30.04.2023
1 хв
2035
Антени для SDR-приймачів — це ключовий елемент, що визначає якість прийому сигналу. Саме правильно підібрана антена дозволяє «розкрити» весь потенціал програмно-визначеного радіо. Найпопулярнішими вважаються дипольні, рамкові, штифтові та направлені антени. Кожна з них має свої переваги: диполь універсальний, рамкова антена відмінно працює в умовах перешкод, штифтова зручна для міських умов, а направлена Ягі-Уда забезпечує високе підсилення.
Передача даних в інтернеті залежить від пропускної здатності локальної мережі, роботи маршрутизатора та характеристик каналів зв’язку. У випадку з радіозв’язком вирішальним елементом для якісного прийому сигналу виступає антена.
Принцип її роботи полягає в тому, що передавальна антена перетворює змінний струм високої частоти на електромагнітні хвилі, здатні поширюватися на значну відстань. Приймальна антена виконує зворотний процес — уловлює хвилі та перетворює їх у змінний струм, що надходить до приймача. Основою цих процесів є закон Ампера.
Для ефективного прийому з мінімальними перешкодами необхідно правильно обирати тип антени та її розташування. Важливим чинником також є специфіка поширення хвиль у різних частотних діапазонах.
У практиці використовуються додаткові елементи: узгоджувальні пристрої, лінії передачі (фідери), фільтри та малошумні підсилювачі сигналу. Якщо антена встановлюється поза межами будівлі, обов’язковим є застосування пристроїв грозозахисту.
Ця публікація є вступом до теми антен: розглядаються найбільш поширені варіанти, їхні параметри, вибір фідера, методи узгодження з лініями передачі та системи захисту.
Наприкінці минулого століття радіоаматори робили антени самостійно, але зараз у цьому немає потреби. В інтернет-магазинах та на маркетплейсах можна придбати недорогі готові антени практично на будь-який випадок.
Але як вибрати антену? Існує дуже багато антен різних типів, кожна з яких має свої особливості.
Вибір антени залежить від того, для якого частотного діапазону і якого виду поляризації вона потрібна, від ваших можливостей щодо її встановлення та бюджету. Одна річ, якщо ви збираєтеся встановити антену на ділянці біля вашого будинку або на даху, і зовсім інша – на балконі багатоквартирного будинку в умовах щільної міської забудови.
Антена типу диполь або симетричний напівхвильовий вібратор – це прямолінійний провідник з розривом посередині, довжина якого дорівнює половині довжини хвилі, що випромінюється або приймається. Через розрив в антену подається енергія для передаючих антен або енергія знімається у вигляді струму високої частоти для приймачів.
У розрив провідника диполя через лінію живлення (фідер) подається високочастотний сигнал від передавача. Вібратор при цьому працює як резонансна система: уздовж його плечей формуються стоячі хвилі струму та напруги. На кінцях диполя напруга досягає максимуму, тоді як струм наближається до нуля. У центральній частині, навпаки, спостерігається максимум струму та мінімум напруги.
Якщо антена використовується у приймальному режимі, електромагнітна хвиля індукує струм у диполі, і далі сигнал через фідер надходить до приймача. На ілюстрації умовно зображено узгоджувальний трансформатор і двопровідну лінію. Проте на практиці найчастіше застосовується коаксіальний кабель, що потребує використання симетрувальних і узгоджувальних пристроїв для ефективного узгодження антени з лінією передачі та мінімізації втрат сигналу.
Радіоаматори встановлюють диполь не тільки всередині будинку або на його даху, але також використовують у похідних умовах.
Дипольна антена може займати значний простір, адже її довжина дорівнює половині довжини хвилі. Для забезпечення ефективної роботи таку антену необхідно розташовувати якомога вище. Діапазон частот радіоаматорського зв’язку досить широкий — від 135,7 кГц до 10 ГГц і вище, тож виникає питання, чи можливо застосовувати напівхвильовий диполь у всіх цих межах.
Для розрахунку довжини хвилі використовується формула: λ = с / F, де с — швидкість світла (м/с), F — частота в герцах. У практичному вигляді довжину хвилі в метрах отримують, поділивши 300 на частоту в мегагерцах. Наприклад, при 30 МГц хвиля матиме довжину 10 м, а напівхвильовий диполь — 5 м. Такий розмір є надмірним для квартири, проте цілком прийнятним для заміської ділянки.
На нижній межі — 135,7 кГц — довжина хвилі перевищує 2 км, що робить диполь практично нереальним у виготовленні. У цьому випадку застосовують інші типи антен. Для частот близько 144 МГц і 430 МГц довжини хвиль становлять приблизно 2 м і 70 см відповідно. Антени таких розмірів можна встановити навіть у квартирі чи на балконі.
У продажу представлені готові диполі для різних діапазонів, які зазвичай доповнюються узгоджувальними пристроями для зручного підключення.
Зустрічаються антени у вигляді замкнутого провідного контуру у формі квадрата, прямокутника або кола. Така антена називається петльовим вібратором. На рис. 3 зверху показаний щойно розглянутий напівхвильовий вібратор (диполь), а знизу – петльовий.
Розміри для петлевого вібратора вибираються з тих міркувань, що й для диполя. Петльовий вібратор використовується як самостійно, так і у складі антен складніших конструкцій. Серед переваг петлевого вібратора перед диполем – менша чутливість до перешкод за рахунок взаємної компенсації електростатичних полів. Також петльовий вібратор відрізняється ширшою смугою пропускання порівняно з диполем і зручним для узгодження з фідером.
Антена “вертикальний штир” або Ground Plain займає відносно небагато місця і застосовується дуже широко для стаціонарних та портативних передавачів, а також приймачів. Така антена є вертикальним чвертьхвильовим провідником.
З урахуванням розташування на землі штир антени Ground Plain є напівхвильовим випромінювачем. При цьому земля грає роль чвертьхвильового вібратора, що бракує, за рахунок дзеркального зображення антени. На малюнку нижче показано встановлення такої антени у відкритому полі.
Як бачите, незважаючи на велику довжину штиря, площа, яку займає антена, невелика. На малюнку нижче показаний малогабаритний вертикальний штир, який продається в комплекті з приймачем RTL-SDR V4 і добре підходить для FM-радіо.
В основі антени є магніт для кріплення до металевої поверхні, наприклад, до козирка вікна, балкона або установки на дах автомобіля.
Ближче до основи в антені знаходиться котушка, що подовжує. Вона додає індуктивність і зсуває частоту резонансу область нижчих частот. В результаті довжина антени може бути меншою, ніж чверть довжини хвилі. У продажу є вертикальні штирі різної довжини, зокрема на діапазон 10 метрів, де спілкуються між собою далекобійники. Часто використовуються телескопічні антени, довжину яких можна регулювати.
Телескопічні антени використовуються у приймачах, а й у портативних радіостанціях. Якщо штирова антена встановлена далеко від землі на щоглі, вона може бути забезпечена противагами, що грають роль землі.
У портативних радіостанціях, які можна тримати в руці, роль землі для штирьової антени грає тіло людини.
Потужність випромінювання напівхвильового диполя, підключеного до передавача, залежить від напрямку. Максимальна потужність випромінюється у перпендикулярному напрямку до диполя, а вздовж диполя випромінювання практично немає.
Штирьова антена у горизонтальній площині характеризується всеспрямованістю, однак у вертикальній площині та при зміні кута нахилу інтенсивність випромінювання зменшується.
Спрямовані антени мають головну пелюстку діаграми спрямованості, у напрямку якої передається основна частина енергії. Крім того, присутні бічні пелюстки з ослабленим випромінюванням. Аналогічно й під час прийому: максимальний сигнал антена отримує з боку головної пелюстки, а з напрямків бічних — значно слабший.
Напівхвильовий диполь формує дві пелюстки, розташовані перпендикулярно провіднику антени. Це означає, що сигнал прийматиметься найсильніше саме в цих напрямках, тоді як з інших напрямків рівень сигналу буде нижчим. Завдяки цьому спрямовані антени допомагають зменшити рівень завад від небажаних джерел, які знаходяться поза основною пелюсткою спрямованості.
Спрямована антена Ягі- Уда (Yagi), розроблена ще в 1926 році, складається з напівхвильового диполя, рефлектора, а також одного або кількох директорів. На мал. 10 показана триелементна антена Яги, в якій є випромінюючий елемент A рефлектор R і один директор D .
Розміри елементів залежить від довжини хвилі λ.
На малюнку нижче показана багатоелементна антена, в якій встановлено чотири директори. Чим більше директорів, тим вище коефіцієнт посилення антени, але її смуга пропускання.
Антена Яги-Уда відзначається високою спрямованістю, проте має і недоліки: вузьку смугу пропускання, чутливість до точності виготовлення та розташування елементів, складність налаштування (потребує спеціальної апаратури) й значні розміри у короткохвильовому діапазоні. Водночас у продажу доступні готові моделі для різних частот.
Завдяки взаємодії хвиль від елементів антени досягається максимальне випромінювання у напрямку директорів під час передачі та найбільша чутливість у приймальному режимі. Бічні випромінювання сильно пригнічені, що знижує вплив перешкод.
Такі антени застосовують радіоаматори на коротких і ультракоротких хвилях, у системах бездротового зв’язку та для прийому сигналів телебачення — як аналогового, так і цифрового.
Якщо потрібна спрямована широкосмугова антена, можна використовувати так звану логопериодичную антену . Вона складається з набору диполів, розташованих уздовж двох штанг та підключених поперемінно. При цьому довжини та відстані між елементами зменшуються логарифмічно.
У діапазоні довгих, середніх і коротких хвиль розміри дипольних та штирьових антен стають занадто великими для встановлення в житлових умовах чи на балконі. Використання укорочених штирів можливе, як у переносних радіостанціях, проте їх ефективність значно нижча порівняно з повнорозмірними антенами.
Альтернативним варіантом у цих діапазонах виступають рамкові антени (Loop antenna) — провідники, сформовані в один або кілька витків круглої, прямокутної чи іншої форми.
Чим більше витків у рамковій антені, тим вищою стає її чутливість. Серед переваг таких антен варто відзначити компактність, високу спрямованість і добру стійкість до перешкод. Основний недолік — необхідність налаштування на резонансну частоту.
Рамкові антени часто називають магнітними, адже вони реагують насамперед на магнітну складову електромагнітного поля. Існують різновиди магнітних рамкових антен, у яких струм у витках розподіляється по замкнутій петлі у формі стрічки Мебіуса.
Антена типу «довгий провід» повністю відповідає своїй назві, адже являє собою провід, довжина якого перевищує чверть хвилі. Зі збільшенням довжини підвищуються як коефіцієнт підсилення, так і спрямованість.
До переваг такої антени належать проста конструкція, мінімальні витрати на виготовлення та можливість роботи на кількох частотах. Основний недолік полягає у значних розмірах, тому подібні антени зручніше встановлювати на заміській ділянці.
У багатоповерховому будинку можна закинути дріт антени з нижніх поверхів на дерево, що стоїть поряд з будинком, але переконайтеся в тому, що на кінці і на початку проводу є ізолятори. Також перевірте, що поряд немає високовольтних ліній електропередач.
Якщо довжина антени менша за довжину хвилі, то діаграма спрямованості така ж як у диполя — випромінювання в бічних напрямках. Якщо ж довжина антени перевищує кілька довжин хвиль, то антена випромінює у бік під кутом до дроту.
Дуже цікавий вид антен – спіральна антена. Ця антена є провід, намотаний у вигляді спіралі. На рис. 16 показаний обертовий блок спіральних супутникових антен.
Основні параметри антени визначають її ефективність і придатність для конкретних умов експлуатації. До ключових показників належать коефіцієнт посилення, поляризація, хвильовий опір, спрямованість випромінювання, а також робочий діапазон частот. Важливими є й фізичні характеристики — розміри та маса, що впливають на вибір місця встановлення.
Від цього параметра залежить спрямованість і ефективність випромінювання. Він показує, у скільки разів щільність випромінюваної (або прийнятої) потужності в напрямку головної пелюстки перевищує аналогічний показник у еталонної антени.
Відносно ізотропного випромінювача посилення позначають у dBi.
Відносно напівхвильового диполя — у dBd.
Між цими значеннями існує різниця у 2,15 дБ. Для прикладу, напівхвильовий диполь має на 2,15 дБ більше посилення, ніж ізотропна антена. Варто враховувати, що спрямовані антени з великим посиленням не створюють додаткової потужності, а лише концентрують її у певному напрямку, збільшуючи дальність зв’язку.
Випромінювання може мати різні види поляризації — лінійну або кругову.
Лінійна буває вертикальною, горизонтальною або похилою. Вертикальна використовується в FM-радіо та портативних радіостанціях, горизонтальна — у телевізійному мовленні та мікрохвильових каналах зв’язку.
Кругова поляризація поширена в супутниковому зв’язку, дронах та радарах. Вона може бути правою (обертання векторів за годинниковою стрілкою) або лівою (обертання проти годинникової стрілки).
Таким чином, під час вибору антени важливо враховувати не лише її конструкцію, а й параметри, що визначають якість роботи у потрібному частотному діапазоні та конкретних умовах використання.
малюнку нижче демонструє лінійну та кругову поляризацію.
Для ефективної роботи радіоканалу поляризація передавальної та приймальної антен повинні збігатися.
Узгодження антени з фідером є критичним для ефективної роботи системи. Ключовим параметром виступає вхідний опір антени — комплексний опір у точці підключення фідера на робочій частоті. Виміряти його звичайним омметром неможливо, для цього потрібне спеціалізоване обладнання.
Оскільки антени зазвичай встановлюють на висоті та на відстані від приймача чи передавача, з’єднання здійснюється через фідер — найчастіше коаксіальний кабель. Щоб отримати максимальний рівень сигналу на приймачі або забезпечити повне випромінювання від передавача, необхідно узгодити антену з фідером, а фідер — з обладнанням. У випадку неузгодження виникають відбиття сигналу, що знижує ефективність роботи.
Типові значення вхідного опору:
напівхвильовий диполь — близько 60–73 Ом;
чвертьхвильовий штир — приблизно 36 Ом;
рамкові антени — від кількох Ом до десятків кОм, залежно від форми, розмірів, числа витків і частоти.
Найбільш поширені коаксіальні кабелі мають хвильовий опір 50 Ом або 75 Ом. У готових антенах зазвичай передбачені схеми узгодження, тоді як у саморобних варіантах цим потрібно подбати окремо.
Для оцінки якості узгодження застосовують коефіцієнт стоячої хвилі (КСВ) — відношення максимуму напруги стоячої хвилі до її мінімуму. Значення КСВ = 1 вказує на ідеальне узгодження, відсутність відбитої хвилі та максимальну ефективність. Чим вищий КСВ, тим більші втрати енергії у фідері.
Оскільки більшість антен мають симетричну конструкцію, а коаксіальний кабель — несиметричний, для їхнього коректного поєднання використовуються симетруючі пристрої.
На малюнку нижче для прикладу показано чотири схеми узгодження опору коаксіального кабелю та антени.
Зліва вгорі показана схема, що застосовується, коли опір антени більше опору кабелю, а зліва внизу – коли опір антени менше опору кабелю. Т-подібна та П-подібна схеми (праворуч вгорі та праворуч внизу) придатні для широкого діапазону узгодження опорів. На малюнку нижче показаний антенний тюнер, що виконує функцію узгодження антени та фідера.
Для антени у вигляді довгого проводу необхідно виконати узгодження високого опору антени, що становить близько 500 Ом, і фідера опору (зазвичай 50 Ом). Це можна зробити за допомогою узгоджувального трансформатора – балуна.
При встановленні зовнішньої антени, наприклад на даху будинку чи при натягуванні проводу між будинком і деревом, обов’язково потрібно подбати про захист від блискавок. Інакше під час грози можливі пошкодження радіоапаратури, сильний удар струмом або навіть займання.
Металеві елементи антени слід з’єднувати із землею за допомогою товстого дроту чи металевої смуги. Це заземлення має бути підключене до загального контуру заземлення будівлі.
Коаксіальний кабель необхідно під’єднати до землі через грозорозрядник. Для цього використовуються спеціальні пристрої, які захищають підключене обладнання від імпульсів блискавки. Такі засоби захисту доступні у продажу в різних варіантах і дозволяють значно підвищити безпеку експлуатації антенної системи.
Щодо заземлення, то для антен різних типів використовуються різні схеми.
Для дипольної антени рекомендується встановлювати блискавковідвід так, щоб антена знаходилася в межах кута захисту 45°.
Вертикальний штир також потребує блискавковідведення, додатково необхідно заземлити щоглу та основу. Подібні заходи слід застосовувати і для антени типу «довгий провід», включаючи заземлення обплетення коаксіального кабелю.
Антена Яги захищається шляхом заземлення щогли та кабелю, а для супутникової тарілки передбачають заземлення кронштейна та опори.
Антени є ключовим елементом будь-якої системи радіозв’язку — саме від їхньої конструкції, параметрів та умов встановлення залежить якість прийому і передачі сигналів. Диполь, петльовий вібратор, вертикальний штир, антена Яги, рамкові чи довгопровідні — кожен тип має свої переваги, недоліки та сферу застосування.
При виборі антени важливо враховувати робочий діапазон частот, коефіцієнт підсилення, поляризацію, узгодження з фідером і місце встановлення. Не менш значущим є питання безпеки: зовнішні антени обов’язково потребують грозозахисту та якісного заземлення.
Сьогодні радіоаматори можуть як виготовляти антени власноруч, так і придбати готові рішення на будь-який бюджет і завдання. Головне — підібрати антену, яка найбільше відповідає умовам експлуатації, і тоді зв’язок буде надійним навіть у складних умовах.
