Общие сведения об антенных устройствах

Устройство предназначенное для излучения радиосигнала в пространство называется антенно-фидерным устройством (АФУ),. Для этого оно содержит антенну и кабель питания (фидер от английского глагола to feed -питать).

Антенна – это устройство для излучения или приема радиоволн. Антенна обладает свойством обратимости. Это значит, что при передаче антенна преобразует радиосигнал передатчика (токи высокой частоты) в электромагнитные колебания. Эти колебания образуют вокруг антенны электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве со скоростью света. При приеме падающая на антенну электромагнитная волна возбуждает в ней токи высокой частоты (радиоколебания), которые затем поступают в приемник.

Таким образом, одну и ту же антенну можно использовать как на прием, так и на передачу. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать антенны, не разделяя их на передающие или приемные.

В общем случае антенна представляет собой колебательный контур открытого типа, контур, у которого пластины конденсатора условно сильно раздвинуты (рис. 10).

Рис.10. Излучение Электромагнитных волн

В этом случае электрическое и магнитное поле элементов контура замыкаются в окружающем их пространстве. и возбуждает в нем электромагнитное поле. Его поляризация будет вертикальной, т.к. электрическое поле замыкается вдоль оси антенны. Поэтому радиоволны распространяются в направлениях, перпендикулярных оси вибратора. В других направлениях интенсивность излучения будет меньше или вовсе равна нулю. Таким образом, антенна обладает направленными свойствами.

Частота электромагнитных колебаний определяется индуктивность L и емкостью Сэлементов антенны т.е. линейными размерами антенны. Отсюда следует, что и длина волны зависит от линейных размеров антенны. На практике она выбирается из условия l= λ/2. В этом случае мощность излучения будет максимальной. На других частотах она будет меньше. Таким образом, антенна обладает частотными свойствами.

Простейшей антенной служит система из двух, разведенных в разные стороны проводников, подключенных к генератору (рис. 11).

Данная антенна называется симметричным полуволновым вибратором или элементарным диполем. Здесь колебательный контур образован индуктивностью проводов L и межвитковой емкостью С проводов (LиC – очень малые величины).

При включении генератора между проводниками вибратора, как пластинами конденсатора, возникают вынужденные колебания. При этом в пространстве окружающем антенну образуется переменное электромагнитное поле – радиоволны.

Антенны обладают рядом параметров, характеризующих направленные, частотные и другие свойства антенн.

Направленные свойства антенн описывают с помощью следующих основных параметров:

1. диаграмма направленности – это зависимость излучаемой (принимаемой) мощности от направления излучения (приема). Измерение мощности при этом производится в равноудаленных от антенны точках, в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Диаграмма направленности обычно изображается графически в полярной или прямоугольной системе координат для горизонтальной и вертикальной плоскостей, как это показано, например, на рис.11.

 

Рис. 11.Простейшая антенна

2. Ширина диаграммы направленности – это угол, на границах которого мощность излучения уменьшается в 2 раза (напряженность поля – в раз) по сравнению с направлением максимума. Ширина диаграммы направленности характеризует размеры ее главного

Форма и ширина диаграммы направленности зависит от конструкции антенны и соотношения размеров антенны l и длины волны l - l/l..

3. Коэффициент направленного действия D – отношение плотности потока мощности направленной антенны (в направлении максимума) к плотности потока мощности направленной антенны в той же точке.

Чем больше КНД, тем выше направленные свойства.

С энергетической точки зрения антенны характеризуются такими параметрами как:

1. Входное сопротивление антенны – сопротивление на входных зажимах антенны. В общем случае оно имеет активную и реактивную составляющие

.

При длине вибратора равной и кратной l/2 реактивная составляющая равна нулю, при этом сопротивление антенны носит чисто активный характер, минимально по величине, а ток, наводимый в антенне будет максимален.

2. Коэффициент полезного действия h - отношение мощности излучения антенны к подводимой к ней мощности.

h=Р_ИЗЛ. / Р _ПОДВ.

3. Поляризация антенны – направление вектора напряженности электрического поля Е волны, излучаемой антенной. Поляризация антенны определяется ориентацией антенны в пространстве.

Напряженность электрического поля, создаваемого антенной, характеризуется не только амплитудой и фазой, но и поляризацией. Поляризация волн, излучаемых диполем, определяется его положением в пространстве. Вертикально расположенная антенна

Вертикально расположенный диполь излучает вертикально-поляризованные волны, горизонтальный - горизонтально-поляризованные.

ЭДС., индуктируемая в приемном диполе, пропорциональна проекции вектора напряженности электрического поля на ось антенны. Если приемный вибратор расположен вдоль силовых линий электрической составляющей сигнала, то наводимая в нем Э.Д.С. будет наибольшей. Если же приемный вибратор ориентирован перпендикулярно электрическим силовым линиям электромагнитного поля, то Э ДС. в нем наводиться не будет. Поэтому для получения максимально эффективной связи передающий и приемный вибраторы доданы быть одинаково ориентированы в пространстве.

Частотные свойства антенн определяются частотной характеристикой и полосой пропускания антенны.

Частотная характеристика антенны устанавливает зависимость излучаемой (принимаемой ) мощности от частоты сигнала поступающего на антенну.

Диапазон частот (длин волн) принимаемого сигнала, в пределах которого амплитуда наводимых в антенне колебаний не уменьшается ниже заданного уровня, называют полосой пропускания антенны. Ширина полосы пропускания антенны зависит в основном от ее конструкции и размеров.

В технике радиосвязи часто возникает необходимость применения антенн с узкой диаграммой направленности. Это связано с тем, что уменьшение угла излучения увеличивает плотность потока энергии волны, вследствие чего увеличивается дальность связи без увеличения мощности передатчика и чувствительности приемника. Кроме того, приемные антенны с узкой диаграммой направленности позволяют принимать сигналы с одного преимущественного направления, что исключает прием ложных сигналов и помех с других направлений.

Для увеличения направленности и создания однонаправленного излучения используются антенны, состоящие из нескольких полуволновых симметричных вибраторов.

Поле, создаваемое системой таких вибраторов, является ре­зультатом сложения полей, создаваемых отдельными вибраторами с учетом их фазовых сдвигов, определяемых как разностью хода лучей до рассматриваемой точки, так и разностью фаз токов в вибраторах. Взаимное расположение вибраторов и фазовые соотношения питающих их токов подбираются так, чтобы электромагнитные поля, создаваемые вибраторами в заданном направлении суммировались, образуя максимум излучения. Во всех других направлениях поля отдельных вибраторов взаимно ослабляют друг друга.

Данный принцип и положен в основу работы антенны типа "Вол­новой канал" (рис.12). Фидер, идущий от передатчика, питает один вибратор, называемый активным. В остальных вибраторах, называемых пассивными, токи индуктируются электромагнитным полем активного вибратора. Амплитуды и фазы токов пассивных вибраторов за­висят отих длины, диаметра и взаимного расположения по отношению к активному вибратору и друг к другу.

Рис.12. Директорная антенна и ее диаграмма направленности

Пассивный вибратор, расположенный сзади активного и на­правляющий излучение в сторону активного вибратора, называется рефлектором.

Пассивные вибратор, расположенный впереди активного и на­правляющий максимум излучения на себя, называется директором.

Обычно в антенне "Волновой канал" используется несколько директоров, поэтому эту антенну называют еще и «директорной» антенной.

Ширина диаграммы направленности такой антенны зависит от числа директоров: чем больше директоров, тем острее диаграмма. Однако при увеличении числа директоров выигрыш в направленности, создаваемый каждым последующим директором, постепенно уменьшается в то время как габариты антенны увеличиваются. Поэтому число директоров обычно не превышает 10.

Антенна "волновой канал" является узкодиапазонной, т.к. принцип ее действия основан на резонансных свойствах элемен­тов. Чем больше элементов содержит антенна, тем уже полоса ее рабочих частот. Обычно полоса пропускания таких антенн составляет 5-10% от средней частоты рабочего диапазона. Поэтому такая антенна удобна при работе на фиксированной частоте или в узком диапазоне частот.

Кроме рассмотренной антенны "Волновой канал" в радиосвязи используется и другие типы узконаправленных антенн: логопериодические, зигзагообразные, синфазные и др. Каждый тип антенн имеет свои преимущества и недостатки; выбор того или иного типа антенны определяется конкретными условиямиих использования.