head
<<<Список>>>

Создание дипольной антенны своими силами

В этой статье я хотел бы коснуться вопроса создания простейшей УКВ-антенны для радионаблюдений метеоров -- дипольной, или полуволнового вибратора.

Казалось бы -- создание такой антенны не представляет ничего сложного! Однако для лех любителей астрономии, которые только начинают свой путь в области радионаблюдений эта статья могла бы стать подспорьем при создании свей первой антенны.

Для начала немного теории.
Симметричный полуволновой вибратор показан на Рис. 1. Он представляет собой прямолинейный цилиндрический проводник, длина которого равна половине длины волны принимаемых им электромагнитных волн. Почти все антенны КВ и УКВ диапазонов представляют собой комбинации из полуволновых вибраторов.
Под воздействием принимаемой электромагнитной волны в вибраторе возбуждаются токи и заряды, которые создают электромагнитное поле вокруг вибратора. С достаточной для практики точностью можно считать, что ток и заряды вдоль проводника распределяются в виде стоячих волн, причём на концах вибратора устанавливаются узлы тока и пучности заряда, как это показано на Рис. 2.


Рис. 1 - Полуволновой вибратор [1].




Рис. 2 - Распределение тока и напряжения по длине полуволнового вибратора [1].



Существует различие в понятиях «электрической» и «геометрической» длинами вибратора. Фактически они равны только в случае бесконечно тонкого вибратора. Скорость распространения («отшнуровывания») электромагнитных волн от проводника несколько меньше, чем скорость распространения света. В связи с этим, особенно на концах антенны, возникает емкостной ток, который эквивалентен увеличению длины антенны. Поэтому действительная длина вибратора (геометрическая длина) должна быть несколько уменьшена по отношению к его электрической длине. В действительности коэффициент укорочения трудно точно определить, т.к. на него влияют высота подвеса антенны, окружающие предметы и т.д., кроме того, он зависит и от отношения λ/d. На Рис. 3 изображена зависимость коэффициента укорочения k полуволнового вибратора от длины волны λ и диаметра вибратора d (для УКВ диапазона). Коэффициент укорочения необходимо учитывать при конструировании полуволнового вибратора.


Рис. 3 - Зависимость коэффициента укорочения k полуволнового вибратора от длины волны и диаметра вибратора (для УКВ диапазона) [1].


Как же расчитать длину "плечей" полуволнового вибратора?

Для начала нужно вычислить длину волны сигнала, который будет принимать наша антенна. Если частота удалённой станции равна f, то длину волны можно вычислить по следующей формуле:

λ[м] = 300/f[МГц]


Теперь вычислим длину полуволнового вибратора с учётом коэффициента укорочения:

Пример: требуется найти геометрическую длину вибратора (полуволнового) для частоты 144 МГц. Диаметр трубок вибратора 25 мм = 0,025 м. Частота f = 144 МГц соответствует длине волны: λ = 300/144 (МГц) = 2,08 м.
Отсюда получаем соотношение λ/d = 2,08/0,025 = 80. По графику на Рис. 3 находим, что отношению λ/d = 80 соответствует коэффициент укорочения k = 0,90. Таким образом, требуемая длина вибратора равна: (λ/2)*k = (2,08/2)*0,90 = 0,936 м.

Теперь нужно определить длину каждого из "плеч" полуволнового вибратора. Т.к. нужно учесть, что между внутренними концами трубок вибратора должен оставаться зазор, примерно равный толщине трубки, то длина каждого из плечей можно найти из формулы:

l[м] = (L-d)/2


где L -- общая длина полуволнового вибратора. Отрезав две трубки нужной длины монтируем их так, чтобы в сумме длина полуволнового вибратора равнялась расчётной (регулируем за счёт увеличения/уменьшения зазора между трубками).

Вот, в принципе, и вся теория.

Переходим к практике.

Итак, что нам понадобиться:

  1. Алюминевые или медные (латунные) трубки диаметром 8-20 мм (Рис. 5, слева). Длина трубок должна быть такой, чтобы они были как минимум немного длинее одного плеча полуволнового вибратора. Применение железных (никелированных) трубок нежелательно, т.к. они тяжёлые и имеют большее электрическое сопротивление, подвержены коррозии.
  2. Коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом (не 75 ом!). Для наших нужд не подойдёт обычный "телевизионный" кабель, т.к. его волновое сопротивление не 50 Ом, а 75 Ом. Нужный кабель можно найти на рынках в местах, где продают обычные (75-омные) кабели. Толщина кабеля должна быть не менее 5 мм. Из отечественных марок подойдут кабели типа РК50-хх-хх, где "хх" -- числовое обозначение характеристик кабеля. Из зарубежных марок подходят кабели RG57 C/U, RG58 A/U и другие 50-омные.
  3. Распределительная коробка для электропроводки типа КМ209/КМ208 (белая коробка на Рис. 6) или любая подходящая по размерам. Коробка должна быть герметичной. Такую коробку можно купить в любом хозяйственном магазине в отделе электротоваров.
  4. Пластиковая или деревянная планка длинной 60-100 см, толщиной 1-3 см и шириной 4-8 см (Рис. 5, справа). Это будет несущая шина, на которую будут крепиться все элементы антенны. Требования к этой планке повышенные, т.к. антенна будет наружная, и планка должна выдерживать ветровую нагрузку на антенну, а также изменения температуры и повышенную влажность. В случае применения деревянной планки её предварительно нужно покрыть несколькими слоями "морилки", а затем покрыть лаком или водостойкой краской.
  5. Два болта М8 длинной 5 см с двумя гайками и двумя шайбами на каждый. Болты лучше брать никелированные или оцинкованные.
  6. Зажимные хомуты для зажима трубок с переменным диаметром под имеющиеся трубки (на Рис. 4 слева от коробки). Их можно купить в любом хозяйственном магазине или на строительном рынке.
  7. Изолента.
  8. Напильник.
  9. Дрель и свёрла: на 2 мм и 5,5 мм.
  10. Ножовка по металлу и по дереву.
  11. Шурупы 3х25 мм (если используете деревянную планку) или винты М3 или М4 длинной боьше чем толщина планки на 2 см минимум. К каждому и винтов нужно по 2 гайки и по 2 шайбы.
  12. Длинная линейка.
  13. Макркер или карандаш.
  14. Паяльник с припоем и канифолью.


Как видите, список не сильно обширен, и за исключением нескольких составляющих всё это должно быть в мастерской радиометеорщика.


Рис. 4.



Рис. 5.



Рис. 6.


Для начала отпиливаем металлические трубки нужной длины ножовкой по металлу. Торцы обрабатываем напильником.
Затем проделываем отверстия в двух боковых стенках коробки (в случае использования коробки КМ209 достаточно проделать отверстия в резиновых пробках по бокам коробки). В эти отверстия вставляем трубки и смотрим, всё ли у нас получилось симметрично (Рис. 7).



Рис. 7.


Далее крепим коробку к несущей планке. Коробку надо размещать по центру несущей планки так, чтобы трубки диполя шли вдоль длины несущей планки. В дне коробки и в несущей планке просверливаем два отверстия сверлом 5,5 мм и стягиваем коробку и планку винтами М5-М6, не забыв надеть шайбы. Вторую гайку на каждом винте используем для законтривания (во избежании раскручивания гайки при эксплуатации антенны, см. Рис 8. и 9).


Рис. 8.



Рис. 9.



В зависимости от используемой коробки между трубками и плоскостью дна коробки может быть разный зазор, а трубки диполя должны опираться на несущую планку. Таким образом, нужно будет сделать подкладки между трубками и несущей планкой, чтобы трубки были параллельны планке. Таких прокладок нужно не менее двух с каждой стороны диполя -- в этих местах трубки будут крепиться к несущей планке и принимать основную часть ветровой нагрузки (Рис. 10).


Рис. 10


Подкладки можно стягивать к несущей планке либо шурупами 3х25 (если планка и подкладки деревянные, Рис. 11, вверху), либо длинными болтами М3-М4.
Трубки крепятся к подкладкам при помощи зажимных хомутов. В ленте хомута просверливается отверстие сверлом толщиной 2-3 мм с таким расчётом, чтобы при затягивании муфты было удобно завинчивать зажимной винт хомута. Через это отверстие хомут скрепляется с подкладкой и несущей планкой. Если для стягивания используются винты, то нужно законтривать винты дополнительной гайкой. На каждую подкладку надо по два притяжных винта/шурупа.



Рис. 11


Теперь нужно подготовить участки трубки, которые будут обхвачены хомутами. Выдвинув каждую из трубок немного в сторону от хомута, наматываем на трубку несколько слоёв изоленты так, чтобы при вдвигании трубки обратно в каждом их хомутов оказался участок в изоленте. Это нужно не только для того, чтобы удержание трубки в хомуте было более сильным, но и из соображений электрической изоляции. Дело в том, что при контакте разнородных металлов (например железа и алюминия), возникает контактная разность потенциалов, что мохет спровоцировать коррозию как железа, так и цветного металла трубки. Поэтому старайтесь всегда использовать диэлектрические прокладки в местах контакта разнородных металлов антенных конструкций (Рис. 12).


Рис. 12


Вставляем трубки на место, хомуты пока не затягиваем.

Переходим к подсоединению коаксиального провода к нашей антенне. Есть два варианта: поставить СВЧ-разъём, либо припаять кабель "намертво". Первый вариант больше подходит для мобильной антенны, второй -- для стационарной.

В любом случае, сначала подготовим контакты на трубках антенны. Для этого в трубке в 5 мм от каждого из внутренних концов (которые в коробке) просверливаем отверстия свердом толщиной 3-4 мм под винты М3-М4, вставляем в отверстия винты с тремя шайбами (Рис. 11, внизу) на каждом: одну шайбу одеваем на винт сразу, продеваем в отверстие, надеваем 2 шайбы и 2 гайки. Между этими двумя шайбами будет зажиматься контактный провод. Перед тем, как вставлять контактные винты места контактов на трубках и шайбы нужно зачистить напильником или наждачной бумагой.
Если используете медную или латунную трубку, то контактные провода можно просто припаять к концам трубок.

Если хотите использовать антенну в переносном (мобильном) варианте, то на коробку антенны нужно установить СВЧ-разъём -- отечественный вариант это СР50, западный -- BNC. Их можно купить на радиорынке. Нужно приобрести комплиментарную пару -- "папа"+"мама". Разъём "папа" (Рис. 13) устанавливаем на стенке коробки, а "маму" припаиваем к кабелю.


Рис. 13.


К корпусу СВЧ-разъёма припаиваем провод и зажимаем его между контактними шайбами одной из трубок. Второй провод припаиваем к центральному проводу разъёма и зажимаем во втрой трубке. Получим конструкцию наподобии той, что видна на Рис. 14.


Рис. 14


К несущей планке за счёт притяжных болтов коробки можно прикрепить мачту.
Общий вид крепежа диполя показан на Рис. 15, 16 и 17.


Рис. 15.



Рис. 16.




Рис. 17.



Общий вид получившейся антенны:


Рис. 18




1. Рохменталь К., «Антенны», М., 1979 г.




Статью можно обсудить на нашем форуме: ТУТ.
Lupus, 23.09.2008.
Хостинг предоставлен: hoster.by. Служба технической поддержки: .. Конкурс "Астротоп": http://www.astrotop.ru/