Вступление

Теория антенн может быть, иногда, "сухой". Для типичного радиолюбителя, который не является профессиональным инженером в сфере антенной техники, связь между теорией и практикой может быть зыбкой, что приводит к некорректным предположениям и обобщениям, появляющимся в тех или иных статьях и утверждений в нашем хобби.

Поэтому, я предлагаю серию статей про антенные вопросы в формате головоломки. 

Вопросы сконструированы так, что Вы сможете легко использовать их во время проведения следующей QSO или во время встречи с другими коллегами по хобби в Вашем радиоклубе.  Вопросы гарантировано вызовут волну неверия, споров, и, в конце-концов, просвещения.  Количество головоломок на тему грамотности в антеннах будет зависеть от Вашего отзыва. Надеюсь, что Вы получите удовольствие.

Подумайте над следующим

Передатчик, работающий на 70 сантиметровом диапазона и передатчик, работающий на 2 метровом диапазоне соединены с их собственной согласованной и находящейся в резонансе четвертьволновой вертикальной антенной типа Ground Plane (GP), установленной в вертикальном положении. Антенны размещены на верху 15 метровых стекловолоконных мачт, разнесенных друг от друга на расстояние15 метров. Каждый передатчик выдает несущую, мощностью 1 Ватт и смонтирован прямиком под антенной, чтобы устранить потери в коаксиальном кабеле.

На расстоянии 5 от передатчика существует приемник сигналов диапазона 70 см и приемник сигналов диапазона 2 м диапазона, подключенные к таким же антеннам как и на передающей стороне, на таких же мачтах и на таких же высотах. Приемники имеют одинаковую чувствительность и почти идеальные приемные характеристики. Земная поверхность между приемниками и передатчиками полностью плоская, без каких-либо отражающих или закрывающих путь радиоволнам объектов . Солнечный день и влажность воздуха минимальная.

Теперь ответьте на следующий вопрос

Есть ли разница в силе принимаемого сигнала между двумя примениками? Подсказка– в условиях задачи нет каких-то «подковырок».

[ Если не хотите увидеть ответ, то дальше не читайте. ]

Теперь ответ

Ситуация так спланирована, чтобы избежать «подковырок». Высота стекловолоконных мачт обеспечивает, что обе антенны находятся на высоте, равной нескольким длинам волны от земли, чтобы минимизировать соответствующие эффекты. Каждый набор антенн расположен на расстоянии множества длин волны, чтобы устранить любое взаимное влияние антенн. Антенны для приема и передачи одинаковые в каждом своем аспекте, включая их высоту, коэффициент усиления и поляризацию. Антенны для приема и передачи находятся достаточно далеко так, что нет эффектов в ближней зоне поля в то время как они достаточно близко, так что только прямая наземная волна проходит между приемником и передатчиком и влияние кривизны поверхности Земли незначительно. Передатчики и приемники имеют идентичные характеристики для своих диапазонов.  Воздух между приемной и передающей стороной имеет незначительный эффект на распространение сигналов разных диапазонов.

Основываясь на всех вышеперечисленных моментах, можно заключить, что принятый сигнал будет одинаковым на обоих диапазонах. К сожалению, такое заключение будет неправильным. Оказывается, что приемник 2-х метрового диапазона покажет нам силу сигнала в 8 раз (9.1 дБ или более чем 1.5 балла по шкале S) выше, чем приемник диапазона 70 см!  И вы можете "винить” в этом приемную антенну диапазона 70 см. Читайте дальше…

Детальный ответ

В нашем сценарии, равное количество РЧ энарегии диапазонов 2 м и 70 см прибывает к каждой приемной антенне. Это потому, что передатчики имеют одинаковую мощность и антенны имеют одинаковые усилия и диаграммы направленности, с одним лишь различием, что они работают на разных диапазонах. Выражаясь инженерным языком, энергия, прибывающая на приемную антенну выражается как плотность потока мощности радиоволны, часто измеряемая в Ваттах на квадратный метр.

Что происходит в нашем, как кажется, маловероятном случае, так это феномен, характеризуемый как аппертура приемной антенны или эффективная площадь. Это интересная концепция в антенном инжиниринге чтобы помочь описать какое количество энергии антенна может "захватить” из сигнала, проходящего рядом.Размер эффективной площади всегда связан с рабочей длиной волны антенны. И так как это площадь, то она выражается в длине волны, возведенной в квадрат (в квадратных метрах). Формула k*wl² где wl суть длина волны в метрах, и k константа для данной приемной антенны в данной пространственной ориентации. Что действительно приятно так это, то что нам не нужно знать k чтобы сделать сравнение между идентичными приемными антеннами, использованными в нашем случае, хотя мы можем его найти и измерить.

Давайте расчитаем соотношение между эффективной площадью антенн в нашем случае: ( k *  2² ) / ( k * 0.7² ) что равняется 2² / 0.7²  и что будет, в свою очередь, 8.13. Так как плотность потока мощности двух сигналов около приемных антенн одинакова, то антенна диапазона 2 метров будет захватывать в 8 раз больше энергии, чем антенна диапазона 70 см в нашем случае.

Заметьте, что так будет в нашем случае, если мы заменим наши антенны на любого типа, но аналогичные (при условии их расположения с одинаковой пространственной ориентацией) . К примеру, четвертьволновый штырь на диапазоне 2 м и 70 см от портативных раций будет показывать такой же результат. Такой же результат будут показывать "резинки”. Если посмотреть на это с другой стороны то, выигрыш в 9 дБ у диапазона 2 м по сравнению с диапазоном 70 см будет означать, что если все остальное будет одинаковым, как в нашем сценарии, то сигнал диапаона 2 м будет слышен на расстоянии в 2.8 раз больше, чем сигнал диапазона 70 см (попробуйте поспорить на что-нибудь со своими друзьями радиолюбителями по этому поводу!). Если сигналам нужно пройти через стены, то этот коэффициент различия в расстояниях станет еще больше, но, я отклонился...

Использование приемных антенн с большим усилиением пропорционально увеличивает эффективную площадь (в направлении усиления). Мы можем достичь одинаковой силы сигнала на приемной стороне если повысим выходную мощность передатчика диапазона 70 см до 8 Ватт (усиление 9 дБ) или снизим выходную мощность передатчика диапазаон 2 м до 1/8 Ватт (-9 дБ).

Мысли в завершение

Будьте осторожны с тем, как вы применяете теорию, указанную в этой антенной головоломке.  Пример был выбран с учетом всех факторов, чтобы все было одинаково кроме длины волны.  При этом анализ и математика стали намного проще. Антенные системы с различным коэффициентом усиления, эффектами от влияния земли, несогласованностью фидеров, потерях в них, или разной пространственной направленностью потребуют более детального анализа как в случае применения микроволновых диапазонов.  Обычное неправильное применение этого принципа думать, что изменение физической длины антенны имеет пропорциональный эффект на эффектвную площадь на приемной стороне. Это не совсем так.

 Если вы хотите узнать подробнее о концепции, представленной в этой Антенной Головоломке, попробуйте поискать в Гугл "Формула расчета затухания радиоволн в свободном пространстве” или "Формула Передачи Фрииса ” для начала.

- Гленн DJ0IQ и W9IQ

Оригинал статьи: 

http://www.eham.net/articles/26703