Ноя 102021
 

Одна из самых противоречивых и вызывающих массу сомнений конструкций в радиотехнике.

Как работает EH антенна и насколько она конкурентоспособна по сравнению с полноразмерными аналогами.

Проясняет Тимур Гаранин.

ЕН антенна представляет собой колебательный контур с сосредоточенными параметрами и открытой ёмкостью. Именно этой ёмкостью она излучает и принимает сигнал. Антенна является электрически малой, т.е. её габариты во много раз меньше длины волны сигнала. Вы можете работать с длинами волн в сотни метров и при этом размер антенны будет метр-два.

Но она не просто электрически мала. Её отличает то, что в ней вообще нет даже укороченного отрезка полотна. Фактически, в ней нет ничего, кроме контура с открытой ёмкостью. По аналогии с магнитными антеннами, которые представляют собой контур с открытой индуктивностью.

Родственником EH антенн являются антенны с емкостными нагрузками. Но они всё-таки имеют ненулевую длину полотна, а ёмкости на концах плечей используются для укорочения общей длины. В то время как EH антенны вообще не имеют излучающего полотна, а излучают поле только открытой ёмкостью.

Перед тем, как сравнивать EH антенну с полноразмерными аналогами, нужно кратко описать как принимают и излучают сигнал проволочные антенны и от чего зависит их усиление.

Существует такое понятие как эквивалентная площадь раскрыва или эффективная площадь поглощения. Она показывает, какая должна была бы быть для определенного уровня усиления площадь раскрыва антенны, если бы она была апертурной, например зеркальной или рупорной.

Собственно, у зеркальных и рупорных антенн она всегда меньше габаритов. А у проволочных антенн всегда больше. Почему?

Потому что проволочная антенна улавливает сигнал отнюдь не площадью поверхности, а полем. Равно как и излучает полем.

Но чтобы это поле развернуть в пространстве, нужен проводник – полотно антенны. И при прочих равных условиях, если полотно сфазировано правильно, то, чем оно длиннее, тем больше эквивалентная площадь раскрыва.

Ещё раз, при правильной фазировке, чем больше длина полотна, тем больше усиление.

Но есть ещё один нюанс, который нужно учесть. Эквивалентная площадь раскрыва не является какой-то фиксированной независимой величиной. Она зависит от многих факторов.

Представим, что у нас есть пассивный полуволновой вибратор в чистом виде. Его эквивалентный раскрыв простирается примерно в границах ¾ лямбда на ¼ лямбда.

Что произойдёт, если мы прямо в точку максимума тока включим резистор? Интуитивно понятно, что добротность этой системы упадёт, и вместе с ней уменьшится эффективная площадь поглощения.

Но что будет, если мы свяжем этот полуволновый вибратор с добротным контуром на ту же частоту? – Эквивалентная площадь раскрыва возрастёт. Но за счёт чего? За счёт того, что контур сделал эту систему более узкополосной.

Когда добротность системы низка, то посторонние частоты из-за явления суперпозиции накладываются на искомую частоту, и гасят полезный сигнал. Амплитуда полезного сигнала падает, как и отношение сигнал/шум.

Но если мы подавим посторонние частоты, то они будут влиять на полезный сигнал гораздо меньше. И амплитуда полезного сигнала заметно возрастёт, будучи избрана добротным контуром.

Вкратце – усиление антенной системы прямо зависит от её добротности.

Чем острее резонанс, тем больше эквивалентная площадь раскрыва на резонансной частоте.

А теперь перейдём к сравнению антенн.

Штыревая антенна представляет собой монополь длиной в четверть лямбда. Усиление четвертьволнового штыря составляет примерно 1,76 dBi. Т.е. на 1,76 децибела лучше изотропного точечного излучателя.

Кроме того, четвертьволновый штырь может неплохо принимать и на гармониках.

Полуволновый диполь имеет уже усиление примерно в 2,16 dBi, обладая общей длиной полотна в половину длины волны. И также может работать на гармониках.

Полуволновый штырь, питаемый с конца через ферритовый трансформатор, также обладает длиной в полволны и может работать на гармониках. Но его усиление уже меньше, чем у диполя. Почему? Потому что ферритовый трансформатор не добавляет добротности.

Но можно этот же полуволновый отрезок полотна запитать от параллельного колебательного контура, благодаря эквивалентности их сопротивлений. И в этом случае происходит рост усиления. Почему? Потому что контур добавляет немного добротности. Но только на одной частоте. Поэтому этот полуволновой штырь будет работать только на частоте контура.

Можно пойти дальше и запитать от контура два полуволновых отрезка с противоположных концов. Мы получаем резонансный лямбда диполь. Его усиление на данной частоте может быть очень велико, и будет возрастать при увеличении добротности контура.

А теперь обратим наш взор на EH антенну. Где на этой шкале усиления будет находится колебательный контур с открытой ёмкостью?

Для понимания этого изобразим эквивалентную схему ЕН антенны. В самом упрощённом виде контур с открытой ёмкостью равен контуру с закрытой ёмкостью плюс небольшими излучателями.

Что напоминает такая схема? Это похоже на резонансную лямбда антенну с той разницей, что у неё общая длина плечей равна целой длине волны, а в EH антенне размах плечей предельно мал.

А теперь вспоминаем, что при прочих равных условиях усиление будет больше у той антенны, у которой общая длина плечей больше.

Поэтому очевидно, что глупо ожидать от EH антенн такого же усиления как от антенн, содержащих хотя бы одну целую четверть длины волны в полотне.

Какое же усиление у EH антенн на практике? — Испытатели утверждают, что 2,16 dBi.

2,16 dBi означает, что антенна усиливает примерно как полуволновой диполь.

А также то, что её усиление выше, чем у четвертьволнового штыря

И это уже неожиданно хороший результат.

Усиление EH антенны примерно в два-три раза лучше, чем у изотропного точечного излучателя, и при росте добротности продолжает увеличиваться. Хотя размеры самой EH антенны по сравнению с длинами волн как раз можно принять за точечный излучатель.

Другими словами, эффективная площадь раскрыва EH антенны значительно больше габарита антенны. Площадь раскрыва как у диполя, а физические размеры в разы меньше, почти точечный излучатель.

За счёт чего такое непропорциональное усиление?

Это можно объяснить только острым резонансом. EH антенна представляет собой последовательный колебательный контур. Чем выше добротность контура, тем больше будет напряжение между обкладками излучающего конденсатора и, соответственно, напряженность поля. Чем больше напряженность поля, тем на большем расстоянии от антенны его можно обнаружить. Иными словами, чем больше напряженность поля, тем больше эквивалентная площадь раскрыва антенны.

Кроме того, испытатели утверждают, что шумы EH антенны крайне низки, что является косвенным подтверждением высокой избирательности.

Есть ещё одна антенна с такими же низкими шумами – это магнитная антенна. Низкие шумы объясняются тем, что колебательный контур отсекает все частоты, кроме резонансной. Чем выше добротность контура, тем сильнее подавляются все шумы и наводки, которые в ином случае накладывались бы на полезный сигнал, ухудшая соотношение сигнал/шум.

В итоге мы получаем антенну с великолепными свойствами. Её габариты значительно меньше полноразмерных антенн, но усиление не хуже, чем у полноразмерного диполя!

Усиление растёт вместе с ростом напряжённости поля, вызванного последовательным резонансом. Эффективная площадь раскрыва этой антенны возрастает пропорционально добротности контура, который дополнительно подавляет шумы.

Но если мы имеем такую напряжённость поля при настолько малых габаритах, то какое же напряжение между обкладками конденсатора?

И здесь мы обнаруживаем весьма неприятное свойство EH антенн. Напряжение между обкладками может достигать существенных значений. Сотни вольт при передаче – легко.

Допустим, подаём 5 вольт на контур с добротностью 50. На обкладках получаем – 250 вольт. А ведь такое входное напряжение и такая добротность – отнюдь не предел.

Добротность можно увеличивать, наращивая индуктивность и уменьшая площадь обкладок.

При высоких напряжениях между обкладками может возникать как разряд между ними, так и на провода внутри антенны, которые эти обкладки соединяют с индуктивностью контура.

Но пробой – это не главная проблема при такой напряжённости.

При высокой напряжённости поля вблизи антенны сильно проявляется влияние окружающих предметов.

Появляются паразитные ёмкости между антенной и любыми окружающими предметами.

Изменение ёмкости антенны, вызванное любым изменением окружения, хоть прикосновением руки, хоть птицей, севшей на антенну, сдвигают резонансную частоту. Вследствие чего антенна очень чувствительна к окружению.

Одним из факторов, объясняющих сравнительно хорошее усиление EH антенны, является отсутствие потерь на создание переменного магнитного поля тока проводимости в ближней зоне.

Обычные проволочные антенны, например диполь, создают стоячую волну в полотне, с резонансным током проводимости. И этот ток проводимости в ближней зоне антенны создаёт переменное магнитное поле, сдвинутое на 90 градусов относительно электрического.

Это сдвинутое магнитное поле тока проводимости бесполезно в том смысле, что не участвует в создании радиоволн, т.к. в дальней зоне остаётся только магнитное поле радиоволны, синфазное с электрическим.

EH антенна не создаёт магнитного поля тока проводимости в ближней зоне вообще. Всё магнитное поле колебательного контура сосредоточено в индуктивности и за её пределы почти не выходит.

Зато переменное электрическое поле обкладок EH антенны сразу создаёт своё магнитное поле, синфазное с электрическим, как в дальней зоне от обычной антенны.

Таким образом, EH антенна уже в ближней зоне создаёт синфазные поля. Сразу. Без создания бесполезного магнитного поля тока проводимости.

Более того, отношение напряженности электрического и магнитного полей уже вблизи EH антенны равно 377 Ом, как в дальней зоне в открытом пространстве.

Повторим ещё раз: в EH антенне синфазные поля создаются сразу, а не в дальней зоне как у обычных антенн. Отсутствие бесполезного магнитного поля тока проводимости может объяснить высокую эффективность этой конструкции.

Какая диаграмма направленности у EH антенн? – Полностью сферическая. Такая же как была бы у точечного излучателя. Что и не удивительно, учитывая, что размеры самой антенны крохотные по сравнению с длинами волн.

При работе на стометровых волнах, антенна может иметь размер в один метр, т.е. сотая доля длины волны. Антенна в размерах и форме диаграммы направленности стремится к точечному излучателю.

Поляризация волны эллиптическая. Что также ожидаемо от антенны столь малой по сравнению с длиной волны.

Рассмотрим известные варианты конструкций EH антенн.

Самая известная – это конструкция на трубе с двумя цилиндрическими обкладками и катушкой.

При чём есть так называемая классическая схема с фазирующей катушкой и подключением обкладок из центральной точки антенны. А есть упрощённая схема без фазирующей катушки и с подключением обеих обкладок просто в нижней точке обкладок.

Есть схема с наружным размещением проводников, что якобы уменьшает вероятность пробоя.

Также можно встретить конструктив с переключаемыми емкостями и индуктивностями. И даже с подстроечными конденсаторами. 

Существует разновидность EH антенн с плоскими обкладками конденсатора. При чем обкладки могут быть расположены как в одной плоскости, так и перпендикулярно, и вообще под любым углом.

Даже на плате со спиральной плоской индуктивностью.

Известна антенна с плоскими дисковидными обкладками. В реализованном варианте использовалась относительно большая индуктивность, что обычно приводит к увеличению добротности и сужению полосы. В этой антенне использовалась необычная схема подключения контура прямо в кабель.

Также возможно использование конусных обкладок. И судя по всему обкладок любой формы.

По отзывам испытателей не плохо себя показала антенна, в которой вместо сплошных обкладок использовались проволочные треугольники. Очевидно, что в этом исполнении ёмкость контура будет заметно меньше, чем обычно.

При работе на несколько диапазонов приходится использовать несколько EH антенн. Однодиапазонность EH антенн – это их существенное отличие от проволочных. Проволочные антенны можно заставить работать на гармониках и даже мимо них, если суметь согласовать входное сопротивление. Одну проволочную антенну можно использовать на несколько диапазонов. Но с EH антеннами такой трюк не пройдёт.

На данный момент я не нашёл ни единого свидетельства того, что кто-то сумел организовать эти антенны в решётки или директорные системы. Тем не менее, теоретически ничто не мешает это сделать.

Как изготовить и настроить EH антенну?

Посмотрим на некоторые схемы её включения:

Самой распространённой является схема с автотрансформатором.

Антенна является последовательным колебательным контуром, частоту которого можно изменять, подбирая величины ёмкости и индуктивности.

Добротность антенны пропорциональна индуктивности под корнем и обратно пропорциональна ёмкости под корнем. Подбирая эти величины, можно расширять и сужать полосу и влиять на усиление.

Сопротивление антенны на резонансе составляет около 50 Ом, и это чисто активное сопротивление излучения. А реактивное сопротивление на резонансной частоте равно нулю.

Итак, какова же технология изготовления и настройки EH антенны.

Начинается всё с изготовления обкладок. Допустим, мы изготавливаем цилиндрическую EH антенну упрощённой конструкции.

Делаем два одинаковых цилиндра из любого проводника, например из фольги на поверхности трубы. Расстояние между цилиндрами устанавливаем равным диаметру трубы. Площадь поверхности цилиндров и расстояние между ними прямо будет влиять на частоту – чем больше площадь и чем они ближе, тем ниже можно будет взять частоту при той же индуктивности.

К этому конденсатору теперь нужно подобрать катушку. Вы можете рассчитать её либо самостоятельно, либо воспользоваться калькулятором. Слава богу, на данный момент для цилиндрических EH антенн калькуляторов хватает.

После намотки индуктивности делаем отвод на питающую линию. Отвод делается примерно от второго витка снизу. Земля общая. Кстати о земле. Стоит отметить, что контур EH антенны самодостаточен и в противовесах и заземлении не нуждается.

Собственно, антенна готова.

А дальше начинается процесс настройки. Подключаем систему к анализатору и смотрим на резонанс. Если он выше нужной частоты, сжимаем витки катушки, понижая резонанс. Если ниже, то наоборот, раздвигаем витки.

Добившись резонанса на нужной частоте, приступаем к настройке КСВН. Для этого нужно приближать или отдалять пару нижних витков, к которым подключен фидер.

При правильной настройке КСВН антенны будет стремиться к единице, а активное сопротивление – к 50 омам.

Антенна обладает сравнительно высоким КПД. Особого нагрева элементов не наблюдается. Тем не менее, есть небольшие потери на диэлектрике каркаса, т.е. на трубе.

Поэтому для большего КПД можно цилиндры надевать не на трубу, а на плоскую диэлектрическую пластину.

Неудобной особенностью настройки этой антенны, отличающих её от проволочных, есть то, что EH антенну нельзя заранее без анализатора точно настроить на определённую частоту.

Она во-первых узкополосна, во-вторых её габарит никак не связан с длиной волны, как у проволочных. Поэтому без анализатора настроить EH антенну практически невозможно.

Какой всё-таки вердикт мы можем вынести этому типу антенн:

  1. При правильной настройке EH антенны дают усиление как полноразмерный диполь, при многократно меньших габаритах
  2. Диаграмма направленности EH антенн сферическая как у точечного излучателя
  3. Напряжённость поля вблизи антенны очень высока, равно как и влияние паразитных ёмкостей, что делает эту антенну очень чувствительной к окружению
  4. Антенна уже в ближней зоне создаёт синфазные E и H поля, без магнитного поля тока проводимости
  5. Антенна имеет один острый резонанс, благодаря чему обеспечивает хорошее отношение сигнал/шум
  6. Антенна оправдана в тех случаях, когда требуется работать только на одной частоте и при этом остро стоит вопрос компактности и мобильности. Например, на летательных аппаратах.
  7. Для работы на нескольких диапазонах придётся делать либо несколько EH антенн, либо антенну с переключаемыми ёмкостями и индуктивностями.

Пишите в комментариях, как Вы оцениваете EH антенны. Предлагайте темы для новых роликов. Подписывайтесь и смотрите другие видео на канале.

Ставьте лайк и делитесь этим роликом, если ликбез по EH антеннам был для Вас полезен.

Рекомендую просмотреть этот ролик дважды. Во-первых это полезно, во-вторых поможет каналу.

Спасибо, друзья. Удачи!

 Ответить