ПТСМС / Tema_2

Тема 2. Антенны. Классификация и основные характеристики

Антенные системы являются радиотехническими устройствами, предназначенными для излучения и приема электромагнитных волн с требуемой пространственно-частотной и поляризационной избирательностью. С точки зрения физики антенны выполняют роль связующего звена между электромагнитными волнами, распространяющимися в среде, и электрическими токами, протекающими в линиях передачи (фидерах).

Теоретической эталонной антенной является изотропный излучатель

– точка в пространстве, излучающая одинаковую мощность во всех направлениях. Иначе говоря, все точки передаваемой электромагнитной волны с одинаковой мощностью излучения находятся на сфере, в центре которой размещена антенна. Таким образом, диаграмма направленности изотропного излучателя симметрична по всем направлениям (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Диаграмма направленности идеального изотропного излучателя

Однако в действительности такой антенны не существует. В реальных антеннах всегда присутствуют эффекты направленности, т.е. интенсивность излучения неодинакова в разных направлениях. Простейшей антенной является тонким симметричный вибратор (также, называемый вибратором Герца), показанный на рис. 2.2 (справа). Для достижения эффективной передачи или приема длину вибратора нельзя выбирать произвольно. Например, она может равняться половине длины волны λ передаваемого сигнала. При этом получается очень эффективное распределение энергии излучения. В случае, когда антенна устанавливается на крыше автомобиля, целесообразно использовать длину вибратора, равную λ/4.

Рис. 2.2. Простые антенны

Вибратор длиной λ/2 обладает однородной диаграммой

направленности (действует как ненаправленная антенна) в одной из плоскостей (рис. 2.3, справа). В оставшихся двух плоскостях диаграмма направленности имеет форму восьмерки (рис. 2.3, слева и в центре). При использовании антенны этого типа преодоление окружающих препятствий достигается за счет увеличения мощности сигнала.

Рис. 2.3. Диаграмма направленности простого вибратора

Когда антенна размешена, например, в долине или между зданиями, однородная диаграмма направленности оказывается малоэффективной. В подобных случаях чаще используются направленные антенны с выделенными направлениями передачи и приема. На рис. 2.4 приведена диаграмма направленности направленной антенны с главным лепестком в направлении оси X. Ярким примером направленных антенн являются спутниковые антенны.

Рис. 2.4. Диаграмма направленности направленной антенны

В сотовых системах обычно применяются направленные антенны. Несколько направленных антенн, объединенных в одной точке пространства, образуют секторную антенну. Ячейку можно разбить, например, на три или шесть секторов. Диаграммы направленности таких секторных антенн приведены на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Диаграмма направленности секторных антенн

Для улучшения приёма и снижения влияния негативных эффектов

многолучевого распространения также можно объединить несколько антенн. Такие антенны называют многоэлементными антенными решетками. Этот подход позволяет использовать различные схемы разнесения. Одной из таких схем является разнесение с коммутацией или разнесение с автовыбором, когда приемник всегда использует антенный элемент с самой большой выходной мощностью. Для увеличения коэффициента направленного действия антенны применяется сложение разнесенных сигналов. При этом чтобы избежать взаимного подавления, необходимо произвести коррекцию фаз сигналов. Существуют различные схемы разнесенных антенн. Две из них показаны на рис. 2.6. Первая схема (слева) состоит из отражателя и размешенных на нем двух антенн длиной λ/4. Расстояние между антеннами равно λ/2. Вторая схема (справа) объединяет три вибратора длиной λ/2, находящихся на расстояниях λ/2 друг от друга. В общем случае эти интервалы должны быть кратными λ/2.

Рис. 2.6. Разнесенные антенные системы

Более эффективным решением являются интеллектуальные антенны (Smart-антенны), в которых использование нескольких антенных элементов комбинируется со специальной обработкой сигнала. Это позволяет оптимизировать диаграммы направленности излучения/приема в зависимости от реакции окружающей среды на сигнал. Такие антенны способны приспосабливаться к изменениям в мощности приема и условиях передачи, а также к различным условиям распространения сигналов.

Поскольку работа любой антенны всегда связана с двумя видами энергии: токов высокой частоты и электромагнитного излучения, то в соответствии с этим ее параметры можно условно разделить на две группы. К первой из них относятся параметры, влияющие на энергию токов высокой частоты, а именно: входное сопротивление, резонансные частоты, частотная характеристика, полоса пропускания и т. п. Вторую группу составляют параметры, определяемые наличием энергии электромагнитного излучения. Они образуют группу так называемых характеристик излучения, к которым относятся: диаграмма направленности, ширина ее главного лепестка, относительный уровень побочных максимумов, коэффициент усиления, коэффициент направленного действия, эффективная площадь и др.

Обе группы параметров характеризуют работу в равной мере как передающих, так и приемных антенн. Параметры антенны имеют определенную величину независимо от того, используется ли антенна в качестве передающей или приемной.

На практике определить некоторые параметры антенн можно лишь путем непосредственных измерений. Такие параметры называют первичными. Остальные же, именуемые вторичными, могут быть найдены графически или расчетным путем по известным первичным. В первой из указанных выше групп параметров первичным является входное сопротивление. По его известным значениям в диапазоне частот можно найти полосу пропускания, резонансные частоты и частотную характеристику. Во второй группе первичными параметрам и являются диаграмма направленности и коэффициент усиления. Зная диаграмму направленности, можно определить ширину главного лепестка, уровень боковых максимумов и получить представление о коэффициенте направленного действия. Зная коэффициент усиления, можно вычислить эффективную площадь.