Поиск по сайту

12.3. Антенны и связь

Этот раздел может быть полезен прежде всего радиолюбителю-конструктору, экспериментирующему с антенно-фидерным трактом, ищущему наилучшее в его условиях решение.

1. Виноградов Ю. А не интерференция ли это? Радио,1997, 8, с. 70.

2. Ротхаммель К. Антенны. "Бояныч" С.-П., 1998.

3. Виноградов Ю. О согласовании малогабаритных антенн. Радио, 1996, 4, с. 9

4. Улучшение соотношения излучения "вперед-назад". Радио, 1985, 4, с. 22 .

5. Шур А. Ближний и дальний прием телевидения. МРБ, "Энергия". М., 1980, с. 50.

6. Масанов Д. Задачник по радиотехнике. Воениздат, М., 1949, с. 11.

Интерференционные эффекты [I].

Отсутствие радиосвязи между близко расположенными корреспондентами, неустойчивый, резко колеблющийся уровень сигнала при взаимных их перемещениях, его зависимость от положения совершенно посторонних, казалось бы, предметов, имеет, как правило, одну причину - неблагоприятное взаимодействие радиоволн в точке приема. Суть этого эффекта состоит в том, что радиоволны, излучаемые передающей антенной, идут к приемной не только самым коротким путем - по прямой, но - отражаясь и преломляясь в окружающей среде - и по другим маршрутам. Радиоволна, прошедшая более длинный путь, приходит с опозданием, зависящим от длины этого пути. Во взаимодействии множества по-разному задержанных радиоволн - в их интерференции - сформируется результирующий, суммарный сигнал, амплитуда и фаза которого будут зависеть от всех составляющих.

Рассмотрим в качестве примера ситуацию, изображенную на рис. 12. 46. Здесь: "Излучатель" и "Приемник" - позиции передающей и приемной антенн;

"ЗК" - здание-зеркало, отражающее радиоволны; S1 - путь прямой волны, S2 -отраженной, А1 и А2 - их амплитуды в точке приема.

Рассмотренный пример прост, но поучителен: связь, как мы видим, может быть плохой даже в условиях прямой видимости. Обычно же отраженных и переотраженных сигналов бывает много больше, особенно - в городе.

Свой вклад в общую интерференционную картину вносят и "зеркала" -дома, строительные краны, самолеты и др. - их конфигурация, материалы, конструктивные особенности влияют как на амплитуду отраженного сигнала, так и на его фазу.

Поворот фронта радиоволны может произойти не только при ее отражении от электропроводящего препятствия, но и за счет преломления в диэлектрической среде. Напомним, что коэффициент преломления, характеризующий торможение радиоволны в диэлектрике: n=е^0.5, где е - диэлектрическая проницаемость среды. В n раз более медленное распространение радиоволны в диэлектрике поведет, очевидно, и к дополнительному ее отставанию.

Интерференция, возникающая в "пучках" близких по интенсивности, но смещенных по фазе сигналов, - самое "частоточувствительное" явление в распространении радиоволн. Борьба с интерференционным ослаблением сигнала имеет свои особенности. Здесь не помогут ни расширение полосы пропускания антенны (причину ослабления сигнала корреспондента в другом частотном канале чаще всего "видят" в каких-то особенностях АЧХ своей или чужой антенны), ни замена радиостанции другой, с лучшими параметрами ,- боль шей чувствительностью, избирательно стью и др.

Выйти из интерференционного мини мума можно не только сменой канала, но подчас и буквально - сделав лишь неско лько шагов. Смещение автомобиля или "портативки" лишь на долю длины волны нередко позволяет установить нормаль ную связь с корреспондентом, только что безнадежно "утопавшем" в шумах эфира. Наилучшие позиции для связи передвиж ной радиостанции со стационарной иногда "пристреливают" заранее.

У корреспондентов со стационарными антеннами свобод меньше, но и их доста точно. Это, во-первых, подъем антенны на возможно большую высоту, что обеспечи вает прохождение к корреспонденту пря мого сигнала, с которым не могут, как правило, сколько-нибудь ощутимо конку рировать ослабленные на некачественных проводниках и изоляторах отраженные и преломленные волны.

Рассмотренный выше пример подсказывает еще один метод борьбы с интерференционным ослаблением сигнала. Очевидно, с помощью узконаправленной антенны, снабженной поворотным механизмом, можно усилить сигналы одного направления, ослабив до пренебрежимо малых все остальные. Но в выбранном направлении не должно быть, конечно, фазосмещенных сигналов.

Интерференционные эффекты в Си-Би, особенно в каналах связи с подвижными объектами, безусловно заслуживают внимания. И встретившись с чем-то необычным, странным, озадачивающим, полезно задать себе вопрос: "А не интерференция ли это?"

Измеряя напряженность электромагнитного поля, создаваемого в простанстве антенной передатчика, можно построить поверхность, в любой точке которой E=const - напряженность поля неизменна. Эта поверхность - своего рода "фигура излучения" - очень информативна. Зная ее, нетрудно выяснить способность антенны концентрировать излучаемую энергию в нужном направлении, вычислить ее усиление. Или, наоборот, найти направление минимальной ее чувствительности, позволяющее, при соответсвующей ориентации антенны, работать по соседству с мощным передатчиком. И многое другое.

Диаграмма излучения точечного (изотропного) излучателя.

Диаграмма направленности такого излучателя в трехмерном пространстве имеет вид шаровой поверхности. А в пересечении с поверхностью земли она становится окружностью.

Диаграмма излучения полуволнового вибратора ([2], с. 43-49). Иначе выглядит фигура излучения полуволнового вибратора. В свободном пространстве это поверхность вырожденного тора, сросшегося в центре "бублика", а в проекции на поверхность земли "бублик" превращается либо в "восьмерку" (рис. 12. 48), если вибратор параллелен поверхности земли, либо в окружность (рис. 12. 49), если он к ней перпендикулярен.

Диаграмму направленности той или иной антенны оценивают, сравнивая ее с "шаром" изотропного излучателя или с "бубликом" полу волнового. Они стали своего рода образцами излучения. Нетрудно перейти от одного к другому: усиление полуволнового вибратора в направлении максимума его излучения по сравнению с изотропным +2,14 дб.

Но характер излучения антенны зависит не только от нее самой. Сильнейшее влияние на пространственную картину излучения оказывает земля. Отраженный от нее сигнал, отличаясь от поступающего непосредственно от антенны по фазе и амплитуде, интерферируя с ним, создает подчас весьма причудливую фигуру излучения.

На рис. 12.50 показана диаграмма направленности горизонтального полуволнового вибратора и ее изменения в зависимости от высоты его подвеса. То же, но для вертикального полуволнового вибратора, показано на рис. 12. 51.

Диаграмма излучения L/4-вибратора над проводящей поверхностью ([2], с. 311, 314).

Но земля, любая проводящая поверхность, нередко вводится в антенную систему в качестве основного элемента. Так, например, как это показано на рис. 12. 52. В идеале - при очень высокой проводимости "земли" - диаграмма направленности такой антенны будет имет вид, показанный на рис. 12.53, а. При плохой ее проводимости лепесток излучения поднимается над горизонтом (рис. 12. 53, b, с). Увод максимума излучения вверх, а также потери ВЧ энергии в самой подстилающей поверхности будут иметь следствием существенное уменьшение "дальнобойности" такой антенны

Неплохой проводящей поверхностью может считаться, например, металлическая крыша. Если антенну устанавливают непосредственно на земле, то под ее поверностью на глубине 20… 50 см обычно укладывают несколько радиально расходящихся проводников. Нужно иметь в виду, что подповерхностное заземление вертикальной антенны не может быть заменено обычным

Рис. 12. 55. Зависимость сопротивления излучения полуволнового вибратора от L/d грозозащитным - вертикальным штырем, достигающим водоносных слоев. Но эти заземления могут быть, конечно, объединены.

Диаграммы излучения вибраторов над проводящей поверхностью ([2], с. 317). Характер излучения вертикальной антенны зависит и от длины ее вибратора (рис. 12. 54). Самой "дальнобойной" будет антенна с вибратором длиной 5/8L. Угол ее главного лепестка с поверхностью земли составляет лишь 12°. При дальнейшем увеличении длины вибратора диаграмма направленности антенны ухудшится.

Полное сопротивление антенны - ее импеданс Za - обычно представляют в виде векторной суммы:

Za=Ra+Xa,

где Ra - активное сопротивление антенны, а Ха - реактивное, емкостное или индуктивное.

Антенна считается настроенной, если на рабочей частоте Ха=0 и ее сопротивление (входное для передатчика, выходное для приемника) становится чисто активным.

В свою очередь: Ra = Rизл + Rпот, где Rизл - сопротивление излучения антенны - полезная составляющая Ra, а Rпот - сопротивление потерь, представляющее собой бесполезно теряемую в антенне часть ВЧ энергии (на нагрев проводников, изоляторов и др.).

В хороших антеннах Rа=Rизл, но само по себе это сопротивление может быть очень разным - в зависимости от типа вибратора, способа его включения, числа и конфигурации расположенных поблизости других элементов антенной системы и др. Его величину необходимо знать, согласовывая антенну с фидером, оценивая возникающие в элементах антенно-фидерного тракта напряжения и токи и др.

Сопротивление излучения полуволнового вибратора ([2], с. 35).

Сопротивление излучения полуволнового вибратора Rизл=73,2 Ом. Но это верно лишь для бесконечно тонкого проводника. В реальных антеннах

Rизл вибратора зависит от L/d, где L - длина волны, a d- диаметр проводника. График этой зависимости показан на рис. 12.55. Но это - при подключении нагрузки (линии связи) в разрыв вибратора, в пучность тока.

Но вибратор может быть подключен к нагрузке и своим концом, которому в полу волновом диполе соответствует пучность напряжения,. В этом случае его Rизл резко увеличивается, достигая 0,8…1 кОм и более. Включенный таким образом полуволновый вибратор может быть связан с низкоомнои нагрузкой -тем же 50-омным коаксиальным кабелем - лишь с помощью трансформирующего устройства. Это может быть ВЧ трансформатор, П-контур, J-согласователь и др., имеющие коэффициент трансформации по напряжению к = ( Rизл/50)^0.5 (повышение - в сторону антенны).

Возбуждение полуволнового вибратора в пучности напряжения оказалось конструктивно очень привлекательным для антенн вертикальной поляризации ("чистый", без каких-либо разрывов и подключений, штырь, возбуждаемый без противовесов). Такие антенны, их называют "полволны" или "-L/2", особенно широкое распространение получили в Си-Би. Из числа здесь описанных к антенне этого типа относится Си-Би антенна, показанная на рис. 12.1, в которой согласование с 50-омным коаксиальным кабелем выполнено П-контуром.

Сопротивление излучения четвертьволнового вибратора.

Сопротивление излучения четвертьволнового штыря, стоящего перпендикулярно к проводящей поверхности, равно примерно половине сопротивления излучения полуволнового вибратора, включенного в пучность тока. В случае бесконечно тонкого вибратора и ничем не ограниченной подстилающей поверхности идеальной проводимости его Rизл = 36,6 Ом.

Хотя с утолщением вибратора Rизл уменьшается и здесь, но реальные поверхности (крыша автомобиля, человек и т.п.), далекие от идеальной по всем параметрам, "работают" в обратную сторону. Увеличивая Rизл и, главное, сопротивление потерь Rпот, они осложняют даже приблизительный расчет Ra такой антенны.

Антенны, включающие в себя столь экзотические поверхности, согласуют обычно методом проб и ошибок. Но так или иначе получив КСВ=1!, полезно вернуться к Ra антенны, вычислив его "с другой стороны" - через согласующее устройство. Полезно потому, что, зная Ra и Rизл, можно оценить уровень ВЧ потерь в антенной системе и принять меры к их снижению.

Сопротивление излучения укороченного вибратора [З].

Хотя из числа полноразмерных антенн L/4-штырь может быть отнесен к самым малогабаритным (в предположении, что подстилающая поверхность к антенне не относится), но и она может оказаться слишком длинной, например, в Си-Би. В таких случаях штырь антенны физически укорачивают, а появившуюся емкостную составляющую компенсируют включенной в его разрыв (обычно - в основании штыря) т.н. удлиняющей катушкой - индуктив-

Сопротивление излучения простого петлевого вибратора (рис. 12.56) теоретически вчетверо выше полуволнового и в реальных конструкциях составляет обычно Rизл=240…280 Ом. Для связи с таким вибратором используют либо двухпроводную линию, имеющую такое же волновое сопротивление, либо - после трансформации (понижения Rизл) и симметрирования - коаксиальный кабель.

При необходимости сопротивление излучения петлевого вибратора можно довести до 840…980 Ом, увеличив сечение его верхнего проводника (рис. 12. 57).

По сравнению с полуволновым вибратором петлевой обладает большей полосой пропускания.

Особенно широкое применение нашли петлевые вибраторы в антеннах типа "волновой канал". Рефлектор и ближайшие директоры этой антенны, взаимодействуя с таким вибратором, снижают высокое его сопротивление до близкого к волновому сопротивлению коаксиального кабеля и, соответственно, трансформирующее устройство для согласования с ним уже не требуется. -

Еще один тип петлевого вибратора - двойной петлевой (рис. 12.58). Его сопротивление излучения уже девятикратно превышает сопротивление обычного полуволнового, достигая в реальных конструкциях Rизл=540…б30 Ом. Тем же приемом - увеличением сечения "пассивных" его фрагментов, Rизл двойного петлевого вибратора (обоих его вариантов) можно поднять до 1500… 1750 Ом (рис. 12. 59).

Геометрическая длина вибратора совпадет с его электрической длиной лишь в случае, если он бесконечно тонок.

О коэффициенте укорочения полуволнового вибратора ([2], с. 37).

На графике, изображенном на рис. 12.60 показана зависимость коэффициента укорочения полуволнового вибратора v от L/d, где L - длина волны в свободном пространстве, a d- диаметр проводника вибратора. Умножив на этот коэффициент величину L/2 , мы получим геометрическую длину реального полуволнового вибратора, резонирующего на частоте f(МГц)=300/L(м).

О коэффициенте укорочения четвертьволнового вибратора ([2], с. 316).

На графике, изображенном на рис. 12.61, показана зависимость коэффициента укорочения полуволнового вибратора v от L/d, где L - длина волны в свободном пространстве, a d- диаметр проводника вибратора. Умножив на этот коэффициент величину L/4 , мы получим геометрическую длину реального четвертьволнового вибратора, резонирующего на частоте f(МГц) = 300//L(м).

О коэффициенте укорочения коаксиального кабеля.

Длину lф фидера, отдельных его фрагментов, принято выражать в долях L -длины волны. Это делают потому, что в зависимости от lф/L фидер ведет себя, как правило, по-разному (редкое исключение - режим бегущей волны). Так, например, входное сопротивление замкнутого на конце коаксиального кабеля длиной L/4 для ВЧ сигнала окажется бесконечно большим и он поведет себя как "металлический изолятор". Таким шлейфом часто пользуются для грозозащиты вибратора, не имеющего гальванической связи с землей. При малых размерах (на частотах ДМВ и выше) такие шлейфы нередко используют в качестве механических опор токоведущих проводников. Иным интересен фидер, длина которого кратна L/2. Никак не воздействующий на передаваемый сигнал (если не считать обычно очень небольших потерь) он "переносит" сопротивление удаленной на десятки метров антенны непосредственно на вход радиостанции. Не могут, конечно, иметь произвольной длины и линии связи, питающие излучатели в многовибраторных антеннах - они должны быть жестко сфазированы.

Таблица 12.5

То есть, в Си-Би в качестве L/2-кратного фидера будут пригодны отрезки полиэтиленового коаксиального кабеля длиной 3,63, 7,26, 10,89, 14,52, .... метров.

Об уменьшении излучения "назад" [4].

В многоэлементных направленных антеннах отношение излучения "вперед-назад" не превышает, как правило, 23…25 дб. Ослабить обратное излучение можно с помощью дополнительного рефлектора, в разрыв которого введен безиндукционный поглощающий резистор R= 10 Ом. Длину этого рефлектора берут равной длине вибратора. Его устанавливают за основным на расстоянии 0,23L (рис. 12.62). Мощность, рассеиваемая поглощающим резистором невелика, в этом качестве может быть использован даже один резистор типа МЛТ-2. Конечно, его нужно поместить в бокс, защищающий от непогоды.

Введение в антенну поглощающего рефлектора может довести отношение ее излучения "вперед-назад" до 75 дб.

Такого рода дополнительный рефлектор может быть полезен и в других антеннах - в рамочных, многовибраторных и др.

Пассивный ретранслятор [5].

Причиной отсутствия связи может быть неудачный рельеф местности или неустранимое препятствия искусственного происхождения на трассе прохождения сигнала. В таких случаях иногда прибегают к помощи ретранслятора - устройства, расположенного в поле "радиозрения" обоих корреспондентов и способного принимать и передавать их сигналы. В простейшем случае - просто переотражать их.

В качестве такого лишь переотражающего сигнал ретранслятора могут быть использованы две направленные антенны, связанные коротким фидером (рис. 12. 63). Напряженность поля в точке приема Е2, которую сможет создать такой ретранслятор [5]:

D - усиление каждой антенны (антенны одинаковые);

r - расстояние между ретранслятором и принимающим корреспондентом, м.

Скин-эффект[6] Скин-эффект - "выжимание" тока высокой частоты на поверхность проводника - ведет к увеличению его сопротивления этим токам. Для прямых и круглых в сечении проводников отношение Rf/R, где Rf - сопротивление проводника току высокой частоты, а R - постоянному току, можно воспользоваться формулой:

Скин-эффект заставляет обращать особое внимание на поверхность проводника, принимать меры для сохранения ее проводимости.

Обычно проводник с ВЧ током покрывают антикоррозийным защитным слоем. Это может быть металл (например, серебро, даже улучшающее поверхностную проводимость проводника) или диэлектрик, имеющий малые потери в ВЧ полях, например, эмаль обмоточного провода, который обычно используют для изготовления контурных катушек).

По этой же причине ВЧ проводники нередко делают из тонкостенных труб. Поскольку толщина т подповерхностного слоя, проводящего ВЧ токи, обычно очень мала - т=d/4(Rf/R) - толщину стенок в таких проводниках выбирают, исходя лишь из соображений их механической прочности.