21. Назначение, классификация, основные характеристики антенн

Одним из основных составных элементов любого радиотехнического устройства являются антенны. Передающая антенна под воздействием ВЧ токов и полей, сосредоточенных в выходных цепях передатчика создает в пространстве электромагнитное поле в виде электромагнит­ных волн. В свою очередь, приемная антенна под воздействием поля приходящей электромагнитной волны создает ток, сосредоточенные во входных элементах приемника, то есть устройства, предназначенные для излучения и приема электромагнитных волн, называются антеннами.

Простейшей антенной является элементарный электрический ди­поль, то есть короткий отрезок провода, нагруженный на концах на со­средоточенные емкости и обтекаемый переменным током. Такой ди­поль на большом в сравнении с длинной волны расстоянии образует в свободном пространстве пол излучения в виде электромагнитной вол­ны.

Напряженность поля волны убывает обратно пропорционально рас­стоянию.

На создание поля излучения затрачивается мощность, называемая мощностью излучения: поэтому по отношению к генератору антенна играет роль нагрузки, поглощающей мощность. Это свойство антенны характеризуется величиной сопротивления излучения, равного отноше­нию мощности излучения к квадрату действующего значения тока.

При работе на длинных, средних и коротких волнах антенны строят­ся в виде системы проводов, подвешиваемых на мачтах на определен­ную высоту над землей.

В настоящее время для радиосвязи и для других целей применяются конструкции, существенно отличающиеся от проволочных антенн.

Широко применяются передающие антенны, концентрирующие из­лучение в определенном направлении, а приемные - осуществляющие прием с одного определенного направления, то есть так называемые направленные антенны.

Развитие телевидения, частотной и импульсной модуляции потребо­вали создания широкодиапазонных и диапазонных антенн.

Особые типы антенн возникли и возникают в связи с освоением диа­пазона дециметровых и сантиметровых волн, развитием разносторон­ней связи, радиолокации, в связи с освоением космического простран­ства, полетом космических объектов к другим планетам.

Антенны, применяемые в настоящее время, можно классифициро­вать:

1.  по назначению

2.              по диапазону использования

3.              по диапазонным свойствам

4.              по принципу действия и построения

5.              но свойствам направленности излучения и приема

6.              по способу использования

По назначению различают антенны:

•         передающие

•         приемные

•         приемно-передающие

•         антенны для радиосвязи

•         антенны для радиорелейной связи

•         антенны для тропосферной связи и т.д.

По диапазону использования различают:

•         длинноволновые

•         коротковолновые

•         метровые

•         дециметровые

•     сантиметровые

По диапазонным свойствам различают антенны:

•         узкополосные

•         широкополосные

•         частотно независимые

По принципу действия и построения различают антенны:

1.    Проволочные (или линейные, выполняемые из топких, по сравнению с их длинной и длиной волны проводников). Проволочные антенны могут быть симметричными и несимметричными, вибраторными, рамочными, спиральными, ромбическими и однопроводными. Они в основном применяются на MB, KB, СВ, ДВ и СДВ.

2.                                     Дифракционные антенны. К ним относятся: щелевые и полосковые, волноводно-рупорные, линзовые, зеркальные и антенны поверхностных волн  (стержневые  и  плоскост­ные), а также комбинированные антенны (сочетание не­скольких     типов     излучателей,     например     рупорно-зеркальные). Эти антенны используются на УКВ (в основ­ном на СВЧ и отчасти на MB).

По свойствам направленности излучателя и приема различают ан­тенны:

1.    Направленные

2.                                      Ненаправленные

Ненаправленные антенны можно разделить на антенны:

•         Кругового (равномерного) излучения вдоль земли

•         Направленного излучения вдоль земли

•         Зенитного излучения

•         Комбинированного излучения (в зенит и вдоль земли)

По способу использования различают антенны:

•         Стационарные

•         Полевые

•         Бортовые (устанавливаемые на сухопутных подвижных объ­ектах, судах, летающих и других объектах)

Радиостанции, предназначенные для обеспечения связи в соединени­ях, частях и подразделениях работают в особых условиях, что отража­ется на требованиях к антеннам и порождает их специфические конст­рукции.

Антенны военных радиостанций должны иметь ограниченные габа­риты, небольшой вес, легко устанавливаться, легко сниматься, не должны демаскировать радиостанцию и пункты управления. Для каж­дого типа станции выбирается свой оптимальный тип антенны. Поэто­му антенны военных радиостанций отличаются многообразием типов от самых простейших и малоэффективных, до высокоэффективных. В полевых условиях выбор антенны и умелое использование ее являются

важнейшими факторами, влияющими на дальность и надежность связи. Имеющаяся радиостанция, как правило, не поддается изменению в процессе эксплуатации и только выбор антенны и рабочей частоты дает возможность в конкретных условиях добиваться необходимых резуль­татов.

 Основные характеристики антенн

Функциональные свойства антенн описываются системой электриче­ских параметров, характеризующих различные стороны их работы. Эти параметры имеют определенную взаимосвязь и позволяют оценивать направленные, поляризационные, диапазонные, энергетические и шу­мовые свойства антенн.

При изучении всякой антенны необходимо рассчитывать поле излу­чения антенны, ее направленные свойства и входное сопротивление. Для определения этих параметров следует знать распределение тока и потенциала вдоль антенны.

Распределение тока и потенциала зависит от соотношения длины плеча вибратора 1 и длины волны λ, то есть так называемой электриче­ской длины вибратора ml.

 

Антенна в режиме излучения (передачи) является нагрузкой для пе­редатчика (генератора) и характеризуется входным сопротивлением Z_а, определяемым отношением амплитуд напряжения U_a и тока I_а на ее входе (или отношением комплексной мощности, развиваемой передат­чиком на сопротивлении Z_a к квадрату тока на входных зажимах ан­тенны).

Часть подводимой к антенне мощности Р _a,, расходуемой на создание электромагнитных волн, называется мощностью излучения Р_Σ.

Другая часть мощности Р_п расходуется на нагрев проводов, в изоля­торах, в земле и других источниках потерь и называется мощностью потерь в антенне.

Отношение мощности излучения Р_Σ и мощности потерь Р_п к поло­вине квадрата амплитуды выходного тока определяет сопротивление излучения R_ΣА и сопротивление потерь антенны Р_п.

Основанием для расчета вышеназванных величин (то есть мощности излучения, мощности потерь, сопротивления излучения, сопротивления потерь, реактивного сопротивления антенн) служит теорема Пойтинга.

Вектор Пойтинга (П) указывает направления распространения электромагнитной волны и по модулю равен плотности потока мощности, переносимой волной.

Правило определения направления вектора Пойтинга: если винт с правой резьбой вращать на угол 90° от вектора Е к вектору Н, то поступательное движение винта укажет направление распространения элек­тромагнитной волны.

Реактивно сопротивление Х_а обусловлено тем, что около антенны образуется связанное с ней местное электромагнитное поле, в котором запасаются средние за период колебаний энергии W_e и W_n электриче­ских и магнитных полей, разность которых и определяет сопротивление Х_а (реактивное сопротивление антенны).

При равенстве энергии электрических и магнитных полей антенна оказывается настроенной в резонанс с частотой генератора. При W_C<W_M (энергия электрического поля больше энергии магнитного поля) сопро­тивление носит индуктивный характер (Х_а<0), при W_e>W_n (энергия магнитного поля больше энергии электрического) - емкостной (Х_а>0).

Для того, чтобы передатчик отдавал в антенну максимальную мощ­ность, необходимо обеспечить выполнение условий согласования ан­тенны и передатчика.

R_a=R_a,    X_a+X_г=0

Это согласование (трансформацию реактивного сопротивления ан­тенны к внутреннему сопротивлению генератора, то есть передатчика) и компенсация реактивного сопротивления антенны осуществляется с помощью элементов связи и настройки, образующих вместе с антенной антенный контур, называемый также САУ. Другим назначением САУ является фильтрация (подавление) колебаний поточных частей генера­тора. САУ помещается в передатчик или отдельно около антенны.

Эффективность антенны как преобразователя ВЧ энергии в энергию ЭМВ определяется ее коэффициентом полезного действия. Потери мощности передатчика в антенном контуре зависит о сопротивления потерь.

Создаваемое антенной в дальней зоне электромагнитное поле харак­теризуется амплитудой, поляризацией и фазой вектора электрической напряженности Е, который зависит от расстояния и направления излу­чения. Зависимость амплитуды напряженности поля от направления в пространстве на одинаковом достаточно большом расстоянии от антен­ны называется характеристикой направленности.

Графическое изображение характеристики направленности называют диаграммой направленности. Часто термины диаграмма направлен­ности и характеристика направленности используют как синонимы. Для построения диаграммы направленности обычно используют полярную или прямоугольную систему координат. Так как построение пространственной диаграммы направленности в виде поверхности, точки кото­рой удалены от начала координат затруднительно, на практике ограничиваются изображением ее наиболее характерных сечений двумя плос­костями, проходящими через максимум излучения.

Для антенн с линейной поляризацией в направлении максимума из­лучения в качестве сечений берут плоскость, в которой расположен вектор Е (диаграмма направленности в Е-плоскости), и плоскость, со­держащую вектор Н (диаграмма направленности в FI-плоскости).

Для антенн, расположенных на земле, строят диаграмму направлен­ности в вертикальной плоскости, а в качестве диаграммы направленно­сти в горизонтальной плоскости принимают угол возвышения макси­мума излучения.

В диаграмме направленности антенны различают главный и боковой лепестки, уровень которых определяют по отношению к главному.

Поляризация излучения антенны полностью определяется ее поляри­зационным коэффициентом (фазором), зависящим от угловых коорди­нат при фиксированном расстоянии от антенны.

Фазор определяет следующие характеристики поляризации:

•         Плоскость поляризации (по отношению к вектору Е), которая может быть вертикальной и горизонтальной, меридиональной и азимутальной, в зависимости от расположения антенны от­носительно земли и объекта

•         Вид поляризации, которая может быть нелинейной, круговой, эллиптической и правым или левым вращением плоскости поляризации.

Для оценки свойства антенны концентрировать излучение в опреде­ленном направлении используют коэффициент направленного действия (КНД), определяемый отношением мощности излучения воображаемой ненаправленной антенны Р_Σ0 и данной антенны Р_Σ, создающих в на­правлении максимума излучения на одинаковом расстоянии равные на­пряженности поля.

Для более полной оценки энергетической эффективности антенны вводят коэффициент усиления (КУ), который показывает во сколько раз надо изменить мощность, подводимую к данной антенне по сравнению с мощностью, подводимой к ненаправленной антенне без потерь (Р_А0 = Р _Σ0 ), чтобы получить одинаковые напряженности поля на равных расстояниях.