Техника антенных устройств

Техника антенных устройств

Введение

Развитие антенной техники на всем протяжении эволюции радио сопровождалось и было тесно связано с развитием теории антенных устройств. Уже первая работа Генриха Герца по экспериментальному доказательству существования электромагнитных волн была им дополнена теоретическими изысканиями по излучению диполя. Одним из основных элементов изобретения радио Александром Степановичем Поповым (1859...1906 гг.) явилась приемная антенна. Именно соединение антенны с вибратором Герца и приемным контуром позволило А.С. Попову увеличить протяженность линии радиосвязи, перешагнуть стены лаборатории и тем самым положить начало радиотелеграфии и радиотехнике, как новой области техники.

Техника антенных устройств с момента открытия радио прошла большой и сложный путь. Освоение новых диапазонов волн, новые применения радиотехники всегда вызывали усовершенствования старых и появление принципиально новых антенных устройств.

Основные области использования радиоэлектроники - связь, телевидение, радиолокация, радиоуправление, радиоастрономия, а также системы определения государственной принадлежности, инструментальной посадки, радиоэлектронного противодействия, телеметрия и другие невозможны без применения антенн с различными характеристиками. В процессе развития антенн они усложнялись, появлялись принципиально новые их классы, расширялись выполняемые функции, и антенны зачастую превращались из простых взаимных устройств в сложные динамические системы, содержащие в большинстве случаев сотни, тысячи различных элементов.

1. История развития антенной техники

Рассматривая историю развития антенных устройств, можно разбить ее на отдельные периоды, каждый из которых характеризуется некоторым основным направлением развития радиотехники и в том числе антенной техники.

-й период - подготовительный (XIX столетие). Исследования в области электромагнетизма, предшествующие изобретению радио, многим обязаны гениальным работам Майкла Фарадея (1791...1867 гг.), Джемса Кларка Максвелла (1851... 1879 гг.) и Генриха Герца (1857...1894 гг.). Их мы вправе назвать основоположниками электродинамики, одной из частей которой в настоящее время является теория и техника антенн.

Из работ М. Фарадея, охватывающих различные области физики и химии, отметим открытие закона электромагнитной индукции (1851 г.), введение "диэлектрической проницаемости", открытие парамагнетизма и диамагнетизма, введение представления об электрических и магнитных силовых линиях.

Знаменитый "Трактат об электричестве и магнетизме" Д. Максвелла вместе с несколькими более ранними его работами позволили выразить картину силовых линий Фарадея в математической форме и установили связь между оптикой и электродинамикой. Уравнения Максвелла, в несколь­ко преобразованной впоследствии форме, до сих пор являются теоретической основой электродинамики.

Основное направление научной деятельности Г. Герца - проверка теории Максвелла. В работе "Силы электрических колебаний, рассматриваемые согласно  теории  Максвелла"  (1888 г.)  применяется характерный метод решения, который в настоящее время называют методом вектора Герца, и приводятся картины силовых линий диполя Герца. Его экспериментальные работы по изучению электромагнитных волн являются преддверием открытия радио.

-й период - начало развития радиотехники, развитие антенн для длинных и средних волн (1895... 1924 гг.). Как уже указывалось, одним из элементов изобретения А.С. Попова явилась открытая заземленная антенна, которая входила в схемы его первых приемных и передающих устройств.

В СНГ бурное развитие антенной техники, как и радиотехники в целом, началось только после 1917 года. В сентябре 1918 г. вышел первый номер научно-технического журнала "Телеграфия и телефония без проводов", в котором печатались оригинальные статьи по теории и расчету антенн.

-й период - развитие коротковолновых антенн (1925...1935 гг.). В середине 20-х годов выяснилось, что короткие волны перекрывают большие расстояния лучше, чем длинные волны. Постройка мощных коротковолновых радиостанций с направленными антеннами явилась переворотом в радиосвязи, так как, помимо практически неограниченной дальности действия на коротких волнах, можно получить значительную полосу частот, обеспечивающую передачу нескольких каналов быстродействующей телеграфии. Короткие волны открыли большие возможности и для антенной техники. Если на длинных волнах высота антенн составляла только доли длины волны и антенны принадлежали к одному типу - несимметричный вибратор с емкостной нагрузкой на конце, то на коротких волнах стали вполне достижимыми сложные антенные системы с размерами в несколько длин волн. Основным элементом KB антенны стал полуволновый вибратор; из таких вибраторов строились большие антенные полотна, обеспечивающие высокую направленность.

К 1955 г. техника коротковолновых антенн завершает первый цикл своего развития. Сложные приемо-передающие антенны, используемые во всех странах мира, дают направленность, близкую к предельно-допустимой.

Этот же период характеризуется широким развитием радиовещания на средних волнах. Хотя при построении вещательных антенн основные идеи были заимствованы в технике связных антенн ДВ и СВ, здесь пришлось ре­шить ряд специфичных задач, связанных с увеличением мощности и полосы частот, а также приданием антенне антифединговых свойств. Широкое распространение получили антенны в виде высоких мачт и башен с электриче­ской длиной, превышающей половину длины волны.

-й период - развитие антенн ультракоротких волн (с 1935 г.). Внедрение в практику метровых волн для целей связи и телевизионного вещания не вызвало вначале существенных изменений в технике антенных устройств: применялись те же комбинации полуволновых диполей, что и на коротких волнах. Однако специфические требования к диаграмме направленности и широкополосности телевизионных антенн привели к созданию специальных антенн, не имеющих аналогов на коротких волнах.

В предвоенные годы в обстановке строгой секретности готовилось новое применение радиотехники - радиолокация, потребовавшая совершенно новых антенных устройств и способствовавшая быстрому освоению деци­метрового и сантиметрового диапазонов волн. К концу второй мировой войны техника сантиметровых волн оказалась уже широко развитой. В этом диапазоне волн стали применяться полые волноводы, зеркальные, линзовые, рупорные и щелевые антенны, принципы, действия которых были заимствованы из оптики или акустики.

Послевоенные годы ознаменовались появлением нового вида связи - радиорелейных линий. Они потребовали от антенны и волноводного тракта неискаженной передачи широкополосного сигнала и остронаправленного излучения с низким уровнем лепестков. Это привело к осуществлению ряда новых идей в конструкциях антенно-волноводного тракта.

С переходом к метровым и дециметровым волнам, когда диаметр вибраторов стал соизмерим с длиной волны, даже решение задачи о симметричном вибраторе потребовало привлечения строгих методов электродинамики. Хотя в оптике существуют прототипы многих антенн и волноводов УКВ, оптические методы не могли быть непосредственно перенесены в теорию антенных устройств. Дело в том, что в оптике размеры объектов считаются не­измеримо большими длины волны. В антенно-волноводной технике эти величины соизмеримы, что требует применения более строгих методов решения. Теория антенн стала к настоящему времени чрезвычайно развитой областью электродинамики, оперирующей уравнениями электромагнитного поля без внесения каких-либо приближений. Другой новой чертой в современной теории антенн является переход от задач анализа характеристик направленности и других параметров антенны к синтезу антенн с оптимальными характеристиками. С переходом к УКВ практически отпали ограничения в размерах антенн и в то же время стали предъявляться более жесткие требования к ряду их параметров. Значительно увеличилось и число типов антенных устройств с самыми разнообразными характеристиками. Все это заставило, помимо анализа новых типов антенн, решать задачи о построении антенных устройств, обладающих наилучшими из возможных характеристика­ми. В настоящее время стали все шире применяться антенны поверхностной волны стержневого и плоскостного типа, использующие явление "прилипания" электромагнитной волны к среде или структуре, замедляющей ее скорость.

Существенную роль в современной антенно-волноводной технике также играют высокочастотные магнитодиэлектрики - ферриты, которые позволили создать антенны с электрическим управлением излучения и ряд новых элементов волноводного тракта: вентили (пропускающие волну только одного направления), фазовращатели, вращатели плоскости поляризации, циркуляторы и т.д.

антенна частотный диапазон

2. Понятие антенно-фидерных устройств

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).

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.

Важную роль в работе антенных устройств играет линия питания (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.

3. Характеристика антенн

.1 Коэффициент усиления антенны

Коэффициент усиления антенны (в обиходной речи - усиление антенны) - относительная величина, показывающая во сколько раз эффективность данной антенны выше по сравнению с полуволновым диполем или с изотропным излучателем. Другими словами, на сколько большую напряженность поля создаст данная антенна по сравнению с эталонной на одинаковом расстоянии, при одинаковой подводимой мощности и на одинаковой частоте.

Так как изотропный излучатель - идеальное теоретическое устройство, то в технических характеристиках обычно приводится усиление по отношению к диполю. Коэффициент усиления антенны по отношению к диполю обычно дается в дБ (dB), а по отношению к изотропному излучателю - в дБи (dBi). Соотношение этих показателей составляет 2.14 дБ. Например, если приведен коэффициент усиления антенны 3 дБи (по отношению к изотропному излучателю), то по отношению к диполю он будет 3-2.14=0.86 дБ. Иногда коэффициент усиления по отношению к диполю обозначают дБд (dBd), явно указывая, по отношению к чему проводилось измерение.

.2 Направленность антенны

Направленность антенны - относительная величина показывающая, на сколько коэффициент усиления антенны в одном направлении больше, чем в другом. Направленность антенны отображают на специальном графике, называемом диаграммой направленности.

Практически все антенны в большей или меньшей степени обладают направленностью. Направленность в основном зависит от конструкции антенны. Используя антенны с различными диаграммами направленности, можно повысить дальность и качество связи в определенном направлении. Так как антенна излучает электромагнитные волны в пространство, которое, как известно, 3-х мерно, то различают диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

.3 Частотный диапазон

.4 Коэффициент направленного действия

Коэффициент направленного действия (КНД) антенны - отношение квадрата напряженности поля, создаваемой антенной в данном направлении, к среднему значению квадрата напряженности поля по всем направлениям. КНД является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд). Для обозначения КНД используют латинскую букву D (от англ. Directivity).

Обычно оперируют значением КНД D0 в направлении максимума излучения антенны. При этом КНД становится мерой способности антенны концентрировать энергию электромагнитного излучения в узком луче. Согласно определению, КНД однозначно связан с формой диаграммы направленности (ДН) антенны (более строго - с формойхарактеристики направленности антенны).

Следует различать КНД и коэффициент усиления (КУ) антенны: КНД целиком и полностью определяется формой ДН антенны и не учитывает КПД антенны, то есть не учитывает потерю энергии в элементах конструкции антенны и объектах, расположенных в ближней зоне антенны.В зависимости от конструкции антенны и рабочей длины волны значение КНД в направлении максимума излучения может составлять от единиц до миллионов. Чем уже главный лепесток ДН и меньше уровень боковых лепестков, тем больше КНД.

.5 Полоса пропускания антенны

Полоса пропускания (прозрачности) - диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) акустического, радиотехнического, оптического или механического устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы. Так же называется эффективно передаваемой полосой частот (ЭППЧ). В ЭППЧ сосредоточена основная энергия сигнала (не менее 90%). Этот диапазон частот устанавливается для каждого сигнала экспериментально в соответствии с требованиями качества. Основные параметры, которые характеризуют полосу пропускания частот - это ширина полосы пропускания и неравномерность АЧХ в пределах полосы. Ширина полосы обычно определяется как разность верхней и нижней граничных частот участка АЧХ, на котором амплитуда колебаний 1/2 максимальной. Этот уровень приблизительно соответствует −3 дБ. Ширина полосы пропускания выражается в единицах частоты (например, в Гц). Расширение полосы пропускания позволяет передать большее количество информации.

Рисунок 3.1 - Ширина полосы

Неравномерность АЧХ характеризует степень её отклонения от прямой, параллельной оси частот. Неравномерность АЧХ выражается в децибелах. Ослабление неравномерности АЧХ в полосе улучшает воспроизведение формы передаваемого сигнала.

4. Основные типы антенн

.1 Симметричный вибратор

Симметричный вибратор является наиболее простейшим типом антенно-фидерных устройств, и представляет собой прямолинейный проводник, у которого в симметричных (относительно середины) точках токи равны по величине и имеют одинаковое направление в пространстве. На рисунке 4.1 показан пример распределения тока, характерного для симметричного вибратора. Здесь в симметричных точках Z и -Z выполняется условие Iz=I-z. Стрелки на рисунке показывают, что токи в указанных симметричных точках имеют одинаковое направление. Естественно, что это направление показано для некоторого момента времени.

Рисунок 4.1 Распределение тока симметричного вибратора

Полная длина вибратора (2L) не превосходит длины волны (или точнее 1,25l), максимум диаграммы излучения получается в направлениях, перпендикулярных оси вибратора. При 2L<=l в диаграммах отсутствуют боковые лепестки. Когда L становится большим, чем l, в диаграмме появляются боковые лепестки, а уже при 2L=3/2l направления максимума диаграммы излучения получаются не в направлениях, перпендикулярных к оси вибратора, а под углом к ней, примерно равным 400. При значительном увеличении отношения l/L максимум диаграммы прижимается к оси провода. Излучение вдоль оси вибраторов отсутствует при любых длинах. На практике часто используются антенны, состоящие из большого числа идентичных вибраторов - многовибраторные антенны. Многовибраторная антенна представляет собой так называемую решетку излучателей. Решетки же из вибраторов (многоэтажная синфазная антенна и антенна волновой канал) являются достаточно простыми.

Простейшая направленная антенна - симметричный вибратор - имеет невысокую направленность. Для увеличения направленности действия на первых этапах развития антенной техники стали применять систему вибраторов - антенные решетки (АР). Антенные решетки наиболее распространенный класс современных антенн, элементами которых могут быть как слабонаправленные излучатели (металлические и щелевые вибраторы, волноводы, диэлектрические стержни, спирали и т. д.), так и остронаправленные антенны (зеркальные, рупорные и др.).

Применение антенных решеток обусловлено следующими причинами. Решетка из N элементов позволяет увеличить приблизительно в N раз КНД (и соответственно усиление) антенны по сравнению с одиночным излучателем, а также сузить луч для повышения точности определения угловых координат источника излучения в навигации, радиолокации и других радиосистемах. С помощью решетки удается поднять электрическую прочность антенны и увеличить уровень излучаемой (принимаемой) мощности путем размещения в каналах решетки независимых усилителей высокочастотной энергии.

Одно из важных преимуществ решеток - возможность быстрого обзора (сканирования) пространства за счет качания луча антенны электрическими методами (электрического сканирования). Помехозащищенность радиосистемы зависит от уровня боковых лепестков (УБЛ) антенны и возможности подстройки (адаптации) к помеховой обстановке. Антенна решетка - необходимое звено для создания такого динамического пространственно-временного фильтра или просто для уменьшения УБЛ.

Одна из важнейших задач современной бортовой радиоэлектроники - создание комплексированной системы, совмещающей несколько функций. Например, функций связи, РЛС, радионавигации и т. д.

Существенное значение имеет возможность создания антенной решетки с электрическим сканированием с несколькими лучами (многолучевой, моноимпульсной и т. д.), работающей на различных частотах (совмещенной), и имеющей различные характеристики.

Антенные решетки могут быть классифицированы по основным признакам: геометрии расположения излучателей в пространстве, способу их возбуждения, закономерности размещения излучающих элементов в самой решетке, способу обработки сигнала в решетке, амплитудно-фазовому распределению токов (поля) по решетки и типу излучателей.

В зависимости от геометрии расположения излучателей АР подразделяются на: линейные, дуговые, кольцевые, плоские, выпуклые (цилиндрические, конические, сферические и др.) и пространственные (трехмерные). Пространственная структура решетки в простейшем случае представляет собой систему из двух плоских решеток, параллельно расположенных в пространстве.