Тема 1. Антени та розповсюдження радіохвиль.
Заняття 2-3. Антени. Основні характеристики антен, які застосовуються у військах.
Антенні пристрої та їх класифікація.
Основні електричні параметри антен.
Антени, які застосовуються у військах.
Антенні пристрої та їх класифікація.
Антеннами называются радиотехнические устройства, предназначенные для излучения и приема электромагнитных волн. Они бывают передающие, приемные и приемо-передающие.
К передающей антенне подводится электромагнитная энергия в виде связанных с линией волн, которая частично или полностью преобразуется антенной в свободно распространяющиеся в пространстве волны.
Приемная антенна, наоборот, преобразует свободно распространяющиеся в пространстве волны (радио волны) в волны, распространяющиеся вдоль линии.
Антенны обладают свойством обратимости, то есть любая передающая антенна может быть приемной и наоборот. Это свойство часто используется в радиолокационных станциях и радиостанциях связи. Одна и та же антенна используется и для излучения, и для приема радиосигналов. Такая антенна и называется приемо-передающей.
Однако электрические характеристики приемных и передающих антенн и связанные с этим конструктивные особенности могут резко отличаться. Поэтому может оказаться, что антенна, обладающая высокими показателями как приемная, будет недостаточно эффективна в качестве передающей и наоборот.
Изотропной называется воображаемая антенна без потерь, излучающая равномерно во все стороны.
Реальные антенны в окружающее пространство в различных направлениях излучают неодинаково.
Электрическая цепь и вспомогательные устройства, с помощью которых энергия радиочастотного сигнала подводится к антенне или от антенны к радиоприемнику, называется фидером.
Сложные антенны могут состоять из первичных и вторичных излучателей.
Излучающий элемент антенны, связанный с фидером, называется первичным. Излучающий элемент антенны, возбуждаемый электромагнитным полем первичного излучателя и не связанный с фидером, называетсявторичным излучателем.
Вторичные излучатели применяют для увеличения КНД (коэффициент направленного действия) антенны и располагают их по отношению к первичному излучателю со стороны главного лепестка ДН (диаграмма направленности) или с противоположной стороны.
Вторичный излучатель или их совокупность, расположенные по отношению к первичному со стороны главного лепестка, называют директором, а со стороны, противоположной главному лепестку —рефлектором.
Различают симметричные и несимметричные вибраторы. Симметричные вибраторыпредставляют собой симметричные системы проводников, к смежным концам которых подводится фидер,несимметричные вибраторы —систему проводников, расположенных над проводящей поверхностью, соединенных с фидером, второй вывод которого соединяется с проводящей поверхностью, например, заземлением, противовесом или корпусом объекта.
Заземление представляет собой проводник или группу проводников, которые обеспечивают соединение земли с одним из выводов выхода радиопередатчика (входа приемника), ко второму выводу которого подключается антенна.
Противовесомназывают проводник или группу проводников, изолированных от земли, подсоединяемых к одному из выводов радиопередатчика (входу приемника), ко второму выводу которого подключается антенна.
Каждая антенна характеризуется ее конструктивными особенностями, электрическими параметрами и характеристиками. Поэтому антенны можно классифицировать по различным признакам. Главными признаками являются:
- длина волны,
- механизм излучения,
- распределение в пространстве излучаемой энергии,
- форма и структура излучающей части,
- способ питания.
По длине рабочей волны (по характеру преимущественного излучения или приема) антенны так же, как и сами волны делятся на три группы:
- антенны для связи земной волной;
- антенны для связи ионосферной волной;
- антенны комбинированного излучения.
По механизму излучения все антенны можно разделить на три труппы.
К первой группе относятся антенны, размеры которых сравнимы с длиной волны. Переменный ток, протекающий в проводах антенн этойгруппы, можно считать непосредственным источником излучения. Типичными примерами антенн этой группы являются симметричный вибратор и рамочная антенна.
Симметричный вибратор— простейшая и наиболее распространённая антенна. В наиболее простом варианте он представляет собой прямолинейный проводник длиной2радиусаa, питаемый в середине от генератора токами высокой частоты (рис.8).
Рисунок 1.1 - Симметричный вибратор.
Рисунок 1.2 - Симметричный наклонный вибратор.
Диаграмма направленности симметричного вибратора приведена на рисунке 1.3,б. В плоскости, проходящей через ось проводника, диаграмма направленности симметричного вибратора напоминает «восьмерку». Это означает, что в направлении оси «Х»плотность излучаемой мощности максимальна, а в направлении оси«Y»- минимальна. Направленные свойства симметричного вибратора выражены слабо, и в достаточно широком секторе направленийφплотность потока излучаемой мощности изменяется незначительно.
Рисунок - 1.3 - Полуволновой вибратор (а) и его диаграмма направленности (б)
Рамочные антеннысочетают повышенный коэффициент усиления с простотой конструкции и отсутствием необходимости настройки при сравнительно узкой полосе пропускания. Узкополосные антенны по сравнению с широкополосными обладают таким дополнительным преимуществом, как частотная избирательность. Благодаря этому на вход приемника не могут проникнуть помехи от других передатчиков, работающих на соседних по частоте каналах, если по каким-либо причинам возникли благоприятные условия распространения их сигналов в данном направлении. Особенно важна частотная избирательность антенны в условиях слабого сигнала.
Рисунок 8 - Рамочная антенна
1 — рамка; 2 — симметричная линия, идущая к приёмнику.
Наибольшее распространение получили двухэлементные рамочные антенны, хотя иногда используют также и трехэлементные рамочные антенны.
Двухэлементная рамочная антенна имеет маленькие габариты, не нуждается в настройке, хорошо согласуется с фидером и обладает хорошей повторяемостью параметров. Это объясняется тем, что активной приемной частью каждой рамки являются ее верхняя и нижняя горизонтальные части. Влияние дополнительных двух элементов второго этажа оказывается сильнее за счет сужения диаграммы направленности в вертикальной плоскости, а это очень важно в условиях дальнего приема, когда сигнал приходит с линии горизонта - д малым углом места. Наличие же всего двух элементов, взаимодействующих в каждом этаже, обеспечивает стабильность параметров антенны и их независимость от естественных разбросов в размерах. Благодаря этому отпадает необходимость индивидуальной настройки каждой антенны и обеспечивается хорошее согласование ее с фидером.
Рисунок 8 - Двухэлементная рамочная антенна
Ко второй группе относятся поперечные излучатели, то есть антенны, размеры которых велики по сравнению с длиной волны и которые излучают в основном в направлении, перпендикулярном к их главному размеру. Механизм излучения таких антенн может быть объяснен с помощью оптических принципов. Типичными примерами таких антенн являются зеркальные и линзовые антенны.
Рупорная антеннапредставляет собой участок волновода переменного (расширяющегося) сечения с открытым излучающим концом. Как правило, рупорную антенну возбуждают волноводом, присоединенным к узкому концу рупора. По форме рупора различают E-секториальные, H-секториальные, пирамидальные и конические рупорные антенны.
Рисунок - Типы рупорных антенн:
а) Е-секториальный, б) Н-секториальный, в) пирамидальный, г) конический.
Свойства:
Рупорные антенны очень широкополосны и весьма хорошо согласуются с питающей линией — фактически, полоса антенны определяется свойствами возбуждающего волновода. Для этих антенн характерен малый уровень задних лепестков диаграммы направленности (до -40 dB) из-за того, что мало затекание ВЧ-токов на теневую сторону рупора. Рупорные антенны с небольшим усилением просты конструктивно, но достижение большого (>25 dB) усиления требуют применения выравнивающих фазу волны устройств (линз или зеркал) в раскрыве рупора. Без подобных устройств антенну приходится делать непрактично длинной.
Применение:
Рупорные антенны применяют как самостоятельно, так и в качестве облучателей зеркальных и других антенн. Рупорную антенну, конструктивно совмещенную с параболическим отражателем, часто называют рупорно-параболической антенной. Рупорные антенны с небольшим усилением из-за удачного набора свойств и хорошей повторяемости часто используются в качестве измерительных. На радиотелескопе в Холмдейле, представляющем собой радиометр Дикке на основе рупорно-параболической антенны, Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон в 1965 году открыли реликтовое излучение.
К третьей группе относятся продольные излучатели, то есть антенны, которые излучают в основном в направлении своего главного размера. Такие антенны называются также антеннами поверхностных волн. Поверхностная волна, распространяющаяся вдоль излучателя, является промежуточным звеном между связанной с линией волной и пространственным излучением.
Антенно-фидерное устройствоявляется необходимым элементом всякого радиоустройства и состоит из:
- антенны,
- фидерной линии.
Антеннаслужит для излучения и приема радиоволн.
Передающая антеннапод воздействием подводимых к ней от передатчика высокочастотных токов должна создавать в окружающем пространстве поле излучения в виде электромагнитных волн.
Приемная антеннапод воздействием происходящих в место приема электромагнитной волны должна создавать токи на входе приемника.
Фидерная линияслужит для передачи с наименьшими потерями высокочастотного сигнала от передатчика к антенне или от антенны к приемнику.
Многообразие задач, выполняемых антеннами, и значительная ширина используемого для связи радиочастотного диапазона привели к создания антенн с различными свойствами и к необходимости включения в комплект радиостанций по несколько типов антенн. Это вынуждает в каждом конкретном случае выбирать и использовать наиболее подходящие антенны. Для удобства выбора и оценки свойств применяемых антенн их обычно различают (классифицируют) по ряду присущих им особенностей:
- назначению,
- направленности и характеру преимущественного излучения и приема,
- диапазонным свойствам,
- способу питания.
По назначению антенны делятся на :
- приемопередающие,
- передающие,
- приемные.
По направленности излучения и приема антенны делятся на:
- направленные,
- ненаправленные.
Эти свойства антенн оцениваются по:
- диаграмме направленности,
- величине коэффициента направленного действия (D),
- коэффициенту усиления (G).
По способу питанияразличают:
- симметричны антенны ,
- несимметричные антенны.
Симметричнойназывают антенну, которую можно разделить на две части таким образом, что каждая из них является зеркальным изображением другой и одинаково расположена относительно земной поверхности. Питание симметричных антенн осуществляется с двух зажимов выхода передатчика, напряжения на которых равны по величине относительно земли и противоположны по знаку.
Антенны, не удовлетворяющие описанным требованиям симметрии, называют несимметричными.В этом случае к антенне от передатчика присоединяется один провод, а второй провод присоединяется с заземлением или противовесом. Таким образом, потенциал второго провода всегда равен потенциалу земли
По диапазонным свойствамантенны делятся на:
- узкополосные (резонансные),
- широкополосные,
- диапазонные,
- широкодиапазонные,
- частотно-независимые.
Диапазонныминазывают антенны, допускающие работу в относительно широком диапазоне (2-х, 4-х кратном), без резкого ухудшения основных характеристик. При определении границ рабочего диапазона антенны обычно допускают уменьшение КНД и коэффициента усиления до 0,5 от максимального значения соответствующих параметров, принимаемых за единицу. В пределах рабочего диапазона должен также сохраняться характер преимущественного излучения.
В настоящее время разработано и находит применение большое число многообразных типов антенн, которые можно классифицировать:
По диапазонам волн — на антенны СДВ, ДВ, СВ, КВ и УКВ (антенны метровых, дециметровых и сантиметровых волн);
По способу использования — на стационарные, полевые, бортовые и др.;
Классификация может осуществляться и по многим другим признакам. Свойства различных типов антенн оцениваются общими для всех электрическими параметрами.