Форум Статьи Контакты
Строительство — возведение зданий и сооружений, а также их капитальный и текущий ремонт, реконструкция, реставрация и реновация.

Антенна

Дата: 9-11-2020, 03:15 » Раздел: Статьи  » 

Антенна — устройство, предназначенное для излучения или приёма радиоволн.

Антенны в зависимости от назначения подразделяются на приёмные, передающие и приёмопередающие. Антенна в режиме передачи преобразует энергию поступающую от радиопередатчика электромагнитного колебания в распространяющуюся в пространстве электромагнитную волну. Антенна в режиме приёма преобразует энергию падающей на антенну электромагнитной волны в электромагнитное колебание, поступающее в радиоприёмник. Таким образом, антенна является преобразователем подводимого к ней по фидеру электромагнитного колебания (переменного электрического тока, канализированной в волноводе электромагнитной волны) в электромагнитное излучение и наоборот.

Первые антенны были созданы в 1888 году Генрихом Герцем в ходе его экспериментов по доказательству существования электромагнитной волны (Вибратор Герца). Форма, размеры и конструкция созданных впоследствии антенн чрезвычайно разнообразны и зависят от рабочей длины волны и назначения антенны. Нашли широкое применение антенны, выполненные в виде отрезка провода, системы проводников, металлического рупора, металлических и диэлектрических волноводов, волноводов с металлическими стенками с системой прорезанных щелей, а также многие другие типы. Для улучшения направленных свойств первичный излучатель может снабжаться рефлекторами — отражающими элементами различной конфигурации или их системами, а также линзами.

Излучающая часть антенн, как правило, изготавливается с применением проводящих электрический ток материалов, но может изготовляться из изоляционных (диэлектрик) материалов, могут применяться полупроводники и метаматериалы.

С точки зрения теории электрических цепей антенна представляет собой двухполюсник (или многополюсник), и мощность источника, выделяемая на активной составляющей полного входного сопротивления антенны, расходуется на создание электромагнитного излучения. В системах управления антенна рассматривается как угловой дискриминатор — датчик угла рассогласования между направлением на источник радиосигнала или отражатель и направлением антенны (например, антенна с суммарно-разностной диаграммой направленности в составе радиолокационной головки самонаведения). В системах пространственно-временной обработки сигнала антенна (антенная решётка) рассматривается как средство дискретизации электромагнитного поля по пространству.

В особый класс принято выделить антенны с обработкой сигнала. В частности, одним из таких устройств являются антенны с виртуальной (синтезированной) апертурой, применяемые в авиационной и космической технике для задач картографирования и увеличения разрешающей способности за счёт использования когерентного накопления и обработки сигнала.

Принцип действия

Упрощённо принцип действия антенны состоит в следующем. Как правило, конструкция антенны содержит металлические (токопроводящие) элементы, соединённые электрически (непосредственно или через линию питания — фидер) с радиопередатчиком или с радиоприёмником. В режиме передачи переменный электрический ток, создаваемый источником (например, радиопередатчиком), протекающий по токопроводящим элементам такой антенны, в соответствии с законом Ампера порождает в пространстве вокруг себя переменное магнитное поле. Это меняющееся во времени магнитное поле, в свою очередь, не только воздействует на породивший его электрический ток в соответствии с законом Фарадея, но и создаёт вокруг себя меняющееся во времени вихревое электрическое поле. Это переменное электрическое поле создаёт вокруг себя переменное магнитное поле и так далее — возникает взаимосвязанное переменное электромагнитное поле, образующее электромагнитную волну, распространяющуюся от антенны в пространство. Энергия источника электрического тока преобразуется антенной в энергию электромагнитной волны и переносится электромагнитной волной в пространстве. В режиме приёма переменное электромагнитное поле падающей на антенну волны наводит токи на токопроводящих элементах конструкции антенны, которые поступают в нагрузку (фидер, радиоприёмник). Наведённые токи порождают напряжения на входном импедансе приёмника.

Характеристики антенн

Электромагнитное излучение, создаваемое антенной, обладает свойствами направленности и поляризации. Антенна как двухполюсник обладает входным сопротивлением (импедансом). Реальная антенна преобразует в электромагнитную волну лишь часть энергии источника; остальная энергия расходуется в виде тепловых потерь. Для количественной оценки перечисленных и ряда других свойств антенна описывается набором радиотехнических и конструктивных характеристик и параметров, в частности:

  • Полевые характеристики
    • характеристика направленности
    • диаграмма направленности (ДН), её тип и возможность управления
    • ширина ДН по заданному уровню
    • уровень боковых лепестков (УБЛ), коэффициент рассеяния
    • фазовая диаграмма, местоположение фазового центра и частотная стабильность его координат
    • тип поляризации, поляризационная диаграмма, максимальное значение уровня излучения на кроссполяризации в заданном направлении, число поляризационных каналов и межполяризационная развязка (переходное затухание)
    • коэффициент направленного действия (КНД)
    • коэффициент усиления (КУ)
    • коэффициент использования поверхности (КИП) апертуры антенны
    • эффективная площадь рассеяния (ЭПР) антенны
  • Характеристики со стороны линии питания
    • тип линии передачи, номинальное входное сопротивление антенны
    • резонансная частота, рабочая полоса частот (по качеству согласования)
    • входной импеданс антенны и коэффициент стоячей волны (КСВ) в линии передачи
    • максимальная допустимая мощность на входе антенны (средняя, импульсная)
  • Передаточные характеристики
    • коэффициент полезного действия (КПД)
    • действующая высота
    • векторная импульсная характеристика, векторная передаточная характеристика
  • шумовая температура антенны
  • эффективная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) (характеристика системы антенна + радиопередатчик)
  • Конструктивные характеристики
    • масса, координаты центра масс, момент инерции
    • габаритные размеры, максимальный радиус разворота
    • тип радиочастотного соединителя или присоединительные размеры
    • парусность (ветровая нагрузка)
    • объект установки, способ крепления
    • применённые материалы
    • устойчивость к внешним воздействиям (климатическим, механическим и др.)
    • надежность, долговечность (срок службы, назначенный ресурс и др.)

Ряд электрических характеристик антенн как взаимных устройств (пассивных линейных многополюсников) в режиме передачи и в режиме приёма совпадает, в том числе: ДН (КНД, КУ, УБЛ) и входной импеданс. Например, диаграммы направленности антенны в режиме приёма и в режиме передачи совпадают.

Основные типы антенн

Содержание этого раздела является скорее не классификацией, а простым перечислением типов антенн со ссылками на их более подробное описание.

  • Телескопическая антенна
  • Вибраторная антенна
    • Симметричный вибратор (диполь)
      • Разрезной вибратор
      • Шунтовой вибратор
      • Петлевой вибратор («петлевой вибратор Пистолькорса», шлейф-вибратор)
      • Диполь Надененко
      • Уголковая вибраторная антенна
      • Антенна «Inverted V»
      • «Коаксиальная» антенна
      • CFR-антенна
    • Несимметричный вибратор
      • Антенна «Ground Plane»
      • Укороченная штыревая антенна
      • Коллинеарная антенна
      • J-образная антенна
      • Антенна зенитного излучения
      • Диэлектрическая резонаторная антенна
      • Вертикальная антенна верхнего питания
      • Антенна Александерсена
    • Турникетная антенна
    • Аэростатная антенна
    • Директорная антенна
      • Антенна типа «волновой канал» (антенна Уда — Яги)
    • Антенна СГД (синфазная горизонтальная диапазонная)
  • Щелевая антенна
    • Щелевой вибратор
    • Пазовая антенна
    • Волноводно-щелевая антенна
  • Апертурная антенна
    • Открытый конец металлического волновода
    • Рупорная антенна
    • Зеркальная антенна
      • Прямофокусная зеркальная антенна
      • Офсетная зеркальная антенна
      • Антенна Кассегрена
      • Антенна Грегори
      • Зеркальная антенна зонтичного типа
      • Рупорно-параболическая антенна
      • Перископическая антенна
      • Тороидальная антенна
    • Антенны со специальной формой диаграммы направленности
      • Антенна с косекансной диаграммой направленности
    • Линзовая антенна
      • Линза Люнеберга
      • Линза Ротмана
      • Линза Ван-Атта
  • Антенна бегущей волны
    • Спиральная антенна
    • Диэлектрическая стержневая антенна
    • Импедансная антенна
    • Антенна вытекающей волны
    • Антенна с сосредоточенной емкостью
    • V-образная антенна
    • Ромбическая антенна
    • Антенна Бевереджа
      • V-образная антенна (вертикальная)
      • λ-образная антенна
    • Антенны БС, БЕ и БИ
  • Слабонаправленные антенны диапазона СВЧ
    • Полосковая антенна (патч-антенна)
      • Микрополосковая печатная антенна
      • Антенна PIFA
    • Сингулярная антенна
    • Чип-антенна
  • Сверхширокополосные антенны
    • Антенны на принципе электродинамического подобия
      • Биконическая антенна
      • Дискоконусная антенна
      • Излучатель типа «бабочка»
    • Логопериодическая антенна
      • Вибраторная логопериодическая антенна
      • Спиральная логопериодическая антенна
    • Фрактальные антенны
    • Т-рупор
    • Антенна Вивальди
  • Антенная решетка
    • Фазированная антенная решётка (ФАР)
      • Пассивная ФАР
      • Активная ФАР
      • Цифровая антенная решётка
    • Многолучевая антенная решетка
    • MIMO-антенна
    • CTS-антенна
  • Пеленгаторная антенна
    • Рамочная антенна
    • Двухрамочная антенна
    • Антенна Эдкока
    • Антенна Вулленвебера
  • Антенна с обработкой сигнала
    • Радиоинтерферометр
    • Антенна с синтезированной апертурой
    • Радиооптическая антенная решетка
  • Электрически малая антенна
    • Магнитная антенна
      • С ферритовым сердечником
      • Магнитная рамочная антенна
    • Наномеханическая магнитоэлектрическая антенна
  • Распределённые антенны
    • Частично излучающий кабель
  • Антенны для преобразования энергии электромагнитной волны в электрическую энергию и для средств RFID
    • Ректенна = антенна + выпрямитель
    • Наноантенна — антенна для резонансного преобразования оптического излучения в электрическую энергию
  • Псевдо-антенны (антенны с мифическими техническими характеристиками)
    • Ртутная антенна
    • CFA-антенна
    • EH-антенна (шутливо называемая «НЕ-антенна» из-за ошибочного обоснования механизма работы)
  • Плазменная антенна
  • Концептуальные антенны
    • Гравитационная антенна

Примеры выдающихся конструкций

  • Антенна АДУ-1000
  • Антенна РТ-70
  • Антенна загоризонтной РЛС «Дуга»
  • Антенна станции зондирования ионосферы HAARP
  • Антенна радиообсерватории Аресибо
  • Антенна радиотелескопа Грин-Бэнк
  • Антенна СДВ-радиостанции «Голиаф»

Средства защиты от внешних воздействий

  • Радиопрозрачные укрытия и обтекатели
  • Краска
  • Противообледенительные системы
  • Защита от птиц

Интересные сведения

  • Электрические параметры антенны (ДН, входное сопротивление) не изменятся, если изменить все её размеры и длину волны в одинаковое число раз (принцип электродинамического подобия).
  • Амплитудно-фазовое распределение (распределение комплексной амплитуды тока как функции координат по апертуре антенны) и диаграмма направленности антенны в дальней зоне как функция угловых координат (пространственных частот) связаны преобразованием Фурье. При нахождении формы ДН удобно использовать теоремы связанные с преобразованием Фурье.
  • Эффективные размеры антенн с синтезированной апертурой могут составлять десятки и сотни километров.
  • Параметры пассивных антенн в линейных негиротропных средах не зависят от того, работает ли антенна на приём или на передачу, что вытекает из теоремы взаимности.

Программы для анализа параметров и синтеза антенн

Разработка хорошей антенны является неоднозначной, нетривиальной и часто сложной задачей. Поэтому при проектировании антенн идут на компромисс, так как антенна должна не только обеспечить требуемую диаграмму направленности и заданные электрические параметры, её конструкция должна быть ещё и прочной, недорогой, технологичной, стойкой к воздействию окружающей среды, ремонтопригодной, а в последнее время — часто выдвигается требование экологичности — минимизации возможного вреда от излучения и затрат на утилизацию.

С другой стороны, задача анализа (определения электромагнитных параметров антенны известной конструкции) с появлением компьютеров в большинстве случаев может быть успешно решена. Для этого создано и продолжает разрабатываться программное обеспечение ЭВМ, использующее численные методы решения задач электродинамики для анализа электрических параметров антенн. Многие из таких программ являются достаточно сложными в освоении коммерческими САПР, что существенно ограничивает их применение радиолюбителями и DIY-сообществом. Вот некоторые из них:

  • MININEC
  • NEC2
  • NEC4 — дальнейшее развитие NEC2.
  • MMANA-GAL
  • SuperNEC
  • UA6HJQ-VHF8
  • Antenna Magus
  • CST Microwave Studio
  • Ansoft HFSS
  • FEKO
  • Microwave Office

Специализирующиеся производители

  • Funke Digital TV

(голосов:0)

Пожожие новости
Комментарии

Ваше Имя:   Ваш E-Mail: