КУЗОВ АВТОМОБИЛЯ В КАЧЕСТВЕ АНТЕННЫ

При использовании в автомобилях радиопередатчиков наиболее трудной задачей является выполнение антенны. В данной статье рассматривается использование кузова автомобиля как скрытой и согласованной приемо-передающей антенны применительно к диапазонам личной (27 МГц) и служебной (150...180 МГц) радиосвязи. Обзор существующих типов автомобильных антенн . Минимальные размеры эффективного излучателя должны быть не менее L/4, т.е. 2,7 м для 27 МГц. При уменьшении размеров его КПД падает очень резко - пропорционально квадрату укорочения. Когда антенна является передающей, ее малый КПД безвозвратно снижает излучаемую мощность и соответственно уменьшает дальность радиосвязи.

Желательно, чтобы антенна была скрытой и недоступной воздействию на нее снаружи (угонщик первым делом сломает наружную антенну, и радиоохранное устройство становится бесполезным). Для решения этой Проблемы как правило используется короткая спиральная антенна, расположенная внутри салона у стекла. Она фактически представляет собой свернутый L/4 штырь, но т.к. она размещена внутри металлического кузова, эффективность ее сильно снижается из-за экранирующего эффекта. Кроме того, спиральная антенна имеет очень узкую полосу (десятки кГц), что требует тщательной настройки антенны и делает, невозможным ее использование во всей полосе частот.

В диапазоне 150... 180 МГц почти исключительно используются L/4 штыри длиной около 0,5 м. Они больше всего подходят почти для всех случаев, кроме случая когда требуется засекретить наличие на автомобили радиоканала, например в составе системы предотвращения угона и поиска угнанных автомобилей и/или для скрытной радиосвязи. Для решения проблемы скрытности обычно используется штыревая антенна, расположенная внутри салона у стекла. Главным недостатком такого решения опять же является снижение ее эффективности из-за экранирующего эффекта. Кроме того, нахождение людей внутри салона приводит к заметному рассогласованию антенны с кабелем и соответственно - я снижению излучаемой мощности, а в салоне имеется значительное электромагнитное поле, что вредно для здоровья.

Сформулируем наши требования к автомобильной антенне:

- высокое значение КПД, исключение экранирующего эффекта кузова, линейные размеры сравнимые с L/4;

- скрытность и недоступность для повреждения снаружи;

- широкая полоса пропускания;

- минимальное влияние на настройку антенны людей и предметов, находящихся в салоне и вокруг автомобиля;

- питание согласованным коаксиальным кабелем, что позволяет подключать любые передатчики и радиостанции.

Теоретические предпосылки

Так как кузов автомобиля металлический, необходима такая антенна, которая не "преодолевает" кузов, а использует его в своем составе. И такой класс антенн существует. Это почти неизвестные в гражданской аппаратуре (и широко используемые в военной) щелевые антенны (ЩА), которые представляют собой узкую (0,001...0,02 L) и длинную (0,2... 1,5 L) щель в проводящем экране бесконечных размеров, возбуждаемую в центре. Для понимания работы ЩА важное значение имеет принцип двойственности, который гласит, что излучение щели в бесконечном проводящем экране полностью эквивалентно излучению металлической ленты той же длины и ширины, что и щель, и размещенной в свободном пространстве. Отличие состоит только в величине входного сопротивления и в повороте плоскости поляризации излучения - горизонтальная щель излучает вертикально поляризованную волну.

Реально поверхности, на которых располагаются ЩА, являются ограниченными и неправильной формы, однако возникающие из-за этого изменения не слишком велики, и в большинстве случаев удается найти инженерные решения, пригодные для практики. Так, например, ЩА удачно размещаются на корпусах самолетов, ракет, металлических башен и т.п.

Диаграмма направленности (ДН) ЩА зависит от следующих факторов: длины и ширины щели, ее формы, размеров экрана. Для качественной оценки приведем следующие замечания: при плоской щели ее ДН обычно двунаправлена аналогично эквивалентному диполю, а если щель имеет загнутые края или кольцевую форму, антенна получается слабонаправленной без резко выраженных минимумов и максимумов в диаграмме направленности.

Использование кузова автомобиля в качестве ЩА

Наша задача сводится к следующему - отыскать в автомобиле конструктивную щель с общей длиной не менее 1,5...2 м и обеспечить ее возбуждение. На любом автомобиле таких мест можно найти несколько, но желательно, чтобы конфигурация щели была примерно одинакова для разных типов автомобилей, с тем чтобы сама антенна, ее параметры и устройство согласования с кабелем получились бы унифицированными.

Также необходимо свести к минимуму вмешательство в конструкцию автомобиля при выполнении устройства возбуждения щели.

С учетом вышесказанного выбрана щель между крышкой багажника (ВА32101-2107 и аналогичные) или задней дверью (ВА32108, 2109, АЗЛК2141 и аналогичные) и кузовом автомобиля. Для обеспечения возбуждения необходимо произвести изоляцию фиксатора замка багажника как показано на рис.1, при этом входными точками питания щели служат штатные болты крепления фиксатора замка багажника, вкручиваемые в кузов (корпусной вывод), и изолированный с помощью дополнительных прокладок от болтов крепления фиксатор замка, имеющий механический и электрический контакт с замком багажника и с крышкой багажника (сигнальный вывод). Конкретный способ изоляции может быть и иным - в зависимости от конструктивных особенностей автомобиля.

На рис.2 и 3 показаны экспериментальные зависимости КСВ от частоты для некоторых автомобилей. Видно наличие нескольких собственных резонансных частот щели. Если рабочая частота совпадает с одним из резонансов, то достаточно подключить кабель к точкам питания щели, и ЩА готова! Но такое совпадение случается редко. Как правило, входной импеданс щели на рабочей частоте носит комплексный характер, что исключает непосредственное подключение питающего кабеля. Поскольку размеры щели определяются конструктивными особенностями автомобиля и мы, естественно, не можем их менять, для обеспечения КСВ в кабеле, близкого к 1, используется согласующее устройство (СУ), которое обеспечивает трансформацию комплексного сопротивления ЩА в активное, равное волновому сопротивлению используемого кабеля. СУ размещается непосредственно около точек питания щели.

В диапазоне 27 МГц реактивное сопротивление щели является индуктивным, а активное лежит в пределах 10...15 Ом. Используется СУ, показанное на рис.4. Широкополосный трансформатор TV1 1:4 (на феррите, обеспечивающий работу при заданной мощности и частоте) согласует сопротивление кабеля 50 Ом с активной частью сопротивления излучения ЩА, а конденсаторы С1, С2 обеспечивают компенсацию индуктивной составляющей. Точное согласование достигается единственной подстройкой - конденсатором С2. С кабелем 50 Ом на резонансной частоте КСВ не более 1,3. Полоса ЩА по уровню КСВ<2 - 500..800 кГц. Это-СУ обеспечивает хорошее согласование с большинством типов автомобилей, включая иномарки.

В диапазоне 150...180 МГц используется другое CУ (три подстроечных конденсатора и две бескаркасные катушки), параметры которого выбраны так, чтобы обеспечить согласование с любым типом автомобиля. В отличие от СУ диапазона 27 МГц, в данном случае требуется аккуратная индивидуальная подстройка всех трехкон денсаторов под конкретный тип автомобиля и рабочую частоту. Обеспечивается согласование антенны с кабелем 50 Ом (на резонансной частоте КСВ<1,3) в диапазоне 150... 180 МГц (пределы перестройки центральной частоты). Полоса ЩА (на центральной частоте) по уровню КСВ<2 составляет 5...8 МГц.

Полученные результаты

В обоих описываемых диапазонах отмечались:

- практически полное отсутствие влияния на параметры ЩА предметов, находящихся в салоне автомобиля (люди, грузы) и вокруг (атмосферные осадки, другие машины, и т.д.);

- низкий уровень напряженности электромагнитного поля в салоне;

- вертикальная поляризация излучения, что хорошо сочетается с большинством автомобильных антенн, которые также имеют вертикальную поляризацию.

В диапазоне 27МГцДН в горизонтальной плоскости близка к эллипсу с небольшим (около 3 дБ) максимумом излучения, назад по оси автомобиля. Дальность связи с ЩА - такая же, как со спиральной антенной высотой 20 см или со штыревой антенной высотой 0,6 м с катушкой индуктивности, которые размещались на крыше автомобиля.

В диапазоне 150... 180 МГц ДН в горизонтальной плоскости зависит от Типа автомобиля и рабочей частоты и Представляет собой сложную многолепестковую структуру без глубоких провалов с небольшим максимумом излучения назад. Дальность связи с ЩА составляет 40%...50% от дальности при использовании L/4 штыря на крыше автомобиля. Худшие параметры объясняются более близким к земле расположением точек питания антенны и плохой проводимостью железа кузова в этом диапазоне.

Используя описанные принципы, при соответствующем выборе точек подключения к кузову и схемы СУ можно обеспечить работу кузова автомобиля любой марки как резонансной антенны в любой точке диапазона 10...200 МГц.

Радиолюбитель 11/96, с.37-38