Об «усилении» антенн, диаграммах направленности и видах связи

Все статьи на QRZ.RU Экспорт статей с сервера QRZ.RU Все статьи категории "Распространение радиоволн"

Чтобы уж сразу получить кучу шишек на свою голову и от множества доморощенных «антенных экспертов» (отдадим им дань уважения: это - увлеченные люди), и от тех, чей бизнес - продавать антенны, частенько апеллируя к параметру их «коэффициента усиления», скажу страшную крамолу: ни одна антенна ничего не усиливает.

Как так??? Автор бредит?

Вовсе нет.

Потому что любая пассивная антенна не нарушает основополагающего закона сохранения энергии: больше, чем в нее энергии зашло, из нее выйти не может; то есть никакого усиления уровня энергии не произойдет. Мало того: каждая антенна обладает вполне определенным коэффициентом полезного действия, меньшим единицы и определяемым соотношением сопротивления излучения (чем больше, тем лучше) и сопротивления потерь (чем меньше, тем лучше). Но об этом - как-нибудь в другой раз. Вернемся к теме, обозначенной в заглавии.

Кстати, термин «усиление антенны» пришел к нам с Запада, ибо советские радиотехники использовали более «физический» по смыслу параметр, именовавшийся коэффициентом направленного действия (КНД). Исходя именно из термина КНД, легко понять, что антенна - не «усилитель», а концентратор энергии, приходящей (при приеме) и отходящей (при передаче) в некоторый «объемный» угол пространства относительно сферы, в центре которой находится антенна. «Теоретиескую» антенну, которая излучает равную энергию во все мыслимые направления окружающей ее сферы, назвали изотропным (то есть - ненаправленным) излучателем. Это удобная модель, благодаря которой ограниченному относительно сферы объему концентации излучения реальной антенны можно задать децибельную меру, определяемую как 10 lg (V сферы / V диагр.); (рис.1).

Поскольку такая мера не абстрактно децибельна, а относительно именно изотропного(равнонаправленного) излучателя, эта единица получила название дБи (dBi).

Есть и еще одна родственная единица, называемая дБд (dBd), которая показывает, во сколько раз в децибельной мере меньше угловое пространство излучения некоторой реальной антенны относительно объема излучения простейшей из «классических» антенн: полуволнового диполя. И поскольку диполь сам по себе обладает «усилением» 2,15 дБи, соотношения между единицами дБи и дБд будет следующими (G - значение усиления):

G дБи = G дБд + 2,15
G дБд = G дБи - 2,15

Теперь о том, почему нас абсолютно не будет интересовать «абстрактное» значение коэффициента усиления.

Ответ прост: если антенна обладает высоким коэффициентом усиления (концентрации энергии в узком угле излучения), но «светит» этим углом вовсе не туда, куда нам надо, проку от нее - ноль.

Вот тут-то выходит на сцену понятие диаграммы направленности, с которым неразрывно связан весь «зоопарк» видов радиосвязи и радиотрасс.

О нем вполне достаточно знать следующее.

С точки зрения геометрии радиосвязи, нас может интересовать направленное (вдоль одного или нескольких лучей) или всенаправленное (в плоскости поверхности земли или под углом к ней) излучение.

С точки зрения видов радиоканалов, можно рассматривать:

1. Ближнюю связь на приземном уровне (от нуля до десятков километров);
2. Так называемую «тактическую» связь (от нуля до нескольких сотен километров);
3. Дальнюю связь (до десятков тысяч километров; с мертвой зоной от границы приземного распространения до нескольких или многих сотен километров от радиостанции).

Кстати, не путаем дальнюю связь и DX-инг. DX - это «редкий» корреспондент, который может находиться вовсе не за тридевять земель, а, скажем, в соседнем, всегда безлюдном и потому никем не закрытом квадрате (ну мало ли у нас, к примеру, непроходимых лесов площадью с европейскую страну, куда, наконец, кто-то забрался с походным трансивером?).

Стабильная тактическая и дальняя радиосвязь конфигурации «точка - точка», без опоры на вспомогательные средства - епархия в основном коротких волн, ибо возможность ее организации зиждется на стабильном же отражении от ионосферы. Этого лишены УКВ-диапазоны, вынужденные ожидать тех или иных кратких прохождений, либо использовать высотные ретрансляторы: от такой экзотики, как временно зависающие на многосотметровых высотах дроны, до, впрочем, ставших обыденными низкоорбитальных спутников, однако, ограничивающих время сеанса связи временем своего пролета.

В то же время, на КВ есть свои ограничения, которые накладывают определенный отпечаток на параметры направленности применяемых антенн.

Для тактической связи используют антенны зенитного излучения (АЗИ; по-импортному - NVIS), которые в простейшем случае представляют собой горизонтальные полуволновые диполи, висящие на высоте 0,1...0,15 длины волны над землей, на поверхности которой параллельно диполю просто валяется провод рефлектора с длиной чуть больше полуволны (рис.3а).

Причем надежная связь посредством зенитного излучения возможна лишь на частотах 2...4 МГц (ночь) и 5...8 МГц (день). То есть для круглосуточной работы должно быть две антенны с резонансами на «ночной» и «дневной» частоте (в любительских условиях это диапазоны 3,5 и 7 МГц).

«Усиление» такой антенны - до 4 дБи, но излучение - исключительно в зенит; в горизонт она практически не «стреляет», и нечего от нее ждать дальних связей.

Но вот если тот же диполь поднять до высоты хотя бы чуть выше четверти длины волны и убрать провод рефлектора, появится сильная двунаправленная составляющая излучения под низким углом к горизонту, что при усилении диполя всего 2,15 дБи, однако же, без проблем дает возможность осуществления дальних связей (рис.3б). Зенитная же составляющая будет ослаблена (тем больше, чем менее электропроводен грунт под антенной), что для осуществления тактической связи потребует более мощного передатчика.

Если же нужна и ближняя, и тактическая (зенитная) связь, и относительно дальняя (на единичный «отскок» от ионосферы), но в преимущественных направлениях, то с единственной мачты (высотой максимум в 0,35 от длины волны) спускаем один конец нашего диполя к земле. Получили старый добрый «наклонный луч» (рис.4) с целым «веером» рабочих направлений при разных видах связи.

Его усиление также близко к усилению диполя, но характеристика излучения в виде диаграммы направленности ведь совсем иная!

Только не забывайте: выше 8 МГц (и максимум до 10...12) тактическая связь может быть только дневной и эпизодичной, подчиненной закону периодичности активности Солнца, а еще точнее - «высыпания» на его поверхности пятен.

Если нужна дальняя всенаправленная связь - в простейшем случае к нашим услугам антенна Ground Plane с усилением, примерно соответствующим усилению диполя. Но - у GP есть один неоспоримый плюс: она вообще «не стреляет» в зенит, и вы перестаете слышать «тактические» станции, «сильные» от природы потому, что длина их трасс с отражением даже от верхнего ионосферного слоя ненамного превосходит пол-тысячи километров против десятков тысяч километров для трасс дальних связей (рис.5).

На УКВ - свои «фичи».

Например, для связи с низколетящими спутниками, в конструкции направленной антенны должен быть соблюден некий баланс между ее усилением (чтобы сигнал был уверенно выше шумов приемника) и достаточной шириной ее диаграммы (чтобы наверняка поймать и по возможности долго держать спутник без перенаправления антенны). Как видим, «усиление» - и здесь не главный параметр.

Немало сезонов поработав на разворачивании профессиональных систем УКВ-связи в горах, автор не раз наблюдал изумление на лицах «кабинетных» планировщиков радиосетей, когда, поставив станцию на вершине горы и применив штыревую (читай - всенаправленную) антенну с большим усилением (менеджеры в заказ подсунули: она же дороже!), они с удивлением обнаруживали отсутствие связи в нижней части горного склона на дистанции всего в километр за минимальным препятствием, зато сигнал «на ура» обнаруживался в сотне с лишним километров, мешая «тамошним» средствам связи, работающим на тех же частотах.

Опосредованно виновато именно высокое усиление штыря, которое дает очень узкий «блин» диаграммы в горизонтальной плоскости, естественным образом не давая энергетики под углом 20...40 градусов вниз по склону, зато - с дикой силой стреляя «в горизонт». Замена такого штыря (как правило, это коллинеарная антенна) на обыкновенный вертикально расположенный одиночный полуволновой диполь или вибратор Пистолькорса (с широкой диаграммой направленности, в том числе - в вертикальной плоскости) немедленно устраняло названные отрицательные феномены: и склон накрыт, и соотношение сигнал/шум у удаленных абонентов становилось во многие разы лучше.

Высокое же усиление нужно вот когда.

Собственно, не только оно само по себе; чаще - узкая диаграмма (а она просто сопряжена с высоким усилением) и наличие значительного провала в первом минимуме диаграммы многоэлементных антенн (нпример, волновом канале, она же «в просторечии» Yagi, хотя, по правде сказать, это не совсем верно).

Если у вас есть направленный канал связи, а близко по направлению - мощный источник помех, то значительно отстроиться от него можно так, как показано на рис.6

Ценой потери усиления полезного сигнала всего 4 дБ (что нужно учитывать при расчете энергетики радиоканала) мы получили аж 26 (!) дБ отстройки от сигнала помехи.

А вот на СВЧ с выбором усиления парабол будьте осмотрительны, поскольку оно доходит до многих десятков децибел и, соответственно, ширина диаграммы уменьшается до единиц градусов. Что будет, когда этот «лопух», недостаточно прочно закрепленный (или просто с неудачной конструкцией) начинает болтать порывистым ветром? Да вот что (рис.7):

То есть при очень узкой диаграмме (читай - очень высоком усилении) и хлипкой конструкции мы получаем значительные хаотично-периодические сверхнизкочастотные замирания (так называемый «ветровой фединг») которые могут достигать десятка и более дБ. Если энергетика радиоканала едва-едва имеет такой запас, в цифровом канале неизбежно возникнут явления кардинального уменьшения скорости передачи данных (что критично, скажем, при передаче медиа).

Указанный эффект в любительской практике может, например, проявиться в экспериментах по организации сверхдальних направленных радиоканалов WiFi диапазона 5 ГГц с применением не самых маленьких спутниковых «тарелок», если они оказываются закреплены на кронштейнах, тонких или длинных трубостойках, не обладающих достаточной жесткостью к геометрической деформации или осевому повороту, а траверса, несущая облучатель, не расперта в бока параболы (рис.8).

Тем более стоит помнить про ветровой фединг, экспериментируя с параболическими антеннами в любительских диапазонах от 10 ГГц и выше.

Для ориентира: в диапазоне 5 ГГц метровая параболическая антенна, при отклонении ее от оси радиоканала порядка 3 градусов, потеряет в усилении около 10 дБ. Если радиоканал построен на двух таких параболах и в результате воздействия ветра они обе в какие-то моменты отклонятся на те же 3 градуса, энергетика канала в эти моменты потеряет 20 дБ.

Что-то забыли мы про «ближнюю» персональную радиосвязь, в том числе и «гражданскую».

Посмотрите, что написано про коэффициент усиления антенн портативных радиостанций VHF (136...174 МГц) и UHF (403...470 МГц) диапазонов. Пишут честно: 0 дБи. При этом на VHF-рациях стоят антенны длиной примерно 15 см (30% длины от четверти средней длины волны), а на «непрофессиональных» UHF - большей частью сантиметров до 5...6-ти (те же 30...35% от четверти средней длины волны).

Ну, на VHF - понятно: с более длинными антеннами портативными рациями пользоваться будет неудобно. Но на UHF (включая LPD и PMR-диапазоны, а заодно - и некоторое количество профессиональной техники, например, стандарта TETRA) почему весьма массово такие спиральные «обрубки» ставят? Ведь «честная» четверть волны, объединенная с приличным противовесом из подложки общего провода платы рации (а то и с металлической рамой корпуса), обладает в разы большей энергетикой и вполне «комфортными» 16 см длины.

Автор долго ломал голову, пока не увидел такие вот «пользовательские» картинки (рис.9):

И все сразу стало ясно. Ведь рации проектируются с учетом их пользования «нерадистами», которые могут держать их как попало; причем действительно повально модно - почему-то горизонтально, а не «как правильно» (рис.10). Видимо, пользователи считают, что так у них вид «круче»...

Да и на стол рации обычно кладут, а не ставят, хотя все «приличные» модели имеют довольно значительную нижнюю плоскость опоры.

Если у радиостанции сильно укороченная антенна, ее диаграмма направленности стремится к изотропной (о чем и подсказывают ее 0 дБи). Радиус связи уменьшается, но зато положение рации в пространстве - абсолютно безразлично.

Ну, а если у нас получился - вкупе с самой рацией - вполне «честный» полуволновой диполь со своими 2,15 дБи, то на границе устойчивой связи (из множества тестов - минимум вдвое дальше, чем со спиральным «обрубком») при положении антенны одной рации вертикально (вертикальная поляризация), а второй - горизонтально (горизонтальная поляризация) канал связи у нас тупо оборвется, хотя принципиально может существовать: ведь уровень потерь (на открытой местности) при получившейся кросс-поляризации составляет минимум 10...12 дБ! К тому же, «лежачий» диполь не излучает еще и вдоль своей оси. Вот от проявления подобных явлений, которые могут поставить «нерадиста» в тупик, видимо, и уходят разработчики.

Такие дела... «Безграмотным» - всё, а «грамотным» - морока с переделкой антенн :-)

Быстрый поиск в разделе:  (Подробнее) Найти Подписка на новости Свежий выпуск каждый день! Ваш Email: Все статьи Экспорт статей с сервера QRZ.RU

Рейтинг читателей этой статьи Рейтинг 4.66 балла на основе 76 мнений Отлично  62 81% Хорошо  10 13% Потянет  0 0% Неприятно  0 0% Негативный  4 5%

Смотрите также

Комментарии

Обсуждение этой статьи - Скажите свое мнение!

Оставьте свое мнение

Комментарии 10

Обсуждение этой статьи - Скажите свое мнение!