2.7 Антенные системы

2.7.1 Общие сведения

Антенной называется устройство, предназначенное для излу­чения или приема электромагнитных волн. Первую задачу ре­шают передающие, вторую — приемные антенны. Благодаря при­менимости к антеннам принципа взаимности любая антенна мо­жет работать как в режиме излучения, так и в режиме приема. Это свойство часто используется на практике (например, в радио­локации, в радиорелейных линиях связи), где на передачу и прием используется одна и та же антенна.

К основным радиотехническим характеристикам антенны от­носятся диаграмма направленности (ДН), коэффициент направ­ленного действия (КНД), коэффициент усиления, коэффициент полезного действия (КПД), уровень боковых лепестков ДН и др.

Направленные свойства антенн определяются их диаграммой направленности. Диаграммой направленности называется зави­симость напряженности поля или мощности излучения, создавае­мой антенной в различных направлениях на одинаковом расстоя­нии от нее. ДН представляет собой пространственную фигуру, однако на практике суждение о диаграмме обычно ведется по ее разрезу в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Графиче­ски ДН изображается либо в полярной, либо в прямоугольной системе координат.

Сравнение диаграмм разных антенн производится по ширине главного лепестка, измеренной в градусах на уровне половинной мощности 0,5Р_макс, (что соответствует по напряженности поля 0,707 Е_макс).

ДН антенн обычно имеют главный лепесток, в пределах кото­рого концентрируется основная часть излучаемой энергии, и боко­вые лепестки, в направлении которых бесполезно излучается часть энергии. Боковые лепестки могут привести к неоднознач­ности измерения угловых координат в радиолокации и к приему помеховых сигналов с побочных направлений. Поэтому уменьше­ние уровня боковых лепестков является важной задачей.

Направленные свойства антенн характеризуются также КНД, обозначаемым буквой D. КНД называется число, показы­вающее, во сколько раз надо увеличить мощность в ненаправлен­ной антенне по сравнению с мощностью в направленной антенне, чтобы в точке пространства, расположенной на направлении мак­симального излучения, получить одинаковую напряженность поля. КНД ненаправленного излучателя равен единице. Для остронаправленных антенн D составляет сотни — тысячи.

КПД антенны μ показывает, какая часть подведенной к ан­тенне мощности, излучается в пространство. Обычно КПД антенн близок к единице. Коэффициент усиления антенны G учитывает направленные свойства антенны и потери в ней и определяется выражением

Приемные антенны характеризуются эффективной площадью, т. е. эквивалентной поверхностью, которая, будучи расположена перпендикулярно к направлению волны, поглощает столько же энергии, сколько реальная антенна. Эффективная площадь ан­тенны пропорциональна геометрической площади и составляет 30—70% ее значения для различных антенн.

2.7.2 Вибраторные антенны

Полуволновый вибратор является простейшей антенной. Диа­грамма направленности полуволнового вибратора в плоскости вибратора имеет вид восьмерки. В перпендикулярной плоскости. Вибратор направленностью не обладает, поэтому диаграмма на­правленности имеет вид окружности (рис. 2.57). Сопротивление излучения полуволнового вибратора равно 73,1 Ом.

На практике полуволновые вибраторы используются как слабонаправленные антенны в диапазонах коротких, метровых и де­циметровых волн, а также как составные элементы более слож­ных вибраторных и синфазных антенн.

Широкое применение на практике находит разновидность по­луволнового вибратора, называемого петлевым (рис. 2.57, б). Петлевой вибратор обладает широкой полосой пропускания, и его сопротивление излучения в четыре раза больше, чем у обыч­ного.

Полуволновый и петлевой вибраторы являются симметрич­ными системами, т. е. такими, у которых потенциал обоих прово­дов относительно земли одинаков. Если питание подводится ко­аксиальным фидером, являющимся несимметричной системой, то необходимо включать симметрирующее устройство. В качестве симметрирующих устройств используются симметрирующий ста­кан, U-колено и др.

Для получения большей направленности антенны (более уз­кой ДН) используют многовибраторные антенны. Разновидностью многовибраторной антенны является директорная антенна (рис. 2.58).

Директорная антенна состоит из одного активного вибратора А, получающего питание от генератора колебаний высокой час­тоты, и нескольких пассивных вибраторов—рефлектора Р и директоров Д. В качестве активного вибратора обычно исполь­зуется петлевой вибратор. Все вибраторы крепятся непосредствен­но к металлической стреле в точке, где находится узел напря­жения.

Рефлектор устанавливается сзади активного вибратора. Его длина несколько больше λ/2.

Директоры имеют длину несколько меньше λ/2 и крепятся впереди активного вибратора.

Максимум излучения директорией антенны направлен вдоль стрелы в сторону директоров (рис. 2.58, б).

Коэффициент усиления директорной антенны приближенно оценивается формулой G≈5(n+1), где п — число директоров.

Для получения высокой направленности излучения в диапа­зонах коротких и ультракоротких волн также применяются мно­говибраторные синфазные антенны, представляющие собой плос­кую решетку вибраторов, питаемых в фазе.

Длина вибраторов, а также расстояние между центрами плеч вибраторов как по горизонтали, так и по вертикали равно λ/2 (рис. 2.58, в). Для получения одностороннего излучения на уда­лении λ/4 от антенны размещают рефлектор в виде плоского сплошного или сетчатого экрана.

Ширина ДН антенны в горизонтальной плоскости определя­ется числом вибраторов в одном ряду (этаже), а в вертикальной плоскости — числом этажей и высотой подъема антенны над землей.