Antena- urządzenie przetwarzające oscylacje prądu elektrycznego na falę pola elektromagnetycznego (falę radiową) i odwrotnie.

Anteny są urządzeniami odwracalnymi, co oznacza, że ​​tak jak antena służy do transmisji, będzie również działać do odbioru; jeśli będzie działać skutecznie w przypadku odbioru, będzie również dobrze działać w przypadku transmisji.

Podajnik- kabel łączący stację radiową z anteną.
Kable mają różne impedancje i konstrukcje.
Ponieważ w cywilnych stacjach radiowych impedancja wyjściowa/wejściowa wynosi 50 omów, a wyjście jest niezbalansowane, jako zasilacz nadają się dla nas kable koncentryczne o impedancji charakterystycznej 50 omów, na przykład: RK 50-3-18 lub RG 8 lub RG 58.
Nie ma potrzeby mylić impedancji falowej i impedancji omowej. Jeśli zmierzysz rezystancję kabla za pomocą testera, tester pokaże 1 om, chociaż impedancja falowa tego kabla może wynosić 75 omów.
Impedancja charakterystyczna kabla koncentrycznego zależy od stosunku średnic przewodu wewnętrznego do przewodu zewnętrznego (kabel o impedancji charakterystycznej 50 omów ma grubszy rdzeń centralny niż kabel 75 omów o tej samej średnicy zewnętrznej).

SWR- współczynnik fali stojącej, czyli stosunek mocy przepływającej wzdłuż kabla do anteny i mocy powracającej wzdłuż kabla, odbijającej się od anteny ze względu na to, że jej rezystancja nie jest równa rezystancji kabla .
Tak, napięcie o wysokiej częstotliwości nie przepływa przez przewody jak prąd stały; może zostać odbite od obciążenia, jeśli obciążenie lub kabel ma niewłaściwą impedancję charakterystyczną.
SWR pokazuje jakość transmisji energii ze stacji radiowej do anteny i z powrotem; im niższy SWR, tym lepsze dopasowanie stacji radiowej do zasilacza i anteny. SWR nie może być mniejszy niż 1.
SWR nie wskazuje wydajności anteny i na jakiej częstotliwości działa ona efektywniej. Na przykład SWR będzie wynosić 1, jeśli na końcu kabla zostanie podłączony rezystor 50 omów, ale nikt nie będzie cię słyszał przy rezystorze i nie będziesz nikogo przy nim słyszeć.

Jak działa antena?

Jak wiadomo, prąd przemienny zmienia swoją polaryzację z określoną częstotliwością. Jeśli mówimy o 27 MHz, to 27 milionów razy na sekundę jego polaryzacja (+/-) zmienia się miejscami. Odpowiednio 27 milionów razy na sekundę elektrony w kablu biegną od lewej do prawej, a następnie od prawej do lewej. Biorąc pod uwagę, że elektrony poruszają się z prędkością światła 300 milionów metrów na sekundę, to przy częstotliwości 27 megaherców udaje im się pokonać tylko 11 metrów (300/27), zanim zmieni się polaryzacja prądu, a następnie wrócić.
Długość fali to odległość, jaką pokonują elektrony, zanim zostaną odciągnięte przez zmieniającą się polaryzację źródła.
Jeśli do wyjścia radiostacji podłączymy kawałek drutu, którego drugi koniec po prostu wisi w powietrzu, to elektrony będą w nim płynąć, biegnące elektrony wytwarzają wokół przewodnika pole magnetyczne, a na jego końcu potencjał elektrostatyczny, który będzie się zmieniał wraz z częstotliwością, na której pracuje stacja radiowa, czyli przewód wytworzy falę radiową.
Minimalna odległość, jaką muszą pokonać elektrony, aby skutecznie przekształcić prąd przemienny w falę radiową, a fale radiowe w prąd, wynosi 1/2 długości fali.
Ponieważ każde źródło prądu (napięcia) ma dwa zaciski, minimalna efektywna antena składa się z dwóch odcinków drutu o długości 1/4 długości fali (1/2 podzielonej przez 2), z jednym odcinkiem przewodu podłączonym do jednego zacisku źródła (wyjście radiowe stacji), kolejne wejście do innego wyjścia.
Jeden z przewodników nazywany jest promieniującym i jest podłączony do centralnego rdzenia kabla, drugi jest „przeciwwagą” i jest podłączony do oplotu kabla.
* Jeśli umieścisz 2 kawałki drutu każdy o długości 1/4 długości fali, jeden nad drugim, rezystancja takiej anteny wyniesie około 75 omów, w dodatku będzie ona symetryczna, to znaczy łącząc ją bezpośrednio z koncentrykiem ( niesymetryczny) kabel nie jest dobrym pomysłem.

Zaraz, jak w takim razie działają anteny skrócone (np. 2 metry przy 27 MHz) i anteny składające się tylko z szpilki w samochodzie?
W przypadku szpilki w samochodzie, szpilka jest pierwszym kawałkiem drutu („emiterem”), a nadwozie samochodu jest drugim przewodem („przeciwwagą”).
W skróconych antenach część drutu jest skręcona w cewkę, to znaczy dla elektronów długość szpilki jest równa 1/4 długości fali (2 metry 75 cm przy 27 MHz), a dla właściciela szpilki to tylko 2 metry, reszta jest w cewce, która jest ukryta przed czynnikami atmosferycznymi u podstawy anteny.

Co się stanie, jeśli podłączysz bardzo krótkie lub bardzo długie przewody do stacji radiowej jako antenę?
Jak wspomniano powyżej, impedancja falowa wyjścia/wejścia radiostacji wynosi 50 omów, zatem antena będąca dla niej obciążeniem również musi mieć rezystancję 50 omów.
Przewody krótsze lub dłuższe niż 1/4 długości fali będą miały inną impedancję charakterystyczną. Jeśli druty będą krótsze, elektrony będą miały czas, aby dotrzeć do końca drutu i będą chciały biec dalej, zanim zostaną odciągnięte, w związku z czym zakopią się na końcu drutu, zrozumieją, że jest przerwa tam, czyli jest duży, nieskończony opór i opór całej anteny będzie tym większy, im krótszy będzie przewód. Zbyt długi przewód również nie będzie działał prawidłowo, jego rezystancja również będzie większa niż to konieczne.
Niemożliwe jest, aby antena elektrycznie krótka była skuteczna; zawsze traci ona 1/4 długości elektrycznej; antena długa elektrycznie wymaga dopasowania rezystancji.
* Różnica między „krótkimi elektrycznie” i „krótkimi fizycznie” polega na tym, że można skręcić drut o wystarczającej długości w cewkę, ale fizycznie cewka nie będzie tak długa. Taka antena będzie dość skuteczna, ale na małej liczbie kanałów i tak czy inaczej będzie tracić długość fali na pin 1/4.
Ważne jest również, aby zrozumieć, że sporo zależy również od kąta, pod jakim znajdują się względem siebie przewody anteny, emiter i przeciwwaga - od jej kierunkowości (kierunku jej promieniowania) i impedancji falowej.

Istnieje również takie zjawisko, jak współczynnik skracania anteny, zjawisko to wynika z faktu, że przewodniki są grube, a koniec przewodnika ma pojemność do otaczającej przestrzeni. Im grubszy przewód anteny i im wyższa częstotliwość, z jaką antena musi pracować, tym większe jest skrócenie. Ponadto im grubszy przewodnik, z którego wykonana jest antena, tym jest ona bardziej szerokopasmowa (im więcej kanałów obejmuje).

Anteny kierunkowe i polaryzacja promieniowania

Anteny to:
+ Przy polaryzacji poziomej - przewody anteny są ułożone poziomo;
+ Przy polaryzacji pionowej - przewody ułożone są pionowo.
Jeśli spróbujesz odebrać sygnały nadawane przez antenę o polaryzacji poziomej na antenie o polaryzacji pionowej, nastąpi 2-krotna strata (3 dB) w porównaniu do odbioru na antenie o tej samej polaryzacji co antena nadawcza.

Ponadto anteny mogą być:
+ Kierunkowy - gdy emisja i odbiór fal przebiega w jednym lub kilku kierunkach.
+ Bezkierunkowy (z kołowym charakterystyką promieniowania) – gdy fale radiowe są emitowane i odbierane równomiernie ze wszystkich kierunków.

Przykład: pionowy kołek ma kołowy wzór promieniowania w płaszczyźnie poziomej, co oznacza, że ​​w równym stopniu emituje i odbiera fale radiowe z otaczających go źródeł.

Jaki jest zysk anteny?

Jeśli mówimy konkretnie o wzmocnieniu anteny, a nie o wzmacniaczu podłączonym do anteny i wymagającym przewodów zasilających, to wzmocnienie anteny to jej zdolność do skupiania fal radiowych w określonej płaszczyźnie lub kierunku, tam, gdzie znajdują się odpowiedni korespondenci do komunikacji.
Przykładowo dwa pionowo umieszczone piny o długości 1/4 długości fali (dipol pionowy) promieniują równomiernie po okręgu, ale dzieje się tak, jeśli spojrzymy na to z góry, a jeśli z boku okaże się, że część energii jest wypromieniowana w ziemię i rozbić się w przestrzeń. Wzmocnienie dipolowe wynosi 0 dBd. Nie ma dla nas użytecznych sygnałów ani w ziemi, ani w kosmosie, zatem zmieniając konfigurację dipola (wydłużając jego jedną część do 5/8 długości fali), można zapewnić, że promieniowanie będzie skoncentrowane w horyzontu, a do przestrzeni kosmicznej i do ziemi będzie emitowana niewielka ilość promieniowania, zysk takiej anteny wyniesie około 6 dBd.

Jeśli chcesz dowiedzieć się szczegółowo jak działają anteny i podajniki oraz poznać kompletne wzory, przeczytaj książkę: Anteny K. Rothhammela.

Pamiętajmy o najważniejszej rzeczy:

Długość fali = 300 / częstotliwość kanału komunikacyjnego

Minimalna efektywna długość anteny = długość fali / 2

Im grubsze są przewody, z których wykonana jest antena, tym większy wpływ na jej długość ma współczynnik skracania.

SWR wskazuje jakość transmisji energii z radia do anteny, ale nie wskazuje na wydajność anteny.

A teraz przykłady:
300 / 27,175 = długość fali 11 metrów i 3 centymetry.
Aby antena działała efektywnie, cała antena musi mieć długość odpowiednio 5 metrów 51 centymetrów, sworzeń będzie miał długość 2 metry 76 centymetrów.
Uwzględniając skrót K, dla szpilki wykonanej z rurki o średnicy 20 mm długość szpilki wyniesie około 2 metry 65 centymetrów.

Jakie anteny są zwykle używane w paśmie cywilnym?

Antena 1/4 GP („gepeshka” lub „poczwórna”)

Kołek na podstawie wpuszczanej lub magnetycznej, wewnątrz którego zainstalowana jest cewka przedłużająca, dodająca do 1/4 jej długości elektrycznej. Przeciwwagą jest nadwozie samochodu, które jest połączone bezpośrednio (w przypadku anten wbudowanych) lub poprzez pojemność kondensatora utworzoną przez podstawę magnesu i powierzchnię nadwozia.

Na pasmach wysokich częstotliwości, takich jak LPD i PMR, zwykle stosuje się przerwy lub 5/8, nawet w samochodzie i w wersji do noszenia; w wersji podstawowej stosuje się anteny współliniowe (układy antenowe kilku 1/2 lub 5 /8 anten połączonych ze sobą elektrycznie i mechanicznie, co umożliwia osiągnięcie zysku K_anteny wynoszącego 10 dBi lub więcej, czyli skompresowanie promieniowania w cienki poziomy naleśnik).

Zmierzyć parametry anteny? To wcale nie jest trudne!

Prawidłowo określone parametry anteny w radiowym systemie odbiorczym są podstawą możliwości skutecznego odbioru zdalnych stacji radiowych. Jednak radioamator nie zawsze ma pod ręką narzędzia niezbędne do takich pomiarów. W tym artykule autor proponuje zastosowanie prostej metody, która daje całkiem akceptowalne wyniki.

Miłośnik odbioru radia na falach długich i średnich (LW i SW) po zawieszeniu zewnętrznej anteny przewodowej często zadaje sobie pytanie: jakie są jej parametry? Istnieją dwa główne parametry - rezystancja strat układu uziemienia anteny rп i pojemność własna anteny w stosunku do tej samej masy SA. Od tych parametrów zależy skuteczność systemu antenowego, a co za tym idzie, możliwość odbioru odległych stacji, zasilenie urządzenia odbiorczego „darmową energią” sygnałów odbieranych z powietrza, dostrojenie systemu antenowego do różnych częstotliwości itp.

Pomiary anten to „terra incognita” dla większości radioamatorów, i to nie tylko początkujących. Wszystkie znane metody wymagają potężnego generatora wysokiej częstotliwości i mostka pomiarowego - sprzętu rzadko spotykanego wśród radioamatorów. Często te dwa urządzenia są łączone, tworząc omomierz zasilający lub antenowy (jak się je nazywa), używany na przykład podczas strojenia i regulacji anten nadawczych ośrodków radiowych. Potrzebny jest potężny generator HF, ponieważ antena otwarta na wszystkie wiatry ma wysokie napięcie różnego rodzaju zakłóceń, w tym sygnałów z innych stacji radiowych zakłócających pomiary.

W proponowanej metodzie pomiaru generator nie jest w ogóle potrzebny. Parametry anteny zmierzymy za pomocą sygnałów z powietrza, bo jest ich tam mnóstwo. Czy muszę wykonać specjalne urządzenie lub stanowisko do pomiarów? Jest to opcjonalne. Biorąc pod uwagę, że anten nie zmienia się codziennie, złożenie prostych układów pomiarowych bezpośrednio na biurku lub parapecie okna nie będzie trudne, nawet bez użycia płytek stykowych.

Pomiar rezystancji strat. Będziesz potrzebował pręta ferrytowego z anteny magnetycznej z parą cewek, najlepiej zakresów DV i MV, rezystora zmiennego o rezystancji 0,47...1 kOhm (koniecznie bez drutu), dowolnego germanu małej mocy i wysokiej częstotliwości diodę oraz woltomierz prądu stałego o dużej rezystancji wewnętrznej wejściowej (co najmniej 0,5...1 MOhm). Aby móc rozpoznawać odbierane stacje radiowe za pomocą słuchu, przydatne jest posiadanie telefonów o wysokiej impedancji.

Urządzenie montujemy według schematu na ryc. 1 i przesuwając pręt w cewce anteny magnetycznej, dostrajamy się do częstotliwości sygnału silnej lokalnej stacji radiowej.

Ryż. 1

W takim przypadku rezystor zmienny R1 należy ustawić w pozycji zerowej rezystancji (przesuń suwak do górnej pozycji zgodnie ze schematem). Moment dostrojenia obwodu do rezonansu z częstotliwością stacji radiowej będzie oznaczał maksymalne odchylenie wskazówki miernika i największą głośność w telefonach. Telefony połączone szeregowo z woltomierzem praktycznie nie mają wpływu na jego wskazania, a przy tym głośność nie jest zbyt duża. Aby ją zwiększyć podczas identyfikacji stacji radiowej, woltomierz można zewrzeć, przełączyć na dolną granicę pomiaru, gdzie jego rezystancja jest mniejsza, lub podłączyć równolegle kondensator o pojemności około 0,05...0,1 µF do woltomierza w celu przekazania częstotliwości audio do telefonów (w przypadku takiego kondensatora dźwięk może być nieco zniekształcony z powodu nierówności w obciążeniu detektora przy częstotliwościach akustycznych i przy prądzie stałym).

Po zanotowaniu wskazań woltomierza (U1) i bez zmiany ustawień obwodu przesuwaj suwak rezystora zmiennego R1, aż wskazania woltomierza zmniejszą się o połowę (U2). W takim przypadku rezystancja rezystora będzie równa rezystancji strat systemu antenowego przy danej częstotliwości. Te same pomiary można przeprowadzić na innych częstotliwościach.

Rezystancję rezystora mierzy się omomierzem odłączając go od obwodu pomiarowego. Jeśli nie masz omomierza, musisz wyposażyć rezystor w uchwyt z celownikiem i skalą, który możesz skalibrować w omach za pomocą standardowego urządzenia.

Korzystając z powyższej metody, można wybrać na przykład najlepszą opcję uziemienia. W warunkach miejskich możliwe są następujące opcje: rury wodociągowe, rury grzewcze, okucia do ogrodzeń balkonowych itp., a także różne ich kombinacje. Należy skupić się na maksymalnym odbieranym sygnale i minimalnej odporności na straty. W wiejskim domu oprócz „klasycznego” uziemienia zaleca się wypróbowanie studni lub rur wodociągowych, ogrodzenia z metalowej siatki, dachu z blachy ocynkowanej lub innego masywnego metalowego przedmiotu, nawet jeśli nie ma on kontaktu z podłożem. prawdziwa ziemia.

Pomiar pojemności anteny. Zamiast rezystora zmiennego będziesz musiał teraz włączyć KPI (dowolnego typu) o maksymalnej pojemności 180...510 pF. Wskazane jest również posiadanie miernika pojemności z granicą pomiaru od dziesiątek do setek pikofaradów. Autor wykorzystał cyfrowy miernik pojemności Master-S, udostępniony dzięki uprzejmości jego projektanta.

Jeśli nie ma miernika pojemności, musisz zrobić to samo, co z rezystorem - wyposażyć KPI w skalę i skalibrować go w pikofaradach. Można to zrobić bez instrumentów, ponieważ pojemność jest proporcjonalna do powierzchni włożonej części płytek. Narysuj na papierze milimetrowym kształt płytki wirnika (im większy rozmiar, tym dokładniejsza będzie podziałka), podziel rysunek na sektory co 10 stopni kątowych i policz w komórkach powierzchnię każdego sektora i całej płytki S0 . Na ryc. 2 zacieniony jest pierwszy sektor o obszarze S1. Na odpowiednim pierwszym znaku skali należy umieścić pojemność C1 = CmaxS1/S0 itd.

Ryż. 2

Jeśli płytki wirnika mają kształt półkolisty (bezpośredni kondensator kondensatora), skala okazuje się liniowa i wtedy nie ma potrzeby wykonywania rysunków i obliczania powierzchni. Na przykład KPI ze stałym dielektrykiem z zestawu do kreatywności dla dzieci ma maksymalną pojemność 180 pF. Wystarczy podzielić skalę na 18 sektorów po 10 stopni i umieścić wokół podziałek 10, 20 pF itp. Nawet jeśli dokładność jest niska, dla naszych celów wystarczy.

Po skalibrowaniu KPI montujemy instalację według schematu na rys. 3.

Ryż. 3

Podłączając antenę do gniazda XS1 i wyłączając KPI przełącznikiem SA1, dostrajamy obwód utworzony przez pojemność anteny i cewkę L1 do częstotliwości stacji radiowej. Nie dotykając już cewki, przełączamy antenę na gniazdo XS2 i podłączamy kondensator C2 (nasz KPI) do obwodu z przełącznikiem SA1. Ponownie dostrajamy się do tej samej częstotliwości, tym razem za pomocą C2. Jego pojemność Sk wyznaczamy za pomocą skali lub za pomocą miernika pojemności podłączonego do gniazd XS3, XS4 (w tym celu przełączając SA1 do pozycji pokazanej na schemacie). Pozostaje znaleźć pojemność anteny SA za pomocą wzoru

CA = C2(1 + sqrt(1 +4C1/C2))/2.

Znaczenie naszych manipulacji jest następujące: kiedy podłączyliśmy antenę przez kondensator sprzęgający C1, całkowita pojemność obwodu zmniejszyła się i aby ją przywrócić, musieliśmy dodać pojemność C2. Sam możesz wyprowadzić powyższy wzór na podstawie równości pojemności anteny CA (w pierwszym przypadku) i pojemności obwodu zespolonego C2 + CAC1/(CA + C1) w drugim przypadku. Aby zwiększyć dokładność pomiarów, zaleca się dobór mniejszej pojemności kondensatora sprzęgającego, w zakresie 15...50 pF. Jeżeli pojemność kondensatora sprzęgającego jest znacznie mniejsza niż pojemność anteny, wówczas wzór obliczeniowy jest uproszczony:

CA = C2 + C1.

Eksperyment i jego omówienie. Autor zmierzył parametry anteny tego typu dostępnej na daczy: przewód PEL 0,7 o długości 15 m, który był rozciągnięty do kalenicy dachu i dalej od domu do sąsiedniego drzewa. Najlepszym „uziemieniem” (przeciwwagą) okazała się kolumna podgrzewająca wodę odizolowana od gruntu małą siecią rur i lokalnymi grzejnikami. Wszystkie pomiary wykonano w zakresie CB z wykorzystaniem standardowej cewki anteny magnetycznej CB z odbiornika tranzystorowego. Jeśli indukcyjność nie była wystarczająca do dostrojenia na końcu zakresu niskich częstotliwości, obok anteny magnetycznej, równolegle do pierwszej, umieszczano kolejny pręt ferrytowy.

Wyniki pomiarów podsumowano w tabeli. Potrzebują małego komentarza. Przede wszystkim uderzające jest to, że przy różnych częstotliwościach zarówno rezystancja strat, jak i pojemność anteny są różne. Nie są to wcale błędy pomiarowe. Rozważmy najpierw zależność pojemności od częstotliwości. Gdyby przewód antenowy nie miał również pewnej indukcyjności LA, wartości pojemności byłyby takie same. Indukcyjność drutu jest połączona szeregowo z pojemnością anteny, jak widać na zastępczym schemacie obwodu anteny pokazanym na ryc. 4.

Ryż. 4

Wpływ indukcyjności jest silniejszy przy wysokich częstotliwościach, gdzie reaktancja indukcyjna wzrasta i częściowo kompensuje reaktancję pojemnościową. W rezultacie całkowita reaktancja anteny maleje, a zmierzona pojemność staje się większa. Antena ma częstotliwość własną f0 - częstotliwość rezonansową obwodu LACA, przy której reaktancja dąży do zera, a zmierzona wartość pojemności dąży do nieskończoności. Naturalna długość fali anteny Lambda0 odpowiadająca tej częstotliwości jest w przybliżeniu równa czterokrotności długości przewodu anteny i zwykle mieści się w paśmie HF.

Częstotliwość drgań własnych można obliczyć na podstawie pomiarów pojemności przy dwóch dowolnych częstotliwościach, ale wzory są zbyt skomplikowane. Dla swojej anteny autor uzyskał CA = 85 pF. LA = 25 µH i f0 - około 3,5 MHz. Dla przybliżonych szacunków można założyć, że każdy metr przewodu antenowego (wraz z redukcją) wprowadza indukcyjność około 1...1,5 μH i pojemność około 6 pF.

Rezystancja strat przy cewce L1 o wystarczająco wysokiej jakości składa się głównie z rezystancji uziemienia. To z kolei oblicza się za pomocą empirycznego (otrzymanego na podstawie danych eksperymentalnych) wzoru M.V. Shuleikina: rп = А*Lambda/Lambda0. Tutaj A jest stałym współczynnikiem zależnym od jakości uziemienia, o wymiarach w omach. W przypadku dobrego uziemienia A to jednostki, a nawet ułamki omów. Jak widać, odporność na straty rośnie wraz ze wzrostem długości fali (malejącą częstotliwością), co potwierdzają dane zawarte w tabeli. Zależność rezystancji strat od częstotliwości odkryto na początku ubiegłego wieku, jednak autor nie znalazł w literaturze szczegółowego wyjaśnienia tego efektu.

Pod tym względem wiele danych uzyskanych przez radioamatorów podczas pomiaru parametrów ich anten może być bardzo przydatnych.

Literatura

1. Fradin A. Z., Ryzhkov E. V. Pomiar parametrów anteny. - M.: Svyazizdat, 1962.
2. Andreev V. Prosty miernik pojemności „Master-S”. - Radio, 2002. Nr 1, s. 2002. 50-52; nr 2, s. 2 51-53; nr 3, s. 25 52-54.
3. Anteny Belotserkovsky G. B. - M.: Oborongiz, 1956.

WYKŁAD 9.

• 
  ^ Emiter izotropowy
• 
  Wibrator symetryczny
• 
  Główne cechy anten. Charakterystyka amplitudowa kierunkowości anteny
• 
  Odporność na promieniowanie
• 
  Impedancja charakterystyczna anteny
• 
  Impedancja wejściowa
• 
  Odporność na straty

^

EMITER IZOTROPOWY.

Emiter izotropowy to urządzenie emitujące energię elektromagnetyczną równomiernie i jednakowo we wszystkich kierunkach.

Jednak w praktyce emitery dookólne nie istnieją. Każda antena nadawcza, nawet najprostsza, emituje energię nierównomiernie i zawsze istnieje kierunek, w którym emitowana jest maksymalna energia.

Najprostszym lub elementarnym emiterem jest elektromagnetyczny wibrator elektryczny, który składa się z drutu bardzo krótkiego w porównaniu z długością fali, w którym przepływa prąd elektryczny, którego amplituda i faza są takie same w dowolnym miejscu drutu. Praktycznym modelem elementarnego wibratora jest dipol Hertza. Struktura pola promieniowania dipola Hertza ma maksimum w punkcie leżącym na linii prostej prostopadłej do dipola. Wzdłuż dipola pole = 0.
^

WIBRATOR SYMETRYCZNY.

Składa się z dwóch przewodów o tej samej długości, pomiędzy którymi podłączona jest linia energetyczna - zasilacz łączący antenę z nadajnikiem.

Dla większości częstotliwości stosuje się wibrator symetryczny o długości l i pół , zwany wibratorem półfalowym (ryc. 37a.

W wyniku odbicia prądu i napięcia na końcach przewodów antenowych wzdłuż przewodów powstaje fala stojąca prądu i napięcia.

Wzdłuż wibratora półfalowego ustalana jest półfala prądu i napięcia, a wzdłuż wibratora o długości fali instalowana jest fala prądu i napięcia, ryc. 37b. Jednak w każdym przypadku na końcach instaluje się węzeł prądowy i antywęzeł napięciowy
^

GŁÓWNA CHARAKTERYSTYKA ANTEN.

CHARAKTERYSTYKA AMPLITUDOWA KIEROWNOŚCI ANTENY.

Właściwości kierunkowe anten są zwykle określane przez charakterystykę kierunkowości amplitudowej, tj. zależność natężenia pola emitowanego przez antenę mi (,) w punkcie obserwacyjnym w stałej odległości. Graficzne przedstawienie charakterystyki kierunkowej amplitudy nazywa się wzorem promieniowania, który jest przedstawiany jako powierzchnia opisana przez wektor promienia wychodzący z początku, którego długość w każdym kierunku jest proporcjonalna do funkcji F (, ) .

Wzór promieniowania jest konstruowany zarówno w układzie współrzędnych biegunowym (ryc. 38a), jak i prostokątnym (ryc. 38b).

Kierunek maksymalnego promieniowania z anten nazywany jest kierunkiem głównym. A odpowiadający mu płatek jest głównym. Pozostałe płatki są boczne. Kierunki, w których antena nie odbiera ani nie emituje, nazywane są zerami charakterystyki promieniowania.

Listek główny charakteryzuje się szerokością przy połowie potęgi  0,5 i szerokością przy zerach  0. Szerokość  0,5 wyznacza się ze wzoru na poziomie 0,707, przyjmuje się, że moc na poziomie 0,5 i natężenie pola na poziomie 0,707 są powiązane zależnością

R 0,5 / R huśtać się = mi 2 0,707 / mi 2 huśtać się = 0,5 .

Współczynnik kierunkowości charakteryzuje zdolność anteny do skupiania wypromieniowanego pola elektromagnetycznego w dowolnym kierunku. Reprezentuje stosunek gęstości strumienia mocy emitowanej przez antenę w danym kierunku do gęstości strumienia mocy uśrednionej we wszystkich kierunkach. Innymi słowy, przy określaniu wydajności antenę porównuje się z wyimaginowaną, całkowicie dookólną lub izotropową anteną, emitującą taką samą moc jak rozważana antena.

Do anten aperturowych

DO II = 4 DO isp Sa /  2 ,

Gdzie: DO isp – współczynnik wykorzystania powierzchni promieniującej przyrządu;

S a jest obszarem otworu anteny.

W przypadku większości anten RRL i systemów transmisji satelitarnej szerokość wzorca połowy mocy w płaszczyźnie pionowej jest w przybliżeniu równa szerokości wzorca w płaszczyźnie poziomej.

Aby uwzględnić efektywność anteny rzeczywistej, wprowadzono pojęcie współczynnika wzmocnienia anteny, który jest określony przez zależność

G=  o DO II ,

Gdzie:  A = R  / R 0 - wydajność anteny;

R  - moc wypromieniowana przez antenę;

R 0 – moc doprowadzona do anteny.

Wzmocnienie anteny pokazuje, ile razy należy zmniejszyć moc dostarczaną do anteny w porównaniu z mocą dostarczoną do emitera izotropowego o wydajności 1, aby natężenie pola w punkcie odbioru pozostało niezmienione.

W zakresie fal decymetrowych i centymetrowych  a  1 , Dlatego

G = K n.d.

Dla scharakteryzowania stopnia tłumienia przez antenę sygnałów odbieranych z kierunków bocznych wprowadza się współczynnik działania ochronnego KZD i oblicza się go ze wzoru DO budynek = G huśtać się /G pob, gdzie G huśtawka i G ab – zyski anteny w kierunku listka głównego charakterystyki promieniowania oraz w kierunku wtórnym.
^

ODPORNOŚĆ NA PROMIENIOWANIE.

Odporność na promieniowanie anteny R izl - wskaźnik mający wymiar rezystancji i łączący emitowaną moc P irs z prądem I A, przepływający przez dowolną sekcję anteny

R izl = R izl / I A 2 .

Ponieważ prądy i napięcia rozkładają się nierównomiernie na całej długości anteny, należy zaokrąglić wartość R izl w większości przypadków moc wypromieniowana jest powiązana z kwadratem maksymalnej amplitudy prądu (na antywęźle) lub z kwadraturą prądu na zaciskach wejściowych anteny.

Ogrom R Promień zależy od stosunku wymiarów anteny do długości fali, kształtu anteny i innych czynników.

Zatem zwiększenie długości pojedynczego wibratora symetrycznego do l =  , prowadzi do wzrostu odporności na promieniowanie. Jednak dalej spada, a następnie ponownie rośnie.

Ogólnie R Choroba ma charakter złożony.

Na przykład dla cienkiego wibratora półfalowego R izl = 73,1 Och, ach X izl = 42,5 Om.

Zwiększenie grubości wibratora prowadzi do zmniejszenia wielkości oporu fali.
^

ODPORNOŚĆ FALOWA ANTENY.

Impedancja charakterystyczna anteny Z OA jest jednym z ważnych parametrów. Opór fali rozważa się metodami teorii długich linii.

Dla pojedynczego cylindrycznego przewodu o długości l , do którego można zaliczyć antenę w postaci wibratora symetrycznego, wzór obliczeniowy ma postać

,

Gdzie: R n jest promieniem przewodnika.

Zwiększanie grubości przewodnika prowadzi do zmniejszenia oporu fali.
^

REZYSTANCJA WEJŚCIOWA.

Impedancja wejściowa anteny to wskaźnik przedstawiający stosunek napięcia na zaciskach anteny do przepływającego przez nie prądu. Ogólnie rzecz biorąc, opór ten jest złożony.

Z Śr = R Śr + iX Śr

Gdzie: R Авх – składnik aktywny rezystancji wejściowej;

X Avh jest składnikiem biernym rezystancji wejściowej.
^

ODPORNOŚĆ NA STRATY.

Odporność na straty definiuje się jako:

R P = R N + R I + R 3 ,

Gdzie: R n - odporność na straty spowodowane nagrzewaniem drutów;

R oraz - odporność na straty w izolatorach antenowych;

R 3 - odporność na straty w ziemi i instalacjach uziemiających.

Zagadnienia projektowania, produkcji i użytkowania anten na pasma fal długich (LW), średnich (MV) i krótkich (HF) stwarzają znacznie mniej problemów niż anteny na zakres VHF, zwłaszcza telewizyjne. Faktem jest, że w zakresach DV, SV, KB nadajniki z reguły mają dużą moc, propagacja fal radiowych w tych zakresach wiąże się z dużymi wartościami dyfrakcji i załamania światła w atmosferze, a urządzenia odbiorcze są mocno wrażliwy.

Podczas nadawania i odbioru sygnału w paśmie VHF, a w szczególności sygnału telewizyjnego, zapewnienie wymaganych wartości tych parametrów powoduje szereg trudności, a mianowicie: osiągnięcie mocy nadajników telewizyjnych, np. nadawczych, nie ma było to jednak możliwe; zjawiska dyfrakcji i załamania w zakresie VHF są nieznaczne; Czułość odbiornika telewizyjnego ograniczona jest poziomem szumu własnego i ze względu na konieczność odbioru sygnału szerokopasmowego wynosi około 5 μV. Dlatego, aby uzyskać obraz na wysokim poziomie na ekranie telewizora, poziom sygnału wejściowego musi wynosić co najmniej 100 μV. Jednak ze względu na małą moc nadajnika i gorsze warunki propagacji fal radiowych, natężenie pola elektromagnetycznego w punkcie odbiorczym jest niewielkie. Rodzi to jedno z głównych wymagań dotyczących anteny telewizyjnej: dla danego natężenia pola w punkcie odbiorczym antena musi zapewniać napięcie sygnału niezbędne do normalnej pracy odbiornika telewizyjnego.

Antena odbiorcza to pojedynczy przewód lub układ przewodów przeznaczony do przetwarzania energii fal elektromagnetycznych na energię prądów o wysokiej częstotliwości. Parametry anten podczas pracy do odbioru i nadawania są identyczne, dlatego można zastosować zasadę wzajemności urządzeń antenowych, co pozwala określić niektóre cechy i parametry anten w trybie nadawczym, a inne w trybie nadawczym tryb odbioru.

Fale radiowe, uderzając w otaczające obiekty, indukują w nich prądy elektryczne o wysokiej częstotliwości. Te ostatnie wytwarzają pole elektromagnetyczne, a fala elektromagnetyczna zostaje odbita. Antena odbiera zarówno fale radiowe bezpośrednie, jak i odbite, co powoduje zniekształcenie obrazu na ekranie telewizora.

Badania eksperymentalne wykazały, że przy zastosowaniu polaryzacji pionowej do miejsca odbioru dociera znacznie więcej fal odbitych niż przy zastosowaniu polaryzacji poziomej. Wyjaśnia to fakt, że w otaczającej przestrzeni, zwłaszcza w miastach, znajduje się wiele pionowych, silnie odblaskowych przeszkód (budynki, słupy, rury, magnesy). Przy wyborze rodzaju polaryzacji brane są pod uwagę również właściwości anten. Strukturalnie anteny poziome są prostsze niż anteny pionowe. Prawie wszystkie posiadają kierunkowość w płaszczyźnie poziomej, co ze względu na selektywność przestrzenną osłabia odbiór fal zakłócających i odbitych.

Anteny telewizyjne odbiorcze muszą spełniać następujące podstawowe wymagania:

Mają prosty i łatwy w użyciu projekt;

Wysoka selektywność przestrzenna;

Przepuszczaj szeroki zakres częstotliwości;

Zapewnij wysoki stosunek poziomu sygnału do poziomu zakłóceń podczas odbioru;

Mają słabą zależność impedancji wejściowej i wzmocnienia od częstotliwości.

Impedancja wejściowa anteny

Antena jest źródłem sygnału, który charakteryzuje się siłą elektromotoryczną (EMF) i rezystancją wewnętrzną, zwaną impedancją wejściową anteny. Impedancję wejściową określa się jako stosunek kierunku na zaciskach anteny do prądu na wejściu zasilacza. Aby prawidłowo dopasować antenę do kabla i telewizora, należy znać wartość impedancji wejściowej anteny: tylko pod tym warunkiem do wejścia telewizora przepływa największa moc. Przy odpowiednim dopasowaniu impedancja wejściowa anteny powinna być równa impedancji wejściowej kabla, która z kolei powinna być równa impedancji wejściowej telewizora.

Impedancja wejściowa anteny ma składową czynną i bierną. Impedancja wejściowa anteny dostrojonej rezonansowo jest czysto aktywna. Zależy to od rodzaju anteny i jej cech konstrukcyjnych. Na przykład impedancja wejściowa liniowego wibratora półfalowego wynosi 75 omów, a wibratora pętlowego około 300 omów.

Dopasowanie anteny do kabla zasilającego

Dopasowanie anteny do kabla charakteryzuje się współczynnikiem fali bieżącej (TWC). W przypadku braku idealnego dopasowania anteny do kabla, fala padająca (napięcie wejściowe) odbija się np. od końca kabla lub innego miejsca, w którym gwałtownie zmieniają się jej właściwości. W tym przypadku fale padające i odbite rozchodzą się wzdłuż kabla w przeciwnych kierunkach. W punktach, w których fazy obu fal pokrywają się, napięcie całkowite jest maksymalne (anty-węzeł), a w punktach, w których fazy są przeciwne, jest minimalne (węzeł).

Współczynnik fali bieżącej jest określony przez zależność:

W idealnym przypadku KBV = 1 (gdy występuje tryb fali bieżącej, tj. Na wejście telewizora przesyłany jest sygnał o maksymalnej możliwej mocy, ponieważ w kablu nie ma fal odbitych). Jest to możliwe poprzez dopasowanie impedancji wejściowych anteny, kabla i telewizora. W najgorszym przypadku (kiedy Umin =0) KBV=0 (występuje tryb fali stojącej, to znaczy amplitudy fal padającej i odbitej są równe, a energia nie jest przenoszona wzdłuż kabla).

Współczynnik fali stojącej jest określony przez zależność:

Kierunkowość i zysk anteny

Antena odbiorcza dookólna odbiera sygnały ze wszystkich kierunków. Antena odbiorcza kierunkowa charakteryzuje się selektywnością przestrzenną. Jest to istotne, ponieważ przy niskim poziomie kierunku pola w miejscu odbioru, taka antena zwiększa poziom odbieranego sygnału i osłabia zakłócenia zewnętrzne dochodzące z innych kierunków.

Wzmocnienie kierunkowe anteny odbiorczej to liczba pokazująca, ile razy moc odbierana na wejściu telewizora w przypadku odbioru przez antenę kierunkową jest większa od mocy, którą można odebrać w przypadku odbioru przez antenę dookólną (przy tym samym natężeniu pola). .

Właściwości kierunkowe anteny charakteryzują się charakterystyką promieniowania. Charakterystyka promieniowania anteny odbiorczej jest graficznym przedstawieniem zależności napięcia sygnału na wejściu telewizora od kąta obrotu anteny w odpowiedniej płaszczyźnie. Wykres ten charakteryzuje zależność pola elektromagnetycznego indukowanego w antenie przez pole elektromagnetyczne od kierunku dotarcia sygnału. Jest zbudowany w polarnym lub prostokątnym układzie współrzędnych. NA Ryż. 12 Przedstawiono charakterystyki promieniowania anteny typu „kanał falowy”.

Ryż. 1. Charakterystyka promieniowania anteny w układzie współrzędnych biegunowych

Wzory promieniowania anteny są najczęściej wielopłatkowe. Płatek odpowiadający kierunkowi nadejścia fali, przy którym w antenie indukowana jest maksymalna wartość pola elektromagnetycznego, nazywany jest płatem głównym. W większości przypadków wzór promieniowania ma również listki odwrotne (tylne) i boczne. Dla wygody porównywania ze sobą różnych anten, ich charakterystyki promieniowania są znormalizowane, to znaczy są wykreślane w ilościach względnych, przyjmując najwyższy EMF jako jeden (lub sto procent).

Głównymi parametrami charakterystyki promieniowania są szerokość (kąt otwarcia) płata głównego w płaszczyźnie poziomej i pionowej. Szerokość listka głównego służy do oceny właściwości kierunkowych anteny. Im mniejsza jest ta szerokość, tym większa kierunkowość.

Ryż. 2. Charakterystyka promieniowania anteny w prostokątnym układzie współrzędnych

Poziom listków bocznych i tylnych charakteryzuje odporność anteny na zakłócenia. Wyznacza się go za pomocą współczynnika działania ochronnego (PAC) anteny, rozumianego jako stosunek mocy przydzielonej przez antenę do dopasowanego obciążenia przy odbiorze z tyłu lub z boku, do mocy przy tym samym obciążeniu przy odbiorze z tyłu lub z boku. odbiór z głównego kierunku.

Często współczynnik ochronny wyraża się w jednostkach logarytmicznych - decybelach:

Właściwości kierunkowe anteny charakteryzuje także współczynnik kierunkowy (DC) – liczba pokazująca, ile razy moc sygnału odbieranego na wejściu telewizora przy odbiorze przez daną antenę kierunkową jest większa od mocy, jaką można by uzyskać odbierając przez antena dookólna lub kierunkowa antena referencyjna. Jako antenę odniesienia najczęściej wykorzystuje się wibrator półfalowy (dipol), którego współczynnik kierunkowy w stosunku do hipotetycznej anteny dookólnej wynosi 1,64 (czyli 2,15 dB). Zysk efektywności charakteryzuje maksymalny możliwy zysk mocy, jaki antena może zapewnić ze względu na swoje właściwości kierunkowe, przy założeniu, że nie ma w niej całkowicie żadnych strat. W rzeczywistości każda antena ma straty, a zapewniany przez nią zysk mocy jest zawsze mniejszy niż maksymalny możliwy. Rzeczywisty zysk mocy anteny względem hipotetycznego emitera izotropowego lub wibratora półfalowego charakteryzuje się wzmocnieniem mocy K r, co jest powiązane ze współczynnikiem efektywności:

Gdzie η - współczynnik wydajności (efektywności) anten.

Sprawność anteny charakteryzuje straty mocy w antenie i jest stosunkiem mocy promieniowania do sumy mocy promieniowania i strat, czyli do całkowitej mocy dostarczanej do anteny z nadajnika:

Gdzie P ty- moc promieniowania, Pn- straty mocy.

Szerokość pasma anteny

Szerokość pasma odbiorczej anteny telewizyjnej to widmo częstotliwości, w którym zachowane są wszystkie podstawowe wartości jej właściwości elektrycznych. Pasmo przenoszenia dostrojonej anteny jest podobne do krzywej rezonansowej obwodu oscylacyjnego. Dlatego analogicznie do szerokości pasma obwodu można również określić szerokość pasma anteny.

Przy częstotliwości rezonansowej (stałej) antena ma pewną wartość impedancji wejściowej, która jest zgodna z impedancją obciążenia. Częstotliwość tę zwykle przyjmuje się jako średnią częstotliwość kanału telewizyjnego, przy której reaktancja anteny wynosi zero. Przy częstotliwościach poniżej rezonansu ma charakter pojemnościowy, a przy częstotliwościach powyżej rezonansu ma charakter indukcyjny.

Zatem zmiana częstotliwości prowadzi zarówno do zmiany składowej czynnej, jak i pojawienia się składowej reaktywnej rezystancji wejściowej. W rezultacie moc dostarczana do obciążenia jest zmniejszona.

Jest to szczególnie zauważalne przy częstotliwościach skrajnych, najbardziej oddalonych od częstotliwości rezonansowej. Dopuszczalne jest zmniejszenie mocy nie więcej niż dwukrotnie. Na podstawie tej przepustowości 2Af Za widmo częstotliwości bliskie częstotliwości rezonansowej uważa się zakres, w którym moc dostarczana do obciążenia zmniejszy się o nie więcej niż połowę.

Aby zapewnić dobrą jakość odbioru, antena musi przepuszczać całe spektrum częstotliwości sygnału telewizyjnego, które dla jednego kanału wynosi 8 MHz. Jakość obrazu jest nadal całkiem dobra, jeśli antena przechodzi przez pasmo częstotliwości co najmniej 6 MHz. Dalsze zawężanie pasma częstotliwości prowadzi do pogorszenia jakości obrazu i utraty przejrzystości. Najskuteczniejszą metodą rozszerzenia pasma jest zmniejszenie zastępczej impedancji charakterystycznej wibratora poprzez zwiększenie jego wymiarów poprzecznych. W ten sposób zwiększa się pojemność liniowa, a indukcyjność liniowa wibratora maleje. Między innymi szerokość pasma anteny jest ograniczona przez szerokość pasma podajnika redukcyjnego.

Po serii eksperymentów z antenami śrubowymi skonstruowano wykres

impedancja wejściowa anten dipolowych i pionowych anten śrubowych w zależności od współczynnika skracania (rys. 6.9) w zakresie 7...28 MHz. Anteny wykonano na ramie dielektrycznej o średnicy od 10 mm do 10 cm, uzwojenie spirali było równomierne, zastosowano drut o średnicy większej niż 0,5 mm.

Jak wykazały eksperymenty, w przypadku skróconych anten śrubowych o K = 2...10 zmiana średnicy ich ramy w zakresie 1...10 cm nie wpływa znacząco na impedancję wejściową. Natomiast dla mocno skróconych anten śrubowych o K > 10 uzyskane przeze mnie wyniki pokazały, że impedancja wejściowa w dużej mierze zależy od średnicy ich ramki dielektrycznej oraz od częstotliwości, z jaką rezonuje antena śrubowa, dlatego dla nich tak prosty wykres jak na ryc. Nie udało się uzyskać 6,9.

Jak widać z tego wykresu, kabel koncentryczny o impedancji charakterystycznej 50 omów, czyli długości elektrycznej będącej wielokrotnością połowy długości fali anteny, nadaje się do zasilania anten dipolowych i pionowych anten śrubowych o współczynniku K > 3. W niektórych przypadkach anteny pionowe miały początkowo impedancję wejściową znacznie większą niż na ryc. 6.9, ale dostrojenie masy anteny do rezonansu umożliwiło jej obniżenie. Podłączenie kabla koncentrycznego do anteny pionowej zwykle powoduje nieznaczną zmianę impedancji wejściowej po stronie transceivera i w takim przypadku zmiana impedancji wejściowej

występuje w kierunku malejącym. Dipolowa antena spiralna

W porównaniu z pionem ma zwykle impedancję wejściową bliższą pokazanej na wykresie. Jednakże podłączenie kabla koncentrycznego do dipolowej anteny spiralnej może spowodować, że rezystancja anteny będzie znacząco różnić się od pokazanej na wykresie, zarówno w górę, jak i w dół. Pierścienie ferrytowe składające się z co najmniej 10 sztuk zamontowane na końcach kabla koncentrycznego zmniejszają jego wpływ

do rezystancji wejściowej, ale nie są całkowicie wyeliminowane. Jeżeli współczynnik kształtu anteny śrubowej przekracza 5, na końcu kabla koncentrycznego zasilającego antenę zaleca się zainstalowanie dławika wysokiej częstotliwości nie z pierścieni ferrytowych, ale w postaci 5–20 zwojów kabla koncentrycznego z średnica 10…20 cm.

Zmiana średnicy spirali i średnicy drutu użytego do nawinięcia faktycznie skróconej anteny nie ma istotnego wpływu na impedancję wejściową anteny. Dzieje się tak, ponieważ wraz ze wzrostem średnicy spirali antena promieniuje wydajniej, dlatego wzrasta rezystancja radiacyjna anteny i wzrasta jej impedancja wejściowa. Wraz ze zmniejszaniem się średnicy spirali maleje skuteczność promieniowania fal elektromagnetycznych anteny, a co za tym idzie, maleje opór promieniowania, ale rosną straty dielektryczne w ramie spirali. Wzrost strat dielektrycznych prowadzi do wzrostu rezystancji wejściowej anteny śrubowej. Oczywiście, aby zwiększyć wydajność anteny śrubowej, do wykonania jej spirali należy użyć drutu o jak największej średnicy, a średnica zwojów spirali powinna być maksymalna możliwa do praktycznego zastosowania anteny. Rama, na której wykonana jest spirala anteny, musi charakteryzować się niskimi stratami dielektrycznymi. Przy projektowaniu anteny śrubowej pożądane jest zastosowanie równomiernego uzwojenia spirali.