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

КСВ антенны
 из пивных 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 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. Антенна "«Ground Plane».

 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.

Фото 6. Антенна с отражателем из решетки для барбекю.

Фото 6. Антенна с отражателем из тазика для варенья.

  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 (антенноскоп).

  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.

 Этот тип КСВ-метра в литературе  называется антенноскопом. Подробнее о нём можно узнать, перейдя по ссылке: http://www.ra6foo.qrz.ru/measure.html

                        Эту схему я применил к своей самоделке. 

Рис 3. КСВ- метр (антенноскоп).

Рис 4. 1 - генератор высокочастотный (Г4-176, диапазон до 1020 МГц, Rвых = 50 Ом), 2 - микроамперметр М42103 (шкала 200 мкА, Rв. = 600 Ом),  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 6.

Фото 5.

  Использование диодов с маленькой проходной ёмкостью и радиокомпонентов для планарного монтажа сделали конструкцию КСВ-метра малогабаритной, что обеспечило маленькие значения паразитных индуктивностей и ёмкостей 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.

Рис. 5. Эскиз КСВ- метра. 1 - ВЧ разъём SMA для подключения генератора. " - ВЧ разъём SMA для подключения антенны. 3 - Экранированный кабель микроамперметра М42103.

 В комментарии меня спрашивают, почему я использую диодную сборку HSMS2852 с двумя диодами, а не один корпусной диод HSMS2850. Просто были в наличии диодные сборки, тем более, что эти электронные компоненты имеют одинаковые характеристики.  

Рис. 6. Эскиз КСВ-метра. Д1, Д2 - HSMS2850.

                                                             Методика измерений.

Калибровка без резистора.

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).   Внутреннее сопротивление применяемого прибора М42103 - 600 Ом и соединён он последовательно с резистором 5,1 кОм, поэтому выполняет в таком включении роль вольтметра.  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.

Характеристика антенны на приборе Х1-42.

 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.

P. S.

Я не ожидал, что самодельный КСВ-метр вызовет интерес, а поэтому решил дополнить пост исторической экскурсией по самодельной антенной измерительной технике.

Первую практическую схему прибора для измерения КСВ я нашёл в журнале «Радио» 1963 02.

Рис. 7.  Радио 1963. 02.

Радио 1963.02.

В статье инженера Константина Евгеньевича  Сеппа UA3CT «Прибор для измерения КСВ» даётся полное и подробное описание принципа работы этого измерительного моста.

Аналогичную схему моста можно увидеть во втором томе (издание одиннадцатое, исправленное 2007) «Антенны» автора Карла Ротхаммеля.

Рис. 8.  Антенны. Том 2. К. Ротхаммель.

В этом же томе кроме описания различных КСВ-метров не совсем обыденно звучат такие названия, как антенноскоп или согласователь (matchmaker).Мостовая схема антенноскопа описана американским радиолюбителем W2AEF, хорошо приспособлена для антенных измерений. Стрелочный прибор покажет  0 при одинаковых токах в плечах моста и тогда сопротивление антенны Rх = R3. В книге дано подробное описание принципа работы и конструкции этого ВЧ моста.

Антенны. Том 2. 
К. Ротхаммель.

Рис. 9.  Антенны. Том 2.
К. Ротхаммель.