1. Назначение антенно-фидерного устройства

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.

Хотя антенна и фидер и являются самостоятельными элементами, их характеристики сильно взаимосвязаны и их часто рассматривают как единое целое - антенно-фидерное устройство (АФУ).

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 - фидеров.

Фидер-линия передачи электромагнитных волн от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к приёмнику (в режиме приёма).

Во многих случаях практического использования радиотехнической аппаратуры антенна оказывается удаленной от передатчика или приемника на некоторое расстояние. На коротких и метровых волнах это расстояние часто оказывается значительным по сравнению с длиной волны. В таких случаях антенна соединяется с передатчиком или приемником посредством фидерной системы, состоящей из фидерной линии и переходного устройства между антенной и фидером.

Основные требования к фидеру сводятся к его электрогерметичности (отсутствию излучения энергии из фидера) и малым тепловым потерям. В зависимости от диапазона радиоволн применяют различные типы фидеров:

• -двух или многопроводные воздушные фидеры

• -волноводы прямоугольного, круглого или эллиптического сечений

• -линии с поверхностной волной.

Антенна - устройство для излучения и приема радиоволн, она является преобразователем электрического тока радиочастотного диапазона в электромагнитное излучение, и наоборот.

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, т. е. должна быть не направленной в горизонтальной плоскости. С другой стороны, антенна, например, радиолокационной станции, должна концентрировать излучение в малом телесном угле, т. е. должна быть остронаправленной. К приемной антенне часто предъявляется также требование направленного действия, т. е. 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.

Антенны часто классифицируются 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.

Все антенны удобно разделить на две большие группы:

• -линейные антенны;

• -апертурные антенны;

• -антенные решетки, элементами которых являются либо линейные, либо апертурные излучатели.

Линейная антенна - тонкий металлический провод, в котором возбужден переменный электрический ток, или узкая щель в металлическом экране, между краями которой приложено переменное электрическое напряжение. Линейными антеннами называются любые излучающие системы малого (по сравнению с длиной) поперечного размера и с переменными токами, текущими вдоль оси системы. У линейных антенн размер поперечного сечения много меньше длины волны.

Характерным для линейных антенн является то, что распределение тока вдоль их оси мало зависит от конфигурации провода. Поэтому к линейным антеннам относятся не только прямолинейные антенны но также искривленные, изогнутые и свернутые провода и щели, если их поперечные размеры много меньше продольных и меньше длины волны, такие как:

• -симметричные и несимметричные вибраторы и антенны,

• -рамочные антенны,

• -проволочные антенны бегущей волны (в том числе спиральные),

• -тонкие щелевые антенны стоящих и бегущих волн.

Апертурные антенны - у них можно определить некоторую ограниченную воображаемую поверхность, через которую проходит весь поток излучаемой (принимаемой) электромагнитной энергии - апертуру или раскрыв, часто представляемый в виде плоскости. Размеры раскрыва обычно много больше длины волны. Примеры:

• -пирамидальная рупорная антенна,

• -зеркальная параболическая антенна,

• -линзовые антенны,

• -открытые излучающие концы волноводов.

Антенная решетка - антенна, состоящая из нескольких однотипных излучателей, определенным образом расположенных в пространстве и возбуждаемых одним генератором иди несколькими когерентными генераторами. Здесь удается получить как требуемое пространственное распределение излучаемой энергии, так и нужное управление та времени этим распределением. Типичная антенная решетка - директорная антенна УКВ - линейная решетка из полуволновых симметричных вибраторов.

Вибраторы, в зависимости от длины плеча, бывают полуволновые и волновые; т.е. при длине плеча l, равной половине принимаемой (передаваемой) волны ?- полуволновой, при l= ?- волновой вибратор.

Сопротивление излучения полуволнового вибратора равно 73? Ом. Его кпд весьма высок (более 90%).

Вследствие своей большей протяженности волновой вибратор несколько эффективнее, чем полуволновый, и имеет большее усиление.

Так как вибратор представляет собой проводник, открытый на концах, то его можно рассматривать как открытый колебательный контур. Его резонансная частота определяется индуктивностью и емкостью вибратора, зависящей от его геометрических размеров.

Почти все антенны коротковолнового и ультракоротковолнового диапазонов представляют собой комбинации из полуволновых вибраторов.

Если фидер подключен к вибратору в его середине, такой излучатель носит название симметричного.

Полуволновые вибраторы могут быть соединены в виде шлейфа, при этом образуется петлевой вибратор. Разновидностью простого петлевого вибратора является двойной петлевой вибратор . Полоса пропускания петлевых вибраторов больше, чем у простого вибратора.

Основные электрические параметры антенн

Каждая антенна как пассивное линейное устройство может работать:

• -в режиме передачи;

• -в режиме приема.

В обоих режимах антенна характеризуется направленными, поляризационными свойствами и входным сопротивлением.

К основным характеристикам и параметрам, описывающим эти свойства, относятся:

• -полоса пропускания;

• -входное сопротивление;

• -диаграмма направленности (ДН);

• -коэффициент направленного действия (КНД);

• -коэффициент усиления антенны (КУ);

• -коэффициент полезного действия антенны (КПД);

Полоса пропускания

диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) антенны достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы.

Это диапазон частот, при которых антенна работает эффективно, обычно область центральной (резонансной) частоты. Зависит от типа антенны, ее геометрии.

Основные параметры, которые характеризуют полосу пропускания частот - это ширина полосы пропускания и неравномерность АЧХ в пределах полосы.

Ширина полосы обычно определяется как разность верхней и нижней граничных частот участка АЧХ, на котором амплитуда колебаний от максимальной снижается в корень из двух раз или мощность снижается в 2 раза. Этот уровень приблизительно соответствует -3 дБ. Ширина полосы пропускания выражается в единицах частоты (например, в герцах).

Неравномерность АЧХ характеризует степень ее отклонения от прямой, параллельной оси частот, выражается в децибелах.

Входное сопротивление антенны.

Антенна является источником сигнала, который характеризуется электродвижущей силой (ЭДС) и внутренним сопротивлением, которое называется входным сопротивлением антенны.

Величину входного сопротивления антенны необходимо знать для того, чтобы правильно согласовать антенну с фидером и приемником (передатчиком): только при этом условии на вход поступает наибольшая мощность. При правильном согласовании входное сопротивление антенны должно равняться входному сопротивлению фидера, которое, в свою очередь, должно быть равно входному сопротивлению приемника (передатчика). Входное сопротивление (импеданс) антенны редко когда бывает равным волновому сопротивлению фидерной линии. Для согласования применяют согласующие устройства.

Входное сопротивление антенны также зависит от объектов, находящихся вблизи антенны и влияющих на распределение поля в пространстве, что необходимо учитывать при установке антенны.

Зависимость входного сопротивления антенны от частоты носит название частотной характеристики: чем меньше меняется входное сопротивление антенны при изменении частоты, тем, шире полоса ее пропускания.