Подземный переход для антенны Бевереджа

Постановка задачи

Лучшим выбором для приёма DX на НЧ КВ диапазонах является антенна Бевереджа (АБ). Но для хоть какой-то работы на 1,8 MHz её длина должна быть не менее 100 м. А для хорошей работы – более 160 … 200 м. Оптимальная высота провода АБ над землёй составляет обычно 1…2 м (зависит от свойств земли и длины антенны). Это означает, что для развертывания обычной АБ надо найти полоску земли длиной более 100 м (а лучше 160 … 200), которую не пересекают ни тропинки, ни дороги (иначе прохожие и проезжие оборвут провод АБ).

А найти такую полоску земли почти невозможно даже в сельско-дачной местности. Ведь там, где живут люди. И они передвигаются: пешком и на транспорте. Посмотрите на спутниковые карты: в любой не совсем безлюдной местности невозможно найти ни одного варианта достаточно длинной для АБ полосы земли, которую бы не пересекал проход, тропинка, проезд или грунтовка.

Поэтому на практике даже в селько-дачной местности почти нереально установить АБ постоянно. И приходится использовать временные варианты: бросить повод на пару суток теста осенью или зимой, когда людей мало и есть шанс, что антенна простоит какое-то время дней не оборванной.

Значит, необходимо решать проблему перехода АБ через проход или проезд. Обычно это делается вынужденным П-образным подъемом провода АБ на высоту 3 … 3,5 м над пересекаемым проездом. Но такое решение имеет два существенных минуса:

  1. за счет вынужденно высоких вертикальных сторон ухудшается отношение F/B антенны (т.к. вертикальные провода принимают одинаково со всех направлений, включая заднее).
  2. Провод над проездом виден. А это плохо, т.к. вызывает нездоровый интерес. И есть немалая вероятность обрыва. Либо сознательного, либо случайного при проезде высоких машин (сельскохозяйственных или строительных).

Подземный переход

Раз перейти проезд проводом АБ поверху сложно, то будем проходить снизу. Под землёй. Тогда мы мешать никому не будем и от обрыва убережемся.

Далее считается, что у нас есть возможность закопать провод в защитной трубке (специальная, чёрная для защиты подземных кабелей от грызунов, есть в магазинах электортоваров), который невозможно было повредить сверху (сельхозработами и\или колесами проезжающих машин). Поэтому речь здесь только о грунтовых проходах и проездах (вряд ли кому понравится, если вы раздолбите твердое покрытие дороги).

В зависимости от почвы и типа прохода или проезда глубины 30…50 см достаточно, чтобы нашу пластиковую трубку с проводом никто не видел и не повреждал. Придётся изыскать возможность закопать трубку с проводом под проездом в то время, когда там никого нет и мы своими «дорожными» работами никому не помешаем (в рабочий день и не в разгар дачного сезона такое время найти можно).

Организационные вопросы мы решили. Теперь займемся радиотехническими.

Просто закопать провод АБ под проездом нельзя. Во-первых, на длине подземного участка (несколько метров) волновое сопротивление АБ скачком снизится с 500 … 600 Ом (провод на высоте 1,5..2,5 м над землей) до 100 ... 200 Ом (провод в защитной пластиковой трубке диаметром около 15 мм под землей). От этой неравномерности волнового сопротивления появятся отраженные волны. Нарушается режим чисто бегущей волны. А это приводит к резонансным явлениям в проводе, т.е. ухудшению F/B и согласования.

Во-вторых, зарыв провод АБ в землю, мы в зашунтируем полезный сигнал емкостью этого провода на землю. А эта емкость при нескольких метрах длины будет значительна. Из-за этого упадёт сигнал с антенны. А у АБ он и без того невелик.

Следовательно, зарываемая под землю (под проход-проезд) часть АБ должна быть:

  1. Согласована с обеих сторон.
  2. Защищена от влияния земли.

Этим требованиям отвечает коаксиальный кабель, с двух сторон нагруженный на повышающие ферритовые трансформаторы 50\450 Ом. АБ с подземным переходом показана на следующем рисунке (пропорции на нём не соблюдены).

Конструкция подземного перехода (помимо той, что очевидна из рисунка) такова. Оба выглядывающих из-под земли с обеих сторон прохода-проезда конца (примерно по метру длиной каждый) защитной трубки с коаксиальным кабелем внутри неё, изогнуты П-образно. Это делается для того, чтобы вода не затекала внутрь трубки. Каждый конец трубки с коаксиалом внутри входит в обычную электрическую монтажную коробку для внешней разводки. Эти коробки монтируются на высоте примерно 0,5 м над землей (чтоб не заливало водой и не покрывало снегом).Внутри каждой из коробок расположен обычный широкополосный ферритовый трансформатор 50\450 Ом.

В принципе, желательно бы подключить оплетку коаксиала к небольшому заземлению (такому же, как нижний конец нагрузочного резистора в обычной АБ). Но этого можно и не делать, т.к. емкости между несколькими метрами подземной оплётки и грунтом достаточно для ВЧ заземления в линии 450 Ом. Большие токи в линии 50 Ом текут только внутри кабеля, а снаружи это линия 450 Ом, поэтому ВЧ заземление может быть довольно плохим, с несколькими десятками ом потерь.

Влияние перехода на параметры антенны

Оценим, насколько наш подземный переход ухудшает параметры АБ (улучшить он их, понятное дело, не может). Сначала рассмотрим потери.

Затуханием в нескольких метрах согласованного коаксиала на частотах ниже 10 МГц (выше применение АБ не имеет смысла) можно пренебречь даже в случае дешевого тонкого кабеля.

Потери в трансформаторах можно оценить по следующему рисунку, на котором показана АЧХ двух самых обычных ферритовых трансформаторов 50\450 Ом (сделаны на первых подвернувшихся под руку ферритовых кольцах FT50B-43 внешний диаметр 12,7 мм, такая же высота, внутренний диаметр 7,1 мм, проницаемость 800, обмотка из 7 витков в три провода), соединенных последовательно.

Видно, что затухание пары таких трансформаторов на НЧ диапазонах не превышает 0,5 дБ, т. е. несущественную величину для приёмной антенны.

Но в подземном переходе меняется не только амплитуда, но и фаза сигнала. Та же пара трансформаторов имеет следующую фазочастотную характеристику.

Видно, что на 1,8 и 3,5 МГц дополнительный фазовый сдвиг от трансформаторов пренебрежимо мал, но возрастет до 11 гр на 7 МГц и 19 гр на 10,1 МГц.

Кроме трансформаторов дополнительный фазовый набег дает и коаксиальный кабель. Оценим этот набег. Допустим, физическая ширина перехода 5 м (деревенская грунтовка). Общая физическая длина кабеля: 5 м горизонтально под землей + 2 по 0,5 м вертикально под землей + 2 по 1 м на концы снаружи. Итого 8 м. Электрическая длина такого коаксиала будет 12 м (с учетом коэффициента укорочения коаксиала). Поэтому по сравнению с обычной АБ (которая бы потеряла на проход 5 м длины) у нас возникает дополнительная электрическая длина 12 – 5 = 7 м. Это приведет к дополнительному фазовому сдвигу в 15 гр на 1,8 МГц, 30 гр на 3,5 МГц, 60 гр на 7 МГц и 85 гр на 10,1 МГц.

Точная модель антенны с описываемым переходом невозможна (для описания нужны и линии, и трансформаторы). Поэтому применим упрощенную модель, состоящую из двух отдельных АБ (половинок исходной АБ), с отдельными источниками в каждой. Фазовый сдвиг между источниками должен быть равен сумме:

  1. фазового набега на расстоянии между источниками (т.е. расстояние между источниками, выраженное не в метрах, а в градусах текущей частоты).
  2. фазового набега трансформаторов (см. предыдущий рисунок).
  3. фазового набега в дополнительной электрической длине коаксиала (7 м в рассматриваемом случае).

Этот суммарный фазовый сдвиг зависит от частоты, поэтому сделаем 4 модели по диапазонам: 1,8 MНz, 3,55 MНz, 7,05 MНz, 10,12 MНz. Усиление в этих моделях не соответствует реальному, т.к. эти модели содержат по два нагрузочных резистора, следовательно, из-за больших потерь покажут меньшее усиление.

Поэтому приведенные ниже сравнительные диаграммы направленности нормированы к одному усилению, чтобы можно было сравнить только формы ДН (а именно они влияют на помехозащищенность приемной антенны).

Сравнение ДН обычной АБ длиной 167 м (красная) и АБ такой же длины, но с описываемым переходом шириной 5 м в середине (черная) на 1,8 MНz показано на следующем рисунке.

Видно, что формы антенн практически идентичны, лишь чуть снизилось подавление задних лепестков.

Следующий рисунок показывает сравнение этих же антенн, но в диапазоне 3,5 MHz. Тут уже отличие больше: подавление задних и боковых лепестков ухудшается ощутимо (лишний фазовый набег сказывается). Тем не менее, ДН остается направленной и вполне приличной для приемной антенны.

Пойдем выше по частоте. Сравнение ДН тех же антенн на 7,05 MНz.

Видно значительное ухудшение подавления задних и боковых лепестков в АБ с подземным переходом (черная ДН). Хотя и такая ДН может оказаться иногда приемлемой, но лучше бы увеличить подавление назад. Для этого вместо T2 (на первом рисунке) переключающим контактом реле подключим нагрузочный резистор, а подземный переход и дальнюю часть антенны отключим совсем. Получится обычная АБ половинной длины (81 м в данном примере). ДН такого варианта показана на предыдущем рисунке зеленым. Подавление назад возросло. Управляющее напряжение для реле в таком варианте проще всего подать через развязывающий дроссель прямо на провод АБ, отрезав по постоянному току Т1 и Т2 разделительными конденсаторами.

ДН тех же трёх вариантов на 10,12 MHz показаны ниже.

Тут уже АБ с подземным переходом (черная ДН) совсем неприменима, т.к. основной лепесток зенитной ДН задрался вверх (большой лишний фазовый набег не прошел даром). Но при отключении подземного перехода и дальней части, ДН первой половины АБ (зеленая) оказывается вполне приличной.

Для быстрого анализа формы ДН АБ с подземным переходом можно использовать еще одну упрощенную модель. В ней подземная часть имитируется обычным проводом низко над землей, а дополнительный фазовый набег от «лишней» электрической длины кабеля и трансформаторов – меандром дополнительной длины провода. В нашем случае это 8 м (7 «лишних» от коаксиала + 1 м от трансформатора). Этот меандр вносит дополнительный фазовый сдвиг, более-менее корректно имитирующий фазовые сдвиги, вносимые подземным переходом.

Выводы

Описанный выше подземный переход позволит разместить длинную АБ там, где об этом ранее нельзя было и помыслить из-за прохода или проезда. Однако дополнительный фазовый набег в переходе ограничивает количество таких переходов и верхнюю частоту.

Фазовый набег в переходе максимально влияет если подземный переход расположен в середине АБ и минимально если близко к краям.

Основной «лишний» фазовый набег дает коаксиальный кабель, поэтому стремитесь к его минимально необходимой длине.

В диапазоне 1,8 MHz без заметного ухудшения ДН можно применять два подземных перехода (здесь и далее речь о переходе шириной 5 м, при меньшей ширине требования смягчаются). Это позволит пройти через два прохода или проезда. В диапазоне 3,5 MHz один подземный переход приемлем. Два – уже плохо.

На 7 и 10 MHz наиболее разумно с помощью реле отключать подземный переход и части АБ за ним. Оставшаяся АБ при длине даже 40 … 50 м будет вполне прилично работать в этих диапазонах.



Beer Sheeba, 17.07.2015

На главную - Main page