Что такое ЕН емкостная антенна, было рассмотрено в различных статьях, опубликованных на этом сайте.
Одно из главных отличий ёмкостной ЕН антенны от других, является её малые геометрические размеры. Есть и другие отличия, но,
на мой взгляд, это отличие - оно из главных.
Вспоминаю наши обсуждения параметов различных антенн с К.П. Харченко. Вспоминаю как он рассказывал, сколько раз приходилось
поднимать вертолет с аппаратурой, для измерения диаграмм направленности антенн в вертикальной плоскости. Почему это так сложно?
Можно наверное представить, что для определения диаграммы направленности необходимо знать уровни сигнала (поля) в различных точках
сферы, окружающей испытываемую антенну... а этих точек бесконечно много. В те времена, не имея компьютерных моделировщиков
Электро Магнитного Поля (ЭМП), приходилось замерять практически уровни полей в этой сфере пространства.
Другое дело когда, в настоящее время, мы имеем компьютерные прораммы - электродинамические моделировщики ЭМ полей
(например: Ansoft Designer, HFSS, FEMM, Elcut и д.р.) и можем не отходя от компьютера смоделировать ЭМП от антенны и как в
PhotoShop`e "взяв пипетку" измерить уровень ЭМП в любой точке простанства, окружающего антенну.
Кроме того, в моделировщике, практически "на лету" можно изменять геометрические размеры антенны (не забываем, что в емкостной
ЕН антенне размеры антенны напрямую не привязаны к частоте) и оценивать полученный результат, тем самым, оптимизируя параметры антенны!
Почему необходимо использовать электродинамический моделировщик, а не просто моделировщик антенн (например MMANA)? Чем отличаются
электродинамические моделировщики от просто моделировщиков антенн? На самом деле всё просто. В электродинамическом моделировщике
можно рассчитать параметры (и поля) как утюга, электродвигателя, полосковой СВЧ линии или любой антнны! Сравните, например, как
в моделировщике антенн (MMANA) смоделировать утюг и его поля?
Кстати, несколько лет назад в электродинамическом моделировщике "Ansoft Designer" были смоделированы параметры ЕН антенны на диапазон 14 МГц
и полученные параметры, сравнены с натуральными параметрами физической ЕН антенны на 14 МГц, измеренными с помощью векторного анализатора антенн
"miniVNA PRO BT" - результат почти полное совпадение (Рис.1), более
того, удалось выяснить путем расчета сопротивление излучения этой ЕН антенн (оно оказалось ~40 Ом) и подтвердить это практически (на этом сайте
есть статья об этом).
Рис.1 Схема и КСВ ЕН антенны в моделировщике "Ansoft Designer."
Рис.1 Сравнение расчетных параметров и реальных, ЕН антенны на 14 МГц.
"Доверяй, но проверяй" - это правило тоже нельзя забывать и вышеприведенный пример это доказывает. Расчет расчетом, но все необходимо поверить
практикой, натурными испытаниями (это мое правило). Именно поэтому мной проведены не только моделирование полей в электродинамических
моделировщиках, но и практическое измерение уровней ЭМП с помощью различных летательных аппаратов (ЛА), самолетов, вертолетов, квадрокоптеров.
Рис. Некоторые из летательных аппаратов (ЛА), используемых при измерениях.
С чего же начать?
В теории Антенно-Фидерных Устройств (АФУ) существует такое понятие как "изотропный излучатель". Что это такое?
Посмотрим, что об этом говорит настольная книга по антеннамм "АНТЕННЫ" К.Ротхаммеля. Кстати, в этой статье бдет много ссылок на эту книгу
(К.Ротхаммель, "Антенны", издание 11-е, том1)
Рис.2
Действительно, такой антенны как изотропный излучатель нет, так как это точка в пространстве, излучающая ЭМП. Тем не менее параметры всех
антенн приводятся в соответствие (в сравнении) с изотропным излучателем (dBi) или с классическим полуволновым диполем (dBd), имеющим
усиление (+2,14 dB по сравнению с изотропным излучателем).
Для сравнения приведем таблицу из того же К.Ротхаммеля:
Рис.3
Для чего это всё приводится в статье? Для того, чтобы показать, что изотропый излучатель, в силу своих маленьких размеров, излучает
во все стороны и имеет сферическую диаграмму направленности. Запомним это.
Теперь рассмотрим диаграммы направленности, полученные при моделировании ЕН емкостной антенны в электродинамическом моделировщике "Elcut".
Рис.4 Общий вид поля от плоско-перпендикулярной ЕН емкостной антенны (вариант).
Были промоделированы уровни полей на расстоянии 1980 метров от антенны в горизонтальной плоскости, Рис.5.
Рис.5 Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости,
неравномерность 8% на расстоянии 1980 метров от антенны.
Хорошо, в горизонтальной плоскости диаграмма направленности круговая, а в вертикальной плоскости?
Рис.6 Диаграмма направленности в верикальной плоскости,
на расстоянии 1980 метров от антенны,
детально на рисунке Рис.7.
Рис.7 Диаграмма направленности в верикальной плоскости,
на расстоянии 1980 метров от антенны, детально (увеличено).
Здесь приведена лишь малая часть всех расчетов, проведенных при моделировании плоско-перпендикулярной ЕН емкостной антенны.
Программа позволяет детально сохранить все результаты с разными шагами моделирования, разрешением, в виде таблиц и т.д.
Моделирование моделированием, а как на практике? Сразу скажу, что результаты моделироования в программе электродинамического
моделировщика полностью совпали с практическими измерениями проведенными с помощью различных ЛА на разных антеннах, на
различные диапазоны.
Необходимо заметить, что при полетах, основной трудностью было совместить уровни полей с координатами измерений. Когда не хватало
измерительной аппаратуры (программ записи) результаты получались с погрешностью 8-15%, но по мере использования более совершенной
аппаратуры (например измерительного SDR приемника "Winradio WR-G31DDC" совместно с программой "Winradio Field Strength Logger"),
результаты измерений стали на порядок точнее.
Этот комплекс аппаратуры позволял одновременно и синхронно записывать:
1. Время измерения: дата, часы, минуты, секунды.
2. Координаты по GPS, широту и долготу.
3. Уровни сигнала одновременно на трех частотах (с любым интервалом, от 0,1 сек. до десятков минут).
4. Высоту полета.
5. Скорость полета.
и т.д.
Пример записи в лог, на жесткий диск компьютера, показан на рисунке Рис.8.
Рис.8 Упрощенный лог с записью уровей сигнала во время полета.
Внешний вид интерфейса программы "Winradio WR-G31DDC" совместно с программой "Winradio Field Strength Logger", показан на рисунке Рис.9.
Рис.9 Программа Winradio WR-G31DDC и Winradio Field Strength Logger.
Кажется с емкостной плоско-перепендикулярной ЕН антенной всё понятно: диаграмма направленности в горизонтальной плокости круговая, а
в вертикальной плоскости сферическая, что подтверждает и расчет и практические измерения.
Для классических антенн, таких как вертикальный четвертьволновый излучатель и диполь тоже всё ясно и об этом можно прочитать в 1-м томе
К.Ротхамеля. Обратимся опять к этой классической книге. Приведем некотрые диаграммы этих антенн из К.Ротхаммеля:
Рис.10 Классический четвертьволновый вертикал в вертикальной плоскости.
В горизонтальной плоскости диаграмма четвертьволнового вертикального излучателя - круговая.
А что с класическим полуволновым диполем? Вот что мы видим в книге К.Ротхаммеля:
Рис.11 Диаграммы направленности горизонтального диполя в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Кроме того, диаграмма направленности в вертикальной плоскости сильно зависит от высоты подвеса диполя. Именно поэтому низкорасположенный
диполь можно удачно использовать как антенну Зенитного Излучения АЗИ (NVIS).
Попробуем на одном рисунке сравнить диаграмы направленности емкстной ЕН антенны, диполя и четвертьволнового излучателя. Кстати и как
диаграммы направленности влияют на распространение сигнала с отражением от других конструкций и ионосферы.
Рис.12 Сравнение диаграмм направленности четвертьволнового вертикала (вертикальная плоскость) и емкостной ЕН антенны.
Рис.13 Сравнение диаграмм направленности горизонтального полуволнового диполя (горизонтальная плоскость) и емкостной ЕН антенны.
Можно привести также и реальные диаграммы направленности емкостной антенны ЕН, измеренные с помощью ЛА.
Рис.13 Диаграммы направленности ЕН, снятые с помощью ЛА.
Из этих рисунков мы видим, что диаграммы направленности емкостной ЕН антенны, полуволнового диполя и четвертволнового вертикала,
существенно разнятся. Нет ничего идеального, где-то необходимы такие диаграмм, где-то другие. Но из рисунков очевидно,
что площади создаваемые полями от ЕН антенны больше, в любом случае, чем от вертикала и диполя, а из этого можно сделать
существенный вывод об эффективности ЕН емкостной антенны.
Можно задатся вопросом, почему же ЕН антенна имеет близкую к сферической диаграмму направленности? На самом деле ответ простой,
достаточно вспомнить начало этой статьи, где мы говорили о диаграмме направленности изотропного излучателя.
Вспомним, что там было сказано: "Изотропный излучатель...Представляет собой антенну... равномерно излучающую во все стороны...
Диаграммой направленности антенны является сфера". Почему? Да очень прсто - из-за малости размеров изотропного излучателя.
Кроме того, можно подумать и о том, почему ЭМ Поле (радиоволна, т.е соотношение E/H = 377 Ом) ЕН антенны образуется не в дальней
зоне (теорема Пойтинга), как у полноразмерных антенн, а практически в самой антенне. Посмотрите на рисунок Рис.14 ниже.
Рис.14 Как зависит ЭМП антенн от размеров самой антенн.
Таким образом граница дальней зоны зависит от размеров самой антенны! Мы все привыкли и часто говорим, что дальняя зона
антенны (E/H = 377 Ом) расположена на расстоянии не менее длины волны (даже не задумываясь, что речь идет о полноразмерной антенне).
Но посмотрев на рисунок Рис.14 выясняется, что для ЕН антенны, например на диапазон 14 МГц и имеющей размер в 0,5 метра!
Дальняя зона начинается на расстоянии 1,25 см. от ЕН антенны!
Самое главное, что это тоже практически проверено инструменально, достаточно посмотреть на рисунок Рис.15.
Рис.15 Дальняя зона (E/H = 377 Ом) для ЕН антенны начинается почти в самой антенне.
Поэтому и сдвига фазы между Е и Н полями в антенне почти нет, так как в раскрытом конденсаторе (рассматриваем только сам
конденсатор) нет больших реактивностей для применяемой частоты.
Вот такие измерения показывают удивительные особенности емкостной ЕН антенны!
Я не берусь утверждать, что мои многочисленные измерения являются истиной в последней инстанции, но по тем измерениям,
грамотно проведенным моими корреспондентами, многое подтверждается.
Желаю удачи и приятных связей в эфире!
73!
UA1ACO/1 op. Vlad
Ленинградская обл. RDA: LO-21
12.2021г.
