Тоискин В.С., Петренко В.И., Бибарсов М.Р., Мишин Д.Ю. Системы радиосвязи

Подождите немного. Документ загружается.

диполя, который теперь будем называть антенной специальным устройством

для создания поля излучения.

Сравнивать и оценивать свойства антенн любых типов можно по их

параметрам.

Самым главным, определяющим параметром передающей антенны

является ее входное сопротивление. Входное сопротивление антенны опре-

деляется отношением напряжения высокой частоты на ее режимах к току пи-

тания: Z= U

/I. Не вся мощность, подводимая к антенне, излучается в окру-

жающее пространство.

Часть ее расходуется не на излучение, а теряется на нагревание как

самой антенны, так и находящихся поблизости предметов. Отношение мощ-

ности, излученной антенной, к мощности, подводимой к ней, называют ко-

эффициентом полезного действия антенны и выражают в процентах:

η =(Р

изл

/Р

под

)

⋅

100%.

(1.12)

Главной задачей при проектировании антенн является определение

требуемой характеристики излучения и входного сопротивления антенны.

Эти обе величины в рабочем диапазоне частот должны оставаться постоян-

ными или изменяться в допустимых пределах.

Характер электромагнитного поля, излучаемого антенной, зависит как

от распределения токов на антенне, так и от расстояния, на котором анализи-

руется поле излучения. В зависимости от расстояния различают ближнюю,

среднюю и дальнюю зоны. Для практики наибольший интерес представляет

распределение излучения в дальней зоне.

Для анализа пространственных распределений мощности (поля) излу-

чения и поляризации введем сферическую систему координат, в которой оп-

ределим зависимость мощности P как функцию координат r, X и Y

Проведем из точки, в которой расположена антенна, радиус-векторы,

длина которых равна модулю мощности P, для каждого углового направле-

ния. Геометрическое место концов радиус-векторов образует пространствен-

ную фигуру, характеризующую пространственное распределение потока

энергии, излучаемой антенной. Это распределение носит название диаграм-

мы направленности. Такая диаграмма (рисунок 1.11, 1.12) имеет главный (ос-

новной)

лепесток (а), боковые лепестки (b) и задний лепесток (c).

Пространственная диаграмма направленности мало пригодна для точ-

ного анализа характеристик антенны, и поэтому на практике пользуются гра-

фиками распределения мощности излучения в двух основных плоскостях, т.е.

в плоскостях XY и YZ.Получили распространение диаграммы направленности

представленные или в полярной системе координат или в

декартовой (пря-

моугольной) системе координат.

На представленном рисунке легко определить главный, боковой и зад-

ний лепестки. Кроме того, из анализа диаграмм легко установить угловые

направления, которые соответствуют нулевому уровню излучения антенн и

угловые направления соответствующие максимальному уровню излучения в

боковых направлениях.

Рисунок 1.11 - Характеристика направленности антенн

Таким образом, параметром антенны как излучателя электромагнит-

ных волн является амплитудная характеристика направленности - это зави-

симость напряженности поля электромагнитных волн, излучаемых антенной,

от направления излучения. Функция f (

, ), описывающая эту характеристи-

ку, называется функцией направленности.

Рисунок 1.12 - Диаграмма направленности антенн в плоскости YZ

Количественная оценка диаграммы направленности определяется ши-

риной главного лепестка. Ширина главного лепестка измеряется углом меж-

ду двумя направлениями, лежащими слева и справа от направления макси-

мального излучения, для которых мощность излучения уменьшается в 2 раза.

Если ДН не представляет собой тела вращения, то для полного пред-

ставления ДН недостаточно ограничиться только одним

её сечением, а необ-

ходимо привести, по крайней мере, сечения диаграммы в двух ортогональ-

ных плоскостях. Для анализа ДН реальных антенн, расположенных на или

вблизи поверхности земли, вводят определения горизонтальной и вертикаль-

ной плоскостей. Для удобства работы при построении ДН нормируют к сво-

ему максимальному значению распределения Р/Р

max

или Е/Е

max

. Введение

этих безразмерных величин, не зависящих от абсолютного значения уровня P

(или Е), в значительной степени облегчает анализ направленных свойств ан-

тенн.

Примеры диаграмм направленности симметричного вибратора в гори-

зонтальной и вертикальной плоскостях показаны на рисунках 1.13,а и 1.13,б

соответственно.

Рисунок 1.13 - Диаграммы направленности симметричного вертикального вибратора в

горизонтальной а) и вертикальной б) плоскостях

Диаграммы направленности реальных антенн, как правило, являются

многолепестковыми.

Для чего необходимо знать параметры антенн? Параметры определя-

ют напряженность поля в точке приема, т.е., по существу, какой сигнал будет

на входе приемника, от чего, естественно, зависит качество приема. К приме-

ру, если вы развернете телевизионную антенну не так, как ее установили

при

монтаже, то максимум ее диаграммы направленности не будет направлен на

телецентр и качество приема телевизионного изображения резко ухудшится.

Почему на радиофицированных автомобилях используют в качестве антенны

несимметричный вибратор. Потому, что его диаграмма направленности в го-

ризонтальной плоскости представляет круг, следовательно, условия ведения

связи с наземными объектами будут одинаковы независимо

от их взаимного

расположения (при одинаковом взаимном удалении). В то же время приме-

нение такой антенны на наземном средстве радиосвязи для связи с летатель-

ным аппаратом, например вертолетом, нецелесообразно, так как при нахож-

дении вертолета над наземным средством излучение в зенит антенна не обес-

печивает.

Следующая характеристика антенны - ширина диаграммы направлен

ности. Это угол между двумя направлениями в пределах главного лепестка

диаграммы (лепестка, в направлении которого интенсивность излучения мак-

симальная), на границах которого напряженность поля уменьшается до уров-

ня 0,7 от напряженности поля в направлении максимального излучения.

На рисунке 1.14 представлена диаграмма направленности некоторой

антенны в полярных координатах и показана ширина диаграммы направлен-

ности - α. Ширина диаграммы направленности симметричного вибратора 78

Существуют антенны с шириной диаграммы, составляющей единицы

градусов и даже минут. На рисунке 1.15 представлены диаграммы направ-

ленности направленной и ненаправленной антенн.

Рисунок 1.14 – К понятию ширины диаграммы направленности

Рисунок 1.15 – Диаграммы направленности направленной и ненаправленной антенн

Следующей важной характеристикой антенн является коэффициент

направленного действия (КНД).

Коэффициент направленного действия D - показывает во сколько раз

плотность мощности P излучения данной антенны в направлении превосхо-

дит плотность мощности излучения изотропной антенны P

при условии, что

суммарные мощности излучения обеих антенн одинаковы:

= Р/P

. (1.13)

Зависимость коэффициента направленного действия от угловых ко-

ординат точки наблюдения повторяет пространственную диаграмму направ-

ленности. Для направления главного излучения эта величина принимает мак-

симальное значение и очень часто под коэффициентом направленного дейст-

вия антенны понимают значение коэффициента направленного действия в

направлении главного излучения. Для направлений, отличных от направле-

ния главного излучения, величина D уменьшается, достигая значений D = 0 в

направлениях, которым соответствует нулевой уровень диаграммы направ-

ленности (ДН).

КНД антенны можно определить иначе - эта величина показывает, что

в D раз надо увеличить мощность излучения изотропной антенны по сравне-

нию с мощностью, подводимой к испытуемой антенне, чтобы получить рав-

ный

уровень мощности на выходе некоторой приемной антенны.

На практике очень часто КНД антенны выражается в децибелах:

= 10 lg D. (1.14)

Так как реальных изотропных антенн (у которых D =1) не существует,

иногда КНД вводится путем сравнения плотностей мощности излучения ис-

пытываемой антенны и полуволнового диполя, для которого D = 1,64 или

d=2,15.

Усиление антенны связано с КНД D и коэффициентом полезного дей-

ствия (КПД)

соотношением

= D

⋅

(1.15)

Помимо рассмотренных основных электрических параметров антенн

существует целый ряд дополнительных специфических параметров, как элек-

трических, так и экономических, конструктивных, эксплуатационных.

Что касается приемных антенн, то их количественные электрические

параметры такие же, как и передающих, хотя физическое объяснение дается с

точки зрения приема. Так, к примеру, диаграмма направленности приемной

антенны -

это график зависимости напряжения на входе радиоприемника от

направления прихода принимаемой электрической волны при условии, что

передатчик находится на одинаковом удалении от приемника.

Наряду с проволочными антеннами (антеннами, состоящими из про-

водов, трубок небольшого поперечного сечения по сравнению с длиной вол-

ны и продольными размерами) широкое применение находят апертурные ан-

тенны

. Иногда их называют дифракционными, рефлекторными, зеркальны-

ми. Электрические токи таких антенн протекают по проводящим поверхно-

стям, имеющим размеры, соизмеримые или много больше по сравнению с

длиной волны.

1.5 Антенно-фидерные устройства военных систем радиосвязи

При выборе антенн должны быть выполнены следующие основные

требования:

−

диапазон рабочих частот антенны должен соответствовать диапа-

зону частот радиолинии. При отсутствии антенны на весь рабочий диапазон

следует использовать несколько антенн;

−

рабочий сектор углов антенны в вертикальной плоскости должен

соответствовать углам прихода (выхода) радиоволн на радиолинии;

− азимут развертывания антенны должен соответствовать азимуту на

корреспондента в пределах ширины диаграммы направленности антенны в

горизонтальной плоскости.

Основным параметром, по которому осуществляется выбор передаю-

щей антенны, является коэффициент усиления (КУ).

Для приемных антенн помимо КУ важной характеристикой является

диаграмма направленности (ДН) антенны, характеризуемая коэффициентом

направленного действия (КНД). Оптимальной для приема является

антенна,

имеющая узкую диаграмму направленности, совпадающую с направлением

прихода радиоволн при наименьшем уровне боковых лепестков. Использова-

ние направленных приемных антенн позволяет существенно увеличить соот-

ношение между уровнями сигнала и помехи на входе приемника.

Все современные антенны по конструкции и схемам делятся на два

класса: проволочные и дифракционные.

Проволочные антенны могут

быть симметричными и несимметрич-

ными. К симметричным проволочным антеннам относятся более простые по

схеме: дипольные (симметричные вибраторы), V-образные, ромбические, ра-

мочные, ферритовые и сложные, состоящие из простых, антенные решетки:

логарифмические периодические, синфазные, антенны бегущей волны (АБВ),

антенны “волновой канал”. К несимметричным проволочным антеннам отно-

сятся: штыревые (несимметричные вибраторы), Г-образные, Т

-образпые,

зонтичные, спиральные, сложные несимметричные (Александерсена), одно-

проводные антенны бегущей волны (Беверёджа).

Дифракционных антенн известно в настоящее время шесть типов: зер-

кальные, линзовые, волноводно-рупорные, стержневые поверхностных волн

(диэлектрические), плоскостные поверхностных волн, щелевые.

Каждый из указанных типов антенн делится далее на несколько видов,

многие из которых, в свою очередь, имеют

большое число вариантов. На

практике встречаются также комбинированные антенны, представляющие

собой сочетание нескольких из указанных типов, например рупорно-

зеркальные, рупорно-линзовые и другие.

Применение находят сложные антенны из большого числа одинако-

вых элементов (антенные решетки), в качестве которых используются не

только простые проволочные антенны, а также некоторые из указанных здесь

типов дифракционных антенн: волноводы, рупоры, щелевые излучатели, ди-

электрические антенны, кроме того, антенны спиральные, “волновой канал”

и другие.

Простейшей проволочной симметричной антенной является диполь.

Эту антенну называют также симметричным вибратором (рисунок 1.16). Он

представляет собой два провода одинаковой длины, расходящиеся из точек

аа в противоположные стороны по прямой линии. Энергия высокой частоты

подводится от передатчика к диполю или от диполя к приемнику, как и в

случае других симметричных проволочных антенн, с помощью двухпровод-

ной фидерной линии. Иногда каждый провод фидера делается двойным (из

двух проводов, соединенных между собой через определенные промежутки

короткозамыкающими перемычками). Фидер из двух двойных проводов на-

зывается четырехпроводным. По схеме питания он не отличается от двух-

проводного. Если в качестве фидера у диполя или у других симметричных

проволочных антенн используется коаксиальный кабель, то между антенной

и кабелем встраивается симметрирующее устройство, которое переводит ко-

аксиальный кабель в двухпроводную линию небольшой

длины, так что непо-

средственно к симметричной антенне подводится двухпроводный фидер.

Рисунок 1.16 - Симметричный вибратор

Рисунок 1.17 - V-образная антенна

Показанная на рисунке 1.17 V-образная антенна отличается от сим-

метричного вибратора тем, что у нее два провода расходятся под углом α,

отличным от 180°.

Если провода V-образной антенны опять свести вместе под тем же уг-

лом α, а концы проводов замкнуть на специально подобранное активное со-

противление R (рисунок 1.18), то получим ромбическую антенну.

Рисунок 1.18 – Ромбическая антенна

Рамочная антенна (рисунок 1.19) также состоит из двух одинаковой

длины проводов, расположенных симметрично и образующих, как у ромби-

ческой антенны, замкнутую плоскую фигуру.

Рисунок 1.19 – Треугольная рамка

На рисунке 1.19 для определенности показана треугольная рамка.

Встречаются рамки и иной геометрической формы. В отличие от ромбиче-

ской, у рамочной антенны, во-первых, концы проводов замкнуты накоротко;

во-вторых, электрическая длина (отношение длины провода к длине волны)

мала по сравнению с электрической длиной ромбических антенн. Разновид-

ностью рамочной антенны является соленоид

, т. е. катушка из нескольких

витков. Часто применяются в качестве антенны катушки, намотанные на

ферритовом стержне. Такие антенны называются ферритовыми.

Схемы построения рассмотренных антенн достаточно просты. Отме-

тим схематически более сложные антенны: логарифмическую периодиче-

скую (рисунок 1.20), синфазную (рисунок 1.21), бегущей волны (рисунок

1.22), “волновой канал” (рисунок 1.23), - представляющие собой антенные

решетки из симметричных вибраторов. Аналогично могут быть составлены

антенные решетки из других указанных выше простых антенн. Эти четыре

типа вибраторных антенн (решеток) отличаются

между собой разным взаи-

морасположением диполей и разной системой фидерных линий, связываю-

щих вибраторы.

Рисунок 1.20 - Логарифмическая периодическая антенна

Рисунок 1.21 – Синфазная антенна

У синфазной антенны (рисунок 1.21) вибраторы располагаются в од-

ной плоскости и соединяются между собой обычно разветвляющимся фиде-

ром (есть и другие схемы соединения). У антенны бегущей волны (рисунок

1.22) вибраторы располагаются эквидистантно вдоль прямой линии и при-

соединяются к общему прямолинейному фидеру. У антенны «волновой ка-

нал» (рисунок 1.23) вибраторы располагаются также

вдоль прямой линии, но,

во-первых, не совсем эквидистантно, во-вторых, фидер присоединяется толь-

ко к одному вибратору, а остальные остаются пассивными. Вибраторы лога-

рифмической периодической антенны (см. рисунок 1.20) имеют разную дли-

ну и располагаются на разных расстояниях. Фидер в промежутке между дву-

мя вибраторами перекрещивается.

Все четыре типа многовибраторных антенн рассчитаны на питание от

одного передатчика. Наряду с этим применяются многовибраторные антенны

с автономным питанием каждого вибратора от отдельного передатчика. В

этом случае передатчики синхронизируются, чем обеспечиваются их генера-

ция на одной частоте и фазовая коррекция их колебаний.

Рисунок 1.22 – Антенна бегущей волны

Рисунок 1.23 – Антенна «волновой канал»

Простейшей несимметричной антенной является штырь ила верти-

кальный проводник. На рисунке 1.24 штыревая антенна изображена в виде

металлической мачты, установленной на изоляторе и присоединенной через

элементы настройки к жиле коаксиального кабеля. Оболочка кабеля при этом

заземляется.

Антенны Г-образная (рисунок 1.25), Т-образная (рисунок 1.26) и зон-

тичная (рисунок 1.27) состоят из вертикального проводника, называемого

снижением, и сети присоединенных к нему горизонтальных (Г- и Т-

образных) или наклонных (зонтичных) проводов.