Принцип работы и электрическое поле

Давайте сделаем следующие предположения: высота мачты мала по сравнению с длиной волны, и сигнал приходит с вертикальной поляризацией. Это разумно, так как MiniWhip часто используют в качестве антенны для СДВ и ДВ диапазонов ( с длинами волн в сотни метров), и эти сигналы имеют преимущественно вертикальную поляризацию (из-за влияния близко расположенной проводящей земли). На более высоких частотах КВ диапазонов, эти предположения становятся менее реалистичными, хотя это больше зависит от высоты мачты.

Вертикально поляризованный радиосигнал создает в районе антенны вертикальные силовые линии электрического поля, и, как следствие, образуются эквипотенциальные поверхности (поверхности, на которых потенциал поля, относительно земли, везде одинаков). Металлическая пластина в MiniWhip будет обладать таким же потенциалом, как и потенциал эквипотенциальной поверхности, пересекающей её.

Тем не менее, усилитель в MiniWhip подключен не только к металлической пластине, но также и к земле, то есть к заземленной мачте. Если быть более точным: усилитель измеряет разницу потенциалов между пластиной и мачтой, преобразует это, и передает ту же разность потенциалов в пространство между экраном и центральным проводником коаксиального кабеля. Отсюда следует очень важный вывод - сигнал, который попадает в приемник, есть не что иное, как разница потенциалов между пластиной и мачтой.

Насколько велика эта разность потенциалов? Простейший рассуждения говорят нам о том, что пластина имеет тот же потенциал, что и поле в нескольких метрах над землей (высота мачты), а сама мачта имеет потенциал земли (так как её нижний конец заземлен). Тем не менее, это упрощение. Если вся мачта имеет потенциал земли, то все высшие эквипотенциальные поверхности не могут пересечь ее, и, следовательно, должны будут исказиться.

Рисунок показывает, как эти искаженные поверхности могут выглядеть (построен с помощью компьютерного расчета уравнений Максвелла). Черная линия внизу обозначает землю. Над ней показана мачта, и металлическая пластина , которые окрашены также в черный цвет. Красные линии - это эквипотенциальные поверхности. Каждая из этих линий соответствует определенному потенциалу относительно земли, выраженному в вольтах. Земля и мачта находятся на первом уровне, скажем, 0 В. Самая низкая красная линия могла бы быть, например, 1 мкВ, следующий 2 мкВ, и так далее.

Вдали от мачты эквипотенциальные линии (поверхности) почти горизонтальны, что характерно для вертикально поляризованного электрического поля. Вокруг мачты они искажены, так как вся мачта обладает нулевым потенциалом. Также линии искажены и вокруг металлической платины, поскольку потенциал на проводнике одинаков в любой его точке. Но на самом деле, искажения не слишком велико. Потенциал на металлической пластине практически равен потенциалу поля вдалеке от мачты и антенны. Дальнейшие расчеты показывают, что искажения уменьшаются по мере того как мачта становится тоньше.

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.