ПРОСТО ОБ АНТЕННАХ

Введение

Как известно, возможности даже самого совершенного и
дорогого трансивера не могут быть реализованы без использования
высокоэффективных антенно-фидерных устройств (АФУ). Для
коротковолновика-радиолюбителя АФУ - важный элемент любительской
радиостанции. Оно представляет собой соединенные вместе антенну
и фидерную линию. Антенна, являющаяся начальным звеном этого
тракта, служит для преобразования энергии токов высокой частоты
в энергию электромагнитного поля при передаче, и обратно - при
приеме. Фидер служит для передачи энергии высокочастотных
колебаний от передатчика в антенну.
Антенна для радиолюбителя - это объект постоянных мечтаний,
забот и огорчений. От того, насколько эффективно будет работать
АФУ, во многом зависит дальность проведения радиосвязей, а,
следовательно, и достижения коротковолновика в своем "хобби",
которое у многих со временем перерастает в своего рода образ
жизни или даже профессию. В "хобби" каждый ищет свое - один
занимает призовые места в соревнованиях различного уровня (от
городских до чемпионатов мира), другой собирает дипломы, третий
гоняется за DX (редкими странами и территориями), а четвертый
любит просто пообщаться с коллегами - такими же радиолюбителями,
в том числе и из других стран, совершенствуя тем самым свой
иностранный язык, и т.д.
Слабые сигналы наиболее отдаленных, а, значит, и самых
интересных радиостанций могут быть приняты только при полном
использовании чувствительности приемника, ко входу которого
подключено высокоэффективное АФУ.
Во всех этих случаях одним из определяющих факторов
является эффективная работа АФУ. От непосвященных в эти вопросы
нередко можно услышать замечания типа: "Зачем вам такая большая
наружная антенна, когда я на свой приемник с магнитной антенной
и так слышу весь мир!".
И действительно, имея чувствительный приемник, на комнатную
или встроенную магнитную антенну можно принимать очень много
радиостанций, в том числе и с других континентов. Но только
принимать, потому что антенна любительской радиостанции - это
прежде всего передающая антенна. Хотя, с другой стороны, высо
коэффективная антенна даст выигрыш и при приеме, позволяя увели
чить отношение уровня сигнала к уровню шума и отстроиться от
помех, которые приходят с других направлений. При этом действует
принцип взаимности - параметры антенн в обоих случаях одинаковы.
Любая антенна является обратимой - в равной мере она может быть
использована как для передачи, так и для приема, причем в обоих
случаях свойства и параметры антенн остаются одинаковыми.
Случайный кусок провода, используемый в качестве передающей
антенны, имеет, как правило, очень низкий КПД преобразования
выходной мощности передатчика в излучаемую в нужном направлении
энергию электромагнитного поля (до 10%). Хорошо
сконструированная или (чаще всего) грамотно повторенная
конструкция радиолюбительской коротковолновой антенны может
иметь коэффициент усиления больше 10, поэтому переход от
случайной антенны к специальной дает эквивалентный выигрыш по
мощности передатчика в сотни раз.

Добавлено (18.11.2009, 16:08)
---------------------------------------------
Неравнозначность качества приемных и передающих антенн
можно объяснить следующим. Если используется случайная
короткая антенна, расположенная на небольшой
высоте от поверхности земли, сигналы потенциальных коррес
пондентов (и сопутствующие им помехи!) будут одинаково слабыми.
Но увеличив усиление приемника, имеющего достаточную
чувствительность, можно принять большую часть радиосигналов.
Любительские радиостанции в основном оборудованы высоко
эффективными антеннами, поэтому сигнал передатчика, работающего
на малоэффективную антенну, на фоне других зовущих радиостанций
потеряется. Не зря у радиолюбителей бытует поговорка: "Самый
лучший усилитель высокой частоты в трансивере - это антенна".
Кроме того, эффективная антенна позволяет значительно
облегчить жизнь соседей радиолюбителя, так как она существенно
ослабляет помехи, создаваемые коротковолновыми радиостанциями
телевизионному приему.
Прогресс в радиотехнике и микроэлектронике за последние
десятилетия просто разителен, он во многом коснулся и
любительских приемо-пе-редающих устройств. На смену самодельным
приемникам и передатчикам пятидесятых годов прошлого века пришли
просто фантастические конструкции трансиверов иностранных фирм
KENWOOD, YAESU, ICOM и других. То, о чем раньше можно было
только услышать, теперь можно использовать - цифровую обработку
сигнала, синтезатор, дисплей, потрясающий сервис и т.д. Да и
современные конструкции радиопередающих устройств (трансиверов),
изготовленные радиолюбителями-коротковолновиками кустарным
способом (на коленке), обладают очень неплохими параметрами и
способны потягаться с недорогими профессиональными аппаратами.
Только антенны любителей-коротковолновиков остались такими же,
как и на заре радио - физику не обманешь! Усиление, которое
может дать любая антенна, определяется выражением:

где Sэфф - эффективная площадь антенны.
Оказывается, что на первом месте из числа факторов,
влияющих на КПД антенны, стоят ее размеры. Чтобы это себе
наглядно представить, необходимо обратиться к рис.1, который,
хотя и упрощенно, но поясняет принцип работы передающей антенны.
В принципе, антенну можно представить как двухпроводную
линию, вдоль которой образуется стоячая электромагнитная волна с
характерными для нее пучностями и узлами тока и напряжения. В
пространстве между проводами имеется электромагнитное поле. Если
же мы разведем провода линии на 180°, как это показано на рис.2,
двухпроводная линия начнет излучать электромагнитную энергию в
пространство. В литературе такая конструкция антенны называется
диполем, потому что в ней используются два провода. При этом
необходимо отметить, что для эффективного излучения энергии сум
марная длина двух проводов должна быть не менее половины длины
волны . Вот и получается, что для самого низкочастотного
любительского КВ-диапазона 1,8 МГц минимальная длина диполя
никак не может быть меньше 80 м, а если это рамочная антенна,
периметр полноразмерной рамки будет около 170 м. Для других,
более высокочастотных диапазонов, длины антенн будут,
естественно, меньше.

Добавлено (18.11.2009, 16:10)
---------------------------------------------
С учетом высоты подвеса (об этом ниже) и таких длин антенн,
возникают естественные сложности с их установкой. Тем не менее,
антенна с длинными элементами не всегда хороша. Используя
конструкцию с элементами случайной длины или неточно повторяя
описание, можно умудриться соорудить большую антенну, различные
части которой создают компенсирующие друг друга электромагнитные
поля, так что все сооружение будет работать крайне неэффективно.
Всякие ухищрения, связанные с уменьшением размеров антенн с
помощью укорачивающих катушек, фильтров-пробок, свертывания
проводов антенны и т.д., однозначно ведут к снижению ее
усиления, которое уменьшается пропорционально квадрату
уменьшения линейных размеров. Часто заявляемые авторами таких ан
тенн высокие результаты, полученные при испытаниях, есть не
более как случайное совпадение времени тестирования конструкции
и благоприятных условий для распространения коротких волн.
Сооружение хорошей коротковолновой антенны - дело очень
трудоемкое и хлопотное. Здесь совершенно не подходит метод "проб
и ошибок". Перед установкой антенны необходимо продумать все до
мелочей, взвесить все "за" и "против", подготовить и проверить
необходимые материалы и детали, и только после этого выбираться
на крышу. Кроме того, работа на высоте сопряжена с опасностью и
требует определенных навыков и соблюдения техники безопасности.

Параметры антенн

При подведении к антенне энергии высокочастотных колебаний
передатчика, в ней протекает ток, а между разными ее точками
возникает разность потенциалов. В результате, вокруг антенны в
эфире возникают электромагнитные волны, которые распространяются
со скоростью света и в считанные мгновения достигают других
континентов.
В зависимости от поляризации поля излучения, антенны
делятся на антенны с горизонтальной и вертикальной поляризацией.
Электромагнитное поле радиоволн характеризуется в каждой точке
пространства величиной и направлением напряженности электри
ческого поля Е и магнитного поля Н, которые графически
изображаются в виде векторов, расположенных в плоскости,
перпендикулярной направлению распространения радиоволны.
Напряженность поля показывает, каково будет напряжение между
концами провода длиной 1 м, если поместить его в зону действия
поля. По мере удаления антенны от передатчика напряженность
электрического и магнитного полей падает. Длина векторов
пропорциональна амплитудам напряженностей Е и Н. Векторы рас
положены под углом 90° друг к другу в соответствии с линиями
действия электрических и магнитных сил. Вид поляризации
радиоволн определяется расположением электрического вектора Е
(рис.3). Если вектор электрического поля Е вертикален (излуча
ющий проводник антенны расположен вертикально), электромагнитная
волна называется вертикально поляризованной. Если излучатель
горизонтален, электромагнитная волна имеет горизонтальную
поляризацию.

Добавлено (18.11.2009, 16:12)
---------------------------------------------
Например, многие, по-видимому, обращали внимание на то, что
некоторые телевизионные антенны (волновые каналы) расположены
вертикально, "на ребро". Это говорит о том, что они имеют
вертикальную поляризацию излучения. Знание поляризации антенн
(передающей и приемной) особенно важно при радиосвязи в пределах
прямой видимости, например, при телевизионном приеме или работе
в местной УКВ-сети, так как от правильной ориентации антенн
зависит качество приема. Следует помнить, что если проводник
приемной антенны перпендикулярен вектору электрического поля
излучателя, электродвижущая сила в ней не наводится. Вот почему
вертикальные передающие антенны (штыри) создают значительно
меньше помех телевизионным приемникам, имеющим, как правило,
горизонтальную поляризацию.
Для коротковолновых антенн вопросу поляризации можно не
придавать большого значения, так как в процессе многократного
отражения коротких волн от различных слоев ионосферы поляризация
приходящей волны случайна и непредсказуема во времени.
Антенну, как и фидерную линию, можно представить в виде
электрической цепи с распределенными параметрами, состоящей из
резисторов, конденсаторов и индуктивностей, которые равномерно
распределены по ее длине. При расчетах антенну удобно
рассматривать как эквивалентный генератор высокой частоты,
электродвижущую силу (ЭДС) и внутреннее сопротивление которого
можно определить, зная параметры антенны. Но мы расчетами в этой
статье заниматься не будем.
Предложенное представление позволяет построить
эквивалентную схему тракта в виде замкнутой цепи, состоящей из
генератора высокой ча стоты с известными ЭДС, внутренним
сопротивлением и сопротивлением нагрузки. Мощность, отдаваемая
антенной в нагрузку, определяется, как и для любого генератора
(антенны), сопротивлением нагрузки. В случае, когда внутреннее
сопротивление и сопротивление нагрузки являются чисто активными,
максимальная мощность поступает в нагрузку при равенстве этих
сопротивлений.
Антенны бывают двух типов - резонансные и нерезонансные. В
резонансных антеннах значение тока в различных точках вдоль
длины антенны разное, а по ее длине укладывается целое число
полуволн, а если это вертикальный л/4-излучатель - целое число
четвертей полуволн. Распределение тока в резонансной антенне
такое же, как и у длинной линии - вдоль линии напряжение и ток
изменяются по синусоидальному закону, и их максимумы и минимумы
сдвинуты на расстояние, равное четверти длины волны л /4
(рис.2). У нерезонансных антенн значение тока вдоль антенны
почти не меняется, поэтому в литературе ее еще называют антен
нами бегущей волны. Хотя, строго говоря, при подключении на
удаленный конец антенны активной нагрузки, равной величине
сопротивления фидера, величина тока в антенне снижается по мере
удаления от точки запитки за счет ее излучения в пространство
электромагнитной энергии. Если же удаленный конец антенны не на
гружен, в ней устанавливается режим стоячей волны. При этом на
конце антенны ток равен нулю, а напряжение максимально.
Свойства антенн характеризуются рядом параметров, которые
позволяют определить ЭДС и внутреннее сопротивление, оценить
помехозащищенность антенны, правильно выбрать тип фидера,
подобрать и рассчитать согласующее устройство и т.д. К основным
параметрам антенны, представляющим наибольший интерес,
относятся:
- входное сопротивление;
- коэффициент полезного действия;
- диаграмма направленности;
- коэффициент усиления;
- действующая длина (см. выше);
- ширина полосы пропускания.

Добавлено (18.11.2009, 16:13)
---------------------------------------------
Остановимся кратко на каждом из этих параметров.

Входное сопротивление антенны в общем случае - величина
комплексная (Z), т.е. состоящая из активного ® и реактивного
(емкостного - Хс или индуктивного - XL) сопротивлений. Входное
сопротивление АФУ - это отношение напряжения на выходе
передатчика к поступающему в фидер току.
Отдача мощности из антенны в нагрузку определяется
соотношением между входным сопротивлением антенны, которое может
рассматриваться как ее внутреннее сопротивление, и
сопротивлением нагрузки. При неизменных размерах антенн входное
сопротивление зависит от частоты, а при неизменной частоте - от
размеров.
Коэффициент полезного действия - общепринятое понятие. Для
АФУ КПД - это отношение мощности, подводимой к. фидеру от
передатчика, к мощности, излучаемой антенной. Общий КПД АФУ
равен произведению КПД фидера на КПД антенны. У хорошо
сконструированной КВ-антенны общий КПД АФУ может достигать
70...90%.
Величина ЭДС, наведенной в антенне электромагнитным полем,
зависит от направления прихода радиоволны, что позволяет
ослабить помехи, которые приходят с направлений, отличных от
направления прихода полезного сигнала. Направленными свойствами
обладают в той или иной степени все антенны, даже самые простые.
Диаграмма направленности антенны показывает зависимость
напряженности поля, создаваемого антенной, от направления
прихода радиоволн. При приеме диаграмма направленности
аналогична той, которая получается при передаче. Диаграммы
направленности КВ-антенн обычно определяют в двух плоскостях -
горизонтальной и вертикальной. Шириной главного лепестка
называют угол между направлениями, в которых излучаемая мощность
уменьшается вдвое (а напряженность - в 1,41 раза ) по сравнению
с максимальным значением. Для направленных передающих антенн
направленность - это свойство, характеризующее способность не
рассеивать мощность во все стороны, что во многих случаях
является попросту бесполезным или даже вредным качеством по
причине создания помех. Крайне желательно мощность излучения
передавать в нужном направлении. Это свойство можно наглядно
представить на простом примере - по аналогии со светом (ведь
свет - это тоже электромагнитные волны). Чтобы осветить
удаленный предмет, потребуется мощная электролампа мощностью 500
Вт. Однако тот же предмет можно осветить и карманным фонариком с
лампочкой 5 Вт, снабженной концентрирующим рефлектором. Отноше
ние этих величин дает величину коэффициента направленного
действия антенны - КНД. Полуволновой диполь излучает максимум
энергии под углом 90° к своей оси и практически не излучает
вдоль нее. Если антенну подвесить параллельно земной поверхнос
ти, ее диаграмма направленности в горизонтальной плоскости будет
представлять собой восьмерку (рис.4.1). В вертикальной же
плоскости диаграмма будет формироваться как излучением самой
антенны, так и отражением от поверхности земли. Поэтому для
разных высот подвеса h (выраженных в долях длины волны л)
диаграммы окажутся различными (рис.4.2...4.4). Диаграмма
направленности антенны в вертикальной плоскости - это
зависимость плотности потока излучаемой мощности от угла к
горизонту. Для обеспечения связи с DX, антенна должна излучать
под малыми углами к горизонту и не излучать в направлениях,
близких к вертикали. Хорошая КВ-антенна может сосредоточить все
излучение в пределах углов 10°...20° к горизонту. Диаграмма
направленности антенны в горизонтальной плоскости - это
зависимость плотности потока излучаемой мощности от азимутного
направления. Не направленная антенна, например, штырь, излучает
электромагнитную энергию одинаково во всех направлениях. Такая
антенна удобна для работы в условиях, когда желательна
радиосвязь с любым корреспондентом, что особенно важно при
работе в соревнованиях. Для связи с корреспондентом, находящимся
на определенном азимуте, необходимо направить излучение в нужную
сторону. Диаграмму направленности характеризуют отношением
потока излучаемой мощности в нужном направлении к потоку
мощности в противоположном направлении (отношением вперед-назад)
или в перпендикулярном направлении (отношением вперед-вбок). У
любительских направленных КВ-УКВ антенн отношение вперед-назад дости
гает 20...30 дБ, а отношение вперед-вбок может достигать 60 дБ.

Добавлено (18.11.2009, 16:14)
---------------------------------------------
Входное сопротивление антенны зависит от места включения
фидера, например, точно в середине полуволнового диполя оно
составляет примерно 75 Ом, что удобно при согласовании со
стандартным коаксиальным кабелем промышленного производства.
Реальная коротковолновая антенна всегда располагается над
подстилающей поверхностью на высоте, соизмеримой с длиной волны.
Переменное электромагнитное поле, создаваемое антенной, вызывает
в подстилающей поверхности (земле, проводящей крыше и т.д.)
появление токов. Их действие эквивалентно появлению под антенной
еще одной антенны, находящейся под поверхностью Реальная
коротковолновая антенна всегда располагается над подстилающей
поверхностью на высоте, соизмеримой с длиной волны. Переменное
электромагнитное поле, создаваемое антенной, вызывает в подстила
ющей поверхности (земле, проводящей крыше и т.д.) появление
токов. Их действие эквивалентно появлению под антенной еще одной
антенны, находящейся под поверхностью земли на глубине, равной
высоте антенны. Токи, протекающие во второй (мнимой) антенне,
противофазны действующим и реально существующим в антенне. Чем
ближе антенна к поверхности земли, тем больше она компенсирует
поле реальной антенны. Вот почему высоту подвеса антенны
выбирают равной не менее 0,1Х.

Добавлено (18.11.2009, 16:15)
---------------------------------------------
Линии передачи

Антенны, как правило, размещают на некотором удалении от
передатчика, поэтому для передачи к ней высокочастотной энергии
(питания антенны) приходится применять фидер-линию. Чаще всего в
технике КВ-связи применяют коаксиальные, двухпроводные и
полосковые линии. Фидеры должны удовлетворять следующим
требованиям:
- обладать минимальными потерями энергии;
- не иметь антенного эффекта (они не должны излучать и
принимать электромагнитные волны);
- иметь достаточную электрическую прочность изоляции.
Параметры линии передачи аналогичны параметрам
колебательной системы, но, в отличие от нее, не являются
сосредоточенными, а равномерно распределены по длине линии с
такими параметрами как индуктивность проводников (L), емкость
lefds проводниками (С), активное сопротивление проводников ®,
проводимость диэлектрика (G). При этом необходимо помнить, что
параметры L и С характеризуют резонансные особенности линии, a R
и G - затухание или потери. Причем от величины R зависят
активные потери (нагревание проводников), а от G - потери в диэ
лектрике. Основными параметрами, характеризующими линии
передачи, являются:
- волновое сопротивление линии Z0;
- коэффициент затухания или погонное затухание a;
- коэффициент укорочения длины волны Ку.
Волновое сопротивление линии не зависит от длины линии и
определяется как и измеряется в омах.
Коэффициент затухания (погонное затухание а), определяющий
потери в фидере, выражается в децибелах на метр (дБ/м). Как
известно из курса физики, скорость распространения
электромагнитных волн в различных средах разная. Поэтому если
пространство между проводниками линии передачи заполнить
диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью е,
волновое сопротивление уменьшится в vе раз по сравнению с
воздушной линией тех же размеров. В коаксиальных линиях (наи
более распространенных в качестве фидеров к антеннам) с
полиэтиленовой изоляцией е = 2,25, длина волны уменьшается в
1,5 раза по сравнению с длиной волны в воздухе, а это означает,
что электрическая длина волны кабеля в 1,5 раза больше
геометрической или, что то же, коэффициент укорочения Ку
=0,66...0,67.
Физический смысл укорочения состоит в следующем. Длину
волны определяют по формуле как частное от деления скорости
света в свободном пространстве на частоту, но вдоль провода
радиоволна распространяется несколько медленнее (около 200 000
км/с). При этом необходимо учитывать емкость между полотном
антенны и поверхностью земли, что приводит к перераспределению
тока антенны (из-за наличия емкости, ток на концах антенны не
равен нулю). Учесть степень влияния всех этих факторов практи
чески невозможно, поэтому точную длину волны по минимуму КСВ
определяют экспериментально.
Чаще всего фидер работает в режиме бегущей волны - без
пучностей тока и напряжения. Для этого его волновое
сопротивление должно быть равно входному сопротивлению антенны.
Равенства сопротивлений добиваются подбором типа фидера или
применением различных согласующих элементов.