Существуют передающие антенны, предназначенные для излучения радиоволн, и приемные антенны, служащие для их приема. Антенны - устройства взаимные, их можно использовать и для излучения, и для приема.

Имеется огромное количество типов антенн, различающихся диапазонами рабочих частот и диаграммами направленности. При проектировании антенн задаются следующие параметры:

полоса частот;

вид диаграммы направленности и поляризация излучаемых (или принимаемых) радиоволн;

минимальные потери энергии в антенне;

входное сопротивление и максимальный Kсв в фидере;

минимальный шум (для приемных антенн).

Антенны классифицируются по различным признакам: частоте, виду диаграммы направленности, конструкции. В зависимости от конструкции, существуют следующие типы антенн:

Линейные;

Апертурные;

Антенные решетки.

Линейные антенны

Особенностью линейных антенн является то, что поперечные их размеры малы по сравнению с продольными. К линейным относятся проволочные и щелевые антенны - рис. 3.10.

Г- и Т-образные антенны выполнены из проводника узкого сечения и применяются на низких частотах. Вибраторные щелевые и полосковые антенны применяют в разных частотных диапазонах, в том числе и на СВЧ. Линейные антенны создают, обычно, слабонаправленное излучение.

Апертурные антенны.

В апертурных антеннах излучение происходит в некоторой плоскости, называемой апертурой, или раскрывом. К этому типу антенн относятся рупорные, зеркальные и линзовые антенны (рис.3.11).

Простейшей апертурной антенной является волноводный рупор (рис.3.11а). Распространенным типом рассматриваемого вида являются зеркальные антенны, представляющие собой параболоид вращения, облучаемый, например, рупором (рис.3.11б). К апертурным относятся и линзовые антенны, выполненные из высококачественного диэлектрика (рис.3.11в).

Размеры апертуры обычно значительно больше длины волны, в результате имеется возможность создания остронаправленных лучей.

Антенные решётки.

Антенной решёткой называется совокупность ряда излучателей, расположенных на некоторой поверхности. В простейшем случае - это линейка излучателей (рис.3.12а)

Антенные решетки позволяют сужать диаграмму направленности. Если на пути электромагнитной волны поставить управляемый фазовращатель, то появляется возможность изменять направление излучения, создавать многолучевую диаграмму направленности или излучение специальной формы.

Решетки с возможностью управления фазой колебаний, излучаемых отдельном элементом, называют фазированными антенными решетками (ФАР) (рис.3.13)

Для уменьшения мощности источника колебаний, питающего решетку, увеличения надежности передающей системы последовательно с фазовращателями включают усилители мощности (УМ) (рис.3.14). Такие антенны называют активными фазированными антенными решетками (АФАР).

Антенны (от лат. слова antenna —- мачта, рея) в передатчиках служат для преобразования радиочастотных электрических колебаний в энергию электромагнитного поля (радиоволн), в приемниках — для преобразования энергии радиоволн в токи радиочастоты.

Любую антенну можно использовать как для передачи, так и для приема, причем ее характеристики (диапазон частот, направленные свойства и др.) сохраняются.

Этим в значительной мере объясняется тот факт, что назначение антенны (приемная или передающая) ее условное обозначение обычно не отражает. Само расположение символа антенны на схеме однозначно определяет ее функцию (напомним, что развитие схемы, как правило, происходит слева направо).

Рис. 1. Обозначение симметричных антенн на схемах.

Общее обозначение антенны применяют в тех случаях, когда нужно показать несимметричную антенну, т. е. антенну, соединяемую с передатчиком или приемником одним проводом (вторым проводам служит земля). Такие антенны используют в диапазонах длинных, средних и коротких воли. В ультракоротковолновом диапазоне, а также в коротковолновом применяют симметричные антенны, т. е. антенны с двухпроводным выходом (или входом). Общее обозначение симметричной антенны отличается от указанных наличием двух выводов (рис. 1,а).

Назначение и особенности антенны в самом общем виде показывают знаками направления распространения потока электромагнитной энергии. Символы приемной, передающей и приемно-передающей антенны, построенные с применением этих знаков, используются во многих схемах.

Стандарт ЕСКД предусматривает специальные знаки для указания таких особенностей антенн, как ширина и характер движения (вращение, качание) главного лепестка диаграммы направленности, тип поляризации, направленность по азимуту и высоте и т. д. В качестве примеров использования таких знаков на рис. 1 показаны условные обозначения вращающейся антенны (б) и антенн с горизонтальной (в) и вертикальной (г) поляризацией.

Для повышения эффективности несимметричных передающих и приемных антенн используют заземление (в простейшем случае — это металлический лист или труба, зарытые на глубину почвенных вод). На схемах заземление изображают тремя короткими штрихами, вписанными в прямой угол (рис. 2,а). Иногда вместо заземления применяют противовес — большое число проводов, натянутых над поверхностью земли на небольшой высоте. Такое устройство обозначают двумя параллельными линиями разной длины, большая из которых символизирует землю (рис. 2, 6).

Рис. 2. Обозначение на схемах заземления.

Рассмотренные условные обозначения построены функциональным методом. Другими словами, за их основу взят общий символ антенны, а характеристики выражены вспомогательными знаками. В радиотехнике такие обозначения применяют в основном в структурных и функциональных схемах, т. е. на первых этапах разработки прибора, когда характеристики антенны определены, а конкретный тип ее еще не выбран.

В принципиальных схемах чаще используют условные графические обозначения, напоминающие предельно упрощенные рисунки конкретных разновидностей антенн. Так, простейшую антенну — несимметричный вибратор (вертикальный провод, штырь) изображают отрезком вертикальной утолщенной линии (рис. 3). Подобные антенны применяют в диапазонах длинных, средних, коротких и ультракоротких волн.

Рис. 3. Антенна — несимметричный вибратор в приемнике.

Однако для хорошей работы такой антенны ее длина должна быть равна примерно четверти длины рабочей волны. В диапазонах коротких и ультракоротких волн, длина которых не превышает нескольких десятков метров, это требование выполнить легко, а вот на средних и тем более на длинных волнах — гораздо труднее, так как четверть длины волны в этих диапазонах достигает сотен метров.

Чтобы не строить дорогостоящие высотные сооружения, к верхнему концу вертикального провода (вибратора) присоединяют один или несколько горизонтальных проводов, действие которых заключается в кажущемся удлинении вибратора. На схемах Г-образную и Т-образную антенны обозначают символами, наглядно передающими их характерные особенности (рис. 4,а, б).

Рис. 4. Обозначение на схемах Г-образных и Т-образных антенн.

У рассмотренных несимметричных вибраторов излучателем (приемником) радиоволн служит вертикальная часть. В диапазонах же коротких и ультракоротких волн в силу особенностей их распространения обычно применяют антенны, у которых рабочими являются горизонтальные части.

Простейшей антенной в эдах диапазонах является симметричный вибратор, представляющий собой два изолированных горизонтальных проводника одинаковой длины, между которыми подключена двухпроводная линия, соединяющая антенну с приемником или передатчиком. Эту линию связи называют фидером (от англ. feeder — питатель). Общая длина вибратора обычно равна примерно половине длины рабочей волны. «

Симметричный вибратор (его условное графическое обозначение показано на рис. 5) обладает явно выраженными направленными свойствами. Лучше всего он принимает или излучает в плоскости, перпендикулярной его оси, хуже всего — в плоскостях, проходящих через нее. Поэтому такую. антенну (например, для приема телевидения) располагают таким образом, чтобы ее горизонтальные части (плечи) были перпендикулярны направлению на телецентр.

Рис. 5. Обозначение антенны "Симметричный вибратор".

На практике часто требуется, чтобы антенна могла излучать или принимать радиоволны в достаточно широкой полосе частот. Достигают этого ис; пользованием в качестве плеч вибратора нескольких параллельных провод,ни ков, соединенных концами.

Антенны такой конструкции, известные под названием диполя Надененко, нашли широкое применение в коротковолновой связи. С той же целью (расширение диапазона частот) телевизионные антенны часто изготовляют из отрезков толстых трубок или применяют сложные вибраторы, например петлевые.

Петлевой вибратор представляет собой два полуволновых вибратора, соединенных концами. Эта особенность конструкции петлевого вибратора нашла отражение и в его условном обозначении (рис. 6).

Рис. 6. Антенна - петлевой вибратор.

Важным условием хорошей работы антенны является согласование ее входного сопротивления с волновым сопротивлением фидера , так как только в этом случае она может излучать или принимать наибольшую мощность. Для согласования антенн с фидером используют специальные устройства в виде отрезков двухпроводных линий или применяют так называемое шунтовое питание вибраторов.

Симметричный вибратор шунтового питания представляет собой сплошной проводник длиной, также равной половине длины волиы. Фидер подключают к нему в двух точках, расположенных симметрично относительно его середины. Изменяя места подключения фидера к вибратору, можно добиться равенству входного сопротивления антенны волновому сопротивлению фидера, т. е. согласования. Точно так же согласовывают с фидером и петлевые вибраторы шунтового питания. Условное обозначение полуволнового вибратора с шунтовым питанием представлено на рис. 7.

Рис. 7. Условное обозначение полуволнового вибратора с шунтовым питанием.

При использовании в качестве фидера коаксиального кабеля возникает необходимость в симметрировании, т. е. создании условий, при которых токи в точках подсоединения к вибратору имеют противоположные фазы. На практике симметрирующее устройство выполняют в виде отрезка кабеля полуволновой длины, согнутого в виде буквы U.

Питание через коаксиальный кабель с симметрирующим устройством такого рода иллюстрирует условное обозначение петлевого вибратора, показанное на рис. 8 (кабель здесь обозначен кружком с отрезком касательной, параллельной линии электрической связи, а согласующее устройство — дугой, соединяющей выводы вибратора).

Рис. 8. Питание через коаксиальный кабель с симметрирующим устройством.

Для связи на коротких волнах антенны должны быть однонаправленными, т. е. излучать и принимать радиоволны они должны только с одного направления. Типичным представителем таких антенн является ромбическая антенна, представляющая собой ромб, выполненный из провода, стороны которого примерно вчетверо больше длины волны. К одному из острых углов антенны подключают двухпроводный фидер, а к другому — поглощающую нагрузку, сопротивление которой равно волновым сопротивлениям антенны и фидера. В условном обозначении ромбической антенны символ резистора (поглощающей нагрузки) уменьшен по сравнению с обычным примерно вдвое. Это делает обозначение антенны более компактным (рис. 9).

Рис. 9. Более компактное обозначение антенны.

В метровом и дециметровом диапазонах волн часто используют антенны «волновой канал », обладающие значительно большим, по сравнению с одиночным вибратором, коэффициентом направленного действия. Такая антенна, кроме основного — активного — вибратора, содержит неоколько пассивных. Один из них, расположенный за активным, называют рефлектором (от лат. reflectere — отражать), остальные (расположенные перед активным) — директорами (directio — направлять). Длина рефлектора — несколько больше, а директоров — несколько меньше длины активного вибратора. На схемах это показывают различной длиной соответствующих символов в условном обозначении антенны «волновой канал» (рис. 10).

Рис. 10. Условное обозначении антенны «волновой канал».

С целью улучшения направленных свойств антенн применяют также металлические рефлекторы в виде согнутых из металлического листа уголков, параболоидов и т. п. Условное обозначение такого рефлектора воспроизводит (конечно, упрощенно) его профиль в сечении. В качестве примера на рис. 11 доказаны условные графические обозначения антенны с излучателем (приемником) в виде симметричного вибратора и уголковым рефлектором (а) и антенны с криволинейным рефлектором (б), вибратор которой питается через коаксиальный кабель (симметрирующее устройство дли простоты не изображено) .

Рис. 11. Обозначения антенн с излучателем (приемником) в виде симметричного вибратора и уголковым рефлектором (а) и антенны с криволинейным рефлектором (б).

Для передачи электромагнитной энергии в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн используют волноводы — металлические Трубы, обычно прямоугольного сечения. Открытый конец волновода излучает электромагнитные волны. Чтобы улучшить излучение, к нему пристраивают пирамидальную воронку, которую называют рупорной антенной. Условное обозначение последней приведено на рис. 12. Здесь уголок, напоминающий гнездо разъемного соединения, символизирует рупор антенны, прямоугольник на присоединенной к нему линии электрической связи — волновод прямоугольного сечения.

Рис. 12. Антенна - пирамидальная воронка.

Улучшение направленных свойств в этих диапазонах волн можно также получить применением металлического рефлектора, поместив в его раскрыв рупорный излучатель (рис. 13). Хорошими направленными свойствами обладает и так называемая диэлектрическая антенна . Она представляет собой сплошной или полый стержень из высококачественного диэлектрика (полистирола, полиэтилена), на основание которого надет металлический стакан, выполняющий функции рефлектора. На расстоянии в четверть длины волны от дна стакана в теле антенны закреплен возбуждающий штырь.

Рис. 13. Рупорный излучатель.

Благодаря особой форме образующей стержня Электромагнитные волны выходят из него под одинаковыми углами к оси, в результате чего и создается направленное излучение. Условное графическое обозначение диэлектрической антенны — узкий заштрихованный наклонными линиями треугольник с линией-выводом от меньшего основания (рис.. 14).

Рис. 14. Условное графическое обозначение диэлектрической антенны.

Широкое применение в радиоприемной технике нашли так называемые магнитные антенны (они реагируют не на электрическую составляющую электромагнитных волн, как все рассмотренные ранее антенны, а на магнитную). Простейшая антенна такого типа — рамка, состоящая из одного или нескольких витков провода. Независимо от формы витков рамочную антенну изображают в виде незамкнутого квадрата с линиями-выводами от соседних сторон (рис. 15).

Рис. 15. Изображение рамочной антенны.

Гораздо чаще используют магнитные антенна с магнитопроводом из феррита. На схемах их обозначают как одну или несколько (по числу обмоток) катушек индуктивности с общим магнитопроводом, но в отличие от последних располагают всегда горизонтально (рис. 16,а).

Рис. 16. Магнитная антенна.

Принадлежность к антенным устройствам показывают общим символом, помещая его над серединой условного обозначения магнитопровода. Обмотки магнитной антенны обычно используют в качестве катушек входных колебательных контуров, поэтому обозначают их кодом катушек — латинской буквой L, а возможность подстройки их индуктивности (перемещением по магнитопроводу) показывают уже знакомым знаком подстроечного регулирования (рис. 16,6).

Литература: В.В. Фролов, Язык радиосхем, Москва, 1998.

В наши дни радио получило широкое распространение и теперь каждый человек с детства знает об радио, антенных и прочих уст­ройствах довольно много, а в то же время практически ничего, если рассматривать вопрос чисто профессионально. Что же такое антенна?

Антенной называется радиотехническое устройство, которое служит для преобразования энергии токов высокой частоты в энергию высокочастотного электромагнитного поля и для обратного преоб­разования.

В зависимости от вида преобразования энергии антенны могут быть передающими, приемными и универсальными. Универсальные ан­тенны служат и для приема и для передачи сигналов. Этот тип ан­тенн в авиационной радиотехнике применяется наиболее часто.

Ко всем антеннам применимо правило обратимости. Оно заклю­чается в том, что все характеристики антенн сохраняются постоянными и не зависят от того, работает ли антенна в режиме “передача” или в режиме “прием”.

В связи со спецификой условий применении радиотехнического оборудовании на ЛА конструкция антенн, устанавливаемых на них, может сильно отличаться от аналогичных антенн наземной аппара­туры.

С началом установки на ЛА приемо-передающих устройств возникла необходимость в разработке, установке и эксплуатации соответствующих АФУ. Отличительной чертой антенн ЛА являются некоторые повышенные требовании к габаритам, весу, обтекаемости и конструк­ции антенн. Антенны ЛА должны обеспечивать прием сигналов доста­точной мощности на заданных расстояниях, хорошо согласовываться с приемо-передающим трактом и, по возможности, не выступать за кор­пус (фюзеляж) ЛА.

Из курса физики вы знаете, что такое колебательный контур. Это замкнутая колебательная цепь, обладающая “сосредоточенными” параметрами L и C . Действительно, размеры катушки индуктивности и конденсатора очень малы по сравнению с длиной собственной волны контура, в то же время магнитное поле, сосредоточенное вокруг витков катушки, занимает практически малое пространство, а электрическое поле, ограниченное пластинами конденсатора, занимает еще меньшее пространство. Системы с сосредоточенными параметрами успешно применяются в схемах, предназначенных для генерации и усиления колебаний высокой частоты. Но эти системы не могут с достаточным успехом осуществить основные задачи радиотехники - излучения энергии в пространство и извлечения ее из него. Эти задачи выполняются колебательными цепями открытого типа, имеющими “распределенные” параметры L и C. Разновидностями открытых цепей и являются передающие и приемные антенны.

Рассмотрим принцип работы антенны на примере симметричного вибратора, представляющего собой провод, изолированный на концах и служащий примером открытой колебательной цепи. Само название вибратор говорит о том, что эта система обладает колебательными свойствами (рис. 8).

Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.

Антенны - преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование - электромагнитную волну, в ВЧ колебания.

Диаграмма направленности - графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.

Антенны

Симметричный вибратор

В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.

Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.

Диаграмма направленности симметричного вибратора

В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.

В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:

Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.

Несимметричный вибратор

Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.

Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.

Наклонная V-образная

Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V

Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.

Антенна бегущей волны

Также имеет название - антенна наклонный луч.

Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.

Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:

Антенна волновой канал

Здесь: 1 - фидер, 2 - рефлектор, 3 - директоры, 4 - активный вибратор.

Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор - активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.

За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:

Рамочная антенна

Направленность - двулепестковая

Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.

Как разновидность - рамочная антенна с рефлектором:

Логопериодическая антенна

Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.

Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 - это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:

Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.

Поляризация

Поляризация - это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.

Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный - горизонтальную.

Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.

При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.

Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.

PS:

Данная статья обрисовывает лишь небольшую часть антенн и не претендует на замену учебнику антенно-фидерных устройств. 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 рис.3.1. 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.

На рис.3.2. показаны диаграммы направленности симметричных вибраторов с разным соотношением L/l. Указанные фигуры представляют собой диаграммы направленности в плоскости, проходящей через ось вибратора. Пространственные диаграммы направленности представляют собой поверхности тел вращения, образуемых при вращении каждой кривой вокруг оси вибратора.

Рассмотрение рис.3.2. показывает, что пока 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.

Антенна волновой канал.

Антенна типа волновой канал представляет собой систему вибраторов, имеющих длину, близкую к половине длины волны, и расположенных перпендикулярно прямой линии, вдоль которой происходит излучение. Активным в антенне является только один вибратор, а остальные вибраторы - пассивные (рис.3.3.).

Первый вибратор пассивный называется рефлектором, за ним располагается активный вибратор, а затем вновь пассивные вибраторы - директоры. Антенна волновой канал излучает в направлении директоров и имеет диаграмму направленности близкую к игольчатой. Число директоров можно определить по заданному КНД антенны, используя приближенное соотношение:D=5N, где N - число директоров.

Методы расчета волнового канала позволяют получить лишь ориентировочные результаты, которые затем уточняются экспериментально.

Несимметричный вибратор.

Если вибратор расположен на расстоянии H от идеально проводящей плоскости, то в соответствии с принципом зеркальных изображений он эквивалентен двум вибраторам, расположенным на расстоянии 2H, причем вторым вибратором является зеркальное изображение первого. Если вибратор параллелен плоскости, над которой он расположен, то его изображение противофазно, если же перпендикулярен - синфазно. Указанное обстоятельство позволяет использовать только одно плечо симметричного вибратора, устанавливая его непосредственно у идеально проводящей плоскости перпендикулярно к ней. Выполненная таким образом вибраторная антенна называется несимметричным вибратором, причем ее параметры можно легко определить. Однако том случае, когда плоскость, над которой расположен вибратор, имеет конечную проводимость, расчет параметров антенны весьма сложен.

Для улучшения к.п.д. несимметричных вибраторов и уменьшения влияния свойств земли на его параметры делают заземление антенны или противовес. Заземление антенны представляет собой систему проводников, которую зарывают на некоторую, обычно не очень большую, глубину в землю. Противовес же является системой проводников, расположенных на некоторой высоте над землей. Размеры площади, охватываемой заземлением антенны (впротивовесом), должны быть достаточно большими (больше длины волны), а расстояние между проводниками следует брать небольшим (меньше четверти длины волны).

Характеристики вибратора в режиме 1/4l

Этот тип антенн представляет собой вибратор, у которого длина плеча равна четверти длины волны. У такого вибратора пучность тока находится точно у зажимов, а напряжение на них оказывается равным нулю. Входное сопротивление вибратора чисто активное, а реактивное сопротивление равно нулю. В виду отсутствия реактивной составляющей к.п.д. такой антенны будет максимальным. Вибратор ведет себя как последовательный резонансный контур с RA=73 Ом. Такой режим называют режимом работы на собственной (резонансной) волне. Иначе говоря, собственной волной антенны называют наибольшую длину волны, при которой реактивное сопротивление равно нулю.

Коэффициент направленного действия равен 1,641 и диаграмма направленности этого вида антенн имеет двухлепестковый характер с максимумами в направлении 900 и 2700 (см.рис.3.2.). Такие вибраторы применяются при проектировании узкополосных антенн в виду того, что значительно упрощается процедура согласования с фидерным трактом (выходом передатчика).

Характеристики вибратора в режиме L=5/8l

При длине плеча вибратора L=5/8l, диаграмма направленности несимметричного вибратора имеет один главный лепесток в направлении, перпендикулярном оси вибратора и два небольших боковых лепестка (рис.3.2.). Несмотря на наличие боковых лепестков направленность излучения в направлении, перпендикулярном оси вибратора, получается максимальной.

Это значит, что коэффициент усиления такой антенны будет максимальным. Реактивное сопротивление вибратора носит чисто емкостной характер и является относительно большим.

Одним из эффективных путей реализации антенны вертикальной поляризации с высокой направленностью состоит в том, чтобы формировать линейную антенную решетку, в которой комбинируется несколько синфазных коллинеарных излучающих элементов. Настройка антенн коллинеарного типа нуждается в точном расчете. На рис.3.5. изображены типичные конструкции коллинеарных антенн с графическим пояснением принципов их работы. В антенне на рис.3.4.а между полуволновыми излучающими элементами для обеспечения синфазного питания включены катушки индуктивности. Этот тип антенны называется нагруженной антенной и часто используется как автомобильная антенна.

Антенны, показанные на рис.3.4.б, в обычно известны как коаксиальные коллинеарные антенны. Этот вид антенн используются как антенны для автомобиля, так и антенны базовых станций. Синфазность питания этих антенн зависит от длины излучающих элементов и расстояния между ними, потому эти антенны узкополосные.Коллинеарные антенны имеют относительно большое усиление. Строятся они таким образом, чтобы, несмотря на большую длину антенн, исключить участки ее с токами противоположного направления. На рис.3.5. показаны варианты реализации антенны Маркони-Франклина.

Катушки на рис.3.4.а и участки линий на рис.3.4.б имеют электрическую длину полволны; в этих катушках и участках токи имеют противоположное направление, но они не излучают. На остальных излучающих участках антенны токи синфазны. Рис.3.6. поясняет конструкцию и принцип работы антенны из отрезков коаксиальной линии с перекрещиванием (рис.3.5.).

Внешние и внутренние проводники полуволновых отрезков соединены перекрестно. Внутренний проводник и внутренняя поверхность трубы служат линией питания, к которой в точках "а" и "б" подключаются излучающие вибраторы в виде внешних поверхностей трубы 1 и 2 или 3 и 4. У основания эта антенна должна питаться симметрично, иначе половина вибраторов получит потенциал земли, и не будет излучать. На рис.3.6. показан вариант такого вида антенны, отличающийся большей технологичностью в производстве.

Все современные коллинеарные антенны, как правило, заключеаются в диэлектрический (обычно стеклопластиковый) корпус, защищающий от климатических воздействий являющийся опорной конструкцией.

У антенн, запитываемых с одного конца, каковыми являются все рассмотренные выше коллинеарные антенны, ток, по мере приближения к другому концу антенны, спадает из-за затухания, обусловленного излучением, особенно у антенн с относительно большими поперечными сечениями. Это приводит к расширению основного лепестка, уменьшению боковых лепестков и КНД. Эти антенны узкополосны, поскольку правильная фазировка их элементов определяется соотношением длины волны и размеров частей антенны.Применение таких антенн в качестве стационарных для базовых станций в отличие от антенных решеток имеет ряд преимуществ. Такие антенны легко монтируются в виду небольших массогабаритных характеристик, имеют довольно высокий коэффициент усиления и равномерную круговую диаграмму направленности.В качестве антенны подвижного средства могут также применяться коллинеарные антенны особенно для высокочастотных диапазонов 800…900 МГц.

Антенна, показанная на рис.3.7., представляет собой антенну Маркони-Франклина с малым числом секций и одной фазирующей катушкой. Катушка используется и в части механических свойств - придает антенне гибкость, желательную для антенн подвижных средств.

Входное сопротивление антенны оказывается чисто активным лишь при работе на резонансных волнах. Если антенна возбуждается на других волнах, то для подведения к антенне максимальной мощности передатчика необходимо произвести настройку антенны, осуществляя согласование. Т.е. скомпенсировать реактивную составляющую входного сопротивления. В режиме удлинения, характерном для этого типа антенн, для компенсации реактивной составляющей обычно используют катушку индуктивности, которая как бы удлиняет вибратор (рис.3.8).

Индуктивность полностью включенной катушки должна быть такой, чтобы ее сопротивление скомпенсировало емкостное сопротивление антенны.

Укороченные антенны (антенны в режиме удлинения) находят широкое применение как антенны, устанавливаемые на подвижных объектах (автомобиль, самолет и т.д.). Это вызвано тем, что такие антенны легко маскируются, противостоят значительным ветровым нагрузкам и удобны в эксплуатации. Но на длинах волн, не кратных 0,25l, возрастает реактивная составляющая входного сопротивления антенны, что приводит к усложнению настройки антенны. При длине плеча L=5/8l достигается максимальная характеристика направленности антенны, но входное сопротивление имеет сильную емкостную составляющую, для компенсации которой и ставят катушку согласования.

Конструктивные особенности антенн для автомобиля и стационарных антенн.

Основные требования, предъявляемые к конструкции антенн для автомобиля - компактность и устойчивость работы в сложных условиях эксплуатации на транспортном средстве. При использовании в системах специальной подвижной связи в ряде случаев добавляется требование скрытности размещения. По этим причинам в составе радиостанций подвижных объектов применяются одновходовые антенны, имеющие малые габариты и простую конструкцию. Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяют несимметричные вертикальные вибраторы, устанавливаемые на крыше автомобиля и использующие ее в качестве противовеса.

В качестве антенн подвижных объектов могут также применяться и более эффективные коллинеарные антенны, обеспечивающие более высокий КНД. Однако при этом увеличивается вертикальный габарит автомобиля, усложняется и удорожается конструкция самой антенны, возрастают ветровые нагрузки от набегающего потока воздуха при движении. Кроме того, при использовании коллинеарной антенны, вследствие значительного ее вертикального размера, затрудняется обеспечение скрытности.

Несимметричный вертикальный вибратор представляет собой трубку, нижняя точка которого есть точка питания вибратора.

По способу установки излучателя на крыше кузова автомобиля есть два варианта исполнения: с закреплением излучателя посредством болтов или винтов и с фиксацией положения излучателя посредством постоянного магнита, размещенного на основании. Первый вариант крепления антенны для автомобиля обеспечивает наиболее надежную фиксацию излучателя. Однако он предполагает наличие отверстий в крыше кузова не допускает изменение положения излучателя. Второй вариант позволяет оперативно изменять положение излучателя или вовсе снимать его с крыши. Постоянный магнит помещен в тороидальный магнитопровод, который является проводником и одновременно служит основанием ("землей" для согласующей схемы). По высокой частоте электрическая связь основания с крышей обеспечивается через болты и через емкость между основанием и крышей, а при использовании магнитного основания - только через эту емкость. Для используемых частот ее величина достаточно высока.

Основными электрическими характеристиками антенн для автомобиля являются коэффициент усиления, характер диаграммы направленности, уровень согласования и ширина полосы согласования. Допустимая входная мощность в данном случае не является критичным параметром, поскольку мощности передатчиков на подвижных объектах обычно невелики.

Размещение излучателя антенны в целях скрытия или по эстетическим соображениям, вблизи от металлических поверхностей кузова, в углублениях (например, фар) и т.п. приводит к уменьшению сопротивления излучения, следовательно, к ухудшению согласования, сокращению рабочей полосы частот; кроме того, искажается диаграмма направленности антенно-фидерного устройства. В этом смысле размещение вертикально поляризованной антенны, например, вертикального штыря, на крыше автомобиля является оптимальным. При смещении такой антенны от центра крыши к краю входное сопротивление антенны, а следовательно, ее согласование с фидером, будет изменяться относительно мало, поскольку оно определяется преимущественно ближними реактивными полями, ограниченными относительно небольшими расстояниями от антенны, т.е. небольшим участком крыши. Но этого нельзя сказать о диаграмме направленности. Представив крышу металлическим листом ограниченных размеров, получим диаграммы направленности, примерно соответствующие показанным на рис.3.9 - 3.11.

При размещении вертикального вибратора в центре листа размеров три длины волны получим приподнятую и симметричную диаграмму направленности в вертикальной плоскости (рис.3.10.).

При смещении вибратора к краю листа (рис.3.11.) диаграмма направленности в вертикальной плоскости становится несимметричной: с той стороны, где вибратор ближе к краю, диаграмма направленности приподнята больше.

Азимутальные диаграммы направленности при круговом листе будут ненаправленными, при прямоугольном - близки к ненаправленным. На рис.3.11. приведен для этого случая примерный вид азимутальной диаграммы направленности под углом 300 к горизонту - она уже существенно отличается от ненаправленной. Очевидно, что оптимальным местом размещения антенны является середина крыши автомобиля.

При размещении антенно-фидерных устройств на стационарных объектах должно соблюдаться территориальное разнесение передающих и приемных антенн, обусловленное требованиями электромагнитной совместимости, рационального и эффективного использования радиооборудования, антенно-фидерных устройств и площади, на которой предстоит размещать антенны.

Взаимное влияние между антеннами может проявляться в боковом отклонении главного лепестка горизонтальной диаграммы направленности, в увеличении уровня ее боковых лепестков и угла отжатия от земли максимума вертикальной диаграммы. Для предотвращения подобного рода нежелательных явлений необходимо избегать расположения рядом с антенной проводов и других антенных устройств, размеры которых близки к резонансным с рабочей волной антенны. Недопустимым является взаимное влияние антенн. Для неискаженного формирования диаграмм направленности перед каждой антенной должна быть создана так называемая площадка свободной зоны.

Значительное влияние на формирование диаграммы направленности оказывает способ монтажа антенны (сверху мачты или на боковой стороне или ребре), а также размеры характер поперечного сечения мачты. На рис.3.12. показана зависимость искажения диаграммы направленности от поперечных размеров и сечения мачты.

Из рисунка видно, что увеличение диаметра мачты неизбежно приводит к образованию провала в ДН в азимутальной плоскости с тыльной, относительно антенны, стороны. Кроме того, для уменьшения взаимного влияния двух антенн (приемной и передающей) проводят их разнесение по фронтальной плоскости.

Зависимость затухания сигнала (в дБ) от отношения расстояния разноса антенн к длине волны показано на рис.3.13. При желаемой (заданной) развязке между антеннами в дБ и известной длине рабочей волны (в метрах) по графику определяется горизонтальное разнесение между антеннами (в метрах). Когда горизонтальное разнесение антенн по каким-либо причинам не представляется возможным (или достаточным), применяют и вертикальное разнесение антенн. На рис.3.14. представлен график зависимости затухания сигнала (в дБ) от отношения величины разнесения антенн к длине волны.

Величину вертикального разнесения антенн при желаемой (заданной) развязке между ними в дБ и известной длине рабочей волны (в метрах) определяется по графику также как и для горизонтального.Для обеспечения устойчивости связи необходимо учитывать все приведенные выше параметры размещения антенн и учитывать возможности взаимного влияния антенн друг на друга, особенно в условиях ограничения площадок развертывания антенных систем.