К какой категории антенн относится стержневая антенна

Антенны. Классификация и основные виды антенн

Антенны (от лат. слова antenna — мачта, рея) В передатчиках служат для преобразования радиочастотных электрических колебаний в энергию электромагнитного поля (радиоволн), в приемниках — для преобразования энергии радиоволн в токи радиочастоты. Любую антенну можно использовать как для передачи, так и для приема, причем ее характеристики (диапазон частот, направленные свойства и др.) сохраняются. Этим в значительной мере объясняется тот факт, что назначение антенны (приемная или передающая) ее условное обозначение обычно не отражает. Само расположение символа антенны на схеме однозначно определяет ее функцию (напомним, что развитие схемы, как правило, происходит слева направо).

Общее обозначение антенны (см. рис. 2 и 19,ж) применяют в тех случаях, когда нужно показать несимметричную антенну, т. е. антенну, соединяемую с передатчиком или приемником одним проводом (вторым проводам служит земля). Такие антенны используют в диапазонах длинных, средних и коротких воли. В ультракоротковолновом диапазоне, а также в коротковолновом применяют симметричные антенны, т. е. антенны с двухпроводным выходом (или входом). Общее обозначение симметричной антенны отличается от указанных наличием двух выводов (рис. 154,а).

Назначение и особенности антенны в самом общем виде показывают знаками направления распространения потока электромагнитной энергии. Символы приемной, передающей и приемно-передающей антенны, построенные с применением этих знаков, показаны на рис. 40,в-д.

Стандарт ЕСКД предусматривает специальные знаки для указания таких особенностей антенн, как ширина и характер движения (вращение, качание) главного лепестка диаграммы направленности, тип поляризации, направленность по азимуту и высоте и т. д. В качестве примеров использования таких знаков на рис. 154 показаны условные обозначения вращающейся антенны (б) и антенн с горизонтальной (в) и вертикальной (г) поляризацией.

Для повышения эффективности несимметричных передающих и приемных антенн используют заземление (в простейшем случае — это металлический лист или труба, зарытые на глубину почвенных вод). На схемах заземление изображают тремя короткими штрихами, вписанными в прямой угол (рис. 155,а). Иногда вместо заземления применяют противовес — большое число проводов, натянутых над поверхностью земли на небольшой высоте. Такое устройство обозначают двумя параллельными линиями разной длины, большая из которых символизирует землю (рис. 155,6).

Рассмотренные условные обозначения построены функциональным методом. Другими словами, за их основу взят общий символ антенны, а характеристики выражены вспомогательными знаками. В радиотехнике такие обозначения применяют в основном в структурных и функциональных схемах, т. е. на первых этапах разработки прибора, когда характеристики антенны определены, а конкретный тип ее еще не выбран.

В принципиальных схемах чаще используют условные графические обозначения, напоминающие предельно упрощенные рисунки конкретных разновидностей антенн. Так, простейшую антенну — несимметричный вибратор (вертикальный провод, штырь) изображают отрезком вертикальной утолщенной линии (рис. 156). Подобные антенны применяют в диапазонах длинных, средних, коротких и ультракоротких волн.

Однако для хорошей работы такой антенны ее длина должна быть равна примерно четверти длины рабочей волны. В диапазонах коротких и ультракоротких волн, длина которых не превышает нескольких десятков метров, это требование выполнить легко, а вот на средних и тем более на длинных волнах — гораздо труднее, так как четверть длины волны в этих диапазонах достигает сотен метров. Чтобы не строить дорогостоящие высотные сооружения, к верхнему концу вертикального провода (вибратора) присоединяют один или несколько горизонтальных проводов, действие которых заключается в кажущемся удлинении вибратора. На схемах Г-образную и Т-образную антенны обозначают символами, наглядно передающими их характерные особенности (рис. 157,а, б).

У рассмотренных несимметричных вибраторов излучателем (приемником) радиоволн служит вертикальная часть. В диапазонах же коротких и ультракоротких волн в силу особенностей их распространения обычно применяют антенны, у которых рабочими являются горизонтальные части. Простейшей антенной в эдах диапазонах является симметричный вибратор, представляющий собой два изолированных горизонтальных проводника одинаковой длины, между которыми подключена двухпроводная линия, соединяющая антенну с приемником или передатчиком. Эту линию связи называют фидером (от англ. feeder — питатель). Общая длина вибратора обычно равна примерно половине длины рабочей волны. «

Симметричный вибратор (его условное графическое обозначение показано на рис. 158) обладает явно выраженными направленными свойствами. Лучше всего он принимает или излучает в плоскости, перпендикулярной его оси, хуже всего — в плоскостях, проходящих через нее. Поэтому такую. антенну (например, для приема телевидения) располагают таким образом, чтобы ее горизонтальные части (плечи) были перпендикулярны направлению на телецентр.

На практике часто требуется, чтобы антенна могла излучать или принимать радиоволны в достаточно широкой полосе частот. Достигают этого ис; пользованием в качестве плеч вибратора нескольких параллельных провод,ни ков, соединенных концами. Антенны такой конструкции, известные под названием диполя Надененко, нашли широкое применение в коротковолновой связи. С той же целью (расширение диапазона частот) телевизионные антенны часто изготовляют из отрезков толстых трубок или применяют сложные вибраторы, например петлевые.

Петлевой вибратор представляет собой два полуволновых вибратора, соединенных концами. Эта особенность конструкции петлевого вибратора нашла отражение и в его условном обозначении (рис. 159).

Важным условием хорошей работы антенны является согласование ее входного сопротивления с волновым сопротивлением фидера , так как только в этом случае она может излучать или принимать наибольшую мощность. Для согласования антенн с фидером используют специальные устройства в виде отрезков двухпроводных линий или применяют так называемое шунтовое питание вибраторов.

Симметричный вибратор шунтового питания представляет собой сплошной проводник длиной, также равной половине длины волиы. Фидер подключают к нему в двух точках, расположенных симметрично относительно его середины. Изменяя места подключения фидера к вибратору, можно добиться равенству входного сопротивления антенны волновому сопротивлению фидера, т. е. согласования. Точно так же согласовывают с фидером и петлевые вибраторы шунтового питания. Условное обозначение полуволнового вибратора с шунто-вым питанием представлено на рис. 160.

При использовании в качестве фидера коаксиального кабеля возникает необходимость в симметрировании, т. е. создании условий, при которых токи в точках подсоединения к вибратору имеют противоположные фазы. На практике симметрирующее устройство выполняют в виде отрезка кабеля полуволновой длины, согнутого в виде буквы U. Питание через коаксиальный кабель с симметрирующим устройством такого рода иллюстрирует условное обозначение петлевого вибратора, показанное на рис. 161 (кабель здесь обозначен кружком с отрезком касательной, параллельной линии электрической связи, а согласующее устройство — дугой, соединяющей выводы вибратора).

Для связи на коротких волнах антенны должны быть однонаправленными, т. е. излучать и принимать радиоволны они должны только с одного направления. Типичным представителем таких антенн является ромбическая антенна, представляющая собой ромб, выполненный из провода, стороны которого примерно вчетверо больше длины волны. К одному из острых углов антенны подключают двухпроводный фидер, а к другому — поглощающую нагрузку, сопротивление которой равно волновым сопротивлениям антенны и фидера. В условном обозначении ромбической антенны символ резистора (поглощающей нагрузки) уменьшен по сравнению с обычным примерно вдвое. _ Это делает обозначение антенны более компактным (рис. 162).

В метровом и дециметровом диапазонах волн часто используют антенны «волновой канал », обладающие значительно большим, по сравнению с одиночным вибратором, коэффициентом направленного действия. Такая антенна, кроме основного — активного — вибратора, содержит неоколько пассивных. Один из них, расположенный за активным, называют рефлектором (от лат. reflectere — отражать), остальные (расположенные перед активным) — директорами (directio — направлять). Длина рефлектора — несколько больше, а директоров — несколько меньше длины активного вибратора. На схемах это показывают различной длиной соответствующих символов в условном обозначении антенны «волновой канал» (рис. 163).

С целью улучшения направленных свойств антенн применяют также металлические рефлекторы в виде согнутых из металлического листа уголков, параболоидов и т. п. Условное обозначение такого рефлектора воспроизводит (конечно, упрощенно) его профиль в сечении. В качестве примера на рис. 164 доказаны условные графические обозначения антенны с излучателем (приемником) в виде симметричного вибратора и уголковым рефлектором (а) и антенны с криволинейным рефлектором (б), вибратор которой питается через коаксиальный кабель (симметрирующее устройство дли простоты не изображено) .

Для передачи электромагнитной энергии в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн используют волноводы — металлические Трубы, обычно прямоугольного сечения. Открытый конец волновода излучает электромагнитные волны. Чтобы улучшить излучение, к нему пристраивают пирамидальную воронку, которую называют рупорной антенной. Условное обозначение последней приведено на рис. 165. Здесь уголок, напоминающий гнездо разъемного соединения, символизирует рупор антенны, прямоугольник на присоединенной к нему линии электрической связи — волновод прямоугольного сечения.

Улучшение направленных свойств в этих диапазонах волн можно также получить применением металлического рефлектора, поместив в его раскрыв рупорный излучатель (рис. 166). Хорошими направленными свойствами обладает и так называемая диэлектрическая антенна . Она представляет собой сплошной или полый стержень из высококачественного диэлектрика (полистирола, полиэтилена), на основание которого надет металлический стакан, выполняющий функции рефлектора. На расстоянии в четверть длины волны от дна стакана в теле антенны закреплен возбуждающий штырь. Благодаря особой форме образующей стержня Электромагнитные волны выходят из него под одинаковыми углами к оси, в результате чего и создается направленное излучение. Условное графическое обозначение диэлектрической антенны — узкий заштрихованный наклонными линиями треугольник с линией-выводом от меньшего основания (рис.. 167).

Широкое применение в радиоприемной технике нашли так называемые магнитные антенны (они реагируют не на электрическую составляющую электромагнитных волн, как все рассмотренные ранее антенны, а на магнитную). Простейшая антенна такого типа — рамка, состоящая из одного или нескольких витков провода. Независимо от формы витков рамочную антенну изображают в виде незамкнутого квадрата с линиями-выводами от соседних сторон (рис. 168).

Гораздо чаще используют магнитные антенна с магнитопроводом из феррита. На схемах их обозначают как одну или несколько (по числу обмоток) катушек индуктивности с общим магнитопроводом, но в отличие от последних располагают всегда горизонтально (рис. 169,а).

Принадлежность к антенным устройствам показывают общим символом, помещая его над серединой условного обозначения магнитопровода. Обмотки магнитной антенны обычно используют в качестве катушек входных колебательных контуров, поэтому обозначают их кодом катушек — латинской буквой L, а возможность подстройки их индуктивности (перемещением по магнитопроводу) показывают уже знакомым знаком подстроечного регулирования (рис. 169,6).

Антенна — устройство для излучения и/или приёма электромагнитных волн путём прямого преобразования электрического тока в излучение (при передаче) или излучения в электрический ток (при приёме).

Обычно термин «антенна» используется для устройств, работающих в радиочастотном диапазоне , но существуют опытные образцы наноантенн , способных принимать электромагнитное излучение инфракрасного и видимого спектра.

Как правило, антенна работает совместно с радиопередатчиком или радиоприемником . Антенна в режиме передачи преобразует энергию поступающего от радиопередатчика электромагнитного колебания в распространяющуюся в пространстве электромагнитную волну. Антенна в режиме приема преобразует энергию падающей на антенну электромагнитной волны в электромагнитное колебание, поступающее в радиоприемник. Таким образом, антенна преобразует переменный электрический ток в электромагнитное излучение и наоборот.

Первые антенны были созданы в 1888 году Генрихом Герцем в ходе его экспериментов по доказательству существования электромагнитной волны (Вибратор Герца ). Форма, размеры и конструкция созданных впоследствии антенн чрезвычайно разнообразны и зависят от рабочей длины волны и назначения антенны. Нашли широкое применение антенны, выполненные в виде отрезка провода, системы проводников, металлического рупора, металлических и диэлектрических волноводов , волноводов с металлическими стенками с системой прорезанных щелей, а также многие другие типы. Для улучшения направленных свойств первичный излучатель может снабжаться рефлекторами — отражающими зеркалами различной конфигурации и системами зеркал, а также линзами. Излучающая часть антенн, как правило, изготавливается с применением проводящих электрический ток материалов, но может изготовляться из изоляционных (диэлектрик) материалов, могут применяться полупроводники и метаматериалы .

С точки зрения теории электрических цепей антенна представляет собой двухполюсник (или многополюсник), и мощность источника, выделяемая на активной составляющей полного входного сопротивления антенны расходуется на создание электромагнитного излучения. В системах автоматического регулирования антенна рассматривается как дискриминатор — датчик угла рассогласования между направлением на источник сигнала или отражатель и ориентацией носителя (например, антенна с суммарно-разностной диаграммой направленности в составе радиолокационной головки самонаведения). В системах пространственно-временной обработки сигнала антенна (антенная решетка) рассматривается как средство дискретизации электромагнитного поля по пространству. В особый класс принято выделить антенны с обработкой сигнала. В частности, одним из таких устройств являются антенны с виртуальной (синтезированной) апертурой , применяемые в авиационной и космической технике для задач картографирования и увеличения разрешающей способности за счёт использования когерентного накопления и обработки сигнала.

Иллюстрация трансформации параллельного контура в дипольную антенну. Синие линии — силовые линии электрического поля, красные — магнитного

Упрощенно принцип действия антенны состоит в следующем. Как правило, конструкция антенны содержит металлические (токопроводящие) элементы, соединенные электрически (непосредственно или через питающую линию — фидер ) с радиопередатчиком или с радиоприемником. В режиме передачи переменный электрический ток , создаваемый источником (например, радиопередатчиком), протекающий по токопроводящим элементам такой антенны, в соответствии с законом Ампера порождает вокруг себя переменное магнитное поле . Это меняющееся во времени магнитное поле в свою очередь, в соответствии с законом Фарадея , создает вокруг себя меняющееся во времени электрическое поле . Это переменное электрическое поле создает вокруг себя переменное магнитное поле и так далее — возникает взаимосвязанное переменное электромагнитное поле , образующее электромагнитную волну , распространяющуюся от антенны в пространство. В режиме приема переменное электромагнитное поле падающей на антенну волны наводит токи на токопроводящих элементах конструкции антенны, которые поступают в нагрузку (фидер, радиоприемник).

Электромагнитное излучение, создаваемое антенной, обладает свойствами направленности и поляризации . Антенна как двухполюсник обладает входным сопротивлением (импедансом). Лишь часть энергии источника антенна преобразует в электромагнитную волну, остальная расходуется в виде тепловых потерь. Для количественной оценки перечисленных и ряда других свойств антенна описывается набором электрических характеристик и параметров, в частности:

Пример диаграммы направленности антенны и параметры: ширина ДН, КНД, УБЛ, коэффициент подавления обратного излучения

диаграмма направленности (ДН)

коэффициент направленного действия (КНД)

коэффициент усиления (КУ)

ширина ДН по заданному уровню

уровень боковых лепестков (УБЛ)

резонансная частота , рабочая полоса частот

номинальное входное сопротивление антенны, тип линии питания

входной импеданс и коэффициент стоячей волны (КСВ) в линии питания

коэффициент полезного действия (КПД)

Коэффициент использования поверхности (КИП) апертуры антенны

шумовая температура антенны (Т А)

максимальная допустимая мощность на входе

К характеристикам антенн также можно отнести следующие:

эффективная площадь рассеяния (ЭПР)

эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ)

Ряд характеристик антенн как взаимных устройств (пассивных линейных многополюсников) в режиме передачи и в режиме приема совпадает, в том числе: ДН (КНД, КУ, УБЛ), входной импеданс. Например, ДН антенны в режиме приема и в режиме передачи совпадают.

К конструктивным характеристикам и параметрам антенн относятся, в частности:

масса, координаты центра масс, момент инерции

габаритные размеры, максимальный радиус разворота

объект установки, способ крепления

Основные типы антенн

Телевизионные директорные антенны метрового и дециметрового диапазонов горизонтальной поляризации

Уголковые антенны на первом искусственном спутнике Земли разработаны профессором РТФ МЭИ Марковым Г.Т.

Волноводно-щелевая ФАР в составе головки самонаведения противокорабельной ракеты Х-35 Э.МАКС-2005

• Симметричный вибратор (диполь) Несимметричный вибратор
  • Антенна Ground Plane Укороченная штыревая антенна Колинеарная антенна «Коаксиальная» антеннаJ-образная антенна Антенна зенитного излучения Вертикальная антенна верхнего питания

  Петлевой вибратор («Петлевой вибратор Пистолькорса»)

  Широкополосный «Диполь Надененко «

  • Волновой канал (антенна Уда-Яги)

  Антенна СГ (синфазная горизонтальная)

  • Щелевой вибратор Волноводно-щелевая антенна

  Апертурная антенна — антенна, излучение у которой происходит через раскрыв (плоское отверстие — апертуру). Используются в СВЧ-диапазоне.

  • Рупорная антеннаЗеркальная антенна
    • Прямофокусная зеркальная антеннаОфсетная зеркальная антеннаАнтенна КассегренаАнтенна ГрегориЗеркальная антенна с косекансной диаграммой направленностиЗонтичная антеннаРупорно-параболические антенныПерископическая антенна

    Антенна с синтезированной апертурой .

    Антенна бегущей волны

    • Спиральная антеннаДиэлектрическая стержневая антеннаИмпедансные антенны Антенна вытекающей волны Антенна БевереджаV-образная антеннаРомбическая антеннаАнтенна БС

    Антенны диапазона СВЧ

    • Микрополосковая антеннаПатч-антенныСингулярная антенна

    Чип-антенна (антненна, монтируемая по технологии SMD )

    Антенны оптического диапазона

    • Антенна на принципе электродинамического подобия
      • Дискоконусная антенна Излучатель типа «бабочка»

      Логопериодическая антенна (Логарифмическая периодическая антенна)

      Антенная решетка (система излучения)

      • Фазированная антенная решёткаПассивные ФАРАктивные ФАР — с нелинейными преобразованиями сигнала в полотне решётки Цифровая антенная решётка — активная ФАР с применением алгоритмов цифровой обработки сигнала непосредственно в полотне MIMO -антенна

      Антенны с линейными размерами Антенна волновой канал.

      Антенна типа волновой канал представляет собой систему вибраторов, имеющих длину, близкую к половине длины волны, и расположенных перпендикулярно прямой линии, вдоль которой происходит излучение. Активным в антенне является только один вибратор, а остальные вибраторы — пассивные (рис.3.3.). Первый вибратор пассивный называется рефлектором, за ним располагается активный вибратор, а затем вновь пассивные вибраторы — директоры. Антенна волновой канал излучает в направлении директоров и имеет диаграмму направленности близкую к игольчатой. Число директоров можно определить по заданному КНД антенны, используя приближенное соотношение:D=5N, где N — число директоров. Методы расчета волнового канала позволяют получить лишь ориентировочные результаты, которые затем уточняются экспериментально.

      Несимметричный вибратор.

      Если вибратор расположен на расстоянии H от идеально проводящей плоскости, то в соответствии с принципом зеркальных изображений он эквивалентен двум вибраторам, расположенным на расстоянии 2H, причем вторым вибратором является зеркальное изображение первого. Если вибратор параллелен плоскости, над которой он расположен, то его изображение противофазно, если же перпендикулярен — синфазно. Указанное обстоятельство позволяет использовать только одно плечо симметричного вибратора, устанавливая его непосредственно у идеально проводящей плоскости перпендикулярно к ней. Выполненная таким образом вибраторная антенна называется несимметричным вибратором, причем ее параметры можно легко определить. Однако том случае, когда плоскость, над которой расположен вибратор, имеет конечную проводимость, расчет параметров антенны весьма сложен. Для улучшения к.п.д. несимметричных вибраторов и уменьшения влияния свойств земли на его параметры делают заземление антенны или противовес. Заземление антенны представляет собой систему проводников, которую зарывают на некоторую, обычно не очень большую, глубину в землю. Противовес же является системой проводников, расположенных на некоторой высоте над землей. Размеры площади, охватываемой заземлением антенны (впротивовесом), должны быть достаточно большими (больше длины волны), а расстояние между проводниками следует брать небольшим (меньше четверти длины волны).

      Характеристики вибратора в режиме 1/4l
      

      Этот тип антенн представляет собой вибратор, у которого длина плеча равна четверти длины волны. У такого вибратора пучность тока находится точно у зажимов, а напряжение на них оказывается равным нулю. Входное сопротивление вибратора чисто активное, а реактивное сопротивление равно нулю. В виду отсутствия реактивной составляющей к.п.д. такой антенны будет максимальным. Вибратор ведет себя как последовательный резонансный контур с RA=73 Ом. Такой режим называют режимом работы на собственной (резонансной) волне. Иначе говоря, собственной волной антенны называют наибольшую длину волны, при которой реактивное сопротивление равно нулю. Коэффициент направленного действия равен 1,641 и диаграмма направленности этого вида антенн имеет двухлепестковый характер с максимумами в направлении 900 и 2700 (см.рис.3.2.). Такие вибраторы применяются при проектировании узкополосных антенн в виду того, что значительно упрощается процедура согласования с фидерным трактом (выходом передатчика).

      Характеристики вибратора в режиме L=5/8l
      

      При длине плеча вибратора L=5/8l, диаграмма направленности несимметричного вибратора имеет один главный лепесток в направлении, перпендикулярном оси вибратора и два небольших боковых лепестка (рис.3.2.). Несмотря на наличие боковых лепестков направленность излучения в направлении, перпендикулярном оси вибратора, получается максимальной. Это значит, что коэффициент усиления такой антенны будет максимальным. Реактивное сопротивление вибратора носит чисто емкостной характер и является относительно большим.

      Одним из эффективных путей реализации антенны вертикальной поляризации с высокой направленностью состоит в том, чтобы формировать линейную антенную решетку, в которой комбинируется несколько синфазных коллинеарных излучающих элементов. Настройка антенн коллинеарного типа нуждается в точном расчете. На рис.3.5. изображены типичные конструкции коллинеарных антенн с графическим пояснением принципов их работы. В антенне на рис.3.4.а между полуволновыми излучающими элементами для обеспечения синфазного питания включены катушки индуктивности. Этот тип антенны называется нагруженной антенной и часто используется как автомобильная антенна. Антенны, показанные на рис.3.4.б, в обычно известны как коаксиальные коллинеарные антенны. Этот вид антенн используются как антенны для автомобиля, так и антенны базовых станций. Синфазность питания этих антенн зависит от длины излучающих элементов и расстояния между ними, потому эти антенны узкополосные.Коллинеарные антенны имеют относительно большое усиление. Строятся они таким образом, чтобы, несмотря на большую длину антенн, исключить участки ее с токами противоположного направления. На рис.3.5. показаны варианты реализации антенны Маркони-Франклина. Катушки на рис.3.4.а и участки линий на рис.3.4.б имеют электрическую длину полволны; в этих катушках и участках токи имеют противоположное направление, но они не излучают. На остальных излучающих участках антенны токи синфазны. Рис.3.6. поясняет конструкцию и принцип работы антенны из отрезков коаксиальной линии с перекрещиванием (рис.3.5.). Внешние и внутренние проводники полуволновых отрезков соединены перекрестно. Внутренний проводник и внутренняя поверхность трубы служат линией питания, к которой в точках «а» и «б» подключаются излучающие вибраторы в виде внешних поверхностей трубы 1 и 2 или 3 и 4. У основания эта антенна должна питаться симметрично, иначе половина вибраторов получит потенциал земли, и не будет излучать. На рис.3.6. показан вариант такого вида антенны, отличающийся большей технологичностью в производстве. Все современные коллинеарные антенны, как правило, заключеаются в диэлектрический (обычно стеклопластиковый) корпус, защищающий от климатических воздействий являющийся опорной конструкцией. У антенн, запитываемых с одного конца, каковыми являются все рассмотренные выше коллинеарные антенны, ток, по мере приближения к другому концу антенны, спадает из-за затухания, обусловленного излучением, особенно у антенн с относительно большими поперечными сечениями. Это приводит к расширению основного лепестка, уменьшению боковых лепестков и КНД. Эти антенны узкополосны, поскольку правильная фазировка их элементов определяется соотношением длины волны и размеров частей антенны.Применение таких антенн в качестве стационарных для базовых станций в отличие от антенных решеток имеет ряд преимуществ. Такие антенны легко монтируются в виду небольших массогабаритных характеристик, имеют довольно высокий коэффициент усиления и равномерную круговую диаграмму направленности.В качестве антенны подвижного средства могут также применяться коллинеарные антенны особенно для высокочастотных диапазонов 800…900 МГц. Антенна, показанная на рис.3.7., представляет собой антенну Маркони-Франклина с малым числом секций и одной фазирующей катушкой. Катушка используется и в части механических свойств — придает антенне гибкость, желательную для антенн подвижных средств.

      Входное сопротивление антенны оказывается чисто активным лишь при работе на резонансных волнах. Если антенна возбуждается на других волнах, то для подведения к антенне максимальной мощности передатчика необходимо произвести настройку антенны, осуществляя согласование. Т.е. скомпенсировать реактивную составляющую входного сопротивления. В режиме удлинения, характерном для этого типа антенн, для компенсации реактивной составляющей обычно используют катушку индуктивности, которая как бы удлиняет вибратор (рис.3.8). Индуктивность полностью включенной катушки должна быть такой, чтобы ее сопротивление скомпенсировало емкостное сопротивление антенны. Укороченные антенны (антенны в режиме удлинения) находят широкое применение как антенны, устанавливаемые на подвижных объектах (автомобиль, самолет и т.д.). Это вызвано тем, что такие антенны легко маскируются, противостоят значительным ветровым нагрузкам и удобны в эксплуатации. Но на длинах волн, не кратных 0,25l, возрастает реактивная составляющая входного сопротивления антенны, что приводит к усложнению настройки антенны. При длине плеча L=5/8l достигается максимальная характеристика направленности антенны, но входное сопротивление имеет сильную емкостную составляющую, для компенсации которой и ставят катушку согласования.

      Конструктивные особенности антенн для автомобиля и стационарных антенн.

      Основные требования, предъявляемые к конструкции антенн для автомобиля — компактность и устойчивость работы в сложных условиях эксплуатации на транспортном средстве. При использовании в системах специальной подвижной связи в ряде случаев добавляется требование скрытности размещения. По этим причинам в составе радиостанций подвижных объектов применяются одновходовые антенны, имеющие малые габариты и простую конструкцию. Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяют несимметричные вертикальные вибраторы, устанавливаемые на крыше автомобиля и использующие ее в качестве противовеса. В качестве антенн подвижных объектов могут также применяться и более эффективные коллинеарные антенны, обеспечивающие более высокий КНД. Однако при этом увеличивается вертикальный габарит автомобиля, усложняется и удорожается конструкция самой антенны, возрастают ветровые нагрузки от набегающего потока воздуха при движении. Кроме того, при использовании коллинеарной антенны, вследствие значительного ее вертикального размера, затрудняется обеспечение скрытности. Несимметричный вертикальный вибратор представляет собой трубку, нижняя точка которого есть точка питания вибратора. По способу установки излучателя на крыше кузова автомобиля есть два варианта исполнения: с закреплением излучателя посредством болтов или винтов и с фиксацией положения излучателя посредством постоянного магнита, размещенного на основании. Первый вариант крепления антенны для автомобиля обеспечивает наиболее надежную фиксацию излучателя. Однако он предполагает наличие отверстий в крыше кузова не допускает изменение положения излучателя. Второй вариант позволяет оперативно изменять положение излучателя или вовсе снимать его с крыши. Постоянный магнит помещен в тороидальный магнитопровод, который является проводником и одновременно служит основанием («землей» для согласующей схемы). По высокой частоте электрическая связь основания с крышей обеспечивается через болты и через емкость между основанием и крышей, а при использовании магнитного основания — только через эту емкость. Для используемых частот ее величина достаточно высока. Основными электрическими характеристиками антенн для автомобиля являются коэффициент усиления, характер диаграммы направленности, уровень согласования и ширина полосы согласования. Допустимая входная мощность в данном случае не является критичным параметром, поскольку мощности передатчиков на подвижных объектах обычно невелики. Размещение излучателя антенны в целях скрытия или по эстетическим соображениям, вблизи от металлических поверхностей кузова, в углублениях (например, фар) и т.п. приводит к уменьшению сопротивления излучения, следовательно, к ухудшению согласования, сокращению рабочей полосы частот; кроме того, искажается диаграмма направленности антенно-фидерного устройства. В этом смысле размещение вертикально поляризованной антенны, например, вертикального штыря, на крыше автомобиля является оптимальным. При смещении такой антенны от центра крыши к краю входное сопротивление антенны, а следовательно, ее согласование с фидером, будет изменяться относительно мало, поскольку оно определяется преимущественно ближними реактивными полями, ограниченными относительно небольшими расстояниями от антенны, т.е. небольшим участком крыши. Но этого нельзя сказать о диаграмме направленности. Представив крышу металлическим листом ограниченных размеров, получим диаграммы направленности, примерно соответствующие показанным на рис.3.9 — 3.11. При размещении вертикального вибратора в центре листа размеров три длины волны получим приподнятую и симметричную диаграмму направленности в вертикальной плоскости (рис.3.10.). При смещении вибратора к краю листа (рис.3.11.) диаграмма направленности в вертикальной плоскости становится несимметричной: с той стороны, где вибратор ближе к краю, диаграмма направленности приподнята больше. Азимутальные диаграммы направленности при круговом листе будут ненаправленными, при прямоугольном — близки к ненаправленным. На рис.3.11. приведен для этого случая примерный вид азимутальной диаграммы направленности под углом 300 к горизонту — она уже существенно отличается от ненаправленной. Очевидно, что оптимальным местом размещения антенны является середина крыши автомобиля. При размещении антенно-фидерных устройств на стационарных объектах должно соблюдаться территориальное разнесение передающих и приемных антенн, обусловленное требованиями электромагнитной совместимости, рационального и эффективного использования радиооборудования, антенно-фидерных устройств и площади, на которой предстоит размещать антенны. Взаимное влияние между антеннами может проявляться в боковом отклонении главного лепестка горизонтальной диаграммы направленности, в увеличении уровня ее боковых лепестков и угла отжатия от земли максимума вертикальной диаграммы. Для предотвращения подобного рода нежелательных явлений необходимо избегать расположения рядом с антенной проводов и других антенных устройств, размеры которых близки к резонансным с рабочей волной антенны. Недопустимым является взаимное влияние антенн. Для неискаженного формирования диаграмм направленности перед каждой антенной должна быть создана так называемая площадка свободной зоны. Значительное влияние на формирование диаграммы направленности оказывает способ монтажа антенны (сверху мачты или на боковой стороне или ребре), а также размеры характер поперечного сечения мачты. На рис.3.12. показана зависимость искажения диаграммы направленности от поперечных размеров и сечения мачты. Из рисунка видно, что увеличение диаметра мачты неизбежно приводит к образованию провала в ДН в азимутальной плоскости с тыльной, относительно антенны, стороны. Кроме того, для уменьшения взаимного влияния двух антенн (приемной и передающей) проводят их разнесение по фронтальной плоскости. Зависимость затухания сигнала (в дБ) от отношения расстояния разноса антенн к длине волны показано на рис.3.13. При желаемой (заданной) развязке между антеннами в дБ и известной длине рабочей волны (в метрах) по графику определяется горизонтальное разнесение между антеннами (в метрах). Когда горизонтальное разнесение антенн по каким-либо причинам не представляется возможным (или достаточным), применяют и вертикальное разнесение антенн. На рис.3.14. представлен график зависимости затухания сигнала (в дБ) от отношения величины разнесения антенн к длине волны. Величину вертикального разнесения антенн при желаемой (заданной) развязке между ними в дБ и известной длине рабочей волны (в метрах) определяется по графику также как и для горизонтального.Для обеспечения устойчивости связи необходимо учитывать все приведенные выше параметры размещения антенн и учитывать возможности взаимного влияния антенн друг на друга, особенно в условиях ограничения площадок развертывания антенных систем. Антенны могут классифицироваться по ряду признаков: по частотным диапазонам, по степени направленности излучения (ненаправленные, слабонаправленные, высоконаправленные), по типу элементарных источников, из которых составлена антенна и др. Любая классификация является условной. Мы используем последний из перечисленных признаков. Проволочные антенны . Излучающим является провод, по которому протекает быстропеременный электрический ток. Генератор или входные цепи приемника включены в разрыв провода, отрезки провода называется плечами. К проволочным антеннам относятся: вибраторы, штыри, длинный провод, ромбическая антенна и др. Конструктивно «провод» может быть выполнен в виде металлической полосы, тонкой трубки, металлической сетки. Проволочные антенны относятся к антеннам слабой и средней направленности и используются в диапазонах от длинных до сантиметровых волн. Антенные решетки (АР) с поперечным излучением. АР образована из упорядоченной системы слабонаправленных излучателей, возбуждаемых от общего генератора с помощью диаграммо-образующей схемы, состоящей из отрезков ЛП и делителей мощности для получения синфазного возбуждения всех элементов АР. Решетки бывают линейные и двумерные (плоские). АР формируют ДН, главный максимум которой ориентирован по нормали к плоскости решетки (раскрыву). Ширина ДН пропорциональна величине , где λ — рабочая длина волны, А — линейный размер полотна в соответствующей плоскости (вертикальной или горизонтальной). Уровень боковых лепестков ДН определяется видом амплитудного распределения в раскрыве антенны. Если в диаграммо-образующую схему ввести систему управляемых фазовращателей, то формирование линейного распределения фазы по раскрыву приведет к отклонению луча от нормали. АР с управляемым положением главного лепестка ДН называется фазированной антенной решеткой (ФАР). Антенны с бегущей волной тока. Это система из дискретных или непрерывно расположенных излучателей, фазы токов в которых меняются по закону бегущей волны (линейно). К дискретным антеннам этого типа относятся, так называемая, директорная антенна или антенна «волновой канал». Она состоит из вибраторов, расположенных вдоль линии, совпадающей с направлением максимума излучения. В такой линейной решетке используются активные и пассивные вибраторы. Директорная антенна – наиболее распространенный тип антенны для приема телевизионных программ. К антеннам с непрерывным распределением тока относятся спиральные и диэлектрические стержневые антенны. Это класс антенн средней направленности. Диапазоны использования – метровые, дециметровые и сантиметровые волны. Апертурные антенны. Если по некоторой площадке (апертуре, раскрыву) установить непрерывное, квазисинфазное распределение ЭМП, то такая излучающая система называется апертурной антенной. Элементарными источниками излучения в раскрыве являются элементы Гюйгеса. Наиболее распространенными типами этого класса антенн являются рупорные и зеркальные (рефлекторные) антенны. Антенны этого класса формируют среднее и высоконаправленное излучение. Коэффициент усиления зеркальных антенн может достигать несколько десятков децибел. Зеркальные и рупорные антенны используются в радиолокации, для приема спутникового телевидения. Диапазоны использования – от метровых до миллиметровых волн. Когда-то хорошая телевизионная антенна была дефицитом, покупные качеством и долговечностью, мягко говоря, не отличались. Сделать антенну для «ящика» или «гроба» (старого лампового телевизора) своими руками считалось показателем мастерства. Интерес к самодельным антеннам не угасает и в наши дни. Ничего странного тут нет: условия приема ТВ кардинально изменились, а производители, полагая, что в теории антенн ничего существенно нового нет и не будет, чаще всего приспосабливают к давно известным конструкциям электронику, не задумываясь над тем, что главное для любой антенны – ее взаимодействие с сигналом в эфире.

      Что изменилось в эфире?

      Во-первых, почти весь объем ТВ-вещания в настоящее время осуществляется в диапазоне ДМВ . Прежде всего из экономических соображений, в нем намного упрощается и удешевляется антенно-фидерное хозяйство передающих станций, и, что еще более важно – потребность в его регулярном обслуживании высококвалифицированными специалистами, занятыми тяжелым, вредным и опасным трудом. Второе – ТВ-передатчики теперь покрывают своим сигналом практически все более-менее населенные места , а развитая сеть связи обеспечивает подачу программ в самые глухие углы. Там вещание в обитаемой зоне обеспечивают маломощные необслуживаемые передатчики. Третье, изменились условия распространения радиоволн в городах . На ДМВ промышленные помехи просачиваются слабо, но железобетонные многоэтажки для них – хорошие зеркала, многократно переотражающие сигнал вплоть до его полного затухания в зоне, казалось бы, уверенного приема. Четвертое – ТВ-программ в эфире сейчас очень много, десятки и сотни . Насколько это множество разнообразно и содержательно – другой вопрос, но рассчитывать на прием 1-2-3 каналов ныне бессмысленно. Наконец, получило развитие цифровое вещание . Сигнал DVB T2 – штука особенная. Там, где он еще хоть чуть-чуть, на 1,5-2 дБ, превышает шумы, прием отличный, как ни в чем ни бывало. А чуть дальше или в стороне – нет, как отрезало. К помехам «цифра» почти не чувствительна, но при рассогласовании с кабелем или фазовых искажениях в любом месте тракта, от камеры до тюнера, картинка может рассыпаться в квадратики и при сильном чистом сигнале.

      Требования к антеннам

      • Такие ее параметры, как коэффициент направленного действия (КНД) и коэффициент защитного действия (КЗД) ныне определяющего значения не имеют: современный эфир очень грязный, и по малюсенькому боковому лепестку диаграммы направленности (ДН), хоть какая-то помеха, да пролезет, и бороться с ней нужно уже средствами электроники.
      • Взамен особое значение приобретает собственный коэффициент усиления антенны (КУ). Антенна, хорошо «облавливающая» эфир, а не смотрящая на него сквозь маленькую дырочку, даст запас мощности принятого сигнала, позволяющий электронике очистить его от шумов и помех.
      • Современная телевизионная антенна, за редчайшими исключениями, должна быть диапазонной, т.е. ее электрические параметры должны сохраняться естественным образом, на уровне теории, а не втискиваться в приемлемые рамки путем инженерных ухищрений.
      • ТВ-антенна должна согласовываться в кабелем во всем своем рабочем диапазоне частот без дополнительных устройств согласования и симметрирования (УСС).
      • Амплитудно-частотная характеристика антенны (АЧХ) должна быть возможно более гладкой. Резким выбросам и провалам непременно сопутствуют фазовые искажения.

      Последние 3 пункта обусловлены требованиями приема цифровых сигналов. Настроенные, т.е. работающие теоретически на одной частоте, антенны можно «растянуть» по частоте, напр. антенны типа «волновой канал» на ДМВ с приемлемым отношением сигнал/шум захватывают 21-40 каналы. Но их согласование с фидером требует применения УСС, которые либо сильно поглощают сигнал (ферритовые), либо портят фазовую характеристику на краях диапазона (настроенные). И «цифру» такая антенна, отлично работающая на «аналоге», будет принимать плохо.

      В связи с этим, из всего великого антенного многообразия, в данной статье будут рассмотрены антенны для телевизора, доступные для самостоятельного изготовления, следующих типов:

      1. Частотнонезависимая (всеволновая) – не отличается высокими параметрами, но очень проста и дешева, ее можно сделать буквально за час. За городом, где эфир почище, она вполне сможет принимать цифру или достаточно мощный аналог не небольшом удалении от телецентра.
      2. Диапазонная логопериодическая. Ее, образно выражаясь, можно уподобить рыболовецкому тралу, уже при облавливании сортирующему добычу. Она тоже довольно проста, идеально согласуется с фидером во всем своем диапазоне, абсолютно не меняет в нем параметры. Техпараметры – средние, поэтому более подойдет для дачи, а в городе в качестве комнатной.
      3. Несколько модификаций зигзагообразной антенны , или Z-антенны. В диапазоне МВ это весьма солидная конструкция, требующая немалого умения и времени. Но на ДМВ она вследствие принципа геометрического подобия (см. далее), настолько упрощается и съеживается, что вполне может быть использована как высокоэффективная комнатная антенна при почти любых условиях приема.

      Примечание: Z-антенна, если использовать предыдущую аналогию – частый бредень, сгребающий все, что есть в воде. По мере замусоривания эфира она было вышла из употребления, но с развитием цифрового ТВ вновь оказалась на коне – во всем своем диапазоне она так же отлично согласована и держит параметры, как «логопедка».

      Точное согласование и симметрирование почти всех описанных далее антенн достигается благодаря прокладке кабеля через т.наз. точку нулевого потенциала. К ней предъявляются особые требования, о которых подробнее будет сказано далее.

      О вибраторных антеннах

      В полосе частот одного аналогового канала можно передать до нескольких десятков цифровых. И, как уже сказано, цифра работает при ничтожном отношении сигнал/шум. Поэтому в очень удаленных от телецентра, куда сигнал одного-двух каналов еле добивает, местах, для приема цифрового ТВ может найти применение и старый добрый волновой канал (АВК, антенна волновой канал), из класса вибраторных антенн, так что в конце уделим несколько строк и ей.

      О спутниковом приеме

      Делать самому спутниковую антенну нет никакого смысла. Головку и тюнер все равно нужно покупать, а за внешней простотой зеркала кроется параболическая поверхность косого падения, которую с нужной точностью может выполнить далеко не всякое промышленное предприятие. Единственное, что под силу самодельщикам – настроить спутниковую антенну, об этом .

      О параметрах антенн

      Точное определение упомянутых выше параметров антенн требует знания высшей математики и электродинамики, но понимать их значение, приступая к изготовлению антенны, нужно. Поэтому дадим несколько грубые, но все же поясняющие смысл определения (см. рис. справа):

      

      • КУ – отношение принятой антенной на основной (главный) лепесток ее ДН мощности сигнала, к его же мощности, принятой в том же месте и на той же частоте ненаправленной, с круговой, ДН, антенной.
      • КНД – отношение телесного угла всей сферы к телесному углу раскрыва главного лепестка ДН, в предположении, что его сечение – круг. Если главный лепесток имеет разные размеры в разных плоскостях, сравнивать нужно площадь сферы и площадь сечения ею главного лепестка.
      • КЗД – отношение принятой на главный лепесток мощности сигнала к сумме мощностей помех на той же частоте, принятой всеми побочными (задним и боковыми) лепестками.
      1. Если антенна диапазонная, мощности считаются на частоте полезного сигнала.
      2. Поскольку совершенно ненаправленных антенн не бывает, за такую принимают полуволновой линейный диполь, ориентированный по направлению электрического вектора поля (по его поляризации). Его КУ считается равным 1. ТВ программы передаются с горизонтальной поляризацией.

      Следует помнить, что КУ и КНД не обязательно взаимосвязаны. Есть антенны (напр. «шпионская» – однопроводная антенна бегущей волны, АБВ) с высокой направленностью, но единичным или меньшим усилением. Такие смотрят вдаль как бы сквозь диоптрический прицел. С другой стороны, существуют антенны, напр. Z-антенна, у которых невысокая направленность сочетается со значительным усилением.

      О тонкостях изготовления

      Все элементы антенн, по которым протекают токи полезного сигнала (конкретно – в описаниях отдельных антенн), должны соединяться между собой пайкой или сваркой. В любом сборном узле на открытом воздухе электрический контакт скоро нарушится, и параметры антенны резко ухудшатся, вплоть до полной ее негодности.

      Особенно это касается точек нулевого потенциала. В них, как говорят специалисты, наблюдается узел напряжения и пучность тока, т.е. его наибольшее значение. Ток при нулевом напряжении? Ничего удивительного. Электродинамика ушла от закона Ома на постоянном токе так же далеко, как Т-50 от воздушного змея.

      Места с точками нулевого потенциала для цифровых антенн лучше всего выполнять гнутыми из цельного металла. Небольшой «ползучий» ток на сварке при приеме аналога на картинке, скорее всего, не скажется. Но, если принимается цифра на границе шумов, то тюнер из-за «ползучки» может не увидеть сигнала. Который при чистом токе в пучности дал бы стабильный прием.

      О пайке кабеля

      Оплетка (да и центральная жила нередко) современных коаксиальных кабелей делаются не из меди, а из стойких к коррозии и недорогих сплавов. Паяются они плохо и, если долго греть, можно пережечь кабель. Поэтому паять кабели нужно 40-Вт паяльником, легкоплавким припоем и с флюс-пастой вместо канифоли или спиртоканифоли. Пасты жалеть не нужно, припой сразу же растекается по жилкам оплетки только под слоем кипящего флюса.

      

      Виды антенн

      Всеволновая

      Всеволновая (точнее, частотнонезависимая, ЧНА) антенна показана на рис. Она – две треугольных металлических пластинки, две деревянных рейки, да много медных эмалированных проволок. Диаметр проволоки значения не имеет, а расстояние между концами проволок на рейках – 20-30 мм. Зазор между пластинами, к которым припаяны другие концы проволок – 10 мм.

      Примечание: вместо двух металлических пластин лучше взять квадрат из одностороннего фольгированного стеклотекстолита в вырезанными по меди треугольниками.

      Ширина антенны равна ее высоте, угол раскрыва полотен – 90 градусов. Схема прокладки кабеля показана там же на рис. Точка, отмеченная желтым – точка квази-нулевого потенциала. Припаивать в ней оплетку кабеля к полотну не нужно, достаточно туго подвязать, для согласования хватит емкости между оплеткой и полотном.

      ЧНА, растянутая в окне шириной 1,5 м, принимает все метровые и ДЦМ каналы почти со всех направлений, кроме провала около 15 градусов в плоскости полотна. В этом ее преимущество в местах, где возможен прием сигналов от разных телецентров, не нужно вращать. Недостатки – единичный КУ и нулевой КЗД, поэтому в зоне действия помех и вне зоны уверенного приема ЧНА не годится.

      Примечание : есть и другие типы ЧНА, напр. в виде двухвитковой логарифимической спирали. Она компактнее ЧНА из треугольных полотен в том же диапазоне частот, поэтому иногда используется в технике. Но в быту это преимуществ не дает, сделать спиральную ЧНА сложнее, с коаксиальным кабелем согласовать труднее, поэтому не рассматриваем.

      На основе ЧНА был создан очень популярный когда-то веерный вибратор (рога, рогулька, рогатка), см. рис. Его КНД и КЗД что-то около 1,4 при довольно гладкой АЧХ и линейной ФЧХ, так что для цифры он подошел бы и сейчас. Но – работает только на МВ (1-12 каналы), а цифровое вещание идет на ДМВ. Впрочем, на селе, при подъеме на 10-12 м, может сгодиться для приема аналога. Мачта 2 может быть из любого материала, но крепежные планки 1 – из хорошего ненамокающего диэлектрика: стеклотекстолита или фторопласта толщиной не менее 10 мм.

      

      Пивная всеволновка

      

      Всеволновая антенна из пивных банок явно не плод похмельных галлюцинаций спившегося радиолюбителя. Это действительно очень хорошая антенна на все случаи приема, нужно только сделать ее правильно. Причем исключительно простая.

      В основе ее конструкции следующее явление: если увеличивать диаметр плеч обычного линейного вибратора, то рабочая полоса его частот расширяется, а прочие параметры остаются неизменными. В дальней радиосвязи с 20-х годов используется т.наз. диполь Надененко, основанный на этом принципе. А пивные банки по размерам как раз подходят в качестве плеч вибратора на ДМВ. В сущности, ЧНА и есть диполь, плечи которого неограниченно расширяются до бесконечности.

      Простейший пивной вибратор из двух банок годится для комнатного приема аналога в городе даже без согласования с кабелем, если его длина не более 2 м, слева на рис. А если собрать из пивных диполей вертикальную синфазную решетку с шагом в полволны (справа на рис.), согласовать ее и отсимметрировать с помощью усилителя от польской антенны (о нем речь еще пойдет), то благодаря сжатию главного лепестка ДН по вертикали такая антенна даст и хороший КУ.

      Усиление «пивнухи» можно еще увеличить, добавив заодно КЗД, если сзади нее поместить экран из сетки на расстоянии, равном половине шага решетки. Монтируется пивная решетка на мачте из диэлектрика; механические связи экрана с мачтой – тоже диэлектрические. Остальное ясно из след. рис.

      

      Примечание: оптимальное количество этажей решетки – 3-4. При 2-х выигрыш в усилении будет небольшим, а большее трудно согласовать с кабелем.

      Видео: изготовление простейшей антенны из пивных банок

      «Логопедка»

      Логопериодическая антенна (ЛПА) представляет собой собирающую линию, к которой попеременно подключаются половинки линейных диполей (т.е. куски проводника длиной в четверть рабочей волны), длина и расстояние между которыми меняются в геометрической прогрессии с показателем меньше 1, в центре на рис. Линия может быть как настроенной (с КЗ на противоположном от места подключения кабеля конце), так и свободной. ЛПА на свободной (ненастроенной) линии для приема цифры предпочтительнее: она выходит длиннее, но ее АЧХ и ФЧХ гладкие, а согласование с кабелем не зависит от частоты, поэтому на ней мы и остановимся.

      

      ЛПА может быть изготовлена на любой, до 1-2 ГГц, наперед заданный диапазон частот. При изменении рабочей частоты ее активная область из 1-5 диполей смещается вперед-назад по полотну. Поэтому, чем ближе показатель прогрессии к 1, и соответственно меньше угол раскрыва антенны, тем большее усиление она даст, но при этом возрастает ее длина. На ДМВ от наружной ЛПА можно добиться 26 дБ, а от комнатной – 12 дБ.

      ЛПА, можно сказать, по совокупности качеств идеальная цифровая антенна , поэтому остановимся на ее расчете несколько подробнее. Основное, что нужно знать, что увеличение показателя прогрессии (тау на рис.) дает прирост усиления, а уменьшение угла раскрыва ЛПА (альфа) увеличивает направленность. Экран для ЛПА не нужен, он на ее параметры почти не влияет.

      Расчет цифровой ЛПА имеет особенности:

      1. Начинают его, ради запаса по частоте, со второго по длине вибратора.
      2. Затем, взяв обратную величину от показателя прогрессии, рассчитывают самый длинный диполь.
      3. После самого короткого, исходя из заданного диапазона частот, диполя, добавляют еще один.

      Поясним на примере. Допустим, наши цифровые программы лежат в диапазоне 21-31 ТВК, т.е. в 470-558 МГц по частоте; длины волн соответственно – 638-537 мм. Также допустим, что нам нужно принимать слабый зашумленный сигнал вдали от станции, поэтому берем максимальный (0,9) показатель прогрессии и минимальный (30 градусов) угол раскрыва. Для расчета понадобится половина угла раскрыва, т.е. 15 градусов в нашем случае. Раскрыв можно еще уменьшить, но длина антенны непомерно, по котангенсу, возрастет.

      Считаем В2 на рис: 638/2 = 319 мм, а плечи диполя будут по 160 мм, до 1 мм можно округлять. Расчет нужно будет вести, пока не получится Bn = 537/2 = 269 мм, и затем просчитать еще один диполь.

      Теперь считаем А2 как В2/tg15 = 319/0,26795 = 1190 мм. Затем, через показатель прогрессии, А1 и В1: А1 = А2/0,9 = 1322 мм; В1 = 319/0,9 = 354,5 = 355 мм. Далее последовательно, начиная с В2 и А2, умножаем на показатель, пока не дойдем до 269 мм:

      • В3 = В2*0,9 = 287 мм; А3 = А2*0,9 = 1071 мм.
      • В4 = 258 мм; А4 = 964 мм.

      Стоп, у нас уже меньше 269 мм. Проверяем, уложимся ли по усилению, хотя и так ясно, что нет: чтобы получить 12 дБ и более, расстояния между диполями не должны превышать 0,1-0,12 длины волны. В данном случае имеем для В1 А1-А2 = 1322 – 1190 = 132 мм, а это 132/638 = 0,21 длины волны В1. Нужно «подтянуть» показатель к 1, до 0,93-0,97, вот и пробуем разные, пока первая разница А1-А2 не сократится вдвое и более. Для максимума в 26 дБ нужно расстояние между диполями в 0,03-0,05 длины волны, но не менее 2-х диаметров диполя, 3-10 мм на ДМВ.

      Примечание: остаток линии за самым коротким диполем, обрезаем, он нужен только для расчета. Поэтому реальная длина готовой антенны получится всего около 400 мм. Если наша ЛПА наружная, это очень хорошо: можно уменьшить раскрыв, получив большую направленность и защиту от помех.

      Видео: антенна для цифрового ТВ DVB T2

      О линии и мачте

      Диаметр трубок линии ЛПА на ДМВ – 8-15 мм; расстояние между их осями – 3-4 диаметра. Учтем еще, что тонкие кабели-«шнурки» дают на ДМВ такое затухание на метр, что все антенно-усилительные ухищрения сойдут на нет. Коаксиал для наружной антенны нужно брать хороший, диаметром по оболочке от 6-8 мм. Т.е., трубки для линии должны быть тонкостенными цельнотянутыми. Подвязывать кабель к линии снаружи нельзя, качество ЛПА резко упадет.

      Крепить наружную ЛПА к мачте нужно, разумеется, за центр тяжести, иначе малая парусность ЛПА превратится в огромную и трясущуюся. Но соединять металлическую мачту прямо с линией тоже нельзя: нужно предусмотреть диэлектрическую вставку не менее 1,5 м длиной. Качество диэлектрика большой роли тут не играет, пойдет проолифленное и покрашенное дерево.

      Об антенне «Дельта»

      Если ДМВ ЛПА согласуется с кабелем усилителем (см. далее, о польских антеннах), то к линии можно пристроить плечи метрового диполя, линейные или веерные, как у «рогатки». Тогда получим универсальную МВ-ДМВ антенну отличного качества. Такое решение использовано в популярной антенне «Дельта», см. рис.

      

      Зигзаг в эфире

      Z-антенна с рефлектором дает усиление и КЗД такие же, как ЛПА, но главный лепесток ее ДН более чем вдвое шире по горизонтали. Это может быть важно на селе, когда есть прием ТВ с разных направлений. А дециметровая Z-антенна имеет небольшие в плане размеры, что существенно для комнатного приема. Но ее рабочий диапазон теоретически не безграничен, перекрытие по частоте при сохранении приемлемых для цифры параметров – до 2,7.

      

      Конструкция Z-антенны МВ показана на рис; красным выделен путь прокладки кабеля. Там же слева внизу – более компактный кольцевой вариант, в просторечии – «паук». По нему хорошо видно, что Z-антенна родилась как комбинация ЧНА с диапазонным вибратором; есть в ней кое-что и от ромбической антенны, которая в тему не вписывается. Да, кольцо «паука» не обязательно должно быть деревянным, это может быть обруч из металла. «Паук» принимает 1-12 МВ каналы; ДН без рефлектора – почти круговая.

      Классический же зигзаг работает или на 1-5, или на 6-12 каналах, но для его изготовления нужны только деревянные рейки, медный эмалированный провод c d = 0,6-1,2 мм да несколько обрезков фольгированного стеклотекстолита, поэтому даем размеры, через дробь для 1-5/6-12 каналов: А = 3400/950 мм, Б, С = 1700/450 мм, b = 100/28 мм, В = 300/100 мм. В точке Е – нулевой потенциал, здесь нужно оплетку спаять с металлизированной опорной пластиной. Размеры рефлектора, тоже 1-5/6-12: А = 620/175 мм, Б = 300/130 мм, Г = 3200/900 мм.

      Диапазонная Z-антенна с рефлектором дает усиление в 12 дБ, настроенная на один канал – 26 дБ. Чтобы на основе диапазонного зигзага построить одноканальный, нужно взять сторону квадрата полотна по середине ее ширины в четверть длины волны и пересчитать пропорционально все прочие размеры.

      Народный зигзаг

      Как видим, Z-антенна МВ – довольно сложное сооружение. Но ее принцип показывает себя во всем блеске на ДМВ. Z-антенну ДМВ с емкостными вставками, сочетающая в себе достоинства «классики» и «паука», сделать настолько просто, что она еще в СССР заслужила звание народной, см. рис.

      

      Материал – медная трубка или алюминиевый лист толщиной от 6 мм. Боковые квадратики цельные из металла или затянутые сеткой, или закрытые жестянкой. В двух последних случаях их нужно пропаять по контуру. Коаксиал резко гнуть нельзя, поэтому ведем его так, чтобы он дошел до бокового угла, а затем не выходил за пределы емкостной вставки (бокового квадратика). В т. А (точка нулевого потенциала) оплетку кабеля электрически соединяем с полотном.

      Примечание: алюминий не паяется обычными припоями и флюсами, поэтому алюминиевая «народная» годится для наружной установки только после герметизации электрических соединений силиконом, в ней ведь все на винтах.

      Видео: пример двойной треугольной антенны

      Волновой канал

      

      Антенна волновой канал (АВК), или антенна Удо-Яги из доступных для самостоятельного изготовления способна дать наибольшие КУ, КНД и КЗД. Но принимать цифру на ДМВ она может только на 1 или 2-3 соседних каналах, т.к. относится к классу остро настроенных антенн. Ее параметры за пределами частоты настройки резко ухудшаются. АВК рекомендуется применять с очень плохих условиях приема, причем для каждого ТВК делать отдельную. К счастью, это не очень сложно – АВК проста и дешева.

      В основе работы АВК – «сгребание» электромагнитного поля (ЭМП) сигнала к активному вибратору. Внешне небольшая, легкая, с минимальной парусностью, АВК может иметь эффективную апертуру в десятки длин волн рабочей частоты. Укороченные и поэтому имеющие емкостный импеданс (полное сопротивление) директоры (направители) направляют ЭМП к активному вибратору, а рефлектор (отражатель), удлиненный, с индуктивным импедансом, отбрасывает к нему то, что проскочило мимо. Рефлектор в АВК нужен всего 1, но директоров может быть от 1 до 20 и более. Чем их больше, тем выше усиление АВК, но уже полоса ее частот.

      От взаимодействия с рефлектором и директорами волновое сопротивление активного (с которого снимается сигнал) вибратора падает тем больше, чем ближе к максимуму усиления настроена антенна, и согласование с кабелем теряется. Поэтому активный диполь АВК делают петлевым, его исходное волновое сопротивление не 73 Ом, как у линейного, а 300 Ом. Ценой его снижения до 75 Ом АВК с тремя директорами (пятиэлементную, см. рис. справа) удается настроить почти что на максимум усиления в 26 дБ. Характерная для АВК ДН в горизонтальной плоскости приведена на рис. в начале статьи.

      Элементы АВК соединяются со стрелой в точках нулевого потенциала, поэтому мачта и стрела могут быть любыми. Очень хорошо подходят пропиленовые трубы.

      Расчет и настройка АВК под аналог и цифру несколько различны. Под аналог волновой канал нужно рассчитывать на несущую частоту изображения Fи, а под цифру – на середину спектра ТВК Fс. Почему так – здесь объяснять, к сожалению, нет места. Для 21-го ТВК Fи = 471,25 МГц; Fс = 474 МГц. ДМВ ТВК расположены вплотную друг к другу через 8 МГц, поэтому их настроечные частоты для АВК рассчитываются просто: Fn = Fи/Fс(21 ТВК) + 8(N – 21), где N – номер нужного канала. Напр. для 39 ТВК Fи = 615,25 МГц, а Fс = 610 МГц.

      Чтобы не записывать множество цифр, удобно размеры АВК выражать в долях длины рабочей волны (она считается как Л = 300/F, МГц). Длину волны принято обозначать малой греческой буквой лямбда, но, поскольку в интернете греческого алфавита по умолчанию нет, мы условно обозначим ее большой русской Л.

      Размеры оптимизированной под цифру АВК, по рис., таковы:

      

      • Р = 0,52Л.
      • В = 0,49Л.
      • Д1 = 0,46Л.
      • Д2 = 0,44Л.
      • Д3 = 0,43л.
      • a = 0,18Л.
      • b = 0,12Л.
      • c = d = 0,1Л.

      Если не нужно большого усиления, но важнее уменьшение габаритов АВК, то Д2 и Д3 можно убрать. Все вибраторы выполняются из трубки или прутка диаметром 30-40 мм для 1-5 ТВК, 16-20 мм для 6-12 ТВК и 10-12 мм на ДМВ.

      АВК требует точного согласования с кабелем. Именно небрежным выполнением устройства согласования и симметрирования (УСС) объясняется большинство неудач любителей. Самое простое УСС для АВК – U-петля из того же коаксиального кабеля. Ее конструкция ясна из рис. справа. Расстояние между сигнальными клеммами 1-1 140 мм для 1-5 ТВК, 90 мм для 6-12 ТВК и 60 мм на ДМВ.

      Теоретически длина колена l должна быть в половину длины рабочей волны, так и значится в большинстве публикаций в интернете. Но ЭМП в U-петле сосредоточено внутри заполненного изоляцией кабеля, поэтому нужно обязательно (для цифры – особенно обязательно) учитывать его коэффициент укорочения. Для 75-омных коаксиалов он колеблется в пределах 1,41-1,51, т.е. l нужно брать от 0,355 до 0,330 длины волны, и брать точно, чтобы АВК была АВК, а не набором железок. Точное значение коэффициента укорочения всегда есть в сертификате на кабель.

      В последнее время отечественная промышленность начала выпускать перенастраиваемые АВК для цифры, см. рис. Идея, надо сказать, отличная: передвигая элементы по стреле, можно точно настроить антенну под местные условия приема. Лучше, конечно, чтобы это делал специалист – поэлементная настройка АВК взаимозависима, и дилетант непременно запутается.

      

      О «полячках» и усилителях

      У многих пользователей польские антенны, ранее прилично принимавшие аналог, цифру брать отказываются – рвется, а то и вовсе пропадает. Причина, прошу прощения, похабно-коммерческий подход к электродинамике. Стыдно порой бывает за коллег, сляпавших такое «чудо»: АЧХ и ФЧХ похожи то ли на ежа-псориазника, то ли лошадиный гребень с выломанными зубьями.

      Единственно, что хорошо в «полячках» – их усилители для антенны. Собственно, они и не дают сим изделиям бесславно помереть. Усилители «поячек», во-первых, широкополосные малошумящие. И, что еще важнее – с высокоомным входом. Это позволяет при той же напряженности ЭМП сигнала в эфире подать на вход тюнера в несколько раз большую его мощность, что дает возможность электронике «выдрать» цифру из совсем уж безобразных шумов. Кроме того, вследствие большого входного сопротивления польский усилитель – идеальное УСС для любых антенн: что ни цепляй ко входу, на выходе – точно 75 Ом без отраженки и ползучки.

      Однако при очень плохом сигнале, вне зоны уверенного приема, польский усилитель уже не тянет. Питание на него подается по кабелю, и развязка по питанию отнимает 2-3 дБ отношения сигнал/шум, которых может как раз и не хватить, чтобы цифра пошла в самой глубинке. Тут нужен хороший усилитель ТВ сигнала с раздельным питанием. Располагаться он будет, скорее всего, возле тюнера, а УСС для антенны, если оно требуется, придется делать отдельно.

      

      Схема такого усилителя, показавшая почти 100% повторяемость даже при выполнении начинающими радиолюбителями, приведена на рис. Регулировка усиления – потенциометром Р1. Дроссели развязки L3 и L4 – стандартные покупные. Катушки L1 и L2 выполняются по размерам на монтажной схеме справа. Они входят в состав полосовых фильтров сигнала, поэтому небольшие отклонения их индуктивности не критичны.

      Однако топологию (конфигурацию) монтажа нужно соблюдать точно! И точно также обязателен металлический экран (metal shield), отделяющий выходные цепи от прочей схемы.

      С чего начать?

      Мы надеемся, что и опытные мастера найдут в этой статье некоторое количество полезных им сведений. А новичкам, еще не чувствующим эфир, начинать лучше всего с пивной антенны. Автор статьи, отнюдь и отнюдь не дилетант в данной области, в свое время был немало удивлен: простейшая «пивнушка» с ферритовым согласованием, как оказалось, и МВ берет не хуже испытанной «рогатки». А что стоит сделать ту и другую – см. текст.

      (2 оценок, среднее: 4,00 из 5)

      А на крыше был приём удовлетворительный на Полячку. До телецентра у меня километров 70 – 80. Вот такие у меня проблемы. С балкона удаётся поймать с 30 каналов штук 3 – 4 и то с “кубиками”. Я иной раз смотрю телеканалы с интернета на компьютере в своей комнате, а жена в своей на телевизор не может нормально смотреть свои любимые каналы. Соседи советуют провести кабельное, но за него надо платить каждый месяц, а я уже и так плачу за интернет, а пенсия не резиновая. Всё её тянем, тянем и на всё не хватает.

      Пётр Копитоненко сказал(а):

      Поставить антенну на крыше дома не получается, соседи ругаются, что я хожу и ломаю рубероидное покрытие крыши и у них потом протекает потолок. Вообще то я очень “благодарен” тому экономисту, который получил себе премию за экономию.Придумал убрать с домов дорогостоящую двускатную крышу и заменить её плоской крышей прикрытой плохим рубероидом. Экономист получил денежки за экономию, а люди на последних этажах теперь всю жизнь мучаются. Вода течёт им на головы и на кровати. Они каждый год меняют рубероид, а он за сезон приходит в негодность. В морозную погоду он даёт трещины и дождевая вода и снеговая течёт в квартиру, даже если по крыше никто и не ходит.

      Приветствую!
      Спасибо за статью, а автор-то кто (подписи не вижу)?
      ЛПА по приведённой выше методике работает отлично, ДМВ 30 и 58 каналы. Проверено в городе (отражённый сигнал) и за городом, расстояния до передатчика (1 кВт) соответственно: 2 и 12 км примерно. Практика показала, что в диполе “В1” острой необходимости нет, а вот ещё один диполь перед самым коротким сказывается существенно, судя по интенсивности сигнала в %. Особенно в условиях города, где надо ловить (в моём случае) отражённый сигнал. только я сделал антенну с “КЗ”, так получилось, просто не оказалось подходящего изолятора.
      В общем, рекомендую.

      ИМХО: народ ищущий антенну для приема ЭЦТВ, забудьте про ЛПА. Эти широкодиапазонные антенны были созданы во второй половине 50-х годов (!!) прошлого века для того, чтобы находясь на берегах советской Прибалтики ловить забугорные телецентры. В журналах того времени это стыдливо называли «сверхдальним приемом». Ну очень любили на Рижском взморье ночью смотреть шведское порно…

      В плане назначения тоже самое могу сказать про «двойные, тройные и т.д. квадраты», а также любые «зигзаги».

      По сравнению с аналогичным по диапазону и усилению «волновым каналом» ЛПА более громоздки и материалоемки. Расчет ЛПА сложен, замысловат и похож скорее на гадание и подгонку результатов.

      Если в вашем регионе ведется вещание ЭЦТВ на соседних ДМВ каналах (у меня 37-38) то лучшее решение разыскать в сети книгу: Капчинский Л.М. Телевизионные антенны (2-е издание, 1979) и изготовить «волновой канал» для группы каналов ДМВ (если у Вас вещание выше 21-41 каналов, то придется пересчитывать) описанный на стр 67 и далее (рис. 39, табл 11).
      Если до передатчика 15 – 30км антенну можно упростить, сделав ее четырех – пять элементной, просто не устанавливая директоры Д, Е и Ж.

      Для совсем близких передатчиков рекомендую комнатные антенны, кстати в той же книге на стр. 106 – 109 приведены чертежи широкодиапазонных комнатных «волнового канала» и ЛПА. «Волновой канал» визуально меньше, проще и изящней при большем усилении!

      Нажимая кнопку «Добавить комментарий», я соглашаюсь с сайта.

      Каждая антенна как пассивное линейное устройство может работать:

      В режиме передачи;

      В режиме приема.

      В обоих режимах антенна характеризуется направленными, поляризационными свойствами и входным сопротивлением.

      К основным характеристикам и параметрам, описывающим эти свойства, относятся:

      Диаграмма направленности (ДН);

      Коэффициент направленного действия (КНД);

      Коэффициент усиления антенны (КУ);

      Коэффициент полезного действия антенны (КПД);

      Диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) антенны достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы.

      Это диапазон частот, при которых антенна работает эффективно, обычно область центральной (резонансной) частоты. Зависит от типа антенны, ее геометрии.

      Основные параметры, которые характеризуют полосу пропускания частот — это ширина полосы пропускания и неравномерность АЧХ в пределах полосы.

      Ширина полосы (рис.5.) обычно определяется как разность верхней и нижней граничных частот участка АЧХ, на котором амплитуда колебаний от максимальной снижается в корень из двух раз или мощность снижается в 2 раза. Этот уровень приблизительно соответствует -3 дБ. Ширина полосы пропускания выражается в единицах частоты (например, в герцах).

      Неравномерность АЧХ характеризует степень ее отклонения от прямой, параллельной оси частот, выражается в децибелах.

      Входное сопротивление антенны.

      Антенна является источником сигнала, который характеризуется электродвижущей силой (ЭДС) и внутренним сопротивлением, которое называется входным сопротивлением антенны.

      Величину входного сопротивления антенны необходимо знать для того, чтобы правильно согласовать антенну с фидером и приемником (передатчиком): только при этом условии на вход поступает наибольшая мощность. При правильном согласовании входное сопротивление антенны должно равняться входному сопротивлению фидера, которое, в свою очередь, должно быть равно входному сопротивлению приемника (передатчика). Входное сопротивление (импеданс) антенны редко когда бывает равным волновому сопротивлению фидерной линии. Для согласования применяют согласующие устройства.

      Входное сопротивление антенны также зависит от объектов, находящихся вблизи антенны и влияющих на распределение поля в пространстве, что необходимо учитывать при установке антенны.

      Зависимость входного сопротивления антенны от частоты носит название частотной характеристики: чем меньше меняется входное сопротивление антенны при изменении частоты, тем, шире полоса ее пропускания.

      Диаграмма направленности приемной антенны.

      Это график, который характеризует зависимость ЭДС, наведенной в антенне электромагнитным полем, от ориентации ее в пространстве.

      Диаграмма направленности антенны дает графическое представление зависимости коэффициента усиления антенны или коэффициента направленного действия антенны от направления антенны в заданной плоскости. Строится диаграмма направленности в полярной, сферической (рис. 4) или в прямоугольной системах координат в двух характерных плоскостях (горизонтальной и вертикальной).

      При повороте антенны в ту или другую сторону от нулевого направления на диаграмме откладываются величины, соответствующие отношению Е/Емах. Если возвести в квадрат относительные значения ЭДС, соответствующие различным направлениям поступления сигнала, то можно построить диаграмму направленности по мощности (рис.7).

      

      антенна диапазон радиоволна фидерный

      Основным параметром диаграммы направленности является угол раствора (ширина) главного лепестка, в пределах которого мощность спадает до уровня 0,5 от максимальной.

      Лепесток, соответствующий максимальному сигналу или нулевому направлению, называют основным или главным, остальные — боковыми или задними (в зависимости от расположения по отношению к главному лепестку).

      По ширине главного лепестка судят о направленных свойствах антенны. Чем эта ширина меньше, тем больше направленность антенны.

      Форма диаграммы направленности зависит от типа и конструкции антенны. Например, диаграмма направленности полуволнового вибратора в горизонтальной плоскости, напоминает восьмерку, а в вертикальной — круг.

      В ряде случаев диаграмма строится в двух взаимно перпендикулярных Е и Н плоскостях. Полярная диаграмма показывает направление, в котором концентрируется энергия соответствующей составляющей. Пример полярной диаграммы направленности в Е-плоскости показан на рис. 8. По радиусу отложено значение амплитуды излучаемого поля, нормированное к значению амплитуды в главном максимуме.

      

      Коэффициент направленного действия антенны.

      Это число, показывающее во сколько раз мощность, поступающая на вход приемника при приеме на направленную антенну, больше мощности, которую можно получить при приеме на ненаправленную антенну (при той же напряженности поля).

      Свойства направленности антенны характеризуются диаграммой направленности, рассмотренной выше (рис.5).

      Коэффициент усиления антенны

      Отношение мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой к входу рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля или такой же плотности потока мощности.

      Коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз необходимо увеличить мощность на входе антенны (выходную мощность передатчика) при замене данной антенны идеальной ненаправленной антенной, чтобы значение плотности потока мощности излучаемого антенной электромагнитного поля в точке наблюдения не изменилось. При этом предполагается, что коэффициент полезного действия (КПД) ненаправленной антенны равен единице.

      Коэффициент усиления антенны является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ).

      Коэффициент полезного действия антенны

      Это параметр, который характеризует потери мощности в антенне и представляет собой отношение мощности излучения к мощности, которая подводится к антенне от передатчика.

      Мощность, теряемая в антенне, состоит из потерь в земле, проводах антенны, изоляторах, применяемых для подвески полотна антенны, в канатах, поддерживающих антенну. Основные потери энергии — потери в земле.

      В силу принципа обратимости антенн коэффициент полезного действия приемной антенны оценивается тем КПД, который она будет иметь при использовании ее в качестве передающей.

      Так как мощность принимаемых радиоволн очень мала, то КПД приемной антенны может быть невысоким, но не менее 10—15%.

      При создании данной работы мной были изучены:

      Назначение антенно-фидерных устройств;

      Диапазон радиоволн, используемый в радиотехнике;

      Основные параметры антенн.

      Г.А. Ерохин, О.В. Чернов, Н.Д. Козырев, В.Д. Кочержевский «Антенно- фидерные устройства и распространение радиоволн»;

      В.Ф. Власов «Курс радиотехники»- Москва1962

      5 Антенны . Структурная схема. Классификация . Характеристики . Теорема взаимности и ее применение

      

      Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про антенны, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое антенны, антенна, структурная схема антенны, классификация антенн, характеристики антенн, теорема взаимности , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны. антенна — составная часть любой радиотехнической системы. Основное назначение антенны — излучать и принимать электромагнитную энергию. Основная задача, которую выполняетлюбая антенн — преобразование одного вида энергии в другой. Передающая антенна преобразует энергию токов высокой частоты в энергию пространственной электромагнитной волны, решаяпри этом вторую задачу — создается определенная направленность излучения, т.е. концентрация электромагнитного поля в определенном направлении. Приемная антенна решает обратнуюзадачу — преобразует в электрический ток электромагнитную волну, приходящую в пределах определенного сектора углов пространства. Многообразие антенн определяется не только конструктивными особенностями, но и их функциональным назначением. Антенны можно подразделять на группы по разным признакам. Поформе — на электрические или магнитные, по виду поляризации — на антенны горизонтальной, вертикальной или круговой поляризации, по ширине частотного диапазона — на узкополосныеи широкополосные, по частотным свойствам — на резонансные и апериодические, по направлению излучения — на направленные и ненаправленные.

      1 структурная схема антенны приведена на рисунке 5.1.

      

      В ней можно выделить следующие элементы:

      • ‑ вход;
      • ‑ согласующее устройство;
      • ‑ распределитель;
      • ‑ излучающее устройство.

      Под входом антенны обычно понимают сечение линии передачи с волной заданного типа. Современные антенны могут иметь несколько, а иногда сотни и тысячи входов.

      Согласующее устройство предназначено для обеспечения режима питающей линии, как можно более близкого к бегущей волне.

      Распределитель антенны представляет конструкцию из проводников и диэлектриков и предназначен для создания нужного закона распределения излучающих токов, обеспечивающего формирование требуемой характеристики направленности.

      Излучающая система представляет собой область, в которой протекают токи, возбуждающие электромагнитные волны. В качестве излучающей системы могут фигурировать как реальные электрические токи, текущие по металлическим поверхностям, так и эквивалентные фиктивные электрические и магнитные токи на замкнутых поверхностях, окружающих антенну, а также токи электрической и магнитной поляризации в объемах, занимаемых магнитодиэлектриками.

      2. классификация антенн .

      

      По способу возбуждения и усиления антенны делятся на четыре категории:

      — простые излучатели (рис.5.1):

      • а) вибратор Герца;
      • б) вибратор;
      • в) конический вибратор;
      • г) дисконуснаяантенна;
      • д) несимметричный вибратор;
      • е) коническая антенна;
      • ж) чашечный излучатель;
      • з) петлевая антенна;
      • и) петлевой вибратор;

      — групповые излучатели;

      — излучающие структуры;

      -апертурные излучатели.

      Такая классификация не всегда оказывается однозначной.

      Между отдельными категориями нередко наблюдаются пересечения.

      

      ж) з) и) Рис. 5.1 — Простые излучатели

      Излучатели состоят из отдельных элементов.

      К их числу относят:

      • — простейшие излучатели;
      • — антенны: линейные, фигурные.

      К простейшим излучателям относятся следующие структуры.

      Сферический излучатель, называемый также изотропной антенной. Представляет собой антенну без потерь, равномерно излучающую во все стороны или принимающую со всехнаправлений. Диаграммой направленности антенны является сфера. Такая антенна неосуществима, но используется как теоретический эталон.

      Диполь Герца. Излучатель носит имя немецкого физика Г. Р. Герца (1857—1894 гг.); его называют также элементарным электрическим излучателем или элементарным электрическимвибратором. Для реализации диполя используется вибратор с концевыми емкостями, укороченный относительно длины волны излучения. По сравнению с изотропным излучателем он обладаетнаправленностью, перпендикулярной оси вибратора. Диаграмма направленности имеет вид двух окружностей с нулевыми значениями в направлениях оси диполя.

      Диполь Фитцджеральда. Назван в честь ирландского физика Ф. Дж. Фитцджеральда

      (F.G. Fitzerald) и также известен как элементарный магнитный излучатель или элементарный магнитный вибратор. Реализуется в виде токовой рамки, размер которой меньше длины волны. Вотличие от изотропного излучателя характеризуется направленностью, соответствующей плоскости рамки. Диаграмма направленности состоит из двух окружностей с двумя нулевымизначениями в направлениях, перпендикулярных плоскости рамки.

      Излучатель Гюйгенса. Носит имя нидерландского физика X. Гюйгенса (Ch.Huygens); представляет собой сочетание небольшой рамки (магнитная часть) и короткого вибратора в ееплоскости (электрическая часть). Такое устройство применяется для определения направления при радиопеленгации. Диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостяхвыглядят как кардиоиды и имеют одну нулевую точку.

      Линейные антенны. К ним относятся следующие структуры.

      Диполь, или вибратор. Простейшей антенной с симметричным питанием является двухполюсник (диполь) с синусоидальным распределением тока. Полуволновый вибраторхарактеризуется длиной λ/2 (старое название -дуплет). Длина волнового вибратора равна λ (двойной «Цеппелин»). Антенну длиной 1,28λ называют удлиненным двойным «Цеппелином».Широкополосный вибратор представляет собой диполь в виде конуса (конический вибратор, двойной конический вибратор) или плоскостной диполь (веерный вибратор, плоский вибратор). Кнесимметричным (преимущественно вертикальным) вибраторам относятся коаксиальный вибратор, конусно-цилиндрическая и дисконусная антенны.

      Несимметричный вибратор (монополь). Другие названия — униполь, полудиполь, антенна Маркони (Marconi). К простейшим типам антенн с несимметричным питанием принадлежитоднополюсник (монополь) или полудиполь с синусоидальным распределением тока над проводящей поверхностью (землей). Длина антенн составляет λ/4. Подобные антенны принадлежат ктипу Groundplane, если проводящая поверхность заменена противовесом. Используются также вертикальные антенны длиной λ/2 и 5λ/8. К широкополосным монополям относятся конические иплоские веерные антенны.

      Длинный провод. Длина этих проволочных антенн больше рабочей длины волны. Они бывают симметричными или асимметричными, питаются стоячими или бегущими волнами, могутбыть резонансными или апериодическими. Примерами служат змейковая и аэростатная антенны, антенна Бевереджа, TFD, T2FD.

      Рамочные антенны — замкнутые антенны с элементами в виде рамок.

      Малая рамка (магнитная антенна). Ее периметр мал по сравнению с длиной волны и составляет приблизительно 1/10 λ. Пример антенны этого типа — обмотка катушки или ферритоваястержневая антенна.

      Большая рамка. Периметр большой рамки составляет примерно 1 λ. К таким антеннам относятся петлевой вибратор, дисковая и квадратная антенны и антенна типа Delta-Loop.

      Щелевые антенны. Замкнутые антенны со щелевыми элементами на проводящей поверхности. Длина щелей составляет от λ/2 до λ, а сами они бывают линейными (щели на

      плоскости или цилиндре) иликрестообразными (например, на дисковой щелевой антенне).

      Активные антенны — представляют собой пассивный элемент (вибратор или монополь) со встроенной «активной частью» (усилителем). В результате получается малогабаритнаячувствительная и широкополосная антенная система, однако линейность ее ограничена и не соблюдается принцип взаимности. Пример: активные приемные антенны.

      Групповые излучатели. Излучатель образуется группой отдельных излучающих устройств. Свойства излучения определяются расположением излучателей и особенностями их питанияпо фазе и амплитуде. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Благодаря управлению фазой достигается электронное сканирование пространства главным лучом (группа с фазовым управлением). Количество отдельных излучателейможет быть произвольным, что позволяет получать практически любое распределение излучения в пространстве. Эта категория антенн подразделяется на следующие группы:

      — линейные:отдельные излучатели группы выстроены в линию (одномерное построение);

      — плоскостные: отдельные излучатели располагаются в одной плоскости (двухмерное распределение), как правило,перед отражателем; группа может состоять из нескольких подгрупп (2×2, 4×4 ит.д.);

      — пространственные: характеризуются трехмерным размещением одиночных излучателей (кольцевыеизлучатели, конформные группы и т.д.); —

      -с сетевым питанием, когда используются две системы питания: матричная, когда при возбуждении на одной и той же частоте система позволяетодновременно формировать множество независимых одна от другой диаграмм направленности (пример: матрица Батлера); и адаптивная, когда положения главного луча и нулевых точекдиаграммы направленности групповой антенны достигаются заданием требуемых фаз и амплитуд (пример: адаптивная антенная система).

      Входящие в состав антенн излучатели состоят из излучающих структур различных форм. Врамках этой категории выделяют два подвида структур: -плоские; — пространственные.

      К плоским структурам относятся следующие (рис.5.2):

      • — прямолинейные. Отдельные элементы таких излучателей располагаются вдоль прямой линии. Пример: логопериодическая (LP)вибраторная или монопольная антенна;
      • — согнутые. Пример: логопериодическая V-образная антенна;
      • —складчатые. Пример: антенны в форме меандра или зигзага;
      • — с изгибами. Пример:логопериодическая вибраторная антенна с контуром оптимизации усиления (по Ландсторферу);
      • — закрученные (область спиральных антенн). Пример: архимедовы спирали, логарифмическиеспирали, спирально-щелевые антенны;
      • — плоскостные. Пример: логопериодическая планарная антенна.

      К пространственным структурам относятся следующие (см. рис. 5.2):

      • -структуры с изломом. Две логопериодические антенны, соприкасающиеся передними концами;
      • — цилиндрическиеспиральные антенны;
      • — конические спиральные антенны;

      Апертурные излучатели. Излучатель образован поверхностью раскрыва (апертурой). Диаграмма направленности таких антенн зависит от формы и размеров апертуры ираспределения на ней поля излучения. К этой категории относятся также антенны, излучающие высшие гармоники. Данная категория подразделяетсяна следующие антенны:

      • -зеркальные. Также называются зеркальными. Излучение падающее на них, отражается без потерь;
      • — рупорные. Энергия, которая поступила в волновод, излучается через его открытыйконец.
      • К данному типу относятся: а) антенна из полого проводника. Открытый полый проводник круглого или квадратного поперечного сечения действуеткак антенна; б) рупорный излучатель(рис.5.3). Воронкообразное расширение полого проводника повышает его способность к излучению. Примеры: Е-и Η-плоскостные секториальные рупоры, пирамидальный и коническийрупоры;
      • — линзовые. Для преобразования искривленного фазового фронта применяются ускоряющие илизамедляющие линзы;
      • — диэлектрические. Речь идет о продольном излучателе, действиекоторого основано на проводимости поверхностных волн.
      • Бывает двух типов:

      а) короткий — то же, что и линза ближнего поля;

      б) длинный: стержневой (например, полистироловая стержневая антенна);

      трубчатый (образован цилиндрической трубкой);

      ступенчатый (выполнен из стержней, толщина которых меняется ступенчато);

      пластинчатый (составлен из пластин, толщина которых меняется ступенчато);

      — на рассеянных волнах. Излучение распространяющихся волн выходит сквозь отверстия волновода, расположенные через равные или периодически меняющиеся промежутки. К такимантеннам относятся: излучающая коаксиальная линия; продольные щели в волноводе (рис. 5.4); поперечные прорези в прямоугольном волноводе; антенна поверхностных волн.

      

      Рис. 5.2 — Строение излучателей. Антенны: а) логопериодическая вибраторная; б) логопериодическая V-образная; в) в форме меандра; г) зигзагообразная; д) логопериодическая вибраторная поЛандсторферу; е) архимедова спираль; ж) логарифмическая спираль; з) логопериодическая планарная; и) логопериодические, соприкасающиеся передними концами; к) цилиндрическаяспиральная; л) коническая спиральная

      

      Рис. 5.3 — Рупорные излучатели: а) Н-секториальный; б) Е-секториальный; в) пирамидальный; г) конический; д) описание геометрии рупора

      

      Рис. 5.4 — Волноводно-щелевая антенна

      Перечислим типы антенн.

      • Телескопическая антенна
      • Вибраторная антенна
        • Симметричный вибратор (диполь)
          • Разрезной вибратор
          • Шунтовой вибратор
          • Петлевой вибратор («петлевой вибратор Пистолькорса», шлейф-вибратор)
          • Диполь Надененко
          • Уголковая вибраторная антенна
          • Антенна «Inverted V»
          • «Коаксиальная» антенна
          • CFR-антенна
          • Антенна «Ground Plane»
          • Укороченная штыревая антенна
          • Коллинеарная антенна
          • J-образная антенна
          • Антенна зенитного излучения
          • Диэлектрическая резонаторная антенна
          • Вертикальная антенна верхнего питания
          • Антенна Александерсена
          • Антенна типа «волновой канал» (антенна Уда — Яги)
          • Щелевой вибратор
          • Пазовая антенна
          • Волноводно-щелевая антенна
          • Открытый конец металлического волновода
          • Рупорная антенна
          • Зеркальная антенна
            • Прямофокусная зеркальная антенна
            • Офсетная зеркальная антенна
            • Антенна Кассегрена
            • Антенна Грегори
            • Зеркальная антенна зонтичного типа
            • Рупорно-параболическая антенна
            • Перископическая антенна
            • Тороидальная антенна
            • Антенна с косекансной диаграммой направленности
            • Линза Люнеберга
            • Линза Ротмана
            • Линза Ван-Атта
            • Спиральная антенна
            • Диэлектрическая стержневая антенна
            • Импедансная антенна
            • Антенна вытекающей волны
            • Антенна с сосредоточенной емкостью
            • V-образная антенна
            • Ромбическая антенна
            • Антенна Бевереджа
              • V-образная антенна (вертикальная)
              • λ-образная антенна
              • Полосковая антенна (патч-антенна)
                • Микрополосковая печатная антенна
                • Антенна PIFA
                • Антенны на принципе электродинамического подобия
                  • Биконическая антенна
                  • Дискоконусная антенна
                  • Излучатель типа «бабочка»
                  • Вибраторная логопериодическая антенна
                  • Спиральная логопериодическая антенна
                  • Фазированная антенная решетка (ФАР)
                    • Пассивная ФАР
                    • Активная ФАР
                    • Цифровая антенная решетка
                    • Рамочная антенна
                    • Двухрамочная антенна
                    • Антенна Эдкока
                    • Антенна Вулленвебера
                    • Радиоинтерферометр
                    • Антенна с синтезированной апертурой
                    • Радиооптическая антенная решетка
                    • Магнитная антенна
                      • С ферритовым сердечником
                      • Магнитная рамочная антенна
                      • Частично излучающий кабель
                      • Ректенна = антенна + выпрямитель
                      • Наноантенна — антенна для резонансного преобразования оптического излучения в электрическую энергию
                      • Ртутная антенна
                      • Гравитационная антенна

                      Антенна-осциллятор — 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского университета была получена антенна-осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с ее помощью огромные объемы информации.

                      характеристики антенн

                      Электромагнитное излучение, создаваемое антенной, обладает свойствами направленности и поляризации. Антенна как двухполюсник обладает входным сопротивлением (импедансом). Реальная антенна преобразует в электромагнитную волну лишь часть энергии источника; остальная энергия расходуется в виде тепловых потерь. Для количественной оценки перечисленных и ряда других свойств антенна описывается набором радиотехнических и конструктивных характеристик и параметров, в частности:

                      • Ряд электрических характеристик антенн как взаимных устройств (пассивных линейных многополюсников) в режиме передачи и в режиме приема совпадает, в том числе: ДН (КНД, КУ, УБЛ) и входной импеданс. Например, диаграммы направленности антенны в режиме приема и в режиме передачи совпадают.Полевые характеристики
                        • характеристика направленности
                        • диаграмма направленности (ДН), ее тип и возможность управления
                        • ширина ДН по заданному уровню
                        • уровень боковых лепестков (УБЛ), коэффициент рассеяния
                        • фазовая диаграмма, местоположение фазового центра и частотная стабильность его координат
                        • тип поляризации, поляризационная диаграмма, максимальное значение уровня излучения на кроссполяризации в заданном направлении, число поляризационных каналов и межполяризационная развязка (переходное затухание)
                        • коэффициент направленного действия (КНД)
                        • коэффициент усиления (КУ)
                        • коэффициент использования поверхности (КИП) апертуры антенны
                        • эффективная площадь рассеяния (ЭПР) антенны
                        • тип линии передачи, номинальное входное сопротивление антенны
                        • резонансная частота, рабочая полоса частот (по качеству согласования)
                        • входной импеданс антенны и коэффициент стоячей волны (КСВ) в линии передачи
                        • максимальная допустимая мощность на входе антенны (средняя, импульсная)
                        • коэффициент полезного действия (КПД)
                        • действующая высота [10]
                        • векторная импульсная характеристика [11] , векторная передаточная характеристика [12]
                        • масса, координаты центра масс, момент инерции
                        • габаритные размеры, максимальный радиус разворота
                        • тип радиочастотного соединителя или присоединительные размеры
                        • парусность (ветровая нагрузка)
                        • объект установки, способ крепления
                        • примененные материалы
                        • устойчивость к внешним воздействиям (климатическим, механическим и др.)
                        • надежность, долговечность (срок службы, назначенный ресурс и др.)

                        Основные положении теории проволочных антенн:

                        1. В основе теории любой проволочной антенны находится теория длинных линий. На ее основе можно определить распределение тока и потенциалов в симметричном вибраторе.

                        2. Теория проволочных антенн полностью базируется на теории диполя Герца, который представляется в виде очень короткого прямолинейного проводника с равномернымамплитудным распределением тока.

                        3. Для определения мощности излучения используется теорема Пойнтинга.ПОЙНТИНГА ТЕОРЕМА — теорема, описывающая закон сохранения энергии эл—магн. поля. Теорема была доказана в 1884 Дж. Пойнтингом (J. Н. Poynting).

                        4. В основе теории проволочных антенн используется теорема взаимности , согласно которой теория приемных антенн строится с применением результатов, полученных для передающих антенн.

                        5. принцип обратимости антенн Все антенны обладают свойством обратимости. Этот принцип гласит, что антенны обладают одинаковыми характеристиками, в частности, коэффициентом усиления и диаграммой направленности независимо от направления передачи электромагнитных волн. Если, например, передается тестовый сигнал и измерена диаграмма направленности в дальней зоны антенны, то согласно принципу обратимости диаграмма направленности этой антенны, работающей в режиме приема, будет точно такой же

                        ТЕОРЕМА ВЗАИМНОСТИ

                        Пусть в безграничном пространстве, заполненном изотропной, линейной средой (следовательно, исключаются случаи распространения в ионосфере, в ферритах и т.п.), параметры которой ε , µ и σ не зависят ни от направления, ни от амплитуды векторов поля и , расположены антенны А1 и А2 (рис. 2.1). Подключим к антенне генератор токов высокой частоты, а к антенне – приемник (рис. 2.1, а). Тогда на клеммах первой антенны возникнет ток , а на клеммах второй – ЭДС .

                        

                        При перемене местами генератора и приемника (рис. 2.1, б) возникнут, соответственно, ток I2 на клеммах А2 и ЭДС E — A1 на клеммах А1. Теорема взаимности утверждает, что эти токи и ЭДС связаны между собой соотношением

                        

                        т.е. отношение тока в передающей антенне к возбуждаемой им ЭДС в приемной не меняется при перемене местами передатчика и приемника.

                        В частности, при одинаковых токах в режимах передачи и приема возникают одинаковые ЭДС:

                        

                        ДОКАЗАТЕЛЬСТВО СОВПАДЕНИЯ В РЕЖИМАХ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ И ДЕЙСТВУЮЩЕЙ ВЫСОТЫ АНТЕННЫ

                        

                        Поставим в режим передачи линейно-поляризованную антенну направленного действия А1, а в режим приема – диполь Герца А2 (рис. 2.2, а). Будем считать, что для А1 в режиме передачи действующая высота известны. Совместим плоскости

                        

                        поляризации антенн и сориентируем приемный диполь параллельно вектору E21 r поля, создаваемого в дальней зоне антенной А1.

                        Напряженность поля, создаваемого линейно-поляризованной антенной А1 с током I1 на расстоянии R в точке, где расположен диполь, такова:

                        

                        ЭДС, наводимая в диполе Герца, равна произведению его длины L на напряженность поля Е21, так как распределение тока вдоль диполя – постоянное:

                        

                        Поставим теперь направленную антенну А1 в режим приема, а диполь Герца А2 – в режим передачи (рис. 2.2, б).

                        Напряженность поля, создаваемого диполем с током I2 на расстоянии R в направлении максимума равна

                        

                        ЭДС в направленной антенне А1 можно выразить через ее параметры в режиме приема:

                        

                        По теореме взаимности при равных токах в режиме передачи ЭДС в режиме приема тоже равны

                        

                        Это уравнение должно выполняться при любой ориентации направленной антенны (с сохранением плоскости поляризации), т.е. при любых углах θ и ϕ, что возможно лишь при тождественном совпадении ДН, а следовательно, и равенстве действующих высот в режимах передачи и приема:

                        

                        7 Основные ткхнические показатели антенн

                        

                        Действующя высота антены

                        

                        Эквивалентная схема замещения антенны

                        

                        Направленные свойства антенн

                        

                        Многолепестковая диаграмма направленности антенны в полярной системе координат

                        

                        Колличественная оценка направленных свойств анетенн

                        

                        Использование направленных свойств антенн

                        

                        

                        

                        Диапазонные свойства антенн

                        

                        Поляризационная характеристика антенны

                        

                        Физические процессы при излучении и приеме радиоволн

                        

                        Излучение радиоволн элементарным диполем

                        

                        

                        Диаграмы направленности антен в прямоугольных и полярных координатах

                        Вау!! �� Ты еще не читал? Это зря!

                        • симметричный вибратор , диполь , дипольная антенна , поле излучения диполя герца ,
                        • параболическая зеркальная антенна , многозеркальная антенна , параболическая антенна , облучатели зеркальных антенн ,

                        Статью про антенны я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развии теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое антенны, антенна, структурная схема антенны, классификация антенн, характеристики антенн, теорема взаимности и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны

                        Классификация антенн

                        

                        В презентации рассмотрены различные виды антенн, их устройство и применение.

                        Просмотр содержимого документа
                        «Классификация антенн»

                        

                        ГБПОУ МО «Гидрометеорологический техникум»

                        КЛАССИФИКАЦИЯ АНТЕНН

                        Автор: Куняева Валентина Павловна, преподаватель спецдисциплин

                        

                        КЛАССИФИКАЦИЯ АНТЕНН

                        Термин антенна заимствован из зоологии: латинским словом «antennae» называют длинные тонкие усики насекомых.

                        Антенны классифицируют по многим признакам и параметрам:

                        

                        • Назначение;
                        • Частотному диапазону или диапазону длин волн;
                        • Область применения;
                        • Место размещения антенны;
                        • Направленность излучения и приема;
                        • Принцип действия и конструкция;
                        • Характер сканирования (перемещения) луча в пространстве;

                        ВИДЫ АНТЕНН

                        

                        СТРУКТУРНАЯ СХЕМА РАДИОСВЯЗИ

                        Антенна соединяется с радиопередатчиком через линию передачи – фидер (от англ. feed — кормить).

                        Совокупность антенны и фидера называется антенно-фидерным устройством (антенно-фидерным трактом, антенно-фидерной системой).

                        Модулированные высокочастотные колебания, вырабатываемые передатчиком, по фидерному тракту подводятся к передающей антенне, которая излучает в окружающее пространство свободно распространяющиеся ЭМВ.

                        Приемная антенна улавливает часть энергии свободно распространяющихся ЭМВ и передает ее по фидерному тракту на вход приемника.

                        

                        Комбинированные

                        Временная развязка между передачей и приемом, т.е. работа в импульсном режиме (ДМРЛ)

                        ДИАПАЗОН ДЛИН ВОЛН

                        Антенны километровых волн

                        Антенны метровых

                        Антенны дециметровых волн

                        Антенны сантиметровых волн

                        Антенны миллиметровых волн

                        

                        ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

                        радиовещательные

                        телевизионные

                        радиолокационные

                        радионавигационные

                        для радиотелескопов

                        МЕСТО РАЗМЕЩЕНИЯ

                        Автомобильные

                        

                        НАПРАВЛЕННОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРИЕМА

                        • линейные размеры антенны много меньше длины волны либо соизмеримы с ней
                        • линейные размеры антенны много меньше длины волны либо соизмеримы с ней

                        НЕНАПРАВЛЕННЫЕ (ИЗОТРОПНЫЕ) АНТЕННЫ

                        (от лат. isos tropos) – равный поворот

                        • размеры антенны порядка единиц длин волн
                        • размеры антенны порядка единиц длин волн

                        УМЕРЕННО НАПРАВЛЕННЫЕ АНТЕННЫ

                        • размеры антенны порядка десятков длин волн.
                        • размеры антенны порядка десятков длин волн.

                        ОСТРО НАПРАВЛЕННЫЕ АНТЕННЫ

                        

                        ХАРАКТЕР СКАНИРОВАНИЯ (перемещения луча в пространстве)

                        • В несканирующих антеннах луч занимает фиксированное положение.
                        • В сканирующих антеннах можно управлять положением луча.
                        • Сканирующие антенны остронаправленные.
                        • Они применяются в радиолокации, космической радиосвязи, радиоастрономии.

                        

                        ВИДЫ СКАНИРОВАНИЯ

                        Механическое

                        Электрическое

                        Электромеханическое

                        Перемещается часть антенны, а другая часть неподвижна (МАРЛ-А)

                        Вращается вся антенна

                        Вся антенна неподвижна

                        

                        ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СКАНИРОВАНИЕ

                        Амплитудное

                        (ФАР, АФАР в МАРЛ-А)

                        

                        • При электрическом сканировании вся антенна неподвижна, а луч перемещается в результате изменения амплитудно-фазового распределения токов или полей возбуждения излучателей антенны.
                        • Фазовое сканирование реализуется при помощи фазированных антенных решеток (ФАР) с фазовращателями в качестве элементов управления.
                        • Активная фазированная антенная решетка (АФАР) используется в МАРЛ-А.

                        ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКЦИЯ

                        Проволочные и штыревые антенны применяются на

                        километровых, гектометровых и декаметровых волнах.

                        а). Симметричный вибратор;

                        б). Несимметричный;

                        в). Вибратор с верхней нагрузкой;

                        г). Вибратор с противовесом;

                        д). Ромбическая;

                        е). Полуромбическая.

                        

                        РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКА В ДИПОЛЯХ РАЗЛИЧНОЙ ДЛИНЫ

                        На концах диполя всегда наблюдаются узлы тока (I=0) и пучности напряжения (Umax).

                        

                        ЩЕЛЕВЫЕ (ДИФРАКЦИОННЫЕ) АНТЕННЫ

                        • Щелевые антенны состоят из щелей, прорезанных в металлических экранах или в стенках волноводов.

                        

                        • Используются на дециметровых и сантиметровых волнах.

                        ЩЕЛЕВЫЕ АНТЕННЫ

                        

                        • В безграничной проводящей поверхности вырезана прямоугольная щель, длиной l=/2, а ширина d .
                        • В середине щели (точки «а» и «а1») подключена двухпроводная линия, соединенная с генератором высокой частоты.
                        • Края щели можно рассматривать как двухпроводную короткозамкнутую линию, в середине которой включён источник переменного напряжения.
                        • По краям щели, как по кратчайшему пути от точки «а» к точке «а1», потечёт ток, который имеет пучности на короткозамкнутых концах линии и узлы в точках «а» и «а1» (Рисунок а).
                        • в щели существует поперечное электрическое (Рисунок б) и продольное магнитное поля, и в пространстве, окружающем щель, возникает электромагнитное поле, т.е. щель становится излучателем.

                        ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ЩЕЛЕВЫХ АНТЕНН

                        • Щелевые антенны компактные, механически прочные, являются невыступающими антеннами.
                        • Щелевые антенны используются на летательных аппаратах, так как не нарушают их аэродинамику.
                        • Щель в корпусе ослабляет прочность конструкции.
                        • Поэтому щелевые антенны используются в основном в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн, где их длина мала.
                        • Полость щели может быть заполнена диэлектриком.
                        • Недостаток: сложность начальной настройки антенны, так как размеры щели критичны к длине волны. Поэтому щелевая антенна может хорошо работать только в узком диапазоне волн.

                        ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТЕРЖНЕВАЯ АНТЕННА

                        Антенна состоит:

                        1 — диэлектрический стержень с постепенно уменьшающимся диаметром (для согласования), выполненный из высокочастотного диэлектрика с малыми потерями (полистирол, тефлон и др.);

                        2 – металлический стакан служит отражателем ЭМВ, в него вставляется толстый конец стержня;

                        3 — четвертьволновый вибратор;

                        4 — коаксиальная линия.

                        • Вибратор излучает электромагнитные волны, которые распространяются вправо от излучателя, т.к. слева расположен отражатель.
                        • На границе раздела свободного пространства и диэлектрического стержня волны отражаются и преломляются.
                        • Такой стержень подобен волноводу, в котором большая часть электромагнитной энергии излучателя распространяется в стержне в виде бегущих волн.
                        • Большая часть ЭМВ распространяется в свободном пространстве вдоль оси стержня.
                        • Главный лепесток ДНА направлен также вдоль оси стержня.
                        • Отражённые от свободного конца стержня волны распространяются в обратном направлении, и появляются боковые и задние лепестки в диаграмме направленности.
                        • Длина диэлектрического стержня (3-5) λ, средний диаметр – (0,5-1)λ. При этом ширина ДНА=(30-50).

                        

                        МНОГОВИБРАТОРНАЯ АНТЕННА ВОЛНОВОЙ КАНАЛ (АВК)

                        А – активный вибратор подключается к фидеру.

                        В, Г, Д, Е – пассивные вибраторы (директоры), возбуждаются электромагнитным полем активного вибратора ( лат. director – направлять ).

                        Р – рефлектор (отражатель).

                        Поле одного вибратора наводит в другом некоторую ЭДС. Поле, создаваемое системой вибраторов, является результатом сложения полей, создаваемых отдельными вибраторами, с учётом фаз этих полей.

                        Ширина диаграммы направленности директорной антенны зависит от числа директоров: чем их больше, тем меньше угол излучения. При увеличении числа директоров уменьшение угла излучения становится всё меньше и меньше. Поэтому используют антенны с одним рефлектором и не более 4-5 директоров.

                        

                        ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ ДИРЕКТОРНОЙ АНТЕННЫ

                        Ширина диаграммы направленности директорной антенны зависит от числа директоров: чем их больше, тем меньше угол излучения. При увеличении числа директоров уменьшение угла излучения становится всё меньше и меньше. Поэтому используют антенны с одним рефлектором и не более 4-5 директоров.

                        Типовая ширина диаграммы направленности директорной антенны Θ=20  ÷35  Коэффициент направленного действия равен D =n L/  ,

                        где n – число вибраторов; L – длина антенны; λ – длина волны.

                        + простота конструкции,

                        + хорошая направленность.

                        — сложность настройки (подбор длин вибраторов и расстояний между ними.

                        Директорные антенны чаще всего применяют для работы на фиксированных частотах.

                        

                        АПЕРТУРНЫЕ АНТЕННЫ

                        В апертурных антеннах излучение происходит с большой площади (апертуры).

                        Это может быть открытое отверстие металлического волновода, раскрыв металлических рупоров, параболического зеркала

                        а). Волноводно-рупорная; б). Линзовая; в). Зеркальная

                        

                        РУПОРНЫЕ АНТЕННЫ

                        

                        • Одной из простейших апертурных антенн является открытый конец волновода.
                        • При переходе от волновода к свободному пространству резко меняются условия распространения ЭМВ, и значительная часть энергии отражается от открытого конца волновода.
                        • Для улучшения согласования необходимо плавно увеличивать линейные размеры открытого конца волновода, т.е. перейти к рупору.
                        • Рупорная антенна – это волновод с плавно изменяющимся сечением.

                        РУПОРНЫЕ АНТЕННЫ

                        

                        • Одной из простейших апертурных антенн является открытый конец волновода.
                        • При переходе от волновода к свободному пространству резко меняются условия распространения ЭМВ, и значительная часть энергии отражается от открытого конца волновода.
                        • Для улучшения согласования необходимо плавно увеличивать линейные размеры открытого конца волновода, т.е. перейти к рупору.
                        • Рупорная антенна – это волновод с плавно изменяющимся сечением.
                        • Для расширения диаграммы направленности используют рупорные антенны.
                        • Раскрыв рупорной антенны соответствует ширине диаграммы направленности.
                        • Для создания очень широкой диаграммы направленности на выходе волновода устанавливают просто плоскую пластину, что равносильно рупорной антенне на 180 градусов.

                        РУПОРНЫЕ АНТЕННЫ

                        • При расширении узкой стенки волновода (b) рупор называют Е-секториальным.
                        • При расширении широкой стенки волновода (а) рупор называют Н-секториальным.

                        Структура поля в волноводе

                        

                        • Если у волновода плавно изменяются оба размера, рупор называют пирамидальным.
                        • Круглый волновод при плавном увеличении сечения переходит в конический рупор.

                        РУПОРНЫЕ АНТЕННЫ

                        • Фронт волны, исходящей из рупорной антенны, является сферическим.
                        • Для создания плоского фронта применяют линзы.
                        • Плоская волна нужна для того, чтобы излучение не рассеивалось во все стороны, а распространялось в одном направлении .

                        D=4  Sэф/  2

                        Коэффициент направленного действия рупорной антенны

                        D – коэффициент направленного действия;

                        Sэф – эффективная площадь раскрыва рупора (площадь апертуры);

                         — длина волны.

                        

                        ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА

                        Зеркальными называют антенны, у которых ЭМП формируется в результате отражения радиоволн от металлической поверхности рефлектора — зеркала.

                        Зеркальная антенна состоит из облучателя и зеркала.

                        1 – сферический фронт волны облучателя;

                        2 – облучатель устанавливается в фокусе параболоида ;

                        3 – диаметр зеркала;

                        4 – отражатель (рефлектор, зеркало);

                        5 – плоский фронт волны;

                        Антенна ДМРЛ-С

                        Антенна АВК-1

                        

                        ЗЕРКАЛЬНАЯ ПАРАБОЛИЧЕСКАЯ АНТЕННА

                        ЭМВ облучателя, достигнув проводящей поверхности зеркала, наводит в нем токи высокой частоты. Эти токи являются источниками вторичного излучения, т.е. они создают поле отраженной волны.

                        Облучатель имеет широкую ДН, которая с помощью зеркала преобразуется в узкую (игольчатую) ДН.

                        Зеркала выполняются из материалов с хорошей проводимостью (алюминия или его сплавов, стеклопластика с металлизированной отражающей поверхностью). Для предотвращения коррозии поверхность рефлектора окрашивают.

                        С целью уменьшения веса и ветровых нагрузок зеркала могут выполняться также из металлической сетки или перфорированных листов. Антенны могут закрываться радиопрозрачным укрытием (РПУ).

                        Размеры отверстий должны быть много меньше длины волны, тогда они не оказывают влияния на электрические характеристики рефлектора.

                        

                        ПРИЕМНАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА

                        В приемной зеркальной антенне облучатель (2) является не источником ЭМИ, а приёмником. Он принимает сфокусированный рефлектором сигнал, приходящий из окружающего пространства в виде параллельного пучка лучей, и передаёт его с помощью фидерного тракта на вход приёмного канала.

                        

                        РАСЧЕТ КНД ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ

                        Коэффициент направленного действия (D) параболических зеркальных антенн определяют через эффективную площадь раскрыва антенны (S):

                        Если задан коэффициент направленного действия D, то необходимую площадь раскрыва зеркала можно рассчитать по формуле:

                        Рассчитать апертуру и коэффициент направленного действия параболической зеркальной антенны ДМРЛ-С, диаметр зеркала которой равен 4,5 метра.

                        

                        РАМОЧНАЯ АНТЕННА

                        Рамочные антенны представляют собой один или несколько последовательно соединённых витков провода, имеющих круглую, квадратную или многоугольную форму.

                        

                        МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ АНТЕННЫ – ФАЗИРОВАННЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ (ФАР)

                        Излучающими элементами могут быть линейные вибраторы, волноводные щели, рупоры, открытые концы волноводов и др.

                        Высокая направленность излучения объясняется интерференцией (наложением) полей, создаваемых отдельными излучателями.

                        Диаграмма направленности антенной системы зависит от типа излучателей, от их расположения, расстояния между ними, от длины волны и соотношения между амплитудами и фазами токов в излучателях.

                        В зависимости от расположения элементарных излучателей различают линейные, плоские и объёмные ФАР.

                        Излучающие элементы в линейной ФАР расположены на равных расстояниях друг от друга вдоль прямой ΜΝ, называемой осью решётки.

                        Расстояние между фазовыми центрами излучателей d называют шагом решётки.

                        Линейная ФАР позволяет сформировать направленное излучение только в одной плоскости, проходящей через ось решётки.

                        

                        ПЛОСКАЯ ФАР

                        • Плоская ФАР собирает излучение в узкий пучок в двух плоскостях.
                        • Форма плоской ФАР может быть прямоугольной, круглой, многоугольной и определяется требованиями к форме диаграммы направленности и конструктивными особенностями системы.
                        • Излучатели в плоских ФАР располагают в узлах сетки .

                        Излучение в нежелательное полупространство устраняют либо выбором однонаправленных излучающих элементов, либо с помощью экрана (5).

                        

                        ФАР – ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА

                        

                        АНТЕННЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ — АФАР

                        • Необходимо, чтобы острая направленность антенны сочеталась с высокой скоростью перемещения луча в пространстве и автоматическим управлением движения луча.
                        • Это осуществляется в ФАР с электронным управлением диаграммой направленности.
                        • Управление может быть выполнено фазовым или частотным методами.
                        • При фазовом методе используют фазовращатели с последовательной или параллельной схемами включения.

                        НЕДОСТАТОК последовательной схемы:

                        неравномерное распределение мощности между фазовращателями.

                        Через ближайшие к питающему ГВЧ фазовращатели проходит почти вся мощность, подводимая к антенной решётке, а к последним – доходит лишь незначительная её часть.

                        

                        ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ

                        В параллельной схеме включения через каждый фазовращатель проходит лишь небольшая часть мощности.

                        Недостаток параллельной схемы: сложность системы управления, т.к. надо применять фазовращатели с различными диапазонами фазовых сдвигов.

                        При частотном управлении изменяется частота питающего решётку генератора. Это приводит к изменению сдвигов по фазе между токами в излучателях решётки, в результате чего изменяется положение антенного луча в пространстве. Это требует перестройки частоты питающего генератора в достаточно широких пределах (не менее 6% от несущей частоты).

                        

                        Элементами АФАР являются не одиночные излучатели, а модули, в состав которых кроме

                        АФАР НА АМОЛЕТЕ

                        излучателя входят генератор, приемник и устройство развязки режимов

                        прием—передача. Все эти устройства связаны не только конструктивно, но и функционально, благодаря чему возможности АФАР значительно шире возможностей пассивных решеток.

                        Активная фазированная антенная решетка МАРЛ-А содержит 64 приемо-передающих модуля и 64 сдвоенных дипольных излучателей.

                        

                        ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЭМВ. ВЕРТИКАЛЬНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ

                        

                        • Ориентация векторов напряжённости электрического (Е) и магнитного (Н) полей определяет поляризацию электромагнитной волны.
                        • Поляризацию электромагнитных волн оценивают по ориентации вектора напряжённости электрического поля Е.
                        • Если вектор Р направлен горизонтально, то при вертикальном направлении вектора Е радиоволны называются вертикально поляризованными.
                        • Они излучаются вертикально ориентированными вибраторами.
                        • Для приёма радиоволн необходимо использовать антенну такой же ориентации.

                        ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ

                        

                        • Если вектор перемещения Р направлен горизонтально, то при горизонтальном направлении вектора Е радиоволны называются горизонтально поляризованными .
                        • Для передачи и приёма таких волн используют горизонтально расположенные вибраторы.

                        АНТЕННЫ С КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ. СПИРАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ

                        

                        • К передатчику подключены одновременно горизонтальный и вертикальный диполи, фазы сигналов в них сдвинуты на 90 градусов.
                        • Вектор электрического поля будет вращаться по кругу.
                        • Волна будет не плоско поляризована, а имеет круговую поляризацию.
                        • Для создания волн с круговой поляризацией используются спиральные антенны.
                        • Спиральные антенны работают только в режиме бегущей волны.
                        • Длина полотна спиральной антенны ≈ 15 длин волн (витков).

                        СПИРАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ

                        • Антенна имеет очень узкую диаграмму направленности.
                        • Она излучает только в направлении своей оси.
                        • Спиральные антенны можно часто увидеть на космических аппаратах и планетоходах.

                        11 Антенны поверхностных волн. характеристики, конструкция и принцип работы. Направленные свойства

                        

                        Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про антенны поверхностных волн, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое антенны поверхностных волн , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны. Антенна поверхностных волн — антенна, в которой используется открытая линия передач с замедляющей системой; частный случай антенны бегущей волны. Бегущие замедленные волны оказываются «прижатыми» к направляющей поверхности, поэтому их называют поверхностными (поперечная составляющая волнового вектора является в таких системах мнимой величиной, т. е. амплитуда поля в направлении нормали к поверхности экспоненциально убывает), поток энергии вдоль поверхности концентрируется вблизи нее. Типичная схема антенны поверхностной волны приведена на рис.1. Антенна состоит из двух основных элементов: замедляющей структуры 1. по которой распространяется поверхностная волна, и возбудителя поверхностной волны 2. Рис.1. Антенна поверхностных волн

                        11.1. Основные характеристики антенн поверхностных волн

                        В диапазоне СВЧ широко применяются антенны, возбуждаемые поверхностными волнами. Достоинством антенн поверхностных волн (АПВ) является их диапазонность, простота конструкции, небольшие размеры. Хорошие аэродинамические качества антенн поверхностных волн позволяют их использовать в качестве маловыступающих антенн для подвижных объектов. Антенна поверхностных волн состоит из двух частей: возбудителя электромагнитных волн и излучающей части. Излучающая часть антенны представляет собой замедляющую структуру, которая способствует увеличению направленности излучения. В зависимости от типа направляющей части различают

                        • плоские,
                        • стержневые и
                        • дисковые антенны поверхностных волн .

                        Наибольшее распространение получили стержневые АПВ, излучающая часть которых выполнена из диэлектрика или в виде металлических стержней с диэлектрической оболочкой.

                        Например, на рис. 11.1, а диэлектрический стрежень возбуждается открытым концом волновода или вибратором (рис. 11.1, б).

                        При этом уменьшение замедления волны к концу диэлектрического стержня приводит к лучшему согласованию волны на его выходе со свободным пространством.

                        

                        Рис. 11.1 —Диэлектрические стержневые антенны с возбуждением открытым концом волновода (а) и с возбуждением вибратором (б)

                        Недостатком диэлектрических стержневых антенн является сравнительно большая масса, которая не позволяет применять их на волнах длиннее (0,2…0,3) м. Наличие потерь в диэлектрикеснижает КПД антенн до 70…80% и ограничивает возможность их использования в качестве передающих.

                        Этих недостатков лишена ребристостержневая антенна, являющаяся металлическим аналогом диэлектрической антенны. Ребристо-стержневая антенна выполняется из металлических дисков, закрепленных на металлическом стержне, возбуждаемых симметричным вибратором (рис. 11.2, а) или открытым концом волновода (рис. 11.2, б) круглого или прямоугольного сечения.Если диски выполнить в форме эллипсов и увеличивать их эксцентриситет, то постепенно можно перейти к директорной антенне, которую также можно рассматривать как антенну поверхностных волн. К классу антенн поверхностных волн относят и спиральную антенну.

                        

                        Рисунок 11.2 — Ребристо-стержневые антенны с возбуждением симметричным вибратором (а) и с возбуждением открытым концом волновода (б)

                        Если использовать перфорированные или сетчатые диски, то антенну можно применять на метровых и более длинных волнах. На метровых волнах преимуществом ребристостержневых антенн является сравнительная простота конструкции при довольно значительной (для этих волн) направленности и широкополосность. На сантиметровых волнах стержневые антенны имеютзначительно меньшие габариты, чем, например, рупорные. Одиночные стержни наиболее целесообразно применять для получения диаграмм направленности шириной до 20…30°. Более узкиеДН можно получить с помощью синфазных решетками стержневых излучателей. Четырехстержневая антенна, например, имеет диаграмму направленности в горизонтальной плоскостишириной 10°. Вибраторная антенна такую же ДН обеспечила бы лишь при числе вибраторов, равном 10…12.

                        Наряду с диэлектрическими стержневыми и ребристо-стержневыми антеннами часто применяются плоскостные диэлектрические и ребристые АПВ.

                        Плоскостная диэлектрическая антенна состоит из возбудителя в виде рупора или открытого конца волновода и замедляющей системы (направителя) в виде плоского металлического экрана, покрытого тонким слоем диэлектрика. Поверхностная волна может быть получена и при помощи металлической ребристой системы. Плоская ребристая антенна состоит из возбудителя (например, пирамидальный рупор) изамедляющей направляющей системы в виде металлической гребенки, вблизи поверхности которой образуется поверхностная волна. Для плоских АПВ характерно некоторое отклонение максимума излучения от плоскости антенны. Это обусловлено тем, что металлический экран, на котором располагается антенна, имеет конечные размеры. Антенн поверхностных волн сненаправленной ДН в горизонтальной плоскости выполняются в виде горизонально расположенных диэлектрических или металлических дисков с концентрической ребристой структурой.Антенна возбуждается вертикальным вибратором, установленным в центре диска. Толщина диэлектрика или высота ребер на краю диска уменьшается до нуля с целью согласования антенны сосвободным пространством. Вследствие конечных размеров экрана в дисковых антеннах максимум ДН отклонен от плоскости антенны. Поверхностная волна возникает на границах раздела средс различными электрическими параметрами, фазовая скорость в одной из которых меньше, чем во второй. Одной из этих сред в антенной технике является воздух, а другой может служитьсреда, в которой распространяются «медленные» волны, имеющие скорость меньше скорости с. Поверхностная волна образуется в оптически менее плотной среде, направляется поверхностьюраздела сред с различными параметрами и распространяется вдоль этой поверхности, как бы прижимаясь к ней. При этом амплитуда напряженности электрического поля вдоль поверхностипочти не затухает. А в воздухе амплитуда напряженности поля убывает по экспоненциальному закону в направлении нормали к поверхности раздела сред. Вся энергия переносится волной втонком слое, прилегающем к направляющей поверхности. В оптически более плотной среде в результате наложения падающей и отраженной волн в направлении внутренней нормали кповерхности раздела устанавливается стоячаяволна (рисунок 11.3).

                        

                        Рисунок 11.3 — Распределение амплитуды поля поверхностной волны

                        Поверхностная волна распространяется в направлении оси z, фазовая скорость Vф этой

                        волны меньше скорости света в оптически менее плотной среде и находятся в пределах

                        

                        где с — скорость света в воздухе;

                        ε — относительная диэлектрическая проницаемость более плотной среды;

                        — скорость света в более плотной среде.

                        

                        В антенной технике применяются поверхностные волны, распространяющиеся вдоль плоской и круглой цилиндрической поверхности раздела сред. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Поверхностные волны образуются каквблизи плоской границы раздела диэлектриков, так и у поверхности диэлектрических стержней, вблизи проводов, обладающих потерями или покрытых слоем диэлектрика, а также околометаллических гребенчатых или гофрированных поверхностей. Толщина слоя воздуха, в котором распространяется основная часть энергии поверхностной волны, зависит от коэффициентазамедления . Чем больше коэффициент замедления,

                        тем сильнее концентрируется поверхностная волна вблизи замедляющей структуры.

                        Направляющую поверхность, вблизи которой создается поверхностная волна, принято характеризовать поверхностным сопротивлением

                        (поверхностным импедансом), равным отношению электрической и магнитной касательных к замедляющей поверхности на границе раздела диэлектрик-воздух.

                        Для волны электрического типа (Нz=0) поверхностный импеданс антенны определяется как отношение продольной составляющей напряженности электрического поля, касательной к замедляющей поверхности, к поперечной составляющей напряженности магнитного поля.

                        При плоской поверхности раздела поверхностный импеданс антенны можно определить по формуле

                        

                        Представив составляющую напряженности магнитного поля в виде

                        

                        из уравнений Максвелла можно определить составляющие электрического поля:

                        

                        

                        где — коэффициент затухания поля поверхностной волны в направлении оси х;

                        

                        — коэффициентфазыповерхностной волны в продольном направлении.

                        Коэффициенты в (11.2) связаны соотношением, где длина волны рабочего диапазона.

                        Подставив Еz и Hy в (11.1), поверхностный импеданс получают в виде

                        

                        Таким образом, условием существования поверхностной волны является индуктивный характер поверхностного импеданса. В реальных условиях выбираютповерхность, у которой реактивная часть поверхностного сопротивления значительно превосходит активную. Требование реактивного поверхностного сопротивления диктуетсяеще следующими соображениями. АПВ являются антеннами бегущей волны, которые имеют максимальный коэффициент усиления, если c/ Vф > 1, т. е. при Vф < c .Фазовая скорость Vф будет меньше скорости света при реактивном поверхностном импедансе.

                        Чтобы получить представление о механизме излучения и методах расчета АПВ, рассмотрим две модели: плоскую систему, ограниченную в направлении распространения волны,и цилиндрическую систему (рис. 11.4).

                        Пусть плоская система не ограничена в направлении оси х, тогда в системах с помощью рупорного излучателя возбуждается поверхностная волна, распространяющаяся в направлении осиz. Так как поверхностная структура ограничена в направлении z и на конце обладает неоднородностью, то требование выполнения условий непрерывности электромагнитного поля обусловливает возникновение типов волн, вызывающих излучение энергии. При этом наблюдается такой характер излучения, как при создании эквивалентными токами невозмущенной поверхностной волны на излучателе вблизи места неоднородности.

                        

                        Рисунок 11.4 — Модели антенн поверхностных волн: а) модель плоской системы; б) модель цилиндрической системы

                        Для расчета поля излучения АПВ в основном применяются два приближенных метода.

                        Метод эквивалентного раскрыва.

                        В основе этого метода лежит предположение, что излучение происходит лишь в местах неоднородности поверхностной структуры. У простого стержневого излучателя неоднородность возникает на его конце, как в коническом рупоре. Как и при рупорном излучателе, когда распределение поля, возникающее в местене однородности (в раскрыве рупора), принимается за распределение источников излучения (без учета коэффициента отражения), в основу расчета излучения стержня берется невозмущенное распределение поля в поперечной плоскости на конце стержня. Эта поперечная плоскость для стержневого излучателя является эквивалентным раскрывом. В противоположность раскрыву рупорного излучателя эквивалентный раскрыв антенны поверхностных волн бесконечен, но так как амплитуды поля быстро убывают с увеличением расстояния от оси антенны, то практически все излучение происходит сквозь ограниченный раскрыв. Таким образом, считают, что излученное электромагнитное поле создается синфазно-возбужденной поверхностью, которая является частью плоского фронта поверхностной волны, излучаемой концом антенны перпендикулярно ее оси. Амплитуда возбуждающего поляраспределена на этой поверхности по экспоненциальному закону. Чем больше коэффициент замедления c/Vф , тем меньше эффективная излучающая поверхность.

                        Максимум излучения направлен перпендикулярно фронту волны, т. е. вдоль оси антенны. Коэффициент замедления и размеры излучающей поверхности определяются, исходя из структурыполя бесконечной замедляющей структуры, а распределение поля в эквивалентном раскрыве соответствует нормальному невозмущенному распределению поля в поперечном сечении. Приконечной длине замедляющей структуры величина c/ Vф не

                        постоянна по длине антенны, что приводит к ошибкам при расчете ДН. Точность расчета повышается с увеличением длины антенны.

                        Второй метод основан на представлении замедляющей структуры в виде антенны бегущей волны с замедленной фазовой скоростью. В этом случае антенна представляет собойсовокупность непрерывно расположенных элементарных излучателей. При этом волной, отраженной от конца антенны, пренебрегают. Излученное АПВ поле является результатом интерференции поля, излученного замедляющей структурой, и поля, непосредственно излученного возбудителем, не перешедшего в поверхностную волну. Непосредственное излучение возбудителя искажает ДН АПВ.

                        При коротких излучателях целесообразно применять второй метод.

                        11.2. Конструкция и принцип работы стержневых антенн поверхностных волн

                        Среди разнообразных антенн СВЧ диэлектрические антенны занимают в некотором смысле обособленное место. Простота конструкции и хорошие аэродинамические качества обуславливают довольно частое их применение, особенно в самолетной радиоаппаратуре.

                        Диэлектрическая антенна состоит из возбудителя электромагнитного поля и собственно антенны (направляющей системы). Направляющей системой для поверхностной волны является диэлектрический стержень. Возбудитель — электрический вибратор, представляющий собой конец внутреннего провода коаксиального кабеля, металлический круглый или прямоугольныйволновод (см. рис. 11.1).

                        Диэлектрические стержни выполняют из высокочастотных диэлектриков, обладающих малыми потерями (полистирол, люсит, фторопласт и др.). В антенной техникеиспользуются диэлектрические стержни двух видов: сплошные и полые. Полые стержни называются также диэлектрическими трубами. Диэлектрические антенны из сплошных стержней могутиметь коническую, цилиндрическую или иную форму.

                        ДН цилиндрической стержневой антенны имеет большие боковые лепестки (до 30…40% по мощности),

                        обусловленные отражением поверхностной волны от конца стержня. Для уменьшения отражения стержень выполняют в виде конуса, суживающегося к концу. При этом к концу антенны уменьшается замедление волны, фазовая скорость распространения которой приближается к скорости с, и улучшается согласование антенны с окружающим пространством. В связи с этим уменьшается отражение поверхностной волны от конца стержня, что приводит кзначительному уменьшению уровня боковых лепестков.

                        У диэлектрической антенны электромагнитное поле возбуждается источником в той части диэлектрического стержня, которая закрыта круглым металлическим держателем, и там распространяется, как в волноводе. Достигнув границы металлического держателя, волна продолжает распространяться по диэлектрическому стержню, одновременно проникая через открытуючасть поверхности стержня во внешнее пространство. Для определения поля излучения диэлектрической антенны нужно знать электромагнитное поле внутри стержня и вне его. Эта задачарешена в настоящее время для идеализированного случая стержня бесконечной длины и постоянного круглого

                        

                        

                        

                        

                        11.3. Направленные свойства стержневых антенн

                        При определении поля излучения диэлектрической антенны считают, что электромагнитное поле внутри и вне стержня конечной длины имеет такую же структуру, как и в бесконечно длинном стержне. При возбуждении диэлектрической антенны вибратором или круглым волноводом с волной Н₁₁ в стержне при правильном выборе его диаметра возбуждается основная волна НЕ ₁₁. Линии вектора напряженности электрического поля Е в поперечном сечении стержня имеют одно преимущественное направление, перпендикулярное оси антенны.

                        Возникающие в стержне волны вызывают поляризацию диэлектрика вдоль силовых линий электрической составляющей поля (в поперечных плоскостях стержня), т. е. в стержне возбуждаются электрические токи поляризации, которые в основном являются поперечными. Эти токи (токи смещения) могут рассматриваться как излучатели с равномерным распределением амплитуд в направлении оси антенны илинейным распределением фаз. Таким образом, диэлектрическую стержневую антенну можно рассматривать как антенну бегущей волны осевогоизлучения с замедленной фазовой скоростью. Следовательно, ДН диэлектрической антенныв Е и Н плоскостях рассчитываетсяпо формулам:

                        

                        

                        Множитель F 1 ( θ) является функцией направленности линейки бегущей волны и определяется по формуле

                        

                        

                        где — коэффициент затухания, который

                        

                        При расчете ДН антенны из полистирола, люсита и других диэлектриков с относительной диэлектрической проницаемостью e = 2,5…2,6 можно принять, что: —волновое число, θ — угол между осью антенны и направлением на

                        точку наблюдения, c/Vф — коэффициент замедления волны в диэлектрическом волноводе.

                        На рис. 11.9 показаны зависимости F₁( ξ ) от ξ для различных значений α L/2. Из рисунка видно, что чем больше α L/2 (чем быстрее убывает амплитуда поля от начала антенны к ее концу), тем шире главный лепесток ДН и больше боковые лепестки. Основная особенность ДН при α >0 заключается в отсутствии нулевых значений поля, т. е. в слиянии главного и боковыхлепестков в кривую со слабо выраженными экстремумами. Чем больше α , тем слабее выражены экстремальные точки.

                        На рисунке 11.10 показаны, в качестве примера, зависимости F₁ ( θ) от θ для различных значений параметра α L/2.. Множитель F₁( θ) оказывает определяющее влияние на ДН.

                        Полагая, что затухания в стержне пренебрежимо малы, F₁( θ) получается

                        для F₁ ( θ) выражение

                        

                        

                        Рисунок 11.9 — Зависимости множителя F1 , входящего в выражение для диаграммы
                        направленности диэлектрической антенны, от параметра a

                        

                        

                        Рисунок 11.10 — Зависимость F1 (Q) от Q при различных значениях параметра

                        Множитель F2 (Q) характеризует влияние на ДН поперечного размера стержня, т. е. определяет направленность элементарного объемного участка, имеющего форму плоскогопоперечного слоя круглого сечения. ДН элемента длины стержня круглого сечения определяется по формуле

                        

                        где Л1 — лямбда-функция первого порядка; d — средний диаметр диэлектрического стержня.

                        

                        Наличие множителя приводит к тому, что ДН стержневых антенн более направлены, чем плоскостных.

                        Однако множитель заметно влияет на ДН антенны лишь при коротких стержняхбольшого диаметра (порядка и более).

                        

                        Множитель

                        характеризует влияние на ДН одиночного элемента тока (относится только к плоскости Е) и в пределах θ=0…450 слабо изменяется.

                        

                        Более быстрое убывание функции F₃ ( θ) с увеличением угла θ начинается при углах

                        Таким образом, наличие множителя F₃( θ) мало сказывается на форме основного лепестка ДН антенны. Основное отличие ДН в Е-и Н

                        плоскостях у диэлектрических антенн заключается в том, что в Н-плоскости боковые лепестки ДН заметно больше.

                        Ширина основного лепестка в обеих плоскостях почти одинакова.

                        

                        ДН диэлектрических антенн малого диаметра определяется в основном функцией F₁( θ) , а большого диаметра — произведением функций .

                        Вау!! �� Ты еще не читал? Это зря!

                        • Антенны бегущей волны

                        Статью про антенны поверхностных волн я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развии теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое антенны поверхностных волн и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны

                        Похожие публикации:

                        1. Как выйти из спама
                        2. Как отключить все слои в автокаде кроме одного
                        3. Как создать диск на яндексе
                        4. Как создать стиль абзаца в ворде