Ізотропна антена теоритическая антена, нескінченно малих розмірів, що випромінює однакової сили сигнал у всіх напрямках. Діаграма спрямованості такої антени - сфера. Ізотропну антену можна порівняти з крихітної лампою розжарювання, вміщеній в центр великої сфери. Лампа буде висвітлювати будь-яку частину площі поверхні сфери, з однаковою інтенсивністю, освітленістю. Такий антени не існує в природі, але використання цього поняття, часто виявляється дуже корисним, при порівнянні посилення інших антен з посиленням ізотропної антени, яке приймається за 0 dbi, т.е.за точку відліку.
Антени в вільному просторі.
Вільний простір, це такі умови, коли немає землі, або будь-яких, що відбивають хвилі, поверхонь. Антени, існуючі в реальному житті, завжди випромінюють енергію в якому то напрвлении краще, а яке то - гірше. Наприклад, диполь, який випромінює максимуми енергії, під прямим кутом до полотна антени в азимутальної площині. За рахунок такої характеристики, диполь має коефіцієнт посилення 2.15dbi, тому що є, по суті, у двох напрямках антеною, на відміну від всенаправленной, ізотропної.
Антена над землею.
Якщо ми розмістимо наш диполь А над землею на висоті H = 0.5 лямбда, Рис.1, яка має відображає здатність, то частина хвиль B, излученная антеною під кутом до горизонту, складеться в фазі з хвилею D, відбитої від землі, в результаті чого , сумарне поле подвоїться в певній точці півсфери, тобто енергія поля збільшиться на 3 db.
Оскільки, в протилежному напрямку (диполь випромінює в двох напрямках), відбудеться те ж, то можна вважати, що сумарне посилення диполя збільшиться на 6 db, в порівнянні з диполем, розташованому в вільному просторі. Оскільки посилення диполя у вільному просторі спочатку більше посилення ізотропного випромінювача на 2.15 db, посилення такого диполя, у землі, буде 8.15 dbi (6db + 2.15db) або 6 dbd. Знак dbd, вказує на те, що антена порівнюється з диполем у вільному просторі, а знак dbi, вказує на порівняння з ізотропної антеною. Реально, посилення диполя, буде дещо менше, тому що земля не є ідеальним відбивачем, рефлектором для хвиль. Завжди існують втрати в землі, в результаті чого, не вся енергія відіб'ється від землі, а тільки її частину, і тому поле в сумі не подвоїться, а збільшиться менше ніж в два рази.
Для характеристики якості землі приведу таблицю
з даними, які знадобляться тим, хто захоче моделювати антени, за допомогою програми EZNEC-3.
Тип землі Діель. провідність Якість
Морск. Вода 81 5000.0 превосх.
Прісна вода 80 1.0
Низькі пагорби, 20 30.3 дуже хор.
Степ 12 7.5 хороший.
Середні пагорби 13 6
Глинистий грунт 13 5 середня
Гори, круті пагорби 12-14 2 погана
Суха піщаний ґрунт 10 2
Міста, индустр. райони 5 1 дуже погана
Міста, тяж. індустрія 3 0.1 гранично погана
Як видно з цієї таблиці, найкраще якість землі - морська вода. Саме найгірше - у великих містах з важкою індустрією, великими асфальтовими покриттями, наприклад, Москва, Свердловськ, Челябінськ і т.д.
Погана якість землі, знижує струм випромінювання вашої антени, який будучи випромінюючи, повертається, до антени по погано проводить землі. А як дізнаємося нижче, саме струм антени визначає її діаграму, посилення антени.
При прийомі, яка прийшла хвиля, пройшовши через антену, наводить в ній струм. Але струм повинен без втрат піти в землю, і далі повернутися до джерела, тобто до радіостанції, яка випромінює цей струм. Якщо земля буде поганий, то частина струму буде втрачена в землі. Оскільки антена і земля - послідовна для струму ланцюг, то зменшення струму за рахунок втрат в землі, викличе неминуче зменшення струму і в антені.
Втрати в землі, замінюються опором Rп, в схемі послідовного контуру, який служить еквівалентом низькоомних антен. До цього опору, слід додати ще й втрати в проводі антени, її контактах а також, втрати в ізоляторах, які містить антена. Це сумарний опір і буде Rп.
На малюнку 2, показаний загальний шлях излученной хвилі, що має вертикальну поляризацію, при трансконтинентальної зв'язку.
Випроменена в точці А хвиля, прийшовши до іоносфери і відбившись від неї, приходить до приймальні антени С. Пройшовши через антену, і навівши в ній ЕРС, струм йде в землю, і далі направляється до джерела, тобто в точку А. Він проходить по землі (показано пунктиром), досягає океану, і далі йде до материка. Достігув материка, він проходить по землі і повертається до джерела. Все, ланцюг замкнувся. Ми бачимо, що струм тече по складному шляху. Як же можна скоротити втрати струму, енергії на цьому шляху? Способів зробити це, всього три:
Зменшити кількість відображень від іоносфери, оскільки при кожному відображенні, сигнал втрачає приблизно 20 дб. Це досягається шляхом застосування антен з притиснутим до землі випромінюванням.
Зменшити опір землі, або поліпшити її якість. Це досягається шляхом металізації (закопування в землю радіальних провідників, 100-200 шт. Безпосередньо під антеною) землі в ближній зоні антени (в радіусі від 0,5 лямбда). Можна також застосувати звичайну кухонну сіль. Якщо посипати землю сіллю (приблизно 200-300 грам на кв. М) в цьому радіусі, а потім гарненько пролити водою, земля помітно збільшить провідність. Можна просто пролити землю солоною водою. Правда це може завдати шкоди екології, оскільки рослинність може загинути.
Зменшити втрати в самій антені. Вибирати матеріал випромінювача з найменшим провідникові (ні в якому разі не слід застосовувати сталеві труби для випромінювача). Застосовувати високоякісні ізолятори, гарненько пропоювати всі контакти антени.
Саме через втрат в землі, зв'язок між точками А і В, буде багато краще, оскільки шлях струму в землі З-В відсутня. Станції, розташовані на узбережжі океанів, морів, будуть завжди мати набагато більше шансів встановити зв'язок з іншими материками, ніж станція, розташована вглиб материка. Як видно з таблиці вище, провідність морської води в тисячу разів краще, ніж провідність середньої якості землі. Отже і втрати струму будуть набагато меншими за.
Антени служать для перетворення енергії ВЧ струмів, в енергію електромагнітного поля, і назад, при прийомі. Антени бувають прийомними, передають і приймально-передавальними. Характеристики антени однакові при прийомі і передачі, тому передавальну антену, можна використовувати і в якості приймальні. Не всі приймальні антени, можна використовувати як передають, тому що вони бувають малих розмірів, мають низький ККД, мають обмеження по допустимій потужності і т.д.
Якщо ми підведемо до передавальної антени ВЧ напруга, Рис.3, то в ній буде протікати ВЧ струм, а між різними точками антени, виникне різниця потенціалів.
Навколо антени, в просторі, утворюється електоромагнітних поле з частотою, з якою ми маємо антену. Причому, тут, треба зробити дуже важливе зауваження:
максимально інтенсивно, антена випромінює тією частиною дроти, по якій проходить максимальний ТОК. У випадку з напівхвильового диполів, це буде середня частина антени. Тобто діаграма антени формується струмового частьюполотна антени.
Треба запам'ятати це, що допоможе в подальшому враховувати цей фактор, при установці, розробці антен власної конструкції.
Антени характеризуються поляризацією випромінювання хвилі. Якщо провід антени, або струмовий частину полотна антени розташована вертикально, то поляризація хвилі буде вертикальної, а якщо горизонтально - горизонтальною. Якщо провід розташований похило, то поляризація буде змішаною, тобто вертикально горизонтальної. Поляризація важлива, якщо проводиться зв'язок земної хвилею, тобто в межах прямої видимості, оскільки в цьому випадку, излученная поляризація, приходить до приймальні антени незмінною. Якщо ж зв'язок проводиться з відбиттям від іоносфери, тобто далекий зв'язок, то поляризація вашого випромінювання, не має значення для вашого кореспондента, тому що хвиля, відбившись від іоносферного шару, приходить до приймальні антени, маючи випадкову поляризацію, причому вона може дуже швидко змінюватися з горизонтальної на вертикальну і навпаки. Іншими словами, ви можете випромінювати і приймати на вертикальну антену, що має вертикальну поляризацію, а ваш кореспондент буде використовувати горизонтальну антену (диполь, Яги, і т.д.) Це не буде мати абсолютно ніякого значення для зв'язку.
Якими ж основними параметрами характеризуються антени? Давайте розглянемо їх докладніше.
2.4.1Сопротівленіе випромінювання антени - це відношення напруги U до пучности (максимуму) струму в антені
Опір випромінювання залежить від розташування антени по відношенню до землі і навколишніх предметів, а також від її геометричних розмірів. Теоретичне опір диполя (у вільному просторі) одно 72 Ом. В реальних умовах близькості землі і навколишніх предметів, опір випромінювання зменшується до 60-65 Ом і нижче.
2.4.2Входное опір (імпеданс) антени
Za = Rізл + Rп + jXa
Де Rп-опір втрат в провіднику для ВЧ струмів, витоку в ізоляторах антени, а у вертікалов- втрати в землі.
Ха-реактивний опір антени. При резонансі, теоретично, реактивний опір дорівнює 0 (згадайте послідовний резонанс). При цьому струм в антені максимальний, і випромінювання максимально.
Rп одно від декількох Ом, при хорошій якості землі, до декількох десятків Ом, при поганому. Антени з горизонтальною поляризацією, менше залежать від якості землі, і їх імпеданс вище, ніж у вертикаль, тому їх ККД близький до 1. вертикаль, у яких дуже висока залежність від якості землі, і які мають імпеданс 36.6 Ом, мають ККД нижче 1.
Приклад: припустимо, опір втрат у нас - 6 Ом. З огляду на, що імпеданс диполя, в реальності 60 Ом, расчитаем ККД
А тепер те саме, для вертикалі
Для зниження опору втрат в землі, для вертикаль, звичайно застосовуються радіаль, причому, чим більше їх кількість, тим менше опір втрат.
2.4.4Полоса пропускання антени - смуга, в межах якої, антена зберігає високу ефективність роботи. Смуга, зазвичай, визначається за рівнем КСВ = 2, тобто якщо, наприклад, ми маємо на резонансній частоті КСВ = 1.2, то змінюючи частоту до значення, поки КСВ не збільшиться до 2, в обидві сторони від резонансної частоти, ми отримаємо ширину пропускання антени. Наприклад, вниз ми змінили частоту на 100кГц, а вгору-на 150 кГц. Смуга, в цьому випадку буде 250 кГц. У цій смузі, антена буде працювати найбільш ефективно.
Добротність антени. Кожен провідник має своє значення розподіленої індуктивності і ємності, які рівномірно розподілені по всій довжині провідника. Цей провідник можна представити у вигляді еквівалентного послідовного контуру, роботу якого ми вже розбирали. Чому ж все-таки послідовний контур? Всі антени, що живляться струмом, тобто низькоомні антени, наприклад, наш друг, полуволновой диполь, при резонансі, мають максимум струму. Ми вже знаємо, що максимум струму, при резонансі, характерний, тільки для послідовного контуру. Резонансна частота такого контуру, як ми знаємо, визначається величинами L і C. Величина Rп- опір втрат в контурі, на в еквівалентній схемі контуру для антени, Рис.4 замінюється на опір випромінювання антени, наприклад, для диполя - 60 Ом.
Однією з характеристик контура, є добротність. Вона прямо пропорційна L і обернено пропорційна C.
З формули, ми бачимо, що чим вище L, і нижче C, тим вище добротність, і навпаки. Фізично, це означає, що чим товще дріт антени, тим нижче його індуктивність і вище паразитная ємність із землею, а значить, згідно з формулою, нижче добротність антени. Антена, в цьому випадку, більш широкосмугового. У професійного радіозв'язку, де потрібні дуже широкодіапазонні антени, для того, щоб знизити добротність антени, полотно антени, виготовляють з декількох - 6 - 8, проводів, з'єднаних паралельно, наприклад, диполь Надененко. Слід також знати, що чим вище опір випромінювання антени, тим більше широкосмугового антени. З цієї причини, наприклад, петлевий вібратор, у якого опір випромінювання дорівнює 300 Ом, є широкосмугового антеною, а укорочений вертикалі органів, довжиною менше чверті лямбда, що має тільки 10 Ом, буде узкополосной антеною.
2.4.5Діаграмма спрямованості показує залежність напруженості поля антени, від напрямку. Ширина головної пелюстки, діаграми спрямованості - кут між напрямками, в яких випромінює антеною потужність, зменшується на 3 db або в два рази (напруженість поля зменшиться в 1.41 рази). Діаграми спрямованості антен визначаються для двох площин: горизонтальної і вертикальної, причому остання - найбільш важлива для оцінки роботи антени. На Рис.5, дана діаграма вертикала, у вертикальній площині.
Точки 1 і 2. визначають ширину діаграми спрямованості вертикала, тому що відстоять від точки максимуму випромінювання на -3 db.
Дуже важливе зауваження:
ДІАГРАМА СПРЯМОВАНОСТІ БУДЬ АНТЕНИ, АБСОЛЮТНО НЕ ЗАЛЕЖИТЬ ВІД ЗНАЧЕННЯ КСВ В ЛІНІЇ ПЕРЕДАЧІ.
Від КСВ залежить тільки ступінь узгодженості кабелю з антеною. При прийомі це означає, яку частину сигналу ви втратите при прийомі, з огляду на неузгодженості кабелю з антеною. При передачі - яку частину потужності ви втратите в кабелі з тієї ж причини.
КСВ абсолютно ніяк не впливає на діаграму антен.
2.4.6Коеффіціен спрямованої дії - показує, у скільки разів потужність випромінювання антени в головному напрямку, більше потужності, яку буде випромінювати ізотропний випромінювач.
2.4.7Отношеніе вперед-назад і вперед-убік - відношення ЕРС (напруга на вхідних затисках антени, при прийомі) антени, при орієнтації максимуму її діаграми спрямованості до положення антени, при її повороті на 180 градусів (назад) або 90 градусів (убік) . На Рис.6, як приклад показана діаграма спрямованості двоелементною диполя спрямованої дії.
На цій діаграмі, ставлення вперед-назад, так само 18.17db або 3 бали за S-метру (Front / Sidelobe). Ставлення вперед-убік, застосовується до азимутальной діаграмі антени.
Це основні параметри антен, якими вони характеризуються.