Вы, наверное, слышали термин «добротность», используемый при описании антенн, но, возможно, вы ещё не совсем поняли, что он означает с практической точки зрения. Давайте посмотрим, сможем ли мы получить Q, или коэффициент качества, поскольку он относится к антенным цепям и радиолюбительским операциям, не рассматривая физику или высшую математику.

Когда мы закончим, у вас будет интуитивное понимание Q, которое, вероятно, намного превосходит понимание среднего радиолюбителя.

В более широкой картине, выходящей за рамки любительского радио, коэффициент качества — это значение, описывающее некоторые характеристики колебательной или резонирующей системы. В радио нас больше всего интересуют электрические цепи, которые производят колебания, а антенная цепь представляет особый интерес как колебательные цепи. Вскоре мы доберёмся до практического результата добротности антенны, но мы можем получить хорошее представление о добротности, подумав о некоторых других типах генераторов, таких как простой маятник — здоровенный груз, висящий на конце длинной нити, способный качаться вперёд и назад. Оставайтесь здесь, и мы вернёмся к антеннам с вашим восклицанием «А-а-а-а! Я понял!» всего за мгновение.

Добротность определяет демпфирование резонатора. Маятник в воде затухает больше, чем тот же маятник, качающийся в воздухе.

Демпфирование: добротность определяет демпфирование резонатора. Вы можете думать о затухании как о том, сколько времени требуется для того, чтобы действие осциллятора затухало. Предположим, одним толчком вы раскачиваете длинный и тяжёлый маятник, который висит в воздухе на высокой опорной точке. Представьте себе шар для боулинга, подвешенный к потолку на нейлоновом шнуре. Вы толкаете мяч вверх, затем отпускаете его и считаете 200 циклов раскачивания вперёд-назад, пока шар для боулинга снова не станет совершенно неподвижным.

Этот маятниковый осциллятор не очень сильно демпфирован, но сопротивление воздуха шарику и, возможно, небольшое трение в точке крепления сокращают часть первоначальной энергии, которую вы поставляли с каждым циклом, пока маятник снова не остановится. Энергия теряется медленно.

Внезапно сантехника резко выходит из строя, и комната наполняется водой. К счастью, вы хорошо плаваете и снова перемещаете шар для боулинга в то же место, что и раньше, а затем отпускаете его. Вы насчитываете всего несколько циклов раскачивания вперед-назад, прежде чем шар для боулинга остановится в водной среде. Маятниковый осциллятор теперь сильно демпфирован сопротивлением воды. Он очень быстро теряет переданную энергию.

Резонанс: предположим, вы хотите, чтобы маятник колебался с его собственной резонансной частотой. Вы должны добавлять достаточно энергии каждый цикл, чтобы компенсировать потери энергии на сопротивление. С шаром для боулинга, подвешенным в воздухе, вы могли бы легко компенсировать потерю энергии в каждом цикле, слегка толкнув его в удобное место в цикле раскачивания, возможно, как раз в тот момент, когда мяч достигает пика высоты и начинает опускаться по дугообразной траектории. Таким образом легко поддерживать резонансные колебания. Но в воде вам пришлось бы делать довольно сильные толчки в каждом цикле, чтобы компенсировать всю энергию, потерянную в одном колебании вперед-назад! Усиление резонанса не так просто с сильно затухающим генератором!

Q Defined: Q-фактор определяется как отношение энергии, хранящейся в генераторе, к энергии, которая должна передаваться за цикл, чтобы поддерживать постоянное качание генератора. То есть энергия начального подъема и толчка шара для боулинга сравнивается с энергией всего лишь одного из ваших обычных подкрепляющих толчков, чтобы поддерживать раскачивание шара на одной и той же высоте (амплитуде) в каждом цикле. Энергия, которую вы добавляете с толчком в каждом цикле, точно такая же, как энергия, теряемая на сопротивление в каждом цикле. Итак, в виде уравнения это выглядит так:

Q = 2π x накопленная энергия / потерянная энергия за цикл

Из этого простого уравнения видно, что наш шар для боулинга, подвешенный в воздухе, представляет собой осциллятор с высокой добротностью — энергия, теряемая за цикл, довольно мала по сравнению с энергией, накопленной от этого начального толчка, поэтому добротность будет относительно высокой. С другой стороны, маятник шара для боулинга в воде представляет собой осциллятор с очень низкой добротностью, поскольку за один цикл теряется большое количество энергии по сравнению с исходной накопленной энергией, что приводит к более низкому сравнительному значению добротности.

Вернёмся к антеннам: Антенны, находящиеся под напряжением, тоже являются генераторами. Ток скачет туда-сюда в излучающих элементах, и, как шар для боулинга, свисающий с вашего потолка и летающий туда-сюда, у антенны есть собственная резонансная частота. Когда вы обрезаете длину антенны, вы настраиваете резонансную частоту, изменяя расстояние, на которое ток должен течь от конца до конца элемента, и, следовательно, время, необходимое для этого!

На время, необходимое для скачков тока вперёд и назад по длине элемента, также можно повлиять, вставив такие компоненты, как катушки (катушки индуктивности) или конденсаторы. Это похоже на мошенничество; вставка компонентов, чтобы антенна действовала как антенна, намного длиннее, чем ее истинная физическая длина. Вы можете слышать такие термины, как «нагрузочные катушки» и «емкостные шляпы» или «нагруженная антенна», просто означающие, что такие уловки использовались для того, чтобы обмануть антенну, заставив ее думать, что она больше, чем показывает ее крошечная высота или длина.

Q и SWR Bandwidth: Коэффициент добротности не имеет единиц измерения — ни омов, ни генри, ни ампер, ни чего-то ещё — просто число. И есть несколько способов рассчитать добротность антенны. Мы не можем использовать приведённое ранее уравнение на практике, но волшебные математические преобразования дают нам следующее более практичное определение добротности применительно к генераторам с относительно высокими значениями добротности (>>1), как и у большинства антенн:

…где ƒc — частота резонанса (центральная частота, до которой подстраивается антенна), а …ƒ1 и ƒ2 — частоты выше и ниже центральной частоты, на которых антенна будет работать или достигать приемлемого значения КСВ. (Правильно, это когда частота приводит к потере мощности на 3 дБ по сравнению с передачей мощности на центральной частоте, но вы также можете использовать частоты, на которых КСВ увеличивается до 2: 1, в качестве практической меры сравнения между антенными системами)

С другой стороны, в то время как антенна с низкой добротностью несколько более демпфирована и может потребовать немного большей энергии усиления, она может хорошо колебаться в гораздо более широком диапазоне частот. Обратите внимание, что шар для боулинга в воде является яркой иллюстрацией низкой Q. Однако вы можете себе представить, что из-за того, что шар для боулинга так быстро теряет энергию в воде, его нетрудно заставить двигаться назад. и вперед на частотах, отличных от его собственной резонансной частоты, учитывая силу, приводящую его в движение. Просто толкайте его туда-сюда с чуть большим усилием, сколько хотите! Он не будет упрямым и не собьёт вас с ног большим запасом энергии, как воздушный маятник.

Q, физически укороченные и полноразмерные антенны: Опять же, наши иллюстрации с шарами для боулинга являются крайними случаями, и с антеннами разница между высокой и низкой добротностью проявляется не так резко, но эффекты важны! Вот почему, и вот почему каждая антенна не нагружена катушками и шляпами, чтобы она была короткой и удобной.

Когда антенна физически укорачивается для желаемой рабочей частоты и добавляется нагрузочная катушка, чтобы помочь ей в любом случае резонировать на этой желаемой частоте, добротность увеличивается. Вы можете подумать, что эффект индуктивной катушки заключается в уменьшении демпфирования в цепи антенны на желаемой рабочей частоте. Как правило, чем больше нагрузка на антенну, тем выше добротность и, следовательно, уже полоса частот КСВ антенны. Но большая нагрузка (более высокая добротность) также позволяет использовать физически более короткие антенны для данной частоты.

Преимуществом антенны с высокой добротностью является ее укороченная длина, поэтому вы часто будете видеть их установленными на транспортных средствах для мобильных операций на КВ. Нагрузочная катушка и, возможно, диск, спица или закрученная емкостная шляпка являются контрольным признаком вертикальной высокодобротной нагруженной антенны. Они выполняют свою работу на резонансной частоте нагруженной антенны или очень близко к ней.

Многие производители мобильных антенн высокой добротности внедряют механизированные антенны, которые сами изменяют резонансную частоту антенны! Хотя полоса КСВ очень узкая, настроенная рабочая частота всегда делается центральной резонансной частотой за счет изменения размера нагрузочной катушки при перестройке от частоты к частоте или от диапазона к диапазону. Представьте себе острую V-образную кривую КСВ с высокой добротностью на приведенной выше диаграмме, которая быстро перемещается вверх и вниз по диапазону во время настройки или вообще перескакивает на другой диапазон, чтобы скользить в соответствии с вашей прихотью настройки.

Обычно это реализуется с помощью подвижного отвода на большой нагрузочной катушке, так что количество витков, используемых антенной, изменяется соразмерно желаемой рабочей частоте. Величина нагрузки изменяется таким образом в зависимости от выбранной рабочей частоты, тем самым изменяя центральную резонансную частоту антенны.

Это разумное решение, хотя и существенно более сложное, чем статический провод или вертикальный радиатор. Иногда вы услышите, как их называют «антеннами-отвёртками» из-за оригинальной конструкции, в которой используется компонент электродвигателя отвёртки для перемещения отвода вверх и вниз по катушке. Но на любительском рынке встречается несколько разновидностей под самыми разными названиями.

WØSTU

См. канал в  Telegram