Политех в Сети

Сайт для Учебы

9.2.АНТЕННЫЕ УСТРОЙСТВА

Рейтинг пользователей: / 2
ХудшийЛучший 

В большинстве радиотехнических систем распространение электромагнитных волн от передатчика к приемнику происходит в свободном пространстве. При этом высокочастотные модулированные электромагнитные колебания излучаются передающей антенной. В приемной антенне электромагнитные волны возбуждают токи высокой частоты, энергия которых поступает на вход приемника. Передающая антенна преобразует энергию токов высокой частоты в энергию электромагнитных волн, а приемная антенна преобразует энергию электромагнитных волн в энергию токов высокой частоты. Таким образом, задача приема радиоволн является обратной задаче их излучения. Для приема радиоволн можно использовать такие же антенны, какие используются для их излучения. Этот “принцип взаимности” позволяет ограничиться изучением свойств каждой антенны либо только в качестве передающей, либо только в качестве приемной. Изучив свойства антенны в качестве передающей, можно на основании принципа взаимности определить ее свойства в качестве приемной и наоборот.

Если передатчик и приемник удалены от своих антенн, то между ними используются линии передачи, называемые фидерами. Чаще всего в качестве фидеров используются коаксиальные кабели.

В разных диапазонах волн используются различные по конструкции антенны. По типу излучающих элементов антенны делятся на линейные, апертурные и антенны поверхностных волн.

Линейными называются антенны, у которых токи проходят по каналам с поперечными размерами, малыми по сравнению с продольными размерами антенн и длиной волны. Линейными являются проволочные и щелевые антенны в волноводах и резонаторах.

В апертурных антеннах токи высокой частоты проходят по поверхностям, размеры которых соизмеримы или намного больше длины волны. Эти антенны содержат открытую поверхность, называемую апертурой или раскрывом антенны, через которую проходит излучаемая электромагнитная энергия.

Антенны поверхностных волн состоят из возбудителя и направителя. В этих антеннах возбуждаются бегущие электромагнитные волны, которые распространяются вдоль направителя и с его поверхности излучаются в свободное пространство.

Все три типа антенн применяются в виде одиночных антенн, а также в виде многоэлементных устройств, возбуждаемых одним высокочастотным генератором, называемых антенной решеткой. Антенные решетки позволяют получить требуемое пространственное распределение излучаемой энергии и возможность управления этим распределением во времени.

9.2.1.Электрические параметры антенн

Активная мощность , подводимая к антенне, частично излучается во внешнее пространство, частично расходуется в сопротивлении проводников антенны, в поверхности Земли и окружающих предметах. Поэтому активная мощность состоит из мощности излучения и мощности потерь и равна

. (9.4)

Коэффициент полезного действия антенны равен

. (9.5)

Сопротивлением излучения антенны называется активное эквивалентное сопротивление, на котором рассеивается мощность, равная мощности излучения антенны при равенстве токов в антенне и сопротивлении. При известной излучаемой мощности и максимальном значении тока Сопротивление излучения может быть рассчитано по формуле

. (9.6)

Представление о законе распределения в свободном пространстве амплитуд поля излучения дает диаграмма направленности, представляющая собой зависимость амплитуды напряженности электрического или магнитного поля от направления от центра антенны к точке, где определяется поле. Это направление характеризуется азимутальным и меридиональным углами сферической системы координат, в центре которой помещена антенна. Обычно пространственную диаграмму направленности строят отдельно в горизонтальной и вертикальной Плоскостях. На практике используют нормированные диаграммы направленности

(9.7)

Диаграммы направленности имеют различную форму в азимутальной и меридиональной плоскостях. Это могут быть окружности, вытянутые восьмерки с боковыми лепестками. Многие практические задачи требуют высокой направленности излучения. Однонаправленное излучение можно получить с помощью антенных решеток - нескольких однотипных излучателей, определенным образом расположенным в пространстве и возбуждаемых одним высокочастотным генератором. В проволочных антеннах форма диаграммы направленности определяется законами распределения токов в вибраторах и их взаимным расположением. В апертурных антеннах диаграмма направленности зависит от распределения амплитуд и фаз поля в раскрыве антенны. При изменении фазового распределения в раскрыве апертурных антенн или фазовых соотношений в вибраторах антенных решеток, можно отклонять главные и боковые лепестки от оси симметрии антенны, осуществляя сканирование диаграммы направленности.

Диаграмма направленности характеризуется шириной главного лепестка, коэффициентом направленного действия и коэффициентом усиления антенны.

Шириной диаграммы направленности называют угол, равный , между направлениями, вдоль которых напряженность поля уменьшается в Раз по сравнению с напряженностью поля в направлении максимума излучения (а мощность в 2 раза), как показано на рис.9.4.

описание: антенны2

Рис.9.4. Ширина диаграммы направленности

Коэффициент направленного действия - это число, показывающее, во сколько раз пришлось бы увеличить мощность излучения антенны при переходе от направленной антенны к ненаправленной при условии сохранения одинаковой напряженности поля в месте приема в направлении главного луча:

, (9.8)

Где - мощность излучения ненаправленной антенны.

Коэффициент направленного действия может принимать значения от единиц до десятков тысяч. Более точно оценить направленное действие антенны позволяет коэффициент усиления, который учитывает коэффициент полезного действия антенны и равен

. (9.9)

Отношение мощностей оценивается в децибелах. Выигрыш по мощности определяется как увеличение мощности в направлении основного излучения, которое дает направленная антенна по сравнению с полуволновым вибратором. Например, если передающая антенна имеет 4-кратное усиление, это означает, что для создания в точке приема напряженности поля, равной напряженности поля, создаваемой направленной антенной, к простому полуволновому вибратору надо подвести мощность высокой частоты, в 4 раза превосходящую мощность, подводимую к направленной антенне.

Важным параметром передающей антенны является ее поляризационная характеристика. Плоскость поляризации – это плоскость, в которой лежат вектор напряженности электрического поля и волновой вектор, указывающий направление распространения электромагнитной волны. Если плоскость поляризации с течением времени не изменяет своего положения в пространстве, то излучаемая электромагнитная волна имеет линейную поляризацию. Если же плоскость поляризации с течением времени непрерывно изменяет свое положение в пространстве, то электромагнитная волна имеет вращающуюся поляризацию. Реальные антенны излучают электромагнитные волны, имеющие различные поляризации, что необходимо учитывать для согласования передающей и приемной антенны конкретной радиолинии.

9.2.2.Конструкции антенн

В разных диапазонах волн используются различные конструкции антенн. В диапазоне длинных и средних волн используются линейные проволочные антенны в виде вертикального заземленного вибратора, поддерживаемого с помощью антенных мачт. Однако из-за малого сопротивления излучения (десятые доли Ома) коэффициент полезного действия такой антенны очень мал. Для увеличения сопротивления излучения к вертикальному вибратору присоединяют сеть горизонтальных или наклонных проводов, что приводит к изменению распределения тока в вибраторе, увеличению коэффициента полезного действия и излучаемой мощности. В этом диапазоне волн антенны являются Г-образными или Т-образными. Вертикальные провода этих антенн называют снижением, а горизонтальные – крышей. Вид Т-образной антенны показан на рис.9.5.

описание: антенны13

Рис.9.5. Т-образная антенна

В диапазоне коротких волн значительно проще сделать антенну с большим сопротивлением излучения и высоким коэффициентом полезного действия. Для этого надо, чтобы длина вибратора антенны была близка к половине длины излучаемой антенной волны, что легко осуществить на коротких волнах. Почти все антенны коротковолнового и ультракоротковолнового диапазона строятся на основе полуволновых вибраторов, длина которых равна примерно половине длины излучаемой волны. Для уменьшения потерь при распространении вследствие отражений излучаемые радиоволны должны иметь горизонтальную поляризацию. Этим условиям отвечает симметричный горизонтальный полуволновый вибратор, который подвешивают на двух мачтах и изолируют от них несколькими изоляторами. Симметричные половины вибратора также отделяют друг от друга изолятором. Фидер присоединяется к средним точкам вибратора. Под действием генератора, подключенного к зажимам вибратора, в нем возбуждаются токи и заряды, которые создают электромагнитное поле вокруг вибратора. При этом ток и напряжение в вибраторе распределяются в виде стоячих волн. На концах вибратора устанавливаются узлы тока и пучности напряжения, как показано на рис.9.6.

описание: антенны14

Рис.9.6. Распределение тока и напряжения по длине полуволнового вибратора

Из этого рисунка ясно, почему возможно соединение элементов УКВ антенн, например антенны “волновой канал”, в их геометрическом центре с металлической конструкцией мачты. В центре полуволнового вибратора находится узел напряжения, в котором оно настолько мало, что можно произвести заземление, не опасаясь значительных потерь сигнала.

Симметричный вибратор является слабонаправленной антенной. Диаграмма в вертикальной плоскости зависит от высоты подвеса вибратора над поверхностью земли. На рис.9.7 а, б приведены диаграммы направленности полуволнового вибратора в горизонтальной и вертикальной плоскости, расположенного на расстоянии от поверхности Земли.

описание: антенны описание: антенны12

а б

Рис.9.7. Диаграмма направленности полуволнового вибратора в горизонтальной (А) и вертикальной (Б) плоскостях

Увеличение отношения сужает главный лепесток диаграммы направленности. Для получения однонаправленного излучения используют многовибраторные антенны, образующие плоскую антенную решетку. Изменяя взаимное расположение вибраторов и сдвиг фаз между токами, питающими вибраторы, можно менять вид диаграммы направленности.

Однонаправленное излучение может быть получено с помощью пассивных (не питаемых от генератора высокой частоты) вибраторов, играющих роль рефлектора или директора. В теории антенн доказано, что если на расстоянии от активного полуволнового вибратора поместить пассивный вибратор, длина которого несколько больше , то он будет играть роль рефлектора. Если пассивный вибратор, длина которого несколько меньше , расположить на том же расстоянии От активного вибратора, то такой пассивный вибратор будет играть роль директора. Это объясняется тем, что в пассивном вибраторе наводится с соответствующими фазовыми сдвигами эдс высокой частоты, которая затем вызывает излучение радиоволн пассивным вибратором.

В зависимости от длины пассивного вибратора меняется фазовый сдвиг между волнами, излучаемыми активным и пассивным вибраторами, а с ним и диаграмма направленности всей антенны. Для получения острой однонаправленной диаграммы в диапазоне коротких волн используют многовибраторные синфазные антенны, которые подвешивают на мачтах высотой до 75 м с пролетом между мачтами до 150 м.

В УКВ диапазоне используются как линейные, так и апертурные антенны. В УКВ диапазоне различают четыре поддиапазона – метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Конструкции УКВ антенн зависят от поддиапазона, в котором работает антенна. Основным элементом УКВ антенн в метровом и дециметровом диапазонах является полуволновой вибратор. Из полуволновых вибраторов в длинноволновой части УКВ диапазона применяют директорную антенну типа «волновой канал», показанную на рис.9.8.

описание: волновойканал

Рис.9.8. Антенна типа «волновой канал».

Антенна состоит из активного полуволнового вибратора и нескольких пассивных вибраторов, расположенных в одной плоскости. По одну сторону от активного вибратора располагается рефлектор, по другую – директоры. Такая система вибраторов обеспечивает однонаправленное излучение от рефлектора к директорам. Число директоров зависит от требуемой ширины диаграммы направленности. При числе директоров 10¸12 ширина диаграммы направленности по мощности составляет 15¸20 градусов. Длина рефлектора должна быть несколько больше длины активного вибратора и он размещается на расстоянии (0,1¸0,25)l от активного вибратора. Расстояния между директорами, а также между первым директором и активным вибратором берут в пределах (0,1¸0,35)l, а длину директоров - (0,4¸0,48)l. Обычно рефлектор и все директоры крепятся к металлической трубе, что возможно вследствие того, что в пассивных вибраторах токи распределены симметрично, а вибраторы расположены перпендикулярно к трубе, поэтому она не влияет на процессы излучения и приема радиоволн. Такого типа антенны нашли широкое применение для приема телевизионных сигналов.

В сантиметровом диапазоне применяются щелевые антенны, апертурные антенны и антенны поверхностных волн.

Щелевая антенна представляет собой отверстие, прорезанное в стенке металлического волновода или резонатора. Если по металлической поверхности проходит ток, а щель расположена так, что ее пересекают линии тока, то внутри щели появляется электрическое поле, которое является источником излучения электромагнитных волн. Преимущественно используются прямоугольные узкие щели шириной (0,03¸0,05)l и длиной примерно l/2.

К апертурным антеннам относятся рупорные, линзовые и зеркальные антенны. Апертурные антенны применяются в диапазоне волн короче 1м вплоть до субмиллиметровых волн. Наиболее простой апертурной антенной является открытый конец волновода, снабженный рупором, представляющим собой волновод с плавно увеличивающимся поперечным сечением. Электромагнитная волна из волновода через рупор излучается в свободное пространство. Изменяя угол раскрыва рупора и его размеры. Можно изменять параметры рупорных антенн. Рупорные антенны позволяют получить узкую диаграмму направленности с низким уровнем боковых лепестков.

Линзовые антенны состоят из облучателя и электромагнитной линзы. Линза представляет собой прозрачное для радиоволн тело определенной формы с коэффициентом преломления, отличным от единицы. Линза преобразует сферические волны облучателя в плоские волны. Плоский фронт волны позволяет обеспечить узкую диаграмму направленности. Принцип работы линзы основан на том, что в ней фазовая скорость распространения электромагнитных волн либо больше, либо меньше скорости света. В соответствии с этим различают ускоряющие и замедляющие линзы. В ускоряющих линзах профиль освещенной стороны должен быть вогнутым, в замедляющих – выпуклым, как показано на рис.9.9.

описание: линзаантенна

Рис.9.9. Линзовые антенны

При этом в вогнутых линзах происходит выравнивание фазового фронта волны из-за того, что участки волновой поверхности, отклоненные от оси линзы на большие расстояния, проходят внутри линзы больший путь с повышенной фазовой скоростью. Замедляющие линзы являются выпуклыми, поэтому больший путь внутри линзы проходят те участки волновой поверхности, которые находятся на оси линзы. Линзовые антенны позволяют получить острую диаграмму направленности шириной в несколько минут. Однако это требует очень высокой точности их изготовления.

В СВЧ диапазоне широко используются зеркальные антенны, у которых поле формируется в результате отражения электромагнитной волны от хорошо отражающего рефлектора (радиозеркала). Зеркальная антенна состоит из облучателя, помещенного в фокусе зеркала, и зеркала, поверхности которого придается форма, обеспечивающая создание нужной диаграммы направленности. Зеркала сплошные или решетчатые изготавливают из алюминиевых сплавов. Наиболее распространенными являются зеркала в виде параболоида вращения, усеченного параболоида или параболического цилиндра. Электромагнитные волны облучателя отражаются от зеркала и излучаются в свободное пространство. Изменяя профиль зеркала, можно создавать различные формы диаграмм направленности. Зеркальные антенны с рефлектором в виде параболоида вращения создают узконаправленную диаграмму в виде иглы.

Апертурные антенны используются в радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и в радиоуправлении. В диапазоне СВЧ наряду с апертурными антеннами применяют и антенны поверхностных волн. Они состоят из возбудителя, передающего энергию от генератора к направителю. Направитель является замедляющей структурой, которая бывает либо диэлектрической, либо металлической ребристой. При распространении волны вдоль направителя фазовая скорость распространения оказывается меньше скорости распространения в свободном пространстве. При этом основная часть мощности, переносимая волной, концентрируется вблизи поверхности направителя, с которой излучаются электромагнитные волны в свободное пространство. Достоинством антенн поверхностных волн является их широкополосность и малая толщина направителя, что позволяет использовать их в летательных аппаратах. Недостатком этих антенн является невозможность создания узких диаграмм направленности с малым уровнем боковых лепестков.