Изотропная антенна.

Изотропная антенна- теоритическая антенна, бесконечно малых размеров, излучающая одинаковой силы сигнал во всех направлениях. Диаграмма направленности такой антенны - сфера. Изотропную антенну можно сравнить с крошечной лампой накаливания, помещенной в центр большой сферы. Лампа будет освещать любую часть площади поверхности сферы, с одинаковой интенсивностью, освещенностью. Такой антенны не существует в природе, но использование этого понятия, часто оказывается очень полезным, при сравнении усиления других антенн с усилением изотропной антенны, которое принимается за 0 dbi, т.е.за точку отсчета.

 

Антенны в свободном пространстве.

Свободное пространство, это такие условия, когда нет земли, или каких-либо, отражающих волны, поверхностей. Антенны, существующие в реальной жизни, всегда излучают энергию в каком то напрвлении лучше, а каком то - хуже. Например, диполь, который излучает максимумы энергии, под прямым углом к полотну антенны в азимутальной плоскости. За счет такой характеристики, диполь имеет коэффициент усиления 2.15dbi, т.к. является, по сути, двунаправленной антенной, в отличие от всенаправленной, изотропной.

 

Антенна над землей.

Если мы разместим наш диполь А над землей на высоте H=0.5 лямбда, Рис.1, которая имеет отражающую способность, то часть волн B, излученная антенной под углом к горизонту, сложится в фазе с волной D, отраженной от земли, в результате чего, суммарное поле удвоится в определенной точке полусферы, т.е энергия поля увеличится на 3 db.

 

 

 

Поскольку, в противоположном направлении(диполь излучает в двух направлениях), произойдет то же, то можно считать, что суммарное усиление диполя увеличится на 6 db, по сравнению с диполем, расположенном в свободном пространстве. Поскольку усиление диполя в свободном пространстве изначально больше усиления изотропного излучателя на 2.15 db, усиление такого диполя, у земли, будет 8.15 dbi(6db + 2.15db) или 6 dbd. Знак dbd, указывает на то, что антенна сравнивается с диполем в свободном пространстве, а знак dbi, указывает на сравнение с изотропной антенной. Реально, усиление диполя, будет несколько меньше, т.к. земля не является идеальным отражателем, рефлектором для волн. Всегда существуют потери в земле, в результате чего, не вся энергия отразится от земли, а только ее часть, и поэтому поле в сумме не удвоится, а увеличится меньше чем в два раза.

Для характеристики качества земли приведу таблицу

с данными, которые понадобятся тем, кто захочет моделировать антенны, с помощью программы EZNEC-3.

 

Тип земли Диэл. Проводимость Качество

постоян. mS/м

 

Морск. Вода 81 5000.0 превосх.

Пресная вода 80 1.0

Низкие холмы, 20 30.3 очень хор.

Степь 12 7.5 хорош.

Средние холмы 13 6

Глинистая почва 13 5 средняя

Горы,крутые холмы 12-14 2 плохая

Сухая песчаная почва 10 2

Города,индустр. районы 5 1 очень плохая

Города,тяж. индустрия 3 0.1 предельно плохая


Как видно из этой таблицы, самое хорошее качество земли - морская вода. Самое наихудшее - в больших городах с тяжелой индустрией, большими асфальтовыми покрытиями, например, Москва, Свердловск, Челябинск и т.д.

Плохое качество земли, снижает ток излучения вашей антенны, который будучи излучен, возвращается, к антенне по плохо проводящей земле. А как узнаем ниже, именно ток антенны определяет ее диаграмму, усиление антенны.

При приеме, пришедшая волна, пройдя через антенну, наводит в ней ток. Но ток должен без потерь уйти в землю, и далее вернуться к источнику, т.е. к радиостанции, которая излучает этот ток. Если земля будет плохой, то часть тока будет потеряна в земле. Поскольку антенна и земля – последовательная для тока цепь, то уменьшение тока за счет потерь в земле, вызовет неизбежное уменьшение тока и в антенне.

Потери в земле, заменяются сопротивлением Rп, в схеме последовательного контура, который служит эквивалентом низкоомных антенн. К этому сопротивлению, следует добавить еще и потери в проводе антенны,ее контактах а также, потери в изоляторах, которые содержит антенна. Это суммарное сопротивление и будет Rп.

На рисунке 2, показан общий путь излученной волны, имеющей вертикальную поляризацию, при трансконтинентальной связи.

 

 

Излученная в точке А волна, придя к ионосфере и отразившись от нее, приходит к приемной антенне С. Пройдя через антенну, и наведя в ней ЭДС, ток уходит в землю, и далее направляется к источнику, т.е. в точку А. Он проходит по земле(показано пунктиром), достигает океана, и далее идет до материка. Достигув материка, он проходит по земле и возвращается к источнику. Все, цепь замкнулась. Мы видим, что ток течет по сложному пути. Как же можно сократить потери тока, энергии на этом пути? Способов сделать это, всего три:

 

Уменьшить количество отражений от ионосферы, поскольку при каждом отражении, сигнал теряет примерно 20 дб. Это достигается путем применения антенн с прижатым к земле излучением.

Уменьшить сопротивление земли, или улучшить ее качество. Это достигается путем металлизации(закапывание в землю радиальных проводников, 100-200 шт., непосредственно под антенной) земли в ближней зоне антенны(в радиусе от 0,5 лямбды). Можно также применить обычную поваренную соль. Если посыпать землю солью(примерно 200-300 грамм на кв. м) в этом радиусе, а затем хорошенько пролить водой, земля заметно увеличит проводимость. Можно просто пролить землю соленой водой. Правда это может нанести вред экологии, поскольку растительность может погибнуть.

Уменьшить потери в самой антенне. Выбирать материал излучателя с наименьшим омическим сопротивлением(ни в коем случае не следует применять стальные трубы для излучателя). Применять высококачественные изоляторы, хорошенько пропаивать все контакты антенны.

 

Именно по причине потерь в земле, связь между точками А и В, будет много лучше, поскольку путь тока в земле С-В отсутствует. Станции, расположенные на побережье океанов, морей, будут всегда иметь намного больше шансов установить связь с другими материками, нежели станция, расположенная вглуби материка. Как видно из таблицы выше, проводимость морской воды в тысячу раз лучше, чем проводимость среднего качества земли. Следовательно и потери тока будут много меньше.

 

Параметры антенн.

 

Антенны служат для преобразования энергии ВЧ токов, в энергию электромагнитного поля, и обратно, при приеме. Антенны бывают приемными, передающими и приемно-передающими. Характеристики антенны одинаковы при приеме и передаче, поэтому передающую антенну, можно использовать и в качестве приемной. Не все приемные антенны, можно использовать как передающие, т.к. они бывают малых размеров, имеют низкий КПД, имеют ограничение по допустимой мощности и т.д.

Если мы подведем к передающей антенне ВЧ напряжение, Рис.3, то в ней будет протекать ВЧ ток, а между различными точками антенны, возникнет разность потенциалов.

 

 

 

Вокруг антенны, в пространстве, образуется электоромагнитное поле с частотой, с которой мы питаем антенну. Причем, здесь, надо сделать очень важное замечание:

максимально интенсивно, антенна излучает той частью провода, по которой проходит максимальный ТОК. В случае с полуволновым диполем, это будет средняя часть антенны. Т.е. диаграмма антенны формируется токовой частьюполотна антенны.


Надо запомнить это, что поможет в дальнейшем учитывать этот фактор, при установке, разработке антенн собственной конструкции.

Антенны характеризуются поляризацией излучения волны. Если провод антенны, или токовая часть полотна антенны расположена вертикально, то поляризация волны будет вертикальной, а если горизонтально - горизонтальной. Если провод расположен наклонно, то поляризация будет смешанной, т.е. вертикально- горизонтальной. Поляризация важна, если проводится связь земной волной, т.е. в пределах прямой видимости, поскольку в этом случае, излученная поляризация, приходит к приемной антенне неизменной. Если же связь проводится с отражением от ионосферы, т.е. дальняя связь, то поляризация вашего излучения, не имеет значения для вашего корреспондента, т.к. волна, отразившись от ионосферного слоя, приходит к приемной антенне, имея случайную поляризацию, причем она может очень быстро изменяться с горизонтальной на вертикальную и наоборот. Иными словами, вы можете излучать и принимать на вертикальную антенну, имеющую вертикальную поляризацию, а ваш корреспондент будет использовать горизонтальную антенну(диполь, Яги, и т.д.) Это не будет иметь абсолютно никакого значения для связи.

При передаче, т.е. при формировании диаграммы излучения антенны в ближней зоне, поляризация имеет очень важное, решающее значение. Этот вопрос будет подробнее освещен в последующих статьях.

 

Какими же основными параметрами характеризуются антенны? Давайте рассмотрим их подробнее.

 

2.4.1 Сопротивление излучения антенны - это отношение напряжения U к пучности(максимуму) тока в антенне

Rизл=U/I

Сопротивление излучения зависит от расположения антенны по отношению к земле и окружающим предметам, а также от ее геометрических размеров. Теоретическое сопротивление диполя( в свободном пространстве) равно 72 Ом. В реальных условиях близости земли и окружающих предметов, сопротивление излучения уменьшается до 60-65 Ом и ниже.


2.4.2 Входное сопротивление(импеданс) антенны

Za= Rизл +Rп + jXa

 

Где Rп-сопротивление потерь в проводнике для ВЧ токов, утечки в изоляторах антенны, а у вертикалов- потери в земле.

Ха- реактивное сопротивление антенны. При резонансе, теоритически, реактивное сопротивление равно 0(вспомните последовательный резонанс). При этом ток в антенне максимален, и излучение максимально.


2.4.3 КПД антенны


Ra= Rизл/Rизл+Rп

Rп равно от нескольких Ом, при хорошем качестве земли, до нескольких десятков Ом, при плохом. Антенны с горизонтальной поляризацией, меньше зависят от качества земли, и их импеданс выше, чем у вертикалов, поэтому их КПД близок к 1. Вертикалы, у которых очень высокая зависимость от качестве земли, и которые имеют импеданс 36.6 Ом, имеют КПД ниже 1.

Пример: предположим, сопротивление потерь у нас - 6 Ом. Учитывая, что импеданс диполя, в реальности 60 Ом, расчитаем КПД


КПД= 60/(60+6)=0.91


А теперь то же, для вертикала


КПД= 36.6/36.6+6=0.86


Для снижения сопротивления потерь в земле, для вертикалов, обычно применяются радиалы, причем, чем больше их количество, тем меньше сопротивление потерь.

 

2.4.4 Полоса пропускания антенны - полоса, в пределах которой, антенна сохраняет высокую эффективность работы. Полоса, обычно, определяется по уровню КСВ=2, т.е если, например, мы имеем на резонансной частоте КСВ=1.2, то изменяя частоту до значения, пока КСВ не увеличится до 2, в обе стороны от резонансной частоты, мы получим ширину пропускания антенны. К примеру, вниз мы изменили частоту на 100кГц, а вверх- на 150 кГц. Полоса, в этом случае будет 250 кГц. В этой полосе, антенна будет работать наиболее эффективно.

Добротность антенны. Каждый проводник имеет свое значение распределенной индуктивности и емкости, которые равномерно распределены по всей длине проводника. Этот проводник можно представить в виде эквивалентного последовательного контура, работу которого мы уже разбирали. Почему же все-таки последовательный контур? Все антенны, питаемые током, т.е. низкоомные антенны, например, наш друг, полуволновой диполь, при резонансе, имеют максимум тока. Мы уже знаем, что максимум тока, при резонансе, характерен, только для последовательного контура. Резонансная частота такого контура, как мы знаем, определяется величинами L и C. Величина Rп- сопротивление потерь в контуре, на в эквивалентной схеме контура для антенны, Рис.4 заменяется на сопротивление излучения антенны, например, для диполя - 60 Ом.

 

 

 

 Одной из характеристик контура, является добротность. Она прямо пропорциональна L и обратно пропорциональна C.

Q= L/C

Из формулы, мы видим, что чем выше L, и ниже C, тем выше добротность, и наоборот. Физически, это означает, что чем толще провод антенны, тем ниже его индуктивность и выше паразитная емкость с землей, а значит, согласно формуле, ниже добротность антенны. Антенна, в этом случае, более широкополосна. В профессиональной радиосвязи, где требуются очень широкодиапазонные антенны, для того, чтобы снизить добротность антенны, полотно антенны, изготавливают из нескольких - 6 - 8, проводов, соединенных параллельно, например, диполь Надененко. Следует также знать, что чем выше сопротивление излучения антенны, тем более широкополосна антенна. По этой причине, например, петлевой вибратор, у которого сопротивление излучения равно 300 Ом, является широкополосной антенной, а укороченный вертикал, длиной менее четверти лямбды, имеющий только 10 Ом, будет узкополосной антенной.


2.4.5 Диаграмма направленности показывает зависимость напряженности поля антенны, от направления. Ширина главного лепестка, диаграммы направленности - угол между направлениями, в которых излучаемая антенной мощность, уменьшается на 3 db или в два раза(напряженность поля уменьшится в 1.41 раза). Диаграммы направленности антенн определяются для двух плоскостей: горизонтальной и вертикальной, причем последняя - наиболее важная для оценки работы антенны. На Рис.5, дана диаграмма вертикала, в вертикальной плоскости.

 

 

Точки 1 и 2 , определяют ширину диаграммы направленности вертикала, т.к. отстоят от точки максимума излучения на -3 db.

Очень важное замечание:


 

ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ ЛЮБОЙ АНТЕННЫ, АБСОЛЮТНО НЕ ЗАВИСИТ ОТ ЗНАЧЕНИЯ КСВ В ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ.

 

От КСВ зависит только степень согласованности кабеля с антенной. При приеме это означает, какую часть сигнала вы потеряете при приеме, ввиду рассогласования кабеля с антенной. При передаче - какую часть мощности вы потеряете в кабеле по той же причине.

 

КСВ абсолютно никак не влияет на диаграмму антенн.


2.4.6 Коэффициен направленного действия - показывает, во сколько раз мощность излучения антенны в главном направлении, больше мощности, которую будет излучать изотропный излучатель.


2.4.7 Отношение вперед-назад и вперед-вбок - отношение ЭДС(напряжение на входных зажимах антенны, при приеме)антенны, при ориентации максимума ее диаграммы направленности к положению антенны, при ее повороте на 180 градусов(назад) или 90 градусов(вбок). На Рис.6, в качестве примера показана диаграмма направленности двухэлементного диполя направленного действия.

 

 

 

На этой диаграмме, отношение вперед-назад, равно 18.17db или 3 балла по S-метру (Front/Sidelobe). Отношение вперед-вбок, применяется к азимутальной диаграмме антенны.

Это основные параметры антенн, которыми они характеризуются.