О сайте

Всем доброго времени суток! Я, Вячеслав Юрьевич, или просто В.Ю. приглашаю Вас в свой блог. Почему блог так называется? Я дедушка и, как все деды, люблю поговорить о былом и поучить молодёжь. Читайте мои посты с советами обо всём, а особенно о здоровье.
До новых встреч!

вторник, 28 апреля 2015 г.

Антенны из пивных баночек. Характеристики. Самодельный КСВ-метр.

КСВ штыревой антенны из двух банок.
  Эти баночные антенны в основном хвалят. Вот и я решил проверить, какой реальный диапазон они имеют, и каким КСВ обладают. Начну я со штыревой антенны, как наиболее простой и эффективной, проверенной на опыте при проведении дальних связей. Такая конструкция может пригодиться на все случаи жизни или на все стороны излучения и приёма, поскольку в горизонтальной плоскости она имеет круговую диаграмму направленности.
На графике зависимость КСВ (коэффициента стоячей волны) от частоты в интервале от 100 до 2000 МГц.
 Оптимальное значение КСВ – единица, это провал частотной характеристики, диапазон частот, обеспечивающий наилучшее согласование. Изменение значения КСВ от 1 (отлично) до 2-х (вполне удовлетворительно). Размер каждой горизонтальной клетки соответствует 200 МГц. При большой полосе обзора погрешность прибора максимальна.

                                                 Конструкция штыревой антенны.

Фото 1.
Фото 2.
 Мне понадобились всего две пол-литровые ёмкости, где одна банка  служит излучателем, а вторая - противовесом. Задача противовеса – уменьшить токи высокой частоты по внешней оплётке коаксиального кабеля и обеспечить лучшее с ним согласование.  Для удобства я использовал высокочастотные разъёмы (получив, таким образом, разборную антенну), хотя оплётку коаксиального кабеля и центральный провод можно закрепить с помощью гаек, шайб и винтов. Место крепления проводов и разъёмов к банке очистил от лака или пищевой пленки для лучшего контакта. В донышке одной банки пробил отверстие, пропустил коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. С противоположной стороны банки закрепил оплётку кабеля, а его центральный проводник соединил с другой банкой.

Фото 3.
 Таким образом, верхняя банка представляет собой четвертьволновый излучатель, а нижняя, которую я назвал противовесом, оправдывает своё название как симметрирующее устройство.  Благодаря такой конструкции я могу рассматривать антенну посредством соединительного кабеля на некотором расстоянии от генератора, чтобы оценить её параметры отдельно от прибора, а не в совокупности с ним.


Рис. 1. 1 – кабель коаксиальный 50 Ом;  2, 3 – банки;  4 – центральный вывод кабеля;  5,6 – крепление оплётки кабеля;  7 – крепление центрального вывода кабеля.


                                         Характеристики штыревой антенны.
 Входное сопротивление 50 Ом. Диапазон 240 – 830 МГц.  КСВ  в пределах 1,0 – 2.0.
Круговая диаграмма направленности в горизонтальной плоскости.
 Измерения антенны проводил по нескольким приборам, не забыв использовать самодельный КСВ-метр. Таким образом, мой КСВ-метр получил аттестацию, поскольку характеристики исследуемых антенн совпали.

Рис. 2. Зависимость КСВ от частоты разных антенн из пол-литровых ёмкостей.
 С уверенностью теперь могу сказать, что получилась достаточно широкополосная антенна, захватывающая диапазон от 240 МГц до 830 МГц.  Таким образом, антенна настроена на все аналоговые телевизионные каналы дециметрового диапазона, включая все мультиплексные пакеты эфирного цифрового телевидения, радиолюбительские диапазоны 70 см (430 – 438 МГц) и диапазон PMR  связи (446 МГц). В рабочем диапазоне частот её КСВ колеблется от 1,0  до 2,0. Хорошие показатели, по край ней мере передатчик по максимуму отдаст свою мощность в эфир, так как его выходной каскад отлично согласован с самодельной конструкцией.
 Для приёма телевизионных программ следует использовать горизонтальную поляризацию, расположив баночки горизонтально и поворачивая их в этой плоскости найти оптимальный уровень приёма.
Фото 4. Заводская конструкция
 штыревой антенны.
 Использование пивных баночек в изготовлении антенн не ноу-хау. Аналогичные антенны давно используются в массовом производстве и при этом имеют неплохие характеристики. Внешне они выглядят как штыревые, но обладают особенностью работать с коаксиальным кабелем, поэтому имеют лучшую эффективность за счёт более высокого расположения их от поверхности земли.
 На фото 4 антенна сделана из полых латунных цилиндров.




                                             Конструкция антенны «Ground Plane».
Фото 5.

 Следующий тип антенн, не менее эффективных и широко распространённых – это вертикальная антенна с противовесами «Ground Plane».  Разница лишь в том, что противовесы, их количество обычно составляет от 3-х до 4-х (мне удобно было сделать 4) и расположены они под углом от 40 до 90 градусов к вертикали. Времени на её изготовления было затрачено больше, хотя всего-то потребовалось разрезать противовес-банку и развести лепестки под углом к вертикали.  Очень неуклюжая получилась конструкция, что нельзя сказать о характеристиках. КСВ практически, как и у штыревой антенны и чуть больше получился диапазон согласования.


                                          Характеристики антенны «Ground Plane».
 Входное сопротивление 50 Ом. Диапазон от 220 до 900 МГц.  КСВ  в пределах 1,2  до 2,2.

                                   Конструкция симметричного разрезного вибратора.
 Не мог я пройти мимо разрезного вибратора, сделанного также из двух ёмкостей. Такую антенну ещё называют горизонтальным полуволновым диполем. Именно такие антенны используют большинство любителей творить самоделки. Его входное сопротивление 73 -75 Ом, а диаграмма направленности существенно отличается от предыдущих антенн. Это восьмёрка с двумя максимумами излучения и приёма в горизонтальной плоскости диполя и с минимум излучением и приёмом по торцам.  Конечно, меня немного смутило отсутствие симметрирующего устройства, но не остановило, чтобы проверить реальные значения КСВ в диапазоне частот в том виде этих антенн, каком их применяют на практике.
  Диапазон согласования достаточно широк и занимает от 190 МГц до 770 МГц, как видно немного сместился вниз. Несколько хуже значения КСВ по сравнению со штыревой антенной. В диапазоне частот некоторые значения КСВ чуть больше значения 2,2, то есть на троечку с минусом. Возможно с согласующим устройством типа U – колена, с генератором с выходным сопротивлением 75 Ом, а не 50 Ом, КСВ улучшится, но сузится диапазон.
                          Характеристики симметричного разрезного вибратора.
 Входное сопротивление 75 Ом.   Диапазон 180 – 750 МГц.  КСВ в пределах от 1,0 до 2,2.

 Выводы. Всё же есть польза от пива. По крайней мере, после него остаются пустые емкости, из которых реально можно смастерить антенну с неплохими характеристиками. Согласно теории, ширина рабочей полосы должна быть в  пределах 30 процентов от центральной частоты, но на практике она получилась больше.
Все перечисленные выше антенны практически не обладают коэффициентом усиления, поскольку не имеют ярко выраженной односторонней диаграммы направленности. Этот недостаток легко исправить, придав антенне направленные свойства, путём установки за ней металлического экрана в виде прямоугольника со сторонами не менее 1,5-й величины габаритного размера соединённых банок  или металлическую сетку с шагом не более 1 см. На практике расстояние от экрана до банок составляет чуть меньше 4-й части длины волны и находится экспериментально по увеличению уровня сигнала на выходе антенны, который возрастает до 5 дБ и существенно повышает дальность приёма или передачи.
 КСВ, характеристики, а будет ли антенна работать? В эти выходные я решил проверить первый вариант штыревой антенны за городом на предельном от него расстоянии, которое составляет около 90 километров. Место испытания многим уже известно – это мансарда, а сама антенна не наружная, а комнатная, что говорит о худших для неё условиях испытаний. При подключении антенны  через 2-х метровый кабель (50 Ом) к телевизору  идут программы в дециметровом диапазоне волн с помехами в виде снега. Ставлю отражатель в виде тазика для варенья, который участвовал в изготовлении детекторного приёмника, и снег на экране телевизора заметно слабеет. Подключаю приставку для приёма эфирного цифрового телевидения, и три мультиплексных цифровых пакета проходят в 100 процентном качестве с уровнем сигнала 30 процентов. Меняю тазик на решётку для барбекю, и качество теряется на 20 процентов.

 Таким образом, антенна работает как комнатная и работает без усилителя.

Штыревая антенна
с отражателем .
Штыревая антенна
с отражателем.
  Впереди ещё много ёмкостей разного калибра. Если выливать пиво жалко, то воспользуйтесь алюминиевой фольгой. Для дальнейшей самостоятельной работы предлагаю сделать простой самодельный КСВ-метр.



                     Самодельный КСВ-метр.

  Современные приборы для измерения характеристик антенн очень сложны и неподъёмно дороги. Однако, имея широкодиапазонный генератор высокой частоты и простой самодельный КСВ-метр, можно определить согласование антенны в полосе используемых частот или настроить по величине КСВ антенну на нужную частоту приёма или передачи. Самое минимальное значение КСВ в большинстве случаев указывает на резонансную частоту антенны.

Рис. 3. Схема КСВ-метра.
1 - генератор высокочастотный (Г4-176, диапазон до 1020 МГц), 2 - микроамперметр (М42103. шкала 200 мкА), 3 - коаксиальный кабель длиной 1 метр, 4, 5 – высокочастотные разъёмы, 6 – корпус,7 – исследуемая антенна, 8 – провод экранированный. 
  Самодельный КСВ-метр - это прибор мостового типа. При одинаковых сопротивлениях резистивной нагрузки 50 Ом и антенны с аналогичным сопротивлением токи одинаковой величины на милливольтметре будут вычитаться, и показание прибора будет равно 0, а КСВ = 1. Если сопротивление антенны будет отличаться от сопротивления нагрузки 50 Ом в ту или иную сторону, то и токи будут иметь разные величины, и КСВ будет ухудшаться.
 На практике значения КСВ = 1 считается отличным, а КСВ = 2 считается удовлетворительным.
Фото  7.
Фото 6.
  Использование диодов с маленькой проходной ёмкостью и радиокомпонентов для планарного монтажа сделали конструкцию КСВ-метра малогабаритной, что обеспечило маленькие значения паразитных индуктивностей и конденсаторов монтажа. Эта особенность заложила основу работы измерителя в широкой полосе частот. Таким образом, прибором можно измерять значения КСВ антенн на частотах от единиц мегагерц  до 1 ГГц. Более высокого по частоте генератора у меня нет, чтобы оценить все возможности самоделки.
 Вместо микроамперметра можно использовать тестер в режиме измерения постоянного напряжения на самом чувствительном пределе.

                                                             Методика измерений.
Фото 8 . Калибровка без R = 50 Ом.
Фото 9. Калибровка с  R = 50 Ом.
 Плату с высокочастотными разъёмами необходимо расположить непосредственно в корпусе, к месту, куда будет подсоединяться испытуемая антенна. Для некоторых типов штыревых антенн корпус будет являться противовесом. Если корпус изделия пластмассовый, то в качестве противовеса используется непосредственно печатная плата, в которой устанавливается антенный разъём.
  Калибровка. С генератора подаю уровень до полной отклонения стрелки микроамперметра Vп, в моём случае эта условная величина  Vп = 200 (деления всей шкалы микроамперметра). К антенному разъёму подсоединяю резистор 50 Ом и прибор показывает Vи = 0.
                         КСВ = (Vп + Vи ) / ( Vп – Vи) = 1;     КСВ = (200 + 0) / ( 200 – 0) = 1
  Измерение. Теперь вместо резистора подсоединяю антенну и по этой же формуле считаю КСВ. В каждой точке измерения проверяю эффективность излучения самой антенны. Для этого подношу к измеряемой антенне лист металла, соизмеримый с её размерами, помахивая им словно веером.  Не некотором расстоянии (это будет зависеть от мощности генератора и направленных свойств антенны, поэтому расстояние составляет от 10 см до 1 метра) антенна начнёт принимать отражённое от листа поле, и её характеристики будут меняться в такт колебания «веера», а стрелка миллиамперметра начнёт отклоняться в ту или иную сторону. Чем больше расстояние «дыхания» антенны, тем более она эффективна.  Этим методом можно практически представить диаграмму направленности антенны, то есть, в какую сторону она наиболее эффективно излучает.

Фото 10. Характеристика антенны,
что на фото 4. Заявленные параметры
совпадают. 
 Если прибор для исследования частотных характеристик (Х1 - 42, Х1 - 50, Х 1 – 51 и др.) дополнить самодельным КСВ-метром, то можно наблюдать изменение КСВ по частоте на экране. Провод, идущий к микроамперметру, подсоединяю к входу УПТ характериографа (куда обычно подсоединяется детекторная головка), а на характериографе устанавливаю максимальный выход и обзор, тогда резонанс антенны – есть провал частотной характеристики, который будет соответствовать КСВ, стремящемуся к единице. Единичный уровень КСВ также калибруется подключением резистивной нагрузки с сопротивлением 50 Ом вместо антенны.

  Да, и не забудьте помахать веером.

25 комментариев:

  1. Анонимный11 мая 2015 г., 12:05

    Всегда с удовольствием знакомлюсь с Вашими темами по "радио" и не только и нахожу для себя очень много полезного, СПАСИБО !!!!!

    ОтветитьУдалить
  2. Хотелось бы уточнить габариты антенны из банок. Что больше влияет расстояние между банками или по наружным краям?

    ОтветитьУдалить
  3. Банки 0.5 литров. Расстояние между банками 4 см. Чем больше длина разрезного вибратора, тем ниже диапазон. Расстояние между банками фиксированное. От этого расстояние будет меняться согласование с кабелем и КСВ будет ухудшаться.

    ОтветитьУдалить
  4. Хотелось бы не методом научного тыка, а рассчет.
    В нете писали, что двигали банки до 5см. У каждого района свой диапазон.

    ОтветитьУдалить
  5. Привез с дачи антенну для переделки. Сфоткал. Такая. Ей больше 15 лет и порядочно стояла на улице в городе. Конструкция видна.
    http://itmages.ru/image/view/3048124/154a522e

    ОтветитьУдалить
  6. [URL=http://radikal.ru/fp/aa6a06f052054cd6946b97fde3494365][IMG]http://s012.radikal.ru/i319/1509/e3/8022323120f4t.jpg[/IMG][/URL]
    [URL=http://radikal.ru/big/aa6a06f052054cd6946b97fde3494365][IMG]http://s012.radikal.ru/i319/1509/e3/8022323120f4.jpg[/IMG][/URL]

    ОтветитьУдалить
  7. Диполь- он и в Африке...
    Почему-то не уточняется: уровень ТВ сигнала должен быть оч-чень приличный, иначе
    "Сумлеваюсь я. что эта сковорода заговорит..."(х/ф Тени Исчезают в Полдень ?)

    ОтветитьУдалить
  8. ...тока очень толстый, то бишь ШирокоПолосный.

    ОтветитьУдалить
  9. Когда прочитал предложение "Для дальнейшей самостоятельной работы предлагаю сделать простой самодельный КСВ-метр", решил, что тот тоже будет из пивных банок :)

    ОтветитьУдалить
  10. а вопрос к автору: скажите пожалуйста, на большинстве схем ксв-мостов стоят 3 цепочки резисторов по 50ом, а здесь один, и 2 других по 62 ома, как так?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Из большинства схем выбрана эта, исключительно по соображениям простоты и универсальности, возможностью использования стандартного измерительного генератора малой мощности (25 мВт). Схема обеспечивает использование антенно-фидерного устройства с волновым сопротивлением как 50 Ом, так и 75 Ом. Достаточно только поменять один резистор 50 Ом на 75 Ом, чтобы измерять входное сопротивление антенно-фидерного устройства с этим номиналом.

      Удалить
  11. Здравствуйте, Вячеслав Юрьевич. Хотелось бы испытать первую антенну с RTL-SDR приёмником, только вот он просит 75-омную нагрузку. Скажите пожалуйста, как нужно изменить конструкцию первой антенны, чтобы согласовать ее с 75-омным кабелем? . С уважением, Олег.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Здравствуйте.
      Для приёмника разница 50 и 75 Ом не сильно будет заметна, это больше относится к передатчикам. Но если по правилам, то используются согласующие трансформаторы из параллельных отрезков коаксиальных кабелей или кабелей с другим волновым сопротивлением (0,25 длины волны), уменьшающие или увеличивающие сопротивление, но эти примочки могут вносить потери.

      Удалить
  12. Какой лучше кабель для баночной антенны? 50 или 75 ом? Пробовал из под пива 0,5 и более прямоугольные банки и размером меньше 0,25. Меньшие банки ловили не хуже. Есть рассчет расстояния между банками относительно частоты?
    Позади баночной антенны ставил металлический экран и сигнал сильно увеличивался. Второй мультиплекс без экрана показывал силу сигнала 9-10, а с экраном возрастал до 30.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Я пробовал использовать антенны с кабелем 50 Ом. Авторы других изданий считают волновое сопротивление разрезного вибратора от 60 Ом до 75 Ом. На практике трудно будет определить какой кабель будет лучше.
      Я не сталкивался с расчётом расстояния между вибраторами. В идеальной антенне вибраторы в точке питания должны иметь конусную форму и в этом случае минимальное расстояние между ними будет лучшим. Сами же банки имеют иную форму, и сдвигать их близко не рекомендуется во избежание ухудшения параметров антенны. Этот размер подбирают из практических соображений.

      Удалить
    2. Почему засомневался, что у покупных антенн тонкие кабели.
      Хорошо работает с кабелем COAXIAL - RG 058/U. 5мм диаметр. Но коротковат оказался. 5 метров. Чтобы провести вдоль стены надо длиннее 10м. померял. Потому буду покупать.
      Когда подключал толстым кабелем РК-75-4-15 Кабель радиочастотный 75 Ом завода "Сокол", то сигнал был на приставке намного слабее. Этот кабель без экрана из фольги.

      Удалить
    3. Важной характеристикой коаксиального кабеля является его коэффициент затухания, и чем этот коэффициент меньше, тем коаксиальный кабель лучше, то есть потеть в нём будет меньше. В поисковике набираете тип кабеля, характеристики, и сравниваете. На взгляд, чем толще кабель, тем он лучше.

      Удалить
    4. Это посмотреть можно только в нете. В магазине может быть что угодно под этой маркой.
      Может толще - лучше для метровых волн? Раньше в городе такие все и были. У мультиплекса частота больше и результат другой? Толщина жилы это да. А сам кабель может нет...
      Для вайфая не видел толстых кабелей. Принцип тот же.

      Удалить
  13. Уважаемый В.Ю. вот нашел описание антенны с размерами для разных каналов. Попробуете сделать такую? Пишут, что работает хорошо и даже без петли обратной.
    Жаль у меня от старой антенны односторонний омедненный текстолит остался шириной 30мм, а тут надо 40.
    Правда пишут, что делали даже из фольги и нержавейки... http://cxem.net/tv/tv35.php
    Для дачи самое то и простая в изготовлении. Правда как совместить 24 и 52 каналы в одной антенне... Под Выборгом такой разброс частот. Места мало занимает.
    Картинка (не понятно, как вставить) http://cxem.net/tv/tv35.gif

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Здравствуйте. Предложенная вами антенна из стеклотекстолита представляет полуволновый разрезной вибратор, который обладает усилением 0 дБ, ноль децибел. Не зависимо от того из какого материала она сделана: будь это стеклотекстолит, фольга, золото и так далее, её усиление ограничено, и на предельных расстояниях она работать не будет. Чтобы убедиться в этом, разрежьте алюминиевые банки на прямоугольники указанных размеров, закрепите их саморезами на диэлектрической пластинке (пластмасса, органическое стекло, поликарбонат…) и расскажите тогда, что получилось. Думаю, что разницу между целыми банками и пластинами не заметите.

      Удалить
    2. Просто на рисунке даже размеры разные для разных каналов.
      Вы сами писали, что конус должен быть между банками. На рисунке есть.
      А баночная какое усиление имеет?

      Удалить
  14. Здравствуйте. Где можно прибрести диоды для КСВ-метра? Может аналоги есть? BAT-62 не подойдет? Или HMS2812.

    ОтветитьУдалить
  15. Как оказалось, в схеме маркировка диода немного неправильная. Правильная вот HSMS-2852.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Здравствуйте, Сергей.
      PIN диод HSMP: 3880, 3802, 3810, 3812 и т.д., HSHS 2812, HSMP3860 – HSMP 3864.

      Удалить