Что такое четвертьволновая антенна. Как работает четвертьволновая антенна. Каковы преимущества и недостатки четвертьволновой антенны. Где применяются четвертьволновые антенны. Как правильно рассчитать и настроить четвертьволновую антенну.
Что такое четвертьволновая антенна
Четвертьволновая антенна — это один из простейших и наиболее распространенных типов антенн. Она представляет собой проводник, длина которого равна 1/4 длины волны излучаемого сигнала. Такая антенна обычно устанавливается вертикально над проводящей поверхностью, которая выступает в роли «зеркала» и создает эффект полуволнового вибратора.
Принцип работы четвертьволновой антенны основан на стоячей волне тока в проводнике. Максимум тока находится у основания антенны, а минимум — на ее конце. Это обеспечивает эффективное излучение электромагнитных волн.
Конструкция и особенности четвертьволновой антенны
Типичная конструкция четвертьволновой антенны включает следующие элементы:
- Вертикальный излучающий элемент длиной λ/4
- Проводящая поверхность (противовес)
- Устройство согласования с фидером
Ключевые особенности четвертьволновой антенны:
- Простота конструкции
- Круговая диаграмма направленности в горизонтальной плоскости
- Вертикальная поляризация излучения
- Низкое входное сопротивление (около 37 Ом)
- Относительно узкая полоса рабочих частот
Преимущества и недостатки четвертьволновой антенны
Четвертьволновая антенна имеет ряд достоинств и ограничений. Рассмотрим основные плюсы и минусы этого типа антенн:
Преимущества:
- Простота и дешевизна изготовления
- Компактные размеры
- Достаточно высокий КПД при правильной настройке
- Круговая диаграмма направленности, удобная для мобильной связи
Недостатки:
- Узкая полоса рабочих частот
- Необходимость в хорошем заземлении или противовесе
- Сложность согласования с 50-омным кабелем
- Чувствительность к окружающим объектам
Принцип работы четвертьволновой антенны
Работа четвертьволновой антенны основана на явлении стоячей волны тока в проводнике. Рассмотрим основные принципы:
- Длина излучающего элемента равна λ/4, где λ — длина волны сигнала.
- У основания антенны формируется пучность тока (максимум).
- На конце антенны образуется узел тока (минимум).
- Проводящая поверхность создает эффект «зеркального отражения».
- Образуется виртуальный полуволновой вибратор.
Такое распределение тока обеспечивает эффективное излучение электромагнитных волн в пространство. При этом максимум излучения направлен перпендикулярно оси антенны.
Расчет и настройка четвертьволновой антенны
Для эффективной работы четвертьволновую антенну необходимо правильно рассчитать и настроить. Рассмотрим основные этапы:
- Определение рабочей частоты f (в МГц)
- Расчет длины волны: λ = 300 / f (в метрах)
- Вычисление длины излучателя: L = λ / 4 (в метрах)
- Изготовление излучающего элемента
- Установка антенны над проводящей поверхностью
- Согласование входного сопротивления с фидером
- Проверка КСВ и подстройка при необходимости
При настройке важно учитывать влияние окружающих объектов и добиться минимального КСВ на рабочей частоте.
Области применения четвертьволновых антенн
Благодаря своим особенностям, четвертьволновые антенны широко используются в различных сферах радиосвязи:
- Мобильная связь (базовые станции и абонентские терминалы)
- Радиовещание в диапазонах СВ и УКВ
- Любительская радиосвязь
- Системы беспроводной передачи данных
- Радиоуправление и телеметрия
Особенно эффективны четвертьволновые антенны в диапазонах ОВЧ и УВЧ, где их размеры остаются компактными.
Модификации четвертьволновой антенны
На основе базовой конструкции четвертьволновой антенны созданы различные модификации:
- Ground plane антенна с наклонными противовесами
- J-антенна с удлиненным согласующим шлейфом
- Коаксиальная четвертьволновая антенна
- Укороченные четвертьволновые антенны с катушками
Эти модификации позволяют улучшить отдельные характеристики антенны, сохраняя ее основные преимущества.
Сравнение четвертьволновой антенны с другими типами
Рассмотрим, как четвертьволновая антенна соотносится с некоторыми другими распространенными типами антенн:
| Параметр | Четвертьволновая | Полуволновой диполь | 5/8λ |
|---|---|---|---|
| Длина | λ/4 | λ/2 | 5λ/8 |
| Усиление | 2.15 dBi | 2.15 dBi | 3-5 dBi |
| Диаграмма направленности | Круговая | Восьмерка | Слегка прижатая |
| Входное сопротивление | ~37 Ом | ~73 Ом | ~50 Ом |
Как видно, четвертьволновая антенна обладает компромиссными характеристиками, сочетая компактность и достаточную эффективность.
Заключение
Четвертьволновая антенна остается одним из самых популярных типов антенн благодаря простоте конструкции и хорошим рабочим характеристикам. Несмотря на некоторые ограничения, она широко применяется в различных системах радиосвязи, особенно в мобильных устройствах. Правильный расчет и настройка позволяют добиться высокой эффективности работы четвертьволновой антенны в заданном диапазоне частот.
Теория радиоволн: антенны / Хабр
Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.
Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.
Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.
Антенны
Симметричный вибратор
В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.
Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.
Диаграмма направленности симметричного вибратора
В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.
В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:
Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.
Несимметричный вибратор
Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
Диаграмма направленности следующая:
Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.
Наклонная V-образная
Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V
Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.
Антенна бегущей волны
Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны.
Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.
Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:
Антенна волновой канал
Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.
Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.
За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:
Рамочная антенна
Направленность — двулепестковая
Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.
Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:
Логопериодическая антенна
Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.
Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:
Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.
Поляризация
Поляризация
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.
Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.
Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.
При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.
Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.
PS:
Данная статья обрисовывает лишь небольшую часть антенн и не претендует на замену учебнику антенно-фидерных устройств.
Как правильно выбрать антенну? — Время электроники
PDF версия
Аналитика Статьи
Выбор подходящей антенны — не такая простая задача, как может показаться на первый взгляд. Часто этот вопрос возникает только в конце проектирования. Зачастую разработчики выбирают антенну по коэффициенту усиления, без тщательного анализа параметров, полагаясь на интуицию или собственный вкус. Данная статья поможет избежать ошибок, которые часто возникают при выборе антенны.
Полуволновые и четвертьволновые антенны
Для повышения скорости передачи уже несколько лет используется принцип разделения сигнала на потоки. Это позволяет существенно повысить скорость передачи. Для передачи по одному каналу применяются стандартные полуволновые или четвертьволновые антенны. В полуволновой антенне, которую часто называют «диполь», максимальный ток наблюдается в центральной точке, а максимальное напряжение — на концах (см.
рис. 1). Фидер подключают к центральной точке. В этом месте антенна имеет наименьший импеданс.
Простая четвертьволновая антенна по определению представляет собой половину диполя и состоит из вертикального штыря, длина которого обычно несколько меньше четверти длины рабочей волны, излучаемой передатчиком, и противовеса. Он выполняется из нескольких горизонтально расположенных четвертьволновых лучей, соединенных с оболочкой коаксиального кабеля, по которому от передатчика подается высокочастотная энергия. Для согласования антенны с кабелем необходимо использовать дополнительные элементы: катушки индуктивности, конденсаторы или отрезки кабеля с определенными параметрами.
Рис. 1. Распределение тока и напряжения по полуволновой антенне |
Максимальный ток наблюдается в самой нижней точке антенны, максимальное напряжение — на конце. Вторая половина полуволновой антенны «отражается» в системе заземления.
Основная зона охвата широковещательной станции «обслуживается» поверхностной (земной) волной. Для того чтобы волна распространялась вблизи земной поверхности, она должна иметь вертикальную поляризацию, т.е. вектор электрического поля излучения должен быть вертикальным, и, следовательно, необходима вертикальная антенна. В действительности достаточно иметь антенну лишь половинной высоты, причиной тому является ее зеркальный заряд. Когда электромагнитное поле встречает на своем пути проводящую плоскость, оно зеркально отражается от нее. Поэтому электромагнитное поле, создаваемое над проводящей плоскостью некоторой системой токов и зарядов, оказывается идентичным полю, которое существовало бы, если бы вместо проводящей плоскости имелась зеркально отраженная система токов и зарядов, т.е. просто зеркальное отображение реальной системы в данной плоскости. Таким образом, поле над плоскостью — это поле вертикального полуволнового симметричного вибратора (см. рис. 2).
Основной характеристикой антенны является диаграмма направленности.
В большинстве портативных устройств применяются ненаправленные антенны, излучающие одинаково по всем направлениям, хотя они имеют более низкий коэффициент усиления. При выборе антенны следует обратить внимание на частоту, полосу пропускания, диаграмму направленности и размер.
Рис. 2. Четвертьволновая антенна |
Конфигурация
Современные антенны могут быть изготовлены в виде чипа, детали корпуса или напыления на пластиковых частях устройства (см. рис. 3). Антенна может быть выполнена в виде небольшой дополнительной печатной платы, которая крепится к основной. Методы изготовления также разнятся, от изготовления вручную до лазерного вырезания. Таким образом, выбор антенны не ограничивается анализом электрических и частотных параметров. Один из определяющих факторов — физический размер. На частотах Wi-Fi 2,4 ГГц и 5 ГГц четвертьволновая антенна имеет малый размер 1,2˝.
Для LTE длина антенны составляет уже 4,25˝, поскольку нижняя граница частот равна 694 МГц, т.е. длина волны равна 17˝.
Рис. 3. Пример чип-антенн |
Согласование импеданса, топология печатной платы, материал корпуса, близлежащие металлические элементы и т.д. — все влияет на качество приема. Для антенн, встроенных в плату, важным фактором является геометрия полигона земли, поскольку от нее зависит импеданс антенны. В соответствии с размером и формой полигона земли подбирается длина антенны. Второе требование заключается в том, что под антенной не должны проходить соединительные проводники и шины земли. Печатная антенна стоит недорого, однако ее характеристики во многом зависят от производственных допусков материала печатной платы и линий связи. Характеристики антенн поверхностного монтажа более повторяемы. Независимо от типа антенны необходимо обеспечивать согласование ее импеданса и линии.
Заземление
Для полуволновых антенн не требуется дополнительный полигон земли, поэтому их можно подсоединять к пластиковому корпусу точки доступа без потери качества. Однако если то же самое сделать с четвертьволновой антенной, ее характеристики будут хуже ожидаемых. Для этого типа антенн заземление необходимо, иначе по всем металлическим элементам вблизи антенны потечет ток.
Если бы в проекте было предусмотрено заранее, что будет использоваться четвертьволновая антенна, то можно было бы нанести слой металлизации на корпус для заземления, либо изготовить печатную плату так, чтобы она могла выступать в качестве «земли» без негативных последствий, как это обычно делается в сотовых телефонах. Неправильное заземление — одна из наиболее распространенных ошибок.
MIMO
При использовании нескольких антенн фундаментальные принципы сохраняются. Рассмотрим антенну 3×3 Wi-Fi 2,4 ГГц. В ней имеются три отдельных антенных элемента, каждый со своим фидером. Каждый элемент — четвертьволновая антенна, которую необходимо заземлить.
Для антенн MIMO есть такой параметр как коэффициент корреляции (Correlation Coefficient). Это число от 0 до 1, характеризующее степень независимости элементов. При К = 1 антенна работает как одиночная, улучшений по скорости передачи не будет. Значение К = 0 говорит о хорошей изолированности антенн и максимальном увеличении скорости передачи. Достаточно обеспечить К ≤ 0,5. Коэффициент корреляции зависит от многих элементов, в т.ч. расстояния между элементами. Минимально допускается расстояние 0,3 от длины волны, при котором К = 0,5.
Возвращаемся к нашему примеру 3×3 Wi-Fi. На частоте 2,4 ГГц для получения К = 0,5, необходимо развести элементы на 1,45˝ (≈3,7 см). Учитывая расстояние, которое требуется для заземления, 1,2˝ для каждого элемента, получаем, что антенны должны отстоять на 1,45 + 1,2 + 1,2 = 3,85˝. Это легко обеспечить, и корпус для антенны с тремя элементами будет не слишком большого размера.
Теперь рассмотрим 3×3 LTE. Для частоты 694 МГц значение К = 0,5 достигается при удалении элементов на 5,1˝.
Прибавляя к нему четверть волны на заземление, получаем 5,1 + 4,25 + 4,25= 13,6˝ (≈34,5 см). Это уже не так легко обеспечить в мобильном устройстве.
В технологии MIMO используется то, что сигналы от нескольких передающих антенн имеют несколько разные характеристики и приходят на приемную антенну с несовпадающими задержками с разных направлений. Здесь помогает эффект, который долгое время мешал разработчикам — отражение и многолучевость.
Передатчики разделяют сигнал на потоки, каждый из которых транслируется отдельной антенной с установленной задержкой. В приемнике потоки данных цифровыми методами соединяются, восстанавливается исходный сигнал. Иногда применяется более сложное разделение сигнала с применением различных типов поляризации.
В смартфонах наиболее распространены следующие конфигурации MIMO: рамочные антенны из композита, кубические антенные элементы и тонкопленочные планарные F-образные антенны. Их настройка — задача не из легких.
Для системы с несколькими антенными элементами самая большая проблема заключается в том, чтобы заставить элементы работать независимо.
Расстояние между ними настолько мало, что они работают как одна антенна. Для изоляции применяются такие приемы как изменение фазы или балансировка.
Поляризация
Поляризацию сигнала следует выбирать исходя из свойств среды передачи. Невыполнение этого требования является типичной ошибкой.
Уже давно известно, что сильнее всего отражаются сигналы с вертикальной поляризацией, поскольку большинство препятствий — вертикальные. Сигналы с несколькими типами поляризации удобнее применять внутри помещения, поскольку большинство поверхностей неметаллические и невертикальные, поляризация не нарушается. Кроме того, расстояния не такие большие, чтобы поляризация сигнала успела измениться. Помимо этого может применяться пространственное разделение, когда передающие антенны располагаются в разных местах и установлены под разными углами. Сигналы поступают на приемник в разные моменты времени, поэтому можно повысить скорость передачи.
Технология MIMO обеспечивает хороший выигрыш в скорости передачи.
Однако нерешенными остается множество проблем. Не стоит сомневаться, что в будущем они будут устранены. Тогда можно будет использовать еще больше антенных элементов, повышая в разы скорость передачи. В настоящее время массово выпускаются точки доступа с 6 антеннами, а в портативных устройствах данные разделяются на 2—3 потока.
Литература
1. Bursky D. Antenna Selection Depends on Many Factors//www.digikey.com.
2. Jerry C. Posluszny. Avoiding Pitfalls When Selecting MIMO Antennas//High Frequency Electronics, декабрь, 2011.
Антенны
АнтенныЭлектромагнитные волны.
Основываясь на опытах
английского физика Майка Фарадея, явление приёма и передачи энергии
электромагнитных волн на расстоянии впервые открыл немецкий физик Генри
Герц. Однако в своих опытах он дальше не пошёл. Наибольший вклад в
область практического применения радиоволн для передачи информации
внесли другие учёные: А.
С. Попов, Маркони, Н. Тесла.
Что
же такое электромагнитные волны? Это распространяющееся в пространстве
электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитных волн в
свободном пространстве (ваукуме) близка к скорости света и составляет
300 000 км/с. При распространении радиоволн в каких либо других средах
скорость их распространения уменьшается.
Главной
характеристикой электромагнитной волны является её длина λ,
которая напрямую зависит от частоты возбуждающего её сигнала f:
λ = 300 000 ⁄ f
где λ измеряется в м, f — в кГц
Электромагнитные волны обладают теми же свойствами что и свет. Им присущи свойства отражения, (рефлексии) изменения скорости распространения при переходе в среду с другой диэлектрической проницаемостью или преломления (рефракции) и способностью огибать препятствия (дифракции).
При
изучении свойств электромагнитных волн было установленно, что эти
свойства присущи волнам большей или меньшей длины в разной степени и
кроме того, радиоволны разных длин по разному взаимодействуют с
различными веществами, с атмосферой и ионогсферой Земли.
Для того,
чтобы сгруппировать радиоволны различной длины по присущим только им
свойствам, весь спектр электромагнитного излучения был разделён на
группы — диапазоны: сверхдлинные волны (СДВ), длинных волн (ДВ),
коротких волн (КВ), ультракоротких волн (УКВ) и др.
На рисунке показано распространение радиоволн в зависимости от длины волны: 1-земной луч; 2-отраженный луч; 3-ионосфера.
Как распространяются радиоволны.
Радиоволны
излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде
энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их
способность к распространению сильно зависит от длины волны. Земля для
радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень
хороший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно
ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в
поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии.
Т.е.
энергия поглощается землёй, причем тем больше, чем короче длина волна
(выше частота). Кроме того, энергия волны ослабевает ещё и потому, что
излучение распространяется во все стороны пространства и,
следовательно, чем дальше от передатчика находится приёмник, тем
меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше
её попадает в антенну. Передачи длинноволновых вещательных станций
можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причем
уровень сигнала уменьшается плавно, без скачков. Средневолновые станции
слышны в пределах тысячи километров. Что же касается коротких волн, то
их энергия резко убывает по мере удаления от передатчика. Этим
объясняется тот факт, что на заре развития радио для связи в основном
применялись волны от 1 до 30 км. Волны короче 100 метров вообще
считались непригодными для дальней связи. Однако дальнейшие
исследования коротких и ультракоротких волн показали, что они быстро
затухают, когда идут у поверхности Земли.
При направлении излучения
вверх, короткие волны возвращаются обратно. Ещё в 1902 английский
математик Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside) и американский
инженер-электрик Артур Эдвин Кеннелли (Arthur Edwin Kennelly)
практически одновременно предсказали, что над Землёй существует
ионизированный слой воздуха — естественное зеркало, отражающее
электромагнитные волны. Этот слой был назван ионосферой. Ионосфера
Земли должна была позволить увеличить дальность распространения
радиоволн на расстояния, превышающие прямую видимость. Экспериментально
это предположение было доказано в 1923. Радиочастотные импульсы
передавались вертикально вверх и принимались вернувшиеся сигналы.
Измерения времени между посылкой и приемом импульсов позволили
определить высоту и количество слоев отражения.
Отразившись
от ионосферы, короткие волны возвращаются к Земле, оставив под собой
сотни километров «мёртвой зоны». Пропутешествовав к ионосфере и
обратно, волна не «успокаивается», а отражается от поверхности Земли и
вновь устремляется к ионосфере, где опять отражается и т.
д. Так,
многократно отражаясь, радиоволна может несколько раз обогнуть земной
шар.
Установлено, что высота отражения зависит в первую очередь от длины
волны. Чем короче волна, тем на большей высоте происходит её отражение
и, следовательно, больше «мёртвая зона». Эта зависимость верна лишь для
коротковолновой части спектра (примерно до 25-30 МГц). Для более
коротких волн ионосфера прозрачна. Волны пронизывают ее насквозь и
уходят в космическое пространство.
Радиоволны
УКВ диапазона по свойствам в большей степени напоминают световые лучи.
Они практически не отражаются от ионосферы, очень незначительно огибают
земную поверхность и распространяются в пределах прямой видимости.
Поэтому дальность действия ультракоротких волн невелика. Но в этом есть
определенное преимущество для радиосвязи. Поскольку в диапазоне УКВ
волны распространяются в пределах прямой видимости, то можно
располагать радиостанции на расстоянии 150-200 км друг от друга без
взаимного влияния.
А это позволяет многократно использовать одну и ту
же частоту соседним станциям.
Свойства радиоволн диапазонов ДЦВ и 800 МГц еще более близки к световым
лучам и потому обладают еще одним интересным и важным свойством.
Вспомним, как устроен фонарик. Свет от лампочки, расположенной в фокусе
рефлектора, собирается в узкий пучок лучей, который можно послать в
любом направлении. Примерно то же самое можно проделать и с
высокочастотными радиоволнами. Можно их собирать зеркалами-антеннами и
посылать узкими пучками. Для низкочастотных волн такую антенну
построить невозможно, так как слишком велики были бы её размеры
(диаметр зеркала должен быть намного больше, чем длина волны).
Возможность направленного излучения волн позволяет повысить
эффективность системы связи. Связано это с тем, что узкий луч
обеспечивает меньшее рассеивание энергии в побочных направлениях, что
позволяет применять менее мощные передатчики для достижения заданной
дальности связи.
Направленное излучение создает меньше помех другим
системам связи, находящихся не в створе луча.
При приёме радиоволн также могут использоваться достоинства
направленного излучения. Например, многие знакомы с параболическими
спутниковыми антеннами, фокусирующими излучение спутникового
передатчика в точку, где установлен приемный датчик. Применение
направленных приемных антенн в радиоастрономии позволило сделать
множество фундаментальных научных открытий. Возможность фокусирования
высокочастотных радиоволн обеспечила их широкое применение в
радиолокации, радиорелейной связи, спутниковом вещании, беспроводной
передаче данных и т.п.
Необходимо
отметить, что с уменьшением длины волны возрастает их затухание и
поглощение в атмосфере. В частности на распространение волн короче 1 см
начинают влиять такие явления как туман, дождь, облака, которые могут
стать серьёзной помехой, сильно ограничивающей дальность связи.
Мы выяснили, что волны радиодиапазона обладают различными свойствами
распространения, и каждый участок этого диапазона применяется там, где
лучше всего могут быть использованы его преимущества.
Основные параметры антенн.
Изотропная антенна.
Изотропная
антенна — теоритичесчкая антенна, бесконечно малых размеров,
излучающая одинаковой силы сигнал во всех направлениях. Диаграмма
направленности такой антенны — сфера.
Изотропную антенну можно сравнить с крошечной лампой накаливания,
помещённой в центр
большой сферы. Лампа будет освещать любую часть площади поверхности
сферы с одинаковой
интенсивностью, освещённостью.
Такой антенны не существует в природе, но использование этого понятия
часто оказывается очень полезным при сравнении усиления других антенн с
усилением изотропной антенны, которое принемается за 0 dBi, т.е. точку отсчёта.
Как правило, если не оговорено специально, характеристики усиления реальных антенн даются именно относительно
усиления изотропного излучателя.
То есть, когда вам говорят, что коэффициент усиления какой-то антенны равен 12 децибел, подразумевается 12 дБи.
Антенны в свободном пространстве.
Свободное пространство — это такие условия, когда нет земли или каких-либо отражающих волны поверхностей. Антенны, существующие в реальной жизни, всегда излучают энергию в каком-то направлении лучше, а в каком-то хуже. Например, диполь, который излучает максимум энергии под прямым углом к полотну антенны в азимутальной плоскости. За счёт такой характеристики диполь имеет коэфициент усиления 2,14 dBi, т.к. является, по сути, двунаправленной антенной, в отличии от всенаправленной, изотропной.
Антенна над землёй.
Если
мы разместим наш диполь A над землёй, которая
имеет отражающую способность, на высоте H=0,5λ, то часть
волн B,
излучённая антенной под углом к горизонту, сложится в фазе с волной D,
отражённой от земли, в результате чего суммарное поле удвоится в
определённой точке полусферы, т.
е. энергия поля увеличится на 3 dB.
Поскольку в противоположном направлении (диполь
излучает в двух направлениях) произойдёт то-же, то можно считать, что
суммарное усиление диполя увеличится на 6 dB, по сравнению с диполем,
расположенным в свободном пространстве. Поскольку усиление диполя в
свободном пространстве изначально больше усиления изотропного
излучателя на 2,14 dB, усиление такого диполя у земли будет 8,15 dBi
или 6 dBd (Знак dBd указывает на то, что антенна сравнивается с диполем
в свободном пространстве.). Реально усиление диполя будет несколько
меньше, т.к. земля не является идеальным отражателем, рефлектором для
волн. Всегда существуют потери в земле, в результате чего не вся
энергия отразится от земли, а только её часть, и поэтому поле в сумме
не удвоится, а увеличится меньше, чем в два раза. Плохое качество земли
снижает ток излучения нашей антенны, а как мы узнаем ниже, именно ток
антенны определяет её диаграмму направленности, усиление антенны.
При приёме пришедшая волна, пройдя через антенну, наводит в ней ток. Но ток должен без потерь уйти в землю и далее вернуться к источнику, т.е. к радиостанции, которая излучает этот ток. Если земля будет плохой, то часть тока будет потеряна в земле. Поскольку антенна и земля - последовательная для тока цепь, то уменьшение тока за счёт потерь в земле вызовет неизбежное уменьшение тока в антенне.
При выборе той или иной антенны, не говоря, уж, о её настройке, необходимо знать несколько основных параметров, к которым можно отнести следующие:
Резонансная частота.
Резонансная
частота антенны связана непосредственно с конкретным диапазоном частот,
на котором осуществляется приём или передача радиосигналов. Антенна
излучает или принимает электромагнитные колебания с наибольшей
эффективностью тогда, когда частота возбуждающего колебания совпадает с
резонансной частотой антенны.
Из этого следует, что её активный
элемент, вибратор или рамка имеют такой линейный размер, при котором
наблюдается резонанс на нужной частоте. Изменением линейных размеров
активного элемента — излучателя, антенна настраивается в резонанс.
Сопротивление излучения или импеданс.
Сопротивление излучения — отношение мощности, излучаемой антенной, к квадрату тока, питающего антенну:
R = P / I²,
где
P — мощность, излучаемая антенной, Вт;
R — сопротивление
излучения, Ом;
I — эффективное значение тока, А.
Величина
R зависит от типа антенны, её размеров (по отношению к длине волны) и
точки подключения питающего фидера. В общем случае сопротивление
излучения имеет комплексный характер, т.е. кроме активной составляющей
R имеет реактивную составляющую X.
Сопротивление
излучения (импеданс) антенны изменяется вдоль ее длины. Точка
максимального тока и минимального напряжения соответствует наименьшему
импедансу и называется точкой возбуждения.
Импеданс в этой точке
называется входным импедансом. Реактивная составляющая входного
импеданса на резонансной частоте равна нулю. На частотах выше
резонансной, импеданс носит индуктивный характер, а на частотах ниже
резонансной — емкостной. На практике реактивная составляющая в
большинстве случаев меняется от О до +/-100 Ом. Импеданс антенны может
зависеть и от других факторов, например, от близости расположения к
поверхности Земли или каким-либо проводящим поверхностям. В идеальном
случае симметричный полуволновой вибратор имеет сопротивление излучения
73 Ом, а четвертьволновой несимметричный вибратор — 35 Ом. В реальности
влияние Земли или проводящих поверхностей может изменить эти
сопротивления от 50 до 100 Ом для полуволновой и от 20 до 50 Ом для
четвертьволновой антенны.
Диаграмма направленности.
Антенны
стараются конструировать таким образом, чтобы они принимали и
передавали в заранее выбранном направлении.
Это свойство называется
направленностью. Оно играет важную роль для повышения коэффициента
усиления и КПД излучения. Характер излучения антенны в пространстве
описывается диаграммой направленности. Кроме излучения в основном
(главном) направлении, существуют побочные излучения — задние и боковые
лепестки. диаграмма направленности вращающейся передающей антенны
снимается измерением напряженности поля в фиксированной точке на
частоте передачи, в зависимости от угла поворота.
Полоса пропускания.
Как
правило, различают два класса антенн: узкополосные и широкополосные.
Очень важно, чтобы в рабочем интервале частот поддерживалось хорошее
согласование и заданное усиление. Полоса пропускания антенны не должна
меняться при перестройке по частоте передатчика или приемника. К
узкополосным антеннам относятся все простые резонансные антенны, а
также направленные такие как «волновой канал» и «квадрат».
Например,
антенна «волновой канал» на радиолюбительский диапазон 144 МГц должна
иметь полосу пропускания не менее 2 МГц (144 — 146 МГц) и оптимальное
согласование в этой полосе частот.
Широкополосные отличаются
большим охватом частот, во много раз превосходящим резонансные системы.
К ним относятся логопериодические и спиральные антенны. Но бывают и
исключения, например, логопериодическую антенну можно рассчитать
специально для работы в узкой полосе частот.
Усиление.
Если
антенна излучает одинаковую мощность во всех направлениях, она
называется изотропной. Высокий коэффициент усиления можно получить,
сконцентрировав энергию излучения в одном направлении. Полная
излучаемая энергия не изменяется, она лишь сосредотачивается в заданном
направлении. Коэффициент направленного действия (КНД) является мерой
увеличения потока мощности за счет сжатия диаграммы направленности.
Антенна может иметь высокий КНД, но малый коэффициент усиления, если
потери в ней велики.
Это обстоятельство, собственно, и приводит к
малому КПД излучения. Коэффициент усиления G — это сравнительная
величина, показывающая отношение мощности P1, излучаемой реальной
антенной к мощности эталонной антенны P2, в качестве которой
рассматривают полуволновой вибратор, размещённый в свободном
пространстве (вакууме) и имеющем круговую диаграмму направленности.
G = P1 / P2
Из этой формулы следует, что коэффициент усиления антенны — безразмерная величина. На практике его выражают несколько иначе — через логарифмическое отношение мощностей, напряжений или токов в децибелах (dB):
G = 10 lg P1 / P2
G = 20 lg U1 / U2
G = 20 lg I1 / I2
Выражение
коэффициента усиления в децибелах упрощает расчёты и позволяет
производить их через простые операции сложения и вычитания. Если,
например, антенна имеет коэффициент усиления 6 dB, а кабель,
соединяющий её с радиостанцией вносит затухание в 1 dB, то суммарное
значение коэффициента усиления антенной системы составит 6 — 1 = 5 dB.
Часто
в описаниях антенн и рекламных проспектах можно встретить такие единицы
измерения коэффициента усиления антенн, как dBi и dBd. Их нужно уметь
различать. Как уже упоминалось выше, коэффициент усиления антенны -
величина относительная, которая характеризует направленные свойства
антенны относительно источника с круговой диаграммой направленности. В
расмотренных выше примерах и на практике коэффициент усиления антенн
измерен в dB относительно полуволнового диполя, и этот коэффициент
усиления соответствует такой единице, как dBd. В сокращении dBd третья
буква и обозначает слово «диполь» (dipole). Однако в технике измерения
параметров антенн используется также оценка их направленных свойств
относительно точечного, или другими словами, изотропного источника
излучения и величина коэффициента усиления в этом случае измеряется в
dBi, т.е. в тех же децибелах, но со сноской «i», обозначающей слово
«изотропный» (isotropic).
Величины dBd и dBi связаны между собой
соотношением:
dBd = 2,14 + dBi
Это соотношение полезно знать при выборе антенны для того, чтобы иметь верное представление о её коэффициенте усиления.
Коэффициент полезного действия (КПД).
Часть подводимой к антенне мощности излучается в пространство, а другая часть в проводниках антенны превращается в тепло. Поэтому, антенну можно представить как эквивалентное нагрузочное сопротивление состоящее из двух составляющих: сопротивления излучения и сопротивления потерь. Эффективность антенны характеризуется ее КПД или отношением излучаемой мощности к мощности, подводимой к антенне.
η = Pизл / P
Чем
больше сопротивление излучения по отношению к сопротивлению потерь, тем
больше КПД антенны. Напряженность поля, улавливаемая приемником, будет
максимальна, когда передающая и приемная антенны имеют одинаковые
поляризации, однако, это справедливо в том случае, если они находятся в
зоне пря мой видимости.
На дальних трассах при многократном отражении
от земли и ионосферы поляризация приходящей волны непредсказуема.
Антенна обладает наибольшей эффективностью, когда частота возбуждающего
колебания совпадает с резонансной частотой антенны. Как правило, длина
антенны кратна или равна половине или четверти длины волны на
центральной рабочей частоте. Однако, из-за емкостных и концевых
эффектов электрическая длина антенны несколько больше ее физической
длины. Поэтому действительная длина вибратора, его геометрическая длина
должна быть немного уменьшена по отношению к его электрической длине. В
справочниках по антеннам приводятся графики или формулы для нахождения
коэффициента укорочения вибратора в свободном пространстве в
зависимости от отношения длины волны к диаметру вибратора. В
действительности коэффициент укорочения определить точно довольно
сложно, т.к. существенное влияние оказывает высота подвеса антенны,
окружающие предметы, проводимость почвы и т.
п. В связи с этим, при
изготовлении антенны, необходимо использовать дополнительные элементы
подстройки, позволяющие в небольших пределах изменять линейные размеры
элементов. Точка максимального тока и минимального напряжения
соответствует наименьшему импедансу и называется точкой возбуждения.
Например, для полуволнового, симметричного вибратора это точка питания
антенны. Сопротивление в этой точке называется входным импедансом,
который равен сопротивлению изучения антенны плюс реактивная
составляющая входного импеданса. Это еще раз доказывает необходимость
проведения измерений основных параметров антенны, непосредственно, в
месте ее постоянной эксплуатации.
Сопротивление
антенн можно определить с помощью измерительного моста. Обычно, для
этого используется хорошо известный прибор — мост Уинстона, получивший
еще несколько разных названий, например, близкий нашему сердцу
антенноскоп». Процедура измерения сопротивления излучения антенны,
начинается с определения ее резонансной частоты, для чего можно
воспользоваться гетеродинным измерителем резонанса.
Уменьшая или
увеличивая геометрические размеры активного элемента, антенна
настраивается в резонанс и только после этого можно достоверно
определить входное сопротивление. Важно, постоянно помнить, что только
на резонансной частоте антенна имеет чисто активное сопротивление. Если
сопротивление антенны отличается от сопротивления линии питания (фидера
антенны), то его (сопротивление антенны) необходимо трансформировать до
нужного значения с помощью узкополосного или широкополосного
трансформатора. Симметричные антенны обязательно снабжаются
симметрирующим устройством, иначе, будет большая погрешность при
измерениях. Если антенна настроена в резонанс и согласована с линией
питания, то и коэффициент стоячей волны будет равен единице.
Характерно, что такой прибор, как КСВ-метр, стоит далеко не на первом
месте среди измерительных приборов для настройки антенн, скорее всего,
он служит индикатором, следящим за состоянием антенны, трактом питания
и выходным каскадом самого передатчика.
1/4 Wave Антенна » Electronics Notes
Четвертьволновая вертикальная антенна является простейшей формой вертикальной антенны. Он обеспечивает хорошие характеристики в сочетании с всенаправленной диаграммой направленности и простотой конструкции.
Вертикальные антенны включает:
Типы вертикальных антенн
Четверть длины волны по вертикали
5λ/8 по вертикали
J полюс
Четвертьволновая вертикальная антенна используется во всех диапазонах частот, включая НЧ, СЧ, ВЧ, ОВЧ и выше. УКВ и не только.
Четвертьволновая вертикальная антенна обладает свойствами многих вертикальных антенн, включая всенаправленное излучение и вертикально поляризованные сигналы.
Базовая четвертьволновая вертикальная антенна
Как следует из названия, четвертьволновая вертикальная антенна состоит из четвертьволнового вертикального элемента.
Этот тип антенны часто называют несимметричной антенной, а не диполем. Он имеет один излучающий элемент, а остальная часть антенны зависит от земли или системы имитации земли.
На самом деле четвертьволновый диполь можно рассматривать как диполь, в котором одна половина является излучающим монополем, а другая половина представляет собой отражение, видимое в земле.
С точки зрения его работы отражение в земле означает, что оно выглядит так, как будто есть изображение верхней половины антенны под землей, другими словами, оно выглядит как вертикальный диполь.
Воздействие радиочастотного заземления на несимметричную антенну
Чтобы это работало удовлетворительно, наземная система для вертикальной несимметричной антенны должна работать эффективно, в противном случае общая антенная система будет скомпрометирована и эффективность упадет. В идеале система заземления должна быть идеально проводящей и бесконечной радиочастотной землей.
При правильной эксплуатации диаграмма направленности несимметричной антенны будет идентична верхней половине диаграммы направленности диполя с максимальным излучением в горизонтальном направлении, перпендикулярном антенне.
Поскольку эта антенна может излучать только над плоскостью земли, несимметричная антенна будет иметь усиление 3 дБ по сравнению с эквивалентным диполем. Это предполагает отсутствие потерь на землю или заземление. В действительности очень трудно получить систему радиочастотного заземления антенны без потерь, и, соответственно, трудно полностью реализовать это усиление.
Антенна представляет собой так называемую «несбалансированную» антенну, имеющую одно соединение с вертикальным элементом и использующую заземление или имитацию заземления для получения изображения для другого соединения.
Кривые напряжения и тока показывают, что в конце напряжение возрастает до максимума, а ток падает до минимума. Тогда у основания антенны в точке питания напряжение минимально, а ток максимален. Это дает антенне низкий импеданс облучателя. Обычно это около 20 Ом.
Базовая четвертьволновая вертикальная антенна, показывающая величины тока Земля, очевидно, является важной частью радиочастотной антенны.
Многие СЧ и ВЧ установки используют для этого заземление. Эти наземные системы должны быть очень эффективными, чтобы антенна работала удовлетворительно. Очевидно, что они должны иметь очень низкое сопротивление и часто использовать большие «маты» из радиальных элементов, отходящих от основания антенны, чтобы обеспечить отличные радиочастотные характеристики.
Для установок ОВЧ и УВЧ высота, очевидно, важна, и антенны должны быть подняты, чтобы гарантировать, что они находятся над близлежащими препятствиями. Также для мобильных установок явно невозможно использовать заземление. В этих случаях используется имитация земли. Для мобильных приложений это корпус автомобиля. Крепление антенны обычно позволяет выполнить подходящее соединение с кузовом транспортного средства, иногда с использованием емкостного соединения. Однако необходимо следить за тем, чтобы корпус автомобиля был металлическим, а не пластиковым в районе крепления антенны.
Полное сопротивление вертикальной подачи в четверть длины волны
Мы видели, что четвертьволновая вертикальная антенна использует реальное, то есть четвертьволновое, вертикальное сечение и его изображение в наземной системе в качестве основы для своей работы.
Так как полуволновой диполь имеет радиационное сопротивление 73 Ом, четвертьволновый монополь будет иметь радиационное сопротивление около 36,8 Ом, если он установлен над хорошим заземляющим слоем. Однако, чтобы это было правдой, радиочастотная земля антенны должна быть идеально проводящей. Это означает, что требуется очень хорошее радиочастотное заземление антенны.
В действительности земля создаст некоторое дополнительное сопротивление, что увеличит общий импеданс.
Тем не менее, вертикальные антенны, особенно для ВЧ, где используется отдельная наземная или радиальная система, будут иметь согласующий узел в базовой точке питания для компенсации рассогласования, поскольку они обычно питаются от коаксиального фидера 50 Ом.
Это согласующее устройство обычно состоит из катушки с ответвлениями, которая обеспечивает необходимое преобразование импеданса.
Для стационарных станций используется набор радиалов, имитирующих наземную плоскость. Теоретически плоскость заземления должна простираться до бесконечности, но на практике используется ряд радиалов длиной в четверть длины волны.
Как правило, для многих приложений ОВЧ достаточно четырех радиалов.
Четвертьволновая вертикальная антенна с радиальными плоскостями заземления
Если радиальные антенны отогнуты вниз от горизонтали, то импеданс фидера возрастет. Сопротивление 50 Ом достигается, когда угол между стержнями заземления и горизонталью составляет 42 градуса. В качестве альтернативы согласующая катушка может быть размещена в основании.
Четвертьволновая вертикальная диаграмма направленности
Важна диаграмма направленности или полярная диаграмма четвертьволнового вертикала. Часто для вертикальных антенн существенной частью их характеристик является то, что максимальный уровень излучения исходит под углом, близким к земле.
Это особенно верно, если они должны использоваться для местной двусторонней радиосвязи или для ВЧ ионосферной радиолюбительской связи на большие расстояния. В обоих этих случаях необходим малый угол излучения.
Диаграмма направленности дипольной антенны имеет форму «8» с максимальным излучением, происходящим под прямым углом к оси антенны.
Можно подумать, что для вертикального диполя, установленного на земле, эта диаграмма может быть разделена на две части в результате воздействия земли — присутствует только верхняя половина диаграммы направленности.
В действительности невозможно получить максимальный уровень излучения точно параллельно земле, вместо этого картина немного искажается, при этом максимальное излучение происходит под углом немного выше 0°. Фактический угол зависит от многих факторов, включая соединение с Землей, местные объекты, местную проводимость Земли и т. д.
Четвертьволновая вертикальная полярная диаграмма направленностиПоказывает диаграмму направленности в вертикальной плоскости. В горизонтальной плоскости диаграмма направленности одинаковая по всему периметру антенного элемента.
Складчатая четвертьволновая вертикальная антенна
Ввиду низкого импеданса фидера четвертьволновой вертикали необходимо реализовать схему согласования, чтобы обеспечить хорошее согласование антенны с фидером.
Выше было описано, как наклонить лучи вниз. Другой — использовать сложенный элемент. Точно так же, как сложенный диполь увеличивает импеданс антенны, можно использовать сложенный вертикальный элемент.
Если диаметр обеих секций одинаковый, то достигается увеличение в соотношении 4:1. Это доведет импеданс до 80 Ом и обеспечит приемлемое согласование с фидером 75 Ом.
Используя заземленный элемент меньшего диаметра, полное сопротивление питания может быть уменьшено, так что может быть достигнуто хорошее согласование с коаксиальным кабелем 50 Ом.
Четвертьволновая вертикальная антенна широко используется ввиду ее простоты и удобства. Для улучшения его производительности доступны другие типы вертикалей. Также можно использовать дополнительные вертикали и запитывать их разными фазами, чтобы обеспечить усиление всей антенной системы.
Другие темы об антеннах и распространении:
ЭМ волны
Распространение радио
Ионосферное распространение
Грунтовая волна
Разброс метеоров
Тропосферное распространение
Основы антенны
Кубический четырехугольник
Диполь
Отключить
Ферритовый стержень
Логопериодическая антенна
Антенна с параболическим отражателем
Антенны с фазированной решеткой
Вертикальные антенны
Яги
Заземление антенны
телевизионные антенны
Коаксиальный кабель
Волновод
КСВ
Антенные балуны
MIMO
Вернитесь в меню «Антенны и распространение».
. .
Что такое четвертьволновая антенна?
Четвертьволновая антенна представляет собой простейшую форму вертикальной антенны. Он обеспечивает хорошие характеристики в сочетании с всенаправленной диаграммой направленности и простотой конструкции.
Согласно теории линий передачи, разомкнутая цепь на 1/4 длины волны эквивалентна последовательному резонансному контуру, поэтому вся нагрузка является чисто резистивной. В некоторых случаях из-за факторов окружающей среды длина антенны часто ограничена, поэтому появляется нагрузочная антенна.
Принцип излучения антенны 1/4 волны
Основной принцип излучения антенны: электричество распространяется в проводнике со скоростью, близкой к скорости света, и при встрече с разрывом в проводнике отражается обратно к источнику сигнала. Если ток переменный, а отраженный ток возвращается в источник или точку питания в нужное время, ток будет усиливаться следующими циклами, так что для поддержания стоячей волны в антенне требуется небольшое количество энергии.
Антенна находится в резонансе из-за наличия стоячих волн. Тем самым запуская радиоволны в космос. В резонансном состоянии напряжение очень мало в средней точке максимального тока (средняя точка генератора), но имеет максимальное значение на обоих концах. Для антенны действует закон Ома. В средней точке ток большой, а напряжение низкое, поэтому сопротивление мало, а на обоих концах ситуация прямо противоположная, поэтому импеданс высокий.
Связь между антенной и частотой (длиной волны)
Длина антенны определяется в соответствии с длиной волны центральной рабочей частоты;
Длина волны и частота являются обратными отношениями, формула расчета:
Длина волны (единица измерения: метр) = 300/частота (единица измерения: МГц)
Когда центральная частота составляет 150 МГц, длина волны составляет 2 метра, поэтому сигнал 150 МГц называется 2-метровой волной;
А длина волны 430 МГц составляет 0,7 метра, поэтому сигнал на частоте около 430 МГц называется волной 70 см.
Длина антенны пропорциональна длине волны, поэтому она обратно пропорциональна частоте. Чем выше частота и короче длина волны, тем короче может быть антенна.
Длина антенны не равна одной длине волны, а часто составляет 1/4 длины волны или 5/8 длины волны.
Почему обычно используются четвертьволновые антенны?
Теория и практика доказали, что при длине антенны, равной 1/4 длины волны радиосигнала, эффективность преобразования передачи и приема антенны выше. По сравнению с полуволновой и полной длиной волны размер антенны намного меньше. Напротив, отношение эффективности передачи и приема антенны к размеру антенны является самым высоким, поэтому обычно используются четвертьволновые антенны.
Как рассчитать четвертьволновую антенну?
1/4-волновая антенна может быть рассчитана по частоте, формула такова: длина антенны (в метрах) = (300/f)*0,25*0,96, f представляет частоту в МГц, 0,96 — скорость укорочения длины волны (когда электромагнитные волны распространяются по антенне.
Некоторые факторы вызывают сокращение длины волны, то есть эффект укорочения, который в технике обычно считается сокращением примерно на 5 %).
По этой формуле можно легко посчитать:
Четверть длины волны, соответствующая УКВ 144,00 МГц, равна (300 / 144,00 МГц) * 0,25 * 0,96 = 0,5 (м) м)
Применение антенны 1/4 волны
В радиолюбительской деятельности четвертьволновую антенну следует рассматривать как самую простую и неплохую антенну, поэтому она занимает немалую долю в радиомире. Например, если вы обратите внимание на полицейские машины. Большинство антенн — четвертьволновые антенны; как и мобильный телефон с частотой 430 МГц, который вы используете, большинство его антенн также являются четвертьволновыми антеннами. Большинство мобильных телефонов «старших братьев» также имеют антенны с длиной волны 1/4. Видно, что 1/4-волновая антенна определенно дает свое влияние.
Как сделать четвертьволновую антенну?
Возьмите УКВ (144 МГц) в качестве примера, чтобы сделать четвертьволновую антенну.
Подготовьте 5 медных стержней длиной 0,5 метра и штепсельный разъем M-типа (как показано на рисунке).
Затем с помощью паяльника приварите М-образный главный вал к одному из медных стержней, затем прикрутите остальные четыре с четырех сторон или припаяйте их, а затем опустите каждый из четырех на 45 градусов (рис. 2)
В верхней части основного вибратора загнуто кольцо, чтобы его можно было легко повесить на улице или на крыше.
Вышеупомянутый разъем представляет собой розетку М-типа. Подключите штекер M к фидеру и привинтите его непосредственно к гнезду, что очень удобно.
Используя этот метод, мы можем изготовить множество простых и небольших антенн, таких как FM-антенна, работающая на частоте 98 МГц.
Длина сабвуфера всего 74 см, что очень мало. Он подходит для самостоятельного изготовления энтузиастами FM-передатчика.
Создание четвертьволновой плоской антенны
Опубликовано: Сб, 26 февраля 2022 г.
Категория: земляАвтор: Bryan Klofas Метки: антенны радиолюбительский радиозонд
После моего выступления в Pacificon несколько месяцев назад несколько человек обратились ко мне с предложением установить у себя дома станцию приема радиозондов. У них конкретно были вопросы по антенне и МШУ, и после нескольких ответов на один и тот же вопрос я решил сделать пост на эту тему.
Сделать 1/4-волновую антенну в плоскости заземления очень просто. Общая конструкция проста, с вертикальным элементом, окруженным заземляющей пластиной, состоящей из двух или четырех изогнутых вниз проводов. Вот размеры для любительских радиодиапазонов VHF/UHF (из Справочника ARRL), но эти размеры можно масштабировать до любой частоты.
Есть много онлайн-калькуляторов, которые дадут вам приблизительные размеры элементов, но я обычно использую калькулятор M0KUD. Всякий раз, когда вы делаете антенны, всегда обрезайте свои элементы немного длиннее (возможно, на 20%), чем указано в расчете, а затем подрезайте их во время настройки.
Используйте любой тип проволоки для элементов. Я использую стандартную сплошную медную проволоку 14-го калибра, потому что ее легко купить в хозяйственном магазине, она несколько жесткая и ее легко паять. Неважно, есть ли у провода изоляция, вы можете купить голый провод или зачистить его, если хотите. Более толстый провод означает более широкую полосу пропускания.
Как вы можете видеть на картинке выше, изначально элементы были намного короче. Это было сделано для приема радиозондов из аэропорта Окленда, которые, как я думал, передают на частоте 1680 МГц, но потом я обнаружил, что фактическая частота передачи составляет 403 МГц, поэтому я припаял внахлест больше проводов, чтобы снизить резонансную частоту.
Единственная «специальная» деталь, которую вам нужно будет заказать (или найти в мусоре), — это гнездовой разъем для пайки шасси/панели. Я предпочитаю использовать разъемы N при сборке антенн, так как они намного больше, чем разъемы SMA, и поэтому их легче паять толстым жалом паяльника и толстыми пальцами.
Я бы не советовал использовать разъемы УВЧ (PL-259/SO-239), так как они имеют большие потери выше 100 МГц.
Одно предупреждение: не покупайте дешевые безымянные разъемы в Интернете. Хотя они кажутся хорошим предложением (5 разъемов всего за 10 долларов!), причина их низкой стоимости заключается в том, что в них используется дешевый диэлектрический материал (например, делрин), который плавится ниже температуры припоя. Таким образом, в процессе пайки центрального контакта изоляционный материал расплавится и вытечет наружу, и разъем будет разрушен. Покупайте разъем только с техпаспортом, в котором указан тефлоновый (ПТФЭ) диэлектрик.
Еще один профессиональный совет: при пайке разъемов всегда накручивайте разъем на что-либо, например на кабель или другой разъем. Разъем противоположного пола добавит тепловую массу, замедляя скорость, с которой все нагревается, а также гарантирует, что центральный контакт останется выровненным и зафиксированным на месте, если диэлектрик станет мягким.
Единственным недостатком является то, что пайка занимает немного больше времени.
Измерение и настройка
Единственным недостатком сборки собственной антенны является необходимость измерения резонансной частоты и ее настройки на желаемую частоту. Самый простой способ — использовать анализатор антенн или анализатор цепей. Нет необходимости в дорогом испытательном оборудовании (но с ним так весело играть!), так как сейчас на рынке есть несколько разновидностей NanoVNA, которые прилично работают до 1 ГГц. Хотя они относительно дешевы, некоторые из них работают лучше, чем другие, а некоторые дешевые китайские подделки вообще не работают. Пусть покупатель будет бдителен!
Даже если у вас нет антенны или сетевого анализатора, кто-то из вашего местного радиолюбительского клуба или сообщества радиозондов либо владеет ими, либо имеет к ним доступ. Я уверен, что они будут рады помочь вам с измерением антенн.
Вот результат измерения обратных потерь S11 для моей самодельной четвертьволновой приемной антенны наземного радиозонда дома.
Обратные потери составляют около 22 дБ, что соответствует КСВ 1,17:1. Вполне нормально!
Я считаю хорошей антенной любую антенну с обратными потерями лучше 10 дБ (КСВ 2:1). Существует формула для преобразования обратных потерь в КСВ, но поскольку все, что я делаю, это 50 Ом, я просто использую таблицу. Чем больше возвратных потерь, тем лучше, а это означает, что больше энергии излучается в воздух (это то, чего мы хотим). На этом графике вы также можете увидеть 3-ю гармонику вверх около 1200 МГц с обратными потерями около 12 дБ.
Защита от атмосферных воздействий
Так как эта антенна будет находиться снаружи на мачте, требуется гидроизоляция антенны для предотвращения проникновения воды в коаксиальный кабель. Антенна достаточно дешевая и легко ремонтируется при повреждении элементов, а вот коаксиал стоит дорого, особенно на дальних дистанциях. Вода в коаксиальном кабеле будет медленно разрушать коаксиальный кабель, что может привести к короткому замыканию и изменению импеданса.
Но эту проблему трудно диагностировать, потому что проблемы проявляются только после того, как какое-то время шел дождь, а затем исчезают после того, как солнце выходит на день или два.
Верхняя сторона антенны (под пайку) может быть приклеена горячим клеем, а сторона разъема (нижняя) должна быть заклеена мастикой, такой как 3M 2228, или изолентой. Отдельные элементы не нуждаются в какой-либо герметизации. Со временем медь начинает зеленеть, но это не влияет на ВЧ-характеристики.
403 МГц Антенна радиозонда
Здесь, в районе залива Сан-Франциско, местные радиозонды передают на частоте около 403 МГц. Это немного ниже 70-сантиметрового любительского радиодиапазона, поэтому какое-то время я использовал Diamond X-50NA у себя дома в Сан-Франциско. Хотя это отличная двухдиапазонная любительская радиоантенна, она очень плохо работает на частоте 403 МГц. Эта антенна не имеет резонанса на этой частоте, и усиление направлено к горизонту (где нет радиозондов).
Я построил четвертьволновую заземляющую пластину для частоты 403 МГц с элементами длиной около 18 см (7 дюймов) и радиусами примерно на 15% длиннее.
