Антенны и фидеры
Антенна представляет собой элемент сопряжения между передающим или приемным оборудованием и средой распространения радиоволн. Антенны, имеющие вид проводов или поверхностей, обеспечивают излучение электромагнитных колебаний при передаче, а при приеме они «собирают» падающую энергию. Антенны, состоящие из проводов небольшого поперечного сечения по сравнению с длиной волны и продольными размерами, называют проволочными. Антенны, излучающие через свой раскрыв - апертуру, называют апертурными. Иногда их называют дифракционными, рефлекторными, зеркальными. Электрические токи таких антенн протекают по проводящим поверхностям, имеющим размеры, соизмеримые с длиной волны или много большие ее.
Сравнивать и оценивать свойства антенн любых типов можно по их параметрам. Самым главным определяющим параметром передающей антенны как нагрузки для генератора или фидера является ее входное сопротивление. Параметром антенны как излучателя электромагнитных волн является коэффициент полезного действия, а также амплитудная характеристика направленности.
Входное сопротивление антенны определяется отношением напряжения высокой частоты на ее зажимах к току питания.
Не вся мощность, подводимая к антенне, излучается в окружающее пространство. Часть ее расходуется не на излучение, а на нагревание как самой антенны, так и находящихся поблизости предметов. Отношение мощности, излученной антенной, к мощности, подводимой к ней, называют коэффициентом полезного действия антенны и выражают в процентах.
Электромагнитные волны излучаются антенной в различных направлениях неравномерно. Антенн, излучающих электромагнитные волны равномерно во все стороны, не существует. Распределение в пространстве напряженности электрического поля, созданного антенной, характеризуется амплитудной характеристикой направленности. Она определяется зависимостью амплитуды напряженности создаваемого антенной поля (или пропорциональной ей величины) от направления на точку наблюдения в пространстве. Направление на точку наблюдения определяется азимутальным φ и меридиональным θ углами сферической системы координат, как показано на рис.10.2. При этом амплитуда напряженности электрического поля измеряется на одном и том же (достаточно большом) расстоянии r от антенны. Графическое изображение
характеристики направленности называют диаграммой направленности. Пространственная диаграмма направленности изображается в виде поверхности f(φ,θ). Построение такой диаграммы неудобно, поэтому на практике обычно строят диаграмму направленности в какой-нибудь одной плоскости, в которой она изображается плоской кривой f(φ) или f(θ) в полярной или декартовой системе координат.
На рис. 48 в начале координат показана простейшая проволочная антенна-диполь Герца, пространственная диаграмма направленности, которая приведена на рис. 49, а. Диаграммы направленности в азимутальной и меридиональной плоскостях, построенные в полярной системе координат, представлены на рис. 49, б и в. Помимо рассмотренных основных электрических параметров антенн существует ряд дополнительных специфических параметров - электрических, экономических, конструктивных, эксплуатационных.
Рис. 48. Сферическая система координат
Что касается приемных антенн, то оказывается, что количественно электрические параметры передающих и приемных антенн одни и те же, хотя физическое объяснение дается с точки зрения приема. Приемная антенна имеет такие же значения входного сопротивления, коэффициента полезного действия и такую же диаграмму направленности, какие она имела бы при работе в качестве передающей. Существенным различием в работе передающей и приемной антенн является то, что в передающей антенне используются большие токи и напряжения, а в приемной - очень незначительные.
Рис. 49. Диаграммы направленности: a – объемная; б,в – в азимутальной и меридиональной плоскостях
Особенности передающих антенн для различных диапазонов радиоволн. Километровые и гектометровые радиоволны широко используются для организации сети звукового радиовещания. Передающие антенны, как правило, устанавливаются в центре зон обслуживания, и поэтому должны создавать ненаправленное излучение вдоль поверхности Земли, т.е. иметь диаграмму направленности в горизонтальной плоскости в виде окружности.
Таким условиям отвечают антенны-мачты и антенны-башни. Их высота обычно 150...250 м, а некоторые антенны имеют высоту до 350 и даже 500 м.
Для радиосвязи и радиовещания на значительные расстояния (тысячи километров) используются декаметровые радиоволны. Особенности их распространения таковы, что антенны должны сформировывать направленное излучение с максимумом излучения под некоторым углом к поверхности Земли. Самыми распространенными типами передающих антенн, отвечающими этим требованиям, являются проволочные антенны: вибраторные, ромбические и синфазные в виде решетки из вибраторов, возбужденных определенным образом. Простейшая из этих антенн - горизонтальный симметричный вибратор - показана на рис. 50.
На местных радиолиниях протяженностью 50...100 км также используются в основном декаметровые радиоволны и простые антенны в виде вертикально подвешенного провода (Т- и Г- образные).
Рис. 50. Проволочная антенна – горизонтальный диапазонный вибратор
Рис. 51. Диаграмма направленности «игольчатой формы»
Диапазон метровых радиоволн используется главным образом для организации телевизионного и звукового вещания, а также для связи с подвижными объектами в пределах определенной зоны обслуживания. Передающие антенны, как правило, должны создавать ненаправленное излучение в горизонтальной плоскости.
Диапазоны дециметровых, сантиметровых и более коротких радиоволн применяются для организации радиорелейной связи. Антенны, устанавливаемые на радиорелейных линиях, должны обладать высокой направленностью, их диаграммы направленности должны иметь «игольчатую форму» (рис. 51). Наиболее распространены апертурные (зеркальные) антенны. Схема простейшей из них - параболической антенны - приведена на рис. 52.
Особенность распространения метровых, дециметровых, сантиметровых и более коротких радиоволн такова, что антенны необходимо размещать на специальных опорах высотой десятки и даже сотни метров.
Особенности приемных антенн для различных диапазонов радиоволн. Антенна - устройство обратимое. Если антенна хорошо излучает радиоволны, то она хорошо их и принимает. Форма диаграммы направленности антенны не зависит от того, работает она на передачу или на прием. Содержание понятия «диаграмма направленности» для приемной антенны несколько отличается от приведенного выше для передающей антенны. Это график зависимости напряжения на входе радиоприемника от направления прихода принимаемой электромагнитной волны.
В качестве приемных антенн в километровом и гектометровом диапазонах используются рамочные антенны. В декаметровом диапазоне наиболее распространена антенна «бегущая волна». Антенна «волновой канал» является типичной для диапазона метровых волн, в частности для приема телевизионных сигналов. В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн антенны являются обычно приемопередающими. Характерная схема одной из таких антенн показана на рис. 52.
Рис. 52. Схема построения одно-зеркальной параболической антенны
Электрическая цепь и вспомогательные устройства, с помощью которых энергия радиочастотного сигнала подводится от радиопередатчика к антенне или от антенны к радиоприемнику, называется фидером. Передающие антенны, используемые в километровом и гектометровом диапазонах радиоволн, соединяются с радиопередатчиком с помощью многопроводных коаксиальных фидеров. В декаметровом диапазоне фидеры обычно выполняются в виде проволочных двух- или четырехпроводных линий. К антеннам метровых радиоволн энергия, как правило подводится с помощью коаксиального кабеля. На более коротких волнах, в частности в сантиметровом диапазоне, фидер выполняется в виде полой металлической трубы - волновода прямоугольного, эллиптического или круглого сечения.
В связи с наблюдающейся тенденцией увеличения мощности передающих радиостанций, работающих в диапазонах километровых, гектометровых и декаметровых радиоволн, очень важными представляются вопросы конструирования антенн и фидеров с повышенной электрической прочностью, способных работать со сверхмощными радиопередатчиками.
Для радиоприема на декаметровых волнах перспективным представляется создание устройств; позволяющих управлять диаграммой направленности приемных антенн в соответствии с изменением направления угла прихода радиоволны. Следует ожидать, что в дальнейшем антенны с электрически управляемыми характеристиками займут доминирующее положение во многих областях антенной техники. Антенны радиорелейных линий совершенствуются в части увеличения концентрации энергии в главном направлении и снижения излучения в направлениях, несовпадающих с главным.