ВЫБОР АНТЕННЫ

Считаю большим заблуждением расхожее мнение, мол, антенна — это ‘очень просто”. И совсем недопустимо относиться к ней “спустя рукава” — себе дороже … Необходимо знать и помнить, что на самом деле даже простейшая антенна — это сложное радиотехническое устройство, предназначенное для излучения и приема электромагнитной энергии. Существуют разнообразные типы антенн, отличающиеся друг от друга рабочими частотами: антенны длинных, коротких волн, УКВ и СВЧ; областью применения: радиовещательные, телевизионные, радиолокационные, связные и т.п.; конструктивным выполнением: наземные стационарные, переносные, направленные, специальные для движущихся объектов; своим расположением в пространстве: горизонтальные, вертикальные, наклонные и т.п.

Иногда, в радиолюбительских разговорах по отношению к антеннам проскакивают такие определения, как плохая или хорошая. Честно говоря, это не совсем корректно, так как антенна не может быть плохой или хорошей, а может быть простой или сложной. Представьте себе, что даже такая сложная система, как фазированная антенная решетка (ФАР), состоит из большого количества простых излучателей, например, полуволновых диполей, запитанных через систему фазовращателей на специальный сумматор. Подобная антенная система обеспечивает не только большое усиление, но и электронное сканирование лучом диаграммы направленности, и даже позволяет изменять поляризацию излучения.

В самой антенне и питающем ее фидере происходят сложные волновые процессы, протекают высокочастотные токи, а их распределение нужно сделать таким, чтобы излучение в нужном направлении было максимальным. В многоэлементных антеннах возникают синфазные токи в близко расположенных элементах. Соответствующим фазированием токов и изменением пространственного расположения элементов антенны, необходимо добиться увеличения излучения в одном направлении и уменьшения излучения в другом.

В радиолюбительской практике используются, в основном, две группы антенн, отличающиеся друг от друга по способу излучения: линейные антенны и антенны поверхностной волны. К линейным антеннам относятся простые вибраторные антенны и ромбические, образно говоря, проводные антенны. длина проводников при этом значительно превышает поперечный размер. Сами же вибраторы могут иметь различную физическую длину и отличаться способами питания — симметричным или несимметричным. Оба этих фактора оказывают существенное влияние на диаграмму направленности вибратора и его входное сопротивление. Если вдоль вибратора укладывается целое число полуволн, то такой вибратор называется гармоническим. При выборе длины вибратора исходят из необходимой диаграммы направленности. Симметричный полуволновой вибратор имеет диаграмму направленности в виде восьмерки и его входное сопротивление около 70 Ом. Волновой вибратор в зависимости от способа питания может иметь диаграмму направленности в форме вытянутой восьмерки или двух пересекающихся восьмерок, вытянутых в длину. При увеличении длины вибратора более 1? растет уровень главных лепестков и увеличивается число боковых лепестков.

Исходя из того, что большинство коротковолновых диапазонов, выделенных радиолюбителям, кратные. Они представляют собой гармонический ряд 1 : 2 : 4 : 6 : 8 (1.8, 3.5, 7.0, 14.0, 28.0 МГц). Поэтому гармоническая антенна, сконструированная для работы на частоту 1.8 МГц, оказывается настроенной в резонанс и на более высокочастотных диапазонах. Хотя это и так, но следует отметить одно очень важное обстоятельство — коэффициент стоячей волны (КСВ) в питающем фидере возрастает и с этим приходиться мириться.

По ряду причин большинством радиолюбителей используются, как правило, простые антенны. Во-первых, на низкочастотные коротковолновые диапазоны сделать направленную антенну, весьма, затруднительно. Во-вторых, изготовление или приобретение приличной направленной антенны требует немалых материальных затрат.

РАЗНООБРАЗИЕ РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКИХ АНТЕНН

Помимо некоторого разнообразия проволочных нерезонансных антенн, большое распространение в радиолюбительской среде приобрела простая антенна, под названием диполь. Пожалуй, это одна из самых простых резонансных антенн. Ее конструкция известна даже начинающим радиолюбителям и, практически каждый, хотя бы единожды, использовал ее в своей деятельности. Симметричный диполь состоит из двух равных отрезков провода. Иногда, на высокочастотные диапазоны его делают из металлических трубок.

Наибольшее распространение получил полуволновой диполь. Зная длину волны, легко определить его физическую длину. Математическое определение его физической длины можно определить по известной формуле

L = 143 / F

Известно, что входное сопротивление такой антенны на резонансной частоте, приблизительно, 70 Ом. Этим и определяется ее популярность, т.к. обеспечивается хорошее согласование с широко распространенным коаксиальным кабелем 75 Ом. Известны также и несимметричные диполи, содержащие два отрезка провода разной длины. Как правило, их используют там, где требуется большая универсальность антенной системы, например, ее многодиапазонность.

Из простых антенн широкую популярность приобрела антенна под названием “Inverted V” (нередко, на наш манер, произносят как “Инвертор”) из-за внешней схожести с перевернуnой латинской буквой V. В отличие от хорошо знакомого диполя, для ее установки требуется дополнительная мачта. На ее вершине находится точка подключения питающего фидера. Входное сопротивление и диаграмма направленности этой антенны очень зависят от высоты подвеса над землей и угла наклона самих излучателей. Антенна имеет довольно узкую полосу излучения, особенно, на низкочастотных любительских диапазонах, и для увеличения широкополосности ее излучатели, иногда, делают из нескольких проводов, соединенных параллельно и, отстоящих друг от друга на расстоянии от 10 до 30 см. Нередко такую антенну называют “толстым диполем”.

К более эффективным антеннам, но также принадлежащим к классу простых антенн, можно отнести различные ромбические антенны. Название напрямую связано с известной геометрической фигурой. для своего размещения они требует большого пространства, в противном случае резко снижается эффективность работы. Подобные антенны излучает волну, как с вертикальной, так и с горизонтальной поляризацией, а диаграмма направленности и усиление зависят от соотношения длин сторон и высоты подвеса над землей. Ромбическая антенна с успехом может применяться как направленная для дальних связей.

Помимо антенн, располагаемых горизонтально, существует целый класс вертикальных антенн, преобразованных из обычного диполя. Полноразмерный полуволновой вертикальный диполь довольно редко применяется в любительской практике (правда, иногда встречается), чаще всего используется несимметричный вертикальный излучатель, получивший название “Ground plane” или “GP”. Этим антеннам характерны малые углы излучения и низкие входные сопротивления, но для эффективной работы они требуют подключения специальной системы противовесов в виде набора дополнительных проводов, радиально и под некоторым углом расположенных по отношению к вертикальному излучателю. Так называемая искусственная земля. Существует множество вариаций подобных антенн и способов их запитки.

Наиболее простой и популярной вертикальной антенной считается антенна с длиной излучателя 1/4?. Но самой эффективной из класса вертикальных антенн, несомненно, считается излучатель с длиной 5/8?. При такой длине максимум излучения происходит под малыми углами, а активное сопротивление составляет около 70 Ом. Антенна должна иметь систему противовесов длиной 0,4?. Поляризация вертикальных антенн всегда вертикальная.

В последние годы получили распространение вертикальные коллинеарные антенны. Как правило, это промышленно изготовленные антенны. Этот класс антенн предполагает большое разнообразие выбора. Они могут быть предназначены для работы как на одном, так и на нескольких диапазонах. В любительской среде наиболее популярны многодиапазонные коротковолновые антенны фирмы Cushcraft. Например, такие антенны, как R5 — пятидиапазонная, R7 — семидиапазонная, R7000 — семидиапазонная модернизированная. Есть и другие не менее популярные антенные системы.

Радиолюбителями подобные антенны разрабатываются довольно редко из-за определенных конструкционных и других особенностей. В диапазоне УКВ подобные антенны не редкость и довольно часто встречаются любительские конструкции. Большую популярность в 70-е годы приобрела антенна под названием “Delta loop”. У нас ее ласково называют — “Дельта” из-за внешней схожести с треугольником. Подвешенный горизонтально над землей “Треугольник”, несомненно, обладает рядом преимуществ и, прежде всего, пониженным уровнем шума. Подобное присуще всем рамочным антеннам.

Последние двадцать с лишним лет эта антенна не менее популярна, чем диполь и СР. диаграмма направленности и входное сопротивление очень зависимы от высоты подвеса над землей. На высоте не менее 0,25? входное сопротивление “треугольника” 100 … 130 Ом. Поляризация  горизонтальная. Вертикально размещенная в пространстве проволочная рамка — треугольник или квадрат — по всем характеристикам напоминает диполь, но со всеми преимуществами рамочных антенн. При подключении коаксиального кабеля желательно использовать симметрирующие элементы.

Наряду с простыми антеннами, широкое применение в любительской практике находят, так называемые, направленные антенны. Необходимо отметить, что с появлением и использованием направленных антенн радиолюбительская связь приобрела новую жизнь, и дальняя радиосвязь на коротких волнах, доступная ранее лишь энтузиастам, становится практически повсеместной. Особенно, когда появились такие антенны, как “волновой канал” и “двойной квадрат”. Сейчас ими мало кого удивишь, а когда-то само наличие подобной антенны вызывало полное восхищение.

Ни для кого уже не секрет, что для проведения устойчивых дальних радиосвязей просто необходимо устанавливать и использовать направленные антенны. К ним относятся, например, многоэлементные антенны, как “Волновой канал” или “Yagi” — по фамилии японского изобретателя Ude Yagi, и “квадрат” — “Quad” или “треугольник” — “Delta loop”. На сегодняшний день разработано и апробировано множество антенных систем, их разнообразных комбинаций и модификаций. Из них можно выделить резонансные одно-диапазонные антенны, предназначенные для работы в узкой полосе частот, или нерезонансные, работающие в широкой полосе частот на нескольких диапазонах — к ним относят, так называемые “логопериодические антенны”. для увеличения усиления и улучшения направленных свойств несколько однотипных направленных антенн объединяются в стеки.

И все же, на мой взгляд, существенно не количество элементов, а качество настройки антенны. Зная алгоритм настройки, изменением линейных размеров элементов и межэлементных расстояний, можно добиться наибольшей эффективности. Существует, расхожее ошибочное мнение, что современные компьютерные программы позволяют математически точно смоделировать оптимальную антенну. достаточно лишь получить числовые значения всех элементов и расстояний между ними, и “дело в шляпе”.

Однако, следует понимать, что хорошая антенна — это сложное резонансное устройство и, подобно обычному резонансному контуру, как бы мы не рассчитывали его диаметр, толщину проводника, емкость, индуктивность и т.п., все равно для оптимизации работы требуется тщательнейшая настройка. Реальный выигрыш от использования направленной антенны можно определить, исходя из следующих предпосылок:

Проводится радиосвязь между двумя корреспондентами, имеющими одинаковые Трансиверы и одинаковые ненаправленные вертикальные антенны. Сила принимаемого сигнала по шкале S — 8 баллов, шум эфира — 4 балла. Если один из корреспондентов увеличит выходную мощность своего передатчика в 4 раза, второй корреспондент будет слышать его всего лишь на один балл громче. Известно, что 1 (один) балл = 6 дБ.

Изменим ситуацию. При одинаковой мощности передатчиков один из корреспондентов применит антенну “двойной квадрат”. Усиление такой антенны около   6-7 дБ. Сигнал, как и в первом случае, возрастет на один балл, но у применившего направленную антенну, улучшится соотношение сигнал/шум. Принимаемый сигнал по шкале увеличится до 9 баллов, а шум уменьшится до одного балла. При хорошем прохождении и силе сигнала 8-9 баллов выигрыш практически незаметен, но если бы уровень сигнала был 4 балла и уровень шума также 4 балла, то прием был бы практически невозможен!

Перейдя на антенну с усилением 6 дБ, сила сигнала увеличится до 5 баллов, шум снизится до 1 балла. Соотношение сигнал/шум станет 5: 1 — уверенный прием. А что будет, если оба корреспондента перейдут на направленные антенны с усилением 6 дБ. Сила сигнала возрастет с 4-х баллов до 6, а соотношение сигнал/шум станет 6 : 1.

Конечно, мы рассмотрели идеальный случай, когда радиостанции находятся в зоне прямой видимости друг от друга. В реальном эфире при проведении дальних межконтинентальных связей, когда волна многократно отражается от тропосферы и земли, разница в силе сигнала и соотношении сигнал/шум улучшаются многократно.

Еще один пример в пользу направленных антенн. В индустриальных городах шум может быть локальным и приходить с какого-то одного на правления, тогда вращающаяся антенна поможет снизить его уровень.

Отражение радиоволн происходит, как правило, от небольшой области тропосферы и, чем уже диаграмма направленности антенны, тем лучше используется эта отражающая поверхность. Реальный прирост силы сигнала может колебаться от 6 до 20 дБ по отношению к полуволновому вибратору или GР. Все это лишний раз доказывает, что самый лучший усилитель — хорошая направленная антенна.