Новые тенденции в теории и практике антенн
(статья приводится с сокращениями)

ЕН–антенна состоит из двух элементов, образующих между собой электрическую емкость (например, представьте себе толстый диполь). Если к элементам приложить ВЧ–напряжение, между ними возникнет электрическое поле Е, и через емкость потечет ток, называемый током смещения. В свою очередь, этот ток приведет к появлению магнитного поля Н, расположенного под прямым углом к электрическому полю Е и окружающему его. Однако, при протекании тока через конденсатор, фаза тока опережает фазу приложенного напряжения. Таким образом, несовпадение во времени фаз электрического Е и магнитного Н полей не позволяет создать условия для возникновения электромагнитного излучения, т.е. выполнить все условия теоремы Пойнтинга.

Индуктивность, включенная последовательно с антенной, вызовет сдвиг фаз (временную задержку) тока по отношению к напряжению. С помощью этой индуктивности можно подобрать такую задержку (сдвиг фаз), что на рабочей частоте электрическое Е и магнитное Н поля будут синфазны. Теперь будут выполнены все условия теоремы Пойнтинга и, следовательно, возникнет излучение электромагнитных волн. При этом диаграмма направленности ЕН–антенны в азимутальном направлении является круговой (ненаправленной). Электрическое и магнитное поля образуются и существуют одновременно, отсюда и название – ЕН–антенна.

Таким образом, возникновение электромагнитного излучения происходит на частоте, на которой реактивное сопротивление внешней индуктивности корректирует фазу тока через конденсатор и позволяет удовлетворить условиям теоремы Пойнтинга. Эта частота приблизительно равна резонансной частоте контура, образованного внешней индуктивностью L и конструктивной емкостью С антенны. Изменяя параметры внешней фазирующей цепи, можно расширить полосу частот, для которых выполняется желательное фазовое соотношение. Кроме того, КПД антенны зависит от качества согласующей цепи.

Из–за высокой эффективности взаимодействия полей Е и Н в пределах физического объема антенны, где они сформированы одновременно, размеры антенны могут быть очень маленькими (меньше 1 % от длины волны). Таким образом, принцип работы ЕН–антенны заключается в том, что поля Е и Н, созданные одновременно при помощи внешнего фазирования и расположенные надлежащем образом в пространстве, обуславливают электромагнитное излучение в соответствии с теоремой Пойнтинга. ЕН–антенны – единственный тип антенн, в которых наилучшим образом выполняются эти условия, что обеспечивает высокую эффективность работы при небольших размерах.

У ЕН–антенны напряженность электрического и магнитного полей резко уменьшается при смещении от центра антенны, поэтому эффективность излучения мало зависит от апертуры. Напротив, для классических антенн апертура имеет решающее значение, т.к. является поверхностью, через которую в основном излучаются электромагнитные волны. Для лучшего понимания можно сравнить, например, концентрированное излучение вблизи вершины конусов ЕН–антенны с рупорной СВЧ–антенной, в которой коротенький диполь излучает энергию в коротком отрезке волновода, который затем передает электромагнитную волну в свободное пространство через апертуру рупора. При этом диаграмма направленности рупора очень узкая, что обуславливает высокое усиление. Аналогично и в bi–конической ЕН–антенне электромагнитное излучение образует узкий лепесток из пространства вблизи вершин конусов.

Согласно теореме Пойнтинга, мощность излучения Р=ЕхН. В ЕН–антенне расстояние между пластинами конденсатора меньше метра, поэтому напряженность электрического поля Е достигает десятков вольт на метр, несмотря на относительно невысокое приложенное напряжение.

ЕН–антенна может быть сконструирована таким образом, чтобы сузить диаграмму направленности антенны в плоскости Е двумя способами. Один метод похож на применяемый в рупорной СВЧ–антенне, хотя, разумеется, в данном случае физический размер антенны намного меньше рабочей длины волны. Это наиболее очевидно в bi–конической версии ЕН–антенны, в которой излучение происходит в очень маленькой области между вершинами конусов, а остающаяся область конусов увеличивает усиление, формируя диаграмму направленности излучения.

Другой метод заключается в применении длинных цилиндров для формирования дипольной конфигурации ЕН–антенны. Обратите внимание, что если уменьшить длину цилиндров, основная часть силовых линий поля Е будет иметь большую кривизну. Следовательно, диаграмма направленности такой антенны будет напоминать сферу. Наоборот, более длинные цилиндры удлиняют вертикальную часть силовых линий, сужая диаграмму направленности антенны. Если цилиндры заменить конусами, силовые линии располагаются ближе к вертикали, и диаграмма направленности антенны получается более узкой с соответствующим увеличением усиления. Вследствие того что поле Н обязательно должно быть замкнутым, bi–коническая антенна является ненаправленной в горизонтальной плоскости. Направленность излучения в плоскости Н может быть достигнута применением фазированных решеток, изготовленных из активных ЕН–антенн, или специальной формой ее элементов.

ЕН–антенна слабо подвержена внешним полям (по отдельности поля как Е, так и Н, практически не воспринимаются), в силу того, что эти поля в основном сосредоточены в пределах физического объема конструкции. Следовательно, ЕН–антенна является исключительно помехоустойчивой и имеет очень высокое отношение сигнал/шум в условиях индустриальных и атмосферных помех. Кроме того, необходимо учитывать, что поля Е и Н практически полностью преобразуются в излучение, поэтому ЕН–антенна не может использоваться как пассивный элемент в сложной антенной системе (подобно антеннам Уда–Яги). Таким образом, все ЕН–антенны в составе сложных антенных конструкций должны быть активными, т.е. на все элементы должен подаваться сигнал от одного источника.

Сравним напряженность электрического поля Е для классической и ЕН–антенны. В ЕН–антенне поле Е фактически заключено в пределах физического объема, и силовые линии имеют радиус, приблизительно равный половине длины антенны (приблизительно 1% от длины волны). Поля Е и Н в классической антенне объединяются на расстоянии около 1/3 длины волны от антенны, поэтому грубо отношение напряженности полей такой антенны, формирующих электромагнитное излучение, к напряженности полей ЕН–антенны можно оценить как 1:33 (около –30 дБ). Кроме того, не был учтен тот факт, что поле сконцентрировано около центра ЕН–антенны. Следовательно, реальное соотношение еще больше.

Одна из причин более низкого общего КПД классических антенн (по сравнению с ЕН–антеннами) заключается в высокой напряженности полей Е и Н в ближней зоне (до их объединения) и большей протяженности этой зоны (около 1/3 длины волны). Поскольку поля охватывают большую область, они взаимодействуют с объектами, расположенными в этой области (землей, проводами, металлическими заграждениями и т.д.). Любой металлический объект в поле Н вызывает появление вихревых токов. Классическую антенну можно представить как первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого имеет нагрузку в виде вихревых токов. Разумеется, отдельные нагрузки вторичной цепи трансформируются в первичную и изменяют входной импеданс антенны. Наиболее яркий пример этого явления – эффект изменения входного импеданса проволочного диполя в зависимости от высоты подвеса. Такой эффект отсутствует у ЕН–антенны, даже если эта антенна установлена на небольшой высоте относительно поверхности земли. Это еще одно доказательство того, что поля ЕН–антенны ограничены физическим объемом конструкции. ЕН–антенна не является резонансной структурой, следовательно, ее частотные свойства полностью определяются внешней фазирующей цепью. Типичная фазирующая цепь имеет узкий частотный диапазон, поэтому ЕН–антенна фактически не излучает на гармониках. В соответствии с принципом взаимности антенн, ЕН–антенна может быть с успехом использована как для передачи, так и для приема.

Что действительно удивительно, без фазирующей индуктивности ЕН–антенна работает как классическая антенна, т.е. ее сопротивление излучения значительно меньше одного ома. Однако если поля Е и Н синфазны во времени, сопротивление излучения принимает более ВЫСОКОЕ значение, и можно получить сопротивление излучения 50 Ом или любое другое (в зависимости от угла между двумя элементами антенны).

Хотя для работы ЕН–антенны достаточно одной катушки индуктивности, хорошие результаты получаются при использовании более сложной цепи согласования, состоящей из двух катушек и двух конденсаторов, что позволяет осуществить надлежащее фазирование и согласование полного сопротивления.

Следует подчеркнуть, что в существующих программах моделирования антенн (например, NEC) не заложен алгоритм описания расчета тока через конденсатор, поэтому они не могут применяться для анализа работы ЕН–антенны. Возможно, отдельные программисты или софтверные фирмы предпримут усилия для развития математических моделей ЕН–антенн, что позволит создать компьютерные программы для моделирования и расчета таких антенн.

Как известно, любая антенна – это устройство преобразования мощности электромагнитного излучения в электрический ток, поэтому прежде чем рассматривать практическую конструкцию ЕН–антенны, кратко остановимся на типичных требованиях радиолюбителей к идеальной антенне. Вот основные из них:

– небольшие размеры;

– широкая полоса рабочих частот;

– высокая эффективность;

– возможность выбора направления излучения;

– отсутствие противовесов;

– низкая стоимость;

– отсутствие дефицитных деталей;

– простота изготовления;

– нечувствительность к промышленным и атмосферным помехам.

Многие из перечисленных свойств присущи ЕН–антенне и выгодно отличают ее от других типов антенн. Рассмотрим эти преимущества более подробно. В первую очередь необходимо отметить низкую стоимость ЕН–антенны, т.к. она не содержит никаких дефицитных и сложных деталей и очень проста для повторения.

Малогабаритные антенны, созданные на классических принципах, неизбежно имеют узкую полосу работы, и это обстоятельство часто является ограничивающим фактором уменьшения их размеров. Для проволочных антенн ширина полосы связана с добротностью, которая определяется отношением индуктивного сопротивления антенны к сумме сопротивлений излучения и потерь. Маленькая рамочная антенна с приемлемым КПД будет иметь в диапазоне 80 м полосу пропускания по уровню –3 дБ, которой едва достаточно для излучения единственного SSB–сигнала. В то же время, ЕН–антенна в этом диапазоне обеспечивает ширину полосы приблизительно 50 кГц по уровню –3 дБ. Применяя антенный тюнер и/или увеличивая диаметр антенны, можно еще больше расширить полосу рабочих частот.

Хотя ЕН–антенна не подвержена воздействию электрических или магнитных помех, тем не менее, может появиться проблема с ВЧ–наводками, даже если антенна установлена далеко от помещения радиостанции. Настроенная ЕН–антенна является согласованной 50–омной нагрузкой на конце коаксильного кабеля. Однако эта антенна имеет сильное излучение в маленьком объеме, которое может взаимодействовать с коаксильным кабелем. Полное или частичное решение этой проблемы может заключаться в следующем:

– в размещении антенны вне помещения радиостанции. Если антенна установлена вертикально, необходимо проложить коаксильный кабель от антенны прямо вниз, минимизировав его длину в области излучения антенны. В случае горизонтальной установки антенны, коаксильный кабель необходимо разместить горизонтально по крайней мере на расстоянии 3 м от антенны;

– в размещении коаксильного кабеля внутри заземленной металлической трубы. Нежелательно использовать для ВЧ–изоляции ферритовые кольца на коаксильном кабеле; более эффективное решение – установка развязывающих дрос селей и резисторов последовательно с внутренним и наружным выводами коаксильного кабеля;

– в применении качественного ВЧ–заземления. Если помещение радиостанции физически отделено от точки заземления больше чем на метр, желательно сделать петлю из коаксильного кабеля. Сначала кабель от антенны приходит к точке заземления, где оплетка подключается к заземлению, а затем уже кабельзаводится в помещение. Другой подход состоит в использовании последовательного контура в цепи заземления, настроенного на резонансную частоту, что при водит к компенсации реактивности заземления.

Известно, что антенны обладают свойством взаимности, т.е. одинаково успешно могут использоваться как на передачу, так и на прием. ЕН–антенна чувствительна только к электромагнитному излучению и практически не подвержена влиянию независимых электрического или магнитного полей, что особенно актуально при работе на низкочастотных диапазонах (160, 80 и 40 м), где велика интенсивность промышленных и атмосферных помех. Классические проволочные антенны, напротив, являются своеобразными преобразователями энергии полей Е и Н в электрический ток.

Приведенные выше соотношения энергетики полей в ближней зоне для классической и ЕН–антенн справедливы и при рассмотрении их восприимчивости к электромагнитным помехам, т.е. можно говорить об ослаблении ЕН–антенной этих помех на 30 дБ!

При практической проверке уровень шумов приемника, подключенного к классической антенне, соответствовал S9. С ЕН–антенной уровень шума снизился до S2. Сигналы, которые вполне разбираемы при приеме на ЕН–антенну, вообще не обнаруживаются на фоне шумов классической антенны.

При сложной эфирной обстановке (например, наличии сильных внеполосных сигналов) приемники с широкополосными преселекторами подвержены интермодуляционным помехам. Благодаря тому что ЕН–антенна ослабляет все внеполосные сигналы, расположенные за полосой пропускания фазирующей цепи, интермодуляционные помехи фактически не возникают. Таким образом, можно утверждать, что ЕН–антенна в качестве приемной антенны не имеет аналогов.

Для правильной настройки согласующей цепи, потребуется измеритель напряженности поля. Вполне подойдет устройство, состоящее из отрезка провода длиной 60 см и простого диодного детектора с микроамперметром. Провод должен располагаться в той же самой плоскости, что и ЕН–антенна. При настройке антенны измеритель напряженности поля устанавливается на расстоянии нескольких длин волн от нее.

Начиная с минимально возможного значения, подстраивают емкости обоих конденсаторов к расчетному значению для требуемого диапазона частот. Затем, подав небольшую мощность, корректируют индуктивность катушек по максимуму излучения. Катушки необходимо изготовить с запасом (намотав лишние витки), а затем, одновременно удаляя витки на обеих катушках и подстраивая конденсаторы по максимальному излучению, добиваются емкости конденсаторов, близкой к расчетной. Такая методика гарантирует, что фазирование и согласование полного сопротивления выполнены правильно. Хорошее значение КСВ легко достигается на требуемой частоте. При максимуме излучения антенна имеет минимальный КСВ и самую широкую полосу рабочих частот. Тем не менее, можно получить хороший КСВ и при низком уровне излучения (т.е. в ненастроенной антенне), поэтому при настройке обязательно необходимо применять измеритель напряженности поля. Как правило, для антенны 40–метрового диапазона катушки настроенной цепи согласования имеют по 7 витков при емкости конденсаторов около 63 пФ. Для более коротких цилиндров получается приблизительно 13 витков для каждой катушки и емкость конденсаторов – около 40 пФ.