Ликбез по антеннам в контексте приёма сигналов метеоспутников

Поскольку у меня имеется неплохой (по сравнению с более дешевыми) SDR-RTL приемник, было бы скучно использовать штатную штыревую антенну и не искать альтернатив. Поэтому я продолжу цикл статейкой об антеннах. 

Введение

Для приёма радиосигнала, помимо радиоприемника, нужна антенна. В отличной советской книге «Азбука радиолюбителя» Ч. Климчевского была проведена такая аналогия: с помощью большой сети рыбаки ловят много рыбы, а маленькой удочкой можно поймать лишь незначительную рыбёшку. Так же и с антеннами: на простую проволоку хороший сигнал не принять, для этого нужна хорошая многоэлементная антенна, рассчитанная для конкретного частотного диапазона.

Ч. Климчевский - Азбука радиолюбителя

Теория

Разумеется, в «тепличных» условиях можно получить идеальный снимок даже на антенну «длинный луч» – кусок провода. На практике такое решения применяется крайне редко. Два основных типа антенн, используемые в радиосвзяи — полуволновой диполь и рамка с током.

Слово «полуволновой», очевидно, связано со словом волна. Имеется в виду не сама волна, как материальный объект или явление, а её ключевой параметр — длина волны. Длина волны равняется отношению скорости распространения волны к частоте. Скорость распространения электромагнитных волн в воздухе примерно равняется скорости света — 299 792 458 метров в секунду. То есть, разделив 300 млн. м/с на 137 млн. Гц мы получим длину волны примерно 2,2 метра.

Рамка на нужный нам диапазон (137 МГц — 2,2 м) будет такого размера, что даже с двумя ручками портативной она не будет. Более распространённый вариант — антенна Диполь. (Многие рекомендуют антенну QFH, но я с ней не работал и ничего рассказать не могу. Постараюсь в свободное время ее изготовить и протестировать.)

Электромагнитная волна обладает таким свойством, как поляризация. Движущиеся объекты, как правило, оснащают антеннами с вращающимся вектором поляризации (т. н. круговая поляризация). Такой сигнал можно принимать антеннами с круговой поляризацией (должно совпадать направление вращения векторов) или с линейной (горизонтальной или вертикальной), но в таком случае часть энергии сигнала будет потеряна.

Самый простой вариант — диполь нужного размера. Но такая антенна не будет иметь ярко выраженного направления максимального изучения/приёма.

Диаграмма направленности антенны Перекрестный диполь

Чтобы «перенаправить» часть «потока», используются пассивные элементы — рефлекторы и директоры. Пассивные, потому что они не имеют электрического контакта с передатчиком или приёмником. Рефлектор должен быть расположен сзади от излучателя (вибратора) и всегда длиннее. Он отражает часть энергии в противоположном направлении и формирует слабо выраженный основной лепесток диаграммы направленности. Рефлектор, как правило, один, потому что установка второго не оправдана — ему нечего будет отражать, все уже отражено до него.

Диаграмма направленности антенны Перекрестный диполь с рефлектором

Директор расположен спереди от диполя и короче него. Он призван сужать основой лепесток. Чем больше директоров, тем уже лепесток. Как правило, для достижения максимальной эффективности директор не устанавливают без рефлектора, но случаются исключения.

Диаграмма направленности антенны Перекрестный диполь с директором и рефлектором

Однако все элементы антенны, в том числе и пассивные, отбирают часть энергии поля, созданного излучателем. То есть, при том же напряжении излучает и, следовательно, потребляет больше энергии. Из школьного курса физики мы знаем, что в таком случае входное сопротивление антенны ниже. О том, что такое входное сопротивление речь пойдет позже. Таким образом, минимальная система для качественного приёма сигнала спутником погоды нам нужна антенна, состоящая из излучателя, рефлектора и директора. Каждый дополнительный элемент добавляет антенне усиления в направлении главного лепестка. То есть, можно отказаться от директора и поставить второй вибратор со своим рефлектором. Этим мы «убиваем двух зайцев» — увеличиваем усиление и обеспечиваем круговую поляризацию.

Входное сопротивление (импеданс) антенны связывает излучаемую мощность с током, протекающим через сечение антенны. Надо подчеркнуть, что физически этого сопротивления не существует. Это всего лишь математический коэффициент, связывающий излученную антенной мощность с квадратом максимальной амплитуды тока в антенне. Этот параметр используется для согласования тракта. Если все элементы тракта имеют одинаковый импеданс, тракт считается согласованным, и вся энергия доходит от антенны до приемника или от передатчика до антенны. Но, если тракт не согласован должным образом, часть энергии отражается от концов линии и возвращается к источнику, то есть, тратится впустую. Такое явление называется коэффициент стоячей волны (КСВ или SWR). В идеальном случае, когда тракт согласован, КСВ равняется 1. В противном случае КСВ стремится к бесконечности (вся энергия отражается от конца тракта).

Достаточно полно эти антенны описаны в разделе «Направленные антенны с пассивными элементами, вращающиеся в горизонтальной плоскости» в книге К. Ротхаммеля «Антенны»

Антенна Диполь с пассивными элементами (Уда-Яги)

Из личного опыта могу сказать, что простой трехэлементной антенны, не обладающей круговой поляризацией, вполне достаточно для приема сигналов спутников в условиях благоприятной помеховой обстановки.

Неплохой вариант для начинающих — двухдиапазонная антенна конструкции радиолюбителя RZ9CJ. Она отлично подходит как для работы со спутниками, так и для прослушивания радиолюбительских диапазонов частот 2 м или 70 см.

Антенна Uda-Yagi RZ9CJ

Фидеры

Для подключения антенн к приемным или передающим устройствам используются специальные высокочастотные кабели. Такие кабели называют фидерами или фидерными линиями. Существует множество разновидностей фидерных линий. Самые простые и распространенные — симметричная линия и коаксиальный кабель. Чаще всего используется последний вариант, хотя в некоторых случаях используют и симметричную линию, и даже более экзотические варианты.

Два ключевых параметра фидерной линии — волновое сопротивление и величина затухания сигнала. Если с затуханием все ясно — чем меньше, тем лучше, то словосочетание «волновое сопротивление» при разговоре о фидерах понятно не всем. Чтобы радиотракт работал правильно, он должен быть согласован. Говоря другими словами, волновое сопротивление всех элементов должно быть равно; в противном случае необходимо применять специальные согласующие устройства. В случае рассогласования возрастает КСВ тракта, что негативно сказывается на его свойствах.

 

Конечно, в книге К. Ротхаммеля «Антенны» это все расписано гораздо подробнее и я советую каждому прочитать хотя бы однотомник 1998 года. В следующей статье я расскажу, о следующем, заключительном этапе приема сигналов метеоспутников NOAA. 

Related Posts
Три конструкции антенн типа «Волновой канал» или «Уда-Яги».
Альтернативная инструкция по добавлению наземной станции в систему
SSTV с МКС — О Гагарине из космоса
Прием самолётной телеметрии (система ADS-B) с помощью SDR-RTL
Прием фотоснимков с метеорологических спутников серии NOAA
Установка и первичная настройка радиоприемника SDR-RTL (RTL2832U, R820T)

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

code