A DISCUSSION OF ANTENNA THEORY

by Paul Graham (K9ERG)

1. Любой проводящий материал будет работать как антенна на любой частоте. Даже скрепки для бумаг будут работать на 160 метров. Все, что нам нужно сделать, это правильно согласовать передатчик со скрепкой, и скрепка будет излучать всю мощность, которая подается к ней! Диаграмма этой антенна будет иметь радиус 5/32 длины волны; по существу это близко к теоретическому "изотропному" излучателю. Если эта антенна находится в "свободном пространстве", излучение будет практически одинаковым во всех направлениях.

2. Единственная причина для построения сложных антенн, - это  направление излучения в нужном нам направлении.

Диаграмма направленности излучения контролируется путем фокусирования излучаемой энергии. На это влияет геометрия антенны и влияние соседних объектов.
Общее количество энергии, излучаемой антенной, остается постоянным для данной выходной мощности передатчика. Когда энергия, излучаемая в одном или нескольких направлениях будет увеличена, энергия, излучаемая в других направлениях будет уменьшена. Это то, что и называется усилением антенны.

3. Антенна чем-то напоминает объектив фотокамеры. Апертура изотропного источника представляет собой круг диаметром 5/16 длины волны. Апертурой дипольных антенн имеет примерно форму мяча для регби (эллиптическая), если смотреть из точки 90 градусов от линии проводника.

Площадь поперечного сечения отверстия диполя 1,64 к изотропному источнику.

Когда A1 = отверстие дипольных и A2 = отверстие изотропного источника:

    Усиление = 10 LOG (A1/A2) = 10 LOG (1,64 / 1) = 2,15 дБ.

4. Дипольная антенна.

Вопреки распространенному мнению, диполь называется так, потому что антенна имеет два электрических полюса.  Когда длина такова, что максимум напряжения расположен на концах проводника, а минимум - находятся в центре, антенна будет в точности равна 1/2 длины волны.

Поэтому длина дипольных антенн в точности соответствует 1/2 длины волны.

Сигнал от передатчика чаще всего подается в центр, где импеданс представляет собой чистое активное сопротивление, сбалансированное, 68 Омной (R68j0) нагрузкой для питающею линии.

Подключать сигнал можно в любом месте вдоль ее длины, однако запитка в середину является наиболее распространенной и самой простой.

5. Влияние предметов на диаграмму направленности.

Все, что попадает в апертуру антенны будет влиять на работу антенны. Эффект искажения диаграммы, перекос баланса, изменение ее сопротивления и резонансные сдвиги частоты, другими словами - все это искажает параметры антенны.

Иногда желательно вызвать преднамеренное изменение диаграгмы. Размещение других проводников вблизи антенны может привести к серьезному искажению картины. Это может быть полезно, когда это искажение происходит таким образом, чтобы сосредоточить излучаемую энергию в нужном направлении.

6. Вертикальные антенны.

Распространенной практикой является смонтировать одну половину диполя вертикально на проводящую поверхность (заземление). Это уменьшает размер полотна на 50%, в результате чего мы получим 3 дБ потерь. Как мы видели, диполь имеет 2,15 дБ к изотропному источнику, если при 1/4 длины волны антенна на земле имеет 3 дБ потерь по сравнению с диполем, это означает, что вертикал "1/4 волны"  имеет 0,85 дБ потери по сравнению с изотропным источником. Некоторые  производители антенн выражают усиление своей продукции к антеннам в "1/4 волны". Антенна рекламируются как имеющие, к примеру, 3 дБ по сравнению с четвертьволновой.

Несколько менее распространенной практикой является смонтировать вертикальный диполь прямо на земле. Эта практика чревата проблемами. Часть диаграгмы располагается под землей. Это вызывает большие токи в земле, окружающую антенну. С высоким (и неконтролируемым) сопротивлением заземления, эти токи приводят к существенным падениям напряжения. Потери мощности на нагрев земли оказывают пользу разве что червям, подогревая их. Эти потери могут быть снижены до приемлемого уровня за счет установки обширной наземной системы заземлений (90 - 1/2 длины волны радиальных проводов в земле через каждые 4 градуса поворота).  Было бы проще (и дешевле),  поднять антенну достаточно высоко над землей.

7. Удлинение вертикальной антенны.

Попытка удлинения дипольных антенн привела к тому, что появились антенны 5/8 длины волны вертикальные антенны. Теория гласит, что-то вроде этого:

    "Если мы поднимаем дипольную антенну на 1/8 длины волны над землей, диаграмма будет просто касаться  земли. Мы можем удлинить антенну на 1/8 длины волны, при этом потери в земле и проблемы с углом излучения исчезнут ».

Фактическое строительство этих антенн таково, что антенный провод удлиняют вниз. Получаем длину  5/8 длины волны высотой (отсюда и общее название).

Увы, это не дает особого эффекта, как ожидалось. Существует значительное несоответствие между антенной и высоким сопротивлением в результате излучения от этой линии. Угол излучения получается 30-45 градусов. Этот подход также не устраняет необходимость в обширной системе заземления. Эта антенна может иметь некоторое усиления (около 2,9 дБ) по сравнению с 1/4 волны штырем, он стал своего рода стандартом де-факто для VHF и UHF при мобильной связи.

Другой подход к проблеме является "J-Pole" антенны. В этой конструкции, антенна поднимается по крайней мере, 1/4 длины над землей, что исключает потери в земле и "нормализацию" диаграммы направленности. Перемычка находится на одном конце на 1/4 длины волны открытом линии провода, диполь затем подключается к открытому концу, и линия связи подключена в точке, где сопротивление линии питания соответствует сопротивлению кабеля. Если коаксиальный кабеляь фидерной линии будет использоваться,  должен быть использован балун. Попытки питать эту антенну непосредственно без согласования приводит к плачевным результатам.

8. Правильное и полное согласование.

Связь между антенной и ее питающей линией является единственно правильной и полной, если выполняются следующие условия:

Сопротивление антенны согласовано с сопротивлением фидера. Единственный "правильный путь", чтобы сделать это, - использовать соответствующие СУ между линией подачи и антенной. Любые корректировки, внесенные в антенну для достижения импеданса изменят диаграмму направленности антенны.

    Существует одно заметное исключение из этого: когда мы хотим достичь сопротивления преобразований, мы можем вставить короткий (обычно 1/4 длины волны) кусок фидер, который будет иметь КСВ больше, чем 1:1.

Сопротивление антенны должно совпадать с сопротивлением  линии питания. В случае, если антенна имеет реактивное сопротивление, и питать необходимо соответствующим образом для компенсации реактивности.

9. КСВ = 1 не указывает на резонанс.

Волна напряжения постоянного Ratio (КСВ) является лишь соотношение между сопротивлениями линии питания и нагрузки.

Если подключить резистор 50 Ом на одном конце куска 50 Ом коаксиальный кабель и подключить передатчик и КСВ-метр на другом конце, КСВ будет 1:1. Но резистор при этом не излучает.

Если соединить резонансную антенну, которая имеет величину сопротивления 272 Ом,  КСВ будет 5.44:1.

Можно отрезать кусок линии передачи нужной длины и получить КСВ 1:1 на конце этой линии передачи. Фактическое же КСВ на этой линии равно бесконечности.

Единственный практический способ измерить резонансную частоту антенны заключается в подключении КСВ - метра непосредственно к антенне.

10. Высокий КСВ не вызывает излучения фидерной линии.

Излучение от коаксиального кабеля вызывает лишь перераспределение токов в кабеле.
Вопреки распространенному мнению, даже правильным образом согласованная открытая линия провода не излучает. Даже с бесконечным SWR, полей, окружающих каждый провод компенсируют друг друга на расстоянии примерно равном расстоянию проводов расстояние от линии.

11. Что входит в понятие "Коэффициент усиления антенны"?

Есть четыре способа выражения усиления антенны. К ним относятся:

    дБи     Для изотропного источника (теоретическая антенны, не имеющих размера: геометрическая точка).
    дБд     Усиление по сравнению с дипольными (0 дБд = 2,15 дБ).
    DBQ     Усиление по сравнению со штыревой антенной (большие цифры, чем дБи).
    dBadv     Большие случайные цифры, связанные с рекламой и маркетинговыми ходами в некоторых антенных компаниях для навешивания лапши невеждам из числа радиолюбителей . Эти отделы иногда называют в шутку "S и M" (Дым и зеркала).

Грустно говорить, но рекламируемое усиление в большинстве случаев сфальсифицировано. Поскольку большинство пользователей антенн не может отделить реальные цифры от фальшивых, они продолжают платить большие деньги за мусор, а честные компании при этом страдают.

http://k9erg.tripod.com/theory.htm

Перевод UR8IN