|
Направленые емкостные (ЕН) антенны. Больной вопрос. С завидной периодичностью этот вопрос задают в письмах. А если серьезно, можно ли сделать напрравленную емкостную антенну? Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо углубиться в теорию АФУ (Антенно-Фидерных Устройств). Как работают направленные антенны? Было несколько попыток сделать направленную емкостную антенну, о чем и будет рассказано в этой статье. |
Направленная емкостная (ЕН) антенна?
(можно ли сделать направленную емкостную антенну?)
Кононов Владимир ( UA1ACO )
г. Санкт-Петербург
Как-то прочитал в одной газете статью о пуске Гидроэлектростанции. В ней корреспондент пишет: "... Турбина завращалась... и ток медленно пошел по проводам!". Сразу подумалось: Слава Богу, что корреспондент (видимо) ничего не знает о фазах! А ведь, по сути, вся теория АФУ построена на фазах, в том числе. И коль скоро мы решили поговорить о направленных емкостных антеннах - это тоже разговор о фазах. Конечно многие скажут: опять эта теория. А как же? Без теории будет не понятно, почему можно или нельзя сделать направленную емкостную антенну, да и вообще, как работают направленные антенны.
А зачем вообще нужны направленные антенны? Простой пример:
"Если увеличить мощность передатчика в 4 раза, напряженность поля в месте приема возрастет в 2 раза, а при увеличении мощности передатчика в 16 раз, напряженность поля в месте приема возрастет только в 4 раза и т.д. В то же время, применение относительно несложных направленных антенн позволяет увеличить напряженность поля в точке приема в 10-15 раз, при неизменной мощности передатчика.
Поговорим о теории.
Диаграмма направленности антенны (любой) получается в результате взаимодействия фаз токов в элементах (проводниках) антенны. В одной и той же антенне, изменяя расположение (геометрию) элементов антенны, можно изменять ее диаграмму направленности, благодаря тому, что при изменении положения элементов относительно друг друга, взаимодействие фаз токов в этих элементах будет изменяться.
Обратимся к классикам. Д.П. Линде "Антенно-фидерные устройства", ГЭИ, М, 1953:
"Существуют три основных пути создания коротковолновых направленных систем. Первый заключается в использовании направленных свойств гармониковых антенн, второй - в создании антенн, состоящих из более или менее сложных систем вибраторов, и третий - в использовании направленных излучающих свойств проводов с бегущей волной тока".
Первый и третий варианты сразу можно исключить, так как ЕН не гармониковая антенна, и длинных проводов у нее нет.
Остается второй способ - создать ЕН из нескольких ЕН антенн. Здесь сразу можно сослаться на статью "Фазированная антенная решетка из ЕН -излучателей." (решетка из 16 ЕН антенн), опубликованную в QRX.narod.ru 1 апреля. Вот что пишет автор "Подключение к трансиверу “полноценной” 5 элементной YAGI в направлении на корреспондента не давало никакой разницы (по сравнению с ФАР из ЕН) ни по приему ни по передаче. ...один из корреспондентов дал оценку 59+50 дБ., ...иногда давали всего 20 дБ, но это от неверия собственным глазам!"
Да.... круто! Но это всего лишь 1 апреля. Примерно то же самое, что и "ЕН антенна из гвоздей".
Но, вернемся к классикам и системе вибраторов.
Г.З. Айзенберг и др. Антенны УКВ 1, М. 1977. 13.5 Вибратор с директором или рефлектором стр.187:
Основной вибратор будем называть антенной. Рефлектор может быть аективным и пассивным. Активным называется рефлектор, который также как и антенна, питается непосредственно от передатчика. Пассивным называется рефлектор, который непосредственно не связан с передатчиком. Ток в пассивном рефлекторе наводится электромагнитным полем антенны. В завистмости от настройки и распределении фаз в пассивном вибраторе, он может быть или рфлектором или директором.
Вот что пишет К.П. Харченко, Антенны УКВ, М, 1967 стр.37:
Суммарная же напряженность поля, создаваемая вибраторами, объединенными в систему, и направление, в котором оно создается, зависит от взаимного расположения вибраторов, амплитуды и фазы токов, текущих по ним.
Прочитав все это можно сделать вывод: Ага... значит надо использовать несколько пассивных антенн, объединить их в систему и мы получим направленную систему из нескольких ЕН антенн! Все просто!
Немножечко остановимся на пассивном вибраторе. Что он собой представляет? В классической антенне это просто отрезок трубки (или провод) длиной равной 1/2 длины волны. Как там распределяются наведенные токи и напряжение? см. Рис.1
Рис.1 Распределение тока и напряжения в пассивном полуволновом вибраторе.
Хорошо, это в полуволновом вибраторе, а если мы вместо него, в качестве рефлектора или директора подставим нашу ЕН антенну... и получится система из двух ЕН антенн! Так? Но сначала, прежде чем что-то куда-то "подставлять", посмотрим, а как распределяется ток и напряжение (поля) в ЕН антенне? Много об этом написано и есть статьи на сайте об этом, например: ЗДЕСЬ или ЗДЕСЬ
Рис.2 Распределение тока и напряжения в емкостной (ЕН) антенне.
Как же так? Почему же токи и напряжения (поля) в ЕН антенне синхронны? Сейчас не будем объяснять этот факт - читайте указанные статьи и проведенные измерения и эксперименты. Да, что-то наводится на пассивную антенну из основной, но пассивная ЕН антенна не полноразмерная...малеькая и никакого сдвига фаз в ней не происходит. Можно придвигать пассивную антенну (как бы вибратор) к активной, отодвигать, но изменение поля в нужном направлении не происходит. Все это проверено. Любой радиолюбитель может повторить такой эксперимент и убедиться сам. Какие-то особые приборы для этого не нужны.
А давайте рассмотрим такую систему, где используется активная ЕН антенна и полноразмерный пассивный рефлектор (директор). Проводили такой эксперимент? Да, проводили и результаты были уже описаны в 2009 году в статье, на этом сайте ЗДЕСЬ. И результаты положительные, Рис.3.
Рис.3 ЕН антенна с полноразмерным (1/2) вибратором.
С использованием ПОЛНОРАЗМЕРНОГО вибратора, прибавка в усилении составила, как в учебниках, +2,7dB. Т.е. любое удвоение количества элементов антенны дает прибавку в 2,7dB. Но это не выход, так как используется полноразмерный добавленный элемент. До этого эксперимента проводился подобный, с использованеием пассивного рефлектора, см. Рис.4. с тем же результатом. Можно сделать и трех... и пяти элементную антенну, но теряется смысл, учитывая габариты, тем более, что это будет уже не система из ЕН антенн а, практически, полноразмерная.
Рис.4 ЕН антенна с рефлектором (145 мГц).
Да, не удалось сделать маленькую направленную антенну, но... это с пассивным дополнительным элементом. А если сделать дополнительный элемент активным, т.е. подать на него сигнал с заранее сдвинутой фазой от передатчика? Давайте попробуем... тем более, что такие измерения и эксперименты уже проводили и не олдин раз, с различными антеннами и на разныъх частотах. На рисунке Рис.5 схема проведения измерений.
Рис.5 Схема проведения измерений.
Суть проведения измерений в следующем: Имеем две ЕН антенны на 14 мГц. На антенны подаются сигналы от прибора "miniVNA PRO" (передатчик), по двум независимым каналам с произвольным сдвигом фаз от 0 до 360 градусов. В дальней зоне (на взлетно-посадочной полосе) на расстоянии в нескольо длин волн (140 метров), располагался измерительный приемник "WiNRADiO WR-G31DDC Excalibur" с измерительной антенной "НБА-02". На приборе "miniVNA PRO" фазы сигналов изменялись от 0 до 360 градусов, Рис.6.
Рис.6 Изменение фазы сигнала от "miniVNA PRO".
Таким образом, при неизменном подводимом напряжении к антеннам, менялся фазовый сдвиг подводимого сигнала от 0 до 360 градусов. Все измерения заносились в таблицу Рис.7. Кроме того изменялось расстояние между антеннами.
Рис.7 Таблица с результатами измерений.
По результатам были построены диаграммы направленности, в зависимости от фазовых сдвигов подводимых сигналов, Рис.8
Рис.8 Диаграммы.
Изменялось также роасположение антенн, первая антенна впереди и наоборот, Рис.9.
Рис.9 Диаграммы.
Ура! Получилось... диаграмма направленности получилась. Но... это только видимость. Обычно (для стандартных многоэлементных антенн) диаграмма направленности показывает - в каком направлении уровень сигнала будет больше, чем от одиночной антенны, за счет уменьшения уровня сигнала в других направлениях. Здесь же уровень сигнала на максимуме диаграммы остался прежнтим, как и от одной антенны, а вот подавление сигнала в других направлениях действительно произошло. Но что это дало практически? Ничего. Да, в каком-то направлении удалось сформировать сигнал, при неизменном уровне и что? Скорее даже можно сказать, что удалось подавить сигнал при излучении в каких-то направлениях. Может быть, для каких-то применений, это и имеет значение, но в радиолюбительской практике это не востребовано.
Вот мы и дали ответ на вопрос: можно ли сделать емкостную (ЕН) антенну направленной? Всегда повторяют: не говори никогда - нет! А может быть кому-то из радиолюбителей и удасться побороть теорию АФУ? Время покажет, а пока будем использовать емкостные (ЕН) антенны в тех случаях, когда установить полноразмерные не представляется возможным.
Удачи в экспериментах и чистого эфира!
73!
UA1ACO op. Vlad
г. С-Петербург
04.2026г.
UA1ACO op. Vlad
г. С-Петербург
04.2026г.