рис.18 происходит и сложение их диаграммы направленности соответственно в горизонтальной (рис.18а) или в вертикальной (рис.18б) плоскости.

Для справки, КПД антенны Бевереджа длиной в одну волну с высотой подвеса около 0,005 длины волны не превышает 10%. Увеличение длины антенны до 6 длин волны повышает КПД примерно до 40%, затем рост КПД замедляется (рис.19).

 

7. Изменение диаграммы направленности антенны Бевереджа.

Одним из главных недостатков антенны Бевереджа является то, что ее диаграмма направленности фиксирована. Некоторые радиолюбители советуют сделать отключаемую нагрузку. Действительно, при отключении нагрузки в антенне установится режим стоячей волны. В этом режиме, как следует из п.1, отраженная волна будет почти равна прямой, и диаграмма направленности антенны примет вид “восьмерки” (рис.20). Однако, при отключении нагрузки, режим работы антенны Бевереджа меняется коренным образом.

Ее сопротивление уже не равно 600 Ом в диапазоне частот от 1,8 до 30 МГц, а может принимать в этом диапазоне частот абсолютно разное значение, от долей Ом до десятков килоом. Естественно, что простой трансформатор 75/600 Ом, используемый для классической антенны Бевереджа, при отключенной нагрузке использоваться не может.

Подбором длины можно найти компромиссный вариант антенны, которая будет работать в кратных любительских диапазонах – 80-40-20-10 м, но при этом эта антенна не будет согласовываться в WARC- диапазонах и на 160 метров.

Отраженная волна, вызванная отключением нагрузки, иногда приводит к возбуждению трансивера, заставляет микрофон и ключ “жечься”. Лучший вариант питания такой антенны – подключение ее непосредственно к П-контуру усилителя мощности, но это не всегда возможно.

Мною был опробован вариант антенны Бевереджа с двумя трансформаторами (рис.21). Работа антенны понятна из рисунка. При подаче постоянного напряжения по кабелю реле срабатывают и переключают нагрузку и питание.

При отключении постоянного напряжения реле возвращаются в свое прежнее положение, и диаграмма направленности меняется на 180° . Я использовал реле типа РМУГ. В качестве нагрузки 75 Ом использовал параллельно включенные резисторы типа МЛТ-2, набранные до этого номинала.

Конструкция трансформатора показана на рис.22. Такая антенна имела КСВ не более 1,8 во всем диапазоне частот от 1,8 до 30 МГц. питалась она через коаксиал 75 Ом.

При переключении направления излучения RS, получаемые мной, отличались от 1-2 баллов на НЧ до 6 баллов на ВЧ диапазонах. Встречаются рекомендации по установке круглой антенны Бевереджа. В этом случае диаграмма направленности такой антенны - круг (рис.28). Она может работать в широком диапазоне частот, но коэффициент усиления ее будет меньше, чем у диполя при работе его на этом же диапазоне. Однако такой вариант антенны Бевереджа можно попробовать, особенно когда есть проблемы с установкой чего-то более сложного.

 

8. Практическое выполнение сторон нагрузки и питания антенны Бевереджа.

Для уменьшения КСВ и устранения влияния земли сторону нагрузки и питания обычно выполняют с помощью плавного перехода (рис.23). При этом L₁=L₂ и равны n = h, где n равно 1-3. Если такой вариант выполнения антенны затруднен, можно выполнить антенну и по рис.24. При таком выполнении удобно защищать и нагрузку и трансформатор 75/600 Ом, если используется коаксиал для питания.

Очень хорошо работает вариант, показанный на рис.25. Он также очень прост в исполнении. Если возникают трудности с конструктивным выполнением антенны по рис. 23-25, можно выполнить антенну, как показано на рис.26. Нагрузку и питание лучше всего подключить в середине мачт.

Из предложенных четырех вариантов выполнения антенны, вариант на рис.23 наиболее предпочтителен. Здесь наименьшее влияние земли и наилучшее согласование с нагрузкой и питанием. В варианте на рис.24 проявляется большее влияние земли на нагрузку и трансформатор, и возможна утечка ВЧ энергии за счет емкостных токов. Вариант выполнения на рис.25 предпочтительнее, чем на рис.26, хотя оба этих варианта выполнения уступают первым двум.

На практике радиолюбитель может выполнить антенну Бевереджа так, как ему будет удобно. Разница в работе всех этих вариантов невелика, и часто может быть, обнаружена лишь с помощью приборов и методов, которые радиолюбителями не используются и носят лишь чисто теоретический характер.

 

9. Упрощенная антенна с переключаемой диаграммой направленности.

При наличии достаточного количества открытой линии, или КАТВ, или даже двухпроводной линии типа “лапша” можно сделать упрощенное переключение диаграммы направленности “вперед-назад”. Схема антенны для этого приведена на рис.27. Но при таком исполнении антенны возникает ряд проблем, связанных с тем, что открытая линия должна быть приподнята над землей. Возрастает затухание антенны, и уменьшается ее КПД. Но если антенна используется на прием, такое ее построение вполне приемлемо.

Для переключения направления диаграммы направленности в этом случае можно использовать даже обыкновенный тумблер.

 

10. Установка антенны Бевереджа.

Для успешной работы антенна Бевереджа, впрочем, как и антенны других типов, должна быть правильно установлена относительно посторонних предметов. Конечно, идеальная установка – это отсутствие рядом проводящих предметов. Однако на практике такое встречается редко. Во всяком случае, следует стремиться, чтобы не было проводящих предметов в главном и, если возможно, в заднем лепестке. Так как антенна Бевереджа излучает вертикально поляризованную волну, следует обратить внимание на вертикальные проводящие

предметы. Очень хороший вариант – установка на крыше дома, когда в главном лепестке диаграммы направленности лежит свободное пространство (рис.29). Именно такая антенна Бевереджа используется с 1989 г. на моей станции UA3ZNW и затем UZ3ZK, RK3ZK.

Если в главном лепестке антенны Бевереджа окажется дом, антенна, и т.д., то следует ожидать TVI в этом доме, перегрузки потребителя этой антенны вашим сигналом или, если эта антенна передающая, то перегрузка будет происходить в вашем приемнике.

Часто на крыше проходят провода радиосети и телефона, которые будут скорей всего параллельны Вашей антенне Бевереджа. Они будут восприниматься как “земля” и в них будут наводиться значительные токи, которые могут привести к помехе многопрограммному вещанию и возможно телефонной связи. Для устранения этого эффекта достаточно проложить экранирующий провод рядом с этими проводами. Во всех случаях, с которыми я сталкивался на столбиках, были свободные “рожки” для его установки. Провод следует заземлить, можно не очень качественно, возле каждой из мачт (рис.30).

Провод должен быть ближе к антенне, чем провода, в которых наводится помеха. В тяжелых случаях может потребоваться установка нескольких таких проводов на расстоянии 20-50 см друг от друга (рис.31). Вы можете на опыте качественно определить, какой силы ток протекает в таком экранирующем проводе. Для этого включите в него лампочку на 6,3В ´ 0,26А или подобную ей, и уже при 100 Вт, подводимых к антенне, Вы увидите как светится лампочка.

Если теперь Вы проложите такой провод с лампочкой за экранирующими проводами, то увидите, что лампочка светится значительно слабее или не светится совсем.

Вообще же антенна Бевереджа является самой неприхотливой антенной. Если смириться с TVI и с наводками на длинные провода, то уже чистое пространство в радиусе около 1-2 метров относительно полотна антенны обеспечит ее работу. Антенна Бевереджа может быть установлена под диполем, рядом со штырем и т.д. Ни одна из соседних антенн не мешает ей, так же, как и антенна Бевереджа оказывает минимальное влияние на другие антенны. Это также следует отнести к ее преимуществам над остальными антеннами, для которых неправильная установка ведет к значительному ухудшению их работоспособности.

11. Грозозащита антенны Бевереджа.

Нет более безопасной в грозовом отношении антенны, чем антенна Бевереджа. Полотно ее заземлено с двух сторон, так что даже прямое попадание молнии в нее не приведет к поражению оператора и разрушению радиоаппаратуры. Антенна Бевереджа обычно расположена ниже других проводящих предметов, чем обеспечивается ее дополнительная защита от грозы. Антенна Бевереджа не накапливает статику, что особенно заметно при приеме перед грозой, на нее можно работать даже во время грозы, не опасаясь поражения.

Так как антенна Бевереджа эффективно принимает волны с вертикальной поляризацией (а молния как раз и излучает их), то антенну Бевереджа можно использовать как индикатор грозы. Для этого можно подключить к коаксиалу, идущему от нее, светодиод. При приближении грозы он начнет светиться в такт ударам молнии. Подключение же такого светодиода к другой антенне – диполю или штырю – часто вызывает выход из строя светодиода.

 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Г.З. Айзенберг. Коротковолновые антенны. М. Радио и связь, 1985.

И.Н.Григоров (RK3ZK).