Так как мой старый сайт больше не работает, перенес сюда перевод статей Pieter-Tjerk de Boer, PA3FWM
Fundamentals of the MiniWhip antenna
Grounding of MiniWhip and other active whip antennas
Самой известной активной антенной для диапазонов СДВ, ДВ и КВ является антенна MiniWhip, разработанная PA0RDT [1]. Много идей и мифов было написано о том, как работает эта антенна. В этой статье я постараюсь пролить свет на это, с помощью некоторых элементарных теоретических выкладок.
Антенна MiniWhip
На загалвном рисунке показана типичная схема установки MiniWhip. Она состоит из мачты, высотой несколько метров, в идеале в открытом пространстве. Наверху установлена маленькая металлическая пластина и усилитель, которые помещены вместе в пластиковый корпус. Фактически, это и есть антенна MiniWhip. Коаксиальный кабель проходит от MiniWhip вниз по мачте к приемнику. Сейчас мы предполагаем, что мачта сделана из металла и заземлена, но позже мы рассмотрим случай если мачта — диэлектрик. Усилитель по сути является истоковым (эммитерным) повторителем с очень высоким входным сопротивлением для того, чтобы не нагружать металлическую пластину, и низким выходным сопротивлением, чтобы иметь возможность передать достаточную мощность через 50 (75) Омный коаксиальный кабель к приемнику [1,2,3]. Идея заключается в том, что металлическая пластина «измеряет» (делает пробу) электрическое поле в месте установки, и передает результат по коаксиальному кабелю в приемник.
Принцип работы и электрическое поле
Давайте сделаем следующие предположения: высота мачты мала по сравнению с длиной волны, и сигнал приходит с вертикальной поляризацией. Это разумно, так как MiniWhip часто используют в качестве антенны для СДВ и ДВ диапазонов (с длинами волн в сотни метров), и эти сигналы имеют преимущественно вертикальную поляризацию (из-за влияния близко расположенной проводящей земли). На более высоких частотах КВ диапазонов, эти предположения становятся менее реалистичными, хотя это больше зависит от высоты мачты.
Вертикально поляризованный радиосигнал создает в районе антенны вертикальные силовые линии электрического поля, и, как следствие, образуются эквипотенциальные поверхности (поверхности, на которых потенциал поля, относительно земли, везде одинаков). Металлическая пластина в MiniWhip будет обладать таким же потенциалом, как и потенциал эквипотенциальной поверхности, пересекающей её.
Тем не менее усилитель в MiniWhip подключен не только к металлической пластине, но также и к земле, то есть к заземленной мачте. Если быть более точным: усилитель измеряет разницу потенциалов между пластиной и мачтой, преобразует это, и передает ту же разность потенциалов в пространство между экраном и центральным проводником коаксиального кабеля. Отсюда следует очень важный вывод — сигнал, который попадает в приемник, есть не что иное, как разница потенциалов между пластиной и мачтой.
Насколько велика эта разность потенциалов? Простейшие рассуждения говорят нам о том, что пластина имеет тот же потенциал, что и поле в нескольких метрах над землей (высота мачты), а сама мачта имеет потенциал земли (так как её нижний конец заземлен). Тем не менее это упрощение. Если вся мачта имеет потенциал земли, то все высшие эквипотенциальные поверхности не могут пересечь ее, и, следовательно, должны будут исказиться.
Рисунок показывает, как эти искаженные поверхности могут выглядеть (построен с помощью компьютерного расчета уравнений Максвелла). Черная линия внизу обозначает землю. Над ней показана мачта, и металлическая пластина, которые окрашены также в черный цвет. Красные линии — это эквипотенциальные поверхности. Каждая из этих линий соответствует определенному потенциалу относительно земли, выраженному в вольтах. Земля и мачта находятся на первом уровне, скажем, 0 В. Самая низкая красная линия могла бы быть, например, 1 мкВ, следующий 2 мкВ, и так далее.
Вдали от мачты эквипотенциальные линии (поверхности) почти горизонтальны, что характерно для вертикально поляризованного электрического поля. Вокруг мачты они искажены, так как вся мачта обладает нулевым потенциалом. Также линии искажены и вокруг металлической платины, поскольку потенциал на проводнике одинаков в любой его точке. Но на самом деле, искажения не слишком велико. Потенциал на металлической пластине практически равен потенциалу поля вдалеке от мачты и антенны. Дальнейшие расчеты показывают, что искажения уменьшаются по мере того как мачта становится тоньше.
Диэлектрическая мачта
Что делать, если мачта диэлектрик? Усилитель будет по-прежнему измерять разность потенциалов между плюсом и «землей» схемы усилителя. Если мачта диэлектрик, то единственное, что подключено к цепи заземления является оплетка коаксиального кабеля. В этом случае разность потенциалов будет измеряться между пластиной и оплеткой. Если оплетка кабеля прочно соединена с землей где-то дальше, антенна будет работать так же, как и в случае с заземленной мачтой. Но если оплетка не заземлена и идет в помещение, где соединяется с «плохой» земле (например, заземление сети 220 В), тогда весь шум от «плохой» земли будет проникать на вход усилителя, и, таким образом в конечном итоге и в сам приемник. Отсюда важность хорошего заземления!
Тут может возникнуть идея — заменить коаксиальный кабель на оптоволоконный. Это позволило бы устранить все шумы, поступающие в приемник через оплетку коаксиального кабеля. Но без электрического соединения усилителя с внешней стороной оплетки, весь контур будет иметь тот же потенциал, что и металлическая пластина, так что принимаемый полезный сигнал не будет вызывать разность потенциалов на входе усилителя, и, соответственно, сигнал не будет передан в приемник. И как итог — ничего не будет слышно. Автор идеи и создатель MiniWhip PA0RDT недавно опробовал оптоволоконный кабель на практике и сообщил об этом в рефлектор RSGB клуба. Его вывод — такой вариант не принимает ничего.
Поляризация
Еще один интересный эксперимент был проведен PA0RDT. Он разместил антенну не на вертикальной трубе на земле, а на горизонтальной, высунутой из окна, с коаксиальным кабелем, расположенным также горизонтально. Он сделал это таким образом, что металлическая пластина в любом положении мачты остается на одном и том же месте в пространстве, и заметил, что прием вертикально поляризованного сигнала СВ радиостанции был одинаково сильным, как с горизонтальным, так и с вертикальным расположением мачты. На первый взгляд, это говорит о том, что антенна не поляризована: прием тот же самый, даже если вся установка была повернута из вертикального в горизонтальное положение.
Тем не менее, это ошибочное заключение. Усилитель по-прежнему измеряет разность потенциалов между пластиной и мачтой (если проводящая и заземлена) или оплеткой коаксиального кабеля (которая где-то заземляется хорошей системой противовесов). Таким образом, разность потенциалов измеряется между пластиной (а она на одном и том же месте) и землей (положение которой тоже не изменилось), так что можно ожидать, что результирующий сигнал на входе приемника будет одинаков. Идет ли оплетка (заземление) вертикально вниз, или принимает частично горизонтальное положение — не имеет значения, до тех пор, пока длина горизонтальной части проводящей мачты или оплетки кабеля мала по сравнению с длиной волны.
Плата или провод
Большинство активных электрических антенн, используйте не металлическую пластину, а провод длиной около 1 метра. Плата или провод не имеет никакой существенной разницы. Длина такого провода в большинстве случаев будет мала по сравнению с длиной волны. Для определенности возьмем середину провода, то есть точку на полметра выше, чем мачта. Средний потенциал, наведенный электрическим полем в этой точке, будет мало отличаться от потенциала, наведенного в металлической пластине, расположенной наверху мачты. Эти полметра дополнительной высоты вряд ли повлияет на разность потенциалов в этих точках на землю.
Тем не менее есть еще одно важное отличие, а именно емкость пластины и провода. Провод имеет емкость 10 пФ на метр длины, слабо зависящую от его толщины. Круглая металлическая пластины имеет емкость около 0,35 пФ на каждый сантиметр диаметра. Я не нашел формулу для прямоугольной пластины, но форма не должна сильно влиять, так что типичный MiniWhip имеет около 2 пФ емкости пластины. Значение этой емкости важно, потому что вместе со входной емкостью усилителя образуется емкостной делитель напряжения. Чем меньше емкость пластины или провода, тем меньшее напряжение попадает на вход усилителя.
Направленность
Прежде чем мы сможем сказать что-нибудь о направленности данной антенны, хорошо бы иметь более точное определение, что такое «направление» радиосигнала. На рисунке показана вертикально поляризованная передающая антенна, а также электрические и магнитные силовые линии, производимые ею на большом расстоянии (так называемое дальнее поле). Мы видим, что электрические силовые линии вертикальны, что не удивительно, так как электрическое поле обусловлено тем, что, верхняя половина диполя заряжается положительно, а нижняя половина отрицательно (или наоборот). Мы также видим, что магнитные силовые линии горизонтальны, образуя большой круг вокруг антенны; это ожидаемо, так как мы знаем, что силовые линии магнитного поля образуют круги вокруг токопроводящей проволоки.
На рисунке также показан так называемый вектор Пойнтинга. Он названа в честь английского физика Дж. Пойнтинга, а точки на рисунке указывают направление, в котором распространяется радиоволна. Математически направление задается как результат сложения электрического и магнитного векторов поля. Направление вектора Пойнтинга (направление распространения радиоволны) может быть определено по правилу левой руки — левую руку располагают таким образом, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, четыре пальца направлены вдоль силовых линий электрического поля. Отогнутый на 90 гр. большой палец укажет направление вектора Пойнтинга.
Но каким образом антенна может быть более чувствительна к сигналам с одного направления, и менее чувствительна — с другого? Если бы антенна могла реагировать напрямую на вектор Пойнтинга, то все было бы просто. К сожалению, однако, антенны не реагируют на вектора Пойнтинга, а взаимодействуют только с электрическим и (или) магнитным полем.
Один из способов получения направленности у антенны — это измерение фазы сигнала в нескольких точках антенны. По такому принципу, например, работает антенна Яги: сигнал, который приходит из направления «вперед», достигает первого директора раньше, чем вибратора. Однако, для небольших антенн этот принцип не работает, так как антенна мала по сравнению с длиной волны, и сигнал поступает почти одновременно во все точки антенны, и, следовательно, не дает существенной разницы фаз.
Направленность небольших антенн
Для небольшой антенны, единственный способ иметь направленную чувствительность заключается в использовании направления силовых линий электрического и магнитного полей. К сожалению, они не всегда показывают направление, в котором сигнал приходит.
Рассмотрим вертикально поляризованное поле на предыдущем рисунке. Электрические силовые линии в месте приемника всегда вертикальные, независимо от того, слева или справа, спереди или сзади передатчик от антенны. Таким образом, мы не можем определить только из электрического поля, с какой стороны поступает сигнал. (Ну, на самом деле, один вывод мы можем сделать — сигнал поступает горизонтально, а не вертикально сверху. Но, как правило, это не так интересно)
В отличие от электрических, магнитные силовые линии могут кое-что сказать о направлении радиоволны. Если, например, передатчик находится к западу от нас, то магнитные силовые линии распространяются с севера на юг. Если передатчик находится к северу от нас, то магнитные силовые линии закручены с востока на запад. Но это не является однозначным определением направления радиосигнала, так как если передатчик будет к югу от нас, силовые линии магнитного поля будут все также закручены с востока на запад. Другими словами: в случае вертикально поляризованного сигнала, силовые линии магнитного поля могут рассказать нам, с какого направления поступает сигнал, хотя и с неопределенностью в 180 градусов. Этот эффект хорошо известен из портативных радиоприемников ДВ и СВ со встроенной ферритовой стержневой антенной. Такая антенна чувствительна к направлению, но если повернуть на 180 градусов, прием не изменится.
Охотники на лис (спортсмены-радиопеленгаторы) на 80 метровом диапазоне используют ферритовые антенны, которые улавливают направление силовых линий магнитного поля. Чтобы решить 180 градусную неопределенность, эти приемники часто имеют дополнительный антенну — провод длиной около полуметра, который реагирует на электрическое поле. Как отмечалось ранее, электрическое поле ничего не говорит о направлении сигнала, но оно может решить 180 градусную неоднозначность магнитных силовых линий: в зависимости от направления, электрический сигнал приходит в фазе, либо противофазе с магнитным сигналом ,
Хорошим применением описанных принципов является длинноволновый приемник DF6NM [4]. Он использует два магнитные антенн, расположенные под углом 90 градусов, чтобы определить направление сигнала, и электрическую антенну, чтобы решить 180 градусную неоднозначность. Приемник использует эти данные, чтобы воспроизвести дорожку водопада, в котором цвет указывает направление радиосигнала.
Все соображения до сих пор касались только вертикально поляризованных сигналов. Для горизонтально поляризованных сигналов ситуация обратная: линии электрического поля расположены по горизонтали и позволяют выявить направление, в то время как магнитные силовые линии расположены по вертикали и ничего не говорят о направлении сигнала.
Направленность MiniWhip
А что же с направленностью MiniWhip? Мы уже видели, что она реагирует на компоненты электрического вертикально поляризованного сигнала, и что она мала по сравнению с длиной волны. Тогда можно сделать только один вывод — MiniWhip не имеет направленности.
Тем не менее, как минимум одно направленное свойство у MiniWhip есть — она не будет принимать сигналы, поступающие перпендикулярно сверху. Такие сигналы имеют горизонтальные электрические и магнитные силовые линии, таким образом MiniWhip не на что реагировать. Это довольно заметно с моим WebSDR приемником в университете Twente. Иногда голландские пользователи жалуются, что не слышат голландские станций на 80м. Объяснение простое — эти сигналы отражаются от ионосферы и приходят в точку приема почти вертикально.
Некоторые люди полагают, что для того, чтобы принимать сигналы, поступающие почти вертикально, следует установить горизонтальную пластинку, поверх вертикальной в MiniWhip. Это не будет работать: MiniWhip измеряет разность потенциалов между пластиной и землей, и для сигналов, приходящих почти вертикально, эта разница равна 0.
Выводы
Какие выводы мы можем сделать из всей этой теории?
- MiniWhip имеет вертикальную поляризацию.
- Заземление очень важно: если антенна заземлена только в помещении, где она подключается к приемнику с помощью коаксиального кабеля, уровень шума будет очень велик. Кстати, заземление может быть не связано напрямую с реальной землей — большой кусок металла, даже если он не подключен непосредственно к земле, может иметь достаточную емкость, чтобы служить землей.
- Сила принимаемого сигнала прямо пропорциональна высоте антенны над землей
- Мачта из металла или диэлектрика — не важно. Однако, если мачта является проводником, металлическая пластина антенны должна быть установлена выше мачты.
- Антенна MiniWhip — всенаправленная, за исключением сигналов, приходящих почти вертикально.
- Ориентация или форма металлической пластины не имеют значения. Это может быть и просто провод.
Демонстрация измерения потенциала
Все выкладки о эквипотенциальных поверхностях до сих пор были чистой теорией. Тем не менее мы можем провести кое-какие измерения, используя следующую установку:
Мы видим две большие проводящие пластины, между которыми приложено переменное напряжение. Таким образом, между пластинами есть электрическое поле, которое напоминает поле из далекого вертикально поляризованного передатчика. Мы можем сложить, например, кучу металлических банок на нижней пластине, чтобы имитировать мачту. С помощью «зонда» мы можем измерить потенциал в любой точке, или, точнее, мы можем измерить разность потенциалов между землей( в этом случае нижняя пластина) и зондом.
Сам зонда представляет собой металлическую пластину с последующим усилителем с очень высоким входным импедансом. На самом деле, этот усилитель делает то же самое, что и усилитель в MiniWhip. Он не измеряет потенциал в месте нахождения зонда. Он измеряет разность потенциалов с землей, которой является оплетка коаксиального кабеля, соединяющего измерительную головку с зондом.
Входной импеданс этого измерителя (на основе [5]) очень высок. Таким образом, паразитная емкость компонентов, установленных в усилителе, не имеет никакого влияния. На моей схеме я измерил входную емкость, она равна 0,5 пФ. Емкость металлической пластины составляет около 2 пФ в моем случае, следовательно, усилитель не нагружает пластину и практически не влияет своей емкостью на емкость пластины.
Антенна без поляризации?
Как отмечалось выше, это не правда, что MiniWhip не имеет поляризации. Следует отметить в гораздо более общем виде — теоретически невозможно построить антенну, которая не поляризована, то есть, получает горизонтальные, вертикальные, круговые и эллиптические поляризации все одинаково хорошо. Это показано в следующем «мысленном эксперименте»:
Давайте предположим, что у нас действительно антенна, которая не имеет поляризации. Применим для этой антенны сначала поле горизонтальной поляризации, а затем столь же сильное вертикально поляризованное поле. Из-за отсутствия заявленной поляризации у антенны, выход должен быть в равной степени сильным в обоих случаях. Затем применим оба сигнала одновременно. Теперь выходной сигнал антенны должна быть сумма двух отдельных сигналов. Наконец, изменим фазу одного из двух сигналов, так чтобы два сигнала на выходе находились в противофазе: тогда они будут компенсировать друг друга, потому что они имели одинаковую величину. Теперь мы подадим на антенну сигнал, являющейся смесью горизонтально и вертикально поляризованных сигналов с некоторой разностью фаз — так называемый эллиптически поляризованный сигнал. И антенна не реагирует на него. Это означает, что первоначальный предположение о том, что антенна была одинаково чувствительны ко всем поляризациям, неправильно!
Заземление MiniWhip и других активных штыревых антенн
Выше я объяснил, как антенна MiniWhip работает, и почему так важно иметь хорошее заземление. Можно также порассуждать о том, как этого добиться.
На рисунке показана типичная установка MiniWhip. Мачта заземлена, но заземление не является идеальным, поэтому и показан синий резистор. Справа в помещении стоит приемник. В помещении, часто много источников шума, таких как, например, электротехническое заземление сети 220В. Источники шумов представлены красным цветом.
Как было объяснено выше, MiniWhip «принимает» разность потенциалов между ее металлической пластиной и ее заземлением. Таким образом нам нужно как можно лучшее заземление, которое не позволит появиться красным линиям — источникам локального шума. На рисунке показано, что существует делитель напряжения, образованный внутренним сопротивлением источника шума (красный), и сопротивлением заземления мачты (синий). Когда первое становится больше, и/или последнее становится меньше, меньшее напряжения шума заземляется на мачте, то есть как можно ближе к MiniWhip.
Что можно сделать, чтобы улучшить ситуацию? Во-первых, конечно, улучшение заземления самой мачты, или, если мачта диэлектрическая, заземление оплетки кабеля, идущего к антенне. Красный резистор от источника шума является второй половиной делителя напряжения, но, как правило, на него труднее повлиять. Другим вариантом решения проблемы является установка запирающего дросселя на кабель, идущий к антенне. Такие дроссели часто используются в качестве балунов, и главным критерием является то, что сопротивление должно быть высоким по сравнению с 50 Ом. В нашем же случае важно не сопротивление дросселя по сравнению с сопротивлением кабеля, а по сравнению с сопротивлением заземления мачты. Если мачта не заземлены, запирающий дроссель не поможет.
При установке MiniWhip для нашего WebSDR приемника в Университете Twente, нам повезло. Во-первых, крыша здания полностью из металла, который представляет собой идеальную землю и избавляет нас от многих источников шума в здании. Во-вторых, мы смогли подключить заземление антенны к этому крышей. В-третьих, ситуация оказалась такой, что был нужен кабель большой длины, чтобы завести его в помещение нашей радиостанции. уже сам по себе длинный кабель обладает большой индуктивностью, а к тому же у нас он оказался расположен вдоль металлической крыши и стены, образовав таким образом большую емкость на землю. Получился простейший фильтр нижних частот, который ослабляет шумы от помещения в кабеле, идущем к антенне.
Ссылки
[1] De pa0rdt-Mini-Whip, een actieve ontvangantenne voor 10 kHz tot 20 MHz, PA0RDT, Electron 5/2006.
[2] http://pi4utr.nl/wp-content/uploads/download/pa0rdt_whip.pdf
[3] Technische notities van PA3FWM, Electron 3/2010.
[4] http://df6nm.de/ColourDF/ColourDF.htm
[5] AN-32 FET Circuit Applications, Texas Instruments.
[6] Active Reception Antennas, Observations, Calculations and Experiments; Detlef Burchard, VHF Communications 2/96 (and UKW-Berichte 4/94).
