2. Понятие антенно-фидерных устройств

Антенно-фидерные устройства (АФУ) - предназначаются для передачи сигналов в системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, а также других радиотехнических системах, использующих для передачи информации свободное распространение радиоволн.

Функции антенн в указанных системах сводятся к излучению или приему электромагнитных волн. Соответственно различают передающие и приемные антенны, подключаемые либо к передатчику, либо к приёмнику. Подключение осуществляется обычно не непосредственно, а с помощью линий передачи энергии (фидеров).

Передающая антенна преобразует энергию волн, поступающих по фидеру от передатчика к антенне, в энергию свободных колебаний, распространяющихся в окружающем пространстве. Передающая антенна должна не просто излучать электромагнитные волны, а обеспечивать наиболее рациональное распределение энергии в пространстве. В связи с этим одной из основных характеристик передающих антенн является диаграмма направленности (ДН) - зависимость излучаемого поля от положения точки наблюдения (точка наблюдения должна находиться в дальней зоне - на неизменно большом расстоянии от антенны). Требования к направленности колеблются в очень широких пределах от близких к направленным (системы радиовещания и эфирного телевидения) до резко выраженной направленности в определенном направлении (дальняя космическая радиосвязь, радиолокация, радиоастрономия и т. д.). Направленность позволяет без увеличения мощности передатчика увеличить мощность поля, излучаемого в данном направлении, а также позволяет уменьшать помехи соседним радиотехническим системам, то есть способствует решению проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Направленность можно получить только когда размеры антенны существенно превышают длину волны колебаний.

Приёмная антенна улавливает энергию свободных колебаний и превращает ее в энергию волн, которая поступает по фидеру на вход приемника. Для приемных антенн диаграмма направленности (ДН) - это зависимость тока в нагрузке антенны, то есть в конечном счете в приемнике, или ЭДС наводимой на входе приемника, от направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Наличие направленных свойств у приемных антенн позволяет не только увеличивать мощность выделяемую током в нагрузке, но и существенно ослаблять приём различного рода помех, то есть повышает качество приёма.

Любую передающую антенну можно использовать и для приёма электромагнитных волн и, вообще говоря, наоборот, однако из этого не следует что они одинаковы по конструкции.

Важную роль в работе антенных устройств играет линия питания (фидер), которая передаёт энергию от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к приёмнику (в режиме приёма).

3. Характеристика антенн

.1 Коэффициент усиления антенны

Коэффициент усиления антенны (в обиходной речи - усиление 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.

.2 Направленность антенны

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. Так как антенна излучает электромагнитные волны в пространство, которое, как известно, 3-х мерно, то различают диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

.3 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. Мы перечислили наиболее важные характеристики, по которым выбирают антенны. Наверняка все понимают, что чем выше параметры антенн, тем выше их стоимость. Но даже самая высококачественная и дорогая антенна не сможет решить возложенные на нее задачи, если она не правильно установлена и/или настроена. От параметров антенн и от правильности их установки и настройки зависит дальность связи, которая может изменяться от предельно достижимой, до величины меньшей в десятки, а то и сотни раз. При выборе антенн должны учитываться множество различных параметров (направленность, усиление, полоса частот, размеры, возможность настройки). Причем все они находятся в противоречии друг с другом. Только грамотное построение антенного хозяйства позволит добиться максимальной дальности и качества связи при минимальных финансовых затратах. 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.

.4 Коэффициент направленного действия

Коэффициент направленного действия (КНД) антенны - отношение квадрата напряженности поля, создаваемой антенной в данном направлении, к среднему значению квадрата напряженности поля по всем направлениям. КНД является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд). Для обозначения КНД используют латинскую букву D (от англ. Directivity).

Обычно оперируют значением КНД D0 в направлении максимума излучения антенны. При этом КНД становится мерой способности антенны концентрировать энергию электромагнитного излучения в узком луче. Согласно определению, КНД однозначно связан с формой диаграммы направленности (ДН) антенны (более строго - с формойхарактеристики направленности антенны).

Следует различать КНД и коэффициент усиления (КУ) антенны: КНД целиком и полностью определяется формой ДН антенны и не учитывает КПД антенны, то есть не учитывает потерю энергии в элементах конструкции антенны и объектах, расположенных в ближней зоне антенны.В зависимости от конструкции антенны и рабочей длины волны значение КНД в направлении максимума излучения может составлять от единиц до миллионов. Чем уже главный лепесток ДН и меньше уровень боковых лепестков, тем больше КНД.

.5 Полоса пропускания антенны

Полоса пропускания (прозрачности) - диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) акустического, радиотехнического, оптического или механического устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы. Так же называется эффективно передаваемой полосой частот (ЭППЧ). В ЭППЧ сосредоточена основная энергия сигнала (не менее 90%). Этот диапазон частот устанавливается для каждого сигнала экспериментально в соответствии с требованиями качества. Основные параметры, которые характеризуют полосу пропускания частот - это ширина полосы пропускания и неравномерность АЧХ в пределах полосы. Ширина полосы обычно определяется как разность верхней и нижней граничных частот участка АЧХ, на котором амплитуда колебаний 1/2 максимальной. Этот уровень приблизительно соответствует −3 дБ. Ширина полосы пропускания выражается в единицах частоты (например, в Гц). Расширение полосы пропускания позволяет передать большее количество информации.

Рисунок 3.1 - Ширина полосы

Неравномерность АЧХ характеризует степень её отклонения от прямой, параллельной оси частот. Неравномерность АЧХ выражается в децибелах. Ослабление неравномерности АЧХ в полосе улучшает воспроизведение формы передаваемого сигнала.