1.4.Антенно-фідерні пристрої
Основні поняття і визначення. Антеною називається пристрій, призначений для
випромінювання або прийому електромагнітних хвиль. Антена є необхідним елементом
будь-якого радіопередавального і радіоприймального пристрою. Антена радіопередавача,
або передавальна антена, призначена для перетворення струму високої частоти в енергію
випромінюваних нею електромагнітних хвиль. Приймальна антена, або антена
радіоприймача, фіксує електромагнітні хвилі і перетворює їх у енергію високочастотних
коливань.
Радіоканал, що складається з передавальної антени, тракту розповсюдження і
приймальної антени, можна розглядати як пасивний лінійний чотириполюсник. Якщо в
такому чотириполюснику поміняти місцями джерело ЕРС і навантаження, тобто зробити
приймальну антену передавальною, а передавальну – приймальною, то параметри системи
не зміняться. Це властивість пасивних лінійних чотириполюсників називається принципом
взаємності, з якого випливає оборотність процесів прийому і передачі. Оборотність
антен дозволяє одночасно використовувати одну і ту ж антену як передавальну і як
приймальну, що істотно підвищує техніко-економічні показники систем радіозв'язку,
особливо у системах мобільного радіозв'язку, де передавальні і приймальні пристрої
мають загальну антену для передачі і прийому.
Сукупність пристроїв, за допомогою яких енергія радіочастот підводиться від
радіопередавача до антени і від антени до радіоприймача, називається фідерним трактом,
або фідером. Конструкція фідера залежить від діапазону частот, які по ньому
передаються.
Всі антени можна розділити на дві великі групи: випромінюючі проводи і випромінюючі
поверхні. У системах радіозв'язку, що працюють на частотах до 1 ГГц, як антени
використовуються випромінюючі проводи; на вищих – випромінюючі поверхні.
Принципи дії і побудови антен. Принцип роботи антен на основі випромінюючих
проводів полягає в наступному. Якщо до двох близько і паралельно розташованих
проводів, що собою представляють довгу лінію, підключити генератор високочастотних
коливань, то поля двох однакових за значенням, але протилежно направлених струмів
взаємно компенсуються і випромінювання енергії в навколишній простір не відбувається.
При створенні антени ставиться протилежне завдання: отримання якомога більшого
випромінювання. Для цього можна використовувати ту ж довгу лінію, але розсунувши її
проводи на деякий кут, внаслідок чого їх поля не компенсуватимуться. На цьому
заснована робота V-подібних і ромбічних антен, випромінюючі проводи яких розташовані
під гострим кутом один до іншого (рис. 10, а, б), і симетричного вібратора, що
отримується при розведенні проводів на 180° (рис. 10, в).
Компенсуючу дію одного з проводів фідера можна усунути, виключивши його з
системи. Це призводить до отримання несиметричного вібратора (рис. 11, а) і на їх основі
несиметричних антен: Г-подібних і Т-подібних (рис. 11,б, в).
Рис. 10. Симетричні антени
Рис. 11. Несиметричні антени
Фідер випромінює, якщо сусідні ділянки його двох проводів обтікаються струмами,
співпадаючими по фазі, поля яких підсилюють один одного. Антени, що реалізовані на
цьому ефекті, називаються синфазними, і вони набули найбільшого поширення.
Фідер випромінюватиме, якщо відстань між проводами у деяких напрямах набуває
значної різниці ходу. Можна так підібрати відстань між проводами, що у деяких напрямах
відбудеться накладання хвиль від обох проводів. Антени, що працюють на цьому явищі,
називаються протифазними.
Розглянемо детальніше принцип роботи симетричного вібратора, що входить до складу
багатьох антен. Симетричний вібратор можна представити як довгу лінію, розімкнену в
кінці, проводи якої розсунуті на 180°.
Антену на основі симетричного вібратора називають диполем, причому залежно від
загальної довжини розрізняють півхвильовий диполь і однохвильовий диполь. Найчастіше
зустрічаються півхвильові диполі, розмір кожного плеча яких рівний λ/4, а всього диполя
– 0,5λ. Пристрій такого диполя показаний на рис. 12, а.
Розподіл струму і напруги вздовж вібратора подібний розподілу в довгій лінії,
розімкненій на кінці. Пучність струму і вузол напруги спостерігаються в середині
вібратора, в місці приєднання до нього генератора або живлячого фідера. На кінцях
вібратора, навпаки, знаходяться вузол струму і пучність напруги.
Рис. 12. Симетричний вібратор і розподіл струму і напруги
Припустимо, що полярність джерела ЕРС така, як на рис. 12, б. По проводах проходить
струм І, заряджаючий конденсатор утворений плечима вібратора. Одночасно виникає
магнітне поле Н. Після того як струм І, досягнувши максимуму, починає спадати,
зменшуючись до нуля, у плечах диполя залишаються заряди, відмічені на малюнку
плюсами і мінусами. Між плечима виникає електричне поле Е, яке показано штриховою
лінією (в даному випадку лінії поля зображені тільки між кінцями вібратора). Оскільки
струм рівний нулю, магнітне поле біля диполя зникає, а його хвиля, що раніше
утворилася, продовжує розповсюджуватись у просторі.
Далі процес повторюється, але вже у зворотному напрямку. Оскільки полярність
живлячої напруги міняється, струм протікатиме в зворотному напрямку. Заряди,
накопичені на проводах, витікатимуть, і плечі диполя перезаряджаються, тобто виникає
поле Е зворотного напрямку. Силові лінії первинного електричного поля, що відсунулися
від вібратора, тепер не закінчуються на вібраторі, а замикаються десь у просторі, як
показано на рис. 12, в.
Магнітне поле, що раніше утворилося, сумісно з електричним відходить все далі від
вібратора, розповсюджуючись в просторі. Потім у проводах з'являється струм, як і на
початку процесу, і т.д.
Випромінювання півхвильового диполя максимальне в екваторіальній площини, тобто в
площині, перпендикулярній осі диполя, яка проходить через його середину.
Випромінювання в осьових напрямах відсутнє. Хвилі, створювані такими антенами,
мають сферичний фронт.
Якщо півхвильовий вібратор розташувати вертикально, його розмір можна зменшити
удвічі завдяки провідним властивостям землі. При вертикальному розташуванні нижній
кінець антени підключається до одного із затискачів генератора електромагнітних
коливань (рис. 13, а), другий затискач генератора при цьому заземляється. Якщо
припустити, що земля є ідеальним провідником, то в ній наводиться ЕРС, яка діє як
дзеркальне зображення основного вібратора (рис. 13, б). Така антена називається
несиметричною антеною, її висота приблизно рівна λ/4. Все сказане справедливо тільки у
тому випадку, коли земля є ідеальним провідником. Коли ж земля володіє поганими
провідними властивостями, характер розподілу струму в земній поверхні змінюється.
Особливо велике значення має опір землі поблизу основи антени. Для покращення
провідності цієї ділянки застосовують металізацію землі шляхом закопування в неї
металевих листів, проводів, шляхом покращення хімічного складу ґрунту, просочуючи
його різними солями.
Рис. 13. Несиметричний чвертьхвильовий вібратор
Досвід показує, що немає потреби здійснювати повну металізацію землі, досить добре
працює система радіальних розгалужених проводів, закопаних в землю на глибину 20...50
см. Якість металізації покращується, якщо радіальні проводи з'єднуються між собою
перемичками. Часто заземлення замінюють системою проводів не заритих, а піднятих над
Землею, що називається противагою. Вона повинна досить добре екранувати антенний
провід від Землі, граючи роль добре провідної поверхні. Він зазвичай дає гірші
результати, але на пересувних радіостанціях є єдиним виходом з положення. Зазвичай як
противага використовується корпус автомобіля на якому розташовується радіостанція. Це
ж використовують при необхідності установки радіостанції на кам'янистому ґрунті.
Основні характеристики і параметри антен. Випромінююча потужність (Рвипр) –
потужність електромагнітних хвиль, що випромінюються антеною у вільний простір. Це
активна потужність, оскільки вона розсіюється в просторі, що оточує антену. Отже,
випромінюючу потужність можна виразити через активний опір, що називається опором
випромінювання
R
Pвипр
випрI2
де Ia – ефективний струм на вході антени.
a
Опір випромінювання характеризує здатність антени до випромінювання
електромагнітної енергії і якість антени краще, ніж випромінювана нею потужність,
оскільки остання залежить не тільки від властивості антени, але і від створюваного в ній
струму.
Потужність втрат (Рв) – потужність, що марно втрачається передавачем під час
проходження струму по проводам антени, в землі і предметах, розташованих поблизу
антени. Ця потужність також є активною і може бути виражена через активний опір
антени, що називається опором втрат
P
R
в
-
в2
a
Потужність в антені (Ра) – потужність, що підводиться до антени від передавача. Цю
потужність можна представити у вигляді суми випромінюваної потужності і потужності
втрат P
a
P .
Pвипр в
Коефіцієнт корисної дії (ККД) антени рівний
Pвипр
Pa
Pвипр
P
Pвипр в
Вхідний опір антени – опір на вхідних затискачах антени. Він має реактивну і активну
складові. При налаштуванні в резонанс антена представляє для генератора лише активне
навантаження і використовується найефективніше.
Спрямованість антени – здатність випромінювати електромагнітні хвилі в певних
напрямках. Про цю властивість антени судять по діаграмі направленості, яка графічно
показує залежність напруженості поля або випромінюваної потужності від напрямку.
Зазвичай користуються нормованими діаграмами направленості, для яких величини, що
характеризують напруженість поля або потужність випромінювання, виражені не в
абсолютних значеннях, а обмежуються діаграмами спрямованості у двох площинах:
горизонтальною і вертикальною.
На рис. 14, а показана діаграма направленості симетричного вібратора в горизонтальній
площині, а на рис. 14, б і в – у вертикальній площині в полярній і прямокутній системах
координат відповідно.
Шириною діаграми направленості називають кут 2θ (див. рис. 14, б, в), в межах якого
потужність випромінювання зменшується більш ніж в 2 рази в порівнянні з потужністю в
напрямку максимального випромінювання. Оскільки потужність пропорційна квадрату
напруженості поля, то межі кута розкриву діаграми направленості визначаються
1
величиною
2
0,707 від напруженості поля у напрямку максимального
випромінювання.
Рис. 14. Діаграма направленості симетричного вертикального вібратора
Напрямок максимального випромінювання антени називається головним напрямком
(див. рис. 14, в), а відповідний йому пелюсток – головним. Решта пелюстків є бічними.
Коефіцієнт направленої дії (D) являється відношенням щільності потоку потужності
Пвипр, випромінюваною даною антеною у певному напрямку, до щільності потоку
потужності Пн, яка випромінювалася б абсолютно ненаправленою в будь-якому напрямку,
за умови рівності загальної випромінюваної потужності в обох антенах. Найбільший
інтерес представляє коефіцієнт направленої дії в напрямку максимального
випромінювання
Πвипр max
D
Πн
Оскільки коефіцієнт направленої дії (КНД) не враховує коефіцієнт корисної дії (ККД)
реальної антени, на практиці користуються параметром, який називається коефіцієнтом
підсилення (КП), який пов'язаний з КНД співвідношенням G D . Коефіцієнт підсилення
показує, в скільки разів слід зменшити потужність, що підводиться до антен в порівнянні з
потужністю, що підводиться до точкової (абсолютно ненаправленої), ККД якої вважається
рівним одиниці, щоб напруженість поля в точці прийому залишалася незмінною. КП дає
повну характеристику антени: він враховує, з одного боку, концентрацію енергії у
певному напрямку завдяки направленим властивостям антени, а з іншого – зменшення
випромінювання внаслідок втрат потужності в антені.
Переважне випромінювання антен в заданому напрямку еквівалентне збільшенню
потужності передавача. Отже, спрямованість передавальної антени вельми бажана.
Смугою пропускання антени, або її робочим діапазоном називається інтервал частот, в
якому ширина головної пелюстки діаграми направленості і рівні бічних пелюсток не
виходять із заданих меж, коефіцієнт підсилення залишається достатньо високим, а
узгодження з фідерним трактом істотно не погіршується. Так, в сантиметровому діапазоні
хвиль смуга пропускання антени 15...20 % від середньої частоти.
Для зниження перехідних шумів в каналах через наявності попутного потоку в антенно-
фідерному тракті (АФТ) коефіцієнт відбивання в точці з'єднання антени з фідером
повинен бути низький. В сучасних АФТ прагнуть отримати коефіцієнт стоячої хвилі
нижче 1,1... 1,2.
Коефіцієнт захисної дії (КЗД) вводиться для характеристики ступеня ослаблення
антеною сигналів, прийнятих з бічних напрямків, і визначається по формулі
K
зд
max/
G Gбічн де Gmax і Gбічн – коефіцієнти підсилення антени в напрямку головної
пелюстки діаграми направленості і в бічному напрямку. КЗД дуже важливий для
забезпечення електромагнітної сумісності різних систем радіозв'язку.
Антени метрових, дециметрових і сантиметрових хвиль. У діапазоні цих хвиль
переважно використовуються антени, що володіють направленими властивостями хоча б в
одній площині. При малій довжині хвилі такі антени виходять достатньо компактними, що
дає можливість робити їх обертаючимися і тим самим досягати значного виграшу
потужності і зниження взаємних перешкод радіостанцій, здійснення зв'язку в будь-яких
бажаних напрямах.
У діапазоні метрових хвиль найчастіше використовуються різні симетричні і
несиметричні вібратори.
В техніці телевізійного прийому найширше застосування знаходить петлевий вібратор
Пістолькорса (рис. 15). Цей вібратор можна розглядати як два півхвильові синфазні
вібратори, розташовані на малій відстані один від одного. У точці с вібратора
розташовується пучність струму і вузол напруги, що відповідає режиму короткого
замикання. В точках b і d, що відстають від с на 0,25λ, утворюється вузол струму і
пучність напруги. На затискачах антени f і е виникає пучність струму. Наявність вузла
напруги в точці с дозволяє кріпити вібратор в цій точці до стріли або щогли
безпосередньо без ізолятора.
Рис. 15. Петлевий вібратор Пістолькорса (а) і його діаграма направленості
(б)
Антени на основі дипольного і петлевого вібраторів зазвичай можуть забезпечити
якісний прийом телевізійних сигналів на порівняно невеликих відстанях від телецентру,
оскільки вони є слабонаправленими (рис. 15). Для прийому на великих відстанях або при
незадовільних умовах прийому на малих відстанях застосовуються більш складні антени,
що мають кращу спрямованість.
У діапазоні метрових хвиль як направлені антени великого поширення набули антени
типу хвилевий канал . Антена цього типу (рис. 16), складається з активного вібратора А,
рефлектора Р і декількох директорів Д1, Д2 і ДЗ. З приведеної на мал. 16, б діаграми
спрямованості видно, що коефіцієнт підсилення цієї антени досить високий, і вона не
реагуватиме на перешкоди з інших напрямків.
Рис. 16. Антена типу хвилевий канал (а) та її діаграма направленості (б)
Антена цього типу може працювати і як передавальна антена. Активний вібратор А в
цьому випадку випромінює електромагнітне поле як у напрямку рефлектора, так і у
напрямку директорів. Під дією цього поля в рефлекторі наводиться струм, який створює
вторинне поле – поле випромінювання рефлектора. Якщо довжину рефлектора вибрати
рівною (0,51...0,53)λ, а відстань між рефлектором і активним вібратором (0,15...0,25)λ, то
вторинне поле, створене рефлектором, буде випереджати по фазі поле активного
вібратора на кут біля 90°. Результуюче поле за рефлектором буде рівне різниці
напруженостей полів, створених активним вібратором і рефлектором. В головному
напрямку – в напрямку директорів і далі - поле від активного вібратора і рефлектора
складатиметься в одній фазі і результуюче поле збільшиться. В реальній антені
випередження фази струму в рефлекторі дещо відрізняється від 90°, а амплітуда струм у в
рефлекторі дещо менша, ніж в активному вібраторі. Тому деяка частина енергії
випромінюється антеною за рефлектор.
Директори антени збуджуються результуючим полем активного вібратора і рефлектора.
Для того, щоб вторинне поле директорів підвищувало напруженість поля в головному
напрямі, наведені в них струми повинні відставати по фазі від струму активного вібратора.
Це досягається відповідним вибором довжин директорів і їх взаємним розташуванням.
Довжини директорів вибирають рівними (0,41...0,45)λ. Відстань між директорами і
першим директором і активним вібратором вибирають рівну (0,1...0,34)λ. Із зменшенням
відстаней між активним і пасивним вібраторами струм в пасивних вібраторах
збільшується, але при цьому за рахунок впливу останніх сильно зменшується вхідний опір
активного вібратора. Для полегшення узгодження антени з фідером активний вібратор
часто виконують петлевим.
Властивостями антени володіє і відкритий кінець хвилеводу. Оскільки відкритий
хвилевід погано узгоджений з вільним простором, то значна частина електромагнітної
енергії відбивається від його кінця і повертається назад до джерела (коефіцієнт відбивання
не менше 0,25...0,3).
Для покращення узгодження хвилеводу з вільним простором і створення більш
направленого випромінювання застосовуються рупорні антени, які утворюються плавним
збільшенням розмірів поперечного перерізу хвилеводу за допомогою рупора (рис. 17). В
діапазоні дециметрових і сантиметрових хвиль широко застосовуються антени такого
типу.
Рис. 17. Рупорна антена
Рис. 18. Дзеркальна параболічна антена
Спрямованість рупорної антени збільшується із зростанням площі розкриття рупора. Як
самостійні антени рупори застосовуються рідко, але часто входять в конструкцію багатьох
складніших антен. Однією з них є дзеркальна параболічна рефлекторна антена (рис. 18),
де роль відбивача виконує металеве дзеркало, що має форму параболоїда обертання або
параболічного циліндра. При цьому антена випромінює майже паралельний пучок
променів. Коефіцієнт направленої дії таких антен дуже високий і досягає 104.
Недолік розглянутої антени полягає в тому, що частина енергії відбитою від дзеркала,
потрапляє назад через рупор в хвилевід. Це знижує ефективність передачі енергії і
призводить до спотворень сигналу, що передається. Від цього недоліку позбавлена
рупорно-параболічна антена (рис. 19).
З хвилеводу 1 високочастотна енергія поступає в пірамідальний рупор 2, що є
опромінювачем сегменту параболоїда обертання 3. Випромінювані антеною хвилі
виходять плоскими, оскільки фазовий центр рупора, розташований в його вершині,
знаходиться у фокусі параболоїда. Для хорошого узгодження рупора з хвилеводом кут
розкриву α вибирається рівним 30...40°, а довжина рупора l 50 . Коефіцієнт підсилення
антени зростає зі збільшенням площі розкриву антени S. При площі розкриву 6...8 м2
коефіцієнт підсилення рівний 104. У цьому випадку ширина діаграми направленості рівна
приблизно 2 як в горизонтальній, так і у вертикальній площинах.
Різновидом дзеркальних антен є перископічні антени (рис. 20), що дозволяють за
допомогою дзеркал передавати високочастотну енергію на вершину башти без лінії або
хвилеводу. Поступаюча від передавача енергія випромінюється рупорною антеною в
сторону еліпсоїдного дзеркала 3, розташованого біля підніжжя щогли під кутом 45° до
горизонту. Дзеркало відбиває падаючі на нього хвилі перпендикулярно вгору на плоске
дзеркало, встановлене на вершині щогли під кутом 45°. Другим дзеркалом хвилі
відбиваються в потрібному напрямі. Коефіцієнт корисної дії передачі енергії в
перископічній антені – близько 50 %, що вище ніж, якби енергія подавалася вгору по
хвилеводу.