Характеристики антенн

 

                                               УБЛ = (E_{макс. бок.} /E_{макс. гл.})·100 %,                                              (7) 

 
При конструировании антенн уровни боковых и задних лепестков стремятся  свести к минимуму, чтобы улучшить помехозащищенность антенн.

Входное сопротивление антенны характеризует ее импедансные (импеданс – комплексное сопротивление) свойства в точке питания (в месте подсоединения фидера) и равно отношению напряжения к току на входе фидера. В общем случае входное сопротивление антенны Z_вх содержит резистивную R_вх и реактивную X_вх (емкостную или индуктивную) составляющие:

 

   Z_вх = R_вх + X_вх ,                                                             (8)

 

Чем меньше реактивная составляющая Х_вх и чем ближе R_вх к волновому сопротивлению фидера линии, тем лучше антенна согласована. Невыполнение условия согласования приводит к появлению многократных отражений сигналов в антенном кабеле, проявляющихся в виде повторных, сдвинутых по горизонтали изображений на экране телевизора и частичной потере мощности принимаемых сигналов в фидере.

Для уменьшения потери мощности антенну необходимо настроить в  резонанс с частотой принимаемых  каналов. В случае если антенна работает в широком диапазоне ТВ каналов, ее следует настраивать на среднюю частоту диапазона. Практически настройка сводится к подбору геометрических размеров и элементов антенны, а также расположения клемм, к которым подводится фидерная линия. Резонанс антенны достигается в том случае, когда по длине вибратора укладывается целое число полуволн. Если число полуволн, укладывающихся вдоль вибратора, нечетное (λ/2, 3λ/2 и т. д.), то входное сопротивление мало (от 73 Ом при длине вибратора λ/2 до 120 Ом при большем числе полуволн). Если же число полуволн четное (λ, 2λ, 3λ и т. д.), то входное сопротивление велико (от 400–500 Ом до 1–2 кОм в зависимости от диаметра проводников).

На частотах ниже резонансной  реактивная составляющая имеет емкостный, а на частотах выше резонансной –  индуктивный характер. 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.

Коэффициент бегущей  волны (КБВ) показывает степень согласования приемной антенны с фидером (кабелем) снижения. Он численно равен отношению минимального напряжения (узел) линии к максимальному напряжению (пучность), которые имели бы место при измерении вдоль фидера при работе антенны в режиме передачи:

 
                                                              КБВ = U_min /U_{max ,}                                                                                   (9)            

Выражается  КБВ в относительных единицах: чем больше значение КБВ, тем эффективнее  передача сигнала от антенны к  телевизору. Полное согласование будет  в том случае, когда сопротивление антенны R_a и волновое сопротивление фидера R_ф равны (R_a = R_ф). При чисто бегущей волне ток и напряжение по длине фидера не имеют ни минимума, ни максимума, а КБВ равен единице. Такой режим согласования практически получить трудно, вполне достаточно считать КБВ>0,5, что соответствует снижению мощности принимаемого сигнала до 10 %. Чем выше значение КБВ (в антеннах различных конструкций находится в пределах 0,25-0,6), тем эффективнее передача сигнала от антенны к телевизору и выше качество приема. [2,3,4]

 

Коэффициент стоячей волны (КСВ) – величина, обратная КБВ:

 
     КСВ = 1/КБВ,                                                                     (10)

 

Коэффициент отражения представляет собой отношение амплитуды отраженной волны к амплитуде падающей волны:

 
     |P| = |U_отр./U_пад.|,                                                                  (11)

 

Действующая (эффективная) длина антенны характеризует способность приемной антенны извлекать электромагнитную энергию из окружающего пространства и определяется отношением ЭДС, наведенной в антенне, к напряженности электрического поля в месте расположения приемной антенны:

 

                                     l_д = U/E,                                                                          (12)

 

где U – значение ЭДС на зажимах антенны, мВ;

    Е – напряженность электрического поля в месте приема, мВ/м.

 

Действующая длина  антенны (l_д в метрах) связана с коэффициентом усиления и входным сопротивлением антенны следующим образом:

 

       l_д = (λ/π)√G⋅R_a /73,1 ,                                                           (13)

 

где λ – средняя длина волны, м;

      G – коэффициент усиления антенны;

      R_a – сопротивление антенны, Ом;

      π = 3,14.

 

Действующая длина полуволнового вибратора при G = 1, R = 73,1 Ом равна:

 

l_д = λ/π = 0,32λ ,                                                            (14)

 

Напряжение  на выходе антенны, согласованной с  приемником, определяется следующим  образом:

 

    U = l_д⋅E/2 ,                                                                   (15)

 

где U – значение ЭДС на выходе антенны, мкВ

      Е – напряженность электрического поля в месте приема, мкВ/м

Обычно понятие  действующей длины вводят для вибраторов с длиной плеча l < 0,7λ

 

 

 

2.2.Основные параметры приемных антенн.

 

Большинство рассмотренных  выше параметров передающих антенн можно использовать и для характеристики антенн, используемых в качестве приемных, но при этом некоторые параметры несколько изменят свой физический смысл.

Среди параметров, характеризующих приемные антенны, важнейшим является эффективная площадь антенны "А", позволяющая оценивать способность приемной антенны извлекать энергию из поля электромагнитной волны.

Эффективной площадью антенны "А" называют отношение  максимальной мощности, отдаваемой приемной антенной (без потерь) в согласованную нагрузку к величине вектора Пойнтинга "П" приходящей плоской волны:

 

А=Pпрmax/П,                                                                                (16)

 

С физической точки  зрения эффективная площадь антенны  представляет собой некоторую, соответствующую данной антенне, площадку (перпендикулярную направлению прихода ЭМВ) поглощающую всю энергию падающей на нее волны. [3,4,5]

Между эффективной  площадью А и коэффициентом усиления антенны G существует простая связь:

 

 

   А=Gλ²/4π,                                                                                 (17)

 

     3.Классификация и диапазон  антенн.

 

3.1.Диапазонная классификация антенн.

 

Антенны можно  классифицировать по различным признакам: по диапазонному принципу, по характеру излучающих элементов (антенны с линейными токами, или вибраторные антенны, антенны, излучающие через раскрыв – апертурные антенны, антенны поверхностных волн); по виду радиотехнической системы, в которой используется антенна (антенны для радиосвязи, для радиовещания, телевизионные и др.). Будем придерживаться диапазонной классификации. Хотя в различных диапазонах волн очень часто применяют антенны с одинаковыми (по типу) излучающими элементами, однако конструктивное выполнение их различное; значительно отличаются также параметры этих антенн и требования, предъявляемые к ним.

Рассматриваются антенны следующих волновых диапазонов   (названия диапазонов даются  в  соответствии с рекомендациями “Регламента радиосвязи”; в скобках указываются названия, широко распространенные в литературе по антенно-фидерным устройствам):  

• мири метровые   (сверхдлинные)   волны (λ=10…100 км);
• километровые   (длинные)   волны   (λ=1…10 км);
• гектометровые (средние) волны (λ=100…1000 м);
• дека метровые (короткие) волны (λ=10…100 м);
• метровые волны (λ=1…10 м);
• дециметровые волны  (λ=10см…1 м);
• сантиметровые волны   (λ=1…10 см);
• миллиметровые волны   (λ=1…10 мм);

Последние четыре диапазона иногда объединяют общим  названием “ультракороткие волны” (УКВ). [2]

 

 

3.2.Диапазоны  антенн.

 

В последние годы на рынке радиосвязи и вещания появилось большое количество новых систем связи различного назначения, имеющих различные характеристики. С точки зрения пользователей, при выборе системы радиосвязи или вещательной системы в первую очередь обращается внимание на качество связи (вещания), а также на удобство пользования этой системой (терминалом пользователя), что определяется габаритами, весом, простотой управления, перечнем дополнительных функций. Все эти параметры существенным образом определяются типом и конструкцией антенных устройств и элементов антенна - фидерного тракта рассматриваемой системы, без которых осуществление радиосвязи немыслимо. В свою очередь, определяющим фактором конструкции и эффективности антенн является диапазон их рабочих частот.

В соответствии с принятой классификацией диапазонов частот выделяют и несколько больших классов (групп) антенн, принципиально различающихся между собой: антенны сверх длинноволнового (СДВ) и длинноволнового (ДВ) диапазонов; антенны средневолнового (СВ) диапазона; антенны коротковолнового (КВ) диапазона; антенны ультракоротковолнового (УКВ) диапазона; антенны сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона.

Наиболее востребованными  в последние годы с точки зрения предоставления услуг персональной связи, радио- и телевещания являются радиосистемы КВ, УКВ и СВЧ диапазона, антенные устройства которых и будут рассмотрены ниже. При этом необходимо заметить, что, несмотря на кажущуюся невозможность изобретения нового в антенном деле, в последние годы на основе новых технологий и принципов произведены существенные усовершенствования классических антенн и разработаны новые антенны, принципиально отличающиеся от ранее существовавших конструкцией, размерами, основными характеристиками и т.п., что привело к значительному увеличению количества типов применяемых в современных радиосистемах антенных устройств.

В любой системе  радиосвязи могут существовать антенные устройства, предназначенные только для передачи, для приёма-передачи или только для приёма.

Для каждого  из диапазонов частот необходимо также различать антенные системы радиоустройств направленного и ненаправленного (всенаправленного) действия, что в свою очередь определяется назначением устройства (связи, вещания и т.д.), задачами, решаемыми устройством (оповещение, связь, вещание и т.д.). В общем случае для увеличения направленности антенн (для сужения диаграммы направленности) могут использоваться антенные решётки, состоящие из элементарных излучателей (антенн), которые при определённых условиях их фазирования могут обеспечить необходимые изменения направления луча антенны в пространстве (обеспечить управление положением диаграммы направленности антенны). В пределах каждого диапазона также можно выделить антенные устройства, работающие только на определённой частоте (одночастотные или узко диапазонные), и антенны, работающие в довольно широком диапазоне частот (широкополосные или широкодиапазонные).

 

 

 

4.Фидеры передающих и приёмных антенн.  

 

4.1.Условная классификация конструкций фидеров.

 

 Важнейшей  составляющей радиосредства являются фидеры между радиопередатчиком и передающей антенной или между приемной антенной и радиоприемником. Фидеры радиосредств, используемых для целей связи и вещания, можно разделить на два обособленных класса: открытые и закрытые. Открытые фидеры — это, как правило, двухпроводные или четырехпроводные симметричные линии передачи. Закрытые фидеры представляют собой коаксиальный кабель или полый металлический волновод. Открытые линии применяются на частотах до 30 МГц, кабельные —до 3000 МГц, волноводные — до 30 ГГц.

 

4.2.Требования, предъявляемые к фидерам и некоторые их параметры.

 

Основным требованием, предъявляемым к фидерам, является доведение до минимума потерь энергии в нем. В зависимости от конструкции фидера потери энергии могут определяться: нагреванием металлических элементов, изоляторов и окружающей среды, а также излучением (в случае открытого фидера). Качество фидера, в смысле потерь энергии, определяется коэффициентом полезного действия. Обратимся к схеме линии радиосвязи, приведенной на рис. 2.1. Коэффициентом полезного действия фидера передающей антенны называется отношение мощностей радиочастотного сигнала на его выходе и входе:

 

          ηф1 =Р′1 /Р1,                                                                   (18)