Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Теоретические основы антенны MiniWhip

Теоретические основы антенны MiniWhip

Перевод статей Pieter-Tjerk de Boer, PA3FWM pa3fwm@amsat.org
http://wwwhome.cs.utwente.nl/~ptdeboer/ham/tn/tn07.html
http://wwwhome.cs.utwente.nl/~ptdeboer/ham/tn/tn09d.html

Самой известной активной антенной для диапазонов СДВ, ДВ и КВ является антенна MiniWhip, разработанная PA0RDT [1]. Много идей и мифов было написано о том, как работает эта антенна. В этой статье я постараюсь пролить свет на это, с помощью некоторых элементарных теоретических выкладок.

 

MiniWhip

 

На рисунке показана типичная схема установки MiniWhip. Она состоит из мачты, высотой несколько метров, в идеале в открытом поле. Наверху установлена маленькая металлическая пластина и усилитель, которые помещены вместе в пластиковый корпус. Фактически, это и есть антенна MiniWhip Коаксиальный кабель проходит от MiniWhip вниз по мачте к приемнику. Сейчас мы предполагаем, что мачта сделана из металла и заземлена, но позже мы рассмотрим случай если мачта - диэлектрик. Усилитель по сути является истоковым (эммитерным) повторителем с очень высоким входным сопротивлением для того, чтобы не нагружать металлическую пластину, и низким выходным сопротивлением, чтобы иметь возможность передать достаточную мощность через 50 (75) Омный коаксиальный кабель к приемнику[1,2,3]. Идея заключается в том, что металлическая пластина "измеряет" (делает пробу) электрическое поле в месте установки, и передает результат по коаксиальному кабелю в приемник.

 

Диэлектрические мачты

Что делать, если мачта диэлектрик? Усилитель будет по-прежнему измерять разность потенциалов между плюсом и «землей» схемы усилителя. Если мачта диэлектрик, то единственное, что подключено к цепи заземления является оплетка коаксиального кабеля. В этом случае разность потенциалов будет измеряться между пластиной и оплеткой. Если оплетка кабеля прочно соединена с землей где-то дальше, антенна будет работать так же, как и в с случае с заземленной мачтой. Но если оплетка не заземлена и идет в помещение, где соединяется с "плохой" земле (например, заземление сети 220 В), тогда весь шум от "плохой" земли (прим. переводчика: да и от всего помещения) будет проникать на вход усилителя, и, таким образом в конечном итоге и в сам приемник. Отсюда важность хорошего заземления!

Тут может возникнуть идея - заменить коаксиальный кабель на оптоволоконный. Это позволило бы устранить все шумы, поступающие в приемник через оплетку коаксиального кабеля. Но без электрического соединения усилителя с внешней стороной оплетки, весь контур будет иметь тот же потенциал, что и металлическая пластина, так что принимаемый полезный сигнал не будет вызывать разность потенциалов на входе усилителя, и, соответственно, сигнал не будет передан в приемник. И как итог - ничего не будет слышно. Автор идеи и создатель MiniWhip PA0RDT недавно опробовал оптоволоконный кабель на практике и сообщил об этом в рефлектор RSGB клуба. Его вывод - такой вариант не принимает ничего.

Поляризация

Еще один интересный эксперимент был проведен PA0RDT. Он разместил антенну не на вертикальной трубе на земле, а на горизонтальной, высунутой из окна, с коаксиальным кабелем, расположенным также горизонтально. Он сделал это таким образом, что металлическая пластина в любом положении мачты остается на одном и том же месте в пространстве, и заметил, что прием вертикально поляризованного сигнала СВ радиостанции был одинаково сильным, как с горизонтальным, так и с вертикальным расположением мачты. На первый взгляд, это говорит о том, что антенна не поляризована: прием тот же самый, даже если вся установка была повернута из вертикального в горизонтальное положение.

Тем не менее, это ошибочное заключение. Усилитель по-прежнему измеряет разность потенциалов между пластиной и мачтой (если проводящая и заземлена) или оплеткой коаксиального кабеля (которая где-то заземляется хорошей системой противовесов). Таким образом, разность потенциалов измеряется между пластиной (а она на одном и том же месте) и землей (положение которой тоже не изменилось), так что можно ожидать, что результирующий сигнал на входе приемника будет одинаков. Идет ли оплетка (заземление) вертикально вниз, или принимает частично горизонтальное положение - не имеет значения, до тех пор, пока длина горизонтальной части проводящей мачты или оплетки кабеля мала по сравнению с длиной волны.

Плата или провод

Большинство активных электрических антенн, используйте не металлическую пластину, а провод длиной около 1 метра. Плата или провод не имеет никакой существенной разницы. Длина такого провода в большинстве случаев будет мала по сравнению с длиной волны. Для определенности возьмем середину провода, то есть точку на полметра выше, чем мачта. Средний потенциал, наведенный электрическим полем в этой точке, будет мало отличаться от потенциала, наведенного в металлической пластине, расположенной наверху мачты. Эти полметра дополнительной высота вряд ли повлияет на разность потенциалов в этих точках на землю.

Тем не менее, есть еще одно важное отличие, а именно емкость пластины и провода. Провод имеет емкость 10 пФ на метр длины, слабозависящую от его толщины. Круглая металлическая пластины имеет емкость около 0,35 пФ на каждый сантиметр диаметра. Я не нашел формулу для прямоугольной пластины, но форма не должна сильно влиять, так что типичный MiniWhip имеет около 2 пФ емкости пластины. Значение этой емкости важно, потому что вместе со входной емкостью усилителя образуется емкостной делитель напряжения. Чем меньше емкость пластины или провода, тем меньшее напряжение попадает на вход усилителя..

Направленность

Прежде чем мы сможем сказать что-нибудь о направленности данной антенны, хорошо бы иметь более точное определение, что такое "направление" радиосигнала. На рисунке показана вертикально поляризованная передающая антенна, а также электрические и магнитные силовые линии, производимые ею на большом расстоянии (так называемое дальнее поле). Мы видим, что электрические силовые линии вертикальны, что не удивительно, так как электрическое поле обусловлено тем, что, верхняя половина диполя заряжается положительно, а нижняя половина отрицательно (или наоборот). Мы также видим, что магнитные силовые линии горизонтальны, образуя большой круг вокруг антенны; это ожидаемо, так как мы знаем, что силовые линии магнитного поля образуют круги вокруг токопроводящей проволоки.

 

На рисунке также показан так называемый вектор Пойнтинга. Он названа в честь английского физика Дж. Пойнтинга, а точки на рисунке указывают направление, в котором распространяется радиоволна. Математически направление задается как результат сложения электрического и магнитного векторов поля. Направление вектора Пойнтинга (направление распространения радиоволны) может быть определено по правилу левой руки - левую руку располагают таким образом, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, четыре пальца направлены вдоль силовых линий электрического поля. Отогнутый на 90 гр. большой палец укажет направление вектора Пойнтинга.

Но каким образом антенна может быть более чувствительна к сигналам с одного направления, и менее чувствительна - с другого? Если бы антенна могла реагировать напрямую на вектор Пойнтинга, то все было бы просто. К сожалению, однако, антенны не реагируют на вектора Пойнтинга, а взаимодействуют только с электрическим и (или) магнитным полем.

Один из способов получения направленности у антенны - это измерение фазы сигнала в нескольких точках антенны. По такому принципу, например, работает антенна Яги: сигнал, который приходит из направления "вперед", достигает первого директора раньше, чем вибратора. Однако, для небольших антенн этот принцип не работает, так как антенна мала по сравнению с длиной волны, и сигнал поступает почти одновременно во все точки антенны, и, следовательно, не дает существенной разницы фаз.

Направленность MiniWhip

А что же с направленностью MiniWhip? Мы уже видели, что она реагирует на компоненты электрического вертикально поляризованного сигнала, и что она мала по сравнению с длиной волны. Тогда можно сделать только один вывод - MiniWhip не имеет направленности.

Тем не менее, как минимум одно направленное свойство у MiniWhip есть - она не будет принимать сигналы, поступающие перпендикулярно сверху. Такие сигналы имеют горизонтальные электрические и магнитные силовые линии, таким образом MiniWhip не на что реагировать. Это довольно заметно с моим WebSDR приемников в университете Twente (websdr.ewi.utwente.nl:8901). Иногда голландские пользователи жалуются, что не слышат голландские станций на 80м. Объяснение простое - эти сигналы отражаются от ионосферы и приходят в точку приема почти вертикально.

Некоторые люди полагают, что для того, чтобы принимать сигналы, поступающие почти вертикально, следует установить горизонтальную пластинку, поверх вертикальной в MiniWhip. Это не будет работать: MiniWhip измеряет разность потенциалов между пластиной и землей, и для сигналов, приходящих почти вертикально, эта разница равна 0.

Выводы

Какие выводы мы можем сделать из всей этой теории?

  • MiniWhip имеет вертикальную поляризацию.
  • Заземление очень важно: если антенна заземлена только в помещении, где она подключается к приемнику с помощью коаксиального кабеля, уровень шума будет очень велик. Кстати, заземление может быть не связано напрямую с реальной землей - большой кусок металла, даже если он не подключен непосредственно к земле, может иметь достаточную емкость, чтобы служить землей.
  • Сила принимаемого сигнала прямо пропорциональна высоте антенны над землей
  • Мачта из металла или диэлектрика - не важно. Однако, если мачта является проводником, металлическая пластина антенны должна быть установлена выше мачты.
  • Антенна MiniWhip - всенаправленная, за исключением сигналов, приходящих почти вертикально.
  • Ориентация или форма металлической пластины не имеют значения. Это может быть и просто провод.

Теоретические основы антенны MiniWhip

Перевод статей Pieter-Tjerk de Boer, PA3FWM pa3fwm@amsat.org
http://wwwhome.cs.utwente.nl/~ptdeboer/ham/tn/tn07.html
http://wwwhome.cs.utwente.nl/~ptdeboer/ham/tn/tn09d.html

Самой известной активной антенной для диапазонов СДВ, ДВ и КВ является антенна MiniWhip, разработанная PA0RDT [1]. Много идей и мифов было написано о том, как работает эта антенна. В этой статье я постараюсь пролить свет на это, с помощью некоторых элементарных теоретических выкладок.

 

MiniWhip

 

На рисунке показана типичная схема установки MiniWhip. Она состоит из мачты, высотой несколько метров, в идеале в открытом поле. Наверху установлена маленькая металлическая пластина и усилитель, которые помещены вместе в пластиковый корпус. Фактически, это и есть антенна MiniWhip Коаксиальный кабель проходит от MiniWhip вниз по мачте к приемнику. Сейчас мы предполагаем, что мачта сделана из металла и заземлена, но позже мы рассмотрим случай если мачта - диэлектрик. Усилитель по сути является истоковым (эммитерным) повторителем с очень высоким входным сопротивлением для того, чтобы не нагружать металлическую пластину, и низким выходным сопротивлением, чтобы иметь возможность передать достаточную мощность через 50 (75) Омный коаксиальный кабель к приемнику[1,2,3]. Идея заключается в том, что металлическая пластина "измеряет" (делает пробу) электрическое поле в месте установки, и передает результат по коаксиальному кабелю в приемник.

 

Последнее изменение этой страницы: 2016-06-10

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...