О размерах, согласовании и ближнем поле приемных НЧ-антенн.

Прием около источников помех

В этой статье анализируется ситуация приема на НЧ, когда основные помехи дают близко (в пределах нескольких десятых длины принимаемой волны) расположенные около антенны источники помех. Причем их много и они распределены в пространстве. Например, дом набитый импульсными источниками питания, лампочками с импульсными же преобразователями (экономичные, светодиодные, и т. п.) и компьютерными сетями.

В таких условиях важную роль играет размеры и форма ближней (реактивной) зоны антенны.

На следующем рисунке показана типичная картина: полуволновой диполь Inverted V диапазона 160 м на крыше 5-ти этажного дома. Заштрихована ближняя (реактивная) зона этой антенны. Конечно, на самом деле эта зона не имеет границ, а плавно переходит в дальнюю, но в данном случае сознательно упрощаю, изображая её с резкими границами.

Что мы видим из этого рисунка?

Полезный сигнал (здесь и далее он предполагается идущим очень издалека и постоянным по уровню) антенна, конечно, примет.

А как она примет источники помех (обозначены цветными точками)? Ближняя зона антенны занимает большой объем пространства. Именно это определяет высокий КПД на передаче (ведь на самом деле радиоволну излучает не антенна, а возбужденное пространство ближней зоны вокруг неё. Антенна только "накачивает" энергией это пространство.)

Но именно из-за большого размера ближней зоны в нее в данном примере попадают источники помех. На первый взгляд это страшно не очень: источники ведь есть и мы их в любом случае примем вместе с полезным сигналом. Но вопрос с каким уровнем относительно сигнала?

Если вспомнить что напряженность поля реактивной зоны резонансной антенны возрастает в Q (добротность антенны) раз, то всё получается гораздо хуже. Для приёма это означает, что любой источник помех, расположенный внутри ближней зоны, даст на входных клеммах антенны сигнал в Q раз больше, чем если бы он находился за её пределами. А для полноразмерного диполя Q = 7 ... 10. Поэтому в ситуации вышеприведенного рисунка вы услышите местные источники помех почти вдесятеро сильнее, чем если бы они находились сразу за границей ближней зоны. Иначе говоря: ближняя зона резонансно усиливает источники помех, расположенные внутри неё.

Выход – уменьшить размер ближней зоны. То есть уменьшить антенну.

В довольно грубом (но достаточном для оценочных прикидок) приближении для антенн короче полуволны можно считать, что радиус ближней зоны в длинах волны равен квадрату максимального габарита антенны. То есть для для полноразмерной 0,5λ антенны R ≈ 0,52 = 0,25λ; укороченной вдвое 0,25λ антенны R ≈ 0,252 = 0,0625λ и т.п. Вектором с этим радиусом R обводится вся антенна во все стороны – получается примерное положение и размеры ближней зоны.

Хорошо, уменьшим антенну. Используем на диапазоне 160 м вдвое укороченный диполь (от диапазона 80 м, но мы настроили его катушками в точке питания в резонанс на 160 м).

Тут ситуация выглядит гораздо лучше. Из-за меньших размеров антенны и меньшего радиуса ближней зоны в нее почти перестали попадать местные источники помех. Только два из них цепляет край ближней зоны. А принимает антенна всё тот же полезный сигнал.

Значит стало всё совсем хорошо? Не совсем. Объем ближней зоны мы, конечно, уменьшили. Но, для того, чтобы антенна сохранила эффективность и на передачу, мы настроили её в резонанс. А добротность укороченных антенн много выше, чем полноразмерных. Так что хотя теперь в ближнюю зону попадают краями только два источника помех, но слышим мы их сильнее настолько, насколько выросла добротность, т.е. в 2...3 раза, чем слышали их на полноразмерной. Правда все остальные источники помех мы слышим без резонансного усиления ближней зоной, поэтому скорее всего выиграем на приёме.

То есть две проблемы:

  1. Добротность ближней зоны. Чем она выше - тем хуже (для приема местных помех). Добротность приемной антенны надо снижать.

  2. Размер ближней зоны. Точнее, расстояние от ее краев до источников помех. Понятно, что чем меньше её размер и больше расстояние до источников помех - тем лучше. Важный нюанс: расстояние до источников помех считается не от антенны, а от краев ее ближней зоны (поэтому-то важно уменьшать ближнюю зону приемной антенны).

Первый пункт реализуем сравнительно легко.

В простейшем случае можно использовать расстроенную антенну другого диапазона. Например, на предыдущем рисунке не настраивать диполь диапазона 80 м в резонанс на 160 м, а использовать его как есть. Размеры ближней зоны при этом не изменятся (это характеристика конструктива антенны). Но добротность сильно расстроенной антенны от другого диапазона резко снизится. Конечно, при этом сильно упадет ее усиление как на передачу, так и на прием. Но передавать мы будем другой антенной, а уровень эфирных шумов на НЧ столь велик, что даже антенны с отрицательным усилением дают уровень, достаточный для приема. Но из-за снизившейся добротности такая антенна будет меньше, чем резонансная, усиливать источники помех, попавшие в её ближнюю зону.

Этот механизм ответственен за вроде бы странные случаи, когда слабые сигналы на 160 м лучше слышны (читай: получается бо́льшее отношение полезный сигнал/местные помехи) на антенны других диапазонов, на 160 м явно сильно расстроенные.

Более очевидный путь снижения добротности приемной антенны: сделать ее апериодической, с резистором нагрузки, много бо́льшим сопротивления излучения. Это снизит добротность до 1 и исключит эффект усиления местных помех ближней зоной. Правда это же самое существенно снизит усиление антенны, но как говорилось выше, на НЧ это не страшно. Поэтому разного рода нагруженные на большой резистор рамки ( "флаги", "вымпелы", двойные "флаги", антенны Бевереджа) широко используются как приемные НЧ антенны.

Чтобы полностью исключить эффект резонансного усиления ближней зоной антенны местных помех, надо, чтобы в эту зону вообще бы не попадали источники помех . Сделать это можно двумя способами.

Первый очевидный – отодвинуть полноразмерную антенну подальше от источников помех (лучше всего - в деревню). Это хорошо, но редко выполнимо на практике.

Второй – уменьшить ближнюю зону так, чтобы в нее ничего, кроме питающего кабеля не попадало бы. То есть сделать маленькую антенну и приподнять её над крышей на высоту бо́льшую, чем радиус ближней зоны. Такая ситуация показана на следующем рисунке.

Тут ситуация гораздо лучше, чем на двух предыдущих рисунках. В ближнюю зону приемной рамки не попадает ничего из местных источников. А если что и попадет, то почти не усилится из-за низкой добротности апериодической антенны.

Значит всё хорошо и улучшать больше нечего? Не совсем. Раз мы вышли из ближней зоны, то в дальней напряженность поле падает пропорционально расстоянию. Поэтому имеет большой смысл удалять приемную антенну от источников помех. В рассматриваемом примере многоэтажного дома это означает – поднимать повыше.

Пример. Приемная рамка "двойной флаг", с радиусом ближней зоны 1,6 м имеет нижний пролёт над крышей 1 м. Техэтаж дома высотой 2 м, источник помех - экономичная лампа на потолке верхнего этажа. Расстояние от этой лампы до нижнего провода антенны около 3 м. Поднимем нашу рамку на 3 м вверх. Расстояние до источника помех удвоилось, поэтому мы принимаем его вдвое тише. А если задрать нижний пролёт приемной рамки до 7 м над крышей, то мы втрое снизим уровень помех от этой лампы.

Важное замечание. Не имеет смысла использовать маленькую приемную антенну (например, ферритовую) внутри помещений. Она оказывается окруженной местными источниками помех и даже если они не попадают в ее ближнюю зону (а это часто не так, см. заключительное замечание статьи), то оказываются настолько близко к антенне, что их уровень оказывается слишком большим. Такая плохая ситуация показана на следующем рисунке.

Выводы

Чтобы минимально принимать локальные источники помех, приемная антенна НЧ диапазонов должна:

  1. Иметь минимальные размеры (и, соответственно, малую ближнюю зону). Настолько малые, насколько еще позволяет чувствительность входного усилителя (уровень удаленных эфирных шумов на выходе антенны должен хотя бы в 2...3 раза превышать собственные шумы усилителя). Чтобы меньше ловить паразитные сигналы кабелем, хороший усилитель желателен прямо на антенне.

  2. Иметь минимальную добротность, например апериодическая. Этот пункт может вступать в противоречие с предыдущим: совсем маленькая антенна (например, ферритовая) обязана иметь высокую добротность, чтобы достичь приемлемой эффективности. В случае такого противоречия преимущество первому пункту - малые размеры важнее низкой добротности.

  3. Быть максимально удаленной от местных источников помех. Для случая многоэтажного дома это означает подъем максимально вверх (например, ферритовая антенна, поднятая на верх мачты ВЧ Уда-Яги). Для одноэтажного сельского дома – максимальный вынос в сторону от дома.

 

Заключительное замечание. Выше мы предполагали источники локальных помех точечными. На самом деле они таковыми не являются. Это ведь тоже антенны (например, импульсный блок питания + подключенный к нему шнур и провода сети 220 V дома, или сетевая карта компьютера + подключенные к ней плохо экранированные провода LAN). Следовательно, правильнее говорить не о точеном источнике помех, а о его ближней зоне. А она, если к нему подключены длинные провода, может быть достаточно большой. Поэтому имеет смысл рассматривать весь дом, как покрытый сплошной пеленой помех (т.е. пересекающимися ближними зонами от источников локальных помех) и уводить ближнюю зону своей приемной антенны подальше от этой грязи.



03.02.2013 Bonn

На главную - Main page