Каталог статей
Меню сайта


Статистика


Онлайн всего: 1
Гостей: 0
Пользователей: 1
URC


Форма входа



Поиск


Категории раздела
Антенны КВ [91]Антенны УКВ [23]Антенны - другие [11]


Приветствую Вас, Гость · RSS 29.05.2017, 12:38
Главная » Статьи » Антенны » Антенны КВ

Двунаправленные антенны "Флаг" и "Вымпел"

Как уже замечено выше под антенну Бевереджа как правило нет места. И потому приходится обходиться намного меньшими "флагами" и "вымпелами". Естественно их диаграмма направленности не может сравниться с антенной Beverage. Но согласитесь, трудно ждать равных результатов от низко расположенного 300 метрового Long wire (подпольная кличка антенны Beverage) и от рамки длиной 4 и высотой 2 метра (типичные размеры "Флага"). Сравним.

Это Beverage  (для просмотра и вычисления этой модели достаточно демо-версии GAL-ANA)

А это "флаг" (для просмотра и вычисления этой модели достаточно демо-версии GAL-ANA)

Конечно Beverage лучше. Его ДН гораздо уже в горизонтальной плоскости и более чем вдвое - в вертикальной. Если предположить, что шумы и помехи приходят равномерно со всех азимутальных и зенитных направлений, то по сравнению с всенаправленной (изотропной) антенной, Beverage может улучшить отношение Сигнал DX/Шум (С/Ш) в несколько десятков раз по мощности за счет пространственной избирательности.

Тут надо заметить, что большинство передающих антенн (диполи, дельты, inverted V) в диапазоне 160 m имеют ДН близкую к всенаправленной: за счет низкого расположения над землёй глубоких минимумов в их ДН просто не может быть.

Кроме того, Beverage имеет достаточно высокое (для приёмной антенны) усиление, что позволяет использовать его без предварительного усилителя. Поэтому, если у вас найдется пару - тройку - четверку сотен метров под Beverage, то сделайте его и не теряйте времени на "флаги", "вымпелы" и дальнейшее чтение этой статьи (хотя последние пару рисунков и несколько абзацев все же гляньте).

Но если места нет, то приходится перебиваться тем что удается разместить на нескольких метрах. С сожалением должен отметить, что получить остронаправленную ДН от антенны с физическими размерами в сотые доли l нельзя. Ни от какой антенны. Это физика. Для остронаправленной ДН размеры антенны должны исчисляться как минимум несколькими десятыми (а то и несколькими единицами) l.

Что можно получить от маленькой приёмной антенны, так это кардиоиду: ДН с одним глубоким минимумом. Как в любом пеленгаторе, например приёмнике "лисолова".

Принцип следующий. Известно, что короткий штырь имеет круговую ДН в азимутальной плоскости с одинаковой фазой во всех направлениях. А маленькая рамка - ДН с двумя минимумами ("восьмерку"), причем фаза в половинках "восьмерки" отличается на 180 градусов (вспомните антенны "лисоловов" там и штырь и рамка присутствуют в явном виде).

Если теперь, выровняв амплитуды сигналов от обеих антенн, сложить их сигналы на сумматоре, как раз и получится кардиоида, показанная на последнем рисунке. В приёмнике лисолова сумматор в явном виде присутствует - два входа. А как работает "флаг"? Обратимся к его устройству:

Оно не отличается сложностью: прямоугольная рамка 4х2 метра. В середине дальней стороны вставлен нагрузочный резистор, в середину ближней - источник. Больше подробностей в файле антенны.

С одной стороны "флаг" это рамочная антенна.. С другой стороны, размеры "флага" по оси Z не так малы, а питание осуществляется в середину вертикальной стороны - получается пара коротких вертикальных диполей, соединенных параллельно. А это уже вертикальная антенна. Токи от "рамочной" и от "вертикальной" сущностей флага протекают по одному и тому же контуру. Чтобы установить их равными достаточно подобрать величину нагрузочного резистора. Правильность фазировки достигается выбором точек включения резистора и источника питания. В результате антенна имеет суммарную ДН, с одним глубоким минимумом.

Форма рамки и её размеры оказывают весьма малое влияние на параметры антенны (и потому используются рамки самой разной формы, рамка вытянутой треугольной формы именуется "вымпел") лишь растет усиление с увеличением периметра. Принципиальным является лишь размещение точки питания и резистора в середине вертикальных сторон и на противоположных сторонах рамки. Установка минимума ДН осуществляется подбором нагрузочного резистора.

Итак, что же можно ждать от "флага" в качестве приёмной антенны НЧ диапазонов?

Плюсы:

·         Маленький, а какую - никакую пространственную избирательность имеет.

·         Некоторая пространственная избирательность приводит (при помехах, равномерно приходящих со всех сторон) к улучшению отношению C/Ш на 3..10 dB. Если помехи сосредоточены по азимуту неравномерно (скажем станции Европы, в то время как полезный сигнал идёт с востока), то выигрыш может быть значительно больше. Конечно для этого "флаг" должен либо вращаться, либо надо иметь несколько "флагов" в разных направлениях.

Минус (считаем, что слабую направленность мы "флагу" уже простили):

·         - Очень низкое усиление. На 160 m типично -40...45 dB (при периметре рамки 10...15 метров). То есть в обязательно порядке потребуется УВЧ с усилением 20..36 dB. Это еще не минус (хотя наличие УВЧ до фильтрации безусловно снизит многосигнальную избирательность приёмника). Минус в том, что небольшой "флаг" может принимать лишь БОЛЬШИЕ сигналы, спрятанные в больших же шумах и QRM.

Посчитаем.


Пример 1.

Пусть на антенне с Ga = 0 dBi (GP на средней земле, например) Сигал DX составляет 3,5 мкВ (это довольно много для дальней станции). Сигналы шумов 5 мкВ. Отношение С/Ш = 0,7 раз или -3dB. В принципе приём есть но неуверенный.

Подключим антенну Beverage 300 m (с Ga = –6 dBi) в направлении DX. ДН в вертикальной плоскости GP и Beverage почти равны, а в азимутальной плоскости ДН Beverage впятеро меньше.

Сигнал DX снизится на 6dB (Ga = –6dBi) и станет 1,75 мкВ, а шумы упадут на те же -6 dB(до 2,5 мкВ) и дополнительно за счет сужения ДН впятеро (это по мощности, а по напряжению в корень из 5), т.е. до 1,1 мкВ. То есть С/Ш станет 1,6 раз или +4,5dB. Это уже вполне уверенно принимаемый сигнал (мощность полезного сигнала почти втрое выше мощности шума). Отмечу, что в пока все уровни намного выше шумов приёмника, и потому мы их не учитывали.

Подключим теперь "флаг" с Ga = –44dBi (типичное значение при периметре 10...12 метров). Сигнал DX будет 23 nV (нановольта), т.е на 44 dB ниже чем 3,5 мкВ. Помехи упадут на те же 44 dB (то есть до 32 nV) за счет Ga и еще примерно вдвое (по мощности, по напряжению - в корень из 2) за счет сужения ДН. То есть по напряжению помеха будет 32 nV•0,707 = 22 nV. То есть сигнал станет большее шума? Не спешите.

Уровни в nV уже требуют учета шумов УВЧ. Если в УВЧ используется очень хороший малошумящий транзистор, схема УВЧ грамотна, то реально получить коэффициент шума УВЧ в 1 dB. У такого (очень хорошего!) УВЧ напряжение шумов, приведенное ко входу в полосе 200 Гц (мы CW принимаем) составит около 5nV. И эти шумы ДОБАВЯТСЯ к принимаемым эфирным шумам. И потом ПОЛНОЕ напряжение шумов на входе УВЧ будет 22 + 5 = 27 nV. Отношение С/Ш = 23/27 = 0,885 раз или -1 dB.

То есть с "флагом" мы получили выигрыш в C/Ш около 2 dB (это лучше, чем ничего, часто 1...2 dB решают быть QSO или не быть). Но антена Бевередж в тех же условиях даст выигрыш в С/Ш на 7..8 dB.


Напомню, все выкладки примера 1 относятся к весьма большому сигналу DX. Чтобы на антенне с Ga = 0 dBi от сигнала станции, находящейся за много тысяч километров, получилось бы целых 3,5 мкВ, та станция должна "вкачать" в хорошую передающую антенну (например GP) очень много сотен ватт.

А если принимаемая станция не имеет хорошей передающей антенны. Или (чисто случайно) соблюдает требования лицензии и мощности у нее и ста ватт нет? Ясно что полезный сигнал от такой станции будет намного меньше. А шумы останутся теми же самыми (с какой это радости шумам уменьшаться?).


Пример 2.

Рассмотрим теперь пример, когда полезный сигнал на антенне с Ga = 0 dBi составляет 1,5 мкВ (что кстати, тоже не так и мало - соответствует снижению мощности передатчика впятеро по сравнению с предыдущим примером. Например, 200 W вместо "биг-гановского" киловатта).

Опуская вычисления (они строятся также, как и в первом примере) сразу приведу результат.

Антенна с Ga = 0dBi С/Ш = 0,3 раза или –10 dB, приём невозможен (мощность помех вдесятеро выше мощности сигнала).

Beverage даст С/Ш=0,7 раз или -3 dB, приём хотя и неуверенный, но есть.

"Флаг" С/Ш=0,35 раза или -9 dB, что хотя и чуть (на 1 дБ) лучше, чем на GP, но приём все равно невозможен.


Таким образом небольшой "флаг" полезен лишь при сильных сигналах и помехах относительно узко расположенных по азимуту.

При слабых же сигналах небольшой "флаг" практически не улучшает С/Ш. В этом, например, убедилась экспедиция TO4E (FR/E), которая использовала на передачу GP, а на приём именно небольшой "флаг". Поскольку до ближайших корреспондентов было минимум несколько тысяч км, то TO4E могли слышать лишь "биг-ганов", а всех прочих (с их слабыми сигналами) нет. В результате несмотря на громкий сигнал в Европе TO4E не сделала и сотни QSO на 160 m. Для сравнения: экспедция 3B9С работавшая примерно из тех же краев в примерно то же время, и использовавшая на 160 m антенну Бевереджа провела 3600 QSO на 160m.

Сгладить проблему может значительное увеличение периметра флага. Так при использовании маленького флага (с периметром 12метров) в диапазоне 3,5 MHz Ga "флага" возрастает до -32 dBi, что позволяет уверенно слышать и весьма малые сигналы (та же TO4E на 80-ке слышала намного лучше, чем на 160-ке). Для хорошего приёма слабых сигналов на 1,8 MHz можно рекомендовать увеличение периметра "флага" до 25...40 метров. При этом Ga в диапазоне 1,8 MHz поднимается до -32...-27 dBi, а в диапазоне 3,5 MHz до -17..22 dBi. Правда размеры "флага" при этом становятся весьма значительными....

Тем не менее для радиолюбителя в городе "флаг" остаётся одной из немногих возможностей хоть как-то улучшить С/Ш. Да, это улучшение как правило невелико (исключение случаи попадания мешающей станции точно в задний лепесток), но это лучше чем ничего. Каждый лишний dB в С/Ш повышает вероятность QSO.

Конечно, надо иметь несколько "флагов", переключаемых в разных направлениях. Но тут возникает противоречие. С одной стороны надо иметь максимально возможное Ga "флага". А для этого надо увеличивать его размеры. А места, как мы договорились, у нас мало. И потому разместить несколько больших "флагов" радиально с общим центром негде.

Потому мы логично приходим к идее переключения ДН "флага" на два направления. Тем более, что это кажется не шибко сложным: надо лишь поменять местами точки подключения нагрузочного резистора и источника. Но это только кажется простым. Закройте глаза и представьте: "флаг", длиной несколько метров, к обоим вертикальным сторонам идёт по паре кабелей (коаксиальный и управления). В середине обоих сторон стоят коробочки с реле, согласующим и трансформаторами и нагрузочными резисторами. Ой, сколько мороки...

Попробуем решить эту задачку проще. Нагрузочный резистор "флага" обычно несколько сотен Ом. И потому его можно подключить не прямо, а по согласованной двухпроводной линии, имеющей такое же волновое сопротивление. Например так (для просмотра и вычисления этой модели достаточно демо-версии GAL-ANA):

Отличие от предыдущего рисунка лишь в том, что сопротивление в правую вертикальную сторону подключено не прямо, а через согласованный отрезок двухпроводной линии. А велика ли разница с обычным флагом?

Велика. Точка питания и подключения нагрузочного резистора в данном случае находятся рядом и для их коммутации требуется только один кабель и только одна коробочка. Разворот ДН на 180 градусов осуществляется простым реверсированием источника питания и резистора.

Такое построение очень удобно, и позволяет для данной пары направлений использовать все имеющееся место под "флаг". Вид ДН для обоих направлений таков:

Некоторое время у меня использовался "флаг" в форме ромба  (для просмотра и вычисления этой модели достаточно демо-версии GAL-ANA) со стороной в 2,75 m:

Такая форма антенны проще конструктивно - требуется всего одна удаленная точка крепления. Основные параметры ромба такие же как и у "флага".

 

В завершении хочу обратить внимание, что любая направленная приёмная антенна почти полностью теряет свои направленные свойства, будучи расположенной недалеко от ненаправленной (или слабо направленной) резонансной передающей антенны. Причина этого - ближнее, реактивное поле передающей антенны. Или, проще говоря, её переизлучение. Большая резонансная слабонаправленная антенна (даже будучи отключенной от TX) принимает сигналы помех и шумов. Токи этих помех, протекающие по большой антенне создают вторичное (переизлученное) поле. Это поле благополучно перемешивается с ближней зоной направленной приемной антенны и частично ею принимается. Причём, поскольку речь идёт о ближней, реактивной зоне, то о направленности речи быть не может.

Посмотрите какая беда случается с ДН нашего 350 метрового Beverage (первый рисунок), если в 50 метрах от его начала и в 5 метрах сбоку стоит GP высотой 22 метра, настроенный на 1,825 MНz катушкой в основании:

И это ДН Beverage? Увы, да - поле переизлучения резонансной передающей антенны полностью испортило ДН приёмной антенны.

Еще пример. "Флаг" (как на втором-третьем рисунках), но в двадцати метрах от него (то есть весьма далеко) имеется такой же передающий GP, как и в предыдущем примере. Полюбуйтесь что осталось от направленности:

Слабенькие сигналы во "флаге" весьма критичны даже к небольшим переизлученным полям.

Так что ж с этим безобразием делать? Антенну-то передающую надо иметь, а далеко её отнести не получится. Места нет. Но я не напрасно в предыдущих абзацах тащил громоздкое словосочетание "резонансная передающая антенна". Дело в том, что как только передающая антенна перестает быть резонансной, её поле переизлучения падает во много раз и перестаёт влиять на направленность приёмной антенны. Поэтому надо позаботиться о кардинальной расстройке передающей антенны в режиме приема. У укороченного GP для этого можно отключать согласующую катушку. У многодиапазонного GP - включать другой диапазон. У диполя - отключать одно из плеч, у дельты - отрывать от кабеля один из проводов антенны. Возможностей много. Дурное дело (расстроить антенну , уведя её частоту подальше от рабочей ) нехитрое. Во всяком случае много проще, чем настроить антенну. Но вы должны позаботится о том, чтобы в точке питания передающей антенны появилось бы такое странное реле как RX/TX. Иначе пользы от отдельной приёмной антенны (любого типа) будет на удивление немного...

Категория: Антенны КВ | Добавил: URC (14.04.2011)
Просмотров: 2263 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]