Раздел 2. Антенно-фидерные устройства.

1. Назначение антенн и их общая характеристика.

Любая радиотехническая установка, предназначенная для излу­чения или приема радиоволн, содержит антенну.

На рис. 1.1 показана простейшая структурная схема прохождения радиосигнала от передатчика до приемника. Модулированные коле­бания, возбуждаемые передатчиком 1, поступают в передающую ан­тенну 2, которая после соответствующего преобразования излучает их в форме электромагнитных волн 3. Излученные волны проходят че­рез промежуточную среду 4, и часть из них 5 достигает места располо­жения приемной радиостанции. В приемной антенне 6 под действием электромагнитных волн индуци­руются токи высокой частоты, энергия которых используется для воздействия на радиоприемник 7.

Таким образом, передающую антенну можно определить как устройство, предназначенное для излучения электромагнитных волн. Приемной антенной называется устройство, служащее для приема электромагнитных волн с целью использования информации, пере­носимой этими волнами.

Рис. 1.1. Структурная схема про­хождения радиосигнала от передат­чика до приемника.

Антенные устройства играют в радиотехнике важную роль, так как основным отличительным признаком радио является наличие из­лучения или приема радиоволн. Само слово «радио» происходит от греческого слова «излучать».

Требования, предъявляемые к антенне, различны в зависимости от назначения радиостанции. Так, например, в случае работы радиове­щательной станции, обслуживающей определенный район, в центре которого она расположена, передающая антенна, как правило, должна создавать равномерное излучение во все стороны, то есть должна быть не направленной в горизонтальной плоскости. С другой стороны, антенна, например, радиолокационной станции, должна концентрировать излу­чение в малом телесном угле, то есть должна быть остронаправленной. К приемной антенне часто предъявляется также требование направ­ленного действия, то есть требование более эффективного, приема волн, приходящих с определенных направлений. Пространственная избира­тельность приемной антенны наряду с частотной избирательностью и применением специальных фильтров в радиоприемнике является дей­ственным средством борьбы с внешними помехами, естественными и ис­кусственными. Таким образом, наряду с требованием эффективного из­лучения или приема радиоволн к антенне предъявляется требование определенного распределения в пространстве потока мощности излу­чаемых волн.

Антенна излучает электромагнитные волны, распространение кото­рых связано с переносом определенной мощности (или энергии). Одна­ко для сокращения говорят, что «антенна излучает мощность», или «антенна излучает энергию». В дальнейшем мы также будем иногда употреблять эти выражения, имея в виду их условный смысл.

Антенны можно классифицировать по различным признакам. На первый взгляд может показаться удобным разделить все антенны по характеру их использования на две группы: передающие и приемные. Однако, как будет видно из дальнейшего, между свойствами передаю­щих и приемных антенн существует вполне определенная связь, сле­довательно, не имеет смысла изучать эти антенны раздельно. Можно также отметить, что на многих радиостанциях, например радиолока­ционных, одна и та же антенна одновременно служит как для переда­чи, так и для приема. Поэтому основное внимание уделяется изучению теории передающих антенн. Теория приемных антенн развивается главным образом на основании рассматриваемого далее принципа взаим­ности. Часто принято классифицировать антенны по диапазонам волн. Для коротких и более длинных волн характерным является применение антенн из проводов сравнительно небольшого поперечного сечения (ли­нейных проводников). Для дециметровых и более коротких волн приме­няются антенны, у которых токи протекают по проводящим поверх­ностям, имеющим большие размеры по сравнению с длиной волны. Ука­занные группы антенны существенно различаются как по методам их изучения, так и по конструкции.

Можно также классифицировать антенны по характеру излучаю­щих элементов и делить их на антенны с линейными токами и антенны апертурные, излучающие через свой раскрыв — апертуру. Более под­робно вопрос о классификации антенн рассматривается во введении к ч. II.

Прежде чем приступить к детальному изучению антенно-фидерных устройств, целесообразно ознакомиться в общих чертах с практичес­кими формами и принципом устройства некоторых простейших типов антенн.

На рис. 1.2 показана Т-образная антенна и ее электрическая схема. Антенна называется Т-образной потому, что по форме своей напоминает букву Т. На рис. 1.3 показано, как замыкаются токи в антенне с про­тивовесом в виде системы проводов в ее основании. Стрелками показано направление токов для некоторого момента времени. От источника э.д.с. в основании антенны токи проводимости идут вверх по проводу антенны и далее разветвляются в горизонтальной части антенны; они замыкаются через емкость между проводами антенны и противовесом, как показано на рисунке пунктирными линиями. Эти токи большей частью (на 60-70%) подводятся через противовес к нижнему «заземлен­ному» за₁жиму генератора, а частично замыкаются через почву. Токи антенны определенным образом связаны с возбуждаемым электромаг­нитным полем. На рисунке не показаны силовые линии электрического поля, относящегося к электромагнитным волнам на большом расстоя­нии от антенны. Излучение такой вертикальной антенны обычно мак­симально в горизонтальной плоскости. В пределах этой плоскости на­пряженность поля не зависит от направления.

Рассмотренная антенна является примером антенны, которая широко используется на длинных, средних и коротких волнах. Эта антенна относится к группе несимметричных антенн, характеризующихся тем, что один из ее зажимов соединяется с заземлением или противовесом и имеет нулевой потенциал.

Рис. 1.2. Т-образной антенна (а) и ее электрическая схема (б).

Рис. 1.3. Пути тока в Т-образной пере­дающей антенне с противовесом.

На рис. 1.4 показан пример антенны в виде симметричного вибра­тора, называемого иногда диполем. Эта антенна является весьма распространенной в диапазоне коротких и ультракоротких волн и при­меняется как самостоятельная антенна, а также как элемент, входящий в состав более сложных антенн.

Рис. 1.4. Симметричный вибратор (ди­поль). Стрелками показано направление токов для некоторого момента времени.

Рис. 1.5. Рупорная антенна, энергия к которой подводится с помощью от­резка волновода.

Подобный вибратор представляет собой отрезок провода, питаемый в середине от источника э.д.с. высокой частоты. Роль источника э.д.с. на рис. 1.4 играет отрезок фидерной линии, возбуждаемой соответст­вующим генератором. Общая длина вибратора во многих случаях берется равной приблизительно половине длины волны. Излучение полуволнового вибратора получается максимальным во всех направ­лениях, перпендикулярных оси вибратора.

На рис. 1.5 показана рупорная антенна, являющаяся примером антенны, используемой в диапазоне сверхвысоких частот. Энергия к антенне подводится с помощью отрезка волновода, возбуждаемого в своем начале вертикальным штырьком. Открытый конец волновода сам по себе может служить источником излучения электромагнитных волн. Применение рупора на конце волновода делает излучение более направленным. Максимум излучения обычно получается в направле­нии, перпендикулярном плоскости раскрыва рупора, которую назы­вают апертурой.

Действие рупора, концентрирующего излучение, несколько напоми­нает действие акустического рупора. Однако в акустическом рупоре размеры малого сечения могут быть намного меньше длины звуковых волн, в то время как размеры малого сечения радиорупора должны быть соизмеримы с дли­ной излучаемых волн. По этой причине ру­порные антенны практически широко приме­няются главным образом в диапазоне сверх­высоких частот. Степень направленного дей­ствия рупорной антенны определяется харак­тером распределения амплитуд и фаз электро­магнитного поля в плоскости раскрыва ру­пора, а также формой и размерами самого рупора. Помимо концентрации излучения волн, рупор создает также плавный переход от волновода к свободному пространству и тем самым значительно снижает отражение волн от открытого конца волновода.

Рис. 1.6. Антенна с пара­болическим рефлектором.

На рис. 1.6 изображена другая антенна СВЧ, так называемая зеркальная антенна с параболическим отражателем. Такая антенна состоит из металлического отражателя 1 и облучателя, в состав кото­рого входит вибратор 2 и контррефлектор 3. Вибратор питается коак­сиальным фидером 4 через переходное симметрирующее устройство 5. Отражатель играет роль зеркала, применяемого в световых прожектор­ных установках. Облучатель, фазовый центр которого помещается в фокусе параболоида, возбуждает на внутренней поверхности отра­жателя токи, создающие в плоскости раскрыва синфазное электромаг­нитное поле. Этот раскрыв антенны (апертуру) можно рассматривать как источник излучения волн с максимумом вдоль оси параболоида. Степень концентрации излучения такой антенны зависит главным об­разом от соотношения между диаметром раскрыва зеркала и длиной волны. Подобные антенны широко применяются в диапазоне сверхвы­соких частот. При этом на сантиметровых волнах вместо коаксиального фидера целесообразнее применять волновод, переходящий в облучатель в виде какой-нибудь слабонаправленной антенны, например в виде не­большого рупора.

Мы рассмотрели в самых общих чертах устройство простейших ти­пов антенн. В радиотехнической аппаратуре можно встретить как указанные, так и более сложные антенные устройства. На рис. 1.7 по­казан внешний вид нескольких типов антенн УКВ.

Рис. 1.7. Ультракоротковолновое антенны:

а - дискоконусная антенна на диапазон 215-420 МГц; б - директорная антенна; в - антенна с параболическим зеркалом дециметрового диапазона; г - зеркальная ан­тенна сантиметрового диапазона (для двух поляризаций поля);

д - приемная и передаю­щая антенны и высокочастотный блок аэродромного радиолокатора 8-мм диапазона.

Рис. 1.8. Примеры фидерных линий:

а - двухпроводная воздушная линия; б - коаксиальная (концентрическая) линия; в - волновод прямоугольного поперечного сечения.

При разработке антенн приходится решать довольно сложные за­дачи повышения эффективности их работы, создания требуемой кон­центрации излучения в определенных направлениях в пространстве, обеспечения требуемой поляризации электромагнитного поля и т.д.

Неотъемлемой частью большинства радиотехнических устройств являются фидерные системы, предназначенные для канализации электро­магнитной энергии и, в частности, служащие для соединения антенн с передатчиками или приемниками. На коротких и более длинных вол­нах обычно применяются открытые проволочные линии и реже - экранированные линии; на дециметровых волнах, как правило, при­меняются экранированные несимметричные (коаксиальные) и симмет­ричные линии; на волнах короче 10 см используются волноводы раз­личных типов (рис. 1.8).

При конструировании антенно-фидерных устройств встает задача согласования антенны с фидером, а также элементов фидерного тракта между собой. Решение этой задачи на фиксированной частоте или в уз­кой полосе частот обычно не представляет больших трудностей. Однако ее решение сильно усложняется при расширении полосы частот радио­аппаратуры, особенно в фидерных системах с большим числом неоднородностей.

Повышение мощности радиопередающих устройств приводит к зна­чительным трудностям, возникающим при обеспечении достаточной электрической прочности фидерных трактов, в особенности на СВЧ и при больших высотах над землей (в разреженной атмосфере).

Приведенный выше очень краткий обзор антенно-фидерных устрой­ств был сделан для того, чтобы дать некоторое общее представление о тех вопросах, которые подробнее рассматриваются далее.