Антенны – это устройства, согласующие искусственную систему канализации электромагнитных волн (ЭМВ) с окружающей естественной средой их распространения.

Антенны являются неотъемлемой составной частью любой системы радиосвязи, которую используют электромагнитные волны в технологических целях. Помимо согласования между собой искусственных и естественных сред распространения ЭМВ, антенны могут выполнять ряд других функций, важнейшей из которых является пространственная и поляризационная селекция принимаемых и излучаемых ЭМВ.

Справка:

Согласованные системы – это системы, которые передают друг другу максимум предназначенной для передачи электромагнитной мощности.

Различают приемные и передающие антенны.

Передающие антенны

Структурная схема

1 – вход антенны, к которому подключен питающий волновод от передатчика;

2 – согласующее устройство, которое обеспечивает режим бегущих волн в питающем волноводе;

3 – распределительная система, которая обеспечивает требуемое пространственное амплитудно-фазовое распределение излучающих полей;

4 –излучающая система (излучатель), обеспечивает заданные поляризационные и направленные излучения ЭМВ.

Приемные антенны

Структурная схема

1 – выход антенны, к которому подключен волновод, соединяющий антенну с приемником;

2 – согласующее устройство;

3 – интегратор – устройство, обеспечивающее взвешенное когерентно-синфазное суммирование пространственных электромагнитных полей;

4 – принимающая система, обеспечивает поляризационную и пространственную селекцию ЭМВ, поступающих в антенну из окружающей ее естественной среды.

Справка:

Элементы структуры передающей и приемной антенн, обозначенные одинаковыми цифрами, могут иметь идентичные конструкции, в следствии чего в отрыве от системы, в которой антенны функционируют, отличить передающую антенну от приемной и наоборот невозможно.

Существуют приемно-передающие антенны.

Классификация антенн

Для систематизации разнообразных типов антенн их объединяют по ряду общих признаков. Классификационные признаки могут быть:

рабочий диапазон волн;

общность конструкции;

принцип роботы;

назначение.

Классы могут быть разбиты на подклассы и т. д.

По назначению все антенны делятся на два больших класса:

передающие;

приемные.

В эти два класса входят подтипы:

антенны стоячей волны;

антенны бегущей волны;

апертурные антенны;

антенны с обработкой сигналов;

активные антенные решетки;

сканирующие антенные решетки.

Основные задачи теории антенн

Существует две задачи:

задача анализа свойств конкретных антенн;

задача проектирования антенн по заданным исходным требованиям к ним.

Задачу анализа следует решать исходя из условий: искомые ЭМВ должны удовлетворять уравнения Максвелла, граничным условиям на поверхности раздела сред и условиям излучения Зоммерфельда.

В таких жестких условиях постановки решения задач проведение анализа возможно только для некоторых частных случаев (например для симметрического электрического вибратора).

Распространены приближенные методы решения задач анализа, по которым эти задачи разделяют на две части:

Внутреннюю задачу;

Внешнюю задачу.

Внутренняя задача призвана определить распределение токов в антенне реальных или эквивалентных. Внешняя задача состоит в определении поля излучения антенны по известному распределению токов ней. При решении внешней задачи широко используется метод суперпозиции, заключающийся в разбиении антенны на элементарные излучатели и последующее суммирование полей.

Задача проектирования антенны состоит в нахождении геометрической формы и размеров конструкции, обеспечивающие ее требуемые функциональные свойства. Решение задач проектирования (синтеза) антенн возможно:

посредством применения результатов анализа конкретных типов антенн и метода последовательных приближений, то есть путем изменения параметров (этап параметрической оптимизации) с последующим сравнением электрических характеристик, полученных таким образом новых вариантов известных антенн;

посредством прямого синтеза, то есть минуя этап параметрической оптимизации. В этом случае задачи проектирования антенн разделяют на две подзадачи:

классическая задача синтеза;

задача конструктивного синтеза.

Первая состоит в описании амплитудно-фазового распределения тока (или поля) на излучателе антенны, которая обеспечивает заданные функциональные свойства антенн. Решение данной подзадачи еще не определяет конструкцию антенны, оно определяет только требования к ее распределению.

Вторая направлена на отыскание полной геометрии антенны по заданному амплитудно-фазовому распределению тока (или поля) на излучателе антенны. Эта задача значительно сложнее первой и конструктивно не однозначна, часто ее решают приближенно.

Однако для некоторых типов антенн разработана строга теория конструктивного синтеза.

Передающие антенны

Их характеристики и параметры

Структура электромагнитного поля (ЭМП) антенны

Каждую антенну можно рассматривать как систему элементарных излучателей, сосредоточенных в некотором ограниченном объеме линейного пространства (), ее ЭМ поле как суперпозицию ЭМ полей, составляющих ее элементарных излучателей. Для выявления структуры ЭМП антенны рассмотрим структуру ЭМП элемента прямолинейного гармонически изменяющегося с угловой частотой, тока с постоянной амплитудой и длиной этого элементав линейной неограниченной изотропной среде с постоянными параметрами, ,.

– абсолютная диэлектрическая проницаемость среды;

ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды;

Электрическая постоянная;

– абсолютная магнитная проницаемость среды;

Относительная магнитная проницаемость среды;

Магнитная постоянная;

– удельная электрическая проводимость среды;

λ – длина волны.

М – точка наблюдения ЭМП;

r – радиальная координата точки М (расстояние от центра сферической системы координат до точки М);

– азимутальная координата точки М;

Меридиональная координата точки М.

Для рассматривания вибратора Герца, расположенного вдоль оси z, середина которого совмещена с центром сферической системы координат, решение уравнения Максвелла имеют вид (1.1), где

Единичные вектора;

– момент электрического тока;

Ортогональные комплексные амплитудные составляющие по сферическим координатам,,вектора напряженности электрического поля;

, , - ортогональные комплексные амплитудные составляющие по сферическим координатам ,,вектора напряженности магнитного поля;

- волновое число;

Длина волны в безграничном пространстве.

Из выражений следует, что ЭМП линейного элемента тока представляет собой ортогональные в пространстве волны напряженности электрического и магнитного полей. При этом скорость изменения амплитуды каждой волны определяется относительным удалением точки от центра вибратора.

Различают три области поля:

Для области дальнего поля выражения принимают вид:

В дальней области ЭМП обладает следующими свойствами:

Для воздуха: .

В областях промежуточного и ближнего полей помимо сферической поперечной волны существуют локальные реактивные поля, интенсивность которых очень быстро увеличивается с уменьшением r. Эти поля содержат некоторый запас ЭМ энергии, которой они периодически обмениваются с антенной (с периодом ). Данные поля обусловливают реактивную составляющую входного сопротивления антенны.

Свойства ЭМП определяют функциональные свойства антенны, а свойства ближнего и промежуточного ЭМП определяют стабильность функциональных свойств и широкополосность антенн.

Область дальнего ЭМП часто называют областью излучения, а область ближнего ЭМП – областью индукции.

Для реальных антенн границы областей дальнего, промежуточного и ближнего полей определяют с учетом разности фаз волн, пришедших в точку наблюдения от краев антенны и ее центра.

При допустимой разности фаз в области дальнего поля, равной :

Область дальнего ЭМП будет при ;

Область промежуточного поля ;

Область ближнего поля , где

Расстояние от центра антенны до точки наблюдения;

- максимальный поперечный размер излучающей системы антенны.

Основные характеристики и параметры прередающей антенны

Свойства антенны подразделяются на:

Радиотехнические;

Конструктивные;

Эксплуатационные;

Экономические;

Функциональные свойствацеликом определяются сигнальными параметрами.

Характеристики и параметры передающей антенны:

Комплексная векторная характеристика направленности

Комплексная векторная ХНА – это зависимость от направления (поляризация, фаза) электрического поля излученных антенной волн в равноудаленных от нее точках (на поверхности сферы радиуса r).

В общем случае комплексная ХНА состоит из трех сомножителей:

где - сферические координаты точки наблюдения поля излученной антенной волны.

Амплитудная ХНА

Амплитудная ХНА – это зависимость от направления амплитуды напряженности электромагнитной волны, излученной антенной в равноудаленных от нее точках.

Обычно рассматривают нормированную амплитудную ХНА:

,

где - направление в котором значение амплитудной ХНА максимально.

Диаграмма направленности антенны (ДНА)

Диаграмма направленности антенны – сечение амплитудной ХНА плоскостями, проходящими через направление или перпендикулярно ему.

Наиболее часто используется сечение взаимно ортогональными плоскостями.

Диаграмма направленности имеет лепестковую структуру. Лепестки характеризуются амплитудой и шириной.

Ширина лепестка ДНА – угол в пределах которого амплитуда лепестка изменяется в допустимых заданных пределах.

Лепестки бывают:

Главный лепесток;

Боковые лепестки;

Задний лепесток.

Ширину лепестков определяют по нулям или по уровню половины максимальной мощности.

По полю = 0.707;

По мощности = 0.5;

В логарифмическом масштабе = -3 дБ.

Нормированная амплитудная ХНА по мощности связана с амплитудной ХНА по полю соотношением:

Для изображения ДНА используют полярные и прямоугольные системы координат и три вида масштаба:

Линейный (по полю);

Квадратичный (по мощности);

Логарифмический

Фазовая ХНА

Фазовая ХНА - это зависимость от направления фазы гармонической электромагнитной волны в области дальнего поля в равноудаленных от начала координат точках в фиксированный момент времени.

Справка:

Фазовый центр антенны – точка в пространстве, относительно которой значение фазы в дальней зоне не зависит от направления и изменяется скачком на при переходе от одного лепестка ХНА к другому.

Для точечного источника электромагнитной волны, излучающего сферическую волну, поверхность равных фаз имеет вид сферы.

Поляризационная ХНА

Электромагнитная волна характеризуется поляризацией.

Поляризация – пространственная ориентация вектора Е, рассматриваемая в любой фиксированной точке дальнего поля в течении одного колебания.

В общем случае конец вектора Е за один период колебания в любой фиксированной точке пространства описывает эллипс, который расположен в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (эллипс поляризации).

Поляризация характеризуется:

параметрами эллипса;

пространственной ориентацией эллипса;

направлением вращения вектора Е.

Сопротивление излучения антенны

Сопротивление излучения антенны – это волновое сопротивление окружающего антенну пространства, перещитанное ею на вход, или в любое сечение питающего ее волновода, где понятие полного тока имеет смисл и может быть определено.

Сопротивление излучения может бать посчитано по формуле:

сс ,

где I – значение полного тока в данном месте антенны или питающего ее двухпроводной линии, которая эквивалентна питающему полому волноводу.

Входное сопротивление антенны

Входное сопротивление антенны – это отношение комплексных амплитуд гармонических напряжений и токов на входных клеммах антенны.

Входное сопротивление антенны характеризует антенну, как нагрузку для питающей линии.

Данный параметр используют в основном для линейных антенн, т.е. антенн, у которых входные напряжения и токи имеют ясный физический смысл и могут быть измерены.

Для антенн СВЧ обычно задают размеры сечения их входного волновода.

Коэффициент полезного действия (КПД) антенны

Определяет эффективность передачи антенной в окружающие пространство.

Сопротивление потерь

Справка:

С увеличением f КПД антенны увеличивается от единиц процентов на длинных волнах, до 95-99% на СВЧ.

Электрическая прочность и высотность антенны

Электрическая прочность антенны – способность антенн выполнять свои функции без электрического пробоя диэлектрика в ее конструкции или окружающей среды при увеличении поступающей на ее вход мощности электромагнитной волны.

Количественно электрическую прочность антенны характеризуют предельно допустимой мощностью и соответствующей ей критической напряженностью электрического поля, при которых начинается пробой.

Высотность антенны

Высотность антенны – это способность антенн выполнять свои функции без электрического пробоя окружающей атмосферы при увеличении высоты расположения этой антенны при заданной мощности передачи.

Справка:

С увеличением высоты электрическая прочность сначала уменьшается, достигая минимума на высотах 40-100 км, а затем вновь возрастает.

Диапазон рабочих частот антенны

Интервал частот от f max до f min , в пределах которого ни один из параметров и характеристик антенны не выходит за пределы, указанные в технических условиях.

Обычно диапазон определяется тем параметром, значение которого при изменении частоты раньше других выходит из допустимых пределов. Чаще всего этим параметром оказывается входное сопротивление антенны.

Количественными оценками диапазонных свойств антенны являются полоса пропускания и коэффициент пропускания:

Часто пользуются относительной полосой пропускания

Антенны по параметру делят на:

Коэффициент направленного действия (КНД)

Коэффициент направленного действия антенны в заданном направлении - это число, показывающие во сколько раз значение вектора Пойнтинга в рассматриваемом направлении в фиксированной точке дальней зоны отличается от значения вектора Пойнтинга в этой же точке если заменить рассматриваемую антенну на абсолютно-ненаправленную (изотропную) антенну при условии равенства их излучаемых мощностей.

Справка:

Обычно указывают максимальное значение КНД антенны в направлении максимума ее излучения.

Вибратор: КНД=0.5;

Полуволновой симметричный вибратор: КНД=1,64;

Рупорная антенна: КНД ;

Зеркальная антенна: КНД ;

Антенны космических аппаратов: КНД ;

Ограничителем верхнего предела КНД являются технологические погрешности изготовления и влияние условий эксплуатации.

Минимальные значения максимумов КНД реальных антенн всегда >1 , т.к. абсолютно ненаправленных антенн не существует.

КНД связан по полю с нормированной амплитудной ХНА :

,

где – максимальное значение КНД в направлении максимального излучения антенны, в котором .

КНД показ ывает тот выигрыш в мощности, который обеспечивает применение направленной антенны, но не учитывает тепловые потери в ней.

Ко э ффициент усиления антенны

Коэффициент усиления антенны в данном направлении – это число, показывающие выигрыш в мощности от применения направленной антенны с учетом тепловых потерь в ней:

Эквивалентная изотропно-излучаемая мощность

Эквивалентная изотропно-излучаемая мощность - это произведение подводимой к антенне мощности на максимальное значение ее коэффициента усиления.

Коэффициент рассеивания антенны

Коэффициент рассеивания антенны – это число, показывающие долю излучаемой мощности, приходящейся на долю боковых и задних лепестков.

Определяет мощность, приходящуюся на главный лепесток ХНА

Действующая длина антенны

Действующая длина антенны- длина гипотетического прямолинейного вибратора с равномерным распределением тока по всей его длине, который в направлении максимума своего излучения создает ту же величину напряженности поля, что и рассматриваемая антенна с той же величиной тока на входе.

В среде с волновым сопротивлением действующая длина антенны определяется выражением.

В. Поляков, RA3AAE

В этой статье нет ничего нового, она позволяет лишь взглянуть под иным углом зрения на давно известные факты, а также может послужить общеобразовательным целям. Есть и немного ностальгии…

Хорошо известно, что электрически короткие проволочные или штыревые антенны (длиной менее четверти волны) имеют емкостное реактивное сопротивление X и малое активное сопротивление излучения r, причем первое растет с укорочением антенны, а второе - уменьшается. Потери в самой антенне весьма малы, это подтверждают и программы моделирования антенн, например MMANA, показывая высокий КПД. Потери возникают в согласующей катушке (удлиняющей, либо контурной) и в заземлении.

Эквивалентную схему короткой заземленной приемной антенны обычно изображают так, как на рис. 1 справа. Е обозначает напряженность поля принимаемого сигнала, а hд - действующую высоту антенны. Слева показана сама антенна и распределение тока в ней. Оно синусоидальное, но для коротких антенн его приближенно считают треугольным.

Емкостное сопротивление Х и сопротивление излучения r антенны определяют по формулам, приводимым во многих книгах и учебниках:
X = Wctg(2ph/l), и r = 160p2(hд/l)2,

где W - волновое сопротивление провода антенны.

Формулы удается упростить, введя волновое число k = 2p/l и заменив умножение на котангенс делением на тангенс, а его, в свою очередь, заменив аргументом, ввиду его малости (h << l). С учетом того, что действующая высота hд антенны в виде короткого вертикального провода равна половине геометрической h из-за треугольного распределения тока, получим:

X = W/kh, и r = 10(kh)2.

К сожалению, эквивалентная схема на рис. 1 недостаточно наглядна, поскольку не показывает реального шунтирования входа приемника антенной. Целесообразно воспользоваться правилами преобразования последовательного соединения емкости и активного сопротивления в паралельное (см. книги по теории цепей). Для нашего случая, когда r << X, они очень просты (рис. 2).


Получившаяся эквивалентная схема приемной антенны показана на рис. 3, и из нее видно, что импеданс антенны определяется параллельно включенными емкостью С и резистором R. Этот импеданс шунтирует вход приемника независимо от того, есть напряжение сигнала на антенне, или его нет. Емкость С - это просто емкость антенны, для тонкого провода ее легко найти из расчета 5...7 пФ/м, а для относительно "толстых" телескопических антенн - 8...12 пФ/м.

Сопротивление R найдем, подставив в последнюю формулу на рис. 2 найденные выше значения X и r:
R = W2/10(kh)4.

Для тонкого провода в свободном пространстве W обычно полагают равным 600 Ом. Подставляя это значение, а также k = 2p/l, получим расчетную формулу:
R = 23(l/h)4.

С ее помощью, для иллюстрации, посчитаем емкость и сопротивление короткой проволочной вертикальной антенны для частоты 1 МГц (средняя частота диапазона СВ) и полагая сопротивление заземления равным нулю.

Результаты расчета сведены в таблицу:

Они поражают. Из таблицы видно, что эквивалентное (параллельное входу) активное сопротивление короткой вертикальной антенны огромно. Оно практически не шунтирует вход приемника. Это позволяет при низком входном сопротивлении приемника не учитывать активное сопротивление антенны R и считать, что на вход приемника поступает только емкостный ток через С (рис. 3). Тогда напряжение на входе приемника удается рассчитать просто по закону Ома.

Пример: к 50-омному входу приемника, работающего в диапазоне СВ, подключена 3-х метровая вертикальная антенна. Ее емкостное (18 пФ) сопротивление на частоте 1 МГц более 8 кОм. При напряженности поля радиостанции 10 мВ/м наведенное на антенне напряжение будет: E.hд = 10мВ/м.1,5м = 15 мВ. Емкостный ток получается около 15мВ/8кОм = 2мкА. Помножив его на сопротивление входа (50 Ом) получаем напряжение на входе около 100 мкВ.

Из примера видно, что короткие антенны не могут развить на низкоомном входе приемника большого напряжения. В то же время на входе приемника с высокоомным входом (значительно более 8 кОм) та же антенна могла бы развить напряжение, близкое к E.hд, т. е. около 15 мВ. Именно такими и были старинные радиоприемники - одноламповые регенераторы, прямого усиления, и даже ламповые супергетеродины.

В одноконтурных регенераторах антенну подключали к контуру либо непосредственно, либо через конденсатор связи небольшой емкости (рис. 4). Непосредственное подключение (гнездо А2) годится только для совсем коротких антенн с небольшой емкостью, которая компенсируется соответствующим уменьшением контурной емкости С2. Длинную антенну нельзя включать в гнездо А2, ибо это привело бы к сильной расстройке и внесению большого затухания в контур. Ее включали в гнездо А3, причем конденсатор связи С2 в разумно спроектированных конструкциях делали регулируемым, например 8…30 пФ, что позволяло ослаблять связь с антенной при сильных сигналах и больших помехах.

Резонансное сопротивление контура достигает на частотах СВ диапазона сотен килоом, а на ДВ еще больше. В регенераторах его надо еще помножить на коэффициент регенерации, тогда получаются многие мегаомы. Как видим, старинные приемники очень хорошо подходили для работы с короткими проволочными антеннами, имея очень высокое входное сопротивление. Не изменилась ситуация и в приемниках прямого усиления с УРЧ и супергетеродинах.

В эпоху до широкого применения магнитных антенн для связи с антенной использовали катушку L1 имевшую в 4…5 раз больше витков, чем контурная. Рассчитывали, чтобы эта катушка с емкостью «стандартной» антенны образовывала резонансный контур, настроенный на частоту ниже самой нижней частоты диапазона. Тогда выравнивался коэффициент передачи входной цепи по диапазону. Расчет и графики можно найти в учебниках по радиоприемным устройствам. Но в них не упоминают другой эффект от такого решения. Сопротивление контура трансформировалось к антенне в 16…25 раз при сильной связи и несколько меньше при слабой. Опять таки входное сопротивление приемника получалось несколько мегаом и более.

Приведенные данные ясно показывают, что для экспериментов с уникальными слаботочными антеннами (метелочными, костровыми и т. д.) нужны именно приемники с высокоомным входом, включающим настроенный контур, лампу или полевой транзистор.

Измерительный мост высокой частоты представляет собой обычный мост Уитстона и может использоваться для определения степени согласованности антенны с линией передачи. Эта схема известна под многими названиями (например, «антенноскоп» и т. д.), но в основе ее всегда лежит принципиальная схема, изображенная на рис. 14-15.

По мостовой схеме протекают токи высокой частоты, поэтому все резисторы, используемые в ней, должны представлять чисто активные сопротивления для частоты возбуждения. Резисторы R 1 и R 2 подбираются в точности равными друг другу (с точностью 1% или даже больше), а само сопротивление не имеет особого значения. При сделанных допущениях измерительный мост находится в равновесии (нулевое показание измерительного прибора) при следующих соотношениях между резисторами: R 1 = R 2 ; R 1: R 2 =1:1; R 3 = = R 4 ; R 3: R 4 = 1: 1.

Если вместо резистора R 4 включить испытываемый образец, сопротивление которого требуется определить, а в качестве R 3 использовать отградуированное переменное сопротивление, то нулевое показание измерителя разбаланса моста будет достигнуто при значении переменного сопротивления, равном активному сопротивлению испытываемого образца. Таким образом можно непосредственно измерить сопротивление излучения или входное сопротивление антенны. При этом следует помнить, что входное сопротивление антенны чисто активно только в случае, когда антенна настроена, поэтому частота измерений всегда должна соответствовать резонансной частоте антенны. Кроме того, мостовая схема может использоваться для измерения волнового сопротивления линий передачи и их коэффициентов укорочения.

На рис. 14-16 показана схема высокочастотного измерительного моста, предназначенного для антенных измерений, предложенная американским радиолюбителем W 2AEF (так называемый «антенноскоп»).

Резисторы R 1 и R 2 обычно выбираются равными 150-250 ом ,и абсолютная их величина не играет особой роли, важно только, чтобы сопротивление резисторов R 1 и R 2 , а также емкости конденсаторов С 1 и С 2 были равны друг другу. В качестве переменного сопротивления следует использовать только безындуктивные объемные переменные резисторы и нив коем случае не проволочные потенциометры. Переменное сопротивление обычно 500 ом , а если измерительный мост используется для измерений только на линиях передачи, изготовленных из коаксиальных кабелей, то 100 ом , что позволяет более точно производить измерения. Переменное сопротивление градуируется, и при балансе моста оно должно быть равным с сопротивлением испытываемого образца (антенны, линии передачи). Дополнительное сопротивление R Ш зависит от внутреннего сопротивления измерительного прибора и требуемой чувствительности измерительной схемы. В качестве измерительного прибора можно использовать магнитоэлектрические миллиамперметры со шкалой 0,2; 0,1 или 0,05 ма . Дополнительное сопротивление следует выбирать по возможности высокоомным, так чтобы подключение измерительного прибора не вызывало значительного разбаланса моста. В качестве выпрямляющего элемента может использоваться любой германиевый диод.

Проводники мостовой схемы должны быть как можно короче для уменьшения их собственной индуктивности и емкости; при конструировании прибора следует соблюдать симметрию в расположении его деталей. Прибор заключается в кожух, разделенный на три отдельных отсека, в которых, как показано на рис. 14-16, помещаются отдельные элементы схемы прибора. Одна из точек моста заземляется, и, следовательно, мост несимметричен относительно земли. Поэтому мост наиболее подходит для измерения на несимметричных (коаксиальных) линиях передачи. В случае, если требуется использовать мост для измерения на симметричных линиях передачи и антеннах, то необходимо тщательно изолировать его от земли с помощью изолирующей подставки. Антенноскоп может применяться как в диапазоне коротких, так и ультракоротких волн, и граница его применимости в диапазоне УКВ в основном зависит от конструкции и отдельных схемных элементов прибора.

В качестве измерительного генератора, возбуждающего измерительный мост, вполне достаточно использовать гетеродинный измеритель резонанса. Следует иметь в виду, что высокочастотная мощность, поступающая на измерительный мост, не должна превышать 1 вт, и мощность, равная 0,2 вт, вполне достаточна для нормальной работы измерительного моста. Ввод высокочастотной энергии осуществляется с помощью катушки связи, имеющей 1-3 витка, степень связи которой с катушкой контура гетеродинного измерителя резонанса регулируется так, чтобы при отключенном испытываемом образце измерительный прибор давал полное отклонение. Следует учитывать, что при слишком сильной связи градуировка частоты гетеродинного измерителя резонанса несколько смещается. Чтобы не допустить ошибок, рекомендуется прослушивать тон измерительной частоты по точно отградуированному приемнику.

Проверка работоспособности измерительного моста осуществляется подключением к измерительному гнезду безындукционного резистора, имеющего точно известное сопротивление. Переменное сопротивление, при котором достигается баланс измерительной схемы, должно точно равняться (если измерительный мост правильно сконструирован) испытываемому сопротивлению. Эта же операция повторяется для нескольких сопротивлений при разных измерительных частотах. При этом выясняется частотный диапазон работы прибора. Вследствие того, что схемные элементы измерительного моста в диапазоне УКВ имеют уже комплексный характер, баланс моста становится неточным, и если в диапазоне 2 м его еще можно добиться, тщательно выполнив конструкцию моста, то в диапазоне 70 см рассмотренный измерительный мост совершенно неприменим.

После проверки работоспособности измерительного моста его можно использовать для практических измерений.

На рис. 14-17 изображена конструкция антенноскопа, предложенная W 2AEF.

Определение входного сопротивления антенны

Измерительное гнездо измерительного моста непосредственно подключается к зажимам питания антенны. Если резонансная частота антенны была измерена ранее с помощью гетеродинного измерителя резонанса, то мост питается высокочастотным напряжением этой частоты. Изменяя переменное сопротивление, добиваются нулевого показания измерительного прибора; при этом считываемое сопротивление равно входному сопротивлению антенны. Если же резонансная частота антенны заранее не известна, то частоту, питающую измерительный мост, изменяют До тех пор, пока не получают однозначного баланса измерительного моста. При этом частота, обозначенная на шкале измерительного генератора, равна резонансной частоте антенны, а сопротивление, полученное по шкале переменного сопротивления, равно входному сопротивлению антенны. Изменяя параметры схемы согласования, можно (не изменяя частоты возбуждения высокочастотного измерительного моста) получить заданное входное сопротивление антенны, контролируя его по антенноскопу.

Если проводить измерение непосредственно в точках питания антенны неудобно, то в этом случае между измерительным мостом можно включить линию, имеющую электрическую длину Я/2 или длину, кратную этой длине (2·λ/2, 3·λ/2, 4·λ/2 и т. д.) и обладающую любым волновым сопротивлением. Как известно, такая линия трансформирует сопротивление, подключенное к ее входу, в отношении 1: 1, и поэтому ее включение не отражается на точности измерения входного сопротивления антенны с помощью высокочастотного измерительного моста.

Определение коэффициента укорочения высокочастотной линии передачи

Точная длина λ/2 отрезка линии также может быть определена с помощью антенноскопа.

Достаточно длинный свободно подвешенный отрезок линии на одном конце замыкается, а другим концом подключается к измерительному гнезду моста. Переменное сопротивление устанавливается в нулевое положение. Затем медленно изменяют частоту гетеродинного измерителя резонанса, начиная с низких частот, и переходят к более высоким частотам, до тех пор пока не достигается баланс моста. Для этой частоты электрическая длина точно равна λ/2. После этого несложно определить коэффициент укорочения линии. Например, для отрезка коаксиального кабеля длиной 3,30 м при частоте измерений 30 Мгц (10 м ) достигается первый баланс моста; отсюда λ/2 равно 5,00 м . Определяем коэффициент укорочения: $$k=\frac{геометрическая длина}{эектрическая длина}=\frac{3,30}{5,00}=0,66.$$

Так как баланс моста имеет место не только при электрической длине линии, равной λ/2, но и при длинах, кратных ей, то следует найти второй баланс моста, который должен быть при частоте 60 Мгц. Длина линии для этой частоты равна 1λ. Полезно помнить, что коэффициент укорочения коаксиальных кабелей равен приблизительно 0,65, ленточных кабелей - 0.82 и двухпроводных линий с воздушной изоляцией - приблизительно 0,95. Так как измерение коэффициента укорочения с помощью антенноскопа несложно, то следует конструировать все схемы трансформаторов, используя методику измерения коэффициента укорочения, описанную выше.

Антенноскоп можно также использовать для проверки точности размеров λ/2 линии. Для этого к одному концу линии подключается резистор с сопротивлением меньше 500 ом , а другой конец линии подключается к измерительному гнезду моста; при этом переменное сопротивление (в случае, если линия имеет электрическую длину, в точности равную λ/2) равняется сопротивлению, подключенному к другому концу линии.

С помощью антенноскопа может быть определена также точная электрическая длина λ/4 линии. Для этого свободный конец линии не замыкается, и, изменяя частоту гетеродинного измерителя резонанса таким же образом, как было описано выше, определяют самую низкую частоту, при которой (при нулевом положении переменного сопротивления) достигается первый баланс мостовой схемы. Для этой частоты электрическая длина линии точно равна λ/4. После этого можно определить трансформирующие свойства λ/4 линии и рассчитать ее волновое сопротивление. Например, к концу четвертьволновой линии подключается резистор сопротивлением 100 ом .Изменяя переменное сопротивление, добиваются баланса моста при сопротивлении Z M = 36 ом . После подстановки в формулу $Z_{тр}=\sqrt{Z_{M}\cdot{Z}}$ получаем: $Z_{тр}=\sqrt{36\cdot{100}}=\sqrt{3600}=60 ом$. Таким образом, как мы видели, антенноскоп, несмотря на свою простоту, позволяет решить почти все задачи, связанные с согласованием линии передачи с антенной.

Поляризация электромагнитных волн

Поляризация электромагнитных волн (франц. polarisation; первоисточник: греч. polos ось, полюс) - нарушение осевой симметрии поперечной волны относительно направления распространения этой волны. В неполяризованной волне колебания векторов s и v смещения и скорости в случае упругих волн или векторов Е и Н напряжённостей электрических и магнитного полей в случае электромагнитных волн в каждой точке пространства по всевозможным направлениям в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, быстро и беспорядочно сменяют друг друга, так что ни одно из этих направлений колебаний не является преимущественным. Поперечную волну назовут поляризованной, если в каждой точке пространства направление колебаний сохраняется неизменным или изменяется с течением времени по определённому закону. Плоскополяризованной (линейно-поляризованной) назовут волну с неизменным направлением колебаний, соответственно векторов s или Е. Если концы этих векторов описывают с течением времени окружности или эллипсы, то волну назовут циркулярно или эллиптически - поляризованной. Поляризованная волна может возникнуть: вследствие отсутствия осевой симметрии в возбуждающем волну излучателе; при отражении и преломлении волн на границе раздела двух сред (см. Брюстера закон); при распространении волны в анизотропной среде (см. Двойное лучепреломление).
(см. Большой энциклопедический политехнический словарь)
На практике: если сигнал с телецентра идёт в горизонтальной поляризации, то вибраторы антенны должны быть расположены параллельно плоскости земли, если сигнал передаётся в вертикальной поляризации, то вибраторы антенны должны быть расположены перпендикулярно плоскости земли, если сигналы передаются в двух поляризациях, то нужно использовать две антенны и сигналы с них суммировать. В зоне уверенного приёма можно поставить одну антенну под углом 45 градусов к плоскости земли.
Спутниковый телевизионный сигнал передаётся на Землю в линейной и в круговой поляризации. Для приёма таких сигналов используют разные конверторы: например, для Континент ТВ- линейный конвертор, а для Триколор ТВ - циркулярный конвертор. Форма и размер тарелки не оказывает на поляризацию никакого влияния.

Важным параметром антенн является входное сопротивление: (входной импеданс антенны), характеризующее её как нагрузку для передающего устройства или фидера. Входным сопротивлением антенны называется отношение напряжения между точкой подключения (точкой возбуждения) антенны к фидеру, к току в этих точках. Если антенна питается волноводом, то входное сопротивление определяется отражениями, возникающими в волноводном тракте. Входное сопротивление антенны состоит из суммы сопротивления излучения антенны и сопротивления потерь: Z = R(изл) + R (пот). R(изл) - в общем случае величина комплексная. В резонансе реактивная составляющего входного импеданса должна быть равна нулю. На частотах выше резонансной импеданс имеет - индуктивный характер, а на частотах ниже резонансной - емкостной характер, что вызывает потерю мощности на границах рабочей полосы антенны. R (пот) - сопротивление потерь антенны зависит от многих факторов, например, от близости ее к поверхности Земли или проводящим поверхностям, омических потерь в элементах и проводах антенны, потерь в изоляции. Входной импеданс антенны должен быть согласован с волновым сопротивлением фидерного тракта (или с выходным сопротивлением передатчика) так, чтобы обеспечить в последнем режим, близкий к режиму бегущей волны.
У телевизионных антенн входной импеданс: логопериодической антенны - 75 Ом, у волнового канала - 300 Ом. Для антенн волнового канала при использовании телевизионного кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом требуется согласующее устройство, ВЧ трансформатор.

Коэффициент стоячей волны (KСВ)

Коэффициент стоячей волны характеризует степень согласования антенны с фидером, а также согласование выхода передатчика и фидера. На практике всегда часть передаваемой энергии отражается и возвращается в передатчик. Отраженная энергия вызывает перегрев передатчика и может его повредить.

КСВ рассчитывается следующим образом:
KСВ = 1 / KБВ = (U пад + U отр) / (U пад - U отр), где U пад и U отр - амплитуды падающей и отраженной электромагнитных волн.
С амплитудами падающей (U пад) и отраженной (U отр) волн в линии КБВ связано соотношением: KБВ = (U пад + U отр) / (U пад - U отр)
В идеале КСВ=1, значения до 1,5 считаются приемлемым.

Диаграмма направленности (ДН)

Диаграмма направленности является одной из самых наглядных характеристик приёмных свойств антенны. Построение диаграмм направленности производится в полярных или в прямоугольных (декартовых) координатах. Рассмотрим для примера построенную в полярных координатах диаграмму направленности антенны типа «волновой канал» в горизонтальной плоскости (рис. 1). Координатная сетка состоит из двух систем линий. Одна система линий представляет собой концентрические окружности с центром в начале координат. Окружности наибольшего радиуса соответствует максимальной ЭДС, значение которой условно принято равным единице, а остальные окружности - промежуточные значения ЭДС от единицы до нуля. Другая система линий, образующих координатную сетку, представляет собой пучок прямых, которые делят центральный угол в 360° на равные части. В нашем примере этот угол разделен на 36 частей по 10° в каждой.

Положим, что радиоволна приходит с направления, показанного на рис. 1 стрелкой (угол 10°). Из диаграммы направленности видно, что этому направлению прихода радиоволны соответствует максимальная ЭДС на клеммах антенны. При приеме радиоволн, приходящих с любого другого направления, ЭДС на клеммах антенны будет меньше. Например, если радиоволны приходят под углами 30 и 330° (т. е. под углом 30° к оси антенны со стороны директоров), то значение ЭДС будет равно 0,7 максимальной, под углами 40 и 320° - 0,5 максимальной и т. д.

На диаграмме направленности (рис. 1) видны три характерные области - 1, 2 и 3. Область 1, которой соответствует наибольший уровень принятого сигнала, называют основным, или главным лепестком диаграммы направленности. Области 2 и 3, находящиеся со стороны рефлектора антенны, носят название задних и боковых лепестков диаграммы направленности. Наличие задних и боковых лепестков свидетельствует о том, что антенна принимает радиоволны не только спереди (со стороны директоров), но и сзади (со стороны рефлектора), что снижает помехоустойчивость приема. В связи с этим при настройке антенны стремятся уменьшить число и уровень задних и боковых лепестков.
Описанную диаграмму направленности, характеризующую зависимость ЭДС на клеммах антенны от направления прихода радиоволны, часто называют диаграммой направленности по «полю», так как ЭДС пропорциональна напряженности электромагнитного поля в точке приема. Возведя в квадрат ЭДС, соответствующую каждому направлению прихода радиоволны, можно получить диаграмму направленности по мощности (пунктирная линия на рис. 2).
Для численной оценки направленных свойств антенны пользуются понятиями угла раствора основного лепестка диаграммы направленности и уровня задних и боковых лепестков. Углом раствора основного лепестка диаграммы направленности называют угол, в пределах которого ЭДС на клеммах антенны спадает до уровня 0,7 от максимальной. Угол раствора можно также определить, пользуясь диаграммой направленности по мощности, по ее спаду до уровня 0,5 от максимальной (угол раствора по «половинной» мощности). В обоих «случаях численное значение угла раствора получается, естественно, одним и тем же.
Уровень задних и боковых лепестков диаграммы направленности по напряжениюопределяется как отношение ЭДС на клеммах антенны при приеме со стороны максимума заднего или бокового лепестка к ЭДС со стороны максимума основного лепестка. Когда антенна имеет несколько задних и боковых лепестков различной величины, то указывается уровень наибольшего лепестка.

Коэффициент направленного действия (КНД)

Коэффициент направленного действия: (КНД) передающей антенны - отношение квадрата напряженности поля, создаваемой антенной в направлении главного лепестка, к квадрату напряженности поля создаваемой ненаправленной или направленной эталонной антенной (полуволновый вибратор - диполь, коэффициент направленного действия которого по отношению к гипотетической ненаправленной антенне равен 1,64 или 2,15 дБ) при одинаковой подводимой мощности. (КНД) является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд). Чем уже главный лепесток (ДН) и меньше уровень боковых лепестков, тем больше КНД.
Реальный выигрыш антенны по мощности относительно гипотетического изотропного излучателя или полуволнового вибратора характеризуется коэффициентом усиления по мощности КУ(Мощ.), который связан с (КНД) соотношением:
КУ(Мощ.) = КНД - КПД (коэффициент полезного действия антенны)

Коэффициент усиления (КУ)

Коэффициент усиления (КУ) антенны - отношение мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой к входу рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля при излучении мощности, а при приёме - отношение мощностей, выделяемых на согласованных нагрузках антенн.
КУ является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд).
Усиление антенны характеризуется выигрышем по мощности (напряжению), которая выделяется в согласованной нагрузке, подключенной к выходным зажимам рассматриваемой антенны, по сравнению с "изотропной" (то есть имеющей круговую ДН) антенной или, например, полуволновым вибратором. При этом надо учитывать направленные свойства антенны и потери в ней (КПД). У телевизионных приёмных антенн (КУ) равен, примерно, коэффициенту направленного действия (КНД) антенны, т.к. коэффициент полезного действия таких антенн находится в пределах 0,93…0,96. Коэффициент усиления широкополосных антенн зависит от частоты и неравномерен во всей полосе частот. В паспорте на антенну нередко указывают максимальное значение (КУ).

Коэффициент полезного действия (КПД)

В режиме передачи, (КПД) - это отношение мощности излучаемой антенной к мощности, подведённой к ней, так как существуют потери в выходном каскаде передатчика, в фидере и самой антенне, КПД антенны всегда меньше 1. В приёмных телевизионных антеннах КПД находится в пределах 0,93…0,96.

входное сопротивление антенны. Считается, что оно представляет собой последовательно соединённые реактивное и активное сопротивления. Но в антенне или в фидере нет реального резистора, конденсатора или катушки индуктивности. Всё это только результат расчёта эквивалентных им сопротивлений антенной цепи. Пусть в качестве нагрузки будет использован некий «чёрный ящик», на входной разъём которого подаётся ВЧ напряжение. На этом разъёме реально можно измерить мгновенное напряжение u’ и ток i’, а также разницу фазы между ними j. Входное сопротивление есть рассчитанное активное и реактивное сопротивления, подключая к которым данное ВЧ напряжение получим точно такие же u’, i’ и j.
Известно, что такой эквивалент может иметь как последовательное (serial, Zs=Rs+jXs), так и параллельное (parallel, Zp=Rp||+jXp) соединение активных и реактивных сопротивлений. Каждому последовательному соединению активного (Rs) и реактивного (Xs) сопротивлений соответствует параллельное соединение активного (Rp) и реактивного (Xp) сопротивлений. В общем случае Rs№Rp и Xs№Xp. Привожу формулы, по которым можно пересчитать численные значения с одного соединения на другое.

Например, пересчитаем последовательное соединение Zs=40+j30W в параллельное Zp.

Чаще используют эквивалент последовательного включения, но и эквивалент параллельного включения имеет такое же практическое значение. Zs называется импедансом последовательного включения, R – резистансом, X – реактансом, а Zp импедансом параллельного включения. В параллельном включении часто используется админтанс, но это проводимость, и наглядность при его использовании сильно уменьшается. Обычно термин „импеданс“ указывает, что речь идёт о последовательном соединении эквивалентного активного и реактивного сопротивлений.

88) Мощности, подводимые к антенне и излученные антенной.

Мощность делится на две части:

1) излучаемая

2) потери на активном сопротивлении (в земле, в окружающих металлических проводниках, оттяжках, строениях и т.д.)

– излученная мощность, как для всякой линейной цепи, пропорциональна квадрату действующего значения тока в антенне.

– коэффициент пропорциональности.

Сопротивление излучения можно определить как коэффициент, связывающий антенны с в данной точке антенны .

(форма антенны, геометрические размеры, l )

– полезная мощность

Мощность потерь:

– эквивалентное сопротивление потерь отнесенное к току I

– полная мощность (подводимая к антенне)

где – активное сопротивление антенны в точке запитки

Для оценки эффективности работы антенны вводят понятие КПД антенны , для увеличения необходимо уменьшение .

89) Симметричный электрический вибратор в свободном пространстве.

Приближенные законы распределения тока и заряда по вибратору.

Рис. 15. Симметричный вибратор

Симметричный вибрато – два одинаковых плеча по размерам и форме, между которыми включается генератор.

До разработки строгой теории симметричного вибратора (конец 30-х начало 40-х годов) при расчете поля вибратора применялся приближенный метод. В его основе лежит предположение о синусоидальном распределении тока по вибратору (закон стоячих волн) связанное с некоторой внешней аналогией между симметричным вибратором и 2-х проводной линией разомкнутой на конце.