Широкосмугове узгодження

Ступінчастий або плавний перехід від

до Z_c=120π=377 Ом.

Лекція 14 Антенно-фідерні пристрої

ОСНОВНІ ТЕХНІЧНІ ПОКАЗНИКИ АНТЕН

За способом використання антени розділяються на приймальні і передавальні. Приймальні антени служать для перетворення електромагнітної енергії в енергію струму високої частоти, а передавальні — для перетворення енергії струму високої частоти в енергію електромагнітного поля випромінювання.

Висота приймальної антени, що діє — це відношення е.р.с. в антені до напруженості електричного поля у місці прийому

.

Чим більше h_д, тим більше Е_а при тому ж значенні Е .

Діюча довжина антени — це параметр, використовуваний для уточнення властивостей простих антен; наприклад, антени типу «лінійний вібратор», «петлевий вібратор», «півхвильовий вібратор».

Помножуючи діючу висоту на напруженість поля в місці прийому, можна набути значення ЕРС на зажимах антени у разі, коли сигнал приходить з напряму максимального прийому.

Коефіцієнт направленої дії антени (КНД) — це відношення потужності, випромінюваною даною антеною у напрямі максимального випромінювання до потужності, що випромінюється в тому ж напрямі ненапрямленої (випромінюючою на всі боки рівномірно) антени за умови, що обидві антени мають до. п. д, рівний 100%, і до них підведені однакові потужності.

, , де

Діаграма направленості — це залежність потужності, випромінюваною (що приймається) антеною від напряму випромінювання (прийому), що характеризується кутом .

Коефіцієнт корисної дії антени характеризує втрати потужності в антені і є відношенням потужності випромінювання до суми потужностей випромінювання і втрат, тобто до повної потужності, яка підводиться до антени радіопередавальної станції від передавача:

.

Коефіцієнт посилення антени характеризує реальний виграш по потужності в навантаженні, що дається даною антеною в порівнянні з ненапрямленим випромінювачем, з урахуванням направлених властивостей антени і втрат в ній. Коефіцієнт посилення антени визначається по формулі: .

Коефіцієнт посилення антени може виражатися в децибелах

.

Коефіцієнт посилення антени тим більше, чим менше ширина діаграми спрямованості і величина заднього і бічних пелюсток. Між коефіцієнтом посилення антени і ККД існує пряма залежність:

, де ή_А - ккд антени.

Узгодження вхідного опору антени з хвилевим опором фідера характеризується коефіцієнтом хвилі, що біжить у фідері, який може набувати значень від 0 (повне розузгодження) до 1 (повне узгодження).

Потужність, що випромінюється антеною, пов'язана з потужністю, що віддається передавачем у фідер і коефіцієнтом хвилі, що біжить, наступним співвідношенням:

.

Основні вимоги, що ставляться до антен

1. Коефіцієнт корисної дії антени має бути як можна великим. Цього досягають застосуванням добре провідних матеріалів для виготовлення антени. До таких матеріалів відносяться мідь, латунь, алюміній.

2. Направлені властивості антени визначають тип антени. Якщо прийом або передача (зв'язок) повинні проводитися на всіх напрямках однаково, то антену потрібно брати ненапрямленій в горизонтальній площині. До таких антен відносяться, наприклад, кутова антена, несиметричний вібратор або вертикальний симетричний вібратор. Якщо зв'язок повинен проводитися в якому-небудь одному переважаючому напрямі , то антену потрібно брати спрямованій в цьому напрямі. Прикладом направлених антен можуть служити синфазні антени, типу «хвилевий канал» і ін.

3. Антена повинна розташовуватися по можливості високо. Прийом і випромінювання антени не повинні екранувати стіни будинків і інших споруд.

4. Конструктивно антену потрібно виконувати жорстко, щоб вона могла протистояти поривам вітру і іншим механічним діям. У цих цілях, наприклад, опору і стрілу в конструкції антен бажано робити металевою.

ОСНОВНІ ТИПИ АНТЕН

1. Колінеарна антена. 

Одним з ефективних шляхів реалізації антени вертикальної поляризації з високою спрямованістю полягає в тому, щоб формувати лінійні антенні грати, в яких комбінується декілька синфазних колінеарних випромінюючих елементів.

2. Рупорні антени

Рупорні антени дуже широкосмугові і дуже добре узгоджуються зживлячою лінією — фактично, смуга антени визначається властивостями збуджуючого хвилеводу. Для цих антен характерний малий рівень задніх пелюсток діаграми спрямованості (до -40 дБ) через те, що мале затікання

ВЧ-струмів на тіньову сторону рупора. Рупорні антени з невеликим посиленням прості конструктивно, але досягнення великого (>25 дБ) посилення вимагають застосування вирівнюючих фазу хвилі пристроїв (лінз або дзеркал) при розкриві рупора. Без подібних пристроїв антену доводиться робити непрактично довгою.

Посилення рупорної антени визначається площею її розкриву і може бути розраховано по звичайній формулі, якщо відомі площа розкриву антени і довжина хвилі:

,

де S=L_EL_H - площа розкриву антени, v=0.6….0.8 - коефіцієнт використання поверхні.

Ширина головної пелюстки ДНА (діаграма спрямованості антени) в площині H і Е:

і

3. Параболічні антени.

4. Спіральні антени.

РОЗПОВСЮДЖЕННЯ РАДІОХВИЛЬ

Під розповсюдженням радіохвилі у вільному просторі розуміється розповсюдження її в атмосфері Землі, уздовж поверхні Землі, в космічному просторі, тобто в природних умовах. На процеси вільного розповсюдження радіохвиль роблять вплив параметри середовища розповсюдження.

Радіохвилі прийнято класифікувати по двох основних ознаках: по довжині хвилі (частоті) і за способом (механізму) розповсюдження. Класифікація за першою ознакою приведена в таблиці:

Класифікація діапазонів частот:

	Назва хвилі	Діапазон хвиль	Назва частот	Діапазон частот
1	Декакилометровиє (дуже довгі).	100...10 км.	Дуже низькі	3…..30 кГц
2	Кілометрові (довгі)	10…1 км.	Низькі	30……300 кГц
3	Гектометри (середні)	1000..100 м	Середні	300…...3000 кГц
4	Декаметровиє	100…10 м	Високі	3…..30 МГц
5	Метрові	10….1 м	Дуже високі	30….300 МГц
6	Дециметрові	100…10 см	Ультрависокі	300….3000 МГц
7	Сантиметрові	10…1 см	Надвисокі	3….30 ГГц
8	Міліметрові	10….1 мм	Надзвичайно високі	30.300 Ггц
9	Децимілліметровиє	1…0,1 мм	Гіпервисокі	300.3000 Ггц

Окрім перерахованих в таблиці найменувань хвиль і смуг частот, користуються також іншими умовними назвами: наддовгі хвилі (СДХ), довгі (ДХ), середні (СХ), короткі (КХ), ультракороткі (УКХ).

За способом розповсюдження розрізняють чотири типи хвиль: прямі, поверхневі (земні), тропосферні і просторові (іоносферні). Схематично вони показані на малюнку:

1 – прямі хвилі.

2 – поверхневі хвилі.

3 – тропосферні хвилі.

4 – іоносферні хвилі.

Прямими називають хвилі, що розповсюджуються у вільному просторі, тобто в просторі, не заповненому якою-небудь речовиною, по прямолінійних траєкторіях.

Радіохвилі, що розповсюджуються в безпосередній близькості від поверхні Землі, що частково огинають опуклість земної кулі унаслідок дифракції, отримали назву поверхневих, або земних хвиль. Дифрагуючи навколо сферичної поверхні Землі, поверхнева хвиля частково поглинається напівпровідною землею, ступінь поглинання якої залежить від структури грунту (пісок, глина, камені і т. п.) і її вологості. Атмосфера Землі робить малий вплив на умови розповсюдження цієї хвилі.

На розповсюдження тропосферних і просторових (іоносферних) хвиль основний вплив робить атмосфера Землі. Під атмосферою розуміють газоподібну оболонку Землі, що тягнеться на висоту до 800... 1000 км. У ній можна виділити три основних шаруючи: тропосферу — приземний шар заввишки 10... 14 км.; стратосферу—шар до 60 ... 80 км.; іоносферу — іонізований повітряний шар малої щільності над стратосферою, перехідний в радіаційні пояси Землі.

У іоносфері можна виділити чотири шаруючи: шар D — висота 60 ...90 км., шар Е — висота по... 130 км., шар F1 — висота 200...300 км., шар F2 — висота 300...400 км. Стан іоносфери безперервно міняється, при цьому спостерігаються періодичні і випадкові зміни. Області шарів характеризуються добовою періодичністю зміни концентрації електронів і висоти розташування, причому ступінь іонізації є різним в літній і зимовий час.

Ці особливості тропосфери і іоносфери і роблять вплив на особливості розповсюдження радіохвиль. У неоднорідному середовищі із-за різних швидкостей розповсюдження хвиль в різних по властивостях об'ємах насамперед спостерігається викривлення або заломлення хвиль, яке отримало назву рефракції. Крім того, на неоднорідності відбувається розсіювання енергії радіохвиль в різних напрямах, у тому числі і у напрямку до точки прийому.

Радіохвилі, що розповсюджуються на значні відстані (до 1000 км.) за рахунок розсіяння на неоднородностях тропосфери, а також за рахунок явища тропосферній рефракції, отримали назву тропосферних хвиль. Відзначимо, що тропосфера робить вплив тільки на електромагнітні хвилі, довжина яких менше 10 м.

Радіохвилі, що розповсюджуються на великі відстані і навіть огинають земну кулю в результаті багатократних віддзеркалень від іоносфери і поверхні землі (у діапазоні хвиль довше 10 м), а також хвилі, що розсіваються на неоднородностях іоносферу (у діапазоні коротше 10 м), отримали назву просторових, або іоносферних хвиль.

Механізм розповсюдження, а отже, і тип хвилі, що розповсюджується, визначається конкретними умовами на трасі і частотним діапазоном. Розрахунок розповсюдження радіохвиль зводиться до визначення напруженості поля в точці прийому при заданих потужностях випромінювання, відстані, трасі проходження хвиль, довжині хвилі і так далі.