Антены и фидеры - назначение и параметры

  
АНТЕННЫ И ФИДЕРЫ — НАЗНАЧЕНИЕ И ПАРАМЕТРЫ

 

Беков Рустем

РЭТ-11-05

  
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АНТЕННАХ И ФИДЕРАХ  
1.1. Обобщенная структурная схема линии радиосвязи  

 

В процессе организации связи, звукового и  телевизионного вещания ши-роко применяются  радиосредства, обеспечивающие излучение  и прием радио-волн. Простейшая структурная  схема линии радиосвязи приведена  на рис. 1.1. Элементами схемы являются: радиопередатчик, фидер передающей антенны, передающая антенна, приемная антенна, фидер приемной антенны  и радио-приемник.

Рассмотрим  в общих чертах работу линии радиосвязи. Исходный (пер-вичный) сигнал электросвязи *(*), отображающий передаваемое сообщение, поступает на вход радиопередатчика. В радиопередатчике происходит его  пре-образование в радиочастотный сигнал *(*). Этот сигнал по специальной  элек-трической цепи, называемой фидером, подводится к передающей антенне  — устройству, предназначенному для  радиоизлучения.

Весьма малая  часть энергии радиоволн, излученных передающей антен-ной, достигает приемной антенны и возбуждает в ней  слабый радиочастотный сигнал *(*). Этот сигнал по фидеру приемной антенны  подается на вход радио-приемника, где  происходит его обработка вплоть до формирования копии ис-ходного  сигнала электросвязи

Реальный процесс  радиоприема гораздо сложнее  — это связано с тем, что  радиоприемное устройство решает задачу выделения полезного радиосиг-нала в условиях действия помех различной  природы.

Следует понимать, что процесс радиосвязи, принципиально  невозможен без использования радиоволн  и, следовательно, таких устройств, которые обеспечивали бы их излучение  и прием. Эти функции выполняют  антенны. В соответствии с *1+ передающая антенна — это устройство, предна-значенное  для излучения электромагнитных волн, а приемная — это устройство, служащее для приема электромагнитных волн. Фидер определяется как электрическая  цепь и вспомогательные устройства (они не показаны на рис 1.1), с помощью  которых энергия радиочас-*(*). тотного  сигнала подводится от радиопередатчика к антенне или от антенны к  радиоприемнику. При этом в *1+ обращается внимание на недо-пустимость применения вместо сертифицированного термина  «фидер» терми-нов-синонимов: «фидерная  линия», «линия передачи», «волноводный тракт».

В фидерах радиочастотные сигналы распространяются в виде направляе-мых электромагнитных волн, которые связаны с зарядами и  токами. В откры-том пространстве излученные электромагнитные волны  становятся свободны-ми — радиоволнами. Таким образом, на передающей стороне  линии радио-связи передающая антенна  преобразует связанные электромагнитные волны в свободные электромагнитные волны — радиоволны. На приемной стороне ли-нии радиосвязи происходит обратный процесс. Приемная антенна  преобразует радиоволны в связанные  электромагнитные волны, которые по фидеру пода-ются на вход радиоприемника.

Почти вся энергия  радиоволн, излученных передающей антенной, по-глощается средой, в которой  она распространяется, а также  различными пре-пятствиями. Приемной антенне  удается уловить из окружающей среды  ни-чтожную часть той энергии, которая излучена передающей антенной. Тем не менее, в правильно спроектированной линии радиосвязи энергии, принятой антенной, вполне достаточно для качественной работы радиоприемника.

1.2. Общие  требования, предъявляемые к антеннам  и фидерам 

 

Исходя  из рассмотренных принципов работы линии радиосвязи, можно сформулировать общие требования, предъявляемые  к фидерам и антеннам. Следуя схеме, приведенной на рис. 1.1, последовательно  рассмотрим фидер передающей антенны, предающую антенну, приемную антенну  и фидер при-емной антенны.

Очевидное требование к фидеру передающей антенны  — передача энер-гии от выхода радиопередатчика до входа антенны с минимальными потеря-ми. Специфическое требование — фидер не должен обладать заметным ан-тенным эффектом. Под антенным эффектом фидера передающей антенны по-нимают его способность формировать  нежелательное радиоизлучение, кото-рое  может ухудшить параметры передающей антенны.

Сформулируем  основные требования к передающей антенне. Первое – преобразовать электромагнитную энергию, поступающую на её вход, в  энергию радиоволн с минимальными потерями. Второе – обеспечить необходимую  пространственную концентрацию излучаемой энергии, т.е. направленность. Третье –  обеспечить (совместно с радиопередатчиком) в месте приема необхо-димое значение напряженности электромагнитного  поля. Четвертое – обеспе-чить заданную пространственно-временную ориентацию (поляризацию) векто-ров напряженности  электромагнитного поля радиоволн.

Следует обратить внимание на не совсем очевидные, но, тем не менее, очень важные требования, имеющие  прямое отношение, как к фидеру, так  и к антенне. Первое – фидер  и антенна по отношению к радиопередатчику являют-ся нагрузкой. Следовательно, значение этой нагрузки должно быть таким, что-бы обеспечивался эффективный режим  работы радиопередатчика. Второе –  дальность действия линии радиосвязи, кроме прочих факторов, зависит и  от значения излучаемой антенной мощности. В некоторых случаях мощность на входе антенны настолько велика, что возникает реальная угроза механического  разрушения отдельных элементов  антенны или фидера вследствие электриче-ского  пробоя или теплового перегрева. Чтобы избежать таких разрушений и фидер, и антенна должны обладать определенной электрической прочностью. Третье – фидер и антенна должны нормально функционировать в  заданном диапазоне частот или длин волн.

Наряду с требованиями технического характера, перечисленными выше, к передающим антеннам и фидерам  предъявляются требования иного  плана: технологичности изготовления, удобства и безопасности эксплуатации, охраны окружающей среды (экологической  чистоты)

Далее рассмотрим требования к приемной антенне и её фидеру. Основ-ные требования к приемной антенне следующие. Первое – обеспечить необхо-димую пространственную избирательность (направленность), т.е. способность преимущественного  приема радиоволн, приходящих с определенных направ-лений. Направленные приемные антенны, в сравнении с ненаправленными, обеспечивают на входе приемника  более высокое отношение мощности ра-диосигнала к мощности помех. Последнее  является важнейшим условием ка-чественного  радиоприема. Второе требование к приемной антенне – обеспе-чить преимущественное реагирование на радиоволны определенного  вида по-ляризации.

Основные требования, предъявляемые к фидеру приемной антенны сле-дующие. Во-первых, передача энергии между антенной и входом радиоприем-ника должна осуществляться с малыми потерями. Во-вторых, фидер  не должен обладать заметным антенным эффектом. Под антенным эффектом фидера приемной антенны понимают его способность  принимать радиосигнал, что может  ухудшить параметры собственно приемной антенны. Требование на сте-пень проявления антенного эффекта в фидерах  приемных антенн более жест-кое по сравнению с фидерами передающих антенн.

Важно уяснить, что  приемная антенна по отношению к  радиоприемнику выступают в роли эквивалентного генератора, нагрузкой  которого служит вход-ное сопротивление  приемного фидера, подключенного  к входным цепям ра-диоприемника. Следовательно, еще одно требование, как к приемной антенне, так и  её фидеру, состоит в том, чтобы  во входных цепях радиоприемника вы-полнялись условия выделения  радиосигнала максимальной мощности

Приемная антенна  и её фидер должны обеспечивать возможность  нор-мального функционирования линии  радиосвязи в заданном диапазоне  частот или длин волн.

Наряду с требованиями технического характера к приемным антеннам и фидерам предъявляются  определенные требования иного плана  — техноло-гичности изготовления, защиты от грозовых разрядов, удобства и безопасности эксплуатации и др. Требования электрической  прочности и экологической чис-тоты отсутствуют, поскольку мощность сигнала  в приемной антенне и её фиде-ре очень незначительна.

Рассмотренные нами требования к антеннам и фидерам  являются основ-ными для антенн и  фидеров большинства радиосредств, используемых в ра-диосвязи, радиовещании и телевещании. Они не будут, однако, единственны-ми. Почти каждый класс  антенн и фидеров, применительно  к их назначению, характеризуется  ещё рядом дополнительных требований и показателей, с ко-торыми знакомятся уже в дальнейшем в процессе изучения соответствующих разделов полного  курса по антенно-фидерным устройствам.

2. ПАРАМЕТРЫ  ПЕРЕДАЮЩИХ АНТЕНН  
2.1. Коэффициент полезного действия

 

Обратимся к схеме радиолинии, приведенной  на рис. 2.1. На передаю-щей стороне  точка 1 схемы соответствует выходу передатчика (входу фидера). Через *1 обозначена мощность радиочастотного  сигнала на выходе передатчи-ка (входе  фидера). Точка 1′ соответствует  выходу фидера (входу передающей антенны). Через *1′ обозначена мощность радиочастотного  сигнала на выходе фидера (входе  передающей антенны).

 

 

 

 

 

 

 

 

Реальные  антенны выполняются из проводов или металлических поверх-ностей с конечной проводимостью или из диэлектрика, обладающего потеря-ми. Поэтому не вся мощность радиочастотного сигнала *1′, подводимая к ан-тенне, преобразуется в мощность излучения *Σ. Часть подводимой мощности выделяется в виде тепла в антенне, в близко расположенных предметах и в почве.

Коэффициентом полезного действия (КПД) антенны *а  называ-ется отношение мощности радиоизлучения, создаваемого антенной, к мощности радиочастотного сигнала, подводимого  к её входу:

*а =*Σ*1′ =*Σ *Σ+*П , (2.1)

где *П  – мощность потерь в антенне 

 

 

 

3. ПАРАМЕТРЫ  ПРИЕМНЫХ АНТЕНН  
3.1. Процесс приема радиоволн

 

Самые общие  представления о процессе радиоприема  были изложены в разделе 1.1. В частности, при рассмотрении структурной схемы  радиолинии (рис. 1.1) отмечалось, что  весьма малая часть энергии радиоволн, излученных передающей антенной, достигает  приемной антенны и возбуждает в  ней сла-бый радиочастотный сигнал (ток). Этот сигнал по фидеру приемной антенны  подается на вход радиоприемника (или  кратко – приемника).

Механизм  процесса приема поясним на примере  антенны, выполненной в виде прямолинейного провода (рис. 3.1), в середину которого включено со-противление *Н=*Н+**Н. Это  сопротивление соответствует сопротивлению  входной цепи либо приемника, либо фидера с приемником на его конце.

Поскольку источник облучающей (падающей) волны  расположен обычно далеко от приемной антенны, можно считать, что волновой фронт падающей волны в окрестности  приемной антенны является плоским. Пусть у падающей волны вектор напряженности электрического поля * и вектор Пойнтинга Π ориентированы  так, как это показано на рис. 3.1 в  точке 1. Заданная ориента-ция векторов сохраняется в любой точке  пространства, включая любую точку  на поверхности провода. Вектор * падающей волны в одной из таких точек, на-пример, точке 2, можно представить  суммой двух векторов: касательного * * к поверхности провода и нормального * *.

Под действием  касательных составляющих * * на каждом элементарном участке провода наводится  электродвижущая сила (э.д.с.). Таким  образом, по всей длине провода формируется  распределенная э.д.с., под действием  кото-рой в проводе возникает  продольный ток. Он является результатом  суммарно-го действия э.д.с. всех элементарных участков. Этот ток вызывает полезное рас-сеивание энергии в нагрузке *Н. Так осуществляется переход энергии  от рас-пространяющейся радиоволны к нагрузке.  

3.2. Эквивалентная  схема приемной антенны

 

Основным  вопросом при изучении приемных антенн является определе-ние мощности, выделяемой в нагрузке приемной антенны, под  действием па-дающей на антенну волны. Для этого необходимо, прежде всего, знать ток, возникающий в нагрузке. Значение его, естественно, зависит  от ориентации ан-тенны по отношению  к падающей волне.

Приемная  антенна (рис. 3.1) по отношению к сопротивлению  нагрузки *Н играет роль генератора, комплексная амплитуда э.д.с. * А  которого создана под воздействием падающей волны и который имеет  внутреннее сопротивление * А. Если значения * А и * А известны, то с помощью изображенной на рис. 3.2 эквивалентной схемы легко определить комплексные амплитуды тока * , на-пряжения * и мощность *, отдаваемую в нагрузку *Н=*Н+**Н:

* =* А * А+*Н , (3.1)

* =* А *Н * А+*Н , (3.2)

*= * 2*Н2 . (3.3)

 

 

Необходимо сразу же заметить, что на основании теоремы об эквива-лентном генераторе [4], внутреннее сопротивление антенны в режиме приема * А равно входному сопротивлению этой же антенны в режиме передачи *вх А. В общем случае оно содержит как активную, так и реактивную составляющие, 38

*вх А=*вх А+**вх А. Это сопротивление не зависит от подключенной нагрузки и характеризует собственно антенну. Что касается сопротивления нагрузки *Н=*Н+**Н, то таковым, как уже отмечалось выше, является входное сопро-тивление либо приемника, либо фидера с приемником на конце. Если входная цепь приемника подключена непосредственно к зажимам антенны, то эквива-лентная схема приемной антенны приобретает вид, представленный на рис. 3.3,а. Если же приемник подключается к антенне с помощью фидера, то экви-валентная схема будет соответствовать варианту, изображенному на рис. 3.3,б.

 

 

 

 

 

 

 

Условия максимальной отдачи мощности в нагрузку, включенную в ан-тенну, очевидно будут такими же, как и для любого генератора, т.е. макси-мальная отдача получится, когда *вх А=*Н и *вх А=−*Н. Из формулы (3.3) с учетом (3.1) следует, что максимальная мощность, отдаваемая антенной в на-грузку, равна

*МАКС= * А 28 *вх А.

В заключение раздела обратим внимание на физически  очевидные факты зависимости  шумовой температура *АΣ от диаметра антенны и угла места. Дей-ствительно, чем больше диаметр антенны, тем  больше её коэффициент усиле-ния  и тем уже основной лепесток диаграммы  направленности, соответственно, меньше посторонних излучений антенна  усиливает вместе с полезным сигна-лом. Чем меньше угол места направления  главного лепестка приема, т.е. чем ниже «смотрит» антенна, тем больше она  принимает помех и шумов от тепло-вого радиоизлучения земной поверхности. Поэтому шумовая температура  при-емной антенны — не постоянная величина, а функция от угла места. Как прави-ло, значение шумовой температуры  конкретной антенны указывается  в специ-фикации для одного или  нескольких значений угла места.