Первичные параметры передающих антенн

Назначение и классификация антенн

Основные характеристики и параметры антенн

Антенны

Антенна является необходимой частью любой радиотехнической системы. Антенны соединяются с радиопередатчиком через фидеры (линии передачи), а в некоторых случаях - непосредственно. Совокупность антенны и всех звеньев фидера называется антенно-фидерным устройством или антенно-фидерным трактом, а если они очень сложны по выполняемым функциям и структуре, то их по праву называют антенно-фидерными системами.

Передающая часть радиоканала состоит из радиопередатчика, передающего фидера и передающей антенны. Передатчик предназначен для получения достаточно мощного радиосигнала в виде тока высокой (несущей) частоты, модулированного управляющим сигналом. Радиосигнал поступает в фидер и распространяется по нему в форме направляемых электромагнитных волн. Передающая антенна преобразует их в свободные электромагнитные волны, т. е. излучает в свободное пространство.

На приемном конце радиолинии происходит обратный процесс: свободно распространяемые электромагнитные волны попадают в зону действия приемной антенны, и принятый радиосигнал передается по приемному фидеру в форме направляемых радиоволн. На входе приемника эти волны вызывают модулированный ток, который не отличается по частоте и форме от тока на выходе передатчика. Приемник усиливает и демодулирует (детектирует) поступивший радиосигнал, в результате выделяется управляющий сигнал, а содержащаяся в управляющем сигнале информация воспроизводится оконечным устройством (телефоном, громкоговорителем, электронно-лучевой трубкой и т.п.).

Итак, передающий антенно-фидерный тракт предназначен для
преобразования энергии модулированных токов высокой частоты в
энергию свободных электромагнитных волн, а приемный – для обратного преобразования энергии, и при этом важно избежать искажения
передаваемой информации.

Антенны классифицируют по многим признакам и параметрам, а именно:

1. Направленность излучения и приема. По этому признаку различают: слабонаправленные антенны, линейные размеры которых либо много меньше длины волны излучаемых (принимаемых) волн, либо соизмеримы с ней; умеренно направленные антенны, размеры которых порядка единиц длин волн; остронаправленные антенны, размеры которых порядка десятков длин волн.

2. Принцип действия и конструктивное выполнение антенны. Любая антенна содержит вполне определенные конструктивные элементы (проводники, отверстия, щели замедляющие структуры и др.), которые излучают электромагнитные волны при условии, что эти элементы обтекаются токами проводимости или смещения достаточно высокой частоты. В связи с этим различают:

Проволочные и штыревые антенны, применяемые в основном на километровых, гектометровых и декаметровых волнах. В линейной проволочной антенне, показанной на рисунке 7.1, а, излучающим элементом служит вертикальный провод (1), с присоединенным к нему горизонтальным проводом (2), который через изоляторы (3) подвешивается к мачтам (4). Ток, вызываемый высокочастотным генератором передатчика (5), замыкается по цепи: провода (1,2), воздушная среда (ток смещения, показанный штриховыми линиями), почва и заземление (6), выполненное в виде системы проводов, закрытых на уровне грунтовых вод. Заземление уменьшает электрическое сопротивление цепи и этим способствует увеличению тока антенны и мощности излучаемых волн.

Рисунок 7.1 – Антенны: а – линейная проволочная; б – поверхностных волн; в – щелевая; г – рупорные; д – параболическая зеркальная; е – антенная решетка; ж) линзовая

Щелевые антенны состоят из щелей, прорезанных в металлических экранах или в стенках волноводов, и используются на дециметровых и сантиметровых волнах. Щели излучают при пересечении их токами смещения (рисунок 7.1, в).

Антенны поверхностных (или вытекающих) волн, где излучение во внешнее пространство происходит в результате замедленного или
ускоренного распространения волны по поверхности антенны. Примером может служить диэлектрический стержень1 (рисунок 7.1, б), обтекаемый бегущей волной высокочастотного тока, который поступает от передатчика через линию передачи (2).

Апертурные антенны – это антенны, в которых излучение происходит с большой, по сравнению с квадратом длины волны, площади (апертуры). Это может быть открытое отверстие металлического волновода (рисунок 7.1, в), раскрыв металлических рупоров (рисунок 7.1, г), параболического зеркала (рисунок 7.1, д) или линзы (рисунок 7.1, ж). Волноводные и рупорные антенны являются аналогами излучателей акустического типа, а зеркальные и линзовые – оптического.

Многоэлементные антенны – антенные решетки. Излучающими элементами здесь служат слабонаправленные антенны. Простейшая антенная решетка из диэлектрических стержней показана на рисунке 7.1, б. Схема построения проходной фазированной антенной решетки (ФАР) с пространственным возбуждением показана на рисунке 7.1, е., на котором 1–первичный облучатель; 2 – фронт волны от первичного облучателя; 3 – приемные элементы ФАР; 4 – проходные фазовращатели;5 – излучающие элементы ФАР;6– фронт волны.

3. Характер сканирования, т. е. перемещения луча в пространстве. В не сканирующих антеннах луч занимает фиксированное положение, а в сканирующих можно управлять его пространственным положением. Сканирующие антенны, как правило, остронаправленные. Они применяются в радиолокации, космической радиосвязи и радиоастрономии. По мере развития этих и других перспективных направлений современной радиотехники области применения сканирующих антенн все более расширяются и конструкции их непрерывно совершенствуются и становятся все более разнообразными.

Возможно механическое, электромеханическое и электрическое (фазовое и частотное) сканирование.

Механическое сканирование осуществляется вращением всей антенны. Электромеханическое сканирование производится перемещением какой-то части антенны, а остальная (более массивная) часть ее остается неподвижной. При электрическом сканировании вся антенна неподвижна, а луч перемещается в результате изменения амплитудно-фазового распределения токов или полей возбуждения излучателей антенны.

Фазовое сканирование успешно реализуется при помощи фазированных антенных решеток (ФАР) с фазовращателями в качестве элементов управления. Частотное сканирование основано на дисперсии волн в системе возбуждения элементов антенны, оно требует применения перестраиваемых по частоте передатчика и приемника и такой фидерной системы, по которой волны передаются с замедлением, резко зависящим от частоты.

К числу последних достижений антенной техники относятся активные фазированные антенные решетки (АФАР). Элементами АФАР являются не одиночные излучатели, а модули, в состав которых кроме 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.

4. Второстепенные признаки классификации антенн:

- область применения – по этому признаку антенны разделяются на связные, радиовещательные, телевизионные, радиолокационные радионавигацион-ные, для радиотелескопов и т. д.;

- место размещения антенны: на земле (наземные), на борту морского корабля (судовые), летательного аппарата (самолетные, космические) и т. д.;

- диапазон волн, в котором используется антенна. Выбор рабочей частоты связан, в частности, с требуемой полосой пропускания . Обычно полосу пропускания выражают в процентах от ее средней частоты f₀. Антенна считается узкополосной (резонансной), если <10%; широкополосной, если 10%< <100% и сверхширокополосной, если полоса порядка октавы и больше;

- режим работы антенны. Здесь имеется в виду разделение антенн
на передающие, приемные и совмещенные, т. е. работающие попеременно: то как передающие, то как приемные. Это возможно потому, что для антенн справедлив принцип взаимности (при передаче они трансформируют направляемые электромагнитные волны в свободные, а при приеме – наоборот, причем параметры и характеристики антенны в обоих режимах одинаковы). В соответствии с этим принципом достаточно изучать только передающие антенны, а при необходимости отмечать особенности приемных антенн.

Можно и на других примерах показать, что перечисленные признаки – второстепенные. Скажем, проволочные линейные антенны используются преимущественно на низких радиочастотах, но они применяются и на более высоких частотах, вплоть до сантиметровых волн. Или к самолетным антеннам относятся и проволочные, и щелевые, и антенны поверхностных волн, и апертурные, и антенные решетки. В дальнейшем будем придерживаться в основном наиболее характерного признака классификации антенн - принципа действий и геометрии излучающей структуры.

Параметры антенн можно делить на первичные и вторичные. Зависимость тех и других от частоты определяет частотный диапазон антенны.

Первичные параметры антенны - сопротивления излучения и потерь и выраженный через них КПД применяются, как правило, при исследовании слабонаправленных антенн: проволочных, штыревых и щелевых.

Сопротивление излучения связано по смыслу с мощностью излучения антенны , т. е. со средним значением плотности потока мощности, проходящего сквозь сферу, окружающую антенну. Так как мощность излучения активная (она не возвращается в передающую антенну и передатчик), то ее можно выразить через активное сопротивление, называемое сопротивлением излучения,

, (7.1)

где I — действующее значение тока в антенне.

Например, для диполя Герца мощность излучения равна

, (7.2)

где действующее значение тока в вибраторе.

Коэффициент пропорциональности между и I² является сопротивлением излучения.

, (7.3)

Причем R _Σ выражено в омах, а l и - в одинаковых единицах длины. Как видно, сопротивление излучения элементарного вибратора пропорционально квадрату отношения длины вибратора к длине волны. Это показывает также, что сопротивление излучения является параметром антенны, чего нельзя сказать о мощности излучения, которая зависит не только от качества антенны, но и от тока в ней.

Наряду с полезной мощностью имеется некоторая мощность, которая теряется на нагрев проводов, в изоляторах, в земле и в предметах, расположенных вблизи антенны. Этой мощности потерь Р_п соответствует активное сопротивление, называемое сопротивлением потерь:

, (7.4)

Заметим что параметры и характерны для проволочных антенн.

В большинстве антенн ток I распределяется неравномерно. Примером может служить симметричный вибратор, который представляется как спрямленная разомкнутая двухпроводная линия.

Представим этот вибратор в виде элементарных индуктивностей 1-1’, 2-2’, 3-3’, …, распределенных вдоль провода, и емкостей С⁽¹⁾, С⁽²⁾, С⁽³⁾,..., распределенных между симметричными участками провода (рисунок 7.2, а).

Переменное напряжение, приложенное к входным клеммам антенны, вызывает в индуктивностях токи проводимости, а в емкостях токи
смещения. При длине вибратора l ≤ /2 токи, возникающие на любом элементарном участке антенны, обязательно проходят через зажимы генератора и индуктивности 1-1'; через индуктивности 2-2`, уже проходит меньший ток, так как в эту цепь не попадает емкостный ток участка 1-1’; через индуктивности 3-3' не замыкаются токи смещения не только участка 1-1', но и участка 2-2' и т.д. Таким образом, амплитуда тока проводимости I_m уменьшается от середины к концам
вибратора от максимума до нуля (рисунке 7.2, б).

Рисунок 7.2 – Распределение тока в симметричном вибраторе

Рисунок 7.3 – Распределение тока в несимметричном вибраторе

Ток распределен неравномерно и в несимметричном вибраторе (рисунок 7.3). В нем земля как бы заменяет нижнюю половину симметричного вибратора, но это полностью справедливо только при идеальной проводимости земли. Суммируя элементарные токи смещения, убеждаемся, что при длине (высоте) вибратора h≤ λ/4 амплитуда тока проводимости I_m максимальна у заземления и равна нулю на открытом конце антенны.

Все это говорит о том, что, вычисляя по формулам (7.1), (7.4) сопротивления излучения и потерь , следует учитывать, к какому сечению антенны они отнесены. Обычно отсчет производится по току в пучности или на входных клеммах антенны.

КПД антенны — это отношение мощности излучения ко всей активной мощности, подводимой к антенне:

. (7.5)

Заметим, что названо сопротивлением лишь по своей размерности (омы), фактически же это коэффициент пропорциональности между полезной мощностью излучения Р_Σ и квадратом тока I в антенне, тогда как сопротивление потерь эквивалентно резистору, который при токе I поглощает мощность P_П. Вот почему КПД антенны тем выше, чем больше сопротивление излучения и меньше сопротивление потерь.

Входное сопротивление антенны – это сопротивление нагрузки для генератора, питающего антенну. Генератор расходует мощность на создание электромагнитного поля излучения () и компенсацию потерь в антенне (Р_П). Кроме того, когда нет резонанса в антенне, в ее ближней зоне энергия электрического поля превышает анергию магнитного или наоборот, и избыточное поле соответствует реактивной мощности генератора Р_х.

Значит, в общем случае входное сопротивление антенны комплексное . Оно определяется как отношение напряжения на зажимах антенны к протекающему через них току или как частное от деления на мощности Р_А, подводимой к антенне. Так как эта мощность складывается из активных мощностей излучения Р _Σи потерь Р_П и мощности реактивных полей антенны Р_х, то

, (7.6)

где R_вхА – активная составляющая входного сопротивления, равная сумме сопротивлений излучения и потерь, отнесенных к входным клеммам антенны(R_вхА = );

Х_вхА – реактивная составляющая входного сопротивления, соответствующая мощности реактивных полей вокруг антенны Р_х.

При резонансе Р_х=0, а следовательно, Х_вхА = Р_х / = 0 и входное сопротивление антенны активное: .

Предельно пропускаемая мощность Р_Адоп. Если мощность Р_А, подводимая к антенне, больше допустимой Р_Адоп, то напряженность электрического поля в фидере или вблизи антенны превышает критическое значение. Газовый разряд, происходящий при таком перенапряжении, связан с непрерывной затратой энергии на ионизацию и рекомбинацию (восстановление) молекул воздуха. Это способствует пробою диэлектриков и проводов антенны и уменьшает ее КПД.

Дата добавления: 2017-02-01