Антенно-фидерные устройства (АФУ) — предназначаются для передачи сигналов в системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, а также других радиотехнических системах, использующих для передачи информации свободное распространение радиоволн.
Функции антенн в указанных системах сводятся к излучению или приему электромагнитных волн. Соответственно различают передающие и приемные антенны, подключаемые либо к передатчику, либо к приёмнику. Подключение осуществляется обычно не непосредственно, а с помощью линий передачи энергии
АНТЕННЫ
Передающая антенна преобразует энергию волн, поступающих по фидеру от передатчика к антенне, в энергию свободных колебаний, распространяющихся в окружающем пространстве. Передающая антенна должна не просто излучать электромагнитные волны, а обеспечивать наиболее рациональное распределение энергии в пространстве. В связи с этим одной из основных характеристик передающих антенн является диаграмма направленности (ДН) — зависимость излучаемого поля от положения точки наблюдения (точка наблюдения должна находиться в дальней зоне — на неизменно большом расстоянии от антенны). Требования к направленности колеблются в очень широких пределах от близких к направленным (системы радиовещания и эфирного телевидения) до резко выраженной направленности в определенном направлении (дальняя космическая радиосвязь, радиолокация, радиоастрономия и т. д.). Направленность позволяет без увеличения мощности передатчика увеличить мощность поля, излучаемого в данном направлении, а также позволяет уменьшать помехи соседним радиотехническим системам, то есть способствует решению проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Направленность можно получить только когда размеры антенны существенно превышают длину волны колебаний.
Приёмная антенна улавливает энергию свободных колебаний и превращает её в энергию волн, которая поступает по фидеру на вход приемника. Для приемных антенн диаграмма направленности (ДН) — это зависимость тока в нагрузке антенны, то есть в конечном счете в приемнике, или ЭДС наводимой на входе приемника, от направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Наличие направленных свойств у приемных антенн позволяет не только увеличивать мощность выделяемую током в нагрузке, но и существенно ослаблять приём различного рода помех, то есть повышает качество приёма.
Любую передающую антенну можно использовать и для приёма электромагнитных волн и, вообще говоря, наоборот, однако из этого не следует что они одинаковы по конструкции.
Классификация антенн
Наименование системы связи |
Стандарт |
Диапазон частот |
|
Прямой канал (от базы), МГц |
Обратный канал (к базе), МГц |
||
Профессиональная радиосвязь |
Транкинговые системы (SmarTrunk 11, MPT-1327, SMRLink) |
138-174 815-821 860-865 |
|
Радиотелефонные системы большой дальности (Senao, Sanyo, Лес, Алтай) |
|
250-385 |
|
Домашние радиотелефоны |
СТ-1 |
904-905 |
814-815 |
Сотовая связь |
NMT-450 CDMA DAMPS GSM-900 GSM-1800 |
453-457,5 828-831 869-894 935-960 1805-1880 |
463-467,5 873-876 824-849 890-915 1710-1785 |
Беспроводной абонентский доступ |
СТ-2 (Tangara) DECT |
864-868,2 1880-1900 |
|
Беспроводная передача данных |
IEEE 802.11 |
2400-2483,5 5150-5250 5250-5350 5725-5850 |
|
Для функционирования всех без исключения систем радиосвязи необходимы те или иные антенно-фидерные устройства, от самых простых штыревых и низкопрофильных антенн, устанавливаемых в радиотелефонных трубках, до сложных антенных систем базовых станций и ретрансляторов. В отличие от приёмных либо передающих радиовещательных и телевизионных антенных устройств, антенны для систем связи являются приёмопередающими.
Общая упрощённая классификация антенн для систем связи представлена на Рис.1.
Содержание этого раздела является, скорее, не классификацией, а простым перечислением типов антенн со ссылками на их более подробное описание.
Вибраторная антенна
Симметричный вибратор (диполь) — простейшая и наиболее распространённая антенна. В наиболее простом варианте он представляет собой прямолинейныйпроводник длиной 2l радиуса a, питаемый в середине от генератора токами высокой частоты.
Шунтовой вибратор
Петлевой вибратор ("Петлевой вибратор Пистолькорса")
Широкополосный "Диполь Надененко" - Из всех КВ диапазонов наибольшая полоса от антенны требуется на 80 метровом (3,5-3,8 MHz). Относительная полоса (отношение разности крайних частот к средней) для 80 м составляет 8,2%, в то время как для 10 м (28...29,7 MHz) только 5%,а для остальных диапазонов — еще меньше. Из простых антенн, широко применяемых радиолюбителями на 80 м, ни одна (диполи, Inverted V, различные рамки, LW и т.д.) не перекрывает весь диапазон. Полоса пропускания таких проволочных антенн по уровню КСВ<2 в зависимости от высоты обычно не превышает 120... 200 kHz. Это приводит к необходимости перед каждым крупным SSВ тестом перестраивать антенну на 3,8 MHz (это, кстати говоря проще всего сделать подгибая внутрь примерно на 1 м каждый из концов антенны), а затем обратно, что по меньшей мере неудобно. Для расширения полосы необходимо увеличить эффективную толщину плеч диполя. Классическим образцом такой антенны является диполь Надененко (рис. 1), плечи которого выполнены из набора проводов. Однако конструктивное выполнение такой антенны затруднено, так как требуются изолирующие распорки или обручи. Кроме того, плечи антенны имеют значительное ветровое сопротивление и из-за крепления их только в двух точках сильно раскачиваются, что может привести к преждевременному обрыву.
Несимметричный вибратор - Несимметричным называется вибратор, у которого одно плечо по размерам или по форме отличается от другого. Несимметричный вертикальный заземленный вибратор (рис.10.1) представляет собой вертикальный по отношению к земле или к какой-либо металлической поверхности провод, к нижнему концу которого присоединен один зажим генератора, другой зажим генератора присоединен к земле или к металлическому телу (корпусу самолета, автомобиля и т.д.). Роль второго плеча вибратора в данном случае играет земля или металлическая поверхность (зеркальное изображение).
Антенна Ground Plane - В СВ (27Мгц)-диапазоне наибольшее распространение получили антенны с вертикальной поляризацией. Это связано с тем, что СВ-радиостанции широко используются для связи с подвижными объектами, а на автомобиле весьма сложно разместить эффективную антенну горизонтальной поляризации. По этой причине в качестве базовых выбираются антенны с круговой диаграммой направленности; в горизонтальной плоскости, одинаково хорошо работающие в любом направлении.
Укороченная штыревая антенна
Колинеарная антенна
"Коаксиальная" антенна
J-образная антенна[4]
Антенна зенитного излучения
Вертикальная антенна верхнего питания
Турникетная антенна
Директорная антенна
Волновой канал (антенна Уда-Яги)
Антенна СГ (синфазная горизонтальная)
Щелевая антенна
Щелевой вибратор
Волноводно-щелевая антенна
Апертурная антенна[5]
Рупорная антенна
Зеркальная антенна
Прямофокусная зеркальная антенна
Офсетная зеркальная антенна[6]
Антенна Кассегрена[7]
Антенна Грегори[8]
Зонтичная антенна
Рупорно-параболические антенны
Перископическая антенна
Антенны со специальной формой диаграммы направленности
Антенна с косекансной диаграммой направленности[9]
Линзовая антенна
Линза Люнеберга
Линза Ротмана [10]
Линза Ван-Атта
Антенна с синтезированной апертурой[11].
Антенна бегущей волны
Спиральная антенна[12]
Диэлектрическая стержневая антенна
Импедансные антенна
Антенна вытекающей волны
Антенна Бевереджа[13]
V-образная антенна[14]
Ромбическая антенна[15]
Антенна БС
Слабонаправленные антенны диапазона СВЧ
Микрополосковая антенна[16]
Патч-антенна
Сингулярная антенна[17]
Чип-антенна[18]
Фрактальная антенна
Сверхширокополосные антенны
Антенна на принципе электродинамического подобия
Биконическая антенна
Дискоконусная антенна
Излучатель типа "бабочка"
Логопериодическая антенна[19]
Вибраторная логопериодическая антенна
Спиральная логопериодическая антенна
Фрактальная антенна
Т-рупор
Антенна Вивальди
Антенная решетка[20]
Фазированная антенная решётка
Пассивные ФАР
Активные ФАР
Цифровая антенная решётка[21]
MIMO-антенна
Антенны с линейными размерами << λ
Магнитная антенна
Рамочная
С ферритовым сердечником
Распределённые антенны
Частично излучающий кабель[22]
Антенны для преобразования энергии электромагнитной волны в электрическую энергию и для средств RFID
Ректенна = антенна + выпрямитель
Наноантенна[23]
Псевдо-антенны (антенны с мифическими техническими характеристиками)
Ртутная антенна
CFA-антенна
EH-антенна (шутливо называемая «НЕ-антенна» из-за ошибочного обоснования механизма работы)[24][25]
Концептуальные антенны
Гравитационная антенна
К основным характеристикам и параметрам приёмных и передающих антенн относятся:
полоса пропускания
поляризация
входной импеданс
коэффициент стоячей волны
диаграмма направленности
коэффициент направленного действия
коэффициент усиления антенны
коэффициент полезного действия антенны
шумовая температура антенны
Полоса пропускания антенны
Ширина полосы пропускания - это область рабочих частот антенны, где уровень принимаемого или излучаемого антенной сигнала находится в пределах 0.7 от максимальной амплитуды сигнала, а мощность в пределах 0.5 от максимальной мощности сигнала. Ширина полосы пропускания измеряется в единицах частоты (например, в кГц).
С шириной полосы пропускания антенны непосредственно связана неравномерность амплитудно-частотной характеристики антенны (АЧХ). Неравномерность АЧХ характеризует степень её отклонения от прямой, параллельной оси частот и измеряется в децибелах. Чем лучше рассчитана и выполнена антенна, тем равномерней её АЧХ. Приёмные телевизионные антенны, в основном, широкополосные. Диапазонные телевизионные антенны 1-го,2-го метровых и дециметрового диапазонов охватывают полосу частот от 48.5 МГц до 862 МГц.
От неравномерности АЧХ антенны сильно зависит качество приёма: при значительной неравномерности АЧХ отдельные телевизионные каналы будут приниматься антенной со значительным ослаблением, если их частота совпадет с провалами АХЧ антенны, что особенно заметно при удалённом приёме сигналов телецентра. Неравномерность АЧХ приёмного и передающего тракта зависит не только от качества самой антенны, но и от качества её согласования с фидером (кабелем) и качества самого фидера (кабеля). У цифрового сигнала неравномерность АЧХ искажает форму принимаемого и передаваемого сигнала.
Поляризация электромагнитных волн
Поляризация электромагнитных волн (франц. polarisation; первоисточник: греч. polos ось, полюс) - нарушение осевой симметрии поперечной волны относительно направления распространения этой волны. В неполяризованной волне колебания векторов s и v смещения и скорости в случае упругих волн или векторов Е и Н напряжённостей электрических и магнитного полей в случае электромагнитных волн в каждой точке пространства по всевозможным направлениям в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, быстро и беспорядочно сменяют друг друга, так что ни одно из этих направлений колебаний не является преимущественным. Поперечную волну назовут поляризованной, если в каждой точке пространства направление колебаний сохраняется неизменным или изменяется с течением времени по определённому закону. Плоскополяризованной (линейно-поляризованной) назовут волну с неизменным направлением колебаний, соответственно векторов s или Е. Если концы этих векторов описывают с течением времени окружности или эллипсы, то волну назовут циркулярно или эллиптически - поляризованной. Поляризованная волна может возникнуть: вследствие отсутствия осевой симметрии в возбуждающем волну излучателе; при отражении и преломлении волн на границе раздела двух сред (см. Брюстера закон); при распространении волны в анизотропной среде (см. Двойное лучепреломление). (см. Большой энциклопедический политехнический словарь) На практике: если сигнал с телецентра идёт в горизонтальной поляризации, то вибраторы антенны должны быть расположены параллельно плоскости земли, если сигнал передаётся в вертикальной поляризации, то вибраторы антенны должны быть расположены перпендикулярно плоскости земли, если сигналы передаются в двух поляризациях, то нужно использовать две антенны и сигналы с них суммировать. В зоне уверенного приёма можно поставить одну антенну под углом 45 градусов к плоскости земли. Спутниковый телевизионный сигнал передаётся на Землю в линейной и в круговой поляризации. Для приёма таких сигналов используют разные конверторы: например, для Континент ТВ- линейный конвертор, а для Триколор ТВ - циркулярный конвертор. Форма и размер тарелки не оказывает на поляризацию никакого влияния.