Об антеннах, коаксиальных кабелях и КСВ, по-простому о сложном

Антенна - устройство преобразующее колебания электрического тока в волну электромагнитного поля (радиоволну) и обратно.

Антенны обратимые устройства, то есть как антенна работает на передачу, так она будет работать и на приём, если работает эффективно на приём то будет работать хорошо и на передачу.

Фидер - кабель соединяющий радиостанцию с антенной.
Кабели бывают разного волнового сопротивления и разной конструкции.
Так как в радиостанциях гражданского диапазона выходное/входное сопротивление 50 Ом и несимметричный выход, то нам подходят в качестве фидера коаксиальные кабели с волновым сопротивлением 50 Ом, например: РК 50-3-18 или RG 8 или RG 58.
Не нужно путать волновое сопротивление и омическое. Если тестером померить сопротивление кабеля то тестер покажет 1 Ом, хотя волновое сопротивление у этого кабеля может быть 75Ом.
Волновое сопротивление коаксиального кабеля зависит от соотношения диаметров внутреннего проводника и внешнего проводника (у кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом центральная жила толще чем у 75-ти Ом-ного кабеля того же внешнего диаметра).

КСВ - коэффициент стоячей волны, то есть соотношение мощности которая идёт по кабелю до антенны и мощности, которая возвращается по кабелю отражаясь от антенны в связи с тем, что её сопротивление не равно сопротивлению кабеля.
Да, высокочастотное напряжение ходит по проводам не так как постоянный ток, оно может отражаться от нагрузки, если нагрузка или кабель не того волнового сопротивления.
КСВ показывает качество передачи энергии из радиостанции в антенну и обратно, чем меньше КСВ тем лучше согласована радиостанция с фидером и антенной. КСВ не может быть меньше 1.
КСВ не показывает эффективность антенны и на какой частоте она эффективнее работает. Например, КСВ будет 1, если на конце кабеля подключен резистор 50 Ом, но на резистор вас никто не услышит и вы никого на него не услышите.

Как работает антенна?

Переменный ток, как известно, меняет свою полярность с некой частотой. Если речь идёт от 27Мгц, то значит 27 миллионов раз в секунду полярность (+/-) у него меняются местами. Соответственно 27 миллионов раз в секунду электроны в кабеле бегут то слева на право, то справа на лево. Учитывая, что электроны бегают со скоростью света 300 миллионов метров в секунду, то для частоты 27 мегагерц до смены полярности тока они успевают пробежать лишь 11 метров (300/27), а потом возвращаются обратно.
Длина волны - расстояние, которое пробегают электроны до тех пор, пока их потянет обратно сменившейся полярностью источника.
Если к выходу радиостанции мы подключим кусок провода, другой конец которого просто висит в воздухе, то в нём и будут бегать электроны, бегающие электроны создают вокруг проводника магнитное поле, а на его конце электростатический потенциал, которые будут меняться с частотой, на которой работает радиостанция, то есть провод создаст радиоволну.
Минимальное расстояние, которое должны пробегать электроны, что бы шло эффективное преобразование переменного тока в радиоволну и радиоволны в ток равно 1/2 длины волны.
Так как любой источник тока (напряжения) имеет два вывода, то получается минимальная эффективная антенна состоит из двух кусков провода длиной по 1/4 длины волны (1/2 делить на 2), при этом один кусок провода подключен к одному выводу источника (выходу радиостанции), другой в к другому выводу.
Один из проводников называют излучающим и подключают к центральной жиле кабеля, другой "противовесом" и подключают к оплётке кабеля.
* Если расположить 2 куска провода каждый длиной 1/4 длины волны, один над другим, сопротивление такой антенны будет примерно 75 Ом, кроме того, она будет симметричная, то есть напрямую коаксиальным (не симметричным) кабелем её подключать не очень хорошая идея.

Стоп, как же работают тогда укороченные антенны (например 2 метра на 27МГц) и антенны состоящие только из штыря на автомобиле?
Для штыря на машине - штырь это первый кусок провода ("излучатель"), а кузов машины второй провод ("противовес").
В укороченных антеннах часть провода скручена в катушку, то есть для электронов длина штыря равна 1/4 длины волны (2 метра 75 см на 27МГц), а для хозяина штыря всего 2 метра, остаток находится в катушке, которая спрятана от непогоды в основании антенны.

Что будет, если к радиостанции подключить очень короткие или очень длинные провода в качестве антенны?
Как уже говорилось выше, волновое сопротивление выхода/входа радиостанции 50 Ом, соответственно антенна, являющаяся для неё нагрузкой, должна иметь тоже сопротивление 50 Ом.
Провода короче или длиннее 1/4 длины волны будут обладать другим волновым сопротивлением. Если провода короче, то электроны будут успевать добежать до конца провода и хотеть бежать дальше, прежде чем их потянет обратно, соответственно они уткнуться в конец провода, поймут что там обрыв, то есть большое, бесконечное сопротивление и сопротивление всей антенны будет большим, тем больше, чем провод короче. Слишком длинный провод тоже будет работать не правильно, его сопротивление тоже будет выше, чем нужно.
Электрически короткую антенну сделать эффективной невозможно, она всегда проиграет электрической длине 1/4, электрически длинная антенна требует согласования по сопротивлению.
* Разница "электрически короткой" от "физически короткой" в том, что можно скрутить в катушку провод достаточной длины, при этом физически катушка будет не такой длинной. Такая антенна будет достаточно эффективна, но на малом числе каналов и в любом случае проиграет штырю длиной 1/4 длины волны.
Ещё важно понимать, что от того, под каким углом друг к другу находятся проводники антенны, излучатель и противовес, тоже зависит не малое - её направленность (направление её излучения) и её волновое сопротивление.

Так же есть такое явление как коэффициент укорочения антенны, это явление связано с тем, что проводники имеют толщину, а конец проводника ёмкость к окружающему пространству. Чем толще проводник антенны и чем выше частота на которой должна работать антенна, тем больше укорочение. Так же чем толще проводник из которого сделана антенна, тем она широкополоснее (больше каналов перекрывает).

Направленные антенны и поляризация излучения

Антенны бывают:
+ С горизонтальной поляризацией - проводники антенны расположен горизонтально;
+ С вертикальной поляризацией - проводники расположены вертикально.
Если попытаться принимать на антенну с вертикальной поляризацией сигналы передаваемые антенной с горизонтальной поляризацией, то будет проигрыш в 2 раза (3дБ) по сравнению с приёмом на антенну той же поляризации как и передающая.

Кроме того, антенны могут быть:
+ Направленные - когда излучение и приём волн идёт в неком одном или нескольких направлениях.
+ Не направленные (с круговой диаграммой направленности) - когда радиоволны излучаются и принимаются равномерно со всех направлений.

Пример: вертикальный штырь имеет круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, то есть одинаково излучает и принимает радиоволны от источников вокруг себя.

Что такое усиление антенн?

Если речь идёт именно об усилении антенны, а не об усилителе подключенном к антенне и требующим проводов питания, то усиление антенны, это её способность концентрировать радиоволны в некоторой плоскости или направлении, туда, где находятся желаемые для связи корреспонденты.
Например, вертикально расположенные два штыря по 1/4 длинны волны (вертикальный диполь), излучают равномерно по кругу, но это если смотреть сверху на него, а если сбоку, то окажется что часть энергии излучается в землю, а часть в космос. Коэффициент усиления диполя равен 0 dBd. В земле и в космосе для нас нет полезных сигналов, соответственно путём изменения конфигурации диполя (удлинив одну его часть до 5/8 длины волны) можно добиться, что излучение сосредоточится в горизонте, а в космос и в землю будет излучаться мало, усиление такой антенны составит примерно 6 dBd.

Если вам интересно узнать в подробностях как работают антенны, фидеры, увидеть полные формулы, почитайте книгу: К.Ротхаммель Антенны.

Напомним главное:

Длина волны = 300 / частота канала связи

Минимальная длина эффективной антенны = длина волны / 2

Чем толще проводники из которых сделана антенна, тем больший вклад вносит коэффициент укорочения в её длину.

КСВ показывает качество передачи энергии от радиостанции в антенну, но не показывает эффективность антенны.

Теперь на примерах:
300 / 27,175 = 11 метров 3 сантиметра длина волны.
Вся антенна для эффективной работы должна иметь длину 5 метров 51 сантиметр, соответственно штырь будет иметь длину 2 метра 76 сантиметров.
С учётом К_укорочения для штыря из трубки диаметром 20мм длина штыря будет примерно 2 метра 65 сантиметров.

Какие антенны обычно применяют на гражданском диапазоне

Антенна 1/4 ГП ("гэпэшка" или "четвертушка")

Штырь длиной 1/4 длины волы с учётом К_укорочения и 3 "противовеса" ("других провода") длиной так же 1/4 длины волны, расположенные под углом 135 градусов к штырю и между собой 120 градусов.

Антенна 1/2 ("полуволновка")

Штырь длиной 1/2 длины волны с согласующей катушкой снизу, всё закрепляется на мачте длиной не менее 1/4 длины волны.

Антенна 5/8 ("пять восьмых")

Штырь длиной 5/8 длины волны с удлиняющей его до 3/4 катушкой, так же применяются от 3 до 6 противовесов длиной 1-1,5 метра.

Укороченные автомобильные антенны

Схематичное изображение укороченной автомобильной антенны

Штырь на врезном или магнитном основании, внутри которого установлена удлиняющая катушка, дополняющая его электрическую длину до 1/4. Противовесом является кузов автомобиля, который подключен или напрямую (для врезных антенн) или через ёмкость конденсатора образуемого магнитом основания и поверхностью кузова.

На высокочастотных диапазонах, таких как LPD и PMR обычно применяют гэпэшки или 5/8, даже в автомобиле и в носимом варианте, в базовом варианте применяют коллинеарные антенны (антенные системы из электрически и механически связанных между собой нескольких антенн 1/2 или 5/8, что позволяет достигать К_усиления антенны 10 dbi и более, то есть сжимать излучение в тонкий горизонтальный блин).

Автор статьи:

250 из Новосибирск (Новосибирская обл)