Питание через емкость

Как запитать провод или трубу без их разрыва и вообще без прямого электрического контакта.

Постановка задачи

Общая задача, поставленная в подзаголовке на самом деле уже решена. Есть питание просто прямого провода через ферритовый трансформатор и есть питание диполя через воздушный трансформатор.

Но ферритовый трансформатор ограничивает проходящую мощность (размерами и свойствами сердечника) и не очень хорошо относится к заметной реактивной составляющей в импедансе антенны. Зато он легко надевается на любой существующий провод, не требуя никаких действий с последним.

Воздушный трансформатор не имеет проблем ни с мощностью, ни с реактивностью, но зато требует скручивания в катушку провода антенны в точке питания. Что вызывает понятные трудности, особенно если мы намерены запитать какой-то уже висящий чужой провод.

В этой статье мы попробуем совместить достоинства обоих способов: большая пропускаемая мощность и возможность работы с изрядной реактивностью в импедансе, плюс провод антенны только прямой и мы его вообще не касаемся.

Решение

Раз нам требуется большая пропускаемая мощность и терпимое отношение к реактивности, то ферриты применять нельзя. А т.к. провод, используемый нами для антенны должен остаться прямым, то скручивать его тоже нельзя. Следовательно, индуктивная связь антенны с узлом питания отпадает.

Прямое электрическое подключение к проводу, мы договорились, делать тоже нельзя.

Остается емкостная связь. Но ведь обкладку конденсатора надо электрически подключить к проводу антенны, т.е. сделать соединение? Не совсем так. Ток с обкладки конденсатора, конечно, обязан попасть в провод антенны. Но вот электрическое соединение при этом не потребуется, если в качестве второй обкладки конденсатора связи использовать сам провод антенны. То есть конденсатор связи выполнить конструктивным, надев поверх антенного провода изоляцию и вторую обкладку. А уж к последней можно и нужно электрически присоединить шлейф питания.

Возьмем простой полуволновой диполь и запитаем его симметричным шлейфом Т-согласования (модель по клику на рисунке):

Отличие от стандартной схемы Т-согласования небольшое: конденсаторы согласования перенесены из центра (от источника) на края шлейфа (в точки подключения шлейфа к диполю). На электрические параметры схемы это влияет не сильно, т.к. шлейф в длинах волн короткий, и распределение тока по нему близко к равномерному.

А вот с конструктивной точки зрения разница большая. Если сделать оба конденсатора конструктивными, используя в качестве первых обладок провод антенны, а вторых – цилиндры на концах шлейфа, то получится именно то, что мы хотели. Возбуждение цельного провода без прямого подключения к нему. И без ограничивающих полосу и мощность ферритов.

Реализация запитки на 28 MHz провода 5 м показана на следующем фото (общий вид):

Использован обычный электрический провод сечением 1,5 мм2 в изоляции. Конструктивные конденсаторы на концах шлейфа сделаны наклеенным поверх изоляции основного провода медным скотчем 3M. Вот их более крупные фото:

 

Вид узла питания:

На последнем фото виден, болтающийся внизу на коротком кабеле SARK-110. Он показал следующее:

Мы получили обычный полуволновый диполь. Но без изолятора и подключения к антенному проводу. Подача мощности 400 Вт в течение нескольких минут привела к ощутимому рукой нагреву идущих от разъема к конструктивным конденсаторам проводов МГТФ (для макета я взял первые попавшиеся под руку и они оказались тонковатыми. Для рабочей антенны их, конечно, надо брать нормального сечения). Конденсаторы и диполь в районе узла питания температуру не изменили.

 

Аналогичным образом можно запитать и вертикальную заземленную трубу. Для изолятора конструктивного конденсатора можно взять толстую полиэтиленовую или тефлоновую ленту и обернуть ею трубу. А верхную обладку кконструктивного конденсатора сделать в виде широкого хомута из тонкой листовой меди или латуни:

От этого цилиндра вниз, к точке питания спускается проволочный шунт:

Вот картинка с SARK-110 от вертикала высотой 3,5 м, настроенного описанным способом на 21 MHz:

Несколько странноватый вид графика jX(f) на последнем рисунке по-видимому связан с тем, что антенна не имела радиалов, а в качестве заземления использовались металлоконструкции балкона. Тем не менее, антенна настроилась и в тестовых QSO показала себя обычным четвертьволновым GP (которым она и является).

На нагрев данную конструкцию не испытывал, по причине бессмысленности. Греться там просто нечему: алюминиевая труба диаметром 10 мм, медный лист толщиной 1 мм на обкладке, шунт из провода 1,2 мм и толстая 1мм полиэтиленовая лента.

Как рассчитать, сделать и настроить

Если делаем полностью свою и однодиапазонную антенну с таким питанием, то методика такова:

  1. Берем резонансные размеры (или во всяком случае недалеко от них) излучателя: полволны для диполя и четверть для вертикала.

  2. Моделированием определяем точки подключения шлейфа для получения Ra = 50 Ом и требуемые емкости для JXa = 0 Ом.

  3. Смотрим, реализуемы ли в вашем варианте такие емкости конструктивно. Разумно смакетировать конструктивный конденсатор на куске провода или трубы, аналогичных антенным и измерить (простой тестер обычно это умеет) его емкость.

  4. Если в вашем конструктиве она получилась меньше требуемой, не страшно. Вносим измеренную емкость в модель и меняя длину и форму шлейфа (например, делая его треугольным как на первом фото) и\или добавляя небольшую катушку в точку питания получаем точное согласование в модели.

  5. Переходим к изготовлению антенны. Крепим верхние обкладки конденсаторов на антенну. Середина каждой обкладки должна находится на той координате антенны, на которой в модели подключены емкости к проводу.

  6. Подключаем к обкладкам шлейф. Пока этапе это лучше делать не капитально, а на "крокодилах".

  7. Присоединяем шлейф к измерителю (лучше импеданса, но в крайнем случае сойдет и КСВ-метр)

  8. Двигая "крокодилы" по верхним обкладкам (если они из медной фольги и приклеены к проводу, как в диполе), либо двигая обкладку вместе с пластиковой лентой по трубе (как на фото в вертикале) добиваемся Ra = 50 Ом.

  9. Теперь компенсируем получившееся JXa. Если конструктивный конденсатор из фольги и приклеен, то менять JXa можно только индуктивностью шлейфа. Для этого либо меняем его длину и форму (не трогая точки подключения к обкладкам), например, он может стать треугольным как на первом фото, либо подстраиваем катушку в точке питания (наиболее удобный способ).

    Если конструктивный конденсатор из листовой меди или латуни, то подстраиваем его емкость, меняя силу закрутки стяжек.

  10. Повторяя циклически пару последних шагов, добиваемся точного согласования. По завершении надежно крепим шунт к обкладкам.

 

Если мы делаем свою многодиапазонную антенну с согласующим устройством, подключаемым к шлейфу, то делаем аналогичные шаги, только выбираем размеры антенны и шлейфа, а также конструктивные емкости для получения удобоваримых для используемого тюнера импедансы по диапазонам.

Например, у меня при высоте заземленного GP 4,4 м, проволочном шлейфе высотой 1,5 м и конструктивном конденсаторе 30 pF получились вполне приемлемые для тюнера импедансы во всех диапазонах от 14 до 28 MHz.

 

Самый интересный на мой взгляд вариант. Мы хотим запитать как антенну чей-то чужой провод или трубу. Моделировать тут бессмысленно, даже если мы и узнаем точную длину и положение этого провода, то что там на концах останется для нас загадкой. Поэтому придется измерять и согласовывать. Методика такая:

  1. Для висящего в воздухе провода (имеются в виду его размеры достаточные для работы диполем) выбираем доступные точки, куда будем надевать обкладки наших конденсаторов. Расстояние между этими точками (точнее, между серединами будущих цилиндрических конденсаторов) должно быть 7... 15% λ (да, это немало, но примерно столько требует шунтовое согласование нерезонансного провода.)

  2. Не обязательно, чтобы точки подключения находились в центре возбуждаемого провода. Допустимо довольно большое смещение этих точек к краям.

  3. В найденных точках делаем конденсаторы. Их емкость в пикофарадах должна быть не меньше длины волны в метрах (т.е 20 pF для 20-ти метрового диапазона, 80 pF – для 80-ти метрового и т.п.)

  4. Подключаем шлейф к конструктивным конденсаторам.

  5. А к шлейфу – измеритель импеданса и смотрим что получилось и можем ли мы это согласовать и какое СУ для этого нужно (да, СУ потребуется точно). Можно вместо измерителя сразу подключить перестраиваемый тюнер – есть хороший шанс что систему получится настроить.

Для возбуждения чужой вертикальной трубы делаются, в принципе, аналогичные шаги, но со следующими отличиями:

  1. Если есть возможность прямого подключения к заземлению и\или основанию вертикала, то конструктивный конденсатор понадобится только один (как на предпоследнем фото). И длина шунта тут может быть поменьше: 4 ... 10% λ

  2. Если же доступа к заземлению нет, то придется ставить два, разнесенных по высоте, конструктивных конденсатора.

 

Так что имеет большой смысл при выездах иметь с собой рулончик медного скотча, лист тонкой латуни или меди, толстую полиэтиленовую или тефлоновую ленту, моток провода на шлейф и тюнер. Этот набор может дать возможность возбудить как антенну что-то из имеющихся на месте мачт, труб, проводов. Причем даже таких размеров, которые вы бы никогда не привезли с собой. И на таких низкочастотных диапазонах, на которых с выездов обычно не работают по причине отсутствия эффективной передающей антенны.

Конечно, никаких гарантий хорошей работы такой антенны дать нельзя: неизвестно к чему подключен чужой провод, может там всё уйдет в потери или помехи, да и проводимость этого провода на ВЧ может оказаться никакой (старый и ржавый трос, например), потери на ВЧ в диэлектрике чужой изоляции могут оказаться слишком большими. Ведь делали этот чужой провод совсем не для антенны.

Тем не менее, есть шанс, что может получиться и хорошо (по крайней мере на передачу, а прием можно организовать отдельной маленькой приемной антенной). Описанный способ дает возможность попробовать это в вашей конкретной ситуации.



Bonn, 25.06.2014

На главную - Main page