Эта разработка была сделана для профессиональных нужд. Требовалась скрытая и защищенная антенна на автомобиле. Решение далось не сразу - щелевые антенны малоизвестны, а на КВ применяются очень редко. Приходилось долго доказывать заказчикам, что это может работать (что смешно, сразу после измерений напряженности поля, показывавших, что антенна нормально излучает). У многих вызывала детский азарт: и сеткой автомобиль накрывали, и водой обливали, и по днище в воду ставили. Ничего не помогало, железяка кузова упорно продолжала излучать. Одна из самых повторяемых вещей - мне известно более чем о 2000 случаев. Статья в журнале в 1996 году преследовала рекламные цели, и многое там было опущено. Но даже в таком виде была многократно "содрана" на разных сайтах. Ниже дается расширенный вариант статьи, включающий те самые опущенные в журнале тонкости.

Кузов автомобиля в качестве антенны

При использовании в автомобилях радиопередатчиков наиболее трудной задачей является выполнение согласованной антенны. В данной статье рассматривается принцип использования кузова автомобиля как скрытой и согласованной передающей антенны на частотах от 20 до 200 MHz.

Обзор существующих типов автомобильных антенн

Минимальные размеры эффективного излучателя должны быть не менее l/4. При уменьшении размеров его КПД падает очень резко: пропорционально квадрату укорочения. Когда антенна является передающей, ее малый КПД безвозвратно снижает излучаемую мощность и соответственно уменьшает дальность радиосвязи. Поэтому несмотря на все рекламные заверения о эффективной работе очень маленьких чудо-антенн надо относиться как минимум иронично.

Самой простой автомобильной антенной является укороченный снизу катушкой штырь на крыше. Это неплохое решение, кроме тех случаев, когда наружная антенна неприемлема (системы охраны, слежения, скрытой радиосвязи). В этих случаях необходимо , чтобы антенна была скрытой и недоступной воздействию на нее снаружи (угонщик первым делом сломает наружную антенну, и охранное устройство становится бесполезным).

Для решения этой проблемы как правило используется короткая спиральная антенна, расположенная внутри салона у стекла. Она фактически представляет собой свернутый l/4 штырь, но так как она размещена внутри металлического кузова, эффективность ее сильно снижается из-за экранирующего эффекта. Кроме того, спиральная антенна имеет очень узкую полосу, что требует тщательной настройки антенны и делает, невозможным ее использование во всей полосе частот.

Возможен еще вариант укороченной рамки под стеклом. Такая антенна неплоха по эффективности, но и он не всегда приемлема, т. к. она все же видна снаружи.

В диапазоне УКВ почти исключительно используются l/4 штыри. Их длина невелика, а эффективность весьма высока. Они больше всего подходят почти для всех случаев, кроме случая когда требуется скрыть наличие на автомобили радио, например в составе системы предотвращения угона и поиска угнанных автомобилей и/или для скрытной радиосвязи. Для решения проблемы скрытности обычно используется та же самая штыревая антенна, расположенная внутри салона у стекла. Главным недостатком такого решения опять же является снижение ее эффективности из-за экранирующего эффекта металлического кузова. Кроме того, нахождение людей внутри салона приводит к заметному рассогласованию антенны с кабелем и, соответственно, к снижению излучаемой мощности, а в салоне имеется значительное электромагнитное поле, что вредно для здоровья.

Требования к автомобильной антенне:

  1. Высокое значение КПД, исключение экранирующего эффекта кузова, линейные размеры, сравнимые с l/4;

  2. Скрытность и недоступность для повреждения снаружи.

  3. Широкая полоса пропускания, а значит простота в настройке и сохранение своих параметров под действием дестабилизирующих факторов (снег, вода, близко расположенные металлические предметы).

  4. Минимальное влияние на настройку антенны людей и предметов, находящихся в салоне и вокруг автомобиля.

  5. Минимальный уровень поля в салоне.

  6. Питание согласованным коаксиальным кабелем.

Теоретические предпосылки

Из приведенных выше требований ясно вытекает, необходима такая антенна, которая не "преодолевает" металлический кузов, а использует его в своем составе.

И такой класс антенн существует. Это почти неизвестные в гражданской аппаратуре (и широко используемые в военной) щелевые антенны.

Что такое щелевая антенна? Это узкая (0,001...0,02l и длинная (0,1... 1,5 l щель в проводящем экране бесконечных размеров, возбуждаемая в центре.

Для понимания работы таких антенн важное значение имеет принцип двойственности, который гласит, что излучение щели в бесконечном проводящем экране полностью эквивалентно излучению металлической ленты размещенной в свободном пространстве и той же самой длины и ширины, что и щель.

Удобно использовать следующую наглядную аналогию: если весь металл заменить воздухом, а весь воздух щели металлом, то после такой замены эффективность работы антенны не изменится. Такое преобразование называется заменой щели эквивалентной антенной.

Отличие щели от эквивалентной антенны состоит только в величине входного сопротивления и в повороте плоскости поляризации излучения: горизонтальная щель излучает вертикально поляризованную волну.

Конечно, излучение электромагнитной волны в пространство вызывают токи протекающие не по щели, а по окружающему её металлу, а щель только обеспечивает возможность появления этих токов.

Реально металлические поверхности, на которых располагаются щелевые антенны, являются ограниченными по площади неправильной формы, однако возникающие из-за этого изменения не слишком велики, и в большинстве случаев удается найти инженерные решения, пригодные для практики. Такие антенны, например, удачно размещаются на корпусах самолетов, ракет, металлических башен и т.п. Нам осталось только добавить в это ряд автомобиль.

Диаграмма направленности щелевой антенны зависит от следующих факторов: длины и ширины щели, ее формы, размеров экрана. Для качественной оценки приведем следующие замечания: при линейной щели ее ДН обычно двунаправлена аналогично эквивалентному диполю, а если щель имеет загнутые края, антенна получается слабонаправленной без резко выраженных минимумов и максимумов в диаграмме направленности.

Использование кузова автомобиля в качестве щелевой антенны

Наша задача сводится к следующему: отыскать в автомобиле конструктивную щель с общей длиной не менее 1,5...3 м (для эффективной работы в диапазоне 20..30 MHz) и обеспечить ее возбуждение. На любом автомобиле таких мест можно найти несколько, но желательно, чтобы конфигурация щели была примерно одинакова для разных типов автомобилей, с тем чтобы сама антенна, ее параметры и устройство согласования с кабелем получились бы унифицированными.

Также необходимо свести к минимуму вмешательство в конструкцию автомобиля при выполнении устройства возбуждения щели, потому это лишь теоретически хорошо подключать ВЧ в центре щели, а практически, если для этого надо сдирать краску и сверлить, то на это мало кто пойдет.

С учетом вышесказанного выбрана щель между крышкой багажника (ВА3 2101-2107 и аналогичные) или задней дверью (ВА32108, 2109, АЗЛК2141 и аналогичные) и кузовом автомобиля. Для обеспечения возбуждения необходимо произвести изоляцию фиксатора замка багажника как показано на рисунке 1.

3-4-1.gif (4456 bytes)

При этом входными точками питания щели служат штатные болты крепления фиксатора замка багажника, вкручиваемые в кузов (корпусной вывод), и изолированный с помощью дополнительных прокладок от болтов крепления фиксатор замка, имеющий механический и электрический контакт с замком багажника и с крышкой багажника (сигнальный вывод).

Эта конструкция очень напоминает изоляцию металлических транзисторов и болтов их крепления от радиатора, и не представляет трудности для радиолюбителя. Конкретный способ изоляции может быть и иным (в зависимости от конструктивных особенностей автомобиля), главное - обеспечить разрыв электрического замыкания через замок багажника, и обеспечить возможность подключения туда проводов. Один провод должен идти крышке багажника, другой - к корпусу кузова.

Обратите внимание, это щелевая антенна, поэтому крышка багажника не только не должна быть изолирована от кузова в своих поворотных петлях, а напротив должна иметь там качественный электрический контакт. Если такового нет или есть, но плохой (старые петли с ржавчиной), то надо проложить гибкую шину, соединяющую крышку багажника в петлях с корпусом (примерно такую же гибкую перемычку из толстой оплётки экранированного провода, которая устанавливается для снижения помех от зажигания). Причём такие перемычки надо установить в двух местах - по одной около каждой петли.

Всё, механическая часть работ по изготовлению антенны завершена. Осталось только подключить к лепесткам коаксиальный кабель и заняться измерениями. На рисунках 2 и 3 показаны экспериментальные зависимости КСВ от частоты для некоторых автомобилей.


Рис.2
"Москвич" АЗЛК 2142 и "Жигули" ВАЗ 2109 имеют почти совпадающий первый резонанс около 65 МГц (на этой частоте размеры автомобиля составляют около половины волны). Третья гармоника отличается более существенно, т.к. на нее сильно влияет форма автомобиля.

3-4-3.gif (7060 bytes)
Рис. 3.

Для автомобилей Volvo 240, BAЗ 2104, ВАЗ 2106 и им подобных резонансы лежат выше,  что говорит о том, что возбуждается  в основном не весь кузов, а только зона багажника и прилегающего к нему металла.

Если рабочая частота совпадает с одним из резонансов (минимумов КСВ), то достаточно просто подключить кабель – и антенна готова. Но такое совпадение случается редко. Как правило, входной импеданс щели на рабочей частоте носит комплексный характер, что исключает непосредственное подключение питающего кабеля.

Поскольку размеры щели определяются конструктивными особенностями автомобиля и мы, естественно, не можем их менять, для обеспечения КСВ в кабеле, близкого к 1, используется согласующее устройство (СУ), которое обеспечивает трансформацию комплексного сопротивления щелевой антенны в активное, равное волновому сопротивлению используемого кабеля. СУ размещается непосредственно около точек питания щели. То есть картина практически такая же, если бы имели диполь или штырь  фиксированных размеров - низкий КСВ на резонансных частотах и комплексный входной импеданс на всех остальных. И точно также для возбуждения не на собственной резонансной частоте антенны требуется СУ в точке питания.

В диапазоне 20-30 MHz реактивное сопротивление щели является индуктивным, а активное лежит в пределах 8...15 Ом (последовательный эквивалент). Для согласования с кабелем в данном диапазоне, используется СУ, показанное на рисунке 4.

Широкополосный трансформатор TV1 1:4 (на феррите, обеспечивающий работу при заданной мощности и частоте) согласует сопротивление кабеля 50 Ом с активной частью сопротивления излучения антенны, а конденсаторы C1, C2 обеспечивают компенсацию индуктивной составляющей. Например (это не директива, а именно пример одной из многих возможностей реализации такого трансформатора), при мощности до 10 Вт и частотах 20..40 МГц трансформатор может быть намотан на кольце 200HH или 400НН К10 х 6 х 5 восемью витками скрученной пары проводов ПЭЛ 0,7. Трансформатор перед установкой полезно проверить. Для этого нагрузите его правый по схеме выход (до конденсаторов) на резистор 12...13 Ом и, подав полную мощность от радиостанции проконтролируйте КСВ и нагрев трансформатора. Если КСВ = 1, а сердечник холодный - всё в порядке. Если нет - скорее всего проблема в неудачном сердечнике.

Коробочка с СУ монтируется (на винтах-саморезах) непосредственно у замка багажника. Выход СУ короткой (не более 50...80 мм) и толстой (сечение проводов 1..3 мм2) витой парой изолированных проводов подключается к лепесткам замка багажника.

Указанное значение С2 относится к участку 25...28 MHz, на более низких частотах ёмкость C2 надо увеличивать. Точное согласование достигается единственной подстройкой – конденсатором C2. С кабелем 50 Ом на резонансной частоте КСВ не более 1,3. Полоса щелевой антенны на частоте 27 MHz по уровню КСВ<2 составляет 500..800 kHz. Это СУ обеспечивает хорошее согласование с большинством типов автомобилей.

Возможно в конкретном случае вашего авто (иная конфигурация щели, иная частота) будут проблемы с согласованием. В этом случае можно порекомендовать следующую методику:

  1. Подключить к щели полуволновой отрезок кабеля (электрически полуволновой, с учётом коэффициента укорочения) для нужной частоты. Причем (важно) подключаете его не прямо к лепесткам щели, а именно через ту витую пару (её длину определите сами, исходя их конструктивных возможностей закрепления СУ рядом с замком), которой в дальнейшем будет подключен выход СУ к замку багажника. Индуктивность этой пары - важная составная часть входного импеданса щели (именно эта величина была одним из ноу-хау).

  2. На свободном конце повторителя высокочастотным мостом произвести измерение импеданса, и под эту величину спроектировать СУ. В принципе можно обойтись и без измерений, просто взяв любое настраиваемое СУ нужного диапазона и добиться минимума КСВ.

  3. Сделать по полученным данным фиксированное и маленькое СУ, и установить его у замка багажника.

В диапазоне VHF, в зависимости от частоты СУ может иметь самые разные схемы. В отличие HF диапазона, в данном случае требуется аккуратная индивидуальная подстройка под конкретный тип автомобиля и рабочую частоту. Например, на частоте 144 MHz  полоса по уровню КСВ < 2 составляет 5...7 MHz.

Полученные результаты

В обоих описываемых диапазонах (имеются в виду 27 MHz и 144 MHz) отмечались:

  1. Практически полное отсутствие влияния на параметры щелевой антенны предметов, находящихся в салоне автомобиля (люди, грузы) и вокруг (атмосферные осадки, другие машины, и т.д.);

  2. Низкий уровень напряженности электромагнитного поля в салоне (токи протекают по внешней поверхности и из-за поверхностного эффекта почти не затекают внутрь салона);

  3. Вертикальная поляризация излучения (вспомним: горизонтальная щель, имеет вертикальную поляризацию), что хорошо сочетается с большинством автомобильных антенн, которые также имеют вертикальную поляризацию.

В диапазоне 27 MHz ДН в горизонтальной плоскости близка к эллипсу с небольшим (около 3 dB) максимумом излучения, назад по оси автомобиля. Дальность связи такая же, как со спиральной антенной высотой 20 см или со штыревой антенной высотой 0,6 м с катушкой индуктивности, которые размещались на крыше автомобиля.

В диапазоне 144 MHz ДН в горизонтальной плоскости зависит от типа автомобиля и рабочей частоты и представляет собой сложную много лепестковую структуру без глубоких провалов с небольшим максимумом излучения назад. Дальность связи составляет 35% ... 50% от дальности при использовании l/4 штыря на крыше автомобиля.

Худшие параметры объясняются более близким к земле расположением точек питания антенны и плохой проводимостью железа кузова в этом диапазоне. Для 144 MHz железо кузова проводник совсем плохой - поэтому при больших в длинах волн размерах щели эффективность получается невысокой. Впрочем, если у вас кузов оцинкованный, или лужённый, то эффективность щелевой антенны заметно возрастёт.

Используя описанные принципы, при соответствующем выборе точек подключения к кузову и схемы СУ можно обеспечить работу кузова автомобиля любой марки как резонансной антенны в любой точке диапазона 20...200 MHz. Конечно эффективность такой антенны уступает штырю на крыше, но в случаях, когда важна скрытость антенны, кузов - лучшее решение.



На главную - Main page