Поскольку у меня имеется RTL-SDR приемник и вагон энтузиазма, было бы скучно использовать штатную штыревую антенну и не искать альтернатив. Прежде чем приступать к серьезным изысканиям, расскажу об антеннах для самых начинающих.
Продолжаю переносить статьи с сайта, пока он ещё работает. Материал был опубликован на сайте 02 января 2019 года.
Введение
Для приёма радиосигнала, помимо радиоприемника, нужна антенна. В отличной советской книге «Азбука радиолюбителя» Ч. Климчевского была проведена такая аналогия: с помощью большой сети рыбаки ловят много рыбы, а маленькой удочкой можно поймать лишь незначительную рыбёшку. Так же и с антеннами: на простую проволоку хороший сигнал не принять, для этого нужна хорошая многоэлементная антенна, рассчитанная для конкретного частотного диапазона.
Теория
Разумеется, в «тепличных» условиях можно получить идеальный снимок даже на антенну «длинный луч» – кусок провода. На практике такое решения применяется крайне редко. Два основных типа антенн, используемые в радиосвзяи — полуволновой диполь и рамка с током.
Слово «полуволновой», очевидно, связано со словом волна. Имеется в виду не сама волна, как материальный объект или явление, а её ключевой параметр — длина волны. Длина волны равняется отношению скорости распространения волны к частоте. Скорость распространения электромагнитных волн в воздухе примерно равняется скорости света — 299 792 458 метров в секунду. То есть, разделив 300 млн. м/с на 137 млн. Гц мы получим длину волны примерно 2,2 метра.
Рамка на интересующий нас диапазон метеорологических спутников (частота 137 МГц, т.е. длина волны 2,2 м) будет такого размера, что даже с двумя ручками портативной она не будет. Более распространённый вариант — антенна Диполь. (Многие рекомендуют антенну QFH, но я с ней не работал и ничего рассказать не могу. Постараюсь в свободное время ее изготовить и протестировать.)
Электромагнитная волна обладает таким свойством, как поляризация. Искусственные спутники Земли, как правило, оснащают антеннами с вращающимся вектором поляризации (т. н. круговая поляризация). Такой сигнал можно принимать антеннами с круговой поляризацией (должно совпадать направление вращения векторов) или с линейной (горизонтальной или вертикальной), но в таком случае часть энергии сигнала будет потеряна.
Самый простой вариант — диполь нужного размера. Для получения круговой поляризации достаточно взять два диполя и разместить их под углом 90 градусов. Но такая антенна не будет иметь ярко выраженного направления максимального изучения/приёма. Это одновременно является и преимуществом — не нужно направлять антенну на спутник, и недостатком — низкий коэффициент усиления.
Чтобы «перенаправить» часть потока энергии радиоволны, используются пассивные элементы — рефлекторы и директоры. Пассивные, потому что они не имеют электрического контакта с передатчиком или приёмником. Рефлектор должен быть расположен сзади от излучателя (вибратора) и как правило длиннее. Он отражает часть энергии в противоположном направлении и формирует слабо выраженный основной лепесток диаграммы направленности. Рефлектор, как правило, один, потому что установка второго не оправдана — ему нечего будет отражать, вся энергия уже отражена первым рефлектором.
Директор расположен спереди от диполя и короче него. Он призван сужать основой лепесток. Чем больше директоров, тем точнее направленность. Как правило, для достижения максимальной эффективности директор не устанавливают без рефлектора, но бывают исключения.
Однако все элементы антенны, в том числе и пассивные, отбирают часть энергии поля, созданного излучателем. То есть, при том же напряжении излучает и, следовательно, потребляет больше энергии. Естественно, что в таком случае входное сопротивление антенны ниже. О том, что такое входное сопротивление, речь пойдет позже. Таким образом, минимальная система для качественного приёма сигналов спутников погоды нам нужна антенна, состоящая из излучателя, рефлектора и директора. Каждый дополнительный элемент добавляет антенне усиления в направлении главного лепестка, но усложняет настройку антенны.
Входное сопротивление (импеданс) антенны связывает излучаемую мощность с током, протекающим через сечение антенны. Надо подчеркнуть, что физически этого сопротивления не существует. Это всего лишь математический коэффициент, связывающий излученную антенной мощность с квадратом максимальной амплитуды тока в антенне. Этот параметр используется для согласования радиотракта. Если все элементы тракта имеют одинаковый импеданс, тракт считается согласованным, и вся энергия доходит от антенны до приемника или от передатчика до антенны. Но, если тракт не согласован должным образом, часть энергии отражается от концов линии и возвращается к источнику, то есть, тратится впустую. Такое явление называется коэффициент стоячей волны (КСВ или SWR). В идеальном случае, когда тракт согласован, КСВ равняется 1. В противном случае КСВ стремится к бесконечности (вся энергия отражается от конца тракта).
Достаточно полно эти антенны описаны в разделе «Направленные антенны с пассивными элементами» в книге К. Ротхаммеля «Антенны».
Антенна Диполь с пассивными элементами (Уда-Яги или волновой канал)
Из личного опыта могу сказать, что простой трехэлементной антенны, не обладающей круговой поляризацией, вполне достаточно для приема сигналов спутников в условиях благоприятной помеховой обстановки.
Неплохой вариант для начинающих — двухдиапазонная антенна конструкции радиолюбителя RZ9CJ. Она отлично подходит как для работы со спутниками, так и для прослушивания радиолюбительских диапазонов частот 2 м или 70 см. Я собирал такую антенну и использовал её для экспериментов с МКС, спутниками NOAA и радиолюбительскими "кубсатами".
Фидеры
Для подключения антенн к приемным или передающим устройствам используются специальные высокочастотные кабели. Такие кабели называют фидерами или фидерными линиями. Существует множество разновидностей фидерных линий: волновод, симметричная линия, коаксиальный кабель. Чаще всего используется последний вариант, хотя в некоторых случаях используют и симметричную линию, и даже более экзотические варианты.
Два ключевых параметра фидерной линии — волновое сопротивление и величина затухания сигнала. Затухание измеряется в децибелах на метр (дБ/м - не путать с дБм!), и чем оно меньше, чем меньше энергии сигнала «потеряется» в кабеле. Этот параметр зависит от частоты сигнала, материалов проводника и диэлектрика кабеля и, отчасти, от качества изготовления кабеля; найти графики по этому пункту можно в паспорте на изделие от производителя. О волновом сопротивлении (импеданс) мы говорили выше. Напомню: импеданс фидера, импеданс антенны и входной импеданс приемника или усилителя должны совпадать для оптимальной передачи энергии радиоволны. В случае рассогласования импедансов возрастает КСВ тракта, что негативно сказывается на его свойствах.
Конечно, в книге Карла Ротхаммеля «Антенны» (свежее издание: том 1 и том 2) это все расписано гораздо подробнее и я советую каждому прочитать хотя бы однотомник 1998 года.
В следующей статье я приведу несколько моих конструкций антенн "волновой канал" — уж очень такие антенны мне нравятся; в одной из последующих статей расскажу еще о своих опытах в сфере радиосвязи.
