6.2.5. Приемные синфазные антенны

В п. 4.5.1 шел разговор о необходимости повышения RDF (фактор направленности, аббревиатура от receiving directivity factor, в русскоязычной литературе - коэффициент направленного действия) приемной антенны. А для НЧ диапазонов в разделе 4.5 мы сошлись на том, что если не используется большая передающая антенна с хорошей направленностью (например, система синфазных вертикалов, типа описанных в пп. 6.2.2 и 6.2.4, или что-то из описанного в главе 7), то единственным простым способом получить высокий RDF является антенна Бевереджа (АБ). Она обходится без громоздких мачт и очень проста конструктивно. Достаточно лишь найти узкую и длинную полоску земли. Но очень часто не удается отыскать даже такую полоску (про большие и высокие направленные передающие антенны мы уже перестали думать из-за нехватки места и средств). Малая высота АБ, являющаяся несомненным достоинством в поле, в городе оборачивается непреодолимым недостатком: на улицах места нет, а поднимать АБ на высоту крыши нельзя без существенного ухудшения параметров (пп. 4.5.2.2., 4.5.2.5).

В общем, разместить АБ в городе удается лишь в исключительно редких случаях. Поэтому городские радиолюбители страдают на НЧ вдвойне: от высокого уровня помех и отсутствия хорошей приемной антенны с высоким RDF. И если с первым сделать ничего нельзя (вернее почти ничего - см. главу о борьбе с помехами), то со вторым можно. Именно этим мы и займемся в данном параграфе, создавая синфазную антенну из маленьких приемных.

В принципе, в качестве элемента можно взять любую небольшую приемную антенну: штырь, магнитную рамку, и .т.д. Но на практике удобнее всего за основу взять флаг (п. 4.5.4), поскольку он имеет хорошее F/B и не связан с землей.

Взгляните на рис. 6.2.20: нравится такая ДН? Припомним (из п.4.5.2), что аналогичную направленность в диапазоне 3,5 МГц обеспечивает АБ длиной

180 м (…\ANT\Receive\ beverage180.maa). Но на рис. 6.2.20 показаны ДН другой, намного меньшей антенны: два синфазных флага, с разносом 50 м и на высоте 15 м над землей (файл …\ANT\Array\RX\2el_Flag.gaa, остальные модели этого параграфа также находятся в папке …\ANT\Array\RX\). Антенна …2el_Flag.gaa вполне размещается на крыше типового 5-ти этажного дома, чего никак не скажешь о 180-ти метровой АБ. При равном RDF выигрыш в размерах изрядный: в несколько раз.

Рис. 6.2.20

Определимся с оптимальными размерами приемной синфазной антенны из двух маленьких элементов (тех же флагов, например). В такой антенне критерием оптимальности является не Ga, а RDF или отношение F/B (взятое как в MMANA в широком диапазоне азимутальных и зенитных углов). В самом деле, площадь раскрыва элементов-флагов очень мала. Поэтому, будучи разнесенными всего лишь на несколько метров они практически не оказывают друг на друга никакого влияния, собирая сигналы каждый со свой площади раскрыва. Дальнейший рост расстояния между элементами никак не повлияет на уровни принимаемых сигналов (т.е. на Ga) - антенна и так уже дает максимум возможного. Но на форму ДН (т.е. RDF и F/B) он окажет сильно влияние.

Приемная синфазная антенна из двух флагов …2el_Flag.gaa имеет максимум RDF при расстоянии между элементами около 0,75l. Но более практичная ДН получается при расстоянии 0,6l. Разницу показывает рис. 6.2.21, на котором показаны ДН антенны при расстояниях 0,6l (ДН1) и 0,75l (ДН2).

Рис. 6.2.21

При увеличении расстояния между элементами от 0 до 0,6l RDF антенны возрастает за счет сужения главного лепестка в азимутальной плоскости, а боковые лепестки не растут.

При расстояниях больше 0,6l быстро увеличиваются уровень боковых лепестки. До 0,75l эти лепестки относительно невелики и RDF продолжает расти за счет сужения главного лепестка. Но при расстояниях больше 0,75l боковые лепестки увеличиваются настолько, что RDF антенны падает несмотря на сужение главного лепестка.

Поэтому расстояние 0,6l является более практичным: лучшее подавление приема с боков почти всегда оказывается важнее, чем дополнительный рост RDF на 0,5 дБ (именно такова разница RDF между антеннами с расстояниями 0,6l

и 0,75l).

Вы можете определить оптимальное для своего случая расстояние в MMANA по следующей методике:

• Откройте файл ……2el_Flag.maa. Если необходимо задайте свои размеры и конфигурацию флага, его высоту над землей и диапазон.

• В установках MMANA в окошке Направления тыла для F/B укажите желаемый диапазон углов, подлежащих подавлению. Например, Азимут 200 , Элевация 60

• Запустите оптимизацию расстояния между элементами в стеке по единственному критерию F/B.

Однако в любом случае найденное MMANA оптимальное расстояние будет мало отличаться от 0,6l, поскольку от формы и размеров флага, а также от его высоты над землей оптимум почти не меняется. Поэтому без расчетов можно задавать расстояние 0,6l, если вам важнее подавление боков или 0,75l - если RDF.

А что с высотой подвеса? Хотя в азимутальной плоскости вид ДН не меняется с высотой, тем не менее, существует оптимум и по высоте подвеса. Он связан с изменением зенитной ДН элемента-флага. Поскольку флаг состоит в отдаленном родстве с обычной вертикальной антенной, то для него справедливы приведенные в п. 3.4.4 и на рис. 3.4.8 соображения. При росте высоты подвеса от 0 до 0,3l ДН в зенитной плоскости сужается, а выше расслаивается на два лепестка, причем один из них под высоким углом к горизонту. Для передающей антенны с точки зрения Ga и уровня излучения под низкими углами это не страшно (п. 3.4.4). Но для приемной антенны важнее не усиление, а RDF. И тут форма ДН оказывается решающей. С этой точки зрения подъем любой вертикальной приемной антенны до 0,3l дело полезное. Но дальнейшее увеличение высоты подвеса расслаивает зенитную ДН и заметно снижает RDF. Поэтому нашу синфазную приемную антенну из двух флагов нельзя поднимать выше 0,3l. Но до 0,3l увеличение высоты желательно, т.к. это сужает зенитную ДН и, соответственно, увеличивает RDF.

…В этом месте надолго остановился, решая как привести зависимости RDF от расстояния между элементами и высоты подвеса. Дать пару семейств графиков для каждого диапазона? Но строить такие семейства очень трудоемкая задача, а результат не очень удобен и нагляден для читателя. Поэтому здесь вместо множества цифр RDF для разных случаев приведу придуманный мною специально для такого случая коэффициент подобия (К_П). Он показывает, во сколько раз данная двухэлементная синфазная приемная антенна имеет меньший размер, чем АБ с таким же RDF. Проще говоря, К_П позволяет легко узнать, АБ какой длины даст такой же эффект как наша антенна.

Например, антенна …2el_Flag.maa_160.gaa состоит из двух флагов с периметром 10 м, расположенными на расстоянии 100 м друг от друга, с высотой середин флагов 16 м над землёй. Такая антенна имеет RDF = 11,6 дБ, что соответствует АБ длиной 240 м (см. рис 4.5.3). К_П = 240 м/100 м = 2,4.

Чтобы по приводимым К_П узнать RDF, определите длину эквивалентной АБ (как размер вашей антенны, умноженный на КП) и обратитесь к рис. 4.5.3.

Использование параметра К_П позволяет дать параметры большинства возможных размеров и положений двухэлементной приемной антенны в одной очень маленькой и наглядной таблицей 6.2.2.

В табл. 6.2.2 отсутствует расстояние между элементами. Удобство параметра К_П в том и состоит, что он не зависит от расстояний, если они не превышают 0,75l.

Пользоваться табл. 6.6.2 крайне просто. Например, есть возможность разнести элементы антенны 3,5 МГц на 40 м (больше нет места). Табл. 6.2.2 сообщает нам, что при установке флагов у поверхности земли (первая строка таблицы) антенна будет эквивалентна 80-ти метровой АБ (К_П = 2). Если же удастся поднять элементы на 25 м (скажем, крышу высотного дома), то это будет равно АБ длиной целых 200 м (К_П = 5, см. последнюю строку в таблице).

Отмечу, что эквивалентность антенне Бевереджа по К_П конечно не полная, а лишь по RDF. По уровням же принятых сигналов (т.е. по Ga) синфазная антенна из двух флагов проигрывает АБ значительно: 10…30 дБ. К фатальным последствиям это не приводит (уровни шумов эфира на 80 и особенно 160 м очень велики - см. п. 4.5.1), однако требует наличия УВЧ на каждом из элементов.

Здесь имеется тонкость. Поскольку сигналы от обоих флагов должны складываться в фазе, то нельзя допустить, что УВЧ обоих элементов имели бы заметную разницу в фазовом набеге. Практически это означает нежелательность использования полосовых фильтров (это, конечно, идет в ущерб динамическому диапазону) из-за большого набега фазы в них, который весьма трудно сделать одинаковым в двух экземплярах полосовых фильтров. Также следует избегать применения в УВЧ транзисторов с относительно низкой граничной частотой. Экономия типа "все равно диапазоны низкочастотные, ВЧ транзистору тут делать нечего" может обернуться несинфазностью элементов. Результат показан в файле …2el_Flag_mistake.gaa. Это антенна …2el_Flag.gaa но фаза в одном из элементов отличается на 20⁰ (предположим, немножко разные транзисторы с граничной частотой менее чем в 10 раз большей рабочей, разброс ферритов в ШПТ и т.д.). ДН перекосилась, а F/B снизилось 5 дБ и появился дополнительный боковой лепесток. В принципе это не очень страшно, но все же лучше и уделить немного внимания фазировке и не ухудшать с таким трудом полученные параметры антенны.

Тут уместно будет заметить, что из-за малого усиления каждого из элементов связь между ними в двухэлементной антенне отсутствует. Поэтому Za каждого элемента практически не меняется из-за влияния других элементов, что упрощает фазировку.

На практике в качестве элементов лучше использовать флаги, с переключаемой ДН (п. 4.5.4). Такая антенна показана в файлах …2el_Bidirectional Flag1.gaa и ...2el_Bidirectional Flag2.gaa (одна и та же антенна, файлы отличаются лишь направлением приема). Конструкцию это усложняет не сильно (сигналы управления можно подавать на центральную жилу питающего кабеля, разделив пути ВЧ и постоянному токам), но зато позволяет перекрыть два направления.

В случае двухдиапазонной антенны (1,8/3,5 МГц) расстояние между элементами следует выбирать в пределах 60…65 м: уже дает эффект на 1,8 MHz, а на 3,5 MHz еще не чрезмерно много.

В качестве элемента можно использовать не только флаги, но и любые другие приемные антенны: EWE (файл …2el_EWE.gaa), K9AY и даже (если позволяет место) антенну Бевереджа (…2el_beverage180.gaa). В силу малой площади раскрыва всех этих антенн цифры оптимальных расстояний остаются неизменными 0,6l … 0,75l.

При фазировании АБ надо иметь в виду, что практические параметры (RDF, F/B) такой антенной системы часто получаются заметно хуже расчетных. Причина в том, что в практической двухэлементной АБ свойства земли скорее всего не будут одинаковы под каждым элементом. Нет, если у вас ровная как стол монотонная пустыня, то проблемы нет. А вот если земля покрыта растительностью, под которой вполне могут скрываться в одном месте слои песка, а в другом - глины, да если еще имеются кочки-бугорки, то шансы на то что свойства земли под каждой из двух АБ будут заметно отличаться весьма велики.

А как мы помним из п. 4.5.2.1 земля под АБ является важной составной частью антенны, обеспечивающей правильное замедление электромагнитной волны. И разные земли приведут к тому, что фазовые скорости (а значит и фазовые набеги) в АБ-элементах станут разными. Антенная система перестанет быть синфазной, что и приведет к снижению RDF и F/B.

На рис. 6.2.22 это показано графически. ДН1 относится к антенне … 2el_beverage180.gaa (две АБ длиной 180 м, разнесенные на 65 метров), расположенной над равномерной плоской землей e = 13, s = 5 мС/м. ДН2 относится к той же антенне, но элементы размещены над участками земли с разными свойствами. Первый элемент идет над землей e = 7, s = 2 мС/м и высотой 1 м (подсохшая возвышенность), второй - над e= 20, s = 20 мС/м и высотой 0 м (влажная ложбина).

Рис. 6.2.22.

Результат не замедлил сказаться: антенна с ДН2 имеет более широкий лепесток, на 3…4 дБ худшее подавление боковых и задних и на 1,5 дБ худший RDF.

На главную - Main page