В наши дни радио получило широкое распространение и теперь каждый человек с детства знает об радио, антенных и прочих уст­ройствах довольно много, а в то же время практически ничего, если рассматривать вопрос чисто профессионально. Что же такое антенна?

Антенной называется радиотехническое устройство, которое служит для преобразования энергии токов высокой частоты в энергию высокочастотного электромагнитного поля и для обратного преоб­разования.

В зависимости от вида преобразования энергии антенны могут быть передающими, приемными и универсальными. Универсальные ан­тенны служат и для приема и для передачи сигналов. Этот тип ан­тенн в авиационной радиотехнике применяется наиболее часто.

Ко всем антеннам применимо правило обратимости. Оно заклю­чается в том, что все характеристики антенн сохраняются постоянными и не зависят от того, работает ли антенна в режиме “передача” или в режиме “прием”.

В связи со спецификой условий применении радиотехнического оборудовании на ЛА конструкция антенн, устанавливаемых на них, может сильно отличаться от аналогичных антенн наземной аппара­туры.

С началом установки на ЛА приемо-передающих устройств возникла необходимость в разработке, установке и эксплуатации соответствующих АФУ. Отличительной чертой антенн ЛА являются некоторые повышенные требовании к габаритам, весу, обтекаемости и конструк­ции антенн. Антенны ЛА должны обеспечивать прием сигналов доста­точной мощности на заданных расстояниях, хорошо согласовываться с приемо-передающим трактом и, по возможности, не выступать за кор­пус (фюзеляж) ЛА.

Из курса физики вы знаете, что такое колебательный контур. Это замкнутая колебательная цепь, обладающая “сосредоточенными” параметрами L и C . Действительно, размеры катушки индуктивности и конденсатора очень малы по сравнению с длиной собственной волны контура, в то же время магнитное поле, сосредоточенное вокруг витков катушки, занимает практически малое пространство, а электрическое поле, ограниченное пластинами конденсатора, занимает еще меньшее пространство. Системы с сосредоточенными параметрами успешно применяются в схемах, предназначенных для генерации и усиления колебаний высокой частоты. Но эти системы не могут с достаточным успехом осуществить основные задачи радиотехники - излучения энергии в пространство и извлечения ее из него. Эти задачи выполняются колебательными цепями открытого типа, имеющими “распределенные” параметры L и C. Разновидностями открытых цепей и являются передающие и приемные антенны.

Рассмотрим принцип работы антенны на примере симметричного вибратора, представляющего собой провод, изолированный на концах и служащий примером открытой колебательной цепи. Само название вибратор говорит о том, что эта система обладает колебательными свойствами (рис. 8).

Антенны могут классифицироваться по ряду признаков: по частотным диапазонам, по степени направленности излучения (ненаправленные, слабонаправленные, высоконаправленные), по типу элементарных источников, из которых составлена антенна и др. Любая классификация является условной. Мы используем последний из перечисленных признаков.

Проволочные антенны . Излучающим является провод, по которому протекает быстропеременный электрический ток. Генератор или входные цепи приемника включены в разрыв провода, отрезки провода называется плечами. К проволочным антеннам относятся: вибраторы, штыри, длинный провод, ромбическая антенна и др. Конструктивно «провод» может быть выполнен в виде металлической полосы, тонкой трубки, металлической сетки. Проволочные антенны относятся к антеннам слабой и средней направленности и используются в диапазонах от длинных до сантиметровых волн.

Антенные решетки (АР) с поперечным излучением. АР образована из упорядоченной системы слабонаправленных излучателей, возбуждаемых от общего генератора с помощью диаграммо-образующей схемы, состоящей из отрезков ЛП и делителей мощности для получения синфазного возбуждения всех элементов АР. Решетки бывают линейные и двумерные (плоские). АР формируют ДН, главный максимум которой ориентирован по нормали к плоскости решетки (раскрыву). Ширина ДН пропорциональна величине , где λ - рабочая длина волны, А - линейный размер полотна в соответствующей плоскости (вертикальной или горизонтальной). Уровень боковых лепестков ДН определяется видом амплитудного распределения в раскрыве антенны. Если в диаграммо-образующую схему ввести систему управляемых фазовращателей, то формирование линейного распределения фазы по раскрыву приведет к отклонению луча от нормали. АР с управляемым положением главного лепестка ДН называется фазированной антенной решеткой (ФАР).

Антенны с бегущей волной тока. Это система из дискретных или непрерывно расположенных излучателей, фазы токов в которых меняются по закону бегущей волны (линейно). К дискретным антеннам этого типа относятся, так называемая, директорная антенна или антенна «волновой канал». Она состоит из вибраторов, расположенных вдоль линии, совпадающей с направлением максимума излучения. В такой линейной решетке используются активные и пассивные вибраторы. Директорная антенна – наиболее распространенный тип антенны для приема телевизионных программ. К антеннам с непрерывным распределением тока относятся спиральные и диэлектрические стержневые антенны. Это класс антенн средней направленности. Диапазоны использования – метровые, дециметровые и сантиметровые волны.

Апертурные антенны. Если по некоторой площадке (апертуре, раскрыву) установить непрерывное, квазисинфазное распределение ЭМП, то такая излучающая система называется апертурной антенной. Элементарными источниками излучения в раскрыве являются элементы Гюйгеса. Наиболее распространенными типами этого класса антенн являются рупорные и зеркальные (рефлекторные) антенны. Антенны этого класса формируют среднее и высоконаправленное излучение. Коэффициент усиления зеркальных антенн может достигать несколько десятков децибел. Зеркальные и рупорные антенны используются в радиолокации, для приема спутникового телевидения. Диапазоны использования – от метровых до миллиметровых волн.

24. Виды антенн. Характеристики антенн.

Антенны представляют собой конструкцию из токопроводящих элементов, размеры и конфигурация которых определяют эффективность преобразования радиосигналов в электрические. Для обеспечения эффективного излучения и приема в широком диапазоне используемых радиочастот создано большое количество видов и типов антенн, классификация которых представлена на рис. 3.9.

Назначение передающих и приемных антенны ясно из их наименований. По своим основным электрическим параметрам они не отличаются. Многие из них в зависимости от схемы подключения (к передатчику или приемнику) могут использоваться как передающие или приемные. Однако если к передающей антенне подводится большая мощность, то в ней принимаются специальные меры по предотвращению пробоя между элементами антенны, находящихся под более высоким напряжением.

Эффективность антенн зависит от согласования размеров элементов антенны с длинами излучаемых или принимаемых волн. Минимальная длина согласованной с длиной волны электромагнитного колебания штыревой антенны близка к L/4, где L - длина рабочей волны. Размеры и конструкция антенн отличаются как для различных диапазонов частот, так и внутри диапазонов.

Если для стационарных антенн требование к геометрическим размерам антенны может быть достаточно просто выполнено для коротких и ультракоротких волн, то для антенн, устанавливаемых на мобильных средствах, оно неприемлемо. Например, рациональная длина антенны для обеспечения связи на частоте 30 МГц составляет 2.5 м, что неудобно для пользователя. Поэтому применяют укороченные антенны, но при этом уменьшается их эффективность.

По конструкции антенны разделяются на проволочные (вибраторные), рупорные, параболические, рамочные, спиральные, антенные решетки и различные их комбинации.

Возможности антенн как приемных, так и передающих определяются следующими характеристиками:

диаграммой направленности;

коэффициентом полезного действия;

коэффициентом направленного действия;

коэффициентом усиления;

полосой частот.

Диаграмма направленности представляет собой графическое изображение уровня излучаемого и принимаемого сигнала от угла поворота антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Диаграммы изображаются в прямоугольных и полярных координатах (см. рис. 3.10).

Диаграммы направленности могут иметь разнообразный и изрезанный характер, определяемый механической конструкцией и электрическими параметрами. Лепесток диаграммы направленности с максимумом мощности излучаемого или принимаемого электромагнитного поля называется главным или основным лепестком, остальные боковыми и задними. Соотношение между величинами мощности основного лепестка по сравнению с остальными характеризует направленные свойства антенны. Ширина главного лепестка диаграммы измеряется углом между прямыми, проведенными из начала полярных координат до значений диаграммы, соответствующих половине максимальной мощности излучения или 0.7 напряжения электрического сигнала приемной антенны. Чем уже ширина диаграммы направленности антенны, тем выше ее коэффициент направленного действия.

Коэффициент направленного действия (КНД) определяет величину энергетического выигрыша, который обеспечивает направленная антенна по сравнению с ненаправленной.

Потери электрической энергии в антенне оцениваются коэффициентом полезного действия (КПД), равного отношению мощности сигнала на выходе реальной антенны к мощности сигнала идеальной антенны без потерь.

Произведение этих двух коэффициентов определяет коэффициент усиления антенны (КУ).

Полоса частот, в пределах которых сохраняются заданные технические характеристики антенны, называется полосой ее пропускания.

Создание антенн с высоким коэффициентом усиления и широкой полосой пропускания представляет основную проблему в области конструирования антенн. Чем выше КУ, тем труднее обеспечить широкополосность антенны. В зависимости от полосы пропускания антенны разделяются на узкополосные, широкополосные, диапазонные и широкодиапазонные.

Узкополосные антенны обеспечивают прием сигналов в диапазоне 10% от основной частоты. У широкополосных антенн эта величина увеличивается до (10-50)%, у диапазонных антенн коэффициент перекрытия (отношение верхней частоты полосы пропускания антенны к нижней) составляет 1.5-4, а у широкодиапазонных антенн это отношение достигает значений в интервале 4-20 и более.

Совокупность однотипных антенн, расположенных определенным образом в пространстве, образуют антенную решетку. Сигнал антенной решетки соответствует сумме сигналов от отдельных антенн. Различают линейные (одномерные) и плоские (двухмерные) антенные решетки. Антенные решетки, у которых можно регулировать фазы сигналов отдельных антенн, называют фазированными антенными решетками. Путем изменения фаз суммируемых сигналов можно менять диаграмму направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях и производить быстрый поиск сигнала по пространству и ориентацию антенны на источник излучения.

Существуют передающие антенны, предназначенные для излучения радиоволн, и приемные антенны, служащие для их приема. Антенны - устройства взаимные, их можно использовать и для излучения, и для приема.

Имеется огромное количество типов антенн, различающихся диапазонами рабочих частот и диаграммами направленности. При проектировании антенн задаются следующие параметры:

полоса частот;

вид диаграммы направленности и поляризация излучаемых (или принимаемых) радиоволн;

минимальные потери энергии в антенне;

входное сопротивление и максимальный Kсв в фидере;

минимальный шум (для приемных антенн).

Антенны классифицируются по различным признакам: частоте, виду диаграммы направленности, конструкции. В зависимости от конструкции, существуют следующие типы антенн:

Линейные;

Апертурные;

Антенные решетки.

Линейные антенны

Особенностью линейных антенн является то, что поперечные их размеры малы по сравнению с продольными. К линейным относятся проволочные и щелевые антенны - рис. 3.10.

Г- и Т-образные антенны выполнены из проводника узкого сечения и применяются на низких частотах. Вибраторные щелевые и полосковые антенны применяют в разных частотных диапазонах, в том числе и на СВЧ. Линейные антенны создают, обычно, слабонаправленное излучение.

Апертурные антенны.

В апертурных антеннах излучение происходит в некоторой плоскости, называемой апертурой, или раскрывом. К этому типу антенн относятся рупорные, зеркальные и линзовые антенны (рис.3.11).

Простейшей апертурной антенной является волноводный рупор (рис.3.11а). Распространенным типом рассматриваемого вида являются зеркальные антенны, представляющие собой параболоид вращения, облучаемый, например, рупором (рис.3.11б). К апертурным относятся и линзовые антенны, выполненные из высококачественного диэлектрика (рис.3.11в).

Размеры апертуры обычно значительно больше длины волны, в результате имеется возможность создания остронаправленных лучей.

Антенные решётки.

Антенной решёткой называется совокупность ряда излучателей, расположенных на некоторой поверхности. В простейшем случае - это линейка излучателей (рис.3.12а)

Антенные решетки позволяют сужать диаграмму направленности. Если на пути электромагнитной волны поставить управляемый фазовращатель, то появляется возможность изменять направление излучения, создавать многолучевую диаграмму направленности или излучение специальной формы.

Решетки с возможностью управления фазой колебаний, излучаемых отдельном элементом, называют фазированными антенными решетками (ФАР) (рис.3.13)

Для уменьшения мощности источника колебаний, питающего решетку, увеличения надежности передающей системы последовательно с фазовращателями включают усилители мощности (УМ) (рис.3.14). Такие антенны называют активными фазированными антенными решетками (АФАР).

ТВ антенна – это устройство для улучшения качества приема волн телевизионных каналов. Принятый с ее помощью сигнал передается на телевизор по , который обеспечивает минимальное искажение. Антенны могут использоваться для приема аналогового, цифрового либо спутникового сигнала, что зависит от их конструктивных особенностей. На данный момент на территории России самыми распространенными являются антенны аналогового телевидения. Его трансляцию ведет Останкинская башня, используя метровые и дециметровые волны.

Виды телевизионных антенн

Устройство является очень распространенным, поскольку практически ни один телевизор не сможет работать без антенны, за исключением тех, которые подключаются к кабельному телевидению. Различные населенные пункты имеют разную удаленность от ретранслятора. Одни дома могут быть расположены в сотнях километрах от них, а другие всего в нескольких шагах. Этот фактор напрямую влияет на мощность антенны, которая позволит принимать сигнал приемлемого качества, компенсируя удаленность. Все ТВ антенны можно разделить на 3 категории:

• Комнатные.
• Уличные.
• Спутниковые.

Комнатная ТВ антенна

Эти устройства устанавливаются внутри помещения. Они самые дешевые, а кроме этого не требуют сложного монтажа. При выборе в их пользу не придется прокладывать коаксиальный кабель на улицу, проделывая сквозное отверстие в фасадной стене или раме окна. Огромным недостатком данной конструкции является слабый сигнал. В связи с этим их устанавливают только в зонах с расстоянием до 30 км от телецентра или ретранслятора. На более дальней дистанции получаемый сигнал будет иметь сильное искажение, что не позволит просматривать качественную картинку телепередач.

Комнатные антенны также могут оснащаться усилителем сигнала. Чем дальше от ретранслятора, тем более мощный усилитель потребуется. Данные устройства по конструкции разделяют на два вида:

• Стержневые.
• Рамочные.

Стержневые

Это самые слабые комнатные устройства. Они имеют 2 или 4 телескопических усов-вибраторов, которые и улавливают сигналы. Их длина обычно не превышает 1 м. Они подключаются к специальной подставке, которая внутри имеет согласующий трансформатор, передающий сигнал на коаксиальный кабель и дальше на телевизор. Использование такой конструкции имеет свои преимущества. Она легкая, а благодаря телескопическим усам может компактно складываться для транспортировки.

Если ретранслятор сигнала находится близко, усы можно сделать короткими, чтобы они не занимали полезное пространство. При отдаленности телебашни их высота ставится на максимум, что позволяет компенсировать расстояние. Зачастую стержневая ТВ антенна идет в комплекте с телевизором. Большинству она известна под народным названием «рожки». Такие антенны хорошо принимают волны в метровом диапазоне. Для проведения их настройки необходимо менять не только высоту, но и расстояние между усами, для чего предусматривается их крепление с помощью шарниров. Большим недостатком стержневой антенны является отсутствие универсальной настройки. Выставив положение усов для хорошего приема одного канала, второй начнет транслироваться на экране с помехами.

Рамочные

Более или менее совершенными являются устройства рамочного типа. Они улавливают сигналы в дециметровом диапазоне. Эти устройства имеют металлический контур, выполненный в виде рамки, которая закреплена на подставке. Такое оборудование все же лучше чем стержневое, но все равно далеко от идеала. Его не получится использовать при значительной удаленности от ретранслятора или телебашни.

Уличная ТВ антенна

Более мощными являются наружные антенны для приема телевизионного сигнала. Они устанавливаются на возвышении в зонах открытой видимости. Зачастую такие антенны можно увидеть на крышах многоэтажных домов. Жители частного сектора устанавливают их на вершине высокой металлической трубы зафиксированной вертикально. В этом случае обеспечивается возвышение на 10-15 м, что позволяет компенсировать искажение волн стенами домов и ветвями деревьев. Фактически, чем больше вокруг преград для сигнала, тем на более высокое расстояние необходимо поднять антенну.

Данные устройства бывают различной внешней конструкции, но все они разделяются на 2 вида по принципу действия:

• Активные.
• Пассивные.

Активная конструкция

Такая ТВ антенна имеет , что позволяет принимать сигналы намного качественнее и компенсировать помехи. Подобные устройства выбираются в том случае, если ретранслятор находится далеко, а перед антенной имеются серьезные преграды рассеивающие сигналы, такие как дома, лесные массивы и линии электропередач. Также активное устройство потребуется, если установка ведется на низине, когда нет прямой видимости между источником трансляции и точкой приема.

Активные антенны могут передавать сигнал на несколько телевизоров. Для этого необходимо просто использовать специальный тройник для коаксиального кабеля. Применяемый у них усилитель требует отдельного источника питания. Для этого предусматривается понижающий блок на 12 вольт. Он подключается к коаксиальному кабелю у телевизора и подает напряжение к точке приема к усикам-вибраторам, возле которых находится скрытая в герметичном корпусе плата усилителя.

Пассивные устройства

Такие антенны стоят дешевле, но их можно выбирать только в том случае, если имеется прямая видимость без препятствий между точкой приема и оборудованием трансляции. В таких условиях использование усилителя не нужно. Жители отдельных домов могут проживать слишком близко к транслирующей башне, поэтому им нужна именно такая антенна. Но даже она может принимать сигнал с искажением от того, что он слишком сильный. В этом случае потребуется установка специального оборудования – аттенюатора. Он позволяет компенсировать этот недостаток, уменьшив силу сигнала до приемлемого для телевизора уровня.

Спутниковая антенна

Безусловно, самым лучшим оборудованием для получения телевизионного сигнала является спутниковая ТВ антенна. Она улавливает трансляцию не от расположенной на земле телебашни, а со спутника. Это массивная конструкция, которая стоит в разы дороже, чем уличные и тем более комнатные устройства. Антенна состоит из большой тарелки из металла окрашенной в белый цвет, которая выступает в роли экрана для фокусировки спутниковой трансляции. Попавшие на нее волны улавливаются конвертером, который выполнен в виде небольшой головки размером немного меньше кулака. Он настраивается на определенный спутник и принимает все телеканалы, которые тот передает. Количество конверторов на антенне отличается в зависимости от региона, но редко превышает 3 штуки.

Сигналы обычных трансляторов на земле и спутниковых отличаются, поэтому телевизор не может их воспринимать. В связи с этим между инвертором и телевизионным экраном устанавливается ресивер. Он представляет собой небольшое устройство, габариты которого немного меньше чем DVD приставки. Его задача заключается в трансформации спутникового сигнала в стандартный для телевизора.

Обычно, если в доме имеется два телевизора, то для каждого из них потребуется отдельная ТВ антенна, что обусловлено спецификой конвертера. При приеме одного канала со спутника он не может одновременно обрабатывать другой канал. Иными словами, если провести такое подключение, то все телевизоры будут показывать один телеканал.

Сравнительно недавно данная проблема была решена. Появились универсальные конвертеры, которые позволяют проводить подключение к двум телевизорам, сохранив возможность просмотра разных каналов. В их конструкции предусматривается два входа для подключения коаксиального кабеля. К сожалению, конструкция не идеальна. При выборе такого конвертера, будет использоваться одна ТВ антенна, но все равно к каждому телевизору потребуется подключить по ресиверу.

Спутниковые устройства передают на телевизор намного более качественный сигнал, чем наземные станции, поэтому пользуются большой популярностью, особенно в регионах, где трансляторы находится очень далеко. Даже вместе с очень сложным рельефом удастся смотреть телевизионные программы с идеальной картинкой, что было бы невозможно при использовании наружной антенны. Помехи при трансляции со спутника могут возникать только в случае сильной грозы или интенсивного снегопада.

Спутниковые антенны имеют массу преимуществ. Они безусловно лучше остальных видов, но у них имеется и недостаток. Помимо большей стоимости, они требуют квалифицированного обслуживания. Провести их установку самостоятельно вряд ли удастся, поскольку нужно изначально проверить качество сигнала и выставить тарелку в правильном направлении под нужным углом. Кроме этого, чтобы ресивер работал правильно, необходимо записать частоты каналов трансляции, которые периодически меняются. После прошивки можно будет просматривать все каналы на протяжении нескольких месяцев, после чего некоторые из них начнут исчезать, пока из сотен не останется всего несколько штук. Потребуется снова проводить перепрошивку. Сделать это самостоятельно сложно, потому что требуется специальный кабель и программное обеспечение с кодами каналов. Придется периодически обращаться в специализированные сервисные центры, услуги которых не бесплатны.

Если при нормальных погодных условиях спутниковая ТВ антенна начинает транслировать сигнал с помехами, то скорее всего это связано с отсутствием прямой видимости между тарелкой и спутником. Обычно это связано с разрастанием деревьев. Достаточно обрезать ветки и качество сигнала восстанавливается. Кроме этого, проблема может заключаться в изменение положения конвертера. При монтаже антенны он выставляется под правильным углом относительно расположение спутника. Если угол немного меняется, то качество приема искажается. Обычно во время сильного ветра плохо закрепленная тарелка может немного повернуться, буквально на несколько сантиметров. В этом случае требуется ее перенастройка. Это довольно сложно сделать без специального диагностического оборудования.