Основные параметры антенны

0 4491
0

Основные параметры антенны.

1. Резонансная частота.
2. Импеданс антенны.
3. Диаграмма направленности.
4. Коэффициент усиления.
5. К.С.В.

Дадим краткую характеристику основным параметрам антенны.

Резонансная частота. Антенна излучает электромагнитные волны, когда к ней приложено возбуждающее колебание. Эффективность ее излучения наибольшая, когда частота возбуждающего колебания совпадает с резонансной частотой. Как правило, длина антенны равна половине или четверти длины волны на центральной рабочей частоте. Однако из-за емкостных и концевых эффектов электрическая длина антенны больше, чем ее физическая длина. На резонансную частоту антенны влияют: близость расположения антенны над землей или какого-нибудь проводящего объекта. Если это антенна многоэлементная, то резонансная частота активного элемента, может изменяться в ту или иную сторону, в зависимости от расстояния активного элемента по отношению к рефлектору или директору.


Импеданс антенны. Импеданс антенны меняется вдоль ее длины. Точка максимального тока и минимального напряжения соответствует наименьшему импедансу и называется точкой возбуждения. Импеданс в этой точке, называют входным импедансом и он состоит из активного сопротивления излучения антенны и реактивной составляющей. В резонансе реактивная составляющего входного импеданса должна быть равна нулю. На частотах выше резонансной импеданс имеет - индуктивный характер, а на частотах ниже резонансной - емкостной характер. На практике реактивная составляющая импеданса меняется от нуля до + 100 Ом. Импеданс антенны зависит и от других факторов, например от близости ее к поверхности Земли или проводящим поверхностям. В идеальном случае полуволновой симметричный вибратор имеет сопротивление излучения 73 Ом, а четвертьволновой несимметричный вибратор – 53 Ом. На практике эти сопротивления изменяются от 5 до 120 Ом для полуволновой и от 5 до 80 Ом для четвертьволновой антенны. Сопротивление антенны можно измерить с помощью измерительного моста. Обычно для этого используют мост Уитстона, который еще называют антенноскопом. Конструкция его проста и описана в разных изданиях для радиолюбителей. Измерение проводят после настройки антенны в резонанс. Принято измерять импеданс антенны во всем рабочем диапазоне частот, чтобы учесть наличие реактивности на краях диапазона.
Диаграмма направленности антенны. Диаграмма направленности передающей антенны
Можно снимать поворачивая ее и измеряя напряженность поля фиксированной точке на частоте передачи. Эти измерения дают диаграмму направленности в полярных координатах.
Полярная диаграмма показывает направление, в котором концентрируется энергия антенны.
В радиолюбительской практике это наиболее сложный вид измерений. Проводя измерения в ближней зоне необходимо учитывать ряд факторов влияющих на достоверность измерений. Любая антенна кроме основного лепестка имеет еще и ряд боковых лепестков, в диапазоне коротких волн мы не можем поднять антенну на большую высоту. Наибольшая энергия поступает от передающей к приемной антенне в случае, если первая зона Френеля свободна от посторонних предметов, При измерениях диаграммы направленности в диапазоне КВ боковой лепесток отразившись от Земли или от ближнего здания может попасть на измерительный зонд, как в фазе так и в противофазе, что приведет к ошибке в измерениях.
Потребуется несколько контрольных измерений с измерением расстояния до измерительного зонда и измерение высоты установки зонда. Такая погрешность возникает и при измерении на дальних трассах. Оптимальный угол прихода радиоволн от корреспондента зависит от состояния тропосферы и количества переотражений. Это приводит к тому, что разные корреспонденты в зависимости от трассы будут давать разные цифры при оценке отношения F/B. В связи с выше сказанным желательно размещать зоны на такой же высоте, как и антенна и расстояние от антенны до измерительного зонда выбирать от 1,5 до 2


Коэффициент усиления. Если антенна излучает одинаковую мощность во всех направлениях, она называется изотропной или математической моделью, обычно на практике коэффициент усиления выражают в децибелах по отношению к эталонному диполю. Однако важно, чтобы эталонная и исследуемая антенна измерялись в идентичных условиях. Имеется ввиду одинаковая высота подвеса над Землей и одинаковое расстояние до измерительного зонда, при этом, близкое расстояние между двумя измеряемыми из-за влияния антенн друг на друга. Если возле антенны типа волновой канал, на близком расстоянии расположить диполь, то мы получим синфазную решетку с одной пассивной и одной активной антенной. Изменится диаграмма направленности обоих антенн и в большей степени это повлияет на полуволновой диполь, его усиление будет больше, чем обычного одиноко стоящего диполя.
Чтобы избежать этой ошибки, сначала с помощью индикатора напряженности поля измеряют полуволновой диполь, а потом снимают его, на его место устанавливают новую испытываемую антенну и проводят еще одно измерение.


К.С.В. Коэффициент стоячей волны. Как видим этот параметр стоит на последнем месте и не является первостепенным. Если антенна настроена в резонанс и в ходе настройки мы скомпенсировали ее реактивность, и согласовали с фидером питания по сопротивлению, К.С.В. будет- единица. Любая антенна, простая она или сложная, является резонансным устройством и требует настройки. Настройка включает в себя измерение основных параметров антенны и коррекция их путем подгонки линейных размеров элементов антенны, расстояний между элементами, настройки согласующих и симметрирующих устройств. Так как антенну мы сами не рассчитываем, а берем уже размеры готовой проверенной на практике конструкции, возникает вопрос о целесообразности настройки антенн. Как выше уже было сказано, антенна является резонансным устройством, и так как любое резонансное устройство при повторении требует настройки, то и на антенну распространяются эти же правила. Представьте себе, что нам нужно рассчитать параллельный контур на какую-то конкретную частоту, по каким бы формулам мы бы не считали, какие бы программы не применяли, практически получить нужную частоту мы можем, только после настройки контура уже в готовой конструкции генератора. Не возможно рассчитать влияние экранов, паразитные емкости и индуктивности монтажа и так далее. Тоже самое происходит и с антенной, краевой эффект здания на котором расположена антенна, влияние оттяжек мачты и т.д., очень много неизвестных величин. И даже все перечисленное выше еще не аргумент, подумаешь добились прибавки в усилении антенны пол децибела или децибел, разве это можно реально оценить при работе в эфире, оказывается можно. Ведь антенну характеризует не один какой-то конкретный параметр, а совокупность всех основных параметров, к которым относятся: усиление, диаграмма направленности, коэффициент полезного действия. Здесь следует привести пример, который известен многим радиолюбителям. При переходе от простых антенн к более сложным реальная прибавка в силе сигнала намного больше, чем при сравнении числовых значений усиления простой и более сложной антенны. Например, если простую антенну типа полуволновой диполь, сравнивать с антенной двойной квадрат, то даже не настроенный двойной квадрат с усилением например 5 децибел в эфире может дать прибавку в силе сигнала от 10 до 30 децибел по сравнению с полуволновым диполем, в зависимости от состояния эфира, прохождения, угла прихода сигнала, наличие индустриальных помех и т.д. Точно такой же эффект мы могли бы наблюдать сравнивая две идентичных антенны, одна из которых была настроена по всем основным параметрам, вторая собрана по расчетным значениям. А так как основная масса радиолюбителей настраивает антенны только по К.С.В., отсюда и чудеса в эфире, одну и туже конструкцию антенны одни хвалят, другие ею не довольны. Если настраивать антенну только по К.С.В., то с основными параметрами кому как повезет, а впадая в крайность и настраивая антенну только по К.С.В., можно из антенны сделать хорошую согласованную нагрузку для выходного каскада передатчика. Он хорошо будет работать в нормальном режиме, только антенна при этом может иметь плохую диаграмму направленности, низкий коэффициент полезного действия, часть мощности будет расходоваться на нагрев элементов антенны и антенно-фидерного тракта и самое неприятное, что может быть для радиолюбителя – это помехи телевидению.


Из этого следует, что необходимо проводить измерения и настройку, как самой антенны, так и отдельных ее узлов, входящих в антенно-фидерный тракт, таких, как симметрирующие и согласующие устройства. При изготовлении и проработке узлов и деталей будущей антенны предусмотреть возможности измерения линейных размеров, там, где это необходимо для настройки отдельных элементов антенны, учитывая тот фактор, что антенна должна настраиваться на высоте ее постоянной эксплуатации. Возможность неоднократного спуска и подъема антенны или дистанционной подстройки.
Исходя из того, что основная масса радиолюбителей не имеет хорошей базы специализированных приборов, определим минимум простых и самодельных приборов, необходимых для измерений основных параметров антенны. Приборы представлены в таком порядке, в котором должны проводиться измерения, и другой порядок измерений при настройке недопустим.


Г.И.Р. Гетеродинный индикатор резонанса – прибор для определения резонансной частоты элементов антенны. Это простой генератор, собранный по схеме емкостной или индуктивной трёхточки дополненной детектором и усилителем постоянного тока. В качестве индикатора обычно применяют стрелочный прибор. Желательно, чтобы генератор имел электронную настройку на частоту, например с помощью варикапа. Генератор компактно монтируется в небольшой коробочке из диэлектрика. Генератор крепится к измеряемому элементу антенны через диэлектрик, или подносится к элементу антенны на диэлектрической штанге. К стабильности генератора не предъявляется высоких требований, так как время измерения не продолжительное. Измерение резонансной частоты активного элемента антенны производится при отключенном кабеле питания антенны. Если это симметричный вибратор или рамка, то в месте подсоединения кабеля делают закоротку или устанавливают постоянное сопротивление, величина которого соответствует сопротивлению активного элемента антенны. От генератора вниз идут 4 провода по которым подается: напряжение питания, напряжение для управления варикапом и снимается напряжение с усилителя постоянного тока, четвертый провод общий. В руках оператора дополнительный пульт в котором размещено: питание для генератора, переменный резистор управления варикапом и микроамперметр. Частота генератора контролируется с помощью вспомогательного приемника, который находится рядом. Это измерение лучше проводить вдвоем. Один оператор управляет частотой генератора ГИРа и следит за показаниями стрелочного прибора, второй оператор контролирует по приемнику частоту ГИРа. При настройке, когда частота генератора ГИРа совпадает с резонансной частотой измеряемого элемента антенны, стрелочный прибор покажет падение напряжения. По приемнику определяем частоту генератора ГИРа. Это наиболее точный метод определения резонансной частоты антенны. Иногда генератор ГИРа связывают с активным элементом антенны через кабель питания антенны. Кабель при этом должен быть кратным полволны для заданной частоты. Такой метод требует точного измерения электрической длины кабеля, возрастает погрешность при измерении, сужается диапазон измерений. Подстроив активный элемент антенны в резонанс,
(путем измерения его длины или периметра, если это рамка) переходим к измерению входного сопротивления активного элемента антенны на этой частоте резонанса. Входное сопротивление антенны измеряется с помощью высокочастотного моста. Это так же может быть самодельный, простой прибор доступный в изготовлении даже для начинающего радиолюбителя. Схемы ВЧ – мостов неоднократно публиковались в литературе для радиолюбителей. Возьмите самую простую схему. Пусть этот простой ВЧ – мост даже не показывает характер реактивности, просто вращая переменный резистор находим провал по напряжению, если стрелка прибора не падает до нуля это говорит о том, что в антенне присутствует какая-то реактивность емкостного или индуктивного характера.


Эта реактивность устраняется введением в точку подключения антенны к РК кабелю емкости или индуктивности в зависимости от характера реактивности (реактивность может быть емкостного или индуктивного характера), подобрав их номинал до устранения реактивной составляющей. Так как радиолюбительские диапазоны узкие, удобно компенсировать реактивную составляющую не дискретными элементами, а короткозамкнутым шлейфом, или узкополосным симметрирующим устройством, об этом подробно изложено в журнале  Радио – Дизайн, № 13. При изготовлении ВЧ – моста, основное условие, паять схему нужно деталь в деталь, с минимальным по длине выводами от элементов. Схема должна быть компактной, пусть разъемы и переменный резистор располагаются в разных плоскостях, не стремитесь сделать большой и красивый прибор. Резисторы желательно применить без индукционные, если нет возможности достать без индукционные резисторы, вместо одного резистора ставьте 3 – 4 резистора параллельно, это уменьшит индуктивность простых резисторов. На низкочастотных диапазонах, ниже 10 Мгц, можно применить любые резисторы, кроме проволочных. В качестве индикатора напряженности поля - любой микроамперметр с детектором. Единственное условие, антенна индикатора (диполь или штырь) должны быть на много меньше четверти длины волны измеряемого диапазона.


Главное, это научиться пользоваться приборами. Практика показывает, что и простыми самодельными приборами можно хорошо настроить антенну по всем основным параметрам.

Спасибо: EW8AU

 


Источник | Опубликовал: RD3AVG


и поделитесь с друзьями в соц сетях:


Добавить комментарий

Похожие новости