Лекция № 3 занятие №3. Электрические характеристики антенн

План занятия:

1. Классификация и основные электрические характеристики антенн.

2. Помехи радиосвязи. Влияние ядерных взрывов на распространение радиоволн.

1. Классификация и основные электрические характеристики

антенн.

Антенные устройства являются неотъемлемой принадлежностью радиотехнических средств, в том числе и радиостанций. Антенны выполняют функцию преобразования энергии токов высокой частоты в энергию электромагнитного поля при передаче и обратно при приеме.

Применяемые в радиосвязи антенные устройства принято классифицировать по следующим признакам:

- по направленности характеристик излучений и приема;

- по назначению;

- по преимущественному излучению и приему (вдоль земли или пространства);

- по рабочему диапазону;

- по способу питания;

- по диапазонным свойствам

А) По назначению антенны подразделяются на передающие, приемные и приемопередающие.

Все характеристики антенн одинаковы при приеме и передачи, поэтому любую передающую антенну можно использовать как приёмную. В то же время не все приёмные антенны можно использовать при передаче из-за малых размеров и высоты установки, из-за ограничений по допустимому напряжению.

Для приемно-передающих радиостанций малой мощности, как правило, применяют антенны, работающие как приёмно-передающие. Такие антенны нашли применение при работе в движении. Специальные передающие антенны применяются для мощных передатчиков, а на приемных узлах применяются антенны, рассчитанные только для приёма. Радиостанции средней и большой мощности для работы на стоянке комплектуются несколькими типами передающих и приёмных антенн.

Б) По направленности характеристик излучения (приема) антенны делятся на направленные и направленные в той или иной плоскости. Диаграммы направленности определяют степень концентрации энергии, излучаемой (принимаемой) антенной в заданном направлении. Направленные антенны более сложны по устройству и громоздки в сравнении с направленными.

В) По преимущественному излучению и приему антенны делятся на три группы: антенны для связи поверхностной (земной) волной, антенны для связи пространственной (ионосферной) волной и антенны комбинированного излучения. Все антенны излучают энергию обоими типами волн, поэтому указанное деление осуществляется по преимущественному излучению того или иного вида.

Г) По рабочему диапазону частот.

Рабочий диапазон частот является определяющим при выборе электрических характеристик и конструктивных элементов антенн. Размеры антенн тесно связаны с длиной волны излучаемого высокочастотного сигнала.

Д) По диапазонным свойствам антенны делятся на широкодиапазонные и узко-диапазонные. Широкодиапазонными называют антенны, допускающие работу в относительно широком диапазоне частот без резкого ухудшения основных характеристик.

Е) По способу питания различают симметричные и несимметричные антенны. Симметричные антенны по своей конструкции имеют зеркальную симметрию двух частей и получающие питание в месте разрыва противофазными токами. Антенны не удовлетворяющие этим требованиям называются несимметричными.

Основные характеристики антенн.

Частоту колебание напряжения (тока) генератора определяют параметры колебательного контура, состоящего из конденсатора и катушки индуктивности.

Если в таком контуре начать раздвигать пластины конденсатора дальше и дальше друг от друга и при этом увеличивать их поверхность для сохранения первоначальной ёмкости, получится контур, в котором роль конденсатора играют два проводника. Катушка индуктивности может быть заменена прямым проводом соответствующей длины. В результате этого весь контур превращается в два прямолинейных провода, то есть в открытый колебательный контур.

а б в г д е

Сравнение замкнутого и открытого колебательных контуров а. - замкнутый контур; б. и в. -превращение замкнутого контура в открытый; г.-симметричный вибратор; д.-открытый колебательный контур; е. - распределение тока и напряжения вдоль симметричного вибратора.

Как и обычный колебательный контур, открытая колебательная система обладает резонансной частотой. Следовательно, в отличие от контура с сосредоточенными параметрами, открытый колебательный контур обладает жесткой связью геометрических размеров проводника с длиной волны. Так как ёмкость и индуктивность распределены по всей длине антенны, то ток и напряжение распределяются вдоль провода неравномерно, а собственная длина волны или собственная частота определяется длиной провода антенны. Поэтому самую большую величину тока в антенне возбуждают высокочастотные колебания, равные по величине частоте собственных колебаний антенны. В этом случае в антенне возникает явление электрического резонанса токов.

Антенные устройства обладают и целым рядом электрических характеристик.

Входное сопротивление антенны. Входным сопротивлением антенны называют сопротивление, которое имеет антенна при подключении к выходным зажимам передатчика.

Входное сопротивление антенны состоит из двух частей: входного активного сопротивления R_а и входного реактивного (индуктивного или ёмкостного) сопротивления Х_а:

Z_а = Rа + jX_а

Так как антенна обладает определенной ёмкостью и индуктивностью, то, следовательно, её реактивное сопротивление будет зависеть от рабочей частоты. Поэтому входное активное и реактивное сопротивления являются важными характеристиками передающей антенны.

Коэффициент полезного действия. Полученную от передатчика электрическую энергию антенна излучает в окружающее её пространство, то есть преобразует в энергию электромагнитных волн. Это преобразование энергии происходит с определенным коэффициентом полезного действия, показывающим, какая доля полученной от передатчика энергии переменного тока высокой частоты преобразуется в энергию электромагнитных волн.

n_а = PE/P_А * 100

где,

n_а - КПД антенны в процентах ;

PE - мощность, излучаемая антенной ;

P_А - мощность, поступающая в антенну от передатчика.

Ширина полосы пропускания антенны - полоса частот, в которой антенна сохранят достаточно высокие эксплуатационные свойства.

Диаграмма направленности передающей антенны показывает зависимость напряженности поля, создаваемого антенной, от направления. При приеме диаграмма направленности такая же, как и при передаче. Диаграммы направленности KB антенн обычно определяют в двух плоскостях: горизонтальной и вертикальной. Шириной диаграммы направленности (главного лепестка) называют угол между направлениями, в которых излучаемая мощность уменьшается вдвое (а напряженность поля - в 1,41 раза) по сравнению с максимальным значением.

Вертикальная плоскость

Коэффициент направленного действия (D) передающей антенны показывает, вo сколько раз мощность, излучаемая антенной в главном направлении, больше мощности, излучаемой (при одинаковой подводимой мощности) в этом же направлении антенной, имеющей сферическую диаграмму направленности.

Коэффициент усиления антенны ( G ) меньше её КПД и определяется учетом её КПД:

G = D * n_а

где, D – КПД.