Записки программиста

Радиолюбители постоянно находятся в поиске антенн, идеально подходящих под конкретные условия. Конечно, знание теории в этом процессе необходимо, но никакая теория не заменяет личный опыт. Другими словами, ничего не остается, кроме как снова и снова пробовать разные антенны, взвешивая их сильные и слабые стороны, а затем делая выводы. Чем мы сегодня и займемся. Экспериментировать на этот раз будем с несколькими антеннами, изготовленных из двухпроводной линии.

Немного теории

Двухпроводная линия — это два провода, идущих параллельно. Как и любую линию, двухпроводную линию характеризуют ряд свойств, из которыми наиболее важными являются (1) волновое сопротивление, (2) коэффициент укорочения и (3) потери на единицу длины для заданной частоты. Конечно, есть и другие свойства, такие, как погонная емкость, а также стоимость, вес и прочие.

Что такое волновое сопротивление (characteristic impedance)? Допустим, к одному концу линии мы подключили источник переменного тока с известным фиксированным напряжением, а на втором конце добились полного отсутствия отражения сигнала. Достичь этого можно несколькими способами. Например, сделать линию такой длинной, что идя по ней сигнал полностью угаснет из-за потерь. У источника по линии пойдет какой-то ток, который можно измерить. Теперь вспомним закон Ома и поделим напряжение на ток. Это и будет волновое сопротивление линии. Оказывается, что волновое сопротивление не меняется с частотой сигнала и вообще зависит исключительно от физических свойств линии — использованных материалов, толщины проводников, расстояния между ними и так далее. Типичное волновое сопротивление двухпроводных линий составляет от 100 до 600 Ом. Волновое сопротивление коаксиального кабеля обычно равно либо 50 Ом (для кабелей RG58 и RG213), либо 75 Ом (например, RG59, RG6).

Коэффициент укорочения или КУ (velocity factor, VF) — это отношение скорости распространения сигнала в линии к скорости света в вакууме. Типичное значение КУ составляет где-то от 0.65 до 0.99. Допустим, вы знаете, что заданную антенну для диапазона 40 метров (7.0-7.2 МГц) требуется питать линией с волновым сопротивлением 75 Ом длиной λ/4. По формуле скорость света делить на частоту получаем:

Но поскольку сигнал распространяется в линии медленнее, чем свет в вакууме, реальная длина будет существенно меньше:

Интересное свойство линии длиной λ/4 заключается в том, что оно преобразует чисто активное входное сопротивление антенны R_L в чисто активное сопротивление Z₀²/R_L, где Z₀ — это волновое сопротивление линии. Линия при этом называется четвертьволновым трансформатором. Например, рамочная антенна имеет входное сопротивление около 106-117 Ом, в зависимости от формы. Это сопротивление можно трансформировать в ~50 Ом при помощи λ/4 отрезка кабеля RG59, имеющего волновое сопротивление 75 Ом:

Дополнение: Работа четвертьволнового трансформатора наглядно проиллюстрирована в посте Рисуем диаграммы Вольперта-Смита на Python.

Не менее интересным свойством обладают линии с длиной, кратной λ/2. Если подключить к одному концу такой линии антенну с некоторым входным сопротивлением, то на втором конце мы увидим это самое сопротивление, независимо от волнового сопротивления самой линии. Линия при этом называется полуволновым повторителем.

Что же касается потерь в линии, этот вопрос мы немного затрагивали ранее в заметке Выходим на радиолюбительские диапазоны 2 м и 70 см:

В отличие от КВ, на УКВ для питания антенн кабель RG58 не походит. Вместо него следует использовать RG213 или кабель с еще меньшими потерями. При использовании 10 метров RG58 аттенюация сигнала на 144 МГц составляет 1.82 дБ, а на 450 МГц — 3.65 дБ. У RG213 она составляет 0.86 дБ и 1.73 дБ соответственно. Впрочем, если кабель короткий, всего пара метров, то сойдет и RG58.

На КВ двухпроводные линии имеют небольшие потери. При длине линии порядка 10 метров из-за потерь в ней можно не переживать.

Стоит помнить, что двухпроводные линии чувствительны к осадкам. Также двухпроводная линия должна находится от земли и металлических предметов на расстоянии не менее десяти расстояний между ее проводами. В отличие от двухпроводной линии, коаксиальный кабель можно прокладывать как угодно — вдоль стен, по земле или даже под землей.

Fun fact! На самом деле, КУ и волновое сопротивление линии — это функции от частоты сигнала, хоть они и не сильно меняются с частотой. Например, КУ кабеля RG-11 меняется с 0.833 на частоте 3.5 МГц до 0.839 на частоте 30 МГц. Что же до волнового сопротивления, то на частотах до 2 МГц оно даже не является чисто активным. Подробности можно найти в разделе «25.7 Antenna System Measurements» книги «The ARRL Handbook for Radio Communications 2019. Vol 6: Test Equipment, Troubleshooting, RFI and Index». В рамках этой статьи мы не будет настолько дотошными и примем КУ и волновое сопротивление за постоянные.

Как измерить волновое сопротивление и КУ линии?

Настоящие радиолюбительские двухпроводные линии доступны как в специализированных онлайн-магазинах, так и на eBay по запросам вроде «450 Ohm Ladder Line» и «MFJ-18H250». Но цены на такие линии колеблются в районе 1.5-3$ за метр, что немного дороговато. Поэтому двухпроводные линии нередко изготавливаются самостоятельно из доступных проводов и распорок, либо в их качестве используются линии, предназначенные немного для других целей. В качестве примеров доступных двухпроводных линий можно назвать провода П-274М («полевка», около 0.17$ за метр), ТРП 2х0.4 («телефонная лапша», около 0.06$ за метр), разные варианты акустического кабеля (~0.23$ за метр). На eBay можно найти много предложений по запросу «speaker wire» (порядка 0.75$ за метр, в зависимости от толщины провода).

Минус таких линий — неизвестные волновое сопротивление и КУ. Спрашивается, как их можно измерить?

Волновое сопротивление можно измерить по крайней мере двумя способами. Первый способ такой. Берется несколько метров линии и RLC-метр. Устройство прикладывается к одному из концов линии и измеряется емкость C. Затем провода линии соединяются на втором ее конце и измеряется индуктивность L. Волновое сопротивление определяется по формуле Z = sqrt(L/C).

Fun fact! Упомянутая ранее погонная емкость является не более чем C на единицу длины линии. Например, один метр коаксиального кабеля RG58 имеет емкость около 100 пФ. Ранее этот факт мы использовали при изготовлении трапов для диполя.

Для второго способа нам потребуется осциллограф, генератор сигналов и мультиметр. К осциллографу подключается T-образный BNC-коннектор. К одному из входов коннектора подключается генератор, а ко второму — отрезок измеряемой линии. На втором конце линии подключается потенциометр. Генератором сигналов генерируется меандр, а ручка потенциометра ставится в положение, при котором осциллограф показывает сигнал без каких-либо искажений. Когда такое положение найдено, это значит, что в линии нет отражений. Это возможно только если потенциометр имеет сопротивление, равное волновому сопротивлению линии. Остается только взять мультиметр и измерить получившееся сопротивление потенциометра. Процесс наглядно показан в видео, снятом Alan Wolke, W2AEW.

Стоит однако отметить, что оба способа далеки от идеала. Практика показывает, что погрешность измерения составляет порядка 5%.

Используя ту же технику с осциллографом можно определить КУ линии. Если мы отсоединим потенциометр, сигнал будет полностью отражаться от конца линии. При помощи осциллографа мы сможем измерить время, за которое сигнал дважды проходит по линии (время round trip). Длина линии известна, что позволяет измерить скорость распространения сигнала. Поделив эту скорость на скорость света, получаем КУ.

Если у вас нет осциллографа, то КУ можно измерить при помощи КСВ-метра и эквивалента нагрузки 50 Ом. Берется отрезок линии длиной 5 метров. Один конец подключается к КСВ-метру, второй конец — к эквиваленту нагрузки. Далее в интервале 15-30 МГц ищется минимум КСВ. В результате должны найти частоту, где КСВ равен 1 или очень близок к этому значению. На этой частоте линия работает, как полуволновой повторитель, и устройство видит нагрузку 50 Ом. Длина линии известна, половина длины волны тоже. Отношение первого ко второму и есть КУ.

Простая походная антенна из двухпроводной линии

Описанная выше теория необходима для понимания и изготовления следующей антенны (иллюстрация позаимствована из The ARRL Antenna Book):

Антенна представляет собой обыкновенный диполь, запитанный двухпроводной линией. Среди англоязычных радиолюбителей антенна известна, как speaker wire antenna, поскольку часто она делается из акустического кабеля. Казалось бы, если запитать диполь с входным сопротивлением 50-73 Ом при помощи двухпроводной линии с волновым сопротивлением 100-600 Ом, ничего хорошего не выйдет. Но выше мы выяснили, что линия длиной λ/2 работает, как полуволновой повторитель. Осталось найти подходящую линию, измерить ее КУ, обрезать линию до соответствующей длины, и получаем очень легкий и компактный диполь. Так как диполь питается двухпроводной линией, никаких синфазных токов в линии не возникает, а значит балун такой антенне не нужен. В качестве мачты можно использовать тонкую удочку, и не бояться, что она сломается под весом балуна.

Для антуража было решено приобрести 100 футов (30 метров) того самого speaker wire толщиной 20 AWG на eBay и сделать из него диполь на диапазон 20 метров. Измеренный КУ линии оказался ~0.75. Это очень удобно, потому что длина λ/2 линии составит 7.5 метров, а это в точности длина легких и недорогих удилищ.

Для крепления удилища вместо оттяжек, как в прошлый раз, было решено использовать небольшую пику:

Пика представляет собой кусок алюминиевого профиля, обрезанный до полуметра и заостренный при помощи дремеля. Она забивается в землю примерно на половину длины. Удилище крепится при помощи ремешков с липучками, вроде тех, что используются для крепления батарей в квадрокоптерах. Вопреки интуиции, такая конструкция довольно надежна (для временной установки), а по весу и занимаемому месту существенно выигрывает у трех отверток с веревками.

Для подключения антенны к трансиверу удобно воспользоваться «крокодилом» и «банановым» штекером с диаметром 4 мм:

Штекер втыкается в разъем SO-239. По диаметру они подходят друг к другу просто идеально. «Крокодилом» проще всего ухватиться за клемму заземления трансивера.

Точные размеры антенны у меня получились следующие. Длина линии — 758 см. Длина одного плеча — 490 см. График КСВ антенны немного меняется в зависимости от высоты антенны до земли и угла между плечами, но в среднем выглядит так:

При желании, поигравшись с формой и высотой антенны, КСВ на 20 метрах можно вогнать в единицу. По счастливому стечению обстоятельств антенна оказалась довольно сносно согласована и на 15 метрах. КСВ в этом диапазоне составляет от 1.7 до 2. Радиосвязи удалось провести в каждом из диапазонов. В плане уровня шума и полученных рапортов я не заметил никакой разницы с классическим диполем.

Fun fact! Так как в сложенном виде антенна очень компактна, ее не лишено смысла всегда иметь при себе в качестве запасной.

Если хочется разместить трансивер подальше от антенны и/или использовать мачту повыше (например, оптимальные 10 метров для этого диапазона), двухпроводную линию можно подключить через балун 1:1 к коаксиальному кабелю произвольной длины.

Дополнение: Спустя какое-то время после публикации заметки у меня появилась возможность измерить потери в использованной двухпроводной линии. Потери составили 1.7 дБ в диапазоне 20 метров. Это больше, чем у типичных коаксиальных кабелей той же длины, но все же терпимо.

Многодиапазонный вариант

Возможен и многодиапазонный вариант подобной антенны (иллюстрация снова позаимствована из The ARRL Antenna Book):

Данная антенна известна под именами двойной цеппелин, double zepp, center-fed zepp, а также, при использовании определенных размеров и типа линии, как антенна G5RV. Антенна имеет не очень понятно какое входное сопротивление. Однако при удачном выборе длины линии и плеч ее можно настроить на любой КВ-диапазон с помощью тюнера.

Важно! Вопреки тому, что поется в легендах, антенна G5RV не настраивает себя магическим образом на все диапазоны. Антенне необходим тюнер для всех диапазонов за исключением 14 МГц.

На этот раз антенна была сделана из «полевки» со следующими размерами. Длина линии — 1340 см. Длина одного плеча — 1305 см. Для согласования антенны было решено использовать автотюнер mAT-30.

Антенна прекрасно настраивается на любой радиолюбительский диапазон от 80 до 10 метров с КСВ 1-1.2. Тестовые радиосвязи были проведены в диапазонах 20, 40 и 80 метров, как наиболее популярных. Во всех диапазонах были получены хорошие рапорты.

Заключение

Описанные варианты антенн недороги, легки в изготовлении, мало весят и занимают мало места в рюкзаке. В отличие от классических диполей, им не требуется тяжелый балун. Поэтому в полевых условиях при помощи удочки такие антенны можно установить на большей высоте. В отличие от вертикалов, им не нужны противовесы, о которые всегда кто-нибудь да спотыкается. Антенне на диапазон 20 метров не требуется тюнер и при установке на 10-и метровой мачте (потребуется балун, но внизу антенны) это вполне себе приличная антенна для проведения дальних связей. Многодиапазонный вариант антенны требует тюнера. Зато она дает выход сразу на все КВ-диапазоны.

В целом, мой опыт с антеннами из двухпроводных линий оказался исключительно приятным. Я собираюсь инвестировать больше времени в изучение родственных антенн.

Дополнение: В продолжение темы см статьи Fan dipole на 40 и 20 метров из двухпроводной линии, Двухэлементная антенна Уда-Яги на диапазон 20 метров и Антенна ZS6BKW на пять КВ-диапазонов.

Метки: Антенны, Беспроводная связь, Любительское радио.