8.2. Антени

Антена є проміжною ланкою між радіопристроєм – приймачем або передавачем – і навколишнім середовищем. Вона є відкритим коливальнім контуром із розосередженими параметрами і виконує функції перетворювача електромагнітної енергії з однієї форми на іншу, тобто трансформатора. Передавальна антена, до якої підведено енергію від передавача у вигляді високочастотного електричного струму, збуджує в просторі електромагнітне поле, еквівалентне електричному сигналу, що передається. Дуже незначна частина енергії цього поля, яка, поширюючись у відкритому просторі, досягає місця розташування приймальної антени, створює в ній електрорушійну силу, достатню для подальшого підсилення та відтворення сигналу.

Як і всі технічні пристрої, побудовані на використанні явища електромагнітної індукції, антени мають властивість оборотності, тобто передавальна антена може бути приймальною і навпаки. В пристроях радіолокації, наприклад, одна й та сама антена і випромінює, і приймає сигнали. Основні параметри антен теж мають властивість оборотності. Проте між передавальною та приймальною антенами є й суттєва різниця. Приймальна антена може бути як настроєною (резонансною), так і ненастроєною на частоту сигналу, що приймається. Передавальна ж антена майже завжди резонансна, оскільки для ефективного випромінювання частота власних коливань антени має збігатися з частотою сигналу в ній.

Однією з основних вимог до антени є не просто здатність випромінювання, а така передача енергії в простір, яка відповідає деяким технічним завданням. Наприклад, при радіомовленні випромінювання має бути однаковим у всіх напрямках, а для двобічногонедоречно розсіювати марно енергію в усіх напрямках, і в антені створюють такі умови, щоб енергія випромінювалась вузьким променем тільки в тому напрямку, в якому розташовано радіоприймач.

Основні технічні вимоги до антени можна задати кількісно за допомогою деяких параметрів. Одним з основних параметрів антени, що кількісно характеризує її спрямованість, є коефіцієнт спрямованої дії (КСД). Цей Параметр увів О.О. Пістолькоре. Для визначення КСД порівнюють конкретну антену з ідеалізованою (ізотропною) антеною, яка випромінює в усіх напрямках однаково.

Якщо дві антени випромінюють у простір ту саму потужність, то КСД атени, що розглядається, визначається як співвідношення

, (8.2)

де П_а – густина потоку енергії, яка випромінюється в довільному напрямку; П_о – густина потоку енергії ізотропної антени; F(β,α) – нормована характеристика спрямованості антени.

Графічне зображення в просторі або в будь-якій площині функції Нор мованої характеристики спрямованості антени називають її діаграмою спрямованості. Будують діаграми спрямованості, як правило, в полярних координатах.

Якщо значення Па визначається в напрямку максимального випромінювання антени, то її максимальний КСД

. (8.3)

Антена навантажує вихідний каскад радіопередавача як елемент його вихідного кола опором, який в загальному випадку визначається так:

, (8.4)

Де Z_вх– сумарний опір випромінювання, що визначається інтегруванням вектора Пойтінга; R_втр – еквівалентний опір втрат; jХ_А –сумарний реактивний опір антени.

Для резонансних антен =0.

Виходячи з (8.4), корисно ввести також поняття добротності, смуги пропускання і частотної характеристики антени, які аналогічні визначеним раніше для коливального контуру.

Формула (8.4) визначає вхідний опір антени для випадку, коли можна виміряти струм на ЇЇ вході. Якщо ж виникає питання про потужність випромінювання або про потужність втрат, то їх знаходять множенням Rz і відповідно ReTp на половину квадрата амплітуди вхідного струму:

. (8.5)

Розглянуті випадки стосуються лише живлення антен від двопровід-них ліній до яких можна застосувати поняття теорії електричних кіл. У разі приєднання антени за допомогою довгої лінії (наприклад, хвилеводу) поняття вхідного опору вживається лише умовно. В регулярній частині хвилеводу існує тільки поле основного типу й опором його в поперечному перерізі може бути відношення поперечних компонентів напруженостей ЕтаН цього поля. Роль вхідного опору антени тут відіграє ошр навантаження, який залежить також від довжини відрізка з'єднувальної лінії.

Передавальну антену як споживача енергії характеризують ККД

. (8.61)

Параметри D й η визначають узагальнений параметр передавально1 антени, який називають коефіцієнтом підсилення

. (8.7)

Незважаючи на те, що відносно антен діє принцип взаємності, тобто їхні основні параметри ідентичні як у режимі передачі, так і в режимі приймання, роботу приймальної антени як еквівалентного генератора характеризують додатковими, специфічними тільки для неї, параметрами: потужністю , яку вона віддає радіоприймачу, та ефективною поверхнею А (для лінійних антен кіло- і гектометрових хвиль замість параметра А користуються поняттям дієвої висоти антени ). Ці параметри мають безпосередній зв'язок із КСД та коефіцієнтом підсилення антени. Можна довести, що максимальна потужність, яку антена віддає радіоприймачу в узгодженому режимі, визначається так:

. (8.8)

де Е_m – напруженість поля поблизу приймальної антени; W₀ – хвильовий опір вільного простору.

Ефективна поверхня антени пов'язана з КСД таким виразом:

. (8.9)

Для антен поверхневого типу величина А пропорційна площі їхньої геометричної поверхні і за деяких умов не залежить від довжини хвилі λ. Отже, для здобуття збільшеної спрямованості антен треба або збільшувати їхні розміри, або зменшувати довжину хвилі.

Основні параметри антен суттєво впливають не тільки на проходження корисних сигналів по каналу зв'язку, а й на його завадозахищеність. Завади радіоприйманню створюють грозові, космічні, індустрійні випромінювання, сторонні радіостанції, внутрішні теплові шуми та шуми антени. В звичайних умовах потужність сигналу в приймальній антені має бути значно більшою за сумарну потужність усіх завад.

Власні теплові шуми переважають над зовнішніми лише на декаметрових хвилях. Починаючи з хвиль метрового діапазону основними є зовнішні завади. У спрямованих антенах потужність зовнішніх завад значно знижується порівняно з аналогічними антенами з круговою діаграмою спрямованості. Тому з двох параметрів, що входять у вираз (8.7), кожен має переважне значення за різних умов. Якщо внутрішніми завадами порівняно з зовнішніми можна знехтувати, то співвідношення сигнал завада не залежить від ККД антени, а залежить лише від її КСД D. В цих випадках можна застосовувати антени з дуже малим ККД (близько 5...6 %). Однак, наприклад, у радіорелейних лініях внутрішні завади значно перевищують зовнішні. Тоді співвідношення сигнал/завада можна вважати пропорційним коефіцієнту підсилення антени. За цих умов підвищення ККД антени так само важливе, як і підвищення її КСД.

Сучасні антени досить різноманітні за конструкціями і виконуваними Функціями. Конструкції та властивості антен визначаються діапазонами частот, для роботи в яких вони призначені, і тими специфічними завдац нями, які за допомогою їх вирішують. Наприклад, розміри антен кіло- та гектометрових хвиль завжди менші за довжину хвилі, а в діапазонах декаметрових і метрових хвиль розміри антен сумірні з довжиною хвилі або значно її перевищують. Антени для радіомовлення мають кругову діаграму спрямованості, а для радіолокації – плоску або голкоподібну тощо. Різняться антени також зовнішнім виглядом. Будують антени стрижневі і дротяні, дзеркальні й рупорні, лінзові та щілинні, діелектричні і спіральні тощо.

Різноманітні типи антен можна класифікувати за різними ознаками Наприклад, Існує класифікація антен за діапазонами радіохвиль: міріаметрові, кілометрові, гектометрові, декаметрові, метрові, дециметрові сантиметрові та міліметрові. Така класифікація застосовується при проектуванні антен, вона дає змогу виділити перш за все конструктивні ознаки антен різних діапазонів, їхні особливості, зумовлені характером поширення радіохвиль. Можна класифікувати антени за призначенням: антени для радіозв'язку, радіомовлення, телевізійні, радіолокаційні, радіоастрономічні тощо. Це буде класифікація з позиції інженера-експлуатаційника.

З позиції фізиків зручніше класифікувати антени за принципом конструктивної побудови, тобто за розташуванням в антені джерел випромінювання і характером їх збудження. Отже, за цими ознаками будемо розрізняти елементарні (точкові), лінійні, поверхневі й об'ємні антени. На рис. 8.3 показано деякі антени, які є представниками цих типів.

Найпростішими є елементарні антени, які можуть розглядатися як електричні або магнітні диполі Герца – нерезонансні антени, довжина яких , та як симетричні пївхвильові вібратори – резонансні антени, довжина яких .

Як відомо, електричним диполем Герца є малий (завдовжки h) порівняно з довжиною хвилі λ елемент струму з різнойменними коливальними зарядами на кінцях. Отже, серед реальних антен такими наближеннями до електричного диполя Герца є: штирова антена над електропровідною (рис. 8.3, а), що найчастіше використовується як збуджувач хвилеводів; штирова приймальна антена (рис. 8.3, б), яка може застосовуватися, наприклад, як телескопічна антена на автомобілях або у переносних радіоприймачах; Т-подібна антена (рис. 8.3, в) передавальної станції, що працює в кілометровому діапазоні хвиль. Загальною для всіх цих антен є умова

h<<λ (8.10)

при наявності близько розташованої відбивної провідної поверхні. Завдяки цьому всі вони випромінюють фактично лише вертикальну складову струму й антена поводить себе як вертикальний електричний диполь Герца з круговою діаграмою спрямованості.

Магнітний диполь Герца – це малий порівняно з довжиною хвилі замкнений контур струму провідності з площею S. Аналогом такої антени є магнітний збуджувач хвилеводів (рис. 8.3, г), рамкова антена (рис. 8.3, д) і магнітна стрижнева антена (рис. 8.3, е).

Рис 8.3. Приклади конструктивної побудови антен деяких типів

Останні дві використовують Як приймальні в діапазонах кіло- та гектометрових хвиль. їхня особливість полягає в тому, що вони мають спрямовану дію і можуть застосовуватися як додатковий засіб боротьби зі спрямованими завадами під час радіоприймання (наприклад, досить потужна передавальна станція, що працює на сусідньому каналі).

Рамкові антени можуть бути прямокутними та круглими. У поєднанні зі штировими антенами їх можна використовувати для радіопеленгування. У шкільній практиці такі антени застосовуються на радіозмаганнях які дістали назву "полювання на лисиць". Магнітні антени виготовляють намотуванням на циліндричні або прямокутні феритові стрижні і застосовують у побутових радіоприймачах.

Симетричний півхвильовип вібратор (рис. 8.3, е) може одночасно розглядатись і як елементарна антена, і як лінійна антена з неперервним розподілом джерел випромінювання. Це резонансна передавальна антена. При горизонтальному розташуванні максимум її діаграми спрямованості перпендикулярний до площини вібратора.

Електричні вібратори як самостійно, так і в складі різноманітних поверхневих ліній та дзеркальних антен, використовуються в усьому діапазоні радіохвиль. На кіло- і гектометрових хвилях у зв'язку з їхньою великою довжиною найчастіше застосовують несиметричні вібратори, тобто такі, в яких використовуються відбивні електричні властивості поверхні Землі. На рис. 8.3, ж показано випромінювальну мачту-антену, що спирається на ізолятор і є несиметричним ненавантаженим вібратором над відбивною поверхнею.

На декаметрових хвилях застосовуються горизонтальні симетричні вібратори з мідного дроту, закріплені на опорах за допомогою ізоляторів Однак, на відміну від гектометрових, декаметрові вібратори в різні періоди добипрацюють на різних хвилях, тобто є діапазонними. Для доброго узгодження з радіопередавачем у всьому діапазоні такі вібратори виготовляють у вигляді кількох паралельних дротів, що утворюють у простор: циліндр (рис. 8.3, з). Ці вібратори називають вібраторами Наденеика.

В антенах метрових, дециметрових та сантиметрових хвиль вібратори виконують у вигляді жорстких стрижнів, іноді трубчастих. Для доброго узгодження з коаксіальним кабелем живлення зручно застосовувати шлейф-вібратор Пістолькорса (рис. 8.3, и), який складається з двох з'єднаних кінцями півхвильових вібраторів.

Для значного підвищення КСД з симетричних півхвильових вібраторі утворюють поверхневі антени з дискретно-неперервним розподілом випромінювачів (рис. 8.3, і) та лінійні антени типу «хвильовий канал», що працюють переважно в діапазонах метрових і дециметрових хвиль (рис. 8.3, ї). Останні антени належать до антен біжної хвилі.

Уперше таку антену запропонували японські інженери Уда та Ягі, ім’ям яких її і названо. Її ще називають директорною, тому що вона складається з активного симетричного вібратора 2, відбивача (рефлектора) 1 і кількох напрямних (директорів) випромінювання 3. Під впливом випромінювання активного вібратора в директорах наводяться високочастотні струми, які утворюють власні випромінювання. Якщо відстані між активним вібратором та директорами такі, що всі випромінювання в них синфазні то вони додаються в напрямку осі антени, створюючи досить вузьку діаграму спрямованості. Для того щоб уникнути заднього випромінюваная в напрямку мінімуму діаграми спрямованості на відстані приблизно λ/4 від випромінювача встановлюють рефлектор, в якому під дією первинного випромінювання теж індукуються струми, але їхні поля протифазні тим, які створюються первинним випромінюванням, і компенсують останні. З урахуванням взаємодії та внесених взаємних реактивних провідностей довжини директорів і рефлекторів трохи відрізняються від резонансних.

Директорці антени широко застосовуються як для приймання телевізійних програм, так і для побудови складних радіолокаційних антен метрового та дециметрового діапазонів.

До поверхневих антен з неперервним розподілом випромінювачів можна віднести рупорні, лінзові, дзеркальні антени (рис. 8.3, й,к,л). У розкриві всіх цих типів антен утворюється плоска синфазна однорідна хвиля (в разі формування голкоподібної діаграми спрямованості) або хвиля із заданим законом розподілу фаз. Властивості таких антен розглядаються на підставі властивостей елемента Гюйгенса. Основною їхньою властивістю є те, що спрямованість антен у кожній з площин тим більша, чим більшим є лінійний розмір розкриву в цій площині відносно довжини хвилі. Такі антени використовують переважно в дециметровому, сантиметровому і міліметровому діапазонах.

Представниками антен з неперервним об'ємним розподілом випромінювачів є спіральна (рис. 8.3, м) і діелектрична (рис. 8.3, н) антени. Це антени біжної хвилі, але, на відміну від розглянутої вище директорної антени, в цих антенах випромінювання поляризоване по колу. Такі антени знаходять переважне застосування в літальних апаратах (літаки, ракети), які під час виконання маневру змінюють своє положення у просторі.

Для транспортування радіочастотного сигналу від радіопередавача до антени та від антени до радіоприймача використовують фідери, або довгі лінії. Довгими їх називають тому, що довжина фідера може бути не тільки сумірною з довжиною хвилі, а й в деяких випадках навіть набагато перевищувати її. Конструкція фідера залежить від довжини хвилі та діапазону виль, в яких він застосовується.

Відкриті двопровідні лінії (рис. 8.4, а, б) використовують на хвилях, доввжина яких перевищує 5 м. При коротших хвилях такі фідери починають випромінювати, тобто перетворюються на антени.

Фідер у вигляді коаксіального кабелю (рис. 8.4, в) добре екранований і може застосовуватись навіть у діапазоні дециметрових хвиль.

Хвилеводи використовують в основному в діапазонах сантиметрових міліметрових хвиль. Річ у тім, що поширення електромагнітної енергії у хвилеводі можливе лише на хвилях, довжина яких менша за деяке критичне значення, яке визначається геометричними розмірами хвилеводу.

Рис. 8.4. Приклади конструктивної побудови фідерів деяких типів

Це значить, що для більш довгих хвиль, ніж сантиметрові, геометричні розміри хвилеводів стають конструктивно неприйнятними. На практиці застосовуються прямокутні (рис. 8.4, г), круглі (рис. 8.4, д), П-подібні (рис. 8.4, е), а також Н-подібні (рис. 8.4, є) хвилеводи.

Крім розглянутих, останнім часом досить широке використання знаходять смужкові лінії, діелектричні хвилеводи, світловоди. Ці фідери добре конструктивно узгоджуються з радіоелементами інтегрального виконання [13].