Петербургский Государственный Университет Путей Сообщения
Кафедра «Радиотехника»
Реферат
Антенны возимых радиостанций
(автомобильные)
Выполнила студентка группы
.
Санкт-Петербург, 2010
Особенности работы из автомобиля
Работа на трансивере из автомобиля имеет много своих особенностей, по сравнению с работой со стационарного места. Трансивер должен быть соответственно установлен в автомобиле. Необходимо предусмотреть его защиту от вибрации. Трансивер может проработать много лет безотказно будучи расположен стационарно в доме, но выйдет из строя через пару часов после работы в автомобиле из-за вибрации. Именно из- за вибрации необходимо использовать трансиверы с цифровыми синтезаторами частоты, крайне желателен режим фиксации частоты. Температура в автомобиле в месте установки трансивера может меняться в широких пределах, поэтому трансивер должен выдерживать работу при перепаде температуре от –10о (при первоначальном включении трансивера зимой в холодном автомобиле) до +50о (в длительно работающем автомобиле). Конечно, в некоторых типах автомобиля температурные условия могут быть гораздо мягче здесь указанных.
Трансивер должен быть установлен так, чтобы он не мешал управлению автомобиля, и в тоже время управление трансивером (переключение прием/передача), микрофон, телеграфный ключ, были легко доступными для работы. Очень удобны в этом случае трансиверы с пультом управления, и трансиверы, допускающие раздельную установку основного блока и панели управления трансивера.
Если в автомобиле сильный шумовой фон, то желательно использовать при работе на трансивере наушники. Вместо микрофона в этом случае целесообразно использовать ларингофоны. Именно по причине шума, использовать режим «VOX» при работе на SSBпри движении автомобиля часто невозможно. При работе на CWрежим «VOX» вполне может быть использован.
При движении автомобиля уровень принимаемого сигнала может значительно меняться, что подразумевает использование эффективной системы АРУ. Во время движении по туннелям, под металлическими мостами, прием может вообще полностью прекратиться, а при движении в автомобиле по городу, под троллейбусными линиями, около трамвайных линий и линий электропередачи могут возникнуть сильные помехи приему, обусловленные наводками от этого источника помех на антенну трансивера.
Установка трансивера в автомобиле
Желательно установить трансивер так, чтобы он легко снимался из автомобиля, так как в некоторых местах оставлять дорогостоящий аппарат на ночь в автомобиле просто неразумно. Трансивер должен быть установлен в таком месте, чтобы на него не капало масло, не попадало автомобильное топливо, не летела пыль. При недостаточной защите электронной схемы трансивера от этих воздействий, аппарат может быстро выйти из строя. Даже если пыль и масло не будут попадать внутрь трансивера, их воздействие на внешние разъемы трансивера, как высокочастотные, так и низкочастотные, будет катастрофическим.
Много хлопот может доставить подключение питания к трансиверу в автомобиле. Неправильно выполненное, оно будет «просаживаться» на трансивере во время передачи, принимать помехи от системы электрооборудования автомобиля при работе трансивера на прием. Как показывает опыт, наиболее рациональный вариант – это непосредственное подключение проводов питания трансивера к клеммам аккумулятора. Необходимо обратить внимание, что подключен должен быть не только «плюсовой» провод, но и «минусовой». Провода могут быть из меди, диаметром 2-4 мм, и они должны идти по корпусу автомобиля наиболее коротким путем от трансивера до аккумулятора.
В тоже время, провода питания должны «обходить» источники помех, которые могут встретиться на их пути. Недопустимо чтобы провода свободно провисали в пустом пространстве автомобиля. Это неизбежно приведет к помехам со стороны электрооборудования. Проходящие свободно провода могут быть случайно повреждены при ремонте автомобиля. Желательно использовать провода питания, идущие в металлическом экране. Экран должен быть выполнен из ферромагнитного провода, этот провод должен быть облужен, или другим способом предохранен от окисления, экран должен быть плотного сечения. В тяжелых случаях появления помех можно использовать провода в двойном экране, первый экран из ферромагнитного материала, второй экран медный.
Электрохозяйство автомобиля, в котором будет установлен трансивер, должно быть в идеальном состоянии, иначе помех приему не миновать. К сожалению, многие отечественные автомобили не удовлетворяют этим требованиям, и приходится долго возиться, чтобы найти причину помех. В карбюраторном двигателе мощные помехи создает система зажигания. Генератор также может создавать помехи приему. Поскольку в основном все цепи питания автомобильного электрооборудования сильноточные (стартер, освещение, указатели поворотов, электродвигатель стеклоочистителя и т.д.), то их включение сопровождается мощными искровыми разрядами, создающими помехи в диапазоне от сотен килогерц до сотен мегагерц. Кроме того, при движении автомобиля некоторые его части кузова могут наэлектризовываться, что также создает помехи приему при стекании накопленного заряда на землю, или при пробое статического электричества через проводящий участок.
Штыревые антенны возимых станций
Антенны передвижных станций должны иметь круговую диаграмму направленности, поскольку при движении автомобиля, его место положение относительно сторон света может меняться.
Наиболее оптимальным вариантом автомобильной антенны являться штыревая автомобильная антенна, установленная в центре крыши автомобиля (рис. 1). Диаграмма направленности такой антенны будет практически круговая. Худшие результаты будут при установке антенны на крыле или на заднем бампере автомобиля. Вследствие несимметричности ее установки, в диаграмме направленности такой антенной системы будут минимумы и максимумы, что может привести к потери связи при изменении направления движения автомобиля.
/>
Рисунок 1 Штыревая автомобильная антенна
Излучающим элементом этой автомобильной антенны является штырь. Чем выше его длина, тем эффективней будет работать антенная система, особенно на низкочастотных КВ – диапазонах. Возможности по увеличению высоты этого штыря ограничены. Ограничения обусловлены прочностными характеристиками штыря, который при движении автомобиля с ускорением испытывает значительные нагрузки, так и габаритными размерами транспортного средства, обусловленного его движением в городе под проводами троллейбусов, трамваев, линий электропередачи, в туннелях и под мостами. Реально, для построения автомобильных вертикальных антенн, используют штырь длиной от 1 до 3 метров. Сопротивление излучения такого штыря на низкочастотных диапазонах будет мало и, следовательно, эффективность работы такой антенны будет низка. Малый коэффициент полезного действия антенной системы будет обусловлен трудностями согласования низкого сопротивления излучения штыря и сложностью обеспечения соответствующей эффективной заземляющей системы для этой антенны. Но, начиная от диапазона 20 м, используя вертикальная антенна высотой 2 м, будет работать с высоким коэффициентом полезного действия. На графиках, приведенных на рис. 2 показано сопротивление излучения вертикальной части антенны в любительских КВ – диапазонах 30-160 м, а на графиках приведенных на рис. 3 сопротивление излучения штыря в любительских КВ — диапазонах 6-20 м.
/>Рисунок 2 Сопротивление излучения штыря в любительских КВ – диапазонах 30-160 м
/>
Рисунок 3 Сопротивление излучения штыря в любительских КВ — диапазонах 6-20 м.
Согласование штыревых автомобильных антенн
Эффективно согласовать с коаксиальным кабелем питания или с выходом трансивера 50 Ом, электрически короткую вертикальную автомобильную антенну, можно с помощью удлиняющей катушки. Систему «штырь — удлиняющая катушка – емкость антенны на корпус автомобиля – корпус автомобиля, как противовес» (рис. 4) настраивается в резонанс на рабочий диапазон антенны.
/>
Рисунок 4 Вертикальная антенна с удлиняющей катушкой
Емкость штыря антенны длиной 1-2 м на корпус автомобиля составляет от 10 до 15 пФ. Увеличить емкость штыря антенны на корпус автомобиля можно с помощью емкостной нагрузки (рис. 5) в виде шарика (рис. 5а), крестовины (рис. 5б) расположенной на конце антенны. Емкостная нагрузка увеличивает ветровое сопротивление антенны и требует усиления ее механической конструкции. В табл. 1 приведены значения индуктивности удлиняющих катушек при емкости антенны на корпус автомобиля 10, 20 30, 40 пФ. Как видно из этой таблицы на низкочастотных любительских КВ — диапазонах значения индуктивности удлиняющих катушек будут велики. Исходя из этого, следует ожидать, что полоса работы антенны также будет узкой. Омическое сопротивление катушек на этих диапазонах будет на порядок выше, чем сопротивление излучения антенны, следовательно, коэффициент полезного действия антенной системы будет мал. На любительских диапазонах 6-20 м КПД антенной системы будет вполне удовлетворителен.
/>
Рисунок 5Емкостная нагрузка на конце антенны
Таблица 1Значения индуктивности удлиняющих катушек
Частота,
МГц
Индуктивность катушки, микрогенри,
При емкости антенны на корпус, пикофарад
10 пФ
20 пФ
30 пФ
40 пф
1,9
701
350
233
175
3,6
195
98
65
49
7,05
52
26
17
13
10,12
25
12
8,4
6,3
14,2
12,56
6,3
4,19
3,14
18,1
7,73
3,86
2,58
1,9
21,2
5,6
2,8
1,88
1,4
24,9
4,0
2,0
1,36
1,02
27
3,47
1,73
1,16
0,86
29
3,0
1,5
1,0
0,75
Для настройки укороченной вертикальной автомобильной антенны в резонанс необходимо использовать переменную индуктивность (рис. 6). Это связано с тем, что емкость антенны на корпус автомобиля часто не является постоянной величиной, а зависит от многих факторов. Вследствие этого часто необходима оперативная подстройка антенной системы. Это особенно относится к электрически коротким антеннам. Но чем выше отношение «длина штыря антенны/длина рабочей волны» тем меньше проявляются дестабилизирующие факторы на работу антенны. Можно сказать, что при значении отношения «длина штыря антенны/длина рабочей волны” более 0,15 ( при этом значение величины отношения «наибольшая длина корпуса автомобиля/длина рабочей волны» должно быть не меньше этой величины) многими дестабилизирующими антенну факторами можно пренебречь, и считать емкость антенны на корпус автомобиля постоянной величиной.
/>
Рисунок 6Настройка укороченной вертикальной автомобильной антенны с помощью переменной индуктивности
Поскольку конструкция качественной переменной индуктивности сложна, и достаточно трудно самостоятельно сделать виброустойчивую конструкцию, то радиолюбители часто применяют упрощенную схему согласования. Она состоит из высококачественной катушки постоянной индуктивности и переменной емкости (рис. 7). В этом случае индуктивность удлиняющей катушки для работы со штыревой антенной выбирается величиной чуть большей необходимой, а настройка антенны в резонанс осуществляется с помощью конденсатора переменной емкости.
/>
Рисунок 7 Упрощенная схема настройки укороченной вертикальной автомобильной антенны
Настройка автомобильной антенны в резонанс с помощью переменного конденсатора хороша тем, что, используя переключаемый фиксировано блок удлиняющих катушек, ( их переключение с помощью высокочастотных реле можно сделать автоматически при смене диапазонов работы) с помощью конденсатора переменной емкости можно точно подстроить антенну в резонанс.
Входное сопротивление автомобильной штыревой антенны
Входное сопротивление этой антенной системы будет состоять из суммы сопротивления излучения штыря, и сопротивления потерь, в которое входит омическое сопротивление удлиняющей катушки, сопротивления потерь в конденсаторе переменной емкости и сопротивления потерь в «земле» антенны – корпусе автомобиля.
Из-за большой величины значения сопротивления перечисленных выше потерь на диапазонах 40, 80 и 160 м, входное сопротивление автомобильной антенной системы, содержащей короткую штыревую антенну, может находиться в пределах 10-30 Ом. Такое относительно высокое входное сопротивление вполне может быть согласовано с усилителем мощности трансивера при помощью автоматического тюнера трансивера или, используя самодельный простой тюнер.
На диапазонах 6-20 м сопротивление потерь в «земле» и в удлиняющих катушках антенны значительно уменьшается, но в то же время увеличивается сопротивление излучения штыря антенны (см. рис. 2), и входное сопротивление автомобильных антенн в этих диапазонах близко к 50 Ом. Такая антенна прекрасно согласуется с выходным каскадом трансивера. Коэффициент полезного действия работы автомобильных антенн в этих диапазонах достаточно велик.
Установка антенны в автомобиле
Установка антенны в автомобиле показана на рис. 8. Штырь антенны «А» коротким проводником «B» соединен с блоком согласования «C» и коротким отрезком коаксиального кабеля соединен с трансивером. В этой схеме антенной системы высота штыря «А» должна быть максимально возможной, так как именно он обеспечивает излучение антенны. Проводник «B» находится внутри автомобиля и в излучении радиоволн во внешнее пространство не принимает участия. Его емкость на корпус автомобиля входит в общую емкость штыря антенны на «землю». Следовательно, чем больше величина емкости участка «B» на «землю», по отношению к величине емкости штыря антенны «А» на «землю», тем меньше КПД антенной системы.
/>
Рисунок 8Установка антенны в автомобиле показана
Недопустимо использовать в качестве провода «B» коаксиальный кабель с подключенной к корпусу автомобиля оплеткой. Отрезок «B» должен быть жестко зафиксирован в пространстве, так как при изменении его положения относительно корпуса автомобиля будет меняться его емкость на «землю», следовательно, и резонансная частота антенны. Этот участок можно выполнить из коаксиального кабеля внешним диаметром 9-14 мм со снятой оплеткой. Зафиксировать участок «B» относительно корпуса автомобиля в этом случае можно с помощью скоб. Полезно определить емкость антенны «А» на корпус автомобиля, а затем совместную емкость частей «А» и «B» на корпус, чтобы судить о потерях в соединительной части «B». Емкость на «землю» частей «А» и «B» необходимо знать для расчета значения индуктивности удлиняющих катушек. Для ориентировочного такого расчета можно пользоваться табл. 1. В этой таблице не учитывается индуктивность частей «А» и «B», которая на диапазонах 6 – 20 м будет уменьшать общее значение индуктивности удлиняющей катушки. Паразитные емкости удлиняющих катушек, согласующего конденсатора и переключателя блока «C» на «землю» должна быть минимальна, что необходимо принимать во внимание, конструируя этот блок.
На выходе согласующего устройства будет высокое высокочастотное напряжение во время передачи, что необходимо учитывать в конструкции антенного опорного изолятора. Необходимо стремится к тому, чтобы длина отрезка «D» была минимально возможной. Но это требование не столь критично, как к участку «B». Реально длина коаксиального кабеля от трансивера до согласующего устройства может быть в пределах 2-4 метра. Крайне важно обеспечить хороший электрический контакт с корпусом автомобиля оплетки коаксиального кабеля в двух точках – в месте подключения кабеля к согласующему блоку «C» и в месте подключения к трансиверу.
Суррогатные автомобильные вертикальные антенны
Как видно из приведенного выше описания штыревой антенны возимой рад