В интернете скорость передачи данных определяется пропускной способностью локальной сети, роутера и каналов. Однако если вы используете радио, то одним из самых критичных звеньев для хорошего приёма сигналов становятся антенны.
Скорее всего, вы знаете, что работа передающей антенны основана на преобразовании переменного тока высокой частоты в электромагнитные волны, способные распространяться на большое расстояние. Приёмная антенна улавливает эти волны и преобразует их обратно в переменный ток, попадающий в приёмник. Такие преобразования основаны на законе Ампера.
Чтобы принимать сигналы с минимальными помехами, важно выбрать для приёмника правильный тип антенны и её расположение. Также необходимо учитывать особенности распространения радиоволн различного частотного диапазона.
Вместе с антеннами используются согласующие устройства, линии передачи (фидеры), фильтры и малошумящие усилители сигнала. Если антенна расположена снаружи здания, не обойтись без устройств грозозащиты.
Продолжая тему радио, начатую в статье «Этот увлекательный мир радиоприёмников», в этот раз я сделаю краткое введение в антенны, расскажу о самых распространённых из них в радиолюбительской практике, о параметрах антенн, выборе фидера, согласовании антенн с фидером, а также о защите антенн от молний.
Антенны различных типов
В конце прошлого века радиолюбители делали антенны самостоятельно, но сейчас в этом нет необходимости. В интернет-магазинах и на маркетплейсах можно приобрести недорогие готовые антенны практически на любой случай.
Но как выбрать антенну? Существует очень много антенн различных типов, каждая из которых обладает своими особенностями.
Выбор антенны сильно зависит от того, для какого частотного диапазона и какого вида поляризации она нужна, от ваших возможностей по её установке и бюджета. Одно дело, если вы собираетесь установить антенну на участке около вашего дома или на крыше, и совсем другое — на балконе многоквартирного дома в условиях плотной городской застройки.
Обо всех антеннах в одной статье рассказать невозможно. Я рассмотрю самые распространённые типы антенн: полуволновый и петлевой вибраторы, вертикальный штырь, антенна Яги, логопериодические и рамочные антенны, а также антенны в виде длинного провода и спиральные антенны.
В этой статье я оставлю за бортом рупорные, секторные, планарные и микрополосковые антенны, а также антенны с фазированной решёткой.
Полуволновый вибратор или диполь
Антенна типа диполь или симметричный полуволновый вибратор — это прямолинейный проводник с разрывом посередине, длина которого равна половине длины излучаемой или принимаемой волны. Через разрыв в антенну подается энергия для передающих антенн или снимается энергия в виде тока высокой частоты для приёмников.
Схематически диполь показан на рис. 1.
В разрыв провода диполя через линию питания (фидер) подается высокочастотный сигнал с передатчика. Ток и напряжение распределяются вдоль вибратора в виде стоячих волн. При этом на концах диполя напряжение максимально, а ток минимален. В центре вибратора наоборот, напряжение практически отсутствует, а ток максимален.
Если антенна приёмная, то сигнал с диполя попадает в приёмник. На рис. 1 условно показан согласующий трансформатор и двухпроводная линия, однако в реальной жизни в качестве фидера часто применяется коаксиальный кабель с соответствующими симметрирующими и согласующими схемами.
Радиолюбители устанавливают диполь не только внутри дома или на его крыше, но также используют в походных условиях (рис. 2).
Как видите, диполь может занимать довольно много места — его длина равна половине длины волны. Кроме того, для эффективной работы требуется установить диполь как можно выше.
Займемся определением размеров диполя для радиолюбительских частотных диапазонов. На сайте Союза радиолюбителей России приведены частоты в диапазоне коротких волн, разрешённых для связи в соответствии с законодательством. Также информацию о радиолюбительских частотах можно найти в удобном виде, например, на сайте Федерации радиоспорта Свердловской области.
Как видите, диапазон частот радиолюбительской связи довольно широк и простирается от 135.7 КГц до 10 ГГц и выше. Можно ли использовать в этих диапазонах полуволновый диполь?
Чтобы ответить на этот вопрос, определим длины волн для разных частот. Для вычисления длины волны можно использовать такую формулу:
где с — скорость света (м/c), F — частота в Гц, λ — длина волны в метрах.
Чтобы получить длину волны в метрах, нужно разделить 300 на частоту в МГц. Например, для частоты 30 МГц длина волны будет равна 10 метрам. В этом случае длина полуволнового диполя составит 5 метров. Это многовато для размещения в квартире, однако вполне допустимо для загородного участка.
Если посмотреть на нижнюю границу 135.7 КГц, то тут длина волны будет уже больше 2 км. Конечно, диполь такого размера сделать нереально, поэтому потребуется антенна другого типа. Что же касается частот порядка 144 МГц и 430 МГц, то длины волн составляют примерно 2 м и 70 см, соответственно. Эти антенны вполне можно установить на балконе или в комнате.
В продаже можно найти готовые диполи для разных частотных диапазонов, причем в комплекте к ним уже идет согласующее устройство.
Петлевой вибратор
Встречаются антенны в виде замкнутого проводящего контура в форме квадрата, прямоугольника или круга. Такая антенна называется петлевым вибратором. На рис. 3 сверху показан только что рассмотренный полуволновый вибратор (диполь), а снизу — петлевой.
Размеры для петлевого вибратора выбираются из тех же соображений, что и для диполя. Петлевой вибратор используется как самостоятельно, так и в составе антенн более сложных конструкций.
Среди преимуществ петлевого вибратора перед диполем — меньшая чувствительность к помехам за счет взаимной компенсации электростатических полей. Также петлевой вибратор отличается более широкой полосой пропускания по сравнению с диполем и удобен для согласования с фидером.
Петлевые вибраторы есть в продаже, но их можно сделать и самому. Подробнее о самостоятельном изготовлении и подключении петлевого вибратора читайте в статье «Петлевой вибратор».
Вертикальный штырь
Антенна «вертикальный штырь» или Ground Plain занимает относительно немного места и применяется очень широко для стационарных и портативных передатчиков, а также приёмников. Такая антенна представляет собой вертикальный четвертьволновый проводник (рис. 4).
С учетом расположения на земле штырь антенны Ground Plain представляет собой полуволновый излучатель. При этом земля играет роль недостающего четвертьволнового вибратора за счет зеркального изображения антенны.
На рис. 5 показана установка такой антенны в открытом поле.
Как видите, несмотря на большую длину штыря, площадь, занимаемая антенной, невелика. На рис. 6 показан малогабаритный вертикальный штырь, который продается в комплекте с приёмником RTL-SDR V4 и хорошо подходит для приёма FM-радио.
В основании антенны имеется магнит для крепления к металлической поверхности, например, к козырьку окна, балкона или для установки на крышу автомобиля.
Ближе к основанию в антенне находится удлиняющая катушка. Она добавляет индуктивность и сдвигает частоту резонанса в область более низких частот. В результате длина антенны может быть меньше, чем четверть длины волны.
В продаже есть вертикальные штыри разной длины, в том числе на диапазон 10 метров, где общаются между собой дальнобойщики. Часто применяются телескопические антенны, длину которых можно регулировать (рис. 7).
Телескопические антенны используются не только в приёмниках, но и в портативных радиостанциях.
Если штыревая антенна установлена далеко от земли на мачте, она может быть снабжена противовесами, играющими роль земли (рис. 8).
В портативных радиостанциях, которые можно держать в руке, роль земли для штыревой антенны играет тело человека.
Направленная антенна
Мощность излучения полуволнового диполя, подключенного к передатчику, зависит от направления. Максимальная мощность излучается в перпендикулярном направлении к диполю, а вдоль диполя излучения практически нет (рис. 9).
Что касается штыревой антенны, то в горизонтальной плоскости она всенаправленная. При этом в вертикальной плоскости и при наклоне антенны излучение уменьшается.
Направленные антенны имеют главный лепесток направленности, в сторону которого излучается максимальная мощность, а также боковые лепестки с ослабленным излучением. Аналогично, приёмные антенны получают максимальный сигнал с направления главного лепестка направленности и сигналы меньшего уровня — с направлений боковых лепестков.
Как показано на рис. 9, у полуволнового диполя два лепестка направленности, перпендикулярных проводнику антенны.
Если антенна используется для приёма, то сигнал будет сильнее с тех направлений, в которых идет максимальное излучение при передаче. Сигналы с других направлений будут слабее. Таким образом направленные антенны уменьшают уровень помех от источников радиосигнала, расположенных вне основного лепестка направленности.
Антенна волновой канал или Яги-Уда
Направленная антенна Яги-Уда (Yagi), разработанная еще в 1926 году, состоит из полуволнового диполя, рефлектора, а также одного или нескольких директоров. На рис. 10 показана трёхэлементная антенна Яги, в которой есть излучающий элемент A, рефлектор R и один директор D.
Размеры элементов зависят от длины волны λ.
На рис. 11 показана многоэлементная антенна, в которой установлено четыре директора. Чем больше директоров, тем выше коэффициент усиления антенны, но уже её полоса пропускания.
.jpg){kind=link}
Среди особенностей антенны Яги-Уда стоит выделить хорошую направленность. Есть и недостатки — узкая полоса пропускания, высокие требования к точности изготовления и размещения элементов, сложность настройки (нужна специальная аппаратура), а также большие габариты при использовании в диапазоне коротких волн. Но в продаже есть уже готовые антенны Яги для разных диапазонов частот.
За счет сложения и интерференции волн от элементов антенны достигается максимальное излучение в направлении директоров при использовании с передатчиками. В этом же направлении получается максимальная чувствительность при использовании для приёмников. Боковые излучения очень сильно подавлены, что уменьшает уровень помех.
Антенны Яги используются радиолюбителями для связи в диапазоне коротких и ультракоротких волн, в технологиях беспроводной связи, когда требуется направленность, а также для приёма сигналов аналогового и цифрового телевидения.
Логопериодическая антенна
Если нужна направленная широкополосная антенна, то можно использовать так называемую логопериодическую антенну. Она состоит из набора диполей, расположенных вдоль двух штанг и подключенных попеременно. При этом длины и расстояния между элементами уменьшаются логарифмически (рис. 12).
Самостоятельное изготовление логопериодической антенны может представлять собой определённую сложность, и в большинстве случаев лучше купить готовую антенну. Тем, кто любит делать всё сам, могу порекомендовать статью Расчет и изготовление логопериодической антенны для DVB-T2, а также онлайн-калькулятор Расчет логопериодической антенны.
Рамочная антенна
В диапазоне длинных, средних и коротких волн геометрические размеры диполя и штыря становятся слишком большими для размещения на балконе или в жилой комнате. Конечно, можно использовать и укороченный штырь, как, например, в малогабаритных носимых радиостанциях, но сигнал будет заметно слабее по сравнению с полноразмерной антенной.
В диапазонах длинных, средних и коротких волн можно использовать антенны в виде рамки (Loop antenna). Это проводник, свернутый в один или несколько витков прямоугольной, круглой или иной формы (рис. 13).
Чем больше витков провода в рамке, тем выше её чувствительность. Среди преимуществ рамочных антенн можно отметить компактность, высокую направленность и устойчивость к помехам. К недостаткам можно отнести необходимость настройки на резонансную частоту.
Рамочные антенны ещё называют магнитными, так как они реагируют на магнитное поле. Подробнее о рамочных антеннах читайте в статье Что такое Рамочная Антенна.
В продаже есть разновидности магнитных рамочных антенн, у которых ток в витках распределён по замкнутой петле в форме ленты Мёбиуса (рис. 14).
По сравнению с обычной рамкой такая антенна лучше подавляет помехи и занимает меньше места.
Антенна в виде длинного провода
Антенна типа «длинный провод» вполне заслуживает своё название. Действительно, она представляет собой провод, длина которого превышает четверть длины волны. Чем такая антенна длиннее, тем выше ее усиление и направленность.
Среди преимуществ длинного провода стоит отметить простоту конструкции, небольшие затраты на изготовление и возможность работы на различных частотах. Основной недостаток — антенна занимает много места и больше подходит для установки на участке возле дома (рис. 15).
В многоэтажном доме можно закинуть провод антенны с нижних этажей на стоящее рядом с домом дерево, но убедитесь в том, что на конце и в начале провода имеются изоляторы. Также проверьте, что рядом нет высоковольтных линий электропередач.
Если длина антенны меньше длины волны, то диаграмма направленности такая же как у диполя — излучение в боковых направлениях. Если же длина антенны превышает несколько длин волн, то антенна излучает в направлении под углом к проводу.
Подробнее об антенне в виде длинного луча можно прочитать в статье Конструкция антенны Long Wire с балуном 9:1 от Ivo Brugnera.
Спиральная антенна
Очень интересный вид антенн — спиральная антенна. Эта антенна представляет собой провод, намотанный в виде спирали. На рис. 16 показан вращающийся блок спиральных спутниковых антенн.
Было время, когда я мечтал сделать такую антенну для работы через Луну. Спиральная антенна излучает или принимает радиоволны в широким диапазоне частот и круговой поляризацией (о поляризации я расскажу ниже в этой статье).
Основные параметры антенн
При выборе антенны необходимо учитывать её основные параметры, такие как коэффициент усиления, поляризация, волновое сопротивление и направленность излучения. При оценке качества согласования антенны с фидером и приёмником (либо передатчиком) используется так называемый коэффициент стоячей волны КСВ.
Также очень важен рабочий диапазон частот антенны. Есть узкополосные и широкополосные антенны.
Размеры и масса антенны имеют большое значение для выбора антенны в зависимости от места её установки.
Коэффициент усиления антенны
Чем больше коэффициент усиления, тем антенна более направленная и тем эффективнее она будет излучать энергию в сторону главного лепестка направленности. Соответственно, антенна приёмника будет лучше принимать сигнал со стороны этого лепестка.
Коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз плотность излучаемой (или принимаемой) мощности в направлении главного лепестка больше, чем у эталонной антенны при одинаковой подводимой мощности.
В качестве эталонной антенны берётся такая, которая излучает во всех направлениях одинаково (изотропный излучатель). Также для определения усиления антенны её сравнивают с излучением диполя.
Для вычисления коэффициента усиления антенны К используется формула:
Здесь Pвых/Pвх задает отношение излучаемой мощности и мощности, которая подается в антенну.
Коэффициент усиления антенны по отношению к диполю обычно указывается в дБд (dBd), а по отношению к изотропному излучателю (который излучает одинаковую мощность во всех направлениях) — в дБи (dBi). Соотношение этих показателей составляет 2.15 дБ.
Полуволновой диполь имеет теоретическое усиление на 2,15 дБ больше по сравнению с изотропной антенной.
Изотропный излучатель существует только в теории. Также следует учитывать, что направленные антенны с высоким коэффициентом усиления на самом деле только перераспределяют излучаемую мощность. Излучение антенн с большим усилением концентрируется в одном из направлений за счет других. Это позволяет увеличить дальность связи по сравнению с антеннами, обладающими малым коэффициентом усиления при той же мощности передатчика.
Если вы приобретаете готовую антенну в интернет-магазине или на маркетплейсе, обязательно поинтересуйтесь её коэффициентом усиления.
Поляризация излучения антенн
В детстве я играл с поляризационными фильтрами, складывая их вместе и поворачивая друг относительно друга. При соответствующей ориентации фильтров через них переставал проходить свет.
Излучение антенн также имеет поляризацию — векторы напряженности электрических и магнитных полей могут колебаться в разных направлениях.
В случае линейной поляризации такие колебания происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. При этом линейная поляризация может быть вертикальной, горизонтальной или наклонной, под углом к горизонту.
Вертикальная поляризация применяется в передатчиках FM-радио, в портативных радиостанциях. Горизонтальная поляризация используется в телевизионном вещании и в микроволновых линиях связи.
В спутниковой связи, для дронов и радаров распространена круговая поляризация, левая и правая. В первом случае векторы электрического и магнитного поля вращаются по часовой стрелке, а во втором — против часовой стрелке.
Рис. 17 демонстрирует линейную и круговую поляризацию.
Для эффективной работы радиоканала поляризация передающей и приёмной антенн должны совпадать.
Согласование антенн с фидером и КСВ
При согласовании антенны с фидером важен такой параметр, как входное сопротивление антенны. Оно представляет собой эквивалентное комплексное сопротивление в точке подключения фидера для переменного тока на рабочей частоте. Вы не сможете измерить входное сопротивление антенны обычным омметром — тут нужно специальное измерительное оборудование.
Обычно антенны располагаются на возвышении, удаленно от передатчика или приёмника. При этом они подключаются к приёмнику или передатчику с помощью линии передачи (фидера), такого как коаксиальный кабель.
Для получения максимального сигнала на приёмнике антенна должна быть согласована с фидером, а фидер — с входными цепями приёмника. Аналогично, для достижения максимальной мощности излучения передатчик нужно согласовать с фидером, а фидер — с антенной. При рассогласовании возможны отражения сигнала от входа приёмника, что приведет к уменьшению уровня сигнала на его входе. Аналогичные проблемы возникнут и с передатчиком.
Теоретически входное сопротивление диполя составляет примерно 73 Ом, на практике 60-65 Ом. Сопротивление четвертьволновой штыревой антенны составляет 36 Ом. Входное сопротивление рамочной антенны зависит от её размеров, формы, количества витков и рабочей частоты. Оно может составлять от нескольких Ом до десятков кОм.
Больше всего распространены коаксиальные кабели с волновым сопротивлением 50 Ом или 75 Ом. Если вы собираетесь сделать антенну самостоятельно, придётся позаботится о согласовании антенны с кабелем. Готовые антенны как правило поставляются уже с необходимыми схемами согласования.
В качестве меры точности согласования используется так называемый коэффициент стоячей волны КСВ. Этот коэффициент равен отношению амплитуды максимума напряжения стоячей волны к амплитуде минимума.
Когда КСВ равен единице, антенна полностью согласована с фидером и отраженной волны нет. Чем больше КСВ, тем хуже согласование и тем больше энергии отражается обратно в линию.
Следует также учитывать, что большинство антенн имеют симметричную конструкцию, а фидер в виде коаксиального кабеля — несимметричную. В этих случаях для подключения фидера применяются специальные симметрирующие устройства (рис. 18).
На рис. 19 для примера показаны четыре схемы согласования сопротивления коаксиального кабеля и антенны.
Слева вверху показана схема, применяемая, когда сопротивление антенны больше сопротивления кабеля, а слева внизу — когда сопротивление антенны меньше сопротивления кабеля.
Т-образная и П-образная схемы (справа вверху и справа внизу) пригодны для широкого диапазона согласования сопротивлений.
На рис. 20 показан антенный тюнер, выполняющий функцию согласования антенны и фидера.
Подробнее о согласовании антенн различных типов читайте в статье Антенные согласующие устройства.
Для антенны в виде длинного провода необходимо выполнить согласование высокого сопротивления антенны, составляющего порядка 500 Ом, и сопротивления фидера (обычно 50 Ом). Это можно сделать с помощью согласующего трансформатора — балуна (рис. 21).
Эти и другие виды устройств рассмотрены в статьях Симметрирующие и согласующие устройства и Согласование и симметрирование. Зачем антенне балун.
Измеритель КСВ
Измеритель КСВ можно сделать самостоятельно, воспользовавшись, например, схемой из статьи Измерение КСВ на коротких волнах (рис. 22).
Рис. 22. Схема мостового измерителя КСВ (источник)
В этой схеме источник сигнала, такой как маломощный генератор, подключают к разъему Х1, а антенный фидер — к разъему Х2. Описание принципа работы есть в приведенной выше статье.
Куда лучших результатов можно добиться с помощью векторного анализатора цепей, такого как NanoVNA (рис. 23).
С помощью NanoVNA можно измерять амплитудно-фазовые характеристики радиочастотных компонентов и антенн, включая КСВ, импеданс, параметры передачи и отражения. Я планирую рассказать об использовании этого прибора в одной из следующих статей.
Выбор фидера
Помимо волнового сопротивления следует учитывать затухание сигнала, проходящего по кабелю. Величина затухания, измеряемая в дБ на метр, зависит от длины кабеля и частоты сигнала. Чем длиннее кабель и выше частота, тем больше затухание.
Кроме этого, затухание зависит от материала, из которого изготовлен диэлектрик (диэлектрические потери), проводник и экран, а также от диаметра кабеля. Чем больше диаметр коаксиального кабеля, чем плотнее его оплётка и чем лучше проводник, тем меньше затухание.
Если вы приобретаете коаксиальный кабель на маркетплейсе, обращайте внимание на тип кабеля и затухание. Обычно эта информация есть в описании кабеля на сайте.
Например, недорогой кабель RG-58 обладает затуханием примерно 10,8 дБ/100 м на 50 МГц и 70,5 дБ/100 м на 1 ГГц, а у кабеля LMR-400 затухание заметно меньше — 2,2 дБ/100 м при 30 МГц, 8,9 дБ/100 м при 450 МГц, 42,7 дБ/100 м при 8000 МГц. При выборе типа кабеля также можно воспользоваться этой сравнительной таблицей.
Ещё один момент связан с выбором типа разъемов для фидера. На высоких частотах (порядка 6 ГГц) некачественные SMA-разъёмы и переходники могут испортить КСВ.
В приёмнике RTL-SDR V4 для подключения антенны установлен разъем типа SMA female. На рис. 24 показаны разъемы SMA male и SMA female.
Если вы приобретаете готовую сборку кабеля с разъемами, проверьте тип разъемов. При необходимости приобретите переходники. На рис. 25 показан пример такого переходника для PL-259 (UHF male) и SMA.
В продаже также есть небольшие переходники в виде кабеля длиной порядка 10 см, на концах которого смонтированы разъемы разных типов.
Защита от молний
Если вы устанавливаете внешнюю антенну, например, на крыше дома или протягиваете провод между домом и деревом, необходимо предусмотреть защиту от молний. В противном случае во время грозы не исключено повреждение радиоаппаратуры, а также возможен сильный удар током или пожар.
Устанавливая антенну, обязательно соедините металлические элементы антенны с землей толстым проводом или полосой. Заземление антенны соедините с общим заземлением здания.
Подключите фидер (коаксиальный кабель) к земле через грозоразрядник. Используйте устройства, защищающие от молний оборудование, подключенное к антенне с помощью коаксиального кабеля. Таких устройств довольно много в продаже (рис. 26).
Что касается заземления, то для антенн разных типов используются различные схемы.
В случае диполя рекомендуется установить рядом с антенной молниеотвод таким образом, чтобы антенна находилась внутри угла защиты 45⁰.
Для вертикального штыря также потребуется молниеотвод. Кроме этого, нужно заземлить мачту и основание. Аналогичные меры рекомендуются и для длинного провода, включая заземление экранирующей оплетки коаксиального кабеля.
Антенна типа Яги защищается заземлением мачты и кабеля, а спутниковая тарелка — заземлением кронштейна и опоры.
Подробнее о том, как защитить вашу антенну от молний, читайте в статьях Заземление и молниезащита антенн, Грозозащита антенн. Возможно, вам пригодится «Техническое руководство по проектированию молниезащиты и защиты от импульсных перенапряжений» издания ОБО Беттерманн, а также книга «Grounding, Bonding, and Shielding for Electronic Equipments and Facilities».
Конечно, вы можете установить грозозащиту самостоятельно, но с точки зрения безопасности лучше пригласить одну из компаний, специализирующихся на таких работах.
Идем дальше
Итак, я надеюсь, что вы уже приобрели такой приёмник как RTL-SDR V4 и опробовали его в работе с антенной, которая идет с ним в комплекте. Теперь, вооружившись знаниями об антеннах, вы сможете выбрать подходящие антенны для исследования различных диапазонов эфира. Попробуйте послушать с разными антеннами FM-радио, радиолюбителей, радиообмен самолётов с диспетчерской вышкой и поискать в эфире что-то ещё.
В следующих статьях я планирую рассказать о том, как повысить эффективность приёма с помощью дополнительных фильтров и малошумящих усилителей, как использовать векторный анализатор цепей NanoVNA, как использовать знания о распространении радиоволн для того, чтобы услышать дальние станции и многое другое.
Не переключайтесь!
Использование изображений
Изображение в начале статьи было создано нейросетью Kandinsky.
Автор @AlexandreFrolov
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.