Глава 2. Антенна как элемент радиотехнической системы

2.1 Понятие антенны

Антенна — устройство, которое излучает подведенную к нему высокочастотную энергию в виде электромагнитных волн в окружающее пространство (передающая антенна) или принимает высокочастотную энергию свободных колебаний (приемная антенна) и превращает ее в энергию электромагнитных колебаний, поступающую по фидеру на вход приемного устройства.        

 

Передающая и приемная антенны обладают свойством взаимности, т. е. одна и та же антенна может излучать или принимать электромагнитные волны, причем в обоих режимах она имеет одинаковые свойства (параметры).

      

                                    

Рис.2.1. Структурная схема антенны

 

К передающим антеннам предъявляют дополнительные требования, связанные с большими подводимыми мощностями ВЧ энергии, поэтому конструктивно приемные антенны проще передающих.                                                                                                                                    

 

Свойства взаимности широко используются для определения характеристик антенн, т. к. некоторые параметры проще определять в режиме передачи, чем в режиме приема. Каждая антенна имеет целый ряд определенных характеристик, необходимых для оценки ее качества.

Назначение антенны поясняется упрощенной схемой радиолинии (Рис.2.2). Электромагнитные колебания высокой частоты, модулированные полезным сигналом и создаваемые генератором, преобразуются передающей антенной в электромагнитные волны и излучаются в пространство. Обычно электромагнитные колебания подводят от передатчика к антенне не непосредственно, а с помощью линии питания (линия передачи электромагнитных волн, фидер). При этом вдоль фидера распространяются связанные с ним электромагнитные волны, которые преобразуются антенной в расходящиеся электромагнитные волны свободного пространства.           

 

Рис.2.2. Упрощенная схема линии радиосвязи

Приемная антенна улавливает свободные радиоволны и преобразует их в связанные волны, подводимые с помощью фидера к приемнику. В соответствии с принципом обратимости антенн свойства антенны, работающей в режиме передачи, не изменяются при работе этой антенны в приемном режиме. Устройства, аналогичные антеннам, применяют также для возбуждения электромагнитных колебаний в различных типах волноводов и объемных резонаторов.

 

2.2  Классификация антенн

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

 

Рассматриваются антенны следующих волновых диапазонов: мириаметровые (сверхдлинные) волны; километровые (длинные) волны; гектометровые (средние) волны; декаметровые (короткие) волны; метровые волны; дециметровые волны; сантиметровые волны; миллиметровые волны. Последние четыре диапазона иногда объединяют общим названием "ультракороткие волны" (УКВ).

 

 

С точки зрения рабочего диапазона современные антенны можно разбить на:

                                                                                                                                                                    а) узкополосные (настроенные), основные параметры которых (входное сопротивление, ширина ДН, коэффициент направленного действия и др.) сильно зависят от частоты, вследствие чего эти антенны могут работать без перестройки только в узкой полосе частот (относительная полоса частот составляет менее 10%);

 

б) широкодиапазонные, работающие без перестройки в широком диапазоне частот (от 10% и выше), причем их основные параметры зависят от частоты, но значительно слабее, чем у настроенных антенн;

 

в) частотонезависимые, основные параметры которых теоретически не зависят от частоты.

 

 

 

Также антенны можно классифицировать по способу формирования излучаемого поля, выделяя следующие 4 класса антенн:

 

1. Излучатели небольших размеров (1 < λ) для диапазона частот 10 кГц - 1ГГц. К числу антенн этого класса относятся одиночные вибраторные и щелевые излучатели, полосковые и микрополосковые антенны, рамочные антенны, а также частотонезависимые излучатели.

 

Рис.2.3. Эскиз синфазной щелевой антенны на прямоугольном волноводе (1- коаксиально-волноводный переход, 2- щель, 3- короткозамыкающий поршень)

 

2. Антенны бегущей волны размерами от λ до10 λ, и для диапазона частот 3 МГц - 10 ГГц. Сюда относятся спиральные, диэлектрические, директорные, импедансные антенны, а также антенны "вытекающей" волны.

   

Рис.2.4. Диэлектрическая антенна (1- конусообразный стержень, 2- штырь, излучающий

РВ в стержень, 3- питающий фидер)

 

 

З. Антенные решетки размерами от λ, до 100 λ, и более для частот 3 МГц - З0 ГГц. Это антенны, состоящие из большого числа отдельных излучателей. Независимая регулировка фаз возбуждения каждого элемента антенной решетки обеспечивает возможность электрического управления диаграммой направленности. Применяются линейные, плоские, кольцевые, выпуклые и конформные антенные решетки. На основе антенных решеток заполняют антенные системы с обработкой сигнала, в том числе адаптивные к изменяющейся помеховой обстановке.

                                          

 

Рис.2.5. Фазированная антенная решетка из четырех вертикально расположенных директорных антенн

4. Апертурные антенны размерами от λ до 1000 λ для диапазона частот 100 МГц - 100 ГГц и выше. Наиболее распространены зеркальные, рупорные и линзовые апертурные антенны. К апертурным антеннам примыкают так называемые "гибридные" антенны, представляющие сочетание зеркал или линз с облучающей системой в виде антенной решетки. Апертурные антенны строятся по оптическим принципам и обеспечивают наиболее высокую направленность излучения.

 

 

                                                                                                  Рис.2.6. Рупорная антенна

 

 

 

2.3  Параметры, характеризующие направленные свойства антенн

 

Сравнивать и оценивать свойства антенн любых типов можно по их параметрам.       

Характеристика направленности (ХН).      Электромагнитные волны излучаются антенной в различных направлениях неравномерно. Антенн, излучающих электромагнитные волны равномерно во все стороны, не существует. Распределение в пространстве напряженности электрического поля, созданного антенной, характеризуется амплитудной характеристикой направленности. Она определяется зависимостью амплитуды напряженности создаваемого антенной поля (или пропорциональной ей величины) от направления на точку наблюдения в пространстве. Направление на точку наблюдения определяется азимутальным j и меридиональным q углами сферической системы координат. При этом амплитуда напряженности электрического поля измеряется на одном и том же (достаточно большом) расстоянии r от антенны.

 Диаграмма направленности (ДН).        Графическое изображение характеристики направленности называют диаграммой направленности.  Диаграмма направленности приемной антенны характеризует зависимость ЭДС, наведенной в антенне электромагнитным полем, от ориентации ее в пространстве. Строится она в полярной (сферической) — Рис.2.7 или в прямоугольной системах (Рис.2.8) координат в двух характерных плоскостях (горизонтальной и вертикальной).

При повороте антенны в ту или другую сторону от нулевого направления на диаграмме откладываются величины, соответствующие отношению Е/Еmax. Если возвести в квадрат относительные значения ЭДС, соответствующие различным направлениям прихода сигнала, то можно построить диаграмму направленности по мощности.                                                 Лепесток, соответствующий максимальному сигналу или нулевому направлению, называют основным или главным, остальные — боковыми или задними (в зависимости от расположения по отношению к главному лепестку).

  Рис.2.7. Диаграмма направленности антенны в полярной системе координат

 

Рис.2.8. Диаграмма направленности антенны в прямоугольной системе координат (20 – ширина ДН по нулевой мощности, 20,5 – ширина ДН по половинной мощности, 1 – уровень первого бокового лепестка)

 

Для удобства сравнения диаграмм направленности разных антенн их обычно нормируют, для чего максимальную величину ЭДС принимают за единицу. Основным параметром диаграммы направленности является угол раствора (ширина) главного лепестка, в пределах которого ЭДС, наведенная в антенне электромагнитным полем, спадает до уровня 0,707, или мощность, спадающая до уровня 0,5 от максимальной. По ширине главного лепестка судят о направленных свойствах антенны. Чем эта ширина меньше, тем больше направленность антенны.                                                                                                                        

 

Форма диаграммы направленности зависит от типа и конструкции антенны. Диаграмма направленности полуволнового вибратора в горизонтальной плоскости  напоминает восьмерку, а в вертикальной — круг. Антенна типа «Волновой канал» в своей диаграмме направленности имеет ярко выраженный главный лепесток, а с увеличением числа директоров в антенне главный и боковые лепестки сужаются, при этом улучшаются направленные свойства антенны.

 

Коэффициент направленного действия (КНД).        Характеризует направленные свойства антенн и представляет собой число, показывающее, во сколько раз мощность сигнала, принятая антенной, больше мощности, которую примет эталонная антенна (полуволновой вибратор). КНД (D) зависит от ширины диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскости. Приближенная формула имеет вид

                   

                                                                               D = 41200k²/HV,                                                      (2.1)

 

где k — коэффициент, равный 1°;

Н — ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, град.;

V— ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости, град.   

 

 

Рис.2.9. Диаграммы направленности антенн (А - направленная антенна, Б - изотропная)

 

 

На практике часто требуется оценить КНД по отношению не к ненаправленной, а к дипольной антенне. В этом случае значение КНД, вычисленное по указанной формуле, должно быть уменьшено в 1, 64 раза. Для расчета КНД в децибелах берут 10 десятичных логарифмов значения КНД [D(дБ) = 10 Ig D] и для расчета по отношению к диполю уменьшают полученное значение на 2,15 дБ.

 

Коэффициент усиления (КУ).         Коэффициент усиления антенны показывает, насколько уровень наводимого в ней сигнала превышает уровень сигнала на эталонной антенне. В качестве эталонной антенны принимают полуволновый вибратор или изотропную антенну (полностью ненаправленная антенна, имеющая пространственную диаграмму направленности в виде сферы). Реально таких антенн нет, но она является удобным эталоном, с помощью которого можно сравнивать параметры существующих антенн. Коэффициент усиления полуволнового вибратора относительно изотропной антенны равен 2.15 дБ (1.28 раза по напряжению или 1.64 раза по мощности). Следовательно, если возникнет необходимость пересчитать коэффициент усиления антенны по напряжению или по мощности относительно изотропной антенны, то необходимо разделить известную величину на 1.28 или 1.64, в результате чего получим коэффициент усиления относительно полуволнового вибратора. Если G антенны указан в децибелах относительно изотропной антенны, то для пересчета его относительно полуволнового необходимо вычесть 2.15 дБ.

Например, если относительно изотропной антенны G = 6,5 дБ, то относительно полуволнового вибратора G = 6, 5 - 2, 15 = 4, 35 дБ.

При сравнении антенн следует обращать внимание на то, в чем выражен коэффициент усиления — по напряжению или по мощности:

                                  

                                                                          Gp=Ра/Рэ=10lgРа/Рэ (дБ),                                                 (2.2)

                                                                     Gu = Uа/ Uэ = 20Ig Uа / Uэ (дБ),                                           (2.3)

 

где Pa — мощность, принятая антенной;

Рэ — мощность, принятая эталонной антенной;

Ua — напряжение на антенне;

Uэ — напряжение на эталонной антенне.

 

Среднее значение коэффициента усиления антенны в рабочей полосе частот — это среднее арифметическое значение коэффициентов усиления в децибелах, измеренных на средних частотах каждого из каналов, входящих в рабочую полосу частот, а также на крайних частотах этой полосы.  Неравномерность коэффициента усиления — отношение максимального коэффициента усиления к минимальному в полосе частот принимаемых каналов.

Эффективная площадь антенны.      Приемная антенна может рассматриваться как барьер установленный на пути распространения радиоволны и поглощающий определенную долю энергии, переносимую волной. Если параллельно фронту волны (перпендикулярно направлению распространения волны) установить плоский барьер, обладающий свойством абсолютно черного тела площади S_эфф, то он поглотит мощность

                                                                                                               (2.4)

Принято антенну характеризовать эффективной площадью S_эфф, понимая под этим площадь барьера со свойствами абсолютно черного тела, установленного перпендикулярно направлению распространения волны и поглощающего такую же мощность Р, какую поглощает антенна в оптимальном режиме Р _опт

                                                                                                                                                         (2.5)

где lд - действующая длина антенны.

Если R_вх выразить через коэффициент усиления G, получим

                                                                                                                                                            (2.6)

Понятие эффективной площади введено применительно к приемным антеннам. Но выражается S_эфф через параметры антенн в режиме передачи (l_д, R_вх, G), и поэтому выступает как параметр также передающих антенн. Этот параметр очень удобен при ориентировочных расчетах. Дело в том, что у многих антенн (проволочных и дифракционных) эффективная площадь S_эфф связана простым соотношением с геометрической площадью S антенны (с площадью раскрыва у зеркальных, линзовых и рупорных антенн, с площадью решетки вибраторов у синфазных антенн и т. п.)

                                                    S_эфф = vS ,                                                                   (2.7)

где коэффициент v, названный коэффициентом использования площади раскрыва антенны, составляет около 0,5 - 0,6, редко - немного больше, но не достигает в реальных установках единицы.

 

2.4  Параметры, характеризующие электрические свойства антенн

 

Полоса пропускания.      Полоса пропускания  - полоса частот, в пределах которой обеспечивается передача (приём) без существенных искажений всего спектра частот передаваемого (принимаемого) сигнала.

В основном ширина полосы пропускания антенны определяется зависимостью её входного сопротивления от частоты. Эта зависимость приводит к изменению величины относительной амплитуды и фазы напряжённости излучаемого поля на различных частотах спектра сигнала, что при приеме вызывает искажение последнего. При питании фидером изменение её входного сопротивления вызывает рассогласование, т.е. появление отражённых волн в фидере, что приводит к нелинейности фазовой характеристики фидера и к искажению формы передаваемого или принимаемого сигнала. Особенно существенны искажения широкополосных сигналов (телевидение, многоканальная радиорелейная телефонная связь).

В идеальном случае в требуемой полосе частот R_вх постоянно и X_вх равно нулю. Добиться этого в достаточно широкой полосе частот принципиально невозможно, поэтому устанавливают определенные допуски на изменение R_вх и X_вх, зависящие от характера передаваемого сигнала. Зависимость направленных свойств антенны от частоты так же влияет на относительную величину напряженности поля в точке приема на различных частотах спектра передаваемого сигнала, что так же может вызвать искажения этого сигнала. Однако обычно в пределах требуемой полосы пропускания направленные свойства антенны изменятся мало.

 

Рабочий диапазон.       Рабочим диапазоном антенны называется диапазон частот, в пределах которого антенна удовлетворяет определенным техническим требованиям. Ширина рабочего диапазона, а так же требования, предъявляемые в нем к антенне, могут быть различными. Например, в случае длинноволновых и средневолновых антенн КПД их в рабочем диапазоне не должен быть ниже определённой величины, должна быть обеспечена возможность передачи заданной мощности, на различных рабочих волнах заданного диапазона должна быть обеспечена необходимая полоса пропускания. В случае коротковолновых антенн направленные свойства во всем рабочем диапазоне должны оставаться приемлемыми, входное сопротивление должно изменяться в допустимых пределах, чтобы можно было переходить с одной рабочей волны на другую без перестройки антенны.

 

Коэффициент полезного действия (КПД).      Реальные антенны выполняются из проводов или металлических поверхностей с конечной проводимостью, или из диэлектрика, обладающего потерями. Поэтому не вся мощность, подводимая к антенне, превращается в мощность излучения, а часть выделяется в виде тепла в антенне, в близко расположенных предметах и в земле. Коэффициентом полезного действия антенны называется отношение излучаемой мощности (P_Σ) к мощности, подводимой к антенне (Р₀)

                                                                                         η = P_Σ / P₀.                                                       (2.8)

Подведенная мощность равна сумме мощности излучения и мощности потерь

                                                                                                                                   (2.9)

где I₀ - амплитуда тока в точках питания антенны;
R_Σ - сопротивление излучения, отнесенное к току в точках питания;
R_пот - сопротивление потерь, отнесенное к току в точках питания.

С учетом данного выражения формулу (2.8) можно переписать в виде

                                                                                                         (2.10)

 

Шумовая температура.     Для сверхнаправленных приемных антенн, подключенных к приемникам высокой чувствительности, часто бывает необходимо знать так называемую шумовую температуру Т_АШ антенны. Она определяется как температура резистора с сопротивлением, равным входному сопротивлению антенны, который  при подключении к входу приемника, выделяет в нем такую же мощность шума, как и сама антенна. Мощность шумов антенны, зависящая от собственных тепловых шумов, невелика. Шумы антенны главным образом определяются поступающим на вход приемника шумовым радиоизлучением от космических источников, а также тепловым излучением земной атмосферы и предметов, расположенных вблизи антенны. Мощность шумов антенны (в ваттах) при известном значении Т_АШ равна

                                                                                 Р_АШ = КТ_АШ Df ,                                                          (2.11)

где  К = 1,38 10-23 Вт с/град;                                                                                                                   Df – полоса пропускания линейной части приемного тракта, Гц.

Для остронаправленной антенны, ориентированной в зенит, Т_АШ достигает 100К и даже меньше, в то время как при ориентировании на земную поверхность Т_АШ »300⁰К.

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

                                                     

                                                                                       lд=U/Е                                                                   (2.12)

 

где U — значение ЭДС на зажимах антенны, мВ;

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

 

Действующая длина антенны (lд) связана с коэффициентом усиления и входным сопротивлением антенны следующим образом

                  

                                                                                  lд= (l /3.14),                                                  (2.13)

 

где l — средняя длина волны, м;                                                                                                            G — коэффициент усиления антенны;                                                                                                           Ra — сопротивление антенны, Ом.

 

Действующая длина полуволнового вибратора равна

               

                                                                      lд= l / 3.14    (при G=1, Ra=73,1 Ом)                                   (2.14)

 

В общем случае напряжение на выходе антенны, согласованной с приемником, определяется как

                                

                                                                                   U=lдE/2 ,                                                                  (2.15)

 

где  U — значение ЭДС на выходе антенны, мкВ;                                                                                            Е — напряженность электрического поля в месте приема, мкВ/м.

 

Обычно понятие действующей длины вводят для вибраторов с длиной плеча lп<= 0.7l.

 

 

Сопротивление излучения антенны.   Поскольку антенна потребляет от источника активную мощность (излучая её в эфир), то по аналогии с любой электрической схемой потребляющей мощность вводят сопротивление, на котором эта мощность выделяется. В данном случае оно называется сопротивлением излучения Rизл. Надо подчеркнуть, что физически этого сопротивления нет. Rизл всего лишь математический коэффициент, связывающий излученную антенной мощность с квадратом максимальной амплитуды тока в антенне. Но Rизл весьма наглядный параметр, характеризующий эффективность излучения антенны, поэтому часто используется.

Rизл весьма сложным образом зависит от размеров антенны, её геометрии, и распределения тока. В частном случае простой линейной антенны длиной до волны (при условии, что нет участков с противофазно протекающими токами) Rизл прямо пропорционально площади под распределением тока по антенне. Отсюда вытекает важный для практики укороченных антенн вывод: при одинаковой физической длине эффективнее излучает (то есть имеет более высокое Rизл) та антенна, по которой протекают больший ток, и по которой он равномернее распределен.

 

На рисунках  2.10. и 2.11. показано как зависит Rизл симметричного диполя, находящегося в свободном пространстве от его размера.

       
         Рис.2.10.                                     Рис.2.11.

 

Волновое сопротивление.      Волновое сопротивление антенны (W)  является одним из важных параметров. Рассматривается волновое сопротивление методами теории длинных линий. Волновое сопротивление линии равно корню квадратному отношения распределенной вдоль линии индуктивности к распределенной вдоль этой же линии емкости. Физически волновое сопротивление линии показывает, какое эквивалентное сопротивление линия оказывает генератору. Хотя волновое сопротивление рассчитывается исходя из реактивных сопротивлений, оно имеет активный характер. Физически это соответствует тому, что линия потребляет энергию от генератора. В зависимости от сопротивления нагрузки линии режим ее работы может иметь различный характер. Для идеальной длинной линии волновое сопротивление

                                                                                                                                                                          (2.16)

где L_пог - погонная индуктивность, Г/м; С_пог - погонная емкость, Ф/м, связанная с диэлектрической ε и магнитной μ проницаемостями среды соотношением

                                                                                                                                                  (2.17)

Если провода находятся в воздухе, то

                                                                                     (2.18)

В соответствии с (2.18) применяется следующая методика определения волнового сопротивления антенн: сначала вычисляется емкость С (электростатическая) антенны, затем делением емкости (в фарадах) на длину (в метрах) определяется погонная емкость С_пог, после чего по формуле (2.18) рассчитывается волновое сопротивление W.

 

Входное сопротивление.          Входное сопротивление антенны характеризует ее импедансные свойства в точке питания (в месте подсоединения фидера) и равно отношению напряжения к току на входе фидера. В общем случае входное сопротивление антенны Zвх содержит резистивную Rвх и реактивную Хвх (емкостную или индуктивную) составляющие

                                                  

                                                                                          Zвx = Rвx + Хвх  .                                                     (2.19)

 

Чем меньше реактивная составляющая Хвх и чем ближе Rвx к волновому сопротивлению фидера линии, тем лучше антенна согласована. Невыполнение условия согласования приводит к появлению многократных отражений сигналов в антенном фидере  и частичной потере мощности принимаемых сигналов.  Для уменьшения потери мощности антенну необходимо настроить в резонанс. Практически настройка сводится к подбору геометрических размеров и элементов антенны, а также расположения клемм, к которым подводится фидерная линия. Резонанс антенны достигается в том случае, когда по длине вибратора укладывается целое число полуволн. Если число полуволн, укладывающихся вдоль вибратора, нечетное (l/2, 3l/2 и т.д.), то входное сопротивление мало (от 73 Ом при длине вибратора l/2 до 120 Ом при большем числе полуволн). Если же число полуволн четное (l, 2l, 3l и т.д.), то входное сопротивление велико (от 400 - 500 Ом до 1- 2 кОм в зависимости от диаметра проводников).  На частотах ниже резонансной реактивная составляющая имеет емкостный, а на частотах выше резонансной — индуктивный характер. Входное сопротивление антенны также зависит от объектов, находящихся вблизи антенны и влияющих на распределение поля в пространстве, что необходимо учитывать при установке антенны.

 

 

Помимо рассмотренных основных электрических параметров антенн существует целый ряд дополнительных специфических параметров как электрических, так и экономических, конструктивных, эксплуатационных.