Основные типы слабонаправленных и направленных антенн подвижной радиосвязи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные типы слабонаправленных и направленных антенн подвижной радиосвязи

1. Основные свойства слабонаправленных антенн

Антенна не усиливает сигнал, но может оказать решающее значение в обеспечении требуемой дальности и качества связи.

Давайте рассмотрим, почему антенна, наперекор утверждениям технического описания, в котором указан ее коэффициент усиления, все-таки не усиливает сигнал. Антенна - пассивный элемент, следовательно, не имеет источника питания и, следовательно, не может обеспечить отдачу большей мощности, чем к ней подводится.

1.1 Коэффициент усиления

Коэффициент усиления 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.

1.2 Диаграмма направленности

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.

1.3 КСВ - коэффициент стоячей волны

Коэффициент стоячей волны - это величина, которая характеризует степень согласования тракта: передатчик - фидер - антенна. Если антенна неточно согласована с линией передачи, происходит отражение энергии, передаваемой по линии передачи от точек питания антенны, и отражённая энергия возвращается ко входу передатчика. В результате отражения возникают стоячие волны, что снижает КПД антенно-фидерной системы. Коэффициент стоячих волн (КСВ) тем выше, чем больше потерь в линии. И, наоборот, у хорошо согласованной антенны КСВ стремится к единице.

1.4 Частотный диапазон

Ширина частотного диапазона антенны - это полоса частот, в которой коэффициент усиления антенны уменьшается не более чем в два раза (на 3 дБ). Так как антенна - часть резонансной системы, то наибольшую эффективность от нее можно ожидать только на определенной частоте (частоте резонанса). Следовательно, для наибольшей дальности связи потребуется антенна, специально созданная (настроенная) для работы на конкретной частоте. Обычно на практике система работает не на одной, а на нескольких частотах. Как быть? В таких случаях идут на компромисс. Выбирается антенна, у которой характеристики в определенной полосе частот не выходят за пределы допустимых.

Естественно, такая антенна будет хуже работать на частотах, отличных от частоты резонанса, но все еще приемлемо для нормальной связи. Можно, конечно, использовать для каждой частоты отдельную антенну, но это существенно усложнит (и удорожит) конструкцию системы (соединительный кабель, антенные переключатели, мачтовые устройства и т.п.). Как правило, более узким диапазоном частот обладают направленные антенны и антенны с высоким усилением.

Подбор и установка антенн является сложной инженерной задачей, решить которую под силу только опытному специалисту. Если же вы берете на себя смелость самостоятельно выбрать антенну для системы связи, то внимательно ознакомьтесь с техническими характеристиками, которые публикуются в каталогах фирм производителей.

2. Ненаправленные антенны

Ненаправленные антенны (иногда говорят всенаправленные или с круговой диаграммой направленности) получили наибольшее распространение благодаря своей универсальности и относительно низкой цены. Они используются при организации систем связи с широкой зоной охвата по форме приближенной к кругу (рис. 1).

Рис. 1 Ненаправленная антенна (антенна круговой направленности)

Ненаправленные антенны используются при построении систем связи в городах, на крупных промышленных объектах и т.д. - везде, где необходимо охватить радиосвязью как можно большие площади, а направление на абонентские радиостанции непостоянно (подвижные абоненты).

Рис. 2 Антенна 4504P фирмы Cushcraft типа ФАР

Для достижения более высоко результата (дальность и качество связи), применяются эффективные (дорогостоящих) стационарных антенн с большим коэффициентом усиления. Например, многоэлементную фазированную антенную решетку (ФАР).

2.1 Рамочные антенны

Рамочная антенна - направленная антенна, выполненная в виде одного или нескольких плоских витков провода, образующих рамку круглой, квадратной или прямоугольной формы. Р. а. предложил в 1916 К. Браун. Периметр рамки в большинстве случаев весьма мал по сравнению с длиной рабочей волны, поэтому входное сопротивление Р. а. имеет индуктивный характер. Это позволяет, подсоединив к Р. а. конденсатор переменной ёмкости, получить колебательный контур, настраиваемый на рабочую волну. При малых размерах рамки амплитуда и фаза колебаний тока, протекающего в рамке, практически постоянны по всему периметру.

В передающей рамочной антенне направление тока в противолежащих элементах рамки противоположно, электромагнитные волны, излучаемые ими, сдвинуты по фазе точно на 180°. Поэтому в направлении, перпендикулярном плоскости рамки, происходит полная компенсация излучения; в др. направлениях компенсация оказывается неполной; а направлениям, лежащим в плоскости рамки, соответствует максимум интенсивности излучения.

Магнитные рамочные антенны (рис. 3) являются одним из интереснейших типов малогабаритных радиолюбительских антенн. Магнитные рамочные антенны впервые были использованы армией США в качестве передающих в 1967 году во вьетнамской войне. После этого магнитные рамки прочно заняли свое место среди малогабаритных антенн других типов, используемых радиолюбителями и профессионалами.

Рис. 3 Рамочная магнитная антенна

Магнитные рамочные антенны часто являются единственным типом передающих антенн, которые могут быть установлены в ограниченном пространстве города. Во многих случаях магнитные рамки могут обеспечить более эффективную работу в эфире по сравнению с другими типами укороченных и суррогатных антенн.

Магнитная рамочная антенна имеет вид петли из проводника, которая подключена к конденсатору переменной емкости. Периметр петли обычно находится в пределах от 0,03л до 0,25л. Петля может иметь любую форму.

2.2 Активная вибраторная антенна

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к классу сверхширокополосных приемопередающих вибраторных антенн, и может найти применение в системах связи, в метрологии, в обеспечении электромагнитной совместимости, в определении предельно допустимых уровней электромагнитных полей экологозащитных мероприятий. Техническим результатом является создание сверхширокополосной с расширением в область низких частот вибраторной антенны с высоким уровнем согласования во всем рабочем диапазоне частот.

Сущность изобретения: вибраторная антенна содержит два идентичных вибратора, каждый из которых выполнен из двух металлических пластин конечной толщины, поверхности которых расположены в одной плоскости, а контур каждой пластины вибратора выполнен в форме почти запятой. Внешняя боковая кромка контура каждого вибратора расположена по образующей конической поверхности и их вершины обращены друг к другу. Одни концы металлических пластин сходятся в одной точке, соответствующей вершине конической поверхности, и соединены с входными линиями передачи согласующее - симметрирующего устройства, выходная линия передачи которого является входной линией передачи вибраторной антенны. Другие концы металлических пластин вибраторов сходятся в одной точке и гальванически в ней соединены.

Известна приемная активная измерительная биконическая вибраторная антенна с рабочим диапазоном частот 0,05...1000 МГц, содержащая два симметричных вибратора, каждый из которых выполнен в форме металлического круглого прямого конуса, вершины которых обращены друг к другу и подключены к входным каналам активного согласующе - симметрирующего усилительного устройства, выходной канал которого является выходным каналом биконической вибраторной антенны, выполненный на коаксиальном соединителе. Недостатками активной измерительной биконической вибраторной антенны являются: возможность работы антенны только в режиме измерения, т.е. приема, и невозможность использования антенны в режиме излучения; активное согласующее - симметрирующее усилительное устройство имеет значительный уровень собственных шумов; наличие источника питания постоянного тока - аккумуляторов или батарей; антенна обладает значительным уровнем "микрофонного эффекта", что не позволяет проводить измерения при уровне внешних шумовых воздействий >60 дБ; антенна имеет значительные объемные габариты и большую металлоемкость.

2.3 Щелевая антенна

Щелевая антенна -- антенна, выполненная в виде металлического радиоволновода, жёсткой коаксиальной линии, объёмного резонатора или плоского металлического листа (экрана), в проводящей поверхности которых прорезаны отверстия (щели), служащие для излучения (или приёма) радиоволн. Излучение происходит в результате возбуждения щелей: в волноводах, резонаторах и коаксиальных линиях -- внутренним электромагнитным полем, в плоских экранах -- с помощью радиочастотного кабеля, подключённого непосредственно к краям щели. Щелевые антенны отличаются сравнительной простотой конструкции; в них могут отсутствовать выступающие части, что в ряде случаев является их важным преимуществом (например, при установке на летательных аппаратах).

Резонансными щелевыми антеннами называют антенны, у которых расстояние между соседними щелями равно лв / 2. Подобные антенны согласованы только в узкой полосе частот, а возбуждение ее щелей получается синфазным, соответственно она излучает по нормали к оси антенны.

2.4 Синфазная резонансная антенна с поперечными щелями

антенна связь резонансный ненаправленный

Продольные щели таких антенн смещены относительно средней линии широкой стенки волновода ввиду отсутствия там поперечных токов. Синфазное возбуждение щелей, расположенных по одну сторону от средней линии, обеспечивается расстоянием между соседними щелями равным лв, а синфазное возбуждение щелей по обе стороны от средней линии расстоянием равным лв / 2.

Таким образом, создается сдвиг фаз в 180°. Из-за того, что поперечные токи текут в противоположных направлениях, по обеим сторонам от средней линии создается дополнительный сдвиг фаз в 180°, что и обеспечивает синфазное возбуждение щелей.

Синфазность возбуждения поперечных щелей достигается особым их размещением. Особенность заключается в том, что расстояние между соседними щелями равно лв. Если поперечных щелей на одинаковой длине волновода оказывается вдвое меньше, чем продольных, то это приводит к возникновению серьезного недостатка - увеличению боковых лепестков.

Недостатком резонансных антенн является резкое изменение согласования антенны при изменении частоты. На частотах отличных от резонансных, расстояние между излучателями не равно лв / 2, поэтому возбуждение щелей происходит неравномерно и несинфазно, искажается диаграмма направленности.

Нерезонансными щелевыми антеннами называют антенны, у которых расстояние между соседними щелями в пределах рабочей полосы несколько меньше или больше лв / 2. Полоса согласования нерезонансных антенн шире, чем резонансных. Отличие расстояния между щелями приводит к несинфазному возбуждению падающей волной, что приводит к линейному изменению фазы и отклонению максимального излучения от нормали к оси. Возможно возникновение отражения от конца антенны, что нежелательно, так как приводит к появлению лепестка, составляющего угол и с нормалью. Для устранения этого лепестка антенна обычно снабжается поглощающей нагрузкой. Отличие этого типа антенн от предыдущего в хорошем согласовании в широкой полосе частот.

2.5 Плоские спиральные антенны

Спиральная антенна - это диапазонная антенна бегущей волны, излучающая (принимающая) электромагнитные волны с эллиптической или круговой поляризацией волн. Спиральная антенна применяют преимущественно в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн -- как самостоятельно, так и в качестве облучателей зеркальных и линзовых антенн (например, в системах космической связи). Различают плоские (рис. 4) и пространственные спиральные антенны (рис. 7).

Плоскую спиральную антенну обычно выполняют в виде двухпроводной линии, каждый проводник (плечо) которой имеет форму архимедовой или логарифмической спирали.

Основным элементом является проводник в форме винтовой линии или спирали. Характерной особенностью спиральных антенн является их высокое входное сопротивление, позволяющее в ряде случаев без использования дополнительных согласующих трансформаторов привести его к 50 Ом для передачи по обычному коаксиальному кабелю.

Рис. 4 Плоские спиральные антенны

Применяется, как правило, для приёма и передачи на высоких частотах. Спиральные антенны подразделяют на пространственные и плоские.

2.6 Полуволновой вибратор

Антенны вибраторного типа (рис. 5) выполняются из металлических проводов, лент или труб и питаются как двухпроводными фидерами, так и коаксиальными кабелями.

Рис. 5 -- полуволновой вибратор; 2 -- фидер; 3 -- подставка. Пунктиром показано распределение тока I вдоль вибратора; л -- длина рабочей волны

Существует большое разнообразие симметричных и несимметричных вибраторов и способов их питания. Во всех случаях к вибраторам предъявляются требования: возможная простота конструкции и эксплуатации; высокий к. п. д., относительно широкая полоса пропускаемых частот; высокие пробивные электрические напряжения (для передающих антенн); устойчивый режим работы во времени.

3. Направленные антенны

Направленные антенны (другое название «Яги» или «Удо-Яги», по именам изобретателей) используют в тех случаях, когда необходима максимальная дальность связи в определенном направлении. А также в случаях, когда необходимо уменьшить помехи другим системам связи (находящимся не в зоне максимума диаграммы направленности).

Рис 6 Направленная антенна РС457N фирмы Cushcraft

Направленные антенны относятся к дорогостоящим устройствам, поэтому их используют там, где факторы дальности и достоверности передачи информации являются приоритетными. Особенно желательно применение направленных антенн при обмене цифровыми данными, когда даже незначительное ухудшение качество связи может привести к сбоям.

Для достижения большего коэффициента усиления возможно применение сдвоенных направленных антенн, включенных параллельно. Кстати, комбинация из нескольких (обычно, двух) антенн может повысить качество связи и в случае ненаправленных антенн.

3.1 Пространственные спиральные антенны

Пространственные спиральные антенны часто называют винтообразной антенной.

Плоская спиральная антенна (рис. 7) обычно состоит из двух спиралей, выполненных из проволоки или из фольги (например, по микрополосковой технологии), и расположенных центральносимметрично в плоскости антенны. Фидер подключают к этим плечам, аналогично подключению к симметричному вибратору. Рабочий диапазон антенны может превышать декаду.

Рис. 7 Пространственные спиральные антенны

По принципу работы винтообразные антенны подразделяют по направлению излучения на антенны с поперечным излучением (NMHA -- Normal-Mode Helical Antenna) и антенны с осевым излучением (AMHA -- Axial-Mode Helical Antenna).

3.2 Винтообразные антенны с осевым и поперечным излучением

Для работы в осевом режиме диаметр витков спирали должен быть порядка длины волны. Винтообразные антенны (рис. 8) в осевом режиме предназначены для излучения и приёма электромагнитных волн с круговой поляризацией.

Рис. 8 Типовая винтообразная антенна

B: центральная опора, C: коаксиальный кабель, E: подпорка для спирали, R: отражатель, S: спираль

Правая круговая поляризация используется для радиосвязи практически на всех орбитальных спутниках. Направление поляризации определяется направлением намотки спирали. Винтообразные антенны с осевым излучением характеризуются довольно узкой диаграммой направленности.

Винтообразные антенны с поперечным излучением

Для работы в режиме поперечного излучения диаметр витков спирали должен быть гораздо меньше длины волны. В зависимости от соотношения шага между витками и радиусом витка спирали при данной длине волны эллиптическая поляризация излучения может стремится к вертикальной, горизонтальной, или быть круговой. Диаграмма направленности аналогична обычному несимметричному вибратору. Данный тип антенн широко используется в портативных радио - коммуникационных устройствах, в том числе в мобильных телефонах.

3.3 Фазированная антенная решётка

Фазированная антенная решётка (ФАР) - антенная решётка с управляемыми фазами или разностями фаз (фазовыми сдвигами) волн, излучаемых её элементами (излучателями). Управление фазами (фазирование) позволяет формировать необходимую диаграмму направленности (ДН). Управление фазами (рис. 9) также позволяет изменять направление луча неподвижной ФАР и т. о. осуществлять быстрое сканирование - качание луча. Позволяет управлять в определённых пределах формой ДН - изменять ширину луча, интенсивность (уровни) боковых лепестков и т.п. (для этого в ФАР иногда осуществляют также управление и амплитудами волн отдельных излучателей). Эти и некоторые другие свойства ФАР, а также возможность применять для управления ФАР современные средства автоматики и ЭВМ обусловили их перспективность и широкое использование.

Рис 9 Синфазная антенная решётка

Электронное управление лучом, благодаря которому достигаются такие замечательные возможности, основано на использовании простого физического явления. Когда расположенные рядом источники излучают энергию одновременно на одной и той же частоте, то исходящие из этих источников волны складываются. Это явление называется интерференцией. Характер взаимодействия двух волн от двух разнесенных в пространстве источников зависит от сдвига фаз между этими волнами. Если гребни и впадины одной волны соответственно совпадают с гребнями и впадинами другой волны (сдвиг фаз равен 0), то результирующее колебание будет иметь суммарную амплитуду. Если волны находятся не в фазе и их гребни и впадины не совпадают, то результирующий сигнал будет ослабленным или (при сдвиге фаз 180°) равным 0.

Фазированная антенная решетка обычно собирается из расположенных в одной плоскости и на одинаковом расстоянии друг от друга излучающих элементов, к которым подводятся равные по амплитуде и совпадающие по фазе сигналы микроволнового диапазона. Задающий генератор генерирует сигнал, а транзисторы и специальные лампы, предназначенные для работы в микроволновом диапазоне, такие, как лампы бегущей волны, усиливают его. Если сигналы излучаются в фазе со всех элементов решетки, то их амплитуды складываются в определенных точках пространства вдоль линии, перпендикулярной к плоскости решетки. Следовательно, излучаемый сигнал будет сильным, а сигнал, отраженный от объектов, лежащих на пути его распространения вдоль оси, перпендикулярной плоскости антенной решетки и в пределах малого угла в стороны от нее, будет иметь достаточную для его обнаружения интенсивность.

При больших углах отклонения от перпендикулярной оси антенной решетки сигналы от различных излучающих элементов должны проходить до цели неодинаковые расстояния. В результате соотношение их фаз меняется и они интерферируют, ослабляя или полностью уничтожая друг друга. Таким образом, за пределами узкого конуса, ось которого совпадает с перпендикулярной осью антенной решетки и в котором имеет место интерференция с усилением амплитуды результирующей волны, отраженные от объектов сигналы имеют малую интенсивность и обнаружить их не удается. Физические принципы, лежащие в основе формирования интерференционных картин, позволяют определить ширину этого конуса. Она прямо пропорциональна рабочей длине волны излучения и обратно пропорциональна размеру антенной решетки. Если каждый элемент антенной решетки излучает сигналы в фазе с другими, то луч радиолокатора распространяется в направлении, строго перпендикулярном к плоскости решетки.

Управление задержкой по фазе дает возможность отклонять луч антенной решетки обычного типа на угол до 60° от перпендикулярной оси, что обеспечивает поле обзора 120° по азимуту. Т.е., сохраняя антенну неподвижной, радиолокатор обозревает третью часть круговой линии горизонта, а если плоскость решетки имеет достаточный наклон, то и от горизонта к зениту и далеко за него. Поскольку управление лучом при этом не связано с другими механическими перестройками, перемещение луча в пределах всей зоны обзора занимает всего несколько микросекунд.

Замена подвижной антенны набором неподвижных излучающих элементов помимо возможности электронного управления лучом может дать и другие преимущества.

Одним из этих преимуществ является обеспечение высокой надежности в работе. Работа неподвижной антенной решетки не зависит от состояния таких изнашиваемых механических компонентов, как подшипники и двигатели.

Литература

1. Зелкин Е.Г., Соколов В.Г., Методы синтеза антенн: Фазированные антенные решетки и антенны с непрерывным раскрывом. М.: Советское Радио, 1980.

2. Долуханов М. П. Распространение радиоволн. М.: Связь, 1965. 399 с.

Размещено на Allbest.ru