Ю.Балтин, YL2DX

Принципиальные ограничения
и проблема оптимизации антенн

    Вера в то, что бесплатный сыр бывает не только в мышеловке, никак не может оставить в покое многих людей, в том числе и радиолюбителей, все еще надеющихся когда-нибудь найти чертеж этакой "чудо-антенны", которая работала бы на всех диапазонах с усилением как у радиотелескопа и помещалась бы в кармане пиджака.

    В принципе, существуют способы увеличения коэффициента направленного действия антенн и выше обычного при ограниченных габаритах. Но это можно сделать только за счет резкого сужения полосы пропускания и увеличения потерь как из-за роста реактивных токов в элементах антенны, так и из-за роста потерь при согласовании. В результате коэффициент усиления антенны при ограниченном ее объеме произвольно повысить невозможно. Этот эффект называется эффектом сверхнаправленности.

    При заданном объеме, который антенна занимает в пространстве, невозможно достичь одновременно наивысших (предельных для данного объема) показателей по всем параметрам. Например, если мы хотим построить антенну "Волновой канал" и располагаем бумом длиной порядка 0,75 длины рабочей волны, то мы можем надеяться на получение или коэффициента усиления до 11,5 dBi (в свободном пространстве), или  полосы пропускания по КСВ < 2 до 20% от средней частоты, или на подавление задних лепестков > 45 dB в рабочем участке частот - но не всех этих предельных параметров одновременно!

    При проектировании антенны всегда приходится решать, какие из ее параметров будут для нас более, а какие менее приоритетными. Добиваясь максимума по одному из параметров, мы обязательно проиграем в остальных. Улучшить сразу несколько показателей, да и то лишь до определенных пределов, можно только увеличив размеры антенной системы. Изменяя размеры, приходится изменять и структуру, в частности - количество элементов антенны (кстати, если отступить от традиционного использования непременно полуволновых вибраторов, а использовать более длинные, то можно увеличивать размер структуры не в длину, а в ширину - примерно с тем же результатом).

    В то же время, цена достижения каждого из параметров антенны различна. Не одинакова и их ценность для нас в каждом конкретном случае. Например, увеличить максимально возможное усиление Yagi с 11,5 до 14,5 dBi (всего на полбалла по шкале S) невозможно без удвоения размеров антенны - а на 20 м диапазоне это выразится в длине бума 32 м вместо вполне терпимых 16 м! Однако максимум усиления будет сочетаться с невысоким подавлением задних лепестков (скажем, 10-15 dB) и, возможно, с появлением боковых. В то же время, поступившись всего 1-1,5 dB усиления (т.е. допустив спад громкости сигнала, не заметный на слух), мы можем на том же буме (16 м) создать антенну с подавлением всех нежелательных лепестков более 30 dB и с КСВ ниже 2 во всем 20 м диапазоне. Если мы захотим, чтобы КСВ во всем заданном диапазоне был еще ниже, то нам придется расплатиться за это или еще некоторым снижением усиления, или ухудшением подавления задних лепестков ДН (а нужное для этого число элементов антенны, может быть, придется увеличить).

    Задача реализации осложняется (или упрощается) тем, что для каждого возможного сочетания параметров антенны (которое мы, например, сочли для себя оптимальным) существует множество равноценных решений - т.е., например, для Yagi длиной 0,75 длины рабочей волны с G = 10 dBi (в свободном пространстве), с полосой пропускания 2,5% при КСВ < 2 и F/B > 30 dB можно найти десятки различных сочетаний размеров  элементов и их взаимного расположения.

    К сожалению, и по сей день проблема синтеза антенн по заданным параметрам в общем виде не решена. Однако существуют надежные методы численного анализа антенн практически любой сложности. Пользуясь современным программным обеспечением, теперь можно перебрать множество различных вариантов, сравнить их и выбрать для себя наиболее подходящий - важно только ясно себе представлять, каковы пределы реально достижимых параметров и какого компромиссного их сочетания мы хотим добиться.

    Достаточно надежный и удобный компьютерный анализ антенн стал доступен только в последние 5-8 лет, поэтому сегодня уже не стоит безоговорочно полагаться на конструкции антенн, эмпирически найденные раньше, даже если они и снискали заслуженную популярность (а иной раз и незаслуженную, Hi). Грамотно используя современные вычислительные возможности, можно практически во всех случаях хоть немного улучшить, а главное, подогнать для себя "точно по росту" любую из рассматриваемых конструкций прежде, чем браться за слесарный инструмент.

    При компьютерном моделировании важно иметь в виду, что каждая программа имеет вполне определенные пределы применимости. Прежде чем начинать расчеты, всегда полезно потратить несколько дней на внимательное ознакомление с документацией к программе, обращая особое внимание не только на то, что "она может", но и на то, "что она не может".

    Не менее важно (а может быть и более) постоянно помнить Закон №1 работы с компьютером: "Garbage in - garbage out" (мусор загрузишь - мусор и получишь). Даже самая "умная" программа выдаст в результате чепуху, если заставлять ее работать с моделями, слишком далекими от действительности.

Не верьте данайцам, дары приносящим…

    Радиолюбителю, собирающемуся строить антенну, следует очень критически подходить к опубликованным в любительской литературе описаниям конструкций. К сожалению, слишком часто встречаются не только далекие от оптимальности, но и такие, которые принципиально работать не смогут (по крайней мере, не смогут так, как обещано).

    Как разобраться во всем этом?

1) Чтобы не терять времени понапрасну, сразу отметайте описания антенн, в которых обещают большой коэффициент усиления при небольших габаритах (в длинах рабочей волны). Если указана правдоподобная величина коэффициента усиления, то должно быть ясно сказано, каким способом измерено или вычислено это значение, по отношению к какому эталону, для какого угла излучения в вертикальной плоскости и при какой высоте установки антенны над землей. Если эти "мелкие подробности" отсутствуют - значит, автор сам не знает, о чем пишет.

2) Описание любой антенны должно сопровождаться компьютерным анализом (с ясным указанием, какие программы использовались). Если это не сделано, значит автор, в лучшем случае, отстал от жизни лет на 10, в худшем - всегда был дилетантом. Ни один серьезный "антенщик" уже давно не обходится без компьютерного моделирования. (Однако в неумелых руках оно может породить массу ошибок!)

3) Параметры антенны должны быть приведены для диапазона частот. Можно "выжать" очень впечатляющие цифры на какой-то одной частоте, но всё потерять при отходе от нее. Особенно это касается такого показателя, как соотношение вперед-назад у направленных антенн. Кроме всего прочего, узкополосность какого-либо из параметров свидетельствует о повышенной чувствительности антенны к дестабилизирующим факторам (изменение погоды, ветер, коррозия, птицы) и, обычно, плохой повторяемости в разных условиях.

4) Диаграммы направленности и другие характеристики антенн, приведенные для свободного пространства или для случая идеальной земли, могут представлять только академический интерес (если только вы не собираетесь работать в космосе или посреди пустыни, сплошь устланной медной фольгой). Распределение излучения в вертикальной плоскости даже очень высоко поднятой над реальной землей антенны может сильно отличаться от того, каким оно могло бы быть в свободном пространстве или над идеально проводящей поверхностью.

5) Одних только данных о длинах элементов и расстояниях между ними явно не достаточно для успешного повторения антенны Яги.

6) Если автор рекомендует отмерять фидер определенной длины, чтобы добиться низкого КСВ - значит он просто не в курсе, что такое КСВ.

7) Величина КСВ никак не характеризует излучающие и приемные свойства самой антенны. Наилучший КСВ в широком диапазоне частот имеет неизлучающий эквивалент нагрузки.

8) Фразы типа "на этой антенне я сработал с 200 странами за один год" или "антенна оказалась достаточно эффективной" свидетельствуют о том, что автору нечего сказать по существу объективных параметров антенны. И две, и три сотни стран можно сработать и на случайном огрызке проволоки, если поставить такую цель. Результаты работы в эфире гораздо больше зависят от QTH, чем от антенны (к сожалению или к счастью - это уж как для кого - Hi).

9) В антенной технике чудес не бывает! Бывают только не учтенные факторы.

=========================================
All rights reserved ©Yuri Baltin, 2000

    > К началу
    > На первую страницу