Арматура в стенах ловит излучение антенны и лепит из него вторую диаграмму

Антенна установлена, рассчитана, проверена на открытом месте, диаграмма направленности красивая и предсказуемая. Перенесли её поближе к зданию, и характеристики поплыли. Усиление в нужную сторону просело, появились лепестки там, где их быть не должно, входное сопротивление сдвинулось, резонанс ушёл. Здание словно вмешивается в работу антенны, хотя стоит в стороне и ничем с ней не соединено. Особенно заметно это у железобетонных построек.

Причина в переизлучении. Стальная арматура внутри бетона, металлические балки, водосточные трубы, оконные рамы все эти проводники оказываются в поле антенны, и оно наводит в них токи. А проводник с наведённым током сам излучает, становясь вторичным источником. Эти вторичные источники складываются с прямым излучением антенны, перекраивая её диаграмму и порождая паразитные лепестки. Арматура работает как непрошеный паразитный элемент, подобный директору или рефлектору, только неуправляемый. Разберём, почему металл переизлучает, отчего особенно опасны резонансные куски, какими цифрами это описывается и как уживаться с переизлучающим окружением.

Почему проводник в поле антенны сам становится излучателем

Любой проводник, оказавшийся в электромагнитном поле, отзывается на него. Переменное поле антенны наводит вдоль проводника переменную электродвижущую силу, под действием которой по нему течёт наведённый ток. Это тот же механизм, по которому работает приёмная антенна: проводник перехватывает часть поля и превращает его в ток. Но ток, потекший по проводнику, в свою очередь создаёт вокруг себя собственное переменное поле, то есть проводник излучает. Получается вторичный, переизлучённый сигнал.

Величина наведённого тока, а значит, и сила переизлучения, зависит от того, насколько эффективно проводник перехватывает поле. Эффективнее всего это делает проводник, длина которого близка к резонансной для рабочей частоты, то есть к половине волны для свободного проводника или к четверти волны для заземлённого. На резонансной длине наведённый ток максимален, и переизлучение сильнее всего. Короткие относительно волны куски металла переизлучают слабо, резонансные куски сильно.

Это в точности механизм работы паразитных элементов антенны. Директор и рефлектор волнового канала это проводники без всякого питания, в которых ток наведён полем активного элемента, и которые переизлучают его так, что суммарная диаграмма заостряется в нужную сторону. Арматура и металлоконструкции здания делают то же самое, но их длины, положения и фазы никто не подбирал, поэтому их переизлучение не улучшает, а портит диаграмму, добавляя излучение в случайных направлениях.

Почему резонансная арматура перекраивает диаграмму сильнее всего

Диаграмма направленности это результат сложения полей от всех источников с учётом их фаз. Когда рядом с антенной появляется переизлучающий проводник, его вторичное поле складывается с прямым полем антенны. В одних направлениях они складываются синфазно и усиливают друг друга, в других противофазно и гасят. Так на месте гладкой диаграммы появляются новые лепестки и провалы, и чем сильнее переизлучение, тем глубже искажение.

Фаза переизлучённого поля зависит от длины переизлучателя относительно резонанса, точно как у директора и рефлектора. Проводник короче резонанса переизлучает с одним знаком фазового сдвига, длиннее с другим, и в зависимости от этого ведёт себя то как направляющий вперёд директор, то как отражающий назад рефлектор. Арматурный стержень случайной длины может оказаться в любой из этих ролей, уводя энергию в непредсказуемую сторону. Сетка арматуры в железобетонной стене это вообще множество связанных проводников, образующих сложный переизлучающий экран со своей хитрой диаграммой.

Особенно сильно переизлучение, когда металлоконструкция попадает в ближнюю зону антенны, в пределы её апертуры. Принято считать, что всё, оказавшееся в пределах примерно одной восьмой волны от полотна диполя с каждой стороны, заметно влияет на его работу. Проводник в этой зоне не просто переизлучает, а сильно связывается с антенной, меняя её входное сопротивление, сдвигая резонанс и перекашивая баланс. Поэтому арматура в стене, у которой повесили антенну, искажает не только диаграмму, но и согласование, и настройку, и нередко именно уход резонанса и КСВ первым выдаёт влияние скрытого в бетоне металла.

Числовая прикидка резонансной длины переизлучателя

Переведём в цифры. Сильнее всего переизлучает проводник, длина которого близка к половине волны на рабочей частоте. Полуволновая длина в метрах считается из длины волны, а та из частоты. Возьмём диапазон сорок метров, частоту семь мегагерц. Длина волны

lambda = 300 / f = 300 / 7 = 42.9 метра

Половина волны, то есть самая опасная резонансная длина свободного переизлучателя, составит около двадцати одного метра. Целиком такой кусок арматуры редок, но вот четвертьволновый заземлённый проводник длиной около десяти с половиной метров вполне реален, это высота арматурного каркаса трёхэтажной стены или длина водосточной трубы. Такой проводник, заземлённый на фундамент, резонирует на сорока метрах и переизлучает сильно.

Прикинем для более высокого диапазона. На десяти метрах, частота двадцать восемь мегагерц, длина волны

lambda = 300 / 28 = 10.7 метра

Полуволновый резонансный переизлучатель здесь всего около пяти метров с третью, а четвертьволновый около двух и семи десятых метра. Куски металла такой длины в здании повсюду: оконные рамы, секции труб, балки, отрезки арматуры. Поэтому на высокочастотных диапазонах почти любой металлический элемент конструкции оказывается близок к какому-нибудь резонансу и переизлучает. Чем выше частота, тем короче резонансные куски и тем больше их в типичном здании, оттого на верхних диапазонах влияние строительного металла особенно густое и запутанное.

Оценим и порядок искажения. Если переизлучённое поле составляет, скажем, треть от прямого по амплитуде, то в направлении синфазного сложения суммарное поле вырастет в одну целую три десятых раза, а в направлении противофазного упадёт до двух третей. В децибелах это плюс два с небольшим децибела в одну сторону и минус три с половиной в другую, заметный перекос диаграммы от одного лишь резонансного стержня. Несколько таких переизлучателей складываются в куда более изрезанную картину.

Почему влияние зависит от расстояния и положения

Сила переизлучения и его влияние на антенну быстро убывают с расстоянием, потому что связь между антенной и переизлучателем слабеет по мере их разнесения. Проводник в непосредственной близости, в ближней зоне, связан с антенной сильно и искажает всё: и диаграмму, и сопротивление, и резонанс. Тот же проводник, отнесённый на несколько длин волн, влияет уже только на дальнюю диаграмму слабым добавочным лепестком, а на согласование почти не действует.

Поэтому расположение антенны относительно здания решает очень многое. Полотно, прижатое к железобетонной стене, работает в гуще наведённых токов арматуры и искажается сильно. То же полотно, вынесенное на мачту на несколько метров от стены, страдает уже заметно меньше, а отнесённое на десяток метров почти освобождается от влияния. Каждый метр разноса между антенной и металлоконструкцией ослабляет связь и оздоровляет диаграмму, и это самый дешёвый способ борьбы.

Важна и ориентация. Переизлучатель сильнее всего наводится, когда он параллелен вектору электрического поля антенны, то есть параллелен её полотну, и почти не наводится, когда перпендикулярен. Поэтому вертикальная антенна сильнее возбуждает вертикальные элементы конструкции, водосточные трубы и арматурные стойки, а горизонтальная горизонтальные балки и перекрытия. Развернув поляризацию антенны поперёк преобладающих металлоконструкций, иногда удаётся заметно снизить переизлучение, не двигая саму антенну.

Как уживаться с переизлучающим окружением

Из механики переизлучения вытекают практические приёмы для тех, кто вынужден ставить антенну рядом со зданием. Перечислим их. Вот основные меры:

1. выносить антенну как можно дальше от металлоконструкций, потому что связь и искажение быстро убывают с расстоянием;
2. поднимать антенну выше арматурного каркаса стен, выводя её из ближней зоны бетонного металла;
3. выбирать поляризацию поперёк преобладающих металлоконструкций, чтобы они слабее наводились полем антенны;
4. проверять диаграмму и согласование уже на месте установки, а не доверять расчёту для открытого пространства;
5. при невозможности выноса учитывать искажённую диаграмму как данность, направляя главный лепесток с поправкой на переизлучение.

Главная мысль в том, что переизлучающее окружение нельзя устранить, но можно ослабить и учесть. Вынос и подъём антенны ослабляют связь, выбор поляризации снижает наводку, а измерение на месте показывает реальную картину вместо идеальной расчётной. Иногда переизлучение даже удаётся обратить на пользу, если случайный рефлектор из стены усиливает сигнал в нужную сторону, но рассчитывать на это не стоит, потому что чаще оно вредит. В сложных случаях антенну просто перебирают по месту, ища положение, где переизлучение арматуры мешает меньше всего, и принимают найденную диаграмму такой, какая она есть в реальном окружении.

Числовая прикидка спада связи с расстоянием

Полезно оценить, насколько именно ослабевает влияние переизлучателя при выносе антенны, потому что это определяет, сколько метров разноса достаточно. Связь между антенной и переизлучателем характеризуется взаимным сопротивлением, которое убывает с расстоянием между ними. В ближней зоне, в пределах примерно одной шестой длины волны, эта связь сильна и убывает резко, примерно обратно расстоянию, а на больших разносах ещё быстрее.

Прикинем. Пусть на сороковке с длиной волны около сорока трёх метров арматурная стойка стоит в полуметре от вертикального полотна. Полметра это всего около одной сотой длины волны, глубоко в ближней зоне, и связь почти максимальна, переизлучение сильнейшее. Отнесём антенну на пять метров, это уже около одной восьмой длины волны:

d / lambda = 5 / 43 = 0.116

На таком разносе антенна выходит из самой тесной ближней зоны, и взаимное сопротивление падает в несколько раз против полуметрового случая. Перенос на десять метров, около четверти волны, ослабляет связь ещё кратно. Грубо каждое удвоение расстояния в ближней зоне ослабляет наведённый в переизлучателе ток примерно вдвое, а его вклад в искажение диаграммы, зависящий от квадрата этого тока в мощности, вчетверо, то есть на шесть децибел. Поэтому вынос антенны с полуметра на пять метров от стены способен ослабить переизлучение на полтора десятка децибел и превратить грубое искажение в едва заметное.

Этот расчёт даёт практический ориентир. Нет смысла бороться за сантиметры, но каждый метр выноса в ближней зоне даёт ощутимый выигрыш, и разумная цель это отнести антенну хотя бы на четверть волны от крупных металлоконструкций. На высоких диапазонах четверть волны это считанные метры, легко достижимые мачтой, на низких уже десяток метров, что объясняет, почему на нижних диапазонах влияние здания вытерпеть труднее: вынести антенну на достаточную в долях волны дистанцию там физически сложнее.

Что из этого следует держать в голове

Строительная арматура и металлоконструкции здания в поле антенны ведут себя как неуправляемые паразитные элементы: поле наводит в них токи, они переизлучают, и вторичные поля складываются с прямым, перекраивая диаграмму, рождая паразитные лепестки и сдвигая согласование. Сильнее всего переизлучают куски металла резонансной длины, а на высоких диапазонах такие куски в здании повсюду, отчего влияние строительного металла там особенно густое.

Понимание этого избавляет от иллюзий насчёт расчётной диаграммы. Антенна у здания работает не так, как в чистом поле, и доверять её паспортной характеристике нельзя, пока она не проверена на месте. Вынос подальше от металла, подъём над арматурой, выбор поляризации поперёк конструкций и измерение в реальном окружении вместе возвращают антенне предсказуемость. Хорошо установленная у здания антенна узнаётся не по красивому расчёту для открытого пространства, а по тому, что её реальная диаграмма и согласование на месте близки к ожидаемым, несмотря на спрятанный в стенах металл.