Лекции по антеннам

1

Антенны и устройства СВЧ

Курс лекций

2

Назначение антенн при передаче и при приеме,

общая характеристика

Антенна является непременной составной частью любой радиотехнической системы, использующей излучение и прием радиоволн. На рис 1.1 представлена простейшая блок-схема прохождения радиосигнала от передатчика до приемника.

Модулированные высокочастотные колебания, возбуждаемые передатчиком,

поступают в антенну, которая после соответствующего преобразования излучает их в форме электромагнитных волн в окружающее пространство, т.е.

промежуточную среду. Часть из них достигает места расположения приемной антенны. В антенне под действием электромагнитных волн индуцируются токи ВЧ, которые поступают на вход

приемника.

Таким образом, передающая антенна – это устройство,

предназначенное для преобразования направляемых электромагнитных волн,

движущихся по фидеру ко входу антенны, в электромагнитные волны свободного пространства и излучение их в пространство. Приемная антенна – это устройство, служащее для приема свободных электромагнитных волн и преобразования их в направляемые волны фидера, подводящие принятую мощность ко входу приемника.

Образно говоря, АНТЕННЫ - это «глаза» и «уши» любого радиотехнического устройства, так как основным отличительным признаком радиосвязи является наличие излучения или приема радиоволн. Поэтому роль антенных устройств весьма велика. Большое значение в антенной

3

технике имеет принцип обратимости антенн, согласно которому любая передающая антенна может быть использована для приема электромагнитных волн и наоборот. Благодаря этому в ряде радиосистем функции излучения и приема радиоволн успешно осуществляются одной и той же антенной.

Для эффективного функционирования радиосистемы входящая в нее антенна должна удовлетворять определенным требованиям. Среди них следует отметить два:

1.антенна должна иметь определенную характеристику направленности,

т.е распределять электромагнитную энергию в пространстве (или реагировать на проходящее электромагнитное поле) по определенному закону. В одном случае желательно, чтобы энергия излучалась или принималась равномерно по всем направлениям (рис 1.2), - в других случаях требуется направленное действие, т.е. концентрация излучаемого поля в достаточно узкий пучок (луч).

связь

облучение и

опознавание

а

Рис. 1.2

2.антенна должна иметь высокий КПД, т.е. процесс приема или излучения энергии не должен сопровождаться бесполезными омическими (тепловыми) потерями ВЧ-энергии.

Весьма важными являются требования к поляризационной характеристике антенны.

- полоса частот Телефония А.М. Пусть ƒ0=30 мГц, Fм=3кГц

4

- размеры (габариты) антенны. Для получения узкого луча размер раскрыва антенны составляет сотни λ. Если λ=1см, то D=100см=1м. Если λ=1км, то

D=100км (диапазон длинных волн – ДВ)

Специфическими особенностями являются:

-выбор рабочей длины волны;

-разнообразие конструкторских требований;

-особые требования (ядерный взрыв, избыточное давление)

Большое значение в функционировании антенного устройства играет фидерный тракт или линия питания антенны. Фидерный тракт осуществляет канализацию электромагнитной энергии, обеспечивает соответствующий режим входной и выходной цепей передатчика и приемника, зачастую выполняет предварительную частотную фильтрацию сигналов, может содержать коммутирующие цепи и поворотные соединения, а также устройство электрического управления в режиме работы антенны по высокой частоте, управления положением луча в пространстве и т.д.

Для понимания особенностей функционирования антенных устройств в реальных условиях, правильного выбора рабочих частот, характеристик антенны, места расположения и т.д. большое значение имеет знание свойств среды, в которой распространяются электромагнитные волны, возбужденные антенной. Эти вопросы составляют содержание курса «Распространение радиоволн». Однако здесь влияние разработчика радиосистемы на параметры среды путем рационального их изменения практически сводится к

5

констатации изучаемых явлений. Правда из рассмотрения этих особенностей вытекают ограничения, накладывающие отпечаток на функционирование радиосистемы и в первую очередь на антенные устройства. В целях упрощения мы будем изучать характеристики антенн в свободном пространстве.

Вопросы построения фидерных трактов управляющих устройств рассматривается в курсах «Устройства СВЧ», «Радиосистемы» и «Радиоавтоматика», однако специалист в антенной технике, помимо собственно антенн и фидерных трактов, должен знать также устройства управления работой антенны и устройства контроля их работы. Это становится тем более важным в связи с бурным развитием в последнее время ФАР (фазированных антенных решеток). Фазы ВЧ-возбуждения отдельных излучателей регулируются независимо при помощи быстродействующих полупроводниковых или ферритовых управляющих устройств, в частности по командным сигналам от ЭВМ.

Отметим, что в условиях быстрого исторического развития на протяжении менее века антенны из простейшего средства выделения необходимого сигнала (частотная селекция), а также увеличения дальности радиосвязи в первых аппаратах А.С. Попова превратились в определяющее звено радиотехнической системы. Предельные возможности современных РЛС по дальности и точности пеленгации целей, предельные возможности радиотелескопов по чувствительности и разрешающей способности,

предельная дальность радиосвязи в космосе с удаленными объектами и многие другие характеристики разнообразных радиосистем определяются технически достижимыми параметрами антенных устройств, и в первую очередь шириной главного луча (величиной 2 0,5 д.н.- шириной главного лепестка ДН).

Правильный выбор антенны имеет существенное значение и с точки зрения надежности, удобства эксплуатации, мобильности и стоимости

6

станции. Стоимость современной РЛС в значительной мере определяется стоимостью антенного устройства. Так, антенна составляет до 80%

стоимости антенной системы станции дальней космической связи.

Физические основы излучения

И в передающей, и в приемной антеннах основным физическим процессом является взаимодействие зарядов с электромагнитным полем.

Вслучае передающей антенны токи, текущие в антенну, возбуждают электромагнитное поле в пространстве. Так как поле распространяется, «уходит» от антенны, то необходимо все время поддерживать его, что осуществляется благодаря передаче энергии от движущихся в антенне зарядов полю.

Вслучае приемной антенны поле приходящих радиоволн воздействует на имеющиеся в антенне свободные заряды. Под воздействием электрического поля заряды приобретают составляющую скорости в направлении его действия, т.е. в антенне возникает переменный ток. При этом часть энергии падающей волны поступает в антенну, которая в свою очередь передает ее с определенным КПД приемнику.

Обратный характер процессов, происходящих в передающей и приемной антеннах, определяет их обратимость. Ценность этого свойства заключается в тесной связи между параметрами антенн в режимах передачи и приема, что позволяет обойтись изучением параметров антенны при работе ее в одном из режимов.

Классификации антенн

7

В соответствие с используемым диапазоном волн различают антенны длинных, средних, коротких волн, антенны УКВ и антенны оптического диапазона.

На D, С и коротких волнах (К) антенны представляют собой систему тонких проводов, которые преобразуют токи ВЧ в электромагнитные волны и формируют ДН. Отношение линейного размера L к длине волны λ здесь меньше или порядка 1 (для антенн, D и C волн L/λ<1, для антенн коротких волн L/λ~1)

Антенны УКВ можно разделить на метровые и СВЧ антенны, к

которым относятся антенны дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн.

Для антенн УКВ диапазона (в особенности, СВЧ антенн) характерны следующие отличительные черты:

-L/ λ>>1, что обеспечивает высокие направленные свойства;

-вместо линейных токов, текущих по проводам, широко используются поверхностные токи, обтекающие большие металлические поверхности;

-преобразование токов ВЧ в радиоволны и формирование ДH

производится зачастую разными элементами антеннами.

Так в зеркальных и линзовых антеннах источниками излучения являются обычно вибратор, щель, рупор, или их системы, а ДH формируется зеркалом или линзой.

Диапазон УКВ характеризуется большим разнообразием применяемых в нем типов антенн, что объясняется весьма разнообразными требованиями,

предъявляемыми к антеннам РЛС и широкими возможностями варьирования относительных размеров антенны.

8

Отметим, что в РЛС антенна является одним из наиболее важных устройств, в значительной степени определяющих тактико-технические данные станции.

Классификация антенн УКВ:

-проволочные антенны;

-вибраторные антенны (2L~ λ/2);

-спиральные или вибраторные, одинаково ориентированные и размещенные на некотором расстоянии друг от друга. Образуют вибраторные решетки. Они могут быть двух типов: поперечные (рис. 1.3, а) и

осевого излучения (рис. 1.3, б).

Антенны

УКВ

9

рефлектор

3

.Рис. 1.4 Примеры антенн различных типов: 1 – рупорные антенны, 2 – линзовые антенны,

3 – спиральная антенна

Параметры антенн

В настоящее время существует множество различных типов антенн.

Однако, можно указать и ряд основных, присущих любой антенне электрических или, точнее, радиотехнических параметров, характеризующих свойства антенны как преобразователя энергии и направленные свойства ее.

Значения этих параметров обычно определяются при электрическом расчете или экспериментальном исследовании антенн. Они позволяют качественно и количественно оценить свойства антенны, сопоставлять различные типы антенн между собой, и производить выбор целесообразного типа антенн.

Рассмотрим основные параметры передающей антенны, т.к. параметры антенны в режиме приема можно получить в соответствии с принципом