Антенна Бевериджа - практическая реализация

АНТЕННА БЕВЕРИДЖА

практическая реализация.

Russian TopBand Club - 2013

www.topband.ru

Список дополнений, правок:

Исходный вариант – 15 марта 2013 г

Дополнения от R7LV – 9 мая 2013 г

· Антенна Бевериджа без нагрузочного резистора

· BOG – антенна Бевериджа, лежащая на земле.

Зачем нужна антенна Бевериджа

Радиолюбители, которые работают с DX на низкочастотных диапазонах – 160,80,40 м испытывают действие помех, ухудшающих условия приема и нередко затрудняющих или делающих невозможным проведение дальних связей. Для того, что бы радикально улучшить условия приема, избавиться от помех, необходима установка одной или нескольких антенн Бевериджа, если радиолюбитель обладает достаточной территорией для установки такой антенны.

Как устроена антенна Бевериджа

Антенна Бевериджа – это антенное полотно достаточной длины (>1λ) с низкой высотой подвеса(0,5-5 м), к которому с одной стороны подключена нагрузка (резистор 330-560 Ом) а с другой стороны – трансформатор импенданса, фидер, приемник. (см. рис. 1.)

Рис.1. Антенна Бевериджа

Такая схема антенны Бевериджа позволяет иметь диаграмму направленности в соответствии с рис.2.,рис.3. Ширина основного лепестка диаграммы направленности меняется в зависимости от длины антенны.

Рис.2. Диаграмма направленности антенны Бевериджа в горизонтальной плоскости. Длина полотна 350 м, частота 1825 кГц. Использован файл beverage.maa из набора файлов-образцов программы MMANA.

Рис.3. Диаграмма направленности антенны Бевериджа в вертикальной плоскости. Длина полотна 350 м, частота 1825 кГц. Использован файл beverage.maa из набора файлов-образцов программы MMANA.

Как работает антенна Бевериджа

Т.к. оба конца антенны Бевериджа подключены к земле напрямую, либо через емкостную связь противовесов, ток в этой антенне распространяется в антенном полотне и в земле. Скорость (фазовая скорость) распространения ЭМ волны в земле существенно ниже, чем в полотне антенны. Из-за того, что распространение тока в земле происходит медленнее, чем в антенном полотне (т.к. земля - диэлектрик), формируется диаграмма направленности в сторону нагрузочного резистора R. По этой же причине, работа антенны Бевериджа существенно зависит от свойств земли в месте установки.

Планирование и установка антенн Бевериджа.

Место установки антенны Бевериджа выбирается исходя из имеющегося свободного места, а так же от желаемого направления приема.

Антенна Бевериджа может быть установлена как в открытом пространстве, так и в лесу. Возможна установка полотна антенны по кустарнику, деревьям, с помощью поддерживающих шестов.

При установке антенн Бевериджа в густом лесу будет наблюдаться небольшое ослабление сигналов, когда стволы деревьев будут мокрые после дождя или во время оттепели.

Крайне не желательно, что бы полотно антенны Бевериджа проходило под линией ЛЭП.

В крайнем случае, полотно антенны Бевериджа может быть уложено прямо на землю. При этом сигнал будет значительно ослаблен, но антенна все равно будет работать (опыт установки UA4HBW, UX0LL).

Возможно расположение антенны Бевериджа по льду водоема (опыт установки UA4CC).

Антенны Бевериджа должны быть расположены как можно дальше от передающих антенн. Если не получается разнести на достаточное расстояние, передающую антенну необходимо расстраивать, когда станция находится в положении ”прием”. Чаще всего передающая антенна является автоматически расстроенной, если она в положении ”прием” подключена к П-контуру усилителя с закрытой лампой, либо центральная жила кабеля оторвана или закорочена (при этом длина кабеля, питающего передающую антенну, не должна быть кратной λ/4)

Как уже отмечалось выше, земля под полотном играет большую роль в работе этой антенны.

Для достижения максимального усиления G и отношения вперед-назад (F/B) антенны Бевериджа имеется зависимость от качества земли и оптимальной высоты подвеса антенны – чем хуже земля, тем выше надо подвешивать антенну. Однако на практике практически никогда нет возможности варьировать высоту подвеса антенны Бевериджа, т.к. высота подвеса выбирается, в основном, что бы полотно не было украдено или повреждено, т.е. 2,5-4 м. (1)

Для антенны Бевериджа лучше всего подходит ”плохая” земля, имеющая низкую проводимость – песчаная, каменистая почва. При такой почве хорошо работает антенна с любой длиной, большей 1λ.

При ”хорошей” земле (глина, суглинок), полотно антенны Бевериджа крайне желательно сделать длиннее, сколько возможно.

И при “хорошей” и при “плохой” земле, антенна Бевериджа работает достаточно эффективно.

Длина полотна антенны Бевериджа выбирается, исходя из желаемого направления приема и ширины диаграммы направленности. Для диапазонов 160,80, 40 м оптимальной будет длина полотна 300-400 м. При длине антенны Бевериджа 350 м, ширина основного лепестка будет 60° для диапазона 160 м, 40° для диапазона 80 м, 25° для диапазона 40 м.

Если имеется достаточно места, можно установить несколько таких антенн в желаемых направлениях приема. Если в одном дальнем направлении ожидается много корреспондентов, весьма желательно установить более длинную антенну Бевериджа, которая обеспечит большее усиление и большее отношение F/B. К примеру, для UR5, UA3, UA4, UA6 - направления W1, W6, JA. В этом случае, оптимальной будет длина полотна 600-800 метров.

Нагрузочный резистор антенны Бевериджа выбирается в зависимости от высоты подвеса полотна и его толщины. Значение этого резистора является суммой волнового сопротивления линии (полотна антенны Бевериджа) и сопротивления потерь заземляющего устройства. Волновое сопротивление полотна в зависимости от высоты над землей может быть рассчитано по формуле:

Z=138Lg(4h/d)

где h – высота подвеса полотна над землей, d – диаметр полотна антенны (2),(3). Сопротивление потерь заземляющего устройства, при общепринятом исполнении заземлителя, можно считать около 40-ка Ом. Практическое значение нагрузочного резистора при высоте подвеса полотна 0.3-0,7 м от земли составит 350-400 Ом, при высоте подвеса 1,5 – 3 м – 450-550 Ом (полотно принято диаметром 1,5 мм). При недостаточном расстоянии от антенны Бевериджа до передающей антенны и при работе большой мощностью, возможна достаточно сильная наводка от передатчика на антенну Бевериджа, результатом чего является выгорание нагрузочного резистора. Поэтому, имеет смысл изготовить этот резистор, включая параллельно несколько двухваттных резисторов С2-10 или МЛТ-2. При использовании импортных резисторов, необходимо убедиться в том, что они не имеют большой паразитной индуктивности.

Провод для полотна.

Антенна Бевериджа может быть изготовлена из любого подходящего провода – медного, алюминиевого, биметалла. Лучше всего полотно изготовить из провода полевого кабеля П274 (полевка). Можно использовать один или оба провода кабеля. Провод содержит несколько медных и несколько стальных жил, покрыт светостойким прочным диэлектриком. Все соединения проводом необходимо герметизировать, т.к. при попадании влаги сталь будет быстро корродировать. Возле места скрутки делается узел из двух проводов, что бы на место соединения проводов не было нагрузки. Жилы проводов скручиваются, затем опаиваются, либо зажимаются специальной металлической трубкой. После этого место соединения герметизируется сырой резиной производства 3М.

Заземляющее устройство.

В антенне Бевериджа применяется два заземляющих устройства – одно возле трансформатора импенданса, второе – возле нагрузочного резистора. Заземляющее устройство выполняется в виде одиночного заземлителя длиной 1-1,5 м. Заземлитель используется либо промышленный, либо самодельный. В качестве самодельного заземлителя используется оцинкованная стальная труба или уголок. Длина трубы или уголка выбирается исходя из твердости и вязкости грунта. Обычно применяется дюймовая труба либо уголок 50х50 мм с толщиной стенки 4-5 мм. Один такой заземлитель дает сопротивление растекания 40-80 Ом, что вполне достаточно для антенны Бевериджа.

Если несколько антенн Бевериджа из разных направлений сходятся в одной точке, возможно использовать один общий заземлитель.

Если нет возможности использовать заземлитель в грунте, можно использовать несколько противовесов, разведенных в разные стороны и лежащие на земле. Оптимально использовать 5-10 противовесов длиной 4-8 метров (опыт установки UR0MC, UT3MD).

Антенны Бевериджа с реверсируемым направлением приема.

Иногда возникает ситуация, при которой нет возможности поставить антенну Бевериджа в желаемом направлении приема, но есть возможность установить полотно антенны в противоположном направлении. В этом случае, имеется возможность реверсировать направление приема антенны Бевериджа и принимать сигналы из одного или другого направления по выбору. Недостатком такой антенны является использование двойного количества провода и более сложная конструкция трансформаторов импенданса. Схема антенны Бевериджа с реверсируемым направлением приема показана на рис.2., рис.3.

Рис.2. Антенна Бевериджа с реверсируемым направлением приема, схема 1

Рис.3. Антенна Бевериджа с реверсируемым направлением приема, схема 2

Как видно из рис.2., рис.3. подключив к коаксиальным кабелям два приемника, можно одновременно принимать из двух направлений. Если используется один приемник, то кабель неиспользуемого направления обязательно должен подключаться к резистору 50 Ом.

Первая схема несколько проще в исполнении (не нужен третий трансформатор), однако в такой антенне следует соблюдать, что бы волновое сопротивление двухпроводной линии, из которой сделана антенны Z ln было равно удвоенному сопротивлению полотна относительно земли Zbev, т.е.:

Z ln=2Z bev.

Поскольку выдержать постоянным расстояние между проводами и высоту подвеса на практике сложно, применяется схема, в которой используется еще один, третий трансформатор на дальнем конце. При использовании этой схемы, можно варьировать расстояние между проводами и высоту подвеса над землей.

Волновое сопротивление двухпроводной линии и волновое сопротивление полотна относительно земли может быть рассчитано по следующим формулам:

где: Zbev – волновое сопротивление полотна антенны относительно земли,

ZLn – волновое сопротивление двухпроводной линии, h – высота полотна антенны над землей, d – диаметр провода двухпроводной линии, L – расстояние между проводами.

Отношение витков (коэффициент трансформации) в трансформаторах может быть рассчитано по следующим формулам:

Для трансформатора Тр1:

Для трансформатора Тр2:

Для трансформатора Тр3:

Где Zload – сопротивление нагрузки, подключаемой к выходу трансформатора неиспользуемого направления (обычно 50 Ом).

Для того, что бы упростить расчет трансформаторов антенны Бевериджа с реверсируемым направлением приема, UR5IOK (SK) предложил макрос для Excel, в котором может быть быстро произведен расчет.

Методика и особенности изготовления трансформаторов будут описаны в следующей статье.

Другие варианты антенны Бевериджа.

Ненагруженная антенна Бевериджа (низковисящий провод, запитанный с конца).

В литературе описана антенна - провод, подвешенный так же низко над землей, как и антенна Бевериджа, но не имеющий на дальнем конце нагрузки и запитанный с ближнего конца. Эту антенну нельзя рассматривать как антенну Бевериджа по нескольким причинам. Распределение тока в этой антенне совершенно отличается от распределения пока в антенне Бевериджа, имеет синусоидальную характеристику с резкими максимумами и минимумами тока, т.е. это не антенна бегущей волны. Эта антенна имеет явные резонансы. Поскольку эта антенна не имеет связи с землей, как с другим проводником через нагрузочный резистор, диаграмма направленности этой направлена в зенит, а не под низкими углами, как у антенны Бевериджа. Применение такой антенны может быть оправдано в нескольких случаях. Расположение этой антенны может быть более выгодным относительно местных источников помех, поэтому соотношение сигнал/шум в ней может оказаться лучше, чем у передающей антенны. Так же, в месте приема локальные помехи могут иметь преимущественно вертикальную поляризацию. Эта антенна имеет горизонтальную поляризацию, т.е. соотношение сигнал/шум в ней может оказаться лучше из-за поляризационной развязки. При некоторых типах прохождения на 160 м, сигналы от дальних станций приходят под большѝми, почти зенитными углами. В этом случае такая антенна может обеспечить некоторое улучшение отношения сигнал/шум. Однако в большинстве случаев, такая антенна будет иметь проигрыш по сравнению с классической антенной Бевериджа.

BOG – Beverage on the ground (антенна Бевериджа, лежащая на земле).

Как уже отмечалось выше, бывают ситуации, когда расположить полотно АБ на оптимальной высоте (или вообще на какой-то высоте) нет возможности. В этом случае полотно антенны укладывается прямо на землю, на дальний конец подключается нагрузочный резистор небольшого номинала (200-300 Ом), питающий трансформатор рассчитывается на небольшой коэффициент трансформации. Не смотря на далеко не оптимальную высоту подвеса, такая АБ будет работать, хотя уровни принимаемых сигналов будут значительно снижены и понадобится применение малошумящего усилителя с большим усилением (25-30 дБ).

Заблуждения об антенне Бевериджа.

Поскольку антенна Бевериджа известна достаточно давно, имеется достаточно большое количество различных описаний этой антенны. В этих описаниях часто встречаются ошибки и неточности.

Основным заблуждением относительно антенны Бевериджа является описание ”правильных” длин антенны, при несоблюдении которых, антенна Бевериджа якобы работать не будет. Поскольку антенна Бевериджа является антенной бегущей волны, резонансные явления в ней отсутствуют. При удлинении полотна антенны сужается основной лепесток диаграммы направленности и возрастает усиление. Уровень заднего лепестка диаграммы направленности меняется в сложной зависимости от длины и высоты подвеса полотна. Иными словами, нет никаких ”правильных” и ”неправильных” длин антенны Бевериджа. При фиксированной длине полотна, уровень заднего лепестка может быть изменен подключением к резистору нагрузки реактивности ± j200 Ом. При подключении такой реактивности и получения максимального отношения вперед-назад на одном из диапазонов, диаграмма направленности на других диапазонах может быть значительно искажена и соотношение вперед-назад станет неудовлетворительным, т.е. антенна может стать однодиапазонной.

В литературе неоднократно встречается информация об эффективной работе антенны Бевериджа на передачу. Это не соответствует действительности, т.к. антенна Бевериджа имеет малую действующую высоту и достаточно большие реактивные потери в земле. Таким образом, усиление антенны выражается отрицательными числами, и обычно составляет -30…-10 дБ (со знаком минус !), в зависимости от длины и высоты подвеса полотна.

Ссылки:

http://dl2kq.de/ant/3-14.htm
Russian Topband reflector - top_band@googlegroups.com
Расчет и конструирование антенно-фидерных устройств. А.П. Дорохов, 1962
Коротковолновые антенны. Айзенберг Г.З. и др. 1985