Антенны и радиоволны. Часть 2. Антенны

Первая подчасть

Вторая подчасть

Это вторая часть курса по антеннам и радиоволнам. В первой части я рассказывал про теорию радиоволн. А в этой расскажу про теорию антенн. 

Чтобы понять какие процессы происходят в антенне, нужно рассказать о колебательном контуре (КК). Т.к. сходство КК и антенны очевидно. КК — это сердце любого радиоприемника. Он является резонатором, своего рода электрическим маятником — системой, которая позволяет многократно усилить сигнал, благодаря явлению резонанса. Простейший колебательный контур состоит из конденсатора и катушки индуктивности. Конденсаторэлемент который может накапливать энергию в виде электрического поля. Катушка индуктивности тоже может накапливать энергию, благодаря явлению самоиндукции, только в виде магнитного поля, но удержать ее в себе не может. И конденсатор, и катушка отдают энергию в виде электрического тока.

Snapshot - 49 

В случае, если выводы конденсатора закоротить катушкой индуктивности, произойдет разряд конденсатора, но не мгновенный, а постепенный, т. к. катушка обладает инертностью. Далее последует накопление заряда в катушке, и, т. к. катушка не может его в себе удержать, то произойдет разряд катушки и заряд конденсатора, а потом снова разряд через катушку. И так до тех пор пока амплитуда тока не уменьшится до ноля в следствии сопротивления и пр. потерь. Что характерно: максимум амплитуды напряжения будет соответствовать минимуму амплитуды тока. Т.е. будет сдвиг фаз на четверть длины волны.

 Snapshot - 9 Snapshot - 15

Внесу ясность: под током понимается поток свободных электронов, а под напряжением — разность потенциалов на выводах элементов КК.

Snapshot - 13

В момент полного заряда конденсатора разность потенциалов на выводах обкладок конденсатора будет максимальной. При этом движение электронов прекращается, т. е. Ток будет равен нулю. А в момент полного разряда ток достигнет максимума, а напряжение станет равным нулю.

 Snapshot - 17

Любой КК имеет резонансную частоту, которая зависит от емкости конденсатора и индуктивности катушки. Если на КК подать источник гармонических колебаний с частотой, равной резонансной частоте КК произойдет многократное усиление амплитуды колебаний.

antenna

В чем же сходство КК и антенн? В том, что антенна — это по сути тот же КК, только открытого типа. Если обмотки конденсатора заменить стержнями определенной длины, мы получим простейшую антенну, которую принято называть диполем Герца. Его еще называют симметричным вибратором. Наиболее эффективным вибратором является тот, у которого длина плеча равна четверти длины волны. Такой вибратор называют полуволновым, т. к. два четвертинки в сумме дают половинку. Точки подключения антенны к приемо-передающей технике называются точками питания антенны. Что характерно, для полуволнового диполя, в случае, если он настроен на резонансную частоту, ток в точках питания достигает максимума, а на концах диполя равен нулю. Напряжение — наоборот — на концах достигает максимума, а в точках питания равно нулю. Т.е. питание антенны осуществляется в месте пучности тока. Такое явление называется стоячей волной. Т.к. узлы и пучности тока и напряжения не изменны и явно выражены.

 Snapshot - 20 izulinpic06-04

Распределение тока и напряжения в диполе зависит от длины усиков (на картинке). 

Чтобы понять на что это влияет нужно разобраться с параметрами антенны. Сейчас последует довольно длинное изложение, после которого мы снова вернемся к нашему диполю. Напомню, что величина напряженности поля в конкретной точке пространства в зоне приема сигнала зависит от свойств распространения радиоволн с конкретной длиной волны. Но не только от этого.

Snapshot - 24 Snapshot - 27

Сегодня мы узнаем, что величина напряженности поля также зависит от поляризации сигнала, коэффициента усиления антенны и ее диаграммы направленности. Существуют и другие, не менее важные характеристики антенны. Из них мы затронем некоторые, которые, на мой взгляд, наиболее важны для понимания базовых принципов. А именно, импеданс, полоса пропускания, резонанс и коэффициент стоячей волны (КСВ). Все они зависят от конструкции антенны и используемых материалов. Все они также относятся как к передающей, так и к принимающей антенне, с тем лишь отличием, что они влияют на величину сигнала, получаемого на выходе принимающей антенны. Именно про них мы поговорим во второй части.

Snapshot - 31

Коэффициент усиления характеризует направленность антенны: чем больше коэффициент усиления, тем уже диаграмма направленности антенны. Этот коэф. показывает во сколько раз мощность сигнала, принятого этой антенной, больше мощности сигнала, принятого идеальной антенной, помещенной в ту же точку пространства. В случае с передающей антенной сравниваются уровень сигнала в конкретной точке пространства возле испытываемой антенны, с уровнем сигнала в той же точке, но уже переданного с помощью идеальной антенны.

В обоих случаях под идеальной антенной понимают антенну (изотропный излучатель) с КПД равным 100%. Ее диаграмма направленности — круговая во всех направлениях.

Коэф. усиления — величина логарифмическая, и показывает отношение мощностей по следующей формуле

Кус = 10 log (P/P0)

где P и P0 — это испытуемая и сравниваемая мощности

КУ выражается в децибеллах, т. е. в десятых чатьях Белла. Обозначается дБ, а применительно ко коэф. усил. антенны используют суффикс «и» дБи (англ. dBi)изотропный децибел.

Причиной широкого использования децибел как величины является простота вычислений. В вычислениях удобно использовать небольшие числа вроде 10, 20, 60, 80, 100. Вот пример:

100 раз = 20 дБ

1000 раз = 30 дБ

1000 000 раз = 60 дБ

100 000 000 раз= 80 дБ

10 000 000 000 раз = 100 дБ

При вычислении усиления сигнала в разах его умножают или делят. А в децибелах достаточно просто сложения (при усилении сигнала) или вычитания (при его затухании). Например,

30 дБ + 30 дБ = 60 дБ

в разах: 1000 * 1000 = 1 000 000

Очевидно, что так заметно проще. Использования децибел в графиках позволяет сделать их компактными.

Также децибелы используются для обозначения мощности сигнала и имеют суффикс «м»: дБм Значение вычисляется по формуле:

PдБм = 10 log10 (PВатт / 1 мВт)

Таблица отношений между Ваттами и дБм выглядит следующим образом:

1мкВт = -30 дБм

10 мкВт = -20 дБм

100 мкВт = -10 дБм

1 мВт = 0 дБм

10 мВт = 10 дБм

100 мВт = 20 дБм

1 Вт = 30 дБм

10 Вт = 40 дБм

Зная закон Ома и то, что нагрузка в большинстве случаев на устройствах, используемых моделистами, равна 50 Омам, легко проводить нужные вычисления. Например, в характеристиках приемника указывается чувствительность -85 дБм. Это уровень чувствительности хорошего видеоприемника. Простому человеку тяжело представить себе логарифмическую зависимость в уме и понять о каком уровне сигнала идет речь. Гораздо нагляднее будет если эту величину выразить в Вольтах. Для этого подставляем значение в формулу V = (P*R) и получаем значение около 12 микровольт. Эту величину уже гораздо легче умственно представить.

 Snapshot - 34 Snapshot - 38

Существуют с десяток других децибелов, характеризующих отношения к различным величинам: напряжению, току и пр. Но мы с вами будем использовать только упомянутые три величины. Не путайте их. Я еще раз напомню, это просто децибелы, дБ, характеризующие отношение во сколько раз одна величина больше другой, изотропные децибелы, дБи, характеризующие отношение коэф усиления антенны по отношению к идеальной антенне — изотропному излучателю, и децибелы по мощности, дБм, характеризующие отношение излучаемой мощности к опорному уровню, а именно 1 мВт.

Snapshot - 39

Возвращаясь к КУ, нужно сказать, что совершенно логично было бы добиваться максимального коэффициента усиления антенны, но стоит понимать что увеличение усиления даром не дается. Требуется усложнять конструкцию и увеличивать габариты, при этом также меняются другие характеристики антенны.

Чем больше частота сигнала, тем меньше напряжение на приемной антенне и меньше интенсивность излучения на передающей, при прочих равных условиях. Соответственно, чем выше рабочая частота, тем больше внимания нужно уделять коэффициенту усиления антенны.

Snapshot - 40 Snapshot - 44

С коэф. усиления неразрывно связанна резонансная частота антенны — это частота на которой антенна максимально усиливает сигнал, а КУ соответственно достигает своего максимума.

При описании КУ мы упомянули диаграмму направленности (ДН), давайте внесем ясность и дадим определение этому понятию. ДН — это график отображающий зависимость коэффициента усиления антенны от расстояния и угла. Обычно на ДН отображают две плоскости — горизонтальную и вертикальную. Но нередко можно увидеть и трехмерное отображение интенсивности излучения вокруг антенны.

Snapshot - 46   Snapshot - 52

Антенна в виде вертикального штыря имеет в горизонтальной плоскости ДН в форме круга, в центре которого находится сама антенна. Такая антенна является всенаправленной, т. к. принимает сигналы со всех сторон одинаково. Направленная антенна характеризуется наличием одного или нескольких лепестков, наибольший из которых называется главным. Помимо главного лепестка ДН обычно содержит задний и боковые, уровень которых значительно меньше уровня главного лепестка. И задний и боковые лепестки ухудшают работу антенны, поэтому они нежелательны.

Вот так выглядит трехмерная ДН.

arpl

ДН направленности составляется путем замера уровня сигнала в разных точках пространства вокруг антенны и с занесением этих данных в график.

На работу антенны сильно влияют окружающие ее предметы. Если это проводники, то в них будет возникать ВЧ токи, которые исказят диаграмму направленности. А если это диэлектрики, и если они стоят на пути распространения сигнала, то они будут вносить потери энергии сигнала, ухудшая эффективность антенны.

Радиоволна — дурная, она и не догадывается о том что вы сделали антенну и поэтому возбуждает эл. токи во всех проводниках, что находится вокруг антенны. Особенно это важно на карбоново-алюминиевых коптерах. Это приводит к изменению симметрии ДН и изменению импеданса антенны (об импедансе я расскажу чуть позже). А от некоторых проводников волна может еще и отражаться, накладываясь на основной сигнал и ослабляя его в следствии интерференции.

Это могут исправить симметрирующие устройства, но на моделях они редко используются, т. к. это — лишний вес. Лучше сразу делать так, чтобы не было потребности в их использовании. Т.е. размещать антенны так, чтобы не было влияния близлежащих проводников.

Продолжим. При прохождении постоянного тока через проводник свободные электроны спотыкаются об атомы проводника. Чем чаще они спотыкаются, тем больше сопротивление проводника постоянному току. Но мы с вами в рамках данного повествования имеем дело с переменным током высокой частоты. Такой ток имеет ряд особенностей. При прохождении ВЧ тока сквозь проводник помимо обычного активного сопротивления, имеется также реактивное сопротивление, вызванное индуктивностью и емкостью проводника. Другими словами, любой проводник можно рассматривать как маленький колебательный контур. Сумма активного и реактивного сопротивления называется импедансом. В идеале реактивная составляющая в антенне должна отсутствовать. Но на практике можно добиться сведения ее к мало заметному  минимуму.

Snapshot - 64 Snapshot - 66 Snapshot - 68

Импеданс — это, согласно закону Ома, отношение напряжения сигнала к току в точках питания антенны (точках, к которым подводится или с которых снимается сигнал). Но при этом не может быть измерено простым омметром или другим подобным прибором. Для его измерения требуется специальная ВЧ аппаратура. Об это будет рассказано в третьей части.

Импеданс можно представить следующей формулой:

Z = R + |jX|

где R — активное сопротивление, X — реактивное сопротивление, j — мнимая единица (исп. для обозначения реактивного сопротивл.)

В случае если ток и напряжение будут совпадать по фазе, то импеданс будет активным сопротивлением. Если же имеется сдвиг фаз между напряжением и током, то импеданс помимо активного сопротивления будет еще включать реактивное сопротивление. Реактивное сопротивление будет либо индуктивным, либо емкостным, в зависимости от того отстает ли ток по фазе от напряжения или опережает его. В формуле реактивная составляющая указана по модулю. Это значит что знак может меняться. Индуктивная составляющая будет будет с плюсом, емкостная  — с минусом.

Другими словами 

Z = R + Xили Z = R — XL 

Емкостную составляющую можно найти по формуле

XC = 160 / f * C

Индуктивная составляющая:

XL = 6.28 * f  * L

где XC  и X— емкостное и индуктивно сопротивление в Омах, f -частота в МГц, C — емкость в пФ, L — индуктивность в мкГн

Импеданс антенны — величина не постоянная, и зависит от частоты сигнала. Антенна может быть настроена в резонанс на частоту сигнала, и в этом случае входное сопротивление антенны можно считать чисто активным.

Z = R, jX = 0

Snapshot - 69

Следующая важная х-ка антенны — это поляризация. Поляризация излучаемой волны определяется плоскостью электрического поля  (вектор Е) по отношению к плоскости земли. При этом направление линий электрического поля, которые индуцируются антенной, находится в плоскости излучающих элементов антенны. Бывают антенны горизонтальной, вертикальной и круговой поляризации (которая бывает круговой левой и круговой правой). Отмечу, что в случае с круговой поляризацией изменение положения антенны не приведет к изменению поляризации сигнала, для этого нужно изменять конструкцию. В околоземном пространстве волны горизонтальной поляризации легче преодолевают препятствия и проникают за линию горизонта за счет дифракции. Это характерно для волн метрового диапазона. В условиях городской застройки, наоборот лучше себя ведут волны вертикальной поляризации, т. к. много вертикально расположенных строений и предметов, которые отражают волны (водостоки, пожарные лестницы, металлические столбы, Ж/Б здания и пр.). Вертикально поляризованная волна плохо принимается на горизонтально расположенную антенну, и наоборот: горизонтально поляризованная волна плохо принимается на вертикальную антенну. Точно также и с круговой поляризацией: круговая левая волна плохо принимается на круговую правую антенну и наоборот. Величина затухания в этом случае может достигать 25-30 дБ. В случае с линейной поляризацией плохой прием сигнала легко исправить, для этого достаточно повернуть антенну на 90 градусов. Для антенн разной круговой поляризации такой фокус уже не проходит. Т.к., как уже было сказано, для этого нужно менять конструкцию.

Snapshot - 70 Snapshot - 71 Snapshot - 72

При наклоне линейно поляризованной антенны на 45 градусов по отношению к другой антенне, потери не такие уж большие, около 3 дБ (на 15 гр — 0.3 дБ, на 30 гр — 1.25 дБ, эти величины на практике могут немного отличаться). Величину затухания можно вычислить по формуле:

Затухание (дБ) = 20 log ( cos угла наклона между антеннами)

Что интересно, при передачи сигнала с антенны линейной поляризации на антенну круговой поляризации потери будут также не значительны — те же 3 дБ. В целом, выбором антенны, которой передается сигнал в эфир, определяется поляризация приемной антенны.

Особенностью использования антенн в модельной практике является то, что положение антенн постоянно меняется в пространстве. И если для антенн круговой поляризации это не критично, то для антенн линейной поляризации это играет очень существенную роль. Почему же моделисты продолжают использовать антенны линейной поляризации? Все потому, что их проще настраивать и они имеют меньшие габариты. Стоит отметить, что крайне невыгодна для моделей горизонтальная поляризация, но она неизбежна в случае использования антенн большого размера для метрового диапазона УКВ и СИ-БИ (из-за габаритов).

Полоса пропускания антенны — это диапазон частот, в пределах которого амплитуда принимаемого или передаваемого сигнала имеет максимальное усиление. Как уже отмечалось, что для передачи звукового сигнала используется участок диапазона не более 10 кГц, для передачи видеосигнала нужно не менее 5 МГц, а для некоторых цифровых систем передачи данных нужно более 100 МГц — это стоит учитывать при проектировании, изготовлении и настройки антенны. Чем шире полоса передаваемого сигнала, тем сложней загнать антенну в нужные рамки полосы пропускания. При этом увеличивается импеданс антенны, чем он больше — тем шире полоса пропускания.

Snapshot - 97 Snapshot - 98 Snapshot - 100

Помимо прочих понятий стоит упоямянуть согласование. Для того чтобы максимум мощности сигнала был передан от передатчика в эфир через передающую антенну или получен на приемную и передан приемнику, нужно их согласовать. При согласовании импеданс антенны равен импедансу приемника (передатчика). Не редко на моделях антенны подключаются через антенный кабель. Его, вместе с соединителями и вспомогательными устройствами, принято называть фидером. В случае если используется кабель, необходимо согласовывать импеданс передатчика с импедансом кабеля. А импеданс кабеля, с импедансом антенны. В случае если импедансы не равны возникает эффект отражения волны и наложения ее на основной сигнал.  При рассогласовании приемной антенны и фидера часть энергии принятой антенной не поступит в фидер и отразиться обратно в пространство. При рассогласовании фидера и приемника часть сигнала отразится от антенного входа приемника и пойдет в виде обратной волны к антенне. Из-за рассогласования фидера и антенны здесь вновь произойдет отражение, и часть сигнала, снова пойдет к антенному входу приемника, но теперь уже с задержкой, т. е. со сдвигом фаз. Из-за многократного отражения и сдвига фаз происходит ослабление сигнала на приемнике. В случае с передатчиком, отражение происходит аналогичным образом, только в другом направлении из-за сдвига фаз ослабевает сигнал на антенне, и, соответственно, уменьшается напряженность электромагнитного поля вокруг антенны, попутно также увеличивается потребление тока и нагрев передатчика. При сильном рассогласовании и большой мощности сигнала возможен выход из строя передатчика, вызванный перегревом, т. к. отраженная мощность будет рассеиваться внутри и превращаться в тепло. Для приемника рассогласование не так страшно, т. к. ничего другого кроме ослабления сигнала оно не вызывает.

При полном согласовании нагрузки (антенны) и передатчика (приемника) ток и напряжение распределяются в кабеле следующим образом. И не будет иметь значения длина кабеля, т.к. нет характерных узлов тока и напряжения.  Но об этом позднее.

Snapshot - 109 Snapshot - 111

Качество согласования можно выразить количественно — с помощью коэффициента стоячей волны — КСВ (англ.: SWR, standing wave ratio). Это можно выразить и через иные величины, напр. через коэф. бегущей волны или через коэф. отражения. Но более удобно будет пользоваться именно КСВ. Этот коэффициент показывает какое количество энергии ушло от передатчика к антенне, а сколько отразилось и пришло обратно. Может принимать значение от 1 и до бесконечности. Чем меньше энергии отразилось от антенны или кабеля, тем больше энергии ушло в пространство через антенну в виде электромагнитной волны. При этом КСВ будет близким к единице. И наоборот, чем хуже согласованы передатчик, кабель и антенна, тем больше будет этот коэффициент. Идеального согласования добиться тяжело. На практике КСВ хорошей антенны равен 1.01…1.05. Сейчас я покажу на сколько ослабляется сигнал, в зависимости от значения КСВ….

ксв

 

Формула КСВ выглядит вот так

КСВ = (Pпрям + Pобрат )/(Pпрям Pобрат )

где Pпрям — мощность , уходящая в пространство,

Pобрат мощность отраженная от антенны, и вернувшаяся обратно к передатчику

В этой формуле я отобразил КСВ по мощности или PSWR, чаще всего используется КСВ по напряжению (VSWR) или по току (ISWR), для этого в формулу вместо мощности нужно подставить U или I.

Значение КСВ определяется специальным прибором КСВ-метром. Существуют и иные способы вычисления КСВ. Например, с помощью анализатора спектра и антенного разветвителя.

КСВ антенны зависит от частоты ВЧ-сигнала и фактически определяет ее КПД на определенной частоте, на которой КСВ достигает минимума.

КСВ — это также соотношение величин активного и полного сопротивлений(импеданса).

КСВ = R / Z либо Z /R 

Напр., 1.6 (КСВ) = 80 Ω / 50 Ω

Забегая вперед в 3-ю часть, скажу что антенны можно настраивать по КСВ и в резонанс, т. е. добиваться минимального значения КСВ или максимального значения усиления сигнала антенной. Стоит сказать что антенна, настроенная в резонанс не всегда имеет минимальное значение КСВ, а антенна, настроенная по минимальному значению КСВ, имеет максимальное усиление. На практике не редко бывает небольшой разбег по частоте максимального усиления сигнала и минимального значения КСВ. Исходя из собственного опыта, я могу сказать что в большинстве случаев передающую антенну лучше настраивать по КСВ, а принимающую — в резонанс, при этом не стоит отбрасывать второй альтернативный метод, он должен быть вспомогательным. Бывают и другие методы настройки, в зависимости от того, какую х-ку антенны нужно изменить, например бывает потребность добиться широкополосности антенны, для этого добиваются наиболее линейного значения КСВ и КУ в широкой полосе частот. Подробно о методиках настройки будет рассказано в третьей части.

Теперь когда мы имеем набор характеристик, давайте опишем диполь с помощью них.

Snapshot - 113 Snapshot - 123 

ДН четвертьволнового диполя — круговая, с полюсов имеет явно выраженную слепую зону и по форме напоминает яблоко. С увеличением длины усиков меняется ДН. Выглядеть это будет вот так.

КУ диполя будет около 2 дБи.

Резонансная частота диполя соответствует длине волны, кратно длине которой он был выполнен.

Поляризация диполя линейная и зависит от его положения в пространстве, может быть как горизонтальной так и вертикальной.

Импеданс простого диполя равен 72 Омам. Чтобы получить 50 Ом нужно расположить усики под углом 120 градусов, либо изменить их длину, т. к. с изменением длины усиков также меняется импеданс. Но при этом распределение тока и напряжения не будет оптимальным. График изменений импеданса в зависимости от длины будет следующий.

импеднс_диполя

КСВ диполя — величина индивидуальная. Стоит отметить, что КСВ для диполя довольно легко загнать в минимум по сравнению с другими антеннами. Точно также, как и настроить его на резонанс.

Полоса пропускания диполя неширокая. Такие антенны довольно легко настраиваются на работу с максимальным усилением на конкретном частотном канале.

Диполь — это одна из самых простых антенн, легко поддается настройке. И имеет удобную для полетов ДН. Среди других антенн, которые используют моделисты стоит упомянуть монополь (половинка диполя), коллинеарную антенну, волновой канал, патч, биквадрат, клевер, квадрофиляр, хеликс, крестик, направленные антенны с параболическим отражателем (изредка офсетным — его сложнее позиционировать). Это далеко не все, но наиболее популярные среди моделистов. Подробнее о них будет рассказано в 3ей части.

Стоит отметить, что некоторые типы направленных антенн, такие как патч, можно объеденить в синфазную решетку, этим достигается больший КУ, но уменьшается угол ДН и усложняется согласование.

Пройдемся по еще некоторым понятиям имеющим отношение к антеннам.

Шумы. На практике, помимо полезных сигналов, мы имеем дело с шумами, уровень которых на определенных участках диапазонов может быть достаточно велик. Для того чтобы прием сигнала стал возможным, нужно чтобы уровень полезного принимаемого сигнала в приемной антенне был выше уровня шумов. У каждого приемника имеется свой индивидуальный порог соотношения уровня сигнала к уровню шума, после которого прием становится уверенным и стабильным. И если в определенной точке пространства в которой ведется прием сигнала, это соотношение не является достаточным для уверенного приема, то какие бы хорошие антенны не были — приемник не сможет выделить сигнал на фоне общего шума.

Snapshot - 125

Скин-эффект. Токи высокой частоты протекают исключительно в пределах поверхностного слоя металла. И чем больше частота, тем тоньше этот слой. Поэтому, с целью уменьшения веса допустимо использование тонкостенных трубок — это не оказывает никакого влияния на проводимость. Как уже говорилось, хорошую проводимость имеет медь, а еще лучше серебро. Нередко в военной аппаратуре можно встретить медные катушки индуктивности с серебренным напылением. Применительно к моделизму достаточно будет просто меди. Выигрыш невелик, а стоимость антенн возрастает в разы. Медные сплавы, такие как латунь гораздо хуже чистой меди, их электропроводность может составлять всего лишь 25% от электропроводности меди или серебра. Поэтому ищите чистую медь. Алюминий, хоть и легкий материал, и имеет достаточную электропроводность, но склонен к коррозии, его использование не рекомендуется. Вполне возможно использовать омедненную сталь для некоторых типов антенн, где вес не так критичен, по сравнению с прочностью.

Диверсити (diversity). Это страшное слово не имеет никакого отношения к диверсиям 🙂 С английского переводится как «разнообразие». Применительно к моделизму оно означает приемник или отдельный контроллер, который позволяет опрашивать несколько антенных входов и переключаться на тот на котором уровень сигнала выше. Это позволяет использовать например несколько узконаправленных антенн без согласования между ними, просто в нужный момент времени каждую по отдельности.

Антенны ближнего поля. Это специальные антенны для поиска источников магнитных помех. Почему магнитных? Дело в том, что в когда расстояние от источника электромагнитного поля до точки пространства меньше λ/2π, то составляющие ЭМ поля можно рассматривать по отдельности. Отдельно электрическое и отдельно магнитное. Та или иная составляющая может преобладать в конкретной точке пространства. Обычно в качестве антенн ближнего поля используются специальные антенны-пробники в виде кольца. Ими ищут источники магнитного поля.

Snapshot - 131 Snapshot - 132

Зачем они я вам о них рассказываю? Не редкость когда на модели одни устройства начинают мешать другим. Выявить виноватца зачастую бывает непросто. Именно в этих случаях могут помочь антенны ближнего поля. С их помощью вы сможете определить источник и определить характер помехи.

Диаграмма Смита.  Универсальная круговая диаграмма, в которой показаны базовые х-ки антенны, а именно КСВ и импеданс, а также некоторые другие. Может быть как средством отображения характеристик, например в документации, так и удобным средством для определения различных величин. Подробнее я постараюсь рассказать в третьей части.

smith_chart

При расчетах габаритов антенн необходимо использовать коэффициент укорочения, который учитывает скорость распространения электрического сигнала по поверхности проводников, которая немного меньше чем в вакууме. Коэффициент зависит от частоты сигнала и металла, из которого изготовлена антенна. Обычно при расчетах модельных антенн берется коэффициент 0.95. Это значение берется во внимание при изготовлении элементов как антенны, так и фидера. Значение коэфициента укорочение кабеля указывается в характеристиках к кабелю.

Также значение нужного коэфициента укорочения можно взять из следующего графика….

где l — длина волны, d — его диаметр

Кабели применяются тогда, когда нет возможности разместить антенну непосредственно на передатчике или приемнике. В модельных устройствах можно встретить либо однопроводные, либо коаксиальные кабели. Двухпроводные антенные кабели я не видел на моделях, поэтому в рамках данного изложения, я не буду их рассматривать. Собственно и на однопроводных особо тоже останавливаться не будем, скажу только что однопроводные можно встретить в дешевых игрушках, где действует принцип лишь бы работало. Неэкранированные однопроводные кабели излучают э/м волны в пространство затрудняя работу других устройств. В приемных устройствах такие кабели ловят все подряд, нивелируя эффективность антенны. Поэтому в более менее серьезных моделях используется коаксиальный кабель с экраном из оплетки, который обычно соединен с общей землей и хорошо защищает фидер от приема волн из пространства, а окружающие устройства — от паразитного излучения. Коаксиальный кабель обладает волновым сопротивлением, который зависит от соотношения диаметров внутренней жилы и экрана.

В большинстве устройств используемых в моделизме ВЧ часть на выходе имеет импеданс 50 ом. Это относится к видеопередатчикам с видеоприемниками, радиомодемам, LRS-устройствам и пр. Чтобы согласовать ВЧ устройство с фидером нужно использовать кабель с таким же волновым сопротивлением — 50 Ом

Как уже было сказано, импеданс кабеля можно достаточно точно определить безо всяких измерительных приборов путем вычисления отношения диаметра полиэтиленовой изоляции к диаметру центральной жилы. Если это отношение находится в пределах от 3.5 до 3.7 кабель имеет волновое нужное нам сопротивление 50 Ом.

В любом кабеле ВЧ сигнал затухает, даже в сравнительно недлинных кабелях, поэтому чем короче, тем лучше, т.к. меньше затухание. Часто на кабелях указывается что величина затухания сигнала составляет столько-то децибел на метр, и может сложиться впечатление что, затухание происходит линейно и кратно длине кабеля, но тут кроется подвох: децибелы — величина логарифмическая. Поэтому увеличение длины кабеля в два раза ослабляет сигнал значительно больше чем в два раза. Простой пример. Кабель длиной 10 м имеет затухание на определенной частоте 1 дБ/м, значит на этой длине затухание составит 10 дБ, что эквивалентно ослаблению в 10 раз. Может показаться что удвоение длины кабеля приведет к ослаблению в 20 раз, но на самом деле 20 м *  1 дБ/м = 20 дБ, что эквивалентно ослаблению сигнала в 100 раз.

Snapshot - 154

Но не только длина кабеля влияет на затухание, большое значение КСВ в передающей линии вносит дополнительные потери. Проще всего определить возможные дополнительные потери по следующему графику… 

shot0001

Стоит отметить, что в случае рассогласования антенны и ВЧ устройства, когда волновое сопротивление антенны значительно отличается от импеданса ВЧ-устройства, согласования можно добиться путем включения в фидерную линию согласующих устройств.

Рассмотрим что происходит в кабеле передатчика при различных случая рассогласования. 

shot0003

shot0004

shot0005

shot0006

shot0007

При неравенстве сопротивления нагрузки и волнового сопротивления кабеля вдоль линии образуются стоячие волны и только часть энергии уходит через антенну в пространство. Для того чтобы вся ВЧ энергия уходила в антенну кабель, антенна и передатчик должны иметь одинаковый импеланс.

Тогда по всей длине кабеля между центральной жилой и экраном будет одинаковое напряжение и по ним потечет одинаковый ток. В случае полного согласования длина кабеля не играет роли. Но на практике бывает небольшое рассогласование, и чтобы сопротивление кабеля было чисто активным желательно чтобы длина кабеля была кратным значению:

l = n * (λ / 4),

где n – коэффициент укорочения кабеля

Этот коэффициент зависит от диэлектрической проницаемости изоляции кабеля. Например, для полиэтиленового изолятора можно считать из расчета n=0.7

Что произойдет, если этим принебрегать? В случае небольшого рассогласование в кабели будут возникать небольшие, но характерные пучности тока. И если ВЧ-разъем будет находится не в нужном месте, то для передающих устройств меньще энергии будет уходить в пространство, а для приемных — меньше поступать в приемник.

По возможности стоит избегать использования антенных кабелей. Думаете нет кабеля — нет проблем? Ошибаетесь. Есть еще проблемы использования ВЧ-разъемов с не 50-омным сопротивлением и несогласованный микрополосковый ВЧ-тракт от ВЧ-модулей до ВЧ-разъемов.

Поэтому самый простой вариант использования — это когда антенна напаяна непосредственно на ВЧ модуль. Такой вариант можно увидеть на видеопередатчиках и модемах, а также на GPS-маяках.

Но давайте рассмотрим случай посложнее, который вполне реален. Возьмем и полностью разложим путь, который проходит ВЧ сигнал то получится следующее:

ВЧ модуль => микрополосковый ВЧ-тракт на печатной плате => ВЧ-разъем на PCB => ВЧ-разъем на кабеле => антенный кабель => ВЧ-разъем на кабеле => ВЧ разъем на усилителе => усилитель => ВЧ разъем на усилителе => ВЧ-разъем на кабеле => кабель => ВЧ-разъем на кабеле => ВЧ разъем на фильтре => LPF/HPF-фильтр => ВЧ разъем на фильтре => ВЧ-разъем на кабеле=> ВЧ-разъем на антенне => антенна

Как видите, путь довольно сложный. С кучей разъемных мест. Каждый элемент обладает своим импедансом и КСВ, и согласовать все это бывает непросто. Редко кто проверяет каждый элемент по отдельности полагаясь на цифры заявленные производителем, либо вообще делая все наобум. По возможности старайтесь минимизировать путь который проходит ВЧ сигнал между антенной и приемником (или передатчиком).

Как уже стало понятным в состав фидера входит не только кабель, но и другие компоненты, давайте остановимся на них подробнее.

Согласующие устройства представляют из себя ВЧ-трансформаторы, которые позволяют использовать разные по импедансу антенны и кабели. Например антенну с волновым сопротивлением 300 Ом с 50-омным кабелем. В модельной практике в большинстве случаев по возможности обходятся без согласующих устройств, т. к. они подразумевают лишний вес.

Разъемы. Сюда относятся различные разъемы и переходники, они обладают среди прочих х-к граничной рабочей частотой. Важно чтобы эта частота была значительно больше рабочей частоты. Для СВЧ устройств также немаловажно использование покрытий из инертных металлов, таких как золото. Различные окислы ухудшают проходимости ВЧ-токов.

В большинстве LRS-систем, радиомодемах, видеопередатчиках и приемниках используются разъемы SMA – стандарт де-факто в модельной технике. Разъемы SMA (SubMiniature ver. A) разработаны в 1960 г. Рассчитаны на импеданс 50 Ом и работу до 18 ГГц. Имеют резьбовое соединение 1/4 дюйма, шаг резьбы 36 витков на дюйм, компактные размеры и низкое значение КСВ, обычно не более 1,2. Максимальная рабочая частота для кабельных разъемов определяется типом кабеля. Нужно отметить, что выпускаются SMA разъёмы выпускаются с импедансом как 50 ом так и 75 ом, бывают прямой и обратной полярности (RP-SMA, от англ reverse-polarity).

Фильтры. ВЧ-фильтры нужны для ослабления гармоник передающих устройств.

Антенные усилители увеличивают амплитуду ВЧ тока возникающего в антенне. Их часто используют на стороне принимающих устройств. При стационарном применении можно было бы остановится на этом подробнее. Но в случае с моделизмом — это только усложняет и без того непростое антенное хозяйство. На самом деле лучшим антенным усилителем будет сама антенна.

Усилители мощности сигнала, в отличие от антенных усилителей, моделисты используют довольно часто, в основном на стороне передатчика. Не редко они требуют ослабления мощности сигнала на входе — с помощью аттенюатора.

Бывает также и иные элементы антенно-фидерного тракта, но моделистами они используются значительно реже и описывать их в рамкой этой статьи нет сенса.

Собственно, на этом вторую часть я хочу закончить и дать вам возможность переварить информацию 🙂 В следующей части будем уже сами колхозить антенны и пытаться их загнать в нужные для нас параметры.

Оставте комментарий

Ваш комментарий

*