Тема 7 Общие сведения об антеннах. Простейшие антенны

(6/2/2/2 часа)

План лекции

1. Основные характеристики антенн

2. Симметричный и несимметричный вибраторы

3. Типы антенн

Антенной называется устройство, предназначенное для излучения или приема радиоволн. Антенны обладают свойством обратимости. Передающая антенна предназначена для преобразования энергии токов высокой частоты в энергию электромагнитных волн, свободно распространяющихся в окружающем антенну пространстве. Приемная антенна предназначена для обратного преобразования. Основные параметры антенн сохраняются при использовании ее как для передачи, так и для приема. Изотропной называется антенна без потерь, излучающая равномерно во все стороны. Реальные антенны анизотропны.

Входное сопротивление. Определяется напряжением и током на входных клеммах антенны:

Для создания в фидере режима бегущей волны необходимо, чтобы это сопротивление было чисто активным и равным волновому сопротивлению фидера.

Направленность антенны. Это способность антенны излучать электромагнитные волны в определенных направлениях. Об этом свойстве антенны судят по характеристике направленности, показывающей зависимость интенсивности излучаемого антенной поля от направления на точку наблюдения - где углы и определяют точку наблюдения. Графическое представление этой характеристики называют диаграммой направленности (ДН) антенны. Пространственная ДН (рис. 1) является поверхностью объема и может иметь несколько максимумов.

Рисунок 1 – Пространственная диаграмма направленности антенны

Характеристики направленности антенн, излучающих линейно поляризованные волны, рассматривают практически в двух взаимно перпендикулярных сечениях, лежащих в плоскостях электрического Е и магнитного Н векторов, проходящих через максимум ДН (рис. 2).

Н

Е

Рисунок 2 – Пространственная ДН, рассеченная плоскостями Е и Н

В стационарных антеннах ДН рассматривают в вертикальной и горизонтальной плоскостях, изображают в полярной (рис. 3,а) или прямоугольной (рис. 3,б) системе координат.

2 2 0,707

а) б)

Рисунок 3 – Определение ширины ДН в полярной (а) и прямоугольной (б) системах координат

Часть ДН, которая находится внутри области, ограниченной двумя соседними направлениями минимального излучения, называется лепестком ДН антенны. Лепесток ДН, в пределах которого антенна имеет максимальное излучение, называется главным. Лепесток, направление которого по отношению к главному составляет угол, равный или близкий к называется задним. Остальные лепестки называются боковыми.

Угол между двумя направлениями лепестка, на границах которого напряженность поля уменьшается до от напряженности поля в направлении максимального излучения, называется шириной ДН антенны. Чем меньше длина волны, тем проще получить узкую (острую) ДН. Если ДН широкая, то антенна обладает слабой направленностью. Свойство антенны излучать и принимать сигнал преимущественно в направлении корреспондента позволяет уменьшить воздействие помех с других направлений.

Коэффициент направленного действия D (КНД) показывает, на сколько хорошо антенна концентрирует излучаемую энергию в одном направлении. Для этого поле, создаваемое реальной антенной, сравнивается с полем абсолютно ненаправленной (изотропной) антенной, излучающей такую же мощность, что и реальная антенна (рис. 4).

Рисунок 4 – ДН ненаправленной и направленной антенн

Коэффициент D вычисляется как отношение квадрата напряженности поля, создаваемого антенной в главном направлении, к среднему значению квадрата напряженности поля по всем направлениям или как отношение плотности потока мощности, излучаемого в главном направлении к плотности потока, создаваемого ненаправленной антенной при равных мощностях излучения :

где напряженность поля, созданного ненаправленной антенной, при равных мощностях излучения; напряженность поля, созданного на расстоянии направленной антенной в главном направлении; мощность излучения.

Численно значение КНД показывает, во сколько раз необходимо уменьшить мощность излучения при замене ненаправленной антенны направленной для сохранения прежней напряженности поля в главном направлении. Находясь в поле электромагнитной волны, приемная антенна поглощает часть ее энергии и посредством фидера передает в приемник, являющийся для антенны нагрузкой. Эффективной площадью приемной антенны называется эквивалентная площадь, с которой может быть отдана максимальная мощность радиоволны в согласованную нагрузку:

Эффективная площадь связана с физической площадью раскрыва антенны коэффициентом использования поверхности раскрыва следующим соотношением:

Если в раскрыве антенны поле синфазно, то Если в раскрыве антенны амплитуды или фазы поля неодинаковы, то

Действующей длиной передающей антенны называют длину излучателя с равномерным распределением тока, который в главном направлении создает такую же напряженность поля, как и реальная антенна. Действующей длиной приемной антенны называют отношение ЭДС в антенне, наведенной радиоволной, приходящей с направления главного лепестка ДН , к напряженности поля в точке приема:

Излучаемая мощность – мощность электромагнитных волн, излучаемых антенной в свободное пространство, эту мощность вычисляют через активное сопротивление излучения : где эффективный ток на входе антенны.

Подводимая к антенне мощность частично излучается и частично бесполезно теряется на нагрев проводников и изоляторов антенны, в земле и окружающих предметах. Сопротивление излучения является полезным активным сопротивлением, имеет сложную зависимость от длины антенны, ее формы и рабочей длины волны.

Коэффициентом полезного действия антенны называют отношение излучаемой мощности к подводимой

где сопротивление потерь.

Коэффициент усиления антенны вычисляется как произведение КНД антенны на ее КПД (в диапазоне СВЧ):

Этот коэффициент является одним из определяющих параметров передающих антенн. Он показывает, во сколько раз нужно уменьшить мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с эталонной, чтобы напряженности поля в главном направлении были одинаковыми.

Рабочий диапазон антенны – это область частот (или длин волн), в пределах которого параметры антенны не выходят из заданных пределов. Диапазон антенны определяют относительно средней частоты или коэффициентом перекрытия диапазона Антенны со значением называются узкополосными, при широкополосными, при широкодиапазонными и при частотно-независимыми. Область частот называется полосой пропускания.

Сложные антенны состоят из простейших вибраторов. Различают симметричные и несимметричные вибраторы. Симметричные вибраторы представляют собой симметричные системы проводников, к смежным концам которых подводится фидер. Несимметричные вибраторы – это системы проводников, расположенных над проводящей поверхностью, соединенных с фидером, второй вывод которого соединяется с проводящей поверхностью (например, заземлением, противовесом или корпусом объекта). Заземление представляет собой проводник или группу проводников, которые обеспечивают соединение земли с одним из выводов выхода радиопередатчика (входа радиоприемника), ко второму выводу которого подключается антенна. Противовесом называют проводник или группу проводников, изолированных от земли, подсоединяемых к одному из выводов выхода радиопередатчика (входа радиоприемника), ко второму выводу которого подключается антенна.

Симметричный вибратор. Простейший симметричный вибратор состоит из двух одинаковых цилиндрических проводников, между которыми включается линия, соединяющая вибратор с генератором (передатчиком или приемником). Симметричный вибратор (рис. 5) можно рассматривать как двухпроводную линию, разомкнутую на конце.

L

Рисунок 5 – Симметричный вибратор

Но в отличие от обыкновенной линии, которая является неизлучаемой системой, симметричный вибратор излучает электромагнитные волны. Уравнения для распределения напряжения и тока вдоль симметричного вибратора в точках, отстоящих на расстояние от ее концов имеют вид:

где максимальные значения (пучности) напряжения и тока; волновое число.

Напряжение на концах симметричного вибратора имеет максимальное значение и изменяется от конца вибратора к точкам питания по косинусоидальному закону. Ток на концах вибратора равен нулю и изменяется вдоль вибратора по синусоидальному закону. Положение узлов тока вдоль вибратора совпадает с пучностями напряжений, а положение пучностей тока совпадает с узлами напряжений (рис. 6).

х λ 0,75λ 0,5λ 0,25λ

kx 2π 1,5 π π 0,5 π

Рисунок 6 – Распределение тока и напряжения вдоль линии

Напряжение и ток сдвинуты по фазе на В симметричном вибраторе устанавливается режим стоячей волны. При расчете антенн и линий пользуются понятиями электрической и относительной длины. Электрической длиной называют произведение длины линии или плеча вибратора на волновое число:

или

Электрическая длина измеряется в градусах. Относительной длиной называют отношение или

Характеристики направленности симметричных вибраторов разной длины различны. Для короткого вибратора ( ) ДН определяется следующим выражением:

где множитель нормированной характеристики направленности.

Для полуволнового вибратора (полная длина которого равна длина плеча электрическая длина ) множитель характеристики направленности определяется как:

Для одноволнового вибратора (полная длина которого равна длина плеча электрическая длина ) множитель характеристики направленности определяется как:

Из-за ухудшения направленных свойств длинных вибраторов на практике длину плеча выбирают из условия Полуволновой вибратор рассматривают как эталонный, так как он является резонансным (реактивная составляющая его входного сопротивления равна нулю). Полуволновой вибратор ( Ом) хорошо согласуется с коаксиальной линией, имеющей волновое сопротивление 75 Ом. Действующая дина полуволнового вибратора:

Одноволновый вибратор также является резонансным, его Ом. Для определения волнового сопротивления вибраторов используют следующие формулы ( радиус симметричного вибратора):

при

при

Поскольку фазовая скорость в вибраторе меньше скорости распространения волны в свободном пространстве (длина волны в вибраторе меньше длины в свободном пространстве ), то размеры резонансных вибраторов должны быть короче или Для расчета вибраторов вводится понятие коэффициента укорочения волны:

Для полуволнового вибратора длина плеча для одноволнового Коэффициент направленного действия полуволнового вибратора одноволнового Полоса пропускания полуволнового вибратора:

где резонансная частота.

Несимметричный вибратор. Такой вибратор (рис. 7,а) аналогичен симметричному вибратору, но функции второго плеча выполняет проводящая поверхность.

а) б)

Рисунок 7 – Несимметричный вибратор

Характеристика направленности несимметричного вибратора в вертикальной плоскости (рис. 7,б) определяется согласно соотношению:

где угол между поверхностью земли и направлением в точку наблюдения; волновое число; длина вибратора.

Несимметричный вибратор имеет максимальное излучение вдоль поверхности земли, такие вибраторы целесообразно использовать при связях поверхностной волной. При плохой проводимости почвы поверхность земли является плохим экраном и значительная часть энергии электромагнитной волны проникает в землю. В результате напряженность поля вдоль земли с расстоянием уменьшается, максимум излучения наблюдается под большим углом к горизонту (штриховая линия, рис. 7,б). В горизонтальной плоскости несимметричный или вертикальный вибратор излучает равномерно по всем направлениям.

Действующая длина вертикального вибратора вдвое меньше, чем симметричного вибратора:

Для получения равных токов напряжение питания несимметричного вибратора, приложенное между вибратором и землей, должно быть вдвое меньше напряжения, приложенного между плечами симметричного вибратора. Поэтому волновое сопротивление, сопротивление излучения и входное сопротивление несимметричной антенны меньше аналогичных сопротивлений симметричной. Волновое сопротивление несимметричной антенны радиусом :

при

при

Все антенны можно разбить на несколько больших групп: линейные, апертурные, антенные решетки.

Линейные антенны (проволочные или вибраторные) представляют собой тонкий (по сравнению с длиной волны) проводник, в котором возбужден высокочастотный электрический ток. К таким антеннам относятся:

• симметричные антенны - симметричный вибратор (рис. 8,а), V-образная (уголковая) антенна (рис. 8,б), ромбическая антенна (рис. 8,в);

• несимметричные антенны - вертикальный штырь (несимметричный вибратор), Т-образная, Г-образная и другие антенны.

Эти антенны используются в широком диапазоне волн, но обладают слабой направленностью.

а)

б)

R _нагр

в)

Рисунок 8 – Примеры линейных антенн

Более высокими направленными свойствами обладают апертурные антенны, характерная особенность которых в том, что в них можно выделить некоторую ограниченную поверхность – апертуру или раскрыв антенны, через которую проходит весь поток излучаемой мощности. К этому классу антенн относятся:

• открытый конец волновода;

• зеркальные антенны (рис. 9,а);

• рупорно-параболические (рис. 9,б);

• линзовые и другие типы антенн.

Размеры апертуры у этих антенн во много раз превышают рабочую длину волны, поэтому они используются на волнах, длина которых меньше 1м, КНД таких антенн достигает На рисунке 9 представлены два типа антенн.

Зеркало

Облучатель

Фокус параболы Рупор

а) б)

Рисунок 9 – Примеры апертурных антенн

Антенная решетка состоит из большого числа однотипных излучателей, определенным образом расположенных в пространстве и возбуждаемых от одного генератора или нескольких когерентных. Многоканальность устройства обеспечивает возможность управления амплитудами и фазами отдельных элементов решетки, а в результате – управления ДН всей системы. На базе антенных решеток строятся системы с пространственно-временной обработкой сигналов, что расширяет функциональные возможности антенно-фидерных устройств. Такие решетки практически можно использовать в любом диапазоне волн.

Рекомендуемая литература [1,2,3,4,7,12,13,15,16,17,18 ]

Контрольные задания для СРС (темы 3,6,7)

1. Особенности распространения радиоволн. Зоны Френеля [8,13,15,16 ]

2. Виды искажений и помех в волоконно-оптических линиях связи [1,2,3,4,6, 8,13,14]

3. Антенны СВЧ диапазона [7,8,13,15,16,17,18]

4. Задачи № 3 [1, практ.задание 1], № 1 [1, практ.задание 2], № 1,2 [1, практ.задание 3], № 2 [1, практ.задание 5].