Антенны - назначение, принцип работы

Передающие антенны - устройства для преобразования высокочастотных токов (напряжений) в электромагнитное поле, приемные антенны выполняют обратные преобразования. Соединение антенн с приемниками и передатчиками осуществляется с помощью фидеров - линий для передачи энергии радиочастотных сигналов от радиопередатчика к антенне или от антенны к радиоприемнику.

Антенну можно рассматривать как открытый колебательный контур. В обычном контуре электрическая энергия сосредоточена между обкладками конденсатора, а магнитная - между витками катушки. Для того чтобы " выпустить" электрическое поле наружу, необходимо раздвинуть обкладки конденсатора. Для сохранения значения емкости при этом необходимо увеличивать размеры обкладок. Аналогичным образом создается внешнее магнитное поле. В пределе колебательный контур превращается в два провода. Т.о. антенны представляют собой цепи с распределенными параметрами, в которых индуктивность и емкость распределены вдоль проводника, длина которого должна быть соизмерима с длиной волны электрических сигналов. Для создания электромагнитных волн необходимо подключить сигнал в разрыв между проводами, которые называются вибратором. Максимальную энергию вибратор излучает при резонансе, т.е. когда длина проводников равна половине длины волны. Такую антенну называют полуволновым вибратором.

Если вибратор поместить в переменное электромагнитное поле, под влиянием поля в нем возникнут колебания тока и напряжения, т.е. вибратор в этом случае выполняет роль приемной антенны.

Максимальное значение амплитуды тока возникнет, когда длина приходящей волны равна удвоенной длине вибратора. Максимальное значение тока возникает в середине вибратора, поэтому фидер (провод) для передачи тока к приемнику следует подключать к разрыву в середине вибратора (такой вибратор называют симметричным – рис.3.1).

Симметричный полувибратор

I λ /4

~

λ /4

Рис.3.1.

Антенны излучают или принимают электромагнитные волны в различных направлениях неодинаково. Характеристикой направленности антенны называют зависимость мощности излучения от направления на одинаковом расстоянии от антенны. График этой зависимости называют диаграммой направленности, численное значение - коэффициентом направленности. На рис. 3.2. показана диаграмма направленности (ДН) полуволнового вибратора для плоскости, в которой он расположен (вертикальная ДН а), и плоскости, перпендикулярной его оси (горизонтальная ДН б). В первом случае существуют два максимума излучения (приема) в направлении, перпендикулярном оси вибратора, во втором случае вибратор излучает энергию равномерно во всех направлениях.

Диаграмма направленности антенны типа полуволновой вибратор

L= 0, 5l

а) б)

Рис.3.2

Приведенная на рисунке диаграмма направленности симметричного полувибратора соответствует случаю, когда он расположен далеко от поверхности земли (на расстоянии много больше длины волны), т.е. в свободном пространстве. Проводящая земная поверхность изменяет характер процессов в антенне и ее диаграмму направленности.

Влияние земной поверхности можно учесть с помощью зеркального изображения антенны. Рассмотрим вертикальный проводник длиной L, касающийся одним концом земной поверхности. Резонансная длина волны такого вертикального несимметричного вибратора равна учетверенной длине вибратора (рис.3.3). Такие антенны (их называют " штыри") устанавливают на судах. При длине вибратора меньше четверти длины волны для увеличения " электрической" длины антенны к верхнему концу присоединяют отрезок горизонтального провода, что создает дополнительную емкость (Г- или Т-образная антенна).

Вертикальная диаграмма направленности антенны типа несимметричный полувибратор

L=0, 25l

Рис.3.3

При изменении длины волны излучения для настройки антенны в резонанс используют согласующее устройство - включают колебательный контур с переменными параметрами. Согласующее устройство включают на выходе радиопередающего устройства для увеличения мощности, передаваемой в антенну. В современных радиопередатчиках настройка согласующего устройства осуществляется автоматически.

Для уменьшения размеров антенн применяют рамочные и магнитные антенны, которые реагируют на магнитную составляющую электромагнитного поля. Рамочная антенна представляет собой плоскую катушку прямоугольной или круглой формы, витки которой намотаны на жесткую рамку. Магнитная антенна представляет собой катушку с ферритовым сердечником. Эти антенны являются также слабонаправленными - диаграмма направленности рамочной антенны аналогична диаграмме симметричного вибратора, расположенного вдоль оси рамки, магнитная антенна имеет нуль диаграммы вдоль оси антенны. Эти антенны менее чувствительны, чем, например, Г-образная.

В диапазоне УКВ для увеличения дальности широко используются направленные антенны. Например, антенна типа " волновой канал", имеет диаграмму направленности в виде узкого вытянутого в одну сторону лепестка. Такая диаграмма направленности достигается за счет добавления к симметричному вибратору рефлектора (за вибратором) и директоров (до 8 - перед вибратором) - см. рис.3.4. Подобные антенны применяются в телевидении для приема дециметровых каналов.

Антенна типа " волновой канал"

Рис.3.4

В радиолокации (сантиметровый и миллиметровый диапазон волн) используются рупорные и щелевые антенны. Для передачи электромагнитной энергии в этих диапазонах используются специальные линии – волноводы. В спутниковых системах связи применяют направленные зеркальные антенны (Inmarsat-A), или ненеправленные антенны (Inmarsat-B, Inmarsat-C и др.).