АЗБУКА УКВ-АППАРАТУРЫ

Статья 11. Антенны для связи на УКВ

Основные особенности

Антенна является самым эффективным и самым надежным усилителем принимаемых сигналов, поэтому вопросом о выборе антенны нужно заниматься с большой ответственностью. Эта статья предназначена для радиолюби­телей, начинающих интересоваться вопросами радиосвязи на УКВ, и должна познакомить их с основными особенностями антенн, применяю­щихся при связи на УКВ, в том числе и при связях с УКВ радиостанциям, установленными на искусственных спутниках Земли (ИСЗ).

1.  Первая особенность заключается в необхо­димости учитывать поляризацию излучаемых и принимаемых антенной радиоволн.

2.  Вторая особенность — антенна должна быть постоянно ориентирована на радиостанцию корреспондента.

Немного о поляризации радиоволн

Среди радиолюбителей и в радиолюбительской литературе бытует довольно примитивное объяснение явления поляризации. Считается, что если прямолинейная антенна (длинный про­вод или диполь) расположена горизонтально, то такая антенна излучает и принимает радиовол­ны, имеющие горизонтальную поляризацию. Если прямолинейная антенна расположена вер­тикально (штыревая антенна), то такая антенна излучает и принимает радиоволны с верти­кальной поляризацией, хотя такое объяснение является довольно упрощенным, оно не проти­воречит волновой теории электромагнитных колебаний и имеет право на существование.

Установлено что при приеме вертикально поляризованных сигналов на антенну с гори­зонтальной поляризацией происходит потеря по мощности на 3 децибела, что равносильно ухудшению приема в два раза по сравнению с приемом этого же сигнала на антенну с вертикальной поляризацией.

Интересные преобразования поляризационных свойств происходят с УКВ антеннами, установ­ленными на Искусственных Спутниках Земли (ИСЗ). Каждый из ИСЗ, не имеющих системы стабилизации, в процессе полета по орбите вокруг Земли еще и вращается вокруг какой то своей оси. Поэтому установленная на МСЗ антенна постоянно меняет свою ориентацию относительно поверхности Земли, в какой-то период времени она располагается гори­зонтально поверхности в другой период - вер­тикально. Считается, что в подобном случае, когда антенна непрерывно изменяет свою ориентацию по отношению к поверхности Земли, такая антенна излучает или принимает радиоволны с вращающейся (круговой) поляризацией. Сущест­вует левая и правая круговая поляризация.

Если вы не хотите иметь потерь мощности при приеме сигнала, то для приема и излучения радиоволн с вращающейся поляризацией долж­ны применять специальные антенны, допуска­ющие эту самую круговую поляризацию,

В радиолюбительской практике имеются антен­ны, которые по своей конструкции предназначены для приема и излучения радиоволн с дуговой поляризацией и антенны, которые специальными методами приспосабливаются для приема таких волн. К первому типу антенн относятся стиральные и параболические антен­ны. Эти антенны по своей конфигурации изна­чально предназначены для приема или излу­чения радиоволн с круговой поляризацией. В качестве специальных методов для искусствен­ного создания круговой поляризаци можно применить две одинаковые прямолинейные антенны (например, два одинаковых волновых канала), из которых одна устанавливается горизонтально, а вторая - вертикально, при этом антенны запутываются со сдвигом фазы на величину четверти длины волны.

Некоторые из конструкций антенн, удобных для работы на УКВ, в том числе и с ИСЗ, будут описаны ниже.

Немного о направленности антенн

Естественно, что чем выше коэффициент уси­ления антенны, тем более мощный сигнал можно получить на выходе радиоприемника. Но следует учитывать, что гропорционально росту усиле­ния антенны сужается передний лепесток диаграмм направленности антенны и сужается полоса излучаемой или принимемой антенной частоты. Если антенна имеет очень узкий перед­ний лепесток, то такую антенну трудно точно ориентировать либо на удаленного корреспон­дента, либо на ИСЗ и может получиться так, что весь выигрыш от увеличения усиления будет потерян за счет не точной ориентации антенны на корреспондента. Вывод можно сделать один - антенну с высоким усилением можно исполь­зовать только тогда, когда вы имеете специаль­ное устройство для точной ориентации антенны на корреспондента.

Эффективность антенны и антенные усилители

Эффективность любой антенны находится в прямой зависимости от ее геометрических размеров. Но при больших размерах возникают вопросы механической прочности и жесткости конструкции. Тем не менее, повышение эффек­тивности антенны - это единственно не имеющий ограничений путь увеличения энергетического потенциала приемника и всей радиостанции.

 Для более полного понимания процесса ниже приведу некоторое математическое обоснова­ние. Достаточно подробно этот вопрос описан в книжке С. Г. Жутяева «Любительская УКВ радио­станция».

 Любую антенну можно представить в виде эквивалентной площадки, стоящей на пути распространения радиоволн. Следующая форму­ла говорит о том, что чем больше геометри­ческая площадь антенны, тем больше коэффи­циент её усиления: G = 4пS/&², где G—усиление антенны по отношению к изотропному излу­чателю; S - эквивалентная площадь, м^г; & - дли­на волны, м.

 С точки зрения приведенной формулы и энер­гетики совершенно неважно, какую форму будет иметь эквивалентная площадка: будет ли она Круглая, квадратная или будет иметь форму вытянутого прямоугольника. В любом случае при равной площади будет равный коэффициент усиления. В то же время форма эквивалентной площадки оказывает самое непосредственное влияние на диаграмму направленности этой антенны. Так, ширина главного лепестка диаграммы направленности может быть связана с линейньми размерами площадки следующим приближенным выражение : , где  - ширина главного лепестка по уровню-3 дБ, град; & - длина волны, м; I - ли­нейный размер эквивалентной площадки в плос­кости измерения диаграммы направленности, м.

 Эта же формула, переписанная в другом виде, позволяет по известной диаграмме направлен­ности антенны оценить размеры эквивалентной площадей: I = 50&/

 Пусть, например, испытания антенны диапа­зона 435 МГц показали, что ширина диаграммы натравленности равна 25° в горизонтальной плоскости и 20° в вертикальной плоскости. Легко oпределить, что эквивалентная площадка будет иметь размер 1,4м по горизонтали и 1,75м по вертикали.

 Для повышения коэффициента усиления антен­ной системы очень часто радиолюбители распо­лагают несколько одинаковых антенн рядом друг с другом и подключают их к одному фидеру. Такие антенные системы называются антенными решетками и могут иметь очень большие величины коэффициентов усиления.

 Для расчета антенной системы, состоящей из нескольких одинаковых простых антенн, как раз и предназначены расположенные выше формулы.

 Эти формулы и такие оценки очень удобны для представления процессов, если предполагается увеличивать коэффициент усиления за счет соединения нескольких антенн в антенную решетку. Так, для рассмотренного выше примера расстояние между соседними этажами решетки должно равняться 1,75 м, а между соседними рядами 1,4 м. При меньших расстояниях экви­валентные площадки будут взаимно перекры­ваться и общий коэффициент усиления будет меньше суммы коэффициентов усиления всех антенн. При больших расстояниях появятся зазо­ры между отдельными площадками. В резуль­тате общее усиление возрастать не будет, зато будут неоправданно увеличиваться габариты антенны. При этом в главном лепестке диаграм­мы направленности появляются провалы, разби­вающие его на несколъко составляющих.

 Итак, если вы решили для повышения коэффи­циента усиления создать антенную решетку из нескольких одинаковых простых антенн, то обязательно учтите необходимость правильного выбора расстояний между соседними простыми антеннами.

 Теперь следует несколъко слов сказать еще об одном факторе, от которого зависит эффектив­ности антенны. Нужно знать, что в общем случае коэффициент усиления является произведением коэффициента направленного действия антенны (к.н.д.) и её коэффициента полезного действия (к.п.д.): G = Кn, где К- к.н.д. антенны; n - к.п.д. антенны. Это значит, что недостаточно сделать антенну большой площади, надо еще суметь всю энергию, падающую на данную площадь, с минимальными потерями доставить к потре­бителю данной энергии, т. е. к входу приемника. При создании любых антенн следует помнить о «принципе взаимности», который говорит об эквивалентности параметров антенны в режиме приема и передачи. Принцип взаимности можно сформулировать следующим образом: «диаграмма направленности или к.н.д. антенны не зависят от того, используется эта антенна для приема или для передачи».

 Излучение электромагнитной энергии связано с протекатеним высокочастотного тока по элемен­там антенны, поэтому потери в самой антенне определяются оммическими потерями в метал­лических элементах. Большое влияние на коэф­фициент полезного действия антено-фидерного тракта оказывают потери в кабельных линиях, которые надо обязательно учитывать при оценке энергетического потенциала как отдельного радиоприемника, так и радиостанции в целом, т.е. при работе как на прием, так и на передачу. Следует помнить, что с ростом частоты потери в подводящем кабеле сильно возрастают. Так, например, 20-метровый отрезок кабеля типа РК-75-4-11 ослабляет проходящий по нему сигнал на частоте 144 МГц в 2.1 раза (3,2 дБ), на частоте 432 МГц - в 3,4 раза (5,4 ДБ), а на частоте 1296 МГц - в 13 раз (11,2 ДБ). Видно, что на высокочастотных диапазонах потери возрастают до недопустимых значений. К тому же здесь приведены данные для идеального случая, когда отсутствуют отражения на концах линии, т.е. для случая, когда входное сопротивление антенны равно волновому сопротив­лению кабеля. Если же сопротивление нагрузки (антенны) отличается от волнового сопротивления кабеля, то часть энергии отражается от конца кабеля в месте его соединения с антенной и движется в обратном направлении.

 Видно, что потери в фидере оказывают существенное влияние на потенциальные воз­можности как приемника, так и всей радио­станции. В результате могут быть сведены на нет усилия, затраченные на изготовление боль­шой и сложной антенны. И если в режиме пере­дачи еще можно как-то компенсироватъ потери в фидере за счет увеличения мощности, то в режиме приема потери носят необратимый характер. Разрешить данную проблему помогают антенные усилители, расположенные в непос­редственной близости от антенны. Особенно оправдано грименение антенных усилителей при связях с ИСЗ, когда для приема и передачи используются различные антенны и частоты.

 Вопрос о необходимости применения такого усилителя надо решать в каждом конкретном случае, сравнивая внешние шумы антенны и внутренние шумы приемника. Для того чтобы решить вопрос о необходимости применения антенного усилителя для обеспечения нормаль­ного режима работы входной цепи приемника, вместо антенны надо для сравнения подключать резистор, сопротивление которого равно вол­новому сопротивлению фидера. Если даже в самые благоприятные ночные часы шумы антен­ны заметно (в 2 раза и более) превышают шумы резистора, применять антенный усилитель не следует. Более того, лишний каскад усиления сделает приемник более уязвимым по отно­шению к помехам от близких радиостанций.

 Схемы антенных усилителей можно позаим­ствовать из схем конвертеров соответствующих диапазонов, описания которых были приведены в предыдущих главах.

  На рис. 11.1 представлена принцигиальная электрическая схема антенного усилителя для диапазона 145 МГц.

 Усилитель должен быть смонтирован в запаяном металлическом кожухе и расположен в непосредственном близости от клемм подключения антенны.

 От УВЧ обычного конвертера на 145 МГц схема этого усилителя отличается наличием диода VDl и высокочастотного дросселя Др.1. Диод служит для предотвращения пробоя транзистора навод­ками от работающего передатчика, а через дрос­сель подается питание на транзистор. Органи­зация подачи питания на транзистор может быть выполнена непосредственно по кабелю, соеди­няющему антенну с приемником. При этом на входе приемника следует дополнительно раз­местить цепочку, состоящую из конденсатора С4 и ВЧ дросселя Др.2, которая показана на схеме справа. Подведенное через дроссель Др.2 напря­жение поступает через кабель на транзистор усилителя и обеспечивает нормальную работу антенного усилителя.

 Точно по такому же принципу можно изгото­вить антенный усилитель и для других диапа­зонов. При этом ВЧ дроссели должны изгота­вливаться из куска провода длиной (0,2…0.1)& . Провод нужной длины наматывается на оправку удобного диаметра (2,5 ... 4мм) плотно, виток к витку, а затем получившаяся катушка снимается с оправки и растягивается таким образом, чтобы между витками были зазоры no 1...2 мм.

 При настройке антенного усилителя следует обязательно проверить, не создает ли диод VDl излишнего шума. Если шум при подключении диода усиливается - то диод следует убрать и пытаться обходиться без него.

  С. Г. Жутяев в своей книжке советует применить схему антенного усилителя, выполненного на мощном многоэммитерном транзисторе типа КТ911А или К610А. При этом необходимость в защитном диоде пропадает. Один из вариантов схемы такого антенного усилителя приведен на рис. 11.2.

  

 Катушка H для диапазона 145 МГц содержит два витка посеребренного провода диаметром 1,0 мм. Диаметр оправки—10 мм. Настойку усилителя надо начинать с установки режима транзистора по постоянному току. Подбором резистора R1 надо добиться, чтобы коллекторный ток транзистора составил 15—25 мА. Далее антенный усилитель через отрезок кабеля нужной длины надо подключить к входу приемника и настроить с помощью конденсаторов С1,С2 на наилучшее значение коэффициента шума.

 Этот антенный усилитель имеет следующие характеристик: коэффициент усиления около 20 дБ, коэффициент шума 1,5—1,8. Для предотвращения выхода из строя последующих каскадов усиления желательно в режиме передачи снимать напряжение питания с транзистора VТ1, а еще лучше соединять провод питания антенного усилителя с землей.

Антенньй усилитель для диапазона 1296 МГц описан в журнале «РАДИО»   №8 за 2002год.

Статья называется «Антенный усилитель диапазона 1296 МГц».

Тяпичев Г А

Продолжение следует...