Антенно-фидерные устройства

Основные понятия и определения. Антенной называется устройство, предназначенное для излучения или приема электро­магнитных волн. Антенна является необходимым элементом любо­го радиопередающего и радиоприемного устройства. Антенна ра­диопередатчика, или передающая антенна, предназначена для преобразования тока высокой частоты в энергию излучаемых ею электромагнитных волн. Приемная антенна, или антенна радио­приемника, улавливает электромагнитные волны и преобразует их в энергию высокочастотных колебаний.

Радиоканал, состоящий из передающей антенны, тракта распро­странения и приемной антенны, можно рассматривать как пассив­ный линейный четырехполюсник. Если в таком четырехполюснике поменять местами источник ЭДС и нагрузку, т.е. сделать приемную антенну передающей, а передающую - приемной, то параметры системы не изменятся. Это свойство пассивных линейных четырех­полюсников называется принципом взаимности, из которого выте­кает обратимость процессов приема и передачи. Обратимость антенн позволяет одновременно использовать одну и ту же антен­ну в качестве передающей и приемной, что существенно повышает технико-экономические показатели систем радиосвязи, особенно в системах мобильной радиосвязи, где передающие и приемные устройства имеют общую антенну для передачи и приема.

Совокупность устройств, с помощью которых энергия радиочас­тот подводится от радиопередатчика к антенне и от антенны к радиоприемнику, называется фидерным трактом, или фидером. Конструкция фидера зависит от диапазона передаваемых по нему частот.

Все антенны можно разделить на две большие группы: излучаю­щие провода и излучающие поверхности. В системах радиосвязи, работающих на частотах до 1 ГГц, в качестве антенн используются излучающие провода; на более высоких - излучающие поверхности.

Принципы действия и построения антенн. Принцип работы антенн на основе излучающих проводов заключается в следующем. Если к двум близко и параллельно расположенным проводам, представляющим длинную линию, подключить генератор высокочастотных колебаний, то поля двух одинаковых по значению, но противоположно направленных токов взаимно компенсируются и излучение энергии в окружающее пространство не проис­ходит. При создании антенны ставится противоположная задача: получение возможно большего излучения. Для этого можно использовать ту же длинную линию, но раздвинув ее провода на некоторый угол, в результате чего их поля не будут компенсировать друг друга. На этом основана работа V-образных и ромбических антенн, излучающие провода которых расположены под острым углом один к другому (рис. 10, а, б), и симметричного вибратора, получающегося при разведении проводов на 180° (рис. 10, в).

Компенсирующее действие одного из проводов фидера можно устра­нить, исключив его из системы. Это приводит к получению несимметрично­го вибратора (рис. 11, а) и на их основе несимметричных антенн: Г-образных и Т-образных (рис. 11,6, в).

Рис. 10. Симметричные антенны

Рис. 11. Несимметричные антенны

Фидер излучает, если соседние участки его двух проводов обтекаются токами, совпадающими по фазе, поля которых усиливают друг друга. Антенны, реализуемые на этом эффекте, называются синфазными, и они получили самое широкое распространение.

Фидер будет излучать, если расстояние между проводами по некоторым направлениям приобретает значительную разность хода. Можно так подоб­рать расстояние между проводами, что по некоторым направлениям про­изойдет сложение волн от обоих проводов. Антенны, работающие на этом явлении, называются противофазными.

Рассмотрим более подробно принцип работы симметричного вибратора, входящего в состав многих антенн. Симметричный вибратор можно пред­ставить как длинную линию, разомкнутую на конце, провода которой раз­двинуты на 180°.

Антенну на основе симметричного вибратора называют диполем, при­чем в зависимости от общей длины различают полуволновый диполь и одноволновый диполь. Наиболее часто встречаются полуволновые диполи, размер каждого плеча которого равен /4, а всего диполя - 0,5. Устройст­во такого диполя показано на рис. 12, а.

Рис. 12. Симметричный вибратор и распределение тока и напряжения

Распределение тока и напряжения вдоль вибратора подобно распреде­лению в длинной линии, разомкнутой на конце. Пучность тока и узел на­пряжения получаются в середине вибратора, в месте подсоединения к нему генератора или питающего фидера. На концах вибратора, напротив, нахо­дятся узел тока и пучность напряжения.

Предположим, что полярность источника ЭДС такая, как на рис. 12, б. По проводам проходит ток /, заряжающий конденсатор, образованный плечами вибратора. Одновременно возникает магнитное поле Н. После того как ток /, достигнув максимума, начинает падать, уменьшаясь до нуля, в плечах диполя остаются заряды, отмеченные на рисунке плюсами и минусами. Между плечами возникает электрическое поле Е, которое пока­зано штриховой линией (в данном случае линии поля даны только между концами вибратора). Поскольку ток равен нулю, магнитное поле около диполя исчезает, а ранее образовавшаяся его волна продолжает распро­страняться в пространстве.

Далее процесс повторяется, но уже в обратном порядке. Так как поляр­ность питающего напряжения меняется, ток будет протекать в обратном направлении. Заряды, накопленные на проводах, будут стекать, и плечи диполя перезаряжаются, т.е. возникает поле E обратного направления. Отодвинувшиеся от вибратора силовые линии первоначального электриче­ского поля теперь не заканчиваются на вибраторе, а замыкаются где-то в пространстве, как показано на рис. 12, в.

Ранее образовавшееся магнитное поле совместно с электрическим от­ходит все далее от вибратора, распространяясь в пространстве. Затем в проводах появляется ток, как и в начале процесса, и т. д.

Излучение полуволнового диполя максимально в экваториальной плос­кости, т.е. в плоскости, перпендикулярной оси диполя и проходящей через его середину. Излучение в осевых направлениях отсутствует. Волны, создаваемые такими антеннами, имеют сферический фронт.

Если полуволновый вибратор расположить вертикально, его размер можно уменьшить вдвое благодаря проводящим свойствам земли. При вертикальном расположении нижний конец антенны подключается к одному из зажимов генератора электромагнитных колебаний (рис. 13, а), второй зажим генератора при этом заземляется. Если предположить, что земля является идеальным проводником, то в ней наводится ЭДС, которая дейст­вует как зеркальное изображение основного вибратора (рис. 13, б). Такая антенна называется несимметричной антенной, ее высота приблизительно равна Л/А. Все сказанное справедливо только в том случае, когда земля представляет собой идеальный проводник. Когда же земля обладает плохими проводящими свойствами, характер распределения тока в земной поверхности изменяется. Особенно большое значение имеет сопротивле­ние земли вблизи основания антенны. Для улучшения проводимости этого участка применяют металлизацию земли путем закапывания в нее метал­лических листов, проводов, путем улучшения химического состава почвы, пропитывая ее различными солями.

Рис. 13. Несимметричный четвертьволновой вибратор

Опыт показывает, что нет надобности осуществлять полную металлиза­цию земли, достаточно хорошо работает система радиальных расходящих­ся проводов, закопанных в землю на глубину 20...50 см. Качество металли­зации улучшается, если радиальные провода соединяются между собой перемычками. Часто заземление заменяют системой проводов, не зарытых, а поднятых над Землей, называемой противовесом. Последний должен достаточно хорошо экранировать антенный провод от Земли, играя роль хорошо проводящей поверхности. Он обычно дает худшие результаты, но на передвижных радиостанциях является единственным выходом из поло­жения. Обычно в качестве противовеса используется корпус автомобиля, на котором располагается радиостанция. Таким же образом поступают при необходимости установки радиостанции на каменистом грунте.

Основные характеристики и параметры антенн. Излучающая мощность (Р_u) - мощность электромагнитных волн, излучаемых антенной в свободное пространство. Это активная мощность, так как она рассеивается в пространстве, окружающем антенну. Следо­вательно, излучаемую мощность можно выразить через активное сопротивление, называемое сопротивлением излучения

где I_а- эффективный ток на входе антенны.

Сопротивление излучения характеризует способность антенны к излучению электромагнитной энергии и качество антенны в большей степени, чем излучаемая ею мощность, поскольку последняя зависит не только от свойства антенны, но и от создаваемого в ней тока.

Мощность потерь (Р_n) - мощность, бесполезно теряемая пере­датчиком во время прохождения тока по проводам антенны, в земле и предметах, расположенных вблизи антенны. Эта мощность также является активной и может быть выражена через активное сопро­тивление антенны, называемое сопротивлением потерь

Мощность в антенне (Р_а) - мощность, подводимая к антенне от передатчика. Эту мощность можно представить в виде суммы излу­чаемой мощности и мощности потерь Р_а = Р_и + Р_n.

Коэффициент полезного действия (КПД) антенны, равный

Входное сопротивление антенны - сопротивление на входных зажимах антенны. Оно имеет реактивную и активную составляющие. При настройке в резонанс антенна представляет для генератора чисто активную нагрузку и используется наиболее эффективно.

Направленность антенны - способность излучать электромаг­нитные волны в определенных направлениях. Об этом свойстве антенны судят по диаграмме направленности, которая графически показывает зависимость напряженности поля или излучаемой мощ­ности от направления. Обычно пользуются нормированными диа­граммами направленности, для которых величины, характеризующие напряженность поля или мощность излучения, выражены не в абсо­лютных значениях, а ограничиваются диаграммами направленности в двух плоскостях: горизонтальной и вертикальной.

На рис. 14, а показана диаграмма направленности симметрично­го вибратора в горизонтальной плоскости, а на рис. 14, б и в - в вертикальной плоскости в полярной и прямоугольной системах координат соответственно.

Шириной диаграммы направленности называют угол 20 (см. рис. 14, б, в), в пределах которого мощность излучения уменьшается более чем в 2 раза по сравнению с мощностью в направлении максимального излучения. Так как мощность пропорциональна квадрату напряженности поля, то границы угла раскрыва диаграм­мы направленности определяются величиной от напряженности поля в направлении максимального излучения.

Рис. 14. Диаграмма направленности симметричного вертикального вибратора

Направление максимального излучения антенны называется главным направлением (см. рис. 14, в), а соответствующий ему лепесток - главным. Остальные лепестки являются боковыми.

Коэффициент направленного действия (D) представляет отно­шение плотности потока мощности П_и, излучаемой данной антенной в определенном направлении, к плотности потока мощности /7_н, которая излучалась бы абсолютно ненаправленной в любом на­правлении при условии равенства общей излучаемой мощности в обеих антеннах. Наибольшей интерес представляет коэффициент направленного действия в направлении максимального излучения:

Поскольку коэффициент направленного действия (КНД) не учи­тывает коэффициент полезного действия (КПД) реальной антенны, на практике пользуются параметром, называемым коэффициентом усиления (КУ), который связан с КНД соотношением G = D rj. Коэф­фициент усиления показывает, во сколько раз следует уменьшить мощность, подводимую к антеннам по сравнению с мощностью, подводимой к точечной (абсолютно ненаправленной), КПД которой считается равным единице, чтобы напряженность поля в точке приема оставалась неизменной. КУ дает полную характеристику антенны: он учитывает, с одной стороны, концентрацию энергии в определенном направлении благодаря направленным свойствам антенны, а с другой - уменьшение излучения вследствие потерь мощности в антенне.

Преимущественное излучение антенн в заданном направлении эквивалентно увеличению мощности передатчика. Следовательно, направленность передающей антенны весьма желательна.

Полосой пропускания антенны, или ее рабочим диапазоном, на­зывается интервал частот, в котором ширина главного лепестка диаграммы направленности и уровни боковых лепестков не выходят из заданных пределов, коэффициент усиления остается достаточно высоким, а согласование с фидерным трактом существенно не ухудшается. Так, в сантиметровом диапазоне волн полоса пропус­кания антенны 15...20 % от средней частоты.

Для снижения переходных шумов в каналах из-за наличия попут­ного потока в антенно-фидерном тракте (АФТ) коэффициент отра­жения в точке соединения антенны с фидером должен быть мал. В современных АФТ стараются получить коэффициент стоячей волны ниже 1,1... 1,2.

Коэффициент защитного действия (КЗД) вводится для харак­теристики степени ослабления антенной сигналов, принятых с побочных направлений, и определяется по формуле где G_max и G_поб - коэффициенты усиления антенны в направлении главного лепестка диаграммы направленности и в побочном на­правлении. КЗД очень важен для обеспечения электромагнитной совместимости различных систем радиосвязи.

Антенны метровых, дециметровых и сантиметровых волн. В диапазоне этих волн преимущественно используются ан­тенны, обладающие направленными свойствами хотя бы в одной плоскости. При малой длине волны такие антенны получаются достаточно компактными, что дает возможность делать их вра­щающимися и тем самым достигать значительного выигрыша в мощности и снижения взаимных помех радиостанций, осуществле­ния связи по любым желаемым направлениям.

В диапазоне метровых волн наиболее часто используются раз­личные симметричные и несимметричные вибраторы.

В технике телевизионного приема самое широкое применение находит петлевой вибратор Пистолькорса (рис. 15). Этот вибратор можно рассмат­ривать как два полуволновых синфазных вибратора, расположенных на малом расстоянии друг от друга. В точке с вибратора располагается пуч­ность тока и узел напряжения, что соответствует режиму короткого замыка­ния. В точках b и d, отстоящих от с на 0,25, образуется узел тока и пуч­ность напряжения. На зажимах антенны / и е возникает пучность тока.

Наличие узла напряжения в точке с позволяет крепить вибратор в этой точке к стреле или мачте непосредственно без изолятора.

Рис. 15. Петлевой вибратор Пистолькорса (а) и его диаграмма направленности (б)

Антенны на основе дипольного и петлевого вибраторов обычно могут обеспечить качественный прием телевизионных сигналов на сравнительно небольших расстояниях от телецентра, так как они являются слабонаправ­ленными (рис. 15). Для приема на большие расстояния или при неудовле­творительных условиях приема на малые расстояния применяются более сложные антенны, имеющие лучшую направленность.

В диапазоне метровых волн в качестве направленных антенн большое распространение получили антенны типа «волновой канал». Антенна этого типа (рис. 16), состоит из активного вибратора А, рефлектора Р и несколь­ких директоров Д1, Д2 и ДЗ. Из приведенной на рис. 16, б диаграммы направленности видно, что коэффициент усиления этой антенны довольно высок, и она не будет реагировать на помехи с других направлений.

Рис. 16. Антенна типа «волновой канал» (а; и ее диаграмма направ­ленности (б)

Рис. 17. Рупорная антенна

Рис. 18. Зеркальная параболическая антенна

Рис. 19. Рупорно-параболическая антенна

Рис. 20. Перископическая антенна

Антенна этого типа может работать и как передающая антенна. Актив­ный вибратор А в этом случае излучает электромагнитное поле как в направлении рефлектора, так и в направлении директоров. Под воздей­ствием этого поля в рефлекторе наводится ток, который создает вторичное поле - поле излучения рефлектора. Если длину рефлектора выбрать равной (0,51...0,53), а расстояние между рефлектором и активным вибра­тором (0,15...0,25), то вторичное поле, созданное рефлектором, будет опережать по фазе поле активного вибратора на угол около 90°. Результирующее поле за рефлектором будет равно разности напряженностей полей, созданных активным вибратором и рефлектором. В главном направлении -направлении директоров и далее - поле от активного вибратора и рефлек­тора будет складываться в одной фазе и результирующее поле увеличится. В реальной антенне опережение фазы тока в рефлекторе несколько отли­чается от 90°, а амплитуда тока в рефлекторе несколько меньше, чем в активном вибраторе. Поэтому некоторая часть энергии излучается антен­ной за рефлектор.

Директоры антенны возбуждаются результирующим полем активного вибратора и рефлектора. Для того чтобы вторичное поле директоров повышало напряженность поля в главном направлении, наведенные в них токи должны отставать по фазе от тока активного вибратора. Это достига­ется соответствующим выбором длин директоров и их взаимным располо­жением. Длины директоров выбирают равными (0,41...0,45). Расстояние между директорами и первым директором и активным вибратором выбира­ют равным (0,1...0,34).С уменьшением расстояний между активным и пассивным вибраторами ток в пассивных вибраторах увеличивается, но при этом за счет влияния последних сильно уменьшается входное сопротивле­ние активного вибратора. Для облегчения согласования антенны с фиде­ром активный вибратор часто выполняют петлевым.

Свойствами антенны обладает и открытый конец волновода. Так как от­крытый волновод плохо согласован со свободным пространством, то значи­тельная часть электромагнитной энергии отражается от его конца и возвраща­ется обратно к источнику (коэффициент отражения не менее 0,25...0,3).

Для улучшения согласования волновода со свободным пространством и создания более направленного излучения применяются рупорные антен­ны, которые образуются плавным увеличением размеров поперечного сечения волновода с помощью рупора (рис. 17). В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн широко применяются антенны такого типа.

Направленность рупорной антенны увеличивается с ростом площади раскрыва рупора. В качестве самостоятельных антенн рупоры применяются редко, но часто входят в конструкцию многих более сложных антенн. Одной из них является зеркальная параболическая рефлекторная антенна (рис. 18), где роль отражателя выполняет металлическое зеркало, имеющее форму параболоида вращения или параболического цилиндра. При этом антенна излучает почти параллельный пучок лучей. Коэффициент направ­ленного действия таких антенн очень высок и достигает 10⁴.

Недостаток рассмотренной антенны состоит в том, что часть энергии, отраженной от зеркала, попадает обратно через рупор в волновод. Это снижает эффективность передачи энергии и приводит к искажениям передаваемого сигнала. От этого недостатка свободна рупорно-параболическая антенна (рис. 19).

Из волновода 1 высокочастотная энергия поступает в пирамидальный рупор 2, являющийся облучателем сегмента параболоида вращения 3. Излученные антенной волны получаются плоскими, так как фазовый центр рупора, расположенный в его вершине, находится в фокусе параболоида. Для хорошего согласования рупора с волноводом угол раскрыва а выбира­ется равным 30...40^е, а длина рупора I = 50,. Коэффициент усиления антенны растет с возрастанием площади раскрыва антенны S. При площа­ди раскрыва 6...8 м² коэффициент усиления равен 10⁴. В это случае шири­на диаграммы направленности равна примерно 2 как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.

Разновидностью зеркальных антенн являются перископические антенны (рис. 20), позволяющие при помощи зеркал передавать высокочастотную энергию на вершину башни без линии или волновода. Поступающая от передатчика энергия излучается рупорной антенной в сторону эллипсоид­ного зеркала 3, расположенного у подножия мачты под углом 45° к горизон­ту. Зеркало отражает падающие на него волны перпендикулярно вверх на плоское зеркало, установленное на вершине мачты под углом 45°. Вторым зеркалом волны отражаются в нужном направлении. Коэффициент полез­ного действия передачи энергии в перископической антенне - около 50 %, что выше, чем, если бы энергия подавалась наверх по волноводу.

Вопросы и задачи для самоконтроля

1. Классификация диапазона радиочастот.

2. Назовите основные элементы многоканальной радиосистемы пе­редачи и укажите их назначение.

3. Принципы классификации радиосистем передачи.

4. Назовите основные схемы организации радиосвязи и радиосетей, их классификация.

5. Назовите основные элементы радиоретранслятора и укажите их назначение.

6. Укажите основные признаки классификации радиосистем передачи.

7. Физическая сущность дифракции и интерференции радиоволн.

8. Атмосфера Земли и ее основные сферы.

9. Особенности распространения ультракоротких волн.

10. Высота расположения передающей антенны телецентра равна 110 м, расстояние до пункта приема телевизионного сигнала равна 250 км. Определить необходимую высоту установки приемной антенны.

11. Назовите основные параметры и характеристики антенн и поясните их физическую сущность.