Измерить параметры антенны? Совсем несложно!

Радио 2004 №2

Правильно определённые параметры антенны в системе радиоприёма - основа возможности успешного приёма удалённых радиостанций. Но не всегда у радиолюбителя могут оказаться под рукой необходимые средства для подобных измерений. В данной статье автор предлагает использовать несложный метод, при котором получаются вполне приемлемые результаты. Подвесив наружную проволочную антенну, любитель радиоприёма на длинных и средних волнах (ДВ и СВ) часто задается вопросом: а каковы же ее параметры? Основных параметров два - это сопротивление потерь системы антенна-заземление r_п и собственная ёмкость антенны относительно той же земли С_А. От этих параметров зависит эффективность работы антенной системы, а следовательно, и возможность приёма дальних станций, питания приёмного устройства "свободной энергией" сигналов, принятых из эфира, настройки антенной системы на разные частоты и т. д.

Антенные измерения - это "терра инкогнита" для большинства радиолюбителей, и не только начинающих. Все известные методы требуют наличия мощного высокочастотного генератора и измерительного моста - аппаратуры, редко встречающейся у радиолюбителей. Часто эти два прибора объединяют, образуя фидерный или антенный омметр (так их называют), используемый, например, при настройке и регулировке антенн передающих радиоцентров [1]. Мощный генератор ВЧ нужен потому, что на открытой "всем ветрам" антенне велико напряжение самых разных наводок, в том числе и от сигналов других радиостанций, мешающих измерениям. В предлагаемом способе измерения генератор вообще не нужен. Мы будем измерять параметры антенны, пользуясь сигналами из эфира, благо их там предостаточно. Надо ли изготавливать специальный прибор или стенд для измерений? Это - по желанию. Учитывая, что антенны меняют не каждый день, не составит большого труда собрать простенькие измерительные цепи прямо на рабочем столе или на подоконнике, не используя даже макетных плат. Измерение сопротивления потерь. Понадобятся ферритовый стержень от магнитной антенны с парой катушек, желательно ДВ и СВ диапазонов, переменный резистор сопротивлением 0,47...1 кОм (обязательно непроволочный), любой германиевый маломощный высокочастотный диод и вольтметр постоянного тока с высоким внутренним входным сопротивлением (не менее 0,5...1 МОм). Для идентификации принимаемых радиостанций "на слух" полезно иметь и высокоомные телефоны.

Рис.1 Детекторный измеритель

Собираем устройство по схеме рис. 1 и, перемещая стержень в катушке магнитной антенны, настраиваемся на частоту сигнала мощной местной радиостанции. Переменный резистор R1 при этом надо установить в положение нулевого сопротивления (переместить движок в верхнее по схеме положение). Момент точной настройки контура в резонанс с частотой радиостанции будет отмечен максимальным отклонением стрелки измерителя и наибольшей громкостью в телефонах. Включённые последовательно с вольтметром телефоны практически не влияют на его показания, в то же время громкость не слишком велика. Для её увеличения на время идентификации радиостанции вольтметр можно замкнуть, переключить на низший предел измерения, где его сопротивление меньше, или включить параллельно вольтметру конденсатор ёмкостью порядка 0,05...0,1 мкФ, чтобы пропустить к телефонам звуковые частоты (при включении такого конденсатора звук может несколько исказиться из-за неравенства нагрузки детектора на звуковых частотах и на постоянном токе). Отметив показания вольтметра (U₁) и не изменяя настройки контура, движок переменного резистора R1 переместить до тех пор, пока показания вольтметра не уменьшатся вдвое (U₂). При этом сопротивление резистора будет равно сопротивлению потерь антенной системы на данной частоте. Те же измерения можно провести и на других частотах. Сопротивление резистора измеряют омметром, отключив его от измерительной цепи. При отсутствии омметра надо оснастить резистор ручкой с визиром и шкалой, которую проградуировать в омах по образцовому прибору. Пользуясь приведённой методикой, удаётся выбрать, например, наилучший вариант заземления. В городских условиях возможны такие варианты: трубы водопровода, трубы отопления, арматура ограждения балкона и т. д., а также различные их сочетания. Ориентироваться следует на максимальный принимаемый сигнал и минимальное сопротивление потерь. В загородном доме, кроме "классического" заземления, рекомендуется попробовать водозаборную скважину или трубы водопровода, металлическую сетку-ограду, крышу из оцинкованной жести или любой другой массивный металлический предмет, даже если он и не имеет контакта с настоящей землёй.

Измерение ёмкости антенны. Вместо переменного резистора теперь понадобится включить КПЕ (любого типа) с максимальной ёмкостью 180...510 пФ. Желательно иметь ещё и измеритель ёмкости с пределом измерения десятки-сотни пикофарад. Автор пользовался цифровым измерителем ёмкости "Мастер-С" [2], любезно предоставленным его конструктором.

Рис.2 КПЕ

Если измерителя ёмкости нет, надо поступить так же, как и с резистором - оснастить КПЕ шкалой и проградуировать её в пикофарадах. Это удаётся сделать и без приборов, ведь ёмкость пропорциональна площади введённой части пластин. Нарисуйте форму роторной пластины на миллиметровой бумаге (чем крупнее, тем точнее будет градуировка), разделите чертёж на секторы через 10 угловых градусов и сосчитайте по клеточкам площадь каждого сектора и всей пластины S₀. На рис. 2 заштрихован первый сектор с площадью S₁. У соответствующей ему первой риски шкалы надо поставить ёмкость С₁=C_maxS₁/S₀ и т. д. Если роторные пластины имеют полукруглую форму (прямоёмкостный конденсатор), шкала получается линейной и тогда не надо делать чертежей и считать площади. Например, КПЕ с твёрдым диэлектриком из набора для детского творчества имеет максимальную ёмкость 180 пФ. Достаточно разбить шкалу на 18 секторов по 10 градусов, и поставить около делений 10, 20 пФ и т. д. Пусть точность будет и невысокой, для наших целей её достаточно.

Рис.3 Схема измерителя параметров антенны

Отградуировав КПЕ, собираем установку по схеме рис. 3. Подключив антенну к гнезду XS1 и отключив КПЕ переключателем SA1, настраиваем контур, образованный ёмкостью антенны и катушкой L1 на частоту радиостанции. Не трогая больше катушку, переключаем антенну в гнездо XS2 и подключаем к контуру конденсатор С2 (наш КПЕ) переключателем SA1. Снова настраиваемся на ту же частоту, теперь уже С помощью С2. Определяем его ёмкость С_к по шкале или с помощью измерителя ёмкости, подключённого к гнёздам XS3, XS4 (переключив для этого SA1 в показанное на схеме положение). Осталось найти ёмкость антенны С_А по формуле

С_А = С2(1 + sqrt(1 +4С1/С2))/2.

Смысл наших манипуляций в следующем: когда мы подключили антенну через конденсатор связи С1, общая ёмкость контура стала меньше, и чтобы её восстановить, пришлось добавить ёмкость С2. Вы и сами можете вывести приведённую формулу исходя из равенства ёмкости антенны С_А (в первом случае) и сложной контурной ёмкости С2 + С_АС1/(С_А + С1) во втором случае. Для повышения точности измерений ёмкость конденсатора связи желательно выбирать поменьше, в пределах 15...50 пФ. Если ёмкость конденсатора связи намного меньше ёмкости антенны, то и расчётная формула упрощается:

С_А = С2 + С1.

Эксперимент и его обсуждение. Автор измерял параметры имевшейся на даче антенны такого вида: провод ПЭЛ 0,7 длиной 15 м, который протянут к коньку крыши и в сторону от дома к соседнему дереву. Наилучшим "заземлением" (противовесом) оказалась изолированная от земли водонагревательная колонка с небольшой сетью труб и батарей местного отопления. Все измерения проведены в СВ диапазоне с использованием стандартной СВ катушки магнитной антенны от транзисторного приёмника. Если для настройки на низкочастотном краю диапазона индуктивности не хватало, рядом с магнитной антенной помещался ещё один ферритовый стержень, параллельно первому.

Результаты измерений сведены в таблицу. Они нуждаются в небольших комментариях. Прежде всего, бросается в глаза, что на разных частотах и сопротивление потерь и ёмкость антенны разные. Это вовсе не ошибки измерений. Рассмотрим сначала частотную зависимость ёмкости. Если бы провод антенны не обладал ещё и некоторой индуктивностью L_А значения ёмкости были бы одинаковыми. Индуктивность провода включена последовательно с ёмкостью антенны, как видно из эквивалентной схемы антенной цепи, показанной на рис. 4.

Рис.4 Колебательный контур

Влияние индуктивности сказывается сильнее на высоких частотах, где индуктивное сопротивление возрастает и частично компенсирует ёмкостное сопротивление. В результате общее реактивное сопротивление антенны уменьшается, а измеренная ёмкость становится больше. У антенны есть собственная частота f₀ - резонансная частота контура L_АC_А, на которой реактивное сопротивление обращается в нуль, а измеренное значение ёмкости будет стремиться к бесконечности. Соответствующая этой частоте собственная длина волны антенны Lambda₀ примерно равна учетверённой длине провода антенны и обычно попадает в интервал диапазона КВ. Собственную частоту можно рассчитать по данным измерений ёмкости на двух произвольных частотах, но формулы получаются слишком сложными. Для своей антенны автор получил С_А = 85 пФ. L_А = 25 мкГн и f₀ - около 3,5 МГц. Для приближённых оценок можно считать, что каждый метр провода антенны (вместе со снижением) вносит индуктивность около 1...1,5 мкГн и ёмкость около 6 пФ. Сопротивление потерь при достаточно добротной катушке L1 состоит в основном из сопротивления заземления. Оно, в свою очередь, рассчитывается по эмпирической (полученной на основании опытных данных) формуле М. В. Шулейкина [3]: r_п = А*Lambda/Lambda₀. Здесь А - постоянный коэффициент, зависящий от качества заземления, с размерностью в омах. Для хороших заземлений А составляет единицы и даже доли ом. Как видим, сопротивление потерь возрастает с увеличением длины волны (понижением частоты), что и подтвердилось данными таблицы. Зависимость сопротивления потерь от частоты обнаружили ещё в начале прошлого века, однако подробного объяснения этого эффекта в литературе автор не встречал.

В связи с этим многие данные, полученные радиолюбителями при измерении параметров своих антенн, могут оказаться весьма полезными.

ЛИТЕРАТУРА:
1. Фрадин А. 3., Рыжков Е. В. Измерение параметров антенн. - М.: Связьиздат, 1962.
2. Андреев В. Простой измеритель ёмкости "Мастер-С". - Радио, 2002. № 1, с. 50-52; № 2, с. 51-53; № 3, с. 52-54.
3. Белоцерковский Г. Б. Антенны. - М.: Оборонгиз, 1956.

В. ПОЛЯКОВ, г. Москва