Логотип

Разновидности антенн и увеличение их эффективности

категория
Антенны и радиосвязь
материалы в категории

Следует заметить, что попытки улучшить прием, подключая к приемнику заземление или более эффективную антенну, часто не дают заметного эффекта и даже ухудшают прием по одной очень простой причине.

Изготовитель приемника рассчитывает его входную цепь и настраивает ее на работу с антенной определенного типа и размеров. Когда вы подключаете, например, антенну большей длины, чем рассчитывал изготовитель, во входной контур вносится дополнительная емкость, которая расстраивает его относительно частоты сигнала (рис. 5). Кривая 1 на этом рисунке показывает зависимость напряжения на входном контуре приемника от частоты сигнала при работе со “стандартной" антенной. При настройке на радиостанцию, работающую на частоте f0, напряжение на входном контуре равно U.

При подключении к приемнику более длинной антенны максимальное напряжение на его входном контуре увеличивается, однако за счет дополнительной емкости происходит это на более низкой частоте (кривая 2), а напряжение сигнала той же радиостанции снижается до U2. Нем выше добротность входного контура, тем сильнее ухудшится прием. Однако после подстройки входного контура напряжение на нем может возрасти до U3. Так что, экспериментируя с антеннами, не нужно забывать подстраивать входной контур приемника. В профессиональных радиоприемных устройствах для этой цели предусмотрена ручка “Настройка антенны”.

Магнитные антенны. Магнитной антенной служит любой замкнутый виток провода, находящийся в электромагнитном поле, создаваемом в месте приема передающей станцией. Поскольку цепь протекания тока сигнала всегда замкнута, приемнику с магнитной антенной не нужно заземление. Наведенное в антенне напряжение сигнала пропорционально напряженности магнитного поля Н, площади, охватываемой витком, и синусу угла между плоскостью витка и направлением магнитных силовых линий.

Форма витка не имеет никакого значения, важна лишь охватываемая им площадь. С точки зрения экономии провода и снижения сопротивления потерь выгоднее всего делать виток круглым или квадратным. Такую антенну часто называют “рамочной”.

Для максимальной эффективности приема плоскость рамки должна быть перпендикулярна вектору Н Это означает, что для приема волн с вертикальной поляризацией (например, в средневолновом диапазоне) рамку нужно установить вертикально и ребром в сторону радиопередатчика.

Существует несколько способов повышения эффективности магнитной антенны. Самый очевидный из них — увеличение площади рамки наталкивается на два препятствия: во-первых, рамку большого размера трудно изготовить и разместить в помещении и, во-вторых, когда ее размеры становятся сравнимыми с длиной волны, ее свойства резко изменяются и она уже не может считаться магнитной антенной. Достаточно вспомнить, что рамки связной или телевизионной антенны “двойной квадрат” располагаются уже не ребром, а плоскостью в сторону передатчика!

Другой способ повысить эффективность магнитной антенны — увеличить число ее витков. Действительно, до некоторых пределов эффективная площадь антенны увеличивается пропорционально этому числу. Однако с добавлением каждого витка растут индуктивность рамки и паразитная емкость между витками. Когда резонансная частота образованного ими колебательного контура становится ниже частоты принимаемого сигнала, эффективность антенны резко падает

Но наиболее радикальное улучшение свойств магнитной антенны достигается размещением внутри нее ферромагнитного стержня, концентрирующего магнитное поле. Теоретически такая возможность известна очень давно но практически реализована лишь в пятидесятых годах, когда было освоено производство ферритов — дешевых материалов с большой магнитной проницаемостью и малыми потерями энергии высокочастотного магнитного поля.

Эффективная площадь магнитной антенны при помещении в нее ферритового магнитопровода увеличивается пропорционально его магнитной проницаемости Правда, речь здесь идет не о величине магнитной проницаемости феррита, измеренной в особых условиях и указанной в технических характеристиках, а об эффективной проницаемости, которая лишь приближается к этой величине тем сильнее, чем большая часть площади витка занята магнитопроводом и чем длиннее он сам.

Имеют значение и длина обмотки, и положение ее относительно середины магнитопровода. Практически стремятся наматывать провод антенны непосредственно на магнитопровод, сечение и длину которого выбирают максимально возможными, исходя из условий его размещения Для уменьшения емкости между витками обмотку делают однослойной.

Применение ферритовых магнитопроводов позволило создавать ДВ, СВ магнитные антенны, размеры которых измеряются сантиметрами. По эффективности они сравнимы с электрическими антеннами длиной в несколько метров.

К сожалению, столь же эффективную магнитную антенну КВ, а тем более УКВ диапазона, создать не удается Причина здесь, во-первых, в значительно меньшей магнитной проницаемости ферритов, способных работать на этих частотах; во-вторых, уже примерно при десяти витках колебательный контур антенны невозможно настроить на частоту сигнала. В этих диапазонах иногда применяют классические рамочные антенны из нескольких витков без магнитопровода, но их эффективность не больше чем у конструктивно значительно более простой штыревой электрической антенны примерно того же размера.

Характерная для магнитных антенн резко выраженная направленность приема скорее вредна, чем полезна для обычного радиовещательного приемника. Для различных радионавигационных устройств направленная магнитная антенна незаменима. Это особенно ценно, так как по некоторым причинам очень сложно создать малогабаритную электрическую антенну с вертикальной поляризацией, имеющую направленные свойства в горизонтальной плоскости. Именно магнитные антенны позволяют капитанам морских и воздушных судов в любых погодных условиях определять место своего нахождения по радиомаякам.

Антенна размером с дом. Многое из того, что говорится об антеннах в различных статьях (в том числе и в этой), справедливо на 100 % лишь в условиях, когда вблизи антенны (да и на всем пути распространения волны от передатчика к приемнику) нет предметов, отражающих и поглощающих электромагнитные волны В реальной жизни это совсем не так. Современный город представляет собой сложнейший набор электромагнитных экранов, отражателей и поглотителей волн.

Так, качество приема внутри современного железобетонного дома вообще предсказать трудно. Иногда оно оказывается наилучшим у окна, а иногда — в самом дальнем от окна углу комнаты.

Рассмотрим этот вопрос подробнее. Металлическая арматура железобетонного дома, вопреки распространенному мнению, не является идеальным экраном для радиоволн. Она образует множество замкнутых и разомкнутых электрических цепей, каждая из которых по-своему взаимодействует с падающей волной. Самая очевидная магнитная антенна — окно, вокруг которого детали арматуры образуют замкнутую цепь.

Когда окно находится со стороны радиостанции, оно действует как электрическая щелевая антенна (антенные свойства непроводящей щели в проводящей поверхности, как известно, подобны свойствам отрезка проводника, окруженного диэлектриком). В этой ситуации наилучший прием обеспечивается при размещении приемника с электрической, например, штыревой антенной в центре окна. Аналогичные “антенны” можно найти и в других местах, наиболее типичные из которых показаны на рис. 6.

Когда направление на радиостанцию параллельно плоскости окна, оно уже будет работать не как щелевая, а как магнитная антенна В этом случае выгоднее всего расположить приемник в одном из углов окна или другого проема, через который проходят магнитные силовые линии.

Магнитную антенну следует разместить перпендикулярно плоскости окна. Важно, чтобы вошедшие в него магнитные силовые линии могли выйти наружу через окно или дверь в противоположной стене. Иногда их путь может оказаться довольно замысловатым и проходить через несколько комнат, коридоров и квартир. Интересно, что металлическая дверь может стать непреодолимым препятствием не только для воров, но и для магнитных силовых ЛИНИЙ, что значительно ухудшит прием не только в вашей, но и в соседних квартирах.

Если же окно размещено в стороне, противоположной радиостанции, ее сигналы могут быть полностью экранированы элементами конструкции дома.

В кирпичном или деревянном доме неплохой антенной могут служить трубы водопроводной или отопительной системы. Одиночная вертикальная труба (“стояк”) — в сущности, штыревая антенна высотой, почти равной высоте дома. Нижняя часть этой антенны заземлена, и напряжение принимаемого сигнала здесь очень мало, но зато ток имеет наибольшее значение. Поэтому на нижних этажах дома можно попробовать связать приемник с трубой-антенной индуктивно, расположив его магнитную антенну поближе к трубе и перпендикулярно к ней.

На верхних этажах наведенное на трубе напряжение сигнала становится максимальным, а ток —минимальным. Здесь индуктивная связь бесполезна, и стоит попытаться непосредственно или через конденсатор небольшой емкости соединить гнездо “Антенна” приемника с трубой. В этом случае большое значение имеет качество и способ заземления приемника. Если оно отсутствует, особого эффекта от подключения к трубе скорее всего не будет.

Если же приемник заземлен отдельным проводом или через электросеть, то труба, входная цепь приемника и заземляющий провод образуют замкнутую цепь, действующую как магнитная антенна. Прием будет тем лучше, чем большую площадь охватывает эта цепь, например, чем дальше от трубы прохода провод заземления или сетевые провода.

Во многих случаях водопровод и водяное отопление устроены по замкнутой схеме. Трубы по одной стене дома поднимаются до чердака, а по другой — вновь спускаются вниз, образуя для электромагнитных волн виток магнитной антенны, оба конца которого заземлены. Наилучшая связь с таким витком — индуктивная, независимо от этажа, на котором находится приемник.

Следует иметь в веду, что “антенна" размером с дом способна резонировать даже в средневолновом диапазоне, не говоря уже о коротковолновом. Это проявляется в резких различиях качества приема на разных частотах. Место наилучшего приема одной радиостанции может оказаться совершенно непригодным для приема другой. К сожалению, бороться с этим явлением можно только одним способом: изготовить хотя бы простейшую наружную антенну, забросив провод на ближайшее дерево, на крышу соседнего дома или просто натянув его на балконе.

Почему хрипит УКВ приемник? Одно из главных достоинств вещания в УКВ диапазоне — недостижимое на более длинноволновых диапазонах качество принимаемого сигнала, почти не уступающее получаемому при воспроизведении хорошей звукозаписи. Это достигается в основном за счет избыточности передаваемой в эфир информации. Вещательный УКВ передатчик занимает в эфире более широкую полосу частот, чем полоса частот передаваемого им звукового сигнала.

Но за качество надо платить. Если условия распространения волн с частотами, находящимися на разных участках спектра ЧМ сигнала, сильно различаются, вызванные этим искажения не удается устранить никаким способом. Именно по этой причине, а не из-за тесноты в эфире, широкополосная ЧМ неприменима в коротковолновом диапазоне, где даже узкополосные AM сигналы искажаются до полной неразборчивости селективными замираниями.

На УКВ замирания (по крайней мере, такие же быстрые, как на КВ) отсутствуют. Но, как уже говорилось, в условиях современного города антенны приемника достигает не только волна, непосредственно излученная передающей антенной, но и множество волн, переотраженных зданиями и местными предметами. Современные постройки, содержащие в своей конструкции много металла, служат почти идеальными отражателями ультракоротких волн, и интенсивность отраженной волны сравнима, а нередко и превосходит интенсивность прямой.

На длинных, средних и даже коротких волнах результатом взаимодействия всех этих волн была зависимость амплитуды сигнала, принимаемого антенной, от его частоты. В диапазоне УКВ разность длины путей, проходимых каждой из составляющих от передающей до приемной антенны, составляет много длин волн, поэтому от частоты зависит не только амплитуда, но и фаза суммарного сигнала.

Но если изменения амплитуды сигнала в ЧМ приемнике устраняются ограничителем, то изменения его фазы остаются. Поскольку частота есть скорость изменения фазы, то исказится закон изменения частоты. Как это происходит, показано на рис. 7. Такие искажения проявляются в виде характерного хрипа, сопровождающего наиболее высокочастотные составляющие звуковой программы. К сожалению, никакой коррекции в приемнике они не поддаются.

Чтобы устранить искажения, нужно постараться выбрать из множества приходящих волн одну, самую интенсивную, и по возможности подавить остальные. Наилучшего эффекта можно добиться, применив направленную антенну и подняв ее вьшіе местных предметов и построек, где интенсивность прямого сигнала больше, а отраженных сигналов меньше.

Если же вы пользуетесь портативным приемником и вам не хочется привязывать себя к стационарной антенне, остается только подыскать такое место его расположения, где искажения минимальны.

А. Долгий, г. Москва.

Почта сайта