Фидер антенный что это – Антенно-фидерное устройство (АФУ) — это… Что такое Антенно-фидерное устройство (АФУ)?

Антенно-фидерные устройства — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 21 февраля 2015; проверки требуют 6 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 21 февраля 2015; проверки требуют 6 правок.

Антенно-фидерное устройство (АФУ) — совокупность антенны и фидерного тракта, входящая в качестве составной части в радиоэлектронное изделие, образец, комплекс[1].

АФУ используются для передачи сигналов в системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, а также других радиотехнических системах, использующих для передачи сигналов радиоволны. Функция антенны заключается в излучении или приеме электромагнитных волн. Электрическое подключение антенны к источнику (потребителю) может быть непосредственным, а может осуществляться с помощью линии передачи, оснащенной радиочастотными соединителями, т.е. с помощью фидера. Функция фидера — в передаче электромагнитного колебания от радиопередатчика ко входу антенны и передаче электромагнитного колебания от антенны к радиоприемнику.

Передающая антенна преобразует энергию волн, поступающих по фидеру от передатчика к антенне, в энергию свободных колебаний, распространяющихся в окружающем пространстве. Передающая антенна должна не просто излучать электромагнитные волны, а обеспечивать наиболее рациональное распределение энергии в пространстве. В связи с этим одной из основных характеристик передающих антенн является диаграмма направленности (ДН) — зависимость излучаемого поля от положения точки наблюдения (точка наблюдения должна находиться в дальней зоне — на неизменно большом расстоянии от антенны). Требования к направленности колеблются в очень широких пределах от близких к направленным (системы радиовещания и эфирного телевидения) до резко выраженной направленности в определенном направлении (дальняя космическая радиосвязь, радиолокация, радиоастрономия и т. д.). Направленность позволяет без увеличения мощности передатчика увеличить мощность поля, излучаемого в данном направлении, а также позволяет уменьшать помехи соседним радиотехническим системам, то есть способствует решению проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Направленность можно получить только когда размеры антенны существенно превышают длину волны колебаний.

Приёмная антенна улавливает энергию свободных колебаний и превращает её в энергию волн, которая поступает по фидеру на вход приемника. Для приемных антенн диаграмма направленности (ДН) — это зависимость тока в нагрузке антенны, то есть в конечном счете в приемнике, или ЭДС наводимой на входе приемника, от направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Наличие направленных свойств у приемных антенн позволяет не только увеличивать мощность выделяемую током в нагрузке, но и существенно ослаблять приём различного рода помех, то есть повышает качество приёма.

Любую передающую антенну можно использовать и для приёма электромагнитных волн и вообще говоря, наоборот, однако из этого не следует что они одинаковы по конструкции.

Важную роль в работе антенных устройств играет линия передач (фидер), которая передаёт энергию от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к приёмнику (в режиме приёма).

Основные требования к фидеру сводятся к его электрогерметичности (отсутствию излучения энергии из фидера) и малым тепловым потерям. В передающем режиме волновое сопротивление фидера должно быть согласовано с входным сопротивлением антенны (что обеспечивает в фидере режим бегущей волны) и с выходом передатчика (для максимальной отдачи мощности). В приёмном режиме согласование входа приёмника с волновым сопротивлением фидера обеспечивает в последнем режим бегущей волны. Согласование же волнового сопротивления фидера с сопротивлением нагрузки — условие максимальной отдачи мощности в нагрузку приёмника. В зависимости от диапазона радиоволн применяют различные типы фидеров:

  • двух или много-проводные воздушные фидеры
  • волноводы прямоугольного, круглого или эллиптического сечений
  • линии с поверхностной волной

и другие

  1. ↑ Геннадиева Е. Г., Дождиков В. Г., Кульба А. В. и др. Краткий энциклопедический словарь по радиоэлектронике и радиопромышленности / Под ред. В. Н. Саблина. М.: Диво, 2006.

Антенно-фидерные устройства — это… Что такое Антенно-фидерные устройства?

Антенно — фидерные устройства (АФУ) — предназначаются для передачи сигналов в системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, а также других радиотехнических системах, использующих для передачи информации свободное распространение радиоволн.

Функции антенн в указанных системах сводятся к излучению или приему электромагнитных волн. Соответственно различают передающие и приемные антенны, подключаемые либо к передатчику, либо к приёмнику. Подключение осуществляется обычно не непосредственно, а с помощью линий передачи энергии (фидеров).

Антенны

Передающая антенна преобразует энергию волн, поступающих по фидеру от передатчика к антенне, в энергию свободных колебаний, распространяющихся в окружающем пространстве. Передающая антенна должна не просто излучать электромагнитные волны, а обеспечивать наиболее рациональное распределение энергии в пространстве. В связи с этим одной из основных характеристик передающих антенн является диаграмма направленности (ДН) — зависимость излучаемого поля от положения точки наблюдения (точка наблюдения должна находиться в дальней зоне — на неизменно большом расстоянии от антенны). Требования к направленности колеблются в очень широких пределах от близких к направленным (системы радиовещания и эфирного телевидения) до резко выраженной направленности в определенном направлении (дальняя космическая радиосвязь, радиолокация, радиоастрономия и т. д.). Направленность позволяет без увеличения мощности передатчика увеличить мощность поля, излучаемого в данном направлении, а также позволяет уменьшать помехи соседним радиотехническим системам, то есть способствует решению проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Направленность можно получить только когда размеры антенны существенно превышают длину волны колебаний.

Приёмная антенна улавливает энергию свободных колебаний и превращает ее в энергию волн, которая поступает по фидеру на вход приемника. Для приемных антенн диаграмма направленности (ДН) — это зависимость тока в нагрузке антенны, то есть в конечном счете в приемнике, или ЭДС наводимой на входе приемника, от направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Наличие направленных свойств у приемных антенн позволяет не только увеличивать мощность выделяемую током в нагрузке, но и существенно ослаблять приём различного рода помех, то есть повышает качество приёма.

Любую передающую антенну можно использовать и для приёма электромагнитных волн и, вообще говоря, наоборот, однако из этого не следует что они одинаковы по конструкции.

Фидеры

Важную роль в работе антенных устройств играет линия передач (фидер), которая передаёт энергию от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к приёмнику (в режиме приёма).

Основные требования к фидеру сводятся к его электрогерметичности (отсутствию излучения энергии из фидера) и малым тепловым потерям. В передающем режиме волновое сопротивление фидера должно быть согласовано с входным сопротивлением антенны (что обеспечивает в фидере режим бегущей волны) и с выходом передатчика (для максимальной отдачи мощности). В приёмном режиме согласование входа приёмника с волновым сопротивлением фидера обеспечивает в последнем режиме бегущей волны, согласование же волнового сопротивления фидера с сопротивлением нагрузки — условие максимальной отдачи мощности в нагрузку приёмника. В зависимости от диапазона радиоволн применяют различные типы фидеров:

  • двух или много-проводные воздушные фидеры
  • волноводы прямоугольного, круглого или эллиптического сечений
  • линии с поверхностной волной

и другие

Литература

См. также

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 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 Iа— 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 (Рn) — 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 (Ра) — мощность, подводимая к антенне от передатчика. Эту мощность можно представить в виде суммы излу­чаемой мощности и мощности потерь Ра = Ри + Рn.

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 вв 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 Пи, излучаемой данной антенной в определенном направлении, к плотности потока мощности /7н, 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 Gmax и Gпоб — 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…40е, 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.

Антенно-фидерные устройства — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Антенно-фидерное устройство (АФУ) — совокупность антенны и фидерного тракта, входящая в качестве составной части в радиоэлектронное изделие, образец, комплекс[1].

АФУ используются для передачи сигналов в системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, а также других радиотехнических системах, использующих для передачи сигналов радиоволны. Функция антенны заключается в излучении или приеме электромагнитных волн. Электрическое подключение антенны к источнику (потребителю) может быть непосредственным, а может осуществляться с помощью линии передачи, оснащенной радиочастотными соединителями, т.е. с помощью фидера. Функция фидера — в передаче электромагнитного колебания от радиопередатчика ко входу антенны и передаче электромагнитного колебания от антенны к радиоприемнику.

Антенны

Передающая антенна преобразует энергию волн, поступающих по фидеру от передатчика к антенне, в энергию свободных колебаний, распространяющихся в окружающем пространстве. Передающая антенна должна не просто излучать электромагнитные волны, а обеспечивать наиболее рациональное распределение энергии в пространстве. В связи с этим одной из основных характеристик передающих антенн является диаграмма направленности (ДН) — зависимость излучаемого поля от положения точки наблюдения (точка наблюдения должна находиться в дальней зоне — на неизменно большом расстоянии от антенны). Требования к направленности колеблются в очень широких пределах от близких к направленным (системы радиовещания и эфирного телевидения) до резко выраженной направленности в определенном направлении (дальняя космическая радиосвязь, радиолокация, радиоастрономия и т. д.). Направленность позволяет без увеличения мощности передатчика увеличить мощность поля, излучаемого в данном направлении, а также позволяет уменьшать помехи соседним радиотехническим системам, то есть способствует решению проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Направленность можно получить только когда размеры антенны существенно превышают длину волны колебаний.

Приёмная антенна улавливает энергию свободных колебаний и превращает её в энергию волн, которая поступает по фидеру на вход приемника. Для приемных антенн диаграмма направленности (ДН) — это зависимость тока в нагрузке антенны, то есть в конечном счете в приемнике, или ЭДС наводимой на входе приемника, от направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Наличие направленных свойств у приемных антенн позволяет не только увеличивать мощность выделяемую током в нагрузке, но и существенно ослаблять приём различного рода помех, то есть повышает качество приёма.

Любую передающую антенну можно использовать и для приёма электромагнитных волн и вообще говоря, наоборот, однако из этого не следует что они одинаковы по конструкции.

Фидеры

Важную роль в работе антенных устройств играет линия передач (фидер), которая передаёт энергию от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к приёмнику (в режиме приёма).

Основные требования к фидеру сводятся к его электрогерметичности (отсутствию излучения энергии из фидера) и малым тепловым потерям. В передающем режиме волновое сопротивление фидера должно быть согласовано с входным сопротивлением антенны (что обеспечивает в фидере режим бегущей волны) и с выходом передатчика (для максимальной отдачи мощности). В приёмном режиме согласование входа приёмника с волновым сопротивлением фидера обеспечивает в последнем режим бегущей волны. Согласование же волнового сопротивления фидера с сопротивлением нагрузки — условие максимальной отдачи мощности в нагрузку приёмника. В зависимости от диапазона радиоволн применяют различные типы фидеров:

  • двух или много-проводные воздушные фидеры
  • волноводы прямоугольного, круглого или эллиптического сечений
  • линии с поверхностной волной

и другие

См. также

Примечания

  1. ↑ Геннадиева Е. Г., Дождиков В. Г., Кульба А. В. и др. Краткий энциклопедический словарь по радиоэлектронике и радиопромышленности / Под ред. В. Н. Саблина. М.: Диво, 2006.

Литература

Антенно-фидерные устройства. | Основы электроакустики

Антенно-фидерное устройство (АФУ) — совокупность антенны и фидерного тракта, входящая в качестве составной части в радиоэлектронное изделие, образец, комплекс. АФУ используются для передачи сигналов в системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, а также других радиотехнических системах, использующих для передачи сигналов радиоволны. Функция антенны заключается в излучении или приеме электромагнитных волн. Электрическое подключение антенны к источнику (потребителю) может быть непосредственным, а может осуществляться с помощью линии передачи, оснащенной радиочастотными соединителями, т.е. с помощью фидера. Функция фидера — в передаче электромагнитного колебания от радиопередатчика ко входу антенны и передаче электромагнитного колебания от антенны к радиоприемнику.

Антенны   Передающая антенна преобразует энергию волн, поступающих по фидеру от передатчика к антенне, в энергию свободных колебаний, распространяющихся в окружающем пространстве. Передающая антенна должна не просто излучать электромагнитные волны, а обеспечивать наиболее рациональное распределение энергии в пространстве. В связи с этим одной из основных характеристик передающих антенн является диаграмма направленности (ДН) — зависимость излучаемого поля от положения точки наблюдения (точка наблюдения должна находиться в дальней зоне — на неизменно большом расстоянии от антенны). Требования к направленности колеблются в очень широких пределах от близких к направленным (системы радиовещания и эфирного телевидения) до резко выраженной направленности в определенном направлении (дальняя космическая радиосвязь, радиолокация, радиоастрономия и т. д.). Направленность позволяет без увеличения мощности передатчика увеличить мощность поля, излучаемого в данном направлении, а также позволяет уменьшать помехи соседним радиотехническим системам, то есть способствует решению проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Направленность можно получить только когда размеры антенны существенно превышают длину волны колебаний.

Приёмная антенна улавливает энергию свободных колебаний и превращает её в энергию волн, которая поступает по фидеру на вход приемника. Для приемных антенн диаграмма направленности (ДН) — это зависимость тока в нагрузке антенны, то есть в конечном счете в приемнике, или ЭДС наводимой на входе приемника, от направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Наличие направленных свойств у приемных антенн позволяет не только увеличивать мощность выделяемую током в нагрузке, но и существенно ослаблять приём различного рода помех, то есть повышает качество приёма. Любую передающую антенну можно использовать и для приёма электромагнитных волн и вообще говоря, наоборот, однако из этого не следует что они одинаковы по конструкции. Электромагнитная энергия от передающего устройства к антенне и от антенны к приемному устройству передается с помощью фидерного тракта.

Фидеры Важную роль в работе антенных устройств играет линия передач (фидер), которая передаёт энергию от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к приёмнику (в режиме приёма). Основные требования к фидеру сводятся к его электрогерметичности (отсутствию излучения энергии из фидера) и малым тепловым потерям. В передающем режиме волновое сопротивление фидера должно быть согласовано с входным сопротивлением антенны (что обеспечивает в фидере режим бегущей волны) и с выходом передатчика (для максимальной отдачи мощности). В приёмном режиме согласование входа приёмника с волновым сопротивлением фидера обеспечивает в последнем режим бегущей волны. Согласование же волнового сопротивления фидера с сопротивлением нагрузки — условие максимальной отдачи мощности в нагрузку приёмника. В зависимости от диапазона радиоволн применяют различные типы фидеров:     двух или много-проводные воздушные фидеры
  

  Волноводы В спутниковых системах связи в качестве фидеров используют круглые, эллиптические и прямоугольные волноводы и коаксиальные кабели. Волноводы в качестве линий передачи СВЧ колебаний, как правило, применяют на частотах свыше 2 ГГц. Круглые волноводы позволяют передавать две волны, имеющие ортогональные поляризации. Основным типом волн является волна Н01. В отечественной технике нашли применение волноводы диаметром 70 мм, используемые в диапазоне 4, 6, 8 ГГц. Затухание ЭМВ в круглом волноводе зависит от его диаметра и рабочей частоты. Для волноводов эллиптических — волной основного типа является волна Н01. Конструктивно он представляет собой полую гофрированную трубу, изготовленную из медной отожженной ленты, на которую наложены защитные оболочки. Такие волноводы получили название ЭВГ (эллиптический волновод гофрированный). Они выпускаются для диапазонов 2, 4, 6, 8, 11 ГГц и отличаются друг от друга размерами и затуханием, изготавливаются требуемой длины без фланцевых соединений и, как правило, при транспортировке наматываются на барабан. Недостатком ЭВГ является относительно большое значение коэффициента отражения. Широкое применение в качестве фидерных трактов нашли волноводы прямоугольного сечения. В них используется основной тип волны Н10. Такие волноводы могут быть жесткой или гибкой конструкции, различной длины. Соединение отрезков волновода осуществляется с помощью фланцев. Подобные волноводы используются в малоканальных СКС в тракте передачи.

Коаксиальные кабели обеспечивают передачу волны типа ТЕМ (плоская поперечная бегущая волна). Коаксиальные кабели имеют маркировку: РК-75-18-12 РК- радиочастотный кабель. Где: 75- волновое сопротивление, Ом; 18- внутренний диаметр внешнего проводника, мм;12- 1- полиэтилен, 2- номер разработки кабеля.

В станциях спутниковой связи коаксиальные кабели используют в тракте приема. В отдельных конструкциях волноводных трактов может применяться специальная система осушки, предназначенная для осушения воздуха во внутренних объемах волноводов. Такие системы нашли применение в линиях передачи энергии с повышенной мощностью сигнала.К элементам фидерных трактов, кроме того, относят: поляризационные селекторы; поляризаторы; циркуляторы.

 

Антенно-фидерное устройство: принцип работы

Устройство антенно-фидерной системы должен знать каждый, кого интересует передача сигналов в радиотехнических системах (радиовещания, радиосвязи, телевидения). Следует отметить, что в данном случае предусматривается возможность общения в обе стороны. Фидер передает электромагнитные колебания от передатчика к антенне (которая излучает/принимает сигнал) и от нее к приемнику. Об этом и поговорим.

Про антенны

анализатор антенно фидерных устройств

Так называют устройства, главное предназначение которых — прием или излучение электромагнитных волн. Антенны являются неотъемлемой частью любого радиопередающего и радиоприемного устройства. Следует отметить, что в зависимости от целевого назначения меняется функциональная роль. Например, передающая антенна преобразовывает ток высокой частоты в энергию электромагнитных волн. Может быть и такое, что она является многофункциональной, и может быть еще и приемной. В таком случае улавливаются электромагнитные волны и преобразовываются в энергию высокочастотных колебаний. Такая версия устройства является наиболее предпочтительной благодаря своим технико-экономическим характеристикам.

Про фидер

Это совокупность устройств, благодаря которым энергия подводится от передатчика к антенне и от нее к приемнику. Часто их еще называют фидерным трактом. Конструктивное исполнение напрямую зависит от диапазона частот, которые передаются по нему. Фидер может также излучать волны. Но это возможно только в тех случаях, когда соседние участки двух проводов обтекаются токами, которые совпадают по фазе. Их поля в таком случае взаимно усиливаются. Кстати, на этом эффекте можно реализовать антенны.

Они в таком случае называются синфазными, и следует отметить, что получили весьма широкое распространение. Также могут быть излучения фидера в тех случаях, когда расстояние между проводами по определенным направлениям приобретает существенную разность хода. Следует отметить, что можно подобрать такое значение, при котором произойдет сложение волн. На этом принципе также работают антенны, которые называются противофазными.

Возвращаемся к нашему устройству

проектирование антенно фидерных устройств

Проектирование антенно-фидерных устройств с последующим созданием требует, чтобы отдельные понятия сложились в целостную систему. Итак, если есть радиоканал, сформированный из передающей и приемных антенн, а также тракт распространения, то его можно рассматривать как пассивный линейный четырехполюсник. В чем заключается его особенность? Если в нем электродвижущую силу и нагрузку поменять местами, то параметры системы не изменятся. То есть приемную антенну можно сделать передающей и наоборот. Это свойство называют принципом взаимности. Из него вытекает обратимость процессов передачи и приема. Именно благодаря этому можно обходиться одной антенной, которая выступает в обеих ролях. А это позитивно сказывается на технико-экономических показателях системы радиосвязи, что и способствовало массовому использованию данного принципа.

А что бы почитать по этой теме?

Забегая вперед, следует признать, что данная тема является весьма обширной. Поэтому если после прочтения статьи останутся вопросы, то лучше обратиться к толковым книгам. В качестве первого образца можно посоветовать ту, которую написал Драбкин: «Антенно-фидерные устройства». Данная книга была издана в 1961 году. Но несмотря на свой возраст и довольно существенное устаревание, она еще может быть полезной. Хотя бы тем, что в ней рассматриваются основополагающие теоретические положения, которые полезно изучить всем, кого интересует данная тема.

Книга Драбкина является учебником по антенно-фидерным устройствам. Вообще-то, она предназначена для радиоинженеров и студентов радиотехнических факультетов, но если тема действительно интересует, то разобраться в ней сможет практически любой человек. Особенно следует отметить рассмотрение теории антенн, проволочные, сверхвысокочастотные и самолетные образцы, специфику измерения электрических параметров. Хотя только этим, разумеется, перечень не ограничивается.

Из более современных авторов заслуживает упоминания Ерохин Г. А., «Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн» — это весьма современная и одновременно толковая книга. Можно посоветовать обратить внимание на второе издание, выпущенное в 2004 году. В книге излагаются теоретические положения и, что особенно хочется отметить, много внимания уделено вопросам, которые непосредственно относятся к проектированию и эксплуатации систем телевидения, радиосвязи и радиовещания. За это следует воздать хвалу, которую вполне заслуживает Ерохин. «Антенно-фидерные устройства…» этого автора — действительно полезная книга.

Какие параметры антенн необходимо знать?

монтаж антенно фидерных устройств

Но давайте вернемся к теме статьи. Чтобы определить значение параметров, используют анализатор антенно-фидерных устройств или рассчитывают с помощью формул. Это необходимо для получения прибора с нужными характеристиками. Вот список, на что следует обращать внимание:

  1. Излучающая мощность электромагнитных волн. Сила и количество волн, которые от антенны идут в свободное пространство. Подразумевается активная мощность, ведь излучение постепенно рассеивается в пространстве, что окружает антенну. Ее можно выразить через сопротивление.
  2. Мощность потерь. Под этим подразумевается значение, которое бесполезно теряется передатчиком при прохождении по проводам антенны тока. Может учитываться значение земли и предметов, при условии, что они расположены вблизи антенны. Также является активным параметром и может быть выражено через сопротивление.

Продолжаем перечислять параметры

Также следует помнить:

  1. Мощность в антенне. Значение, что отображает энергию, подводимую от передатчика. Представляется в виде суммы двух предыдущих параметров.
  2. Коэффициент полезного действия.
  3. Входное сопротивление антенны. Под этим подразумевается значение, которое есть на входных зажимах. Характеризуется наличием ре/активной составляющих. Самый лучший вариант – это настройка в резонанс. В таком случае для генератора дается активная нагрузка, и устройство используется с максимальной эффективностью.
  4. Направленность антенны. Под этим подразумевается способность излучать электромагнитные волны в определенную сторону. Для того чтобы судить о данном свойстве, используют диаграмму направленности.

Остальные параметры

устройство антенно фидерной системы

Кроме перечисленных, следует знать:

  1. Коэффициент направленного действия.
  2. Рабочий диапазон. Более специализированно используется понятие полосы пропускания антенны. Так называется интервал частот, где ширина главного лепестка диаграммы направленности не выходит за установленные пределы, коэффициент усиления характеризуется как достаточно высокий, а с фидерным трактом согласование существенно не ухудшается. При этом должно быть небольшим отражение. Это требуется для снижения переходных шумов в каналах, присутствующих из-за наличия попутных потоков.
  3. Коэффициент защитного действия. Он используется для определения степени ослабления сигналов антенной, которые принимаются из побочных направлений.

Работа с волнами

Монтаж антенно-фидерных устройств осуществляется исходя из того, где и в каком диапазоне они будут использоваться. При этом необходимо добиться, чтобы направленные свойства были хотя бы в одной плоскости. При малой длине антенны выходят достаточно компактные. Это позволяет делать их вращающимися и получать значительный выигрыш в мощности, понижая одновременно взаимные помехи радиостанций. Ну и куда без этого – осуществлять связь в любом желаемом направлении.

В диапазоне метровых волн для удобства использования часто применяют разнообразные не/симметричные вибраторы. Хотя это далеко не единственный вариант. Из-за размера антенны метрового диапазона довольно проблематично перемещать вручную. Давайте рассмотрим это подробнее.

Чем отличаются волны разной длины?

антенно фидерное устройство

Отличить по предназначению можно по специфическим особенностям. Следует отметить, что в ряде случаев можно использовать однотипные антенны для работы в смежных диапазонах. Вот их список:

  1. Антенны длинных волн. Обладают большими геометрическими размерами. Но несмотря на это, все же значительно меньше длины волны. Высота устройства редко когда превышает 0,2 от ее величины.
  2. Антенны средневолнового диапазона. Характеризуются тем, что соразмерны с длиною волн. Отличаются более высоким сопротивлением излучению, нежели предыдущий вариант. Благодаря этому коэффициент полезного действия может достигать 80%. Диаграмма направленности для этих устройств обладает видом вытянутой вдоль поверхности земли восьмерки. Правда, из-за этого поступающие из атмосферы сигналы существенно ослаблены.
  3. Антенны коротких волн. К ним предъявляют специфические требования. Но это не на пустом месте, а напрямую связано с особенностями распространения этого диапазона. Для обеспечения устойчивой связи выбирают несущую частоту передатчика в зависимости от времени года и суток.
  4. Антенны ультракоротких волн. Они отличаются высоким коэффициентом полезного действия и узкой диаграммой направленности. Связано это с тем, что размеры антенн примерно равны длине рабочих волн.

Обслуживание

антенно фидерные устройства и распространение радиоволн

Чтобы устройство работало без проблем, необходимо своевременно заниматься его профилактикой. Если говорить о текущем осмотре объектов, то к ним относятся:

  1. Антенны.
  2. Фидеры.
  3. Радиорелейная связь.
  4. Фундамент (это и дальше для крупных стационарных объектов).
  5. Конструкции опоры.
  6. Оттяжки мачт, а также их крепления.
  7. Помещения (контейнера) базовой станции.
  8. Конструкции крепления основы к фундаменту.
  9. Прилегающая территория.

При этом следует уделить внимание таким моментам:

  1. Состоянию аппаратуры.
  2. Коррозийным и механическим повреждениям.

Кроме текущего, есть еще и планово-периодическое обслуживание антенно-фидерных устройств. Оно предполагает проведение более капитальной проверки, так называемого ревизионного осмотра и осуществление ремонта.

Подведение итога

антенно фидерное устройство ерохин

Вот и рассмотрено, что собой представляют антенно-фидерные устройства. Предоставленной информации, скорее всего, не хватит для того, чтобы соорудить собственный рабочий прибор. Но вот обеспечить необходимым теоретическим минимумом, чтобы двигаться дальше, надеемся, у нас получилось. А если читатель подкован в этих вопросах, то возможно, уже разобрался, что и как нужно делать.

Системы радиосвязи и системы коммутации

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

Радиоканал, состоящий из передающей антенны, тракта распространения и приемной антеннны, 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 трактомили 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. 1.10, а, б), и симметричного вибратора, получающегося при разведении проводов на 180° (рис. 1.10, в).

Рис. 1.10. Симметричные антенны

Компенсирующее действие одного из проводов фидера можно устранить, исключив его из системы. Это приводит к получению несимметричного вибратора (рис. 1.11, а) и на их основе несимметричных антенн: Г-образных и Т-образных (рис. 1.11, б, в).

Рис. 1.11. Несимметричные антенны

Фидер излучает, если соседние участки его двух проводов обтекаются совпадающими по фазе токами, 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 которых равен λ / 4, а всего диполя — 0,5 λ. Устройство такого диполя показано на рис. 1.12, а.

Рис. 1.12. 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. 1.12, 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 перезарядятся, т.е. возникнет поле Е 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. 1.12, 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. 1.13, 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. 1.13, б).Такая антенна называется несимметричной антенной, ее высота приблизительно равна λ / 4. 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, с помощью пропитывания ее различными солями.

Рис. 1.13. 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 противовесом – системой проводов, не зарытых, а поднятых над Землей. Противовес должен достаточно эффективно 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 (Рu)- 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,

, (1.9)

где Iа — 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 (Рn) — 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,

. (1.10)

Мощность в антенне (Ра) — мощность, подводимая к антенне от передатчика. Эту мощность можно представить в виде суммы излучаемой мощности и мощности потерь Ра = Рu + Рn.

Коэффициент полезного действия (КПД) антенны, равный

. (1.11)

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. 1.14,а показана диаграмма направленности симметричного вибратора в горизонтальной плоскости, а на рис. 1.14,б и в — в вертикальной плоскости в полярной и прямоугольной системах координат соответственно.

Шириной диаграммы направленности называют угол 2θ (см. рис. 1.14, 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. 1.14. Диаграмма направленности симметричного вертикального вибратора

Направление максимального излучения антенны называется главным направлением (см. рис. 1.14, в), а соответствующий ему лепесток — главным. Остальные лепестки являются боковыми.

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

, (1.12)

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 η.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 пропусканияантенны, 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 составляет 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 Gmax и Gпoб- 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. 1.15).

Рис. 1.15. Петлевой вибратор Пистолькорса (а)и его диаграмма направленности (б)

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 точки с на 0.25λ, образуется узел тока и пучность напряжения. На зажимах антенны f и е возникает пучность тока.

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

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. 1.15). 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. 1.16), состоит из активного вибратора А, рефлектора Р и нескольких директоров Д1, Д2 и Д3. Из приведенной на рис. 1.16, б диаграммы направленности видно, что коэффициент усиления этой антенны довольно высок и она не будет реагировать на помехи с других направлений.

Рис. 1.16. Антенна типа «волновой канал» (а) и ее диаграмма направленности (б)

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)λ, а расстояние между рефлектором и активным вибратором (0,15…0,25)λ, 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)λ. Расстояние между директорами и первым директором и активным вибратором выбирают равным (0,1…0,34)λ. 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. 1.17). В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн широко применяются антенны такого типа.

Рис. 1.17. Рупорная антенна

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. 1.18), 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.

Рис. 1.18. Зеркальная параболическая антенна

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. 1.19).

Рис. 1.19. Рупорно-параболическая антенна

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°, а длина рупора равной 50 λ. Коэффициент усиления антенны растет с возрастанием площади раскрыва антенны S. При площади раскрыва 6…8 м2 коэффициент усиления равен 104. В этом случае ширина диаграммы направленности равна примерно 2 как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.

Разновидностью зеркальных антенн являются перископические антенны (рис. 1.20), 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.

Рис. 1.20. Перископическая антенна

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *