Антена – пристрій, що перетворює енергію високочастотного коливання від передавача в електромагнітну хвилю, здатну поширюватися в просторі, а при прийомі здійснює зворотнє перетворення. При цьому, задача антени – максимально сконцентрувати випромінювання саме в певних потрібних напрямках. Звужуючи кут випромінення, антена, концентруючи його енергію, підсилює напруженність поля в певних напрямках. Коефіцієнт підсилення – умовно співвідношення щільності потоку потужності, що створює певна антена, що має спрямованність, до еталонної неспрямованої антени (сферична діаграма).
При великому різноманітті антен не можна казати які з них кращі, а які гірші. В кожній конкретній ситуації є антени, що дозволяють вирішити задачу організації зв’язку оптимальним чином.
При організації систем радіозв’язку, вибір антен обумовлений основними критеріями:
– діапазон/піддіапазон робочих частот;
– вид діаграми спрямованості в горизонтальній площині – кругова (всеспрямована), або спрямована, і ширина кутів її спрямованості;
– коефіцієнт підсилення антени, баланс між шириною кута спрямованості і підсиленням;
– ширина смуги антени з коефіцієнтом стоячої хвилі (КСХ) ≤ 1,5.
Стосовно коефіцієнту підсилення і смуги антен. Нажаль часто про робочий діапазон антени судять по КСХ. Але показник смуги КСХ це те, де антена узгоджена – випромінює (пропускає) потужність передавача з прийнятним для певних умов коефіцієнтом. Встановивши котушку, можна отримати КСХ до 1,5 колінеарної антени у всьому діапазоні 136-174 МГц. Але коефіцієнт підсилення і діаграму, передбачені конструкцією, така антена забезпечує у вузькій смузі відповідно своїм геометричним розмірам, які в резонансі з певною довжиною хвилі. До прикладу – колінеарна антена 2х5/8λ з противагами. Діаграму і підсилення саме 3 дБд вона буде мати в смузі 5-7 МГц тільки на певних частотах резонансу, які співпадають з мінімумом КСХ. Якщо навіть узгодити їй низький КСХ в усьому діапазоні, параметри діаграми (підсилення) залишуться все в тій же вузькій смузі. При цьому частоти резонансу можуть зовсім не співпадати з частотами мінімуму КСХ, що покаже прилад.
Вимірювання параметрів антени робиться підключенням безпосередньо до приладу без фідера. З довгим фідером ми завжди отримаємо низький КСХ. Деякі антени досить чутливі до металевих предметів, що знаходяться поруч, і це треба враховувати при вимірах і при монтажі. Бажано, щоб в полі антени не було металевих предметів ближче ніж 2 довжини хвилі.
Останнім часом доступні недорогі векторні аналізатори типу NanoVNA та інші. Компактні прилади зручні в польових умовах. Але слід розуміти, що це не вимірювальні прилади, а показометри, і не варто повністю покладатись на значення, які вони видають.
Нижче розглянемо особливості різних типів антен і способів їх застосування.
Оптимальну кругову діаграму спрямованості забезпечують так звані «штирьові» антени – J-антени (AJ), або колінеарні (AF).
J-антена конструктивно має довжину ½ λ, проста в монтажі, досить жорстка конструкція, але має невелике підсилення (0 дБд/2,14 дБі) та досить вузьку смугу частот (біля 5 мГц в діапазоні VHF і 10 мГц в діапазоні UHF). Цього достатньо для використання в системах, де ретранслятори працюють з дуплексним розносом біля 5 МГц, але при зміні номіналів частот буде потрібно замінити антену. Антена короткозамкнута по постійному струму, що дозволяє відводити розряди атмосферної статичної електрики при відповідному заземленні щогли. Частіше такі антени використовують з стаціонарними абоненськими станціями.
Колінеарні антени складаються з ланок 5/8λ×Х або 1/2λ×Х, мають коефіцієнт підсилення 3, 6 і більше дБд і більшу ширирину смуги, ніж у J-антен. Колінеарна антена 3х½ λ з коефіцієнтом підсилення 3 дБд/5,14 дБі для частоти 150 МГц має довжину 3 метри, смугу з КСХ ≤ 1,5 в 5% від номіналу частоти. Як і J-антени виготовляються на піддіапазони. Колінеарні антени НЕ короткозамкнуті по постійному струму.
Широкосмугові колінеарні антени для діапазонів від КВ до VHF-UHF, що експлуатуються в військових системах радіозв’язку з ППРЧ (Harris, Aselsan та інші), мають складну конструкцію узгодження, високу вартість і невеликий коефіцієнт підсилення в догоду широкій смузі.
Важливо пам’ятати, що вертикальні колінеарні та J-антени забезпечують свою діаграму якщо розміщені або на верхівці щогли, або винесені на відстань хоча б 2λ від неї. Якщо розмістити антену на короткій відстані збоку щогли – остання буде давати «тінь» і розвалювати діаграму антени.
Дипольні антени (AD) характеризуються широкою смугою частот, що перекриває весь діапазон VHF або UHF, механічною міцністю і довговічністю в експлуатації, короткозамкнуті по постійному струму. Об’єднуючи окремі диполі сумуючим пристроєм і розміщуючи в одній площині по вертикалі на відстані 5/8 довжини хвилі отримуєму фазовану антенну решітку (ФАР). Діаграма спрямованості в горизонтальній площині такої антени не є повністю круговою і залежить від варіанту установки диполя від щогли-рефлектора. Так, змінюючи відстань встановлення диполя від щогли, можна регулювати діаграму від умовно кругової до спрямованої. Параметр підсилення 4-х елементної антени 6-9 дБд якраз відображає такі варіанти.
Щогла дипольної антени являється рефлектором і фактично є її частиною. Тобто антена НЕ БУДЕ працювати, якщо розмістити диполі на неметалевій конструкції. Відповідно висота щогли повинна перекривати всю висоту конструкції диполів, а також забезпечувати підняття антени над горизонтальною поверхнею, якщо вона розміщена на даху.
Диполі зручніше коли використовується дві антени без дуплексера так як їх можна розмісити на одній щоглі забезпечивши достатній вертикальний рознос. Таким же чином можна розмістити на одній щоглі декілька антен окремих ретрансляторів або стаціонарних радіостанцій.
Спрямовані антени (AY) «хвильовий канал», або Yagi антена, частіше використовуються для діапазонів VHF/UHF. Конструктивно робляться з дипольним вібратором або з гамма-узгодженням.
Антени з диполем мають широку смугу, короткозамкнуті по постійному струму, що практично виключає вплив атмосферної статики, якщо антена змонтована на металевій конструкції, яка має заземлення.
Гамма-узгодження простіше у виконанні, але антена має вужчу смугу, чутлива в елементі налаштування, що легко призводить до спотворення діаграми. Антена не короткозамкнута по постійному струму.
Формування діаграм спрямованими антенами
При необхідності забезпечення максимальної дальності радіозв’язку в заданих протилежних напрямках можливо використання для ретрансляторів спрямованих антен «хвильовий канал» (AY), розміщених під кутом 180º і об’єднаних суматором. На перпендикулярі до лінії антен можливий перетин діаграм і деяке биття і ослаблення сигналів, але загалом досягається потрібний ефект.
Ширина кута діаграми в горизонтальній площині буде визначатися вибором антени. Використовуючи механічний наклон антен в вертикальній площині, можна змінити положення вертикальної пелюстки діаграми антени. Це може бути актуально в умовах складного рельєфу або висотної міської забудови.
Але таке рішення можливе саме коли антени AY розміщені під 180º. Якщо кут менше або робиться схема з 3-4 антен, бажано забезбечити додатковий екран для придушення задніх пелюсток і враховувати кути діаграм антен в горизонтальній площині.
Складуючи 2 або 4 спрямовані антени узгодженими суматорами в фазовану решітку, можемо отримати відповідно додатково 3 або 6 дБ підсилення. Тобто, якщо ми складаємо дві 5-и елементні антени підсиленням 8 дБд, то отримуємо двухелементну спрямовану антену підсиленням 11 дБд. Кут діаграми в горизонтальній площині залишається незмінним, а підсилення збільшується за рахунок стискання кута по вертикалі.
Вибір антен для роботи ретранслятора без дуплексера
При роботі ретранслятора з двома антенами без дуплексера треба забезпечити вертикальний рознос між антенами, щоб передавач не давив приймач. Методика розрахунку розписана в статті: https://horwin.info/statti/metodyka-rozrakhunku-neobkhidnoho-pro/
Відповідно, якщо є можливість вибору номіналів частот ретранслятора, варто обирати пару з максимальним розносом. Більше дуплексний рознос – менше рівень придушення приймача передавачем, менше необхідний просторовий рознос антен.
Якщо дві антени різного підсилення – більшого ставиться на прийом.
Якщо одна вузькосмугова (наприклад колінеар), а друга широкосмугова (дипольна), то при однаковому підсиленні вузькосмугову на прийом, при умові, що резонансна частота відповідає прийому. Таким чином вона в певній мірі “обріже” сигнали передавачів.
Прийомну антену варто розміщувати вище передаючої.
Автомобільні антени
Автомобільні антени для діапазонів VHF/UHF в основному робляться у вигляді штиря в варіантах 1/4λ (0 дБд підсилення) або 5/8λ (3 дБд). Налаштовуються на робочу частоту підрізкою.
Є дводіапазонні антени, які робляться налаштованими на радіоаматорські частоти 144/433 МГц.
Такі антени мають вузьку смугу і чутливі до оточуючих металевих предметів. Тому налаштовуються по місцю встановлення. Детальніше тут https://horwin.info/rozmishchennia-avtomobilnykh-anten/
Слід розуміти, що антени НЕ ПРАЦЮЮТЬ без противаги. Не можна поставити автомобільну антену на дерев’яну поверхню, або підвісити в повітрі. Противагою може бути дах автомобіля, металевий лист, або просто кусок дроту, що стирчить в сторону. Мінімальний радіус поверхні для встановлення антени або довжина окремих противаг – 1/4 довжини хвилі. Чим більше противага, тим краще.