- Защита трансивера от статического электричества
- Замыкание антенны по постоянному току
- Дроссель
- Четвертьволновую короткозамкнутую линию
- Заземление антенны
- Почему важно иметь хороший контакт в контуре заземления?
- Дополнительные меры грозозащиты в антенно-фидерном тракте
- Некоторые моменты, которые надо знать при подключении аппаратуры к заземлённой антенне
Защита трансивера от статического электричества
Такие антенны, как вертикалы и диполи, способны накапливать статический заряд. Любой радиолюбитель рано или поздно сталкивается с этим явлением. В частности, взявшись за разъем UHF коаксиального кабеля, идущего к вертикалу или диполю, иногда можно почувствовать покалывание или даже жжение в пальцах. Статика не представляет угрозы для здоровья человека, но является частой причиной выхода трансиверов из строя.
Вертикалы и диполи можно рассматривать как два проводника, не соединенных друг с другом. То есть, по сути, огромный конденсатор. При определенных условиях, например в сухую и ветреную погоду, в результате трения молекул воздуха об антенну, часть электронов «перескакивает» с этих молекул на полотно антенны. В результате в нашем конденсаторе накапливается статический заряд, который может достигать десятков киловольт. Это напряжение не представляет опасности для человека, потому что для человека опасен большой ток, а он не может возникнуть из-за статического заряда. Каждый раз, когда вас ударяет током металлическая дверная ручка или чей-то свитер, там те же десятки киловольт. А вот на антенном разъеме трансивера такая разность потенциалов ни к чему хорошему не приводит.
Антенны, которые представляют собой КЗ по постоянному току (рамочные антенны, петлевые диполи, J-антенны), менее подвержены накоплению статического электричества. Но они также могут получать статический заряд между антенной и землей. Для решения этой проблемы необходимо заземлить саму антенну (если это позволяет тип антенны) или внешнюю сторону оболочки коаксиального кабеля. Это позволит статическому заряду стекать в землю.
Вернемся к вертикалам и диполям. Есть много способов борьбы со статикой в этих антеннах. Некоторые радиолюбители рекомендуют устанавливать между плечами диполя резистор большей мощности, номиналом около 100 кОм. Такое сопротивление практически не влияет на работу антенны, но теперь между плечами диполя может протекать ток. Прием работает, но у него есть недостаток: статика может накапливаться быстрее, чем стекать через резистор. Еще одна хитрость заключается в использовании трансформатора 1:1. Тогда антенна будет постоянным КЗ, как рамочная антенна. Но такой подход, насколько мы знаем, никем не используется. Дело в том, что в трансформаторе всегда есть потери, иногда значительные. Если трансформатор выполнен на ферритовом кольце, это повышает его стоимость и ограничивает допустимую мощность, так как трансформатор может перегреваться. Наконец, также используется закороченная четвертьволновая линия. Недостатками этого подхода являются зависимость от частоты и значительная длина линии на КВ.
Достаточно универсальный подход — использование дросселя с большой индуктивностью. По-английски его называют static bleeder. Правильно подобранный дроссель имеет высокий импеданс на радиолюбительских частотах, поэтому практически не влияет на работу антенны. В то же время это КЗ по постоянному току, которое не позволяет накапливаться статике. Рекомендуется мотать дроссель на ферритовом сердечнике эмалированной проволокой 0,9 мм, при этом получить индуктивность не менее 200 мкГн. Утверждается, что такой дроссель пригоден для работы с мощностью до одного киловатта. Что ж, попробуем и посмотрим, что получится.
Использовался 100 ммферритовый сердечник М400НН, 8. Намотали 90 витков, измеренная индуктивность — 313,7 мкГн. Должно быть достаточно. Дроссель был помещен в пластиковую коробку (такую же, как в антенне Фукса) с двумя разъемами UFH, соединенными кабелем RG213:
КСВ в диапазоне 1-30 МГц в порядке:
Здесь использовалась нагрузка малой мощности с КСВ не более 1,1 на частотах до 650 МГц. Видно, что КСВ увеличивается с увеличением частоты. В частности, на частоте 144 МГц мы имеем КСВ 1,75. На УКВ дроссель вряд ли применим. Это не страшно, так как на УКВ можно использовать закороченную четвертьволновую линию.
С помощью анализатора спектра оцениваем потери на частотах до 30 МГц:
Как видите, потери не нулевые, но незначительные. Виден небольшой провал. Но он не попал ни в один из радиолюбительских диапазонов, поэтому особо не беспокоит. Но что действительно беспокоит, так это то, не будет ли в такой конструкции возникать синфазный ток. И действительно, он возникает. Если коснуться рукой кабеля, идущего на вход анализатора спектра, то график резко изменится. Семь витков кабеля на ферритовом кольце FT140-43 решают эту проблему.
На первый взгляд, дроссель можно установить как в точке запитки антенны, так и у трансивера. Но делать это у трансивера правильнее, и на это есть две причины. Во-первых, коаксиальный кабель, идущий к антенне, тоже является большим конденсатором, и в нем тоже может образоваться заряд, например, во время грозы. А мы не хотим, чтобы у заряда было несколько вариантов, куда стекать (либо в антенну, либо в трансивер). Во-вторых, вы, вероятно, экспериментируете с антеннами. Делать свой дроссель в каждой новой антенне просто дорого и не нужно.
Дроссель испытывался при работе в телеграфе на дальностях 20 и 40 метров с мощностью 100 Вт. На линию, кажется, он никак не влияет. Ни нагревания, ни искр нигде нет.
Хотя с теоретической точки зрения все это звучит неплохо, только время покажет, насколько на самом деле дроссель защищает трансивер от статики. Отметим, что эта защита не обязательно 100%. Так или иначе, с защитным дросселем как-то спокойнее, и хуже не становится. Однако, что мы упустили из виду вопрос заземления.
Заземление любительской радиостанции иногда может портить КСВ антенны. Причина — в синфазном токе. Решается намоткой провода заземления теми же семью витками на кольце FT140-43. Это отсекает путь ВЧ-сигналу и устраняет проблему.
Замыкание антенны по постоянному току
Если антенна изначально не закорочена на постоянный ток (квадрат, треугольник, разрезной петлевой вибратор), то для ее замыкания можно использовать:
Дроссель
Его подбирают так, чтобы его реактивное сопротивление было примерно в 5-20 раз больше волнового сопротивления антенны.
Например, для антенны Ground Plane 1/4 на диапазон 10 метров (27 МГц или 28 МГц) это условие выполняется с помощью дросселя из 15 витков и провода 3 мм, намотанных с зазором 1 мм на оправке 30 мм. Индуктивность такого дросселя составляет около 2,8 мкГн, а его реактивное сопротивление на частоте 27 МГц составит 467 Ом, что почти в 10 раз больше волнового сопротивления антенны Ground Plane 1/4 (50 Ом).
На рабочей частоте такой дроссель не окажет ощутимого влияния на работу антенны и КСВ, но для импульсов меньшей частоты и тем более для постоянного тока (статического электричества) он будет элементом, замыкающим антенну.
Преимущества дросселя:
— компактность;
— если антенна многодиапазонная, то дроссель, рассчитанный на низкочастотный диапазон (частоту), не будет влиять на более высокочастотные диапазоны (частоты).
Недостатки дросселя:
— в некоторых случаях дроссель может представлять собой колебательную систему LC-контура с распределенными параметрами и резонировать на определенной частоте, что вызовет ухудшение параметров антенны.
Четвертьволновую короткозамкнутую линию
Короткозамкнутая четвертьволновая линия, в простейшем случае, есть не что иное, как отрезок того же фидера, что и фидер, идущий от антенны длиной 1/4L на рабочей частоте, разумеется, с учетом К_укорочения этого фидера, замкнутый с одного конца и подключенный параллельно фидеру другим концом (соответственно — оплетка к оплетке, центральная к центральной жиле, если это коаксиальный кабель).
Замкнутая на конце четвертьволновая линия представляет собой по существу параллельный LC-контур, настроенный на рабочую частоту (частоту, для которой ее длина составляет 1/4L), т.е. оказывает большое сопротивление токам той частоты, на которую настроена, и малое сопротивление токам любой другой частоты и постоянному напряжению.
Преимущества короткозамкнутой линии 1/4L:
— возможность создания КЗ по постоянному току в диапазонах высоких частот УКВ (VHF/UHF) без потерь в элементе КЗ;
— дополнительная фильтрация сигналов как принимаемых из эфира, так и транслируемых.
Недостатки короткозамкнутой линии 1/4L:
— невозможность выполнения КЗ элемента таким образом для различных диапазонов (частот);
— большой физический объем в случае изготовления для КВ диапазонов.
Важно отметить, что какой бы ни был КЗ элемент, к его выводам обязательно нужно подключить разрядник на напряжение в 2-4 раза превышающее напряжение, развиваемое передатчиком.
Например, для передатчика мощностью 100 Вт напряжение, на которое должен быть рассчитан разрядник, будет порядка 250 вольт.
Если антенна исключительно приемная, то разрядник должен быть на минимально возможном напряжении.
Разрядник необходим в случае прямого удара молнии или наведения очень сильной наводки, например, от близкого грозового разряда. В этом случае разрядник замкнет короткозамкнутый элемент антенны, который, в свою очередь, мог бы стать резонатором и где могли бы возникнуть колебания определенной частоты, большой, иногда огромной, мощности, что приведет к разрушению оборудования для связи или бытовой электроники. Разрядник в момент пробоя снижает добротность такого резонатора и ограничивает напряжение, действующее на систему, до относительно безопасного уровня.
Разрядник особенно актуален для короткозамкнутых линий 1/4L, так как такие линии представляют собой колебательные системы с очень высокой добротностью, настроенные непосредственно на полезную частоту, то есть на частоту, которая будет пропущена любыми ФНЧ/ВЧ и контурами связного тракта.
Для этой цели хорошо подходят промышленные разрядники, которые можно приобрести в магазинах по продаже электронных компонентов, например:
Такой разрядник в обычном состоянии не повлияет на параметры антенны, так как имеет очень маленькую емкость и большое сопротивление. Разрядник на фото имеет емкость всего 0,2 пФ.
Естественно, такие «маленькие» разрядники одноразовые, то есть в экстренной ситуации они, скорее всего, физически разрушатся и «сгорят», но не стоит забывать, что в таких ситуациях в любом случае понадобится техническое обслуживание собственно антенны, какой бы она ни была сильной.
Заземление антенны
Большинство антенн нельзя заземлить, просто соединив один из проводов с контуром заземления, потому что это нарушит симметрирование антенны, исказит диаграмму направленности, вызовет затекание ВЧ-токов в контур заземления и, как следствие, создаст помехи в телевизорах или другой бытовой технике в доме.
Антенна должна быть заземлена через один из элементов, описанных выше, чтобы обеспечить короткое замыкание по постоянному току. Параллельно элементу короткого замыкания также должен быть подключен разрядник.
ВАЖНО! Заземлять антенну необходимо только на специально предусмотренный контур заземления.
Найти контур заземления на крышах панельных домов, высоток и домов, выполненных по СНиПам, очень просто; обычно к нему крепятся мачты коллективных антенн.
Контур заземления — это не просто рядом торчащая арматура или какой-то стальной стержень. Он обычно прокладывается по всей крыше, представляет собой отдельный проводник из стальной проволоки или ленты достаточного сечения. Обычно, если это проволока, то ее диаметр составляет около 5-6мм и более.
В частном доме заземление нужно устраивать самостоятельно: для этого ознакомьтесь со строительными нормами и правилами на эту тему.
Заземление — это не шутки, оно должно быть выполнено таким образом, чтобы контакты оказывали минимальное сопротивление и были механически надежны и долговечны.
Если вы подключаетесь к существующему контуру заземления, обязательно тщательно зачистите точку подключения и проводник, с помощью которого будете подключаться, а затем, после выполнения подключения, защитите точку подключения от коррозии.
Почему важно иметь хороший контакт в контуре заземления?
Ток при грозовом разряде может достигать 10-100 тысяч ампер, поэтому, руководствуясь законом Ома, мы можем рассчитать напряжение, которое появится на выводах условного резистора, которым является наш контакт или проводник.
Допустим, в антенну попал самый чахлый и незначительный удар молнии, в результате чего через контур заземления протек ток силой всего 5000 ампер, а сопротивление где-то в контуре заземления, на пути прохождения тока, составило всего 1 Ом, значит:
U=I*R, или U=5000*1, или 5000 вольт будет действовать на выводы этого сопротивления (контакта, проводника)!
То есть 5000 вольт с током в тысячи ампер могут приложиться к концу коаксиального кабеля вашей антенны, а значит и на корпус устройства, если сопротивление антенна-земля будет всего 1 Ом, хотя обычно оно больше.
Для сравнения, электрический стул, используемый для казней в США, работает с напряжением около 6000 вольт с током до 1 ампера. Конечно, электрический стул подает напряжение на тело долго, а молния лишь на очень короткое время — тысячные доли секунды, но этого вполне может быть достаточно, чтобы вывести из строя бытовую электронику и вызвать крайне неприятные ощущения у оператора-связиста.
По той же причине, по которой важны хороший контакт и малое сопротивление в контуре заземления, важно и короткое замыкание элементов антенны проводниками достаточно большого сечения. Провод диаметром 1 мм не подойдет.
Не подходят в качестве элементов короткого замыкания и резисторы, особенно с большим сопротивлением (килоомы). От накопления статического электричества на полотне антенны, конечно, поможет резистор сопротивлением 10-50 кОм, но он будет бесполезен при воздействии на полотно антенны сильной электромагнитной наводки, например, от удара молнии, произошедшего недалеко (до 5 км) от места установки антенны или в облаках над антенной, не говоря уже о прямом ударе молнии в антенну.
Дополнительные меры грозозащиты в антенно-фидерном тракте
Задача проектировщика антенно-фидерного тракта в этой части состоит в том, чтобы максимально увеличить сопротивление импульсу тока при минимальном сопротивлении рабочей частоте.
Несколько витков коаксиального ферритового фидера от строчного трансформатора телевизора окажутся дополнительным сопротивлением, которое не даст вашей аппаратуре получить импульс. Молния генерирует очень короткий импульс, поэтому даже небольшая индуктивность на пути этого импульса будет иметь достаточно значительное сопротивление, в результате большая часть импульса пройдет по цепям с меньшей индуктивностью и, соответственно, меньшим реактивным сопротивлением — по контуру заземления.
Дополнительные разрядники и элементы короткого замыкания не будут лишними уже на подходе фидера к устройству связи. Здесь их уже можно рассчитать на менее внушительные токи, потому что основная мощность импульса погаснет возле антенны, на КЗ элементах антенны.
Некоторые моменты, которые надо знать при подключении аппаратуры к заземлённой антенне
— Если в вашем доме не предусмотрена или неисправна линия заземления, то современные устройства, питающиеся от импульсных блоков питания, будут иметь на своем корпусе потенциал около 110 вольт (пусть и с очень небольшим, но заметным током) относительно заземления.
— Если в вашем доме есть магистраль заземления и к ней подключено ваше устройство связи и заземленная антенна, то в случае аварии на магистрали вы можете увидеть рядом с устройством фейерверк или дым и нагрев фидера, т.к. все «кривые» токи от различных бытовых приборов будут течь через корпус вашей радиостанции к контуру заземления.
Вообще, все должно быть заземлено в одной точке, чтобы не создавать пути для блуждающих токов, однако при этом изоляция, например, между обмотками, в блоке питания трансивера должна быть рассчитана на выдерживание напряжений, которые могут создать те самые блуждающие токи (2-3 киловольта).
— Если вы прикоснетесь одновременно к фазовому проводу и заземленному устройству (например, к радиостанции), вас будут нещадно бить током, возможно, до смерти.