Основные характеристики и параметры антенн

Излучаемая мощность Р_и — мощность электромагнитных волн, излучаемых антенной в свободное пространство. Это активная мощность, так как рассеивается в пространстве, окружающем антенну. Следовательно, излучаемую мощность можно выразим, через активное сопротивление, называемое сопротивлением излучения R_и:

где I_а — эффективный ток на входе антенны.

Сопротивление излучения характеризует способность антенны к излучению электромагнитной энергии и в большей степени характеризует качество антенны, чем излучаемая ею мощность, поскольку последняя зависит не только от свойств антенны, но и от создаваемого в ней тока.

Мощность потерь Р_п — мощность, бесполезно теряемая передатчиком во время прохождения тока по проводам антенны, в земле и предметах, расположенных вблизи антенны. Эта мощность также является активной и может быть выражена через активное сопротивление, называемое сопротивлением потерь:

Мощность в антенне Р_а — мощность, подводимая к антенне от передатчика. Эту мощность можно представить в видесуммы излучаемой мощности и мощности потерь:

Коэффициент полезного действия (КПД) антенны η — отношение излучаемой мощности к мощности, подводимой к антенне:

Входное сопротивление антенны — сопротивление на входных зажимах антенны. Оно имеет реактивную и активную составляющие. При настройке в резонанс антенна представляет для генератора чисто активную нагрузку и используется наиболее эффективно.

Направленность антенны — способность излучать электромагнитные волны в определенных направлениях. Об этом свойстве антенны судят по диаграмме направленности, которая графически показывает зависимость напряженности поля или излучаемой мощности от направления. Практически пользуются нормированными диаграммами направленности, где величины, характеризующие напряженность поля или мощность излучения, выражены не в абсолютных значениях, а отнесены к максимальному значению. В целях упрощения обычно используют не пространственную диаграмму направленности, а ограничиваются диаграммами направленности в двух плоскостях: горизонтальной и вертикальной.

На рис. 1.4, а показана диаграмма направленности симметричного вертикального вибратора в горизонтальной плоскости,

Рисунок 1.4

а на рис. 1.4 б и в — в вертикальной плоскости в полярной и прямоугольной системах координат соответственно.

Шириной диаграммы направленности называют угол 2Θ (см.рис. 1.4, б и в), в пределах которого мощность излучения уменьшается не более чем в 2 раза по сравнению с мощностью в направлении максимального излучения. Так как мощность пропорциональна квадрату напряженности поля, то границы угла раствора диаграммы направленности определяются величиной от напряженности поля в направлении максимального излучения.

Коэффициентом направленного действия D - называется отношение плотности потока мощности, излучаемой данной антенной в определенном направлении, к плотности потока общей излучаемой мощности в обеих антеннах. Наибольший интерес представляет коэффициент направленного действия D в направлении максимального излучения:

Коэффициентом усиления антенны G_a- называется произведение коэффициента направленного действия антенны на ее КПД, т. е.

Этот коэффициент дает полную характеристику антенны: он учитывает, с одной стороны, концентрацию энергии в определенном направлении благодаря направленным свойствам антенны, а с другой стороны, уменьшение излучения вследствие потерь мощности в антенне.

Преимущественное излучение антенн в заданном направлении эквивалентно увеличению мощности передатчика. Следовательно, направленность передающей антенны весьма желательна. Исключение составляют антенны радиостанций, предназначенных для обслуживания определенного района, в центре которого находится станция. Такие антенны не должны обладать направленностью в горизонтальной плоскости.

Действующая высота антенны А_д. Количество энергии, излучаемой каждым элементом антенны, пропорционально проходящему по нему току. Так как распределение тока в антенне неравномерно, то излучение различными элементами неодинаково: оно наиболее интенсивно в пучности тока и равно нулю в узле тока (рис. 1.5).

Если площадь, охватываемую кривой распределения тока и проводом антенны, заменить равным по площади прямоугольником, то количество излучаемой энергии не изменится. Полагая основание прямоугольника равным по величине амплитуде тока в основании антенны I_мо, получаем высоту прямоугольника, называемую действующей высотой антенны ().

Рис. 1.5 К определению действующей высоты антенны Рис.1.6 Распределение тока в Г – и Т- образных антеннах

Особенно важно понятие действующей высоты для приемных антенн, у которых оно определяет величину наводимой в них ЭДС:

где Ε — напряженность поля. Для того чтобы увеличить А_д, стремятся по возможности обеспечить более равномерное распределение тока по вертикальной части антенны. Это достигается путем добавления к вертикальному проводу горизонтальных проводов, так называемых «емкостных шапок » На рис. 1.6, а и б показано распределение тока в Г- и Т- образных антеннах соответственно.

Антенны метровых, дециметровых и сантиметровых волн

Диапазон метровых (а в перспективе и дециметровых) волн используется в основном для телевидения, радиовещания и ЧМ радиосвязи с подвижными объектами. Диапазон сантиметровых волн отведен для различных видов многоканальной связи. Антенны указанных диапазонов можно разделить на две группы: вибраторные и поверхностные. К первой группе относятся одиночные вибраторы и антенны, состоящие из ряда вибраторов. Ко второй группе относятся, в частности, рупорные и рефлекторные антенны.

Телевизионные передающие антенны должны обеспечивать возможно большую зону обслуживания, так как в большинстве случаев телецентр располагается вблизи середины зоны обслуживания, диаграмма направленности передающей антенны в горизонтальной плоскости должна быть круглой. Для уменьшения бесполезного излучения сигнала в верхнее полупространство в вертикальной плоскости желательна концентрация излучения в направлении горизонта. Кроме того, передающая антенна должна обеспечивать широкую полосу пропускания порядка 8 МГц.

Приемная телевизионная антенна, в отличие от передающей, должна обладать направленными свойствами для подавления возможных помех с направлений, не совпадающих с направлением на телецентр, и особенно для подавления сигналов от ближайших зданий и других препятствий. Прием запаздывающих сигналов приводит к многоконтурности изображения.

Наибольшее распространение получила приемная антенна типа «волновой канал» (рис 1.7). Активный вибратор 1 антенны выполнен в виде симметричного или чаще петлевого. С этого вибратора кабель снижения подается к телевизионному приемнику. За вибратором 1 располагается пассивный вибратор (рефлектор) 2, длина которого несколько больше активного, а перед активным— один или несколько пассивных вибраторов (директоров) 3 длиной, несколько меньшей активного вибратора.

Рис. 1.7 Антенна типа «волновой канал»

В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн широко применяется антенна в виде рупора. Простейшей рупорной антенной является открытый конец металлической трубы прямоугольного или круглого сечения (волновода). Излучающая часть антенны называется раскрывом антенны. Отверстие волновода можно рассматривать как многовибраторную антенну, образованную из большого числа элементарных излучателей. Но такая антенна обладает недостатками. Резкое изменение условий распространения на открытом конце волновода приводит к значительному отражению. Кроме того, в раскрыве имеет место огибание излученными волнами краев конца волновода, что ухудшает направленные свойства антенны. Для уменьшения отражений и улучшения направленных свойств конец волновода выполняют в виде рупора (рис. 1.8).

Направленность рупорной антенны увеличивается с ростом площади раскрыва рупора. В качестве самостоятельных антенн рупоры применяются редко, но часто входят в конструкцию многих более сложных антенн.

Рис. 1.8. Рупорная антенна

Рис. 1.9. Параболическая рефлекторная антенна

Одной из таких антенн является зеркальная параболическая рефлекторная антенна (рис. 1.9). В этой антенне роль отражателя выполняет не пассивный вибратор, а металлическое зеркало, имеющее форму параболоида вращения или параболического цилиндра.

В фокусе параболоида 1 закреплен параболическая антенна с помощью волновода 2 облучатель 3 в виде рупорной антенны. Параболоид обладает тем свойством, что длина пути луча от фокуса О до некоторой плоскости, перпендикулярной от параболы, одинакова. Поэтому лучи ОАВ, ОСЕ и другие будут иметь в плоскости выходного отверстия параболоида и правее ее одинаковую фазу. Диаметр отверстия параболоида выбирается порядка (10 ...40)λ, фокусное расстояние 0,35 ...0,4 диаметра. При этом антенна излучает почти параллельный пучок лучей. Коэффициент натравленного действия таких антенн очень высок и достигает 10⁴.