Классификация антенн. Краткие сведения об антеннах различных типов
Основные классы антенн УКВ-диапазона приведены на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Классификация антенн УКВ-диапазона
Проволочные антенны включают два подкласса: вибраторные и спиральные.
Основным элементом вибраторных антенн является симметричный полуволновой (L = Х/2) вибратор (рис. 3.4).
Ряд таких вибраторов, одинаково ориентированных и размещенных на некотором расстоянии друг от друга, образует вибраторные решетки с поперечным или осевым излучением.
В решетках с поперечным излучением максимум характеристики (диаграммы) направленности ориентирован по нормали к плоскости решетки или отклонен от нормали на некоторый угол. В решетках с осевым излучением этот максимум ориентирован вдоль линии расположения вибраторов.
Примерами вибраторных решеток с поперечным и осевым излучением является синфазное полотно и директорная антенна соответственно.
Рис. 3.4. Симметричный полуволновой вибратор
Рис. 3.5. Антенна в виде цилиндрической спирали
Примером спиральной антенны является антенна в виде цилиндрической спирали (рис. 3.5). Если длина / витка спирали примерно равна длине X волны, то максимум излучения или приема ориентирован по оси спирали.
Помимо цилиндрической используются и другие виды спиральных антенн (конические, плоские, с переменным углом намотки).
Особенностями спиральных антенн являются широкодиапазонность и круговая поляризация излучаемого ЭМП.
К проволочным относятся также антенны, состоящие из тонких проводов и металлических лент (прямолинейных или изогнутых в виде зигзага, рамки и др.).
Антенны акустического типа. К ним относятся волноводные излучатели и рупоры.
Волноводный излучатель представляет собой открытый конец прямоугольного или круглого волновода, имеет слабую направленность излучения и плохо согласован со свободным пространством.
Рис. 3.6. Конструкции рупоров антенн: а — секториальный, б — пирамидальный, в — конический
Для повышения степени направленности и улучшения согласования со свободным пространством конец волновода подсоединяется к рупору (секториальному, пирамидальному, коническому), подобному акустическому рупору (рис. 3.6).
Рупорные антенны конструктивно просты и широкодиапазонны. Они находят широкое применение как самостоятельные антенны (особенно в измерительной технике), так и в качестве составных элементов более сложных антенн (зеркальных, линзовых, фазированных антенных решеток и др.).
Антенны оптического типа. К ним относятся зеркальные (рефлекторные) и линзовые (рефракционные) антенны (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Зеркальные (рефлекторные) и линзовые (рефракционные) антенны
Принцип работы зеркальных и линзовых антенн заимствован из оптики. Эти антенны состоят как минимум из двух элементов — первичного источника (облучателя) и зеркала или линзы.
Облучатель преобразует токи высокой частоты в ЭМВ, а зеркало или линза формирует требуемую характеристику направленности антенны.
В радиолокационных средствах, космической связи, радиоастрономии особенно широко применяются зеркальные антенны. Это обусловлено сравнительной простотой и механической прочностью конструкции, ши- рокодиапазонностью, а также возможностью формировать различные характеристики направленности.
Щелевые (дифракционные) антенны представляют собой системы щелей (чаще всего полуволновых), прорезанных в стенках волновода, коаксиального кабеля или объемного резонатора (рис. 3.8). По направленным свойствам щелевые антенны аналогичны вибраторным.
Щелевые антенны просты по конструкции, не имеют деталей, выступающих за пределы поверхности, на которой они прорезаны. Этим объясняется их широкое применение в бортовых (на летательных аппаратах) РЭС.
Антенны поверхностных волн в качестве основного элемента имеют ту или иную замедляющую систему (гладкую или периодическую). С помощью замедляющей системы формируется поверхностная волна и необходимая характеристика направленности. Эти антенны имеют небольшие размеры по высоте, сравнительно широкополосны и применяются в бортовых РЭС.
Рис. 3.8. Конструкция щелевой (дифракционной) антенны
На рис. 3.3 особо выделены два класса антенн — антенные решетки и антенны с обработкой сигнала. Эти антенны представляют собой сложные устройства с системами управления и обработки сигнала. В качестве излучающих элементов в них используются перечисленные выше типы антенн.
Разработка и широкое внедрение АР и антенн с обработкой сигнала является одним из важнейших перспективных направлений развития современных РЭС.
Основные виды приёмо-передающих антенн.
Антенна представляет собой металлическую конструкцию, преобразующую энергию ВЧ колебаний от передатчика в электромагнитную волну, распространяющуюся от антенны в пространство. Или в случае приёма, производящую обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания, поступающие в приёмное устройство.
Среди огромного набора радиотехнических и конструктивных характеристик и параметров антенн, отметим несколько наиболее важных:
— коэффициент усиления (КУ) антенны,
— диаграмма направленности (ДН) и её тип,
— входной импеданс антенны и коэффициент стоячей волны (КСВ) в линии передачи,
— резонансная частота, рабочая полоса частот (по качеству согласования).
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ АНТЕНН:
1. Полуволновый диполь — симметричный диполь, он же полуволновый разрезной вибратор.
Полуволновый диполь (Рис.1) является самым распространённым резонансным устройством среди антенн. Он служит точкой опоры для оценки усиления любого типа антенны. А это означает, что его усиление составляет 1 (или 0дБ).
Рис.1 Полуволновой вибратор
Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости, представляет собой восьмёрку, расположенную перпендикулярно антенне (Рис.2 а). В вертикальной плоскости (Рис.2 б), диаграмма в свободном пространстве представляет собой окружность.
Рис.2 а) диаграмма направленности в горизонтальной, б) в вертикальной плоскости
Поскольку полуволновой диполь, как правило, расположен не в свободном пространстве, а на некотором (сопоставимом с длиной волны) расстоянии от земли, происходит деформация диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости. Объясняется это просто — эффектом отражения излучаемых радиоволн от земли.
В справочнике Карла Ротхаммеля «Антенны» (том 1, стр. 54) приводится ряд диаграмм вертикальной направленности для высот подвеса горизонтального полуволнового диполя: 0,125. 2λ. На основании этих диаграмм и таблицы величин оптимальных углов возвышения (угол между излучением и поверхностью земли) для разных КВ диапазонов, автор пишет следующее:
Энергия, излучаемая антенной под углами возвышения более 40° и менее 5°, неэффективна для дальней связи.
Поместить антенну как можно выше всегда выгодно, но уже при высоте 12м можно рассчитывать на приличную дальнюю связь на диапазонах 10. 20м, в то время как антенна для 40-метрового диапазона должна находиться на высоте не менее 15м.
— Рабочая полоса частот полуволнового симметричного диполя по уровню КСВ
Стационарные четвертьволновые вибраторы нуждаются в земле или системе противовесов.
Длина противовесов определяет резонансную частоту антенны, хотя и не так сильно, как длина активного (излучающего) элемента.
Количество противовесов определяет качество создаваемой ими «земли» — чем их больше, тем выше КПД излучения. Но этот КПД растёт от количества противовесов нелинейно, и на практике большого смысла делать более 4-6 противовесов не имеет.
Антенны в радиотехнических устройствах
Антенна — устройство, предназначенное для излучения и приема электромагнитных волн. Сигнал в виде частотных колебаний (электромагнитных волн) передается от антенны передатчика к антенне приемника, колебательный контур которой настроен на частоту передатчика.
Антенна является составной частью радиотехнического устройства, предназначенного для передачи или приёма [7].
Задачи, решаемые антенной.
- 1. Преобразование энергии токов высокой частоты в энергию излучаемых радиоволн при передаче.
- 2. Передачу этих радиоволн приемнику.
- 3. Обратное преобразование радиоволн в электроэнергию на приеме.
- 1. По функциональному назначению:
- — передающие;
- — приёмные;
- — прнёмо-передающие.
- — апертурные;
- — линейные;
- — антенные решётки.
Апертурные антенны имеют раскрыв (апертуру), через который проходит поток излучаемой (принимаемой) энергии.
Антенны линейного типа характерны тем, что размеры поперечного сечения у них малы по сравнению с длиной волны. Обычно такие антенны выполняются из отрезка провода (нескольких проводов, либо в виде стержня).
Линейные и апертурные антенны могут быть представлены как непрерывные системы, состоящие из излучателей — диполей (вибраторов) Герца или рамок.
Антенная решётка — это набор идентичных излучающих (приёмных) элементов, расположенных в определённом порядке и питаемых от одного или нескольких источников [7].
- 3. По поляризации:
- — антенны с вращающейся поляризацией;
- — антенны с линейной поляризацией.
- — широкодиапазонные;
- — узкополосные;
- — широкополосные.
- — антенны диапазона ОВЧ (метровый диапазон);
- — антенны диапазона УВЧ (дециметровый диапазон);
- — антенны диапазона СВЧ (сантиметровый диапазон);
- — антенны диапазона КВЧ (миллиметровый диапазон).
- — узконаправленные;
- — ненаправленные.
- — наземные (стационарные);
- — бортовые (подвижные).
- — связные;
- — навигационные;
- — радиолокационные и т.д.
Энергетические параметры антенн [7]:
— мощность излучения Рг;
- — сопротивление излучения Rt:
- — коэффициент полезного действия (КПД) ЛА;
- — входное сопротивление антенны Za;
- — действующая длина ?д;
- — эффективная площадь раскрыва (ЭПР) Аэф;
- — коэффициент использования площади (КИП) q.
Для радио и телевизионных передач антенны абонентов (принимающая сторона) имеют только функции приема. Антенны для систем связи являются приемопередающими.
Классификация антенн для систем связи представлена на рисунке 42 [7].
Антенны систем связи делятся на:
- — базовые антенны — устанавливаются вблизи базовой приемопередающей станции и их задача обеспечить зону покрытия территории;
- — абонентские антенны — предназначены для обеспечения устойчивой связи в зоне, охватываемой базовой станцией.
Рисунок 42 — Классификация антенн для систем связи
В системах радиосвязи используются штырьевые и низкопрофильные антенны в радиотелефонных трубках, антенны систем базовых станций, антенны радиорелейных линий (РРЛ), системы ретрансляторов спутниковой связи и РРЛ и т.д.
Антенны характеризуются ближней и дальней зонами излучения.
Материал, из которого изготовлена антенна, влияет на ее характеристики в процессе эксплуатации. Распространены антенны из алюминия и его сплавов. Они имеют малый вес, слабо подвержены коррозии.
Пластиковые антенны также имеют малый вес, но с течением времени подвергаются деформированию под воздействием температуры, осадков и ультрафиолетового излучения. Стальные антенны тяжелее алюминиевых и пластиковых и подвержены коррозии.
Классификация некоторых типов антенн показана в таблице 17 [7].
Таблица 17 — Классификация некоторых типов антенн
- 1. Одновибраторные.
- 2. Петлевые.
- 3. Рамочные.
- 4. Турникетные.
Просты в изготовлении, вследствие чего наиболее распространены, особенно на частотах метрового и дециметрового диапазонов. Вследствие низкого КНД используются как приемные. При использовании специальной конструкции могут быть достаточно широкополосные (диполь Надененко) — полоса до 50%.
- 1. Пирамидальные:
- — Н-, Е- секторальные;
- — остроконечные;
- — клиновидные.
Модификация излучателя в виде открытого конца волновода, видоизмененного для получения большего КНД. Имеют высокий КПД. Применяются в качестве облучателей зеркальных и линзовых антенн, а также (реже) в антенных решетках.
Антенны поверхностных волн.
- 2. Плоские с ребристым направителем.
- 3. Стержневые.
Обладают малыми поперечными размерами, хорошими диапазонными свойствами по диаграмме
направленности и входному сопротивлению. Технология их изготовления достаточно проста. Недостатком таких антенн являются большие потери в диэлектрическом направителе.
Продолжение таблицы 17
- 1. Резонансные.
- 2. Нерезонансные.
Ввиду отсутствия выступающих частей излучающая поверхность может быть совмещена с внешними обводами корпуса летательного аппарата. Распределение поля в раскрыве может выбираться в широких пределах за счет изменения связи излучателя с волноводом; имеет сравнительно простое возбуждающее устройство, проста в эксплуатации.
- 1. Плоские.
- 2. Цилиндрические.
- 3. Конические.
Основное преимущество — легкость обеспечения поляризации ЭМВ, близкой к круговой без введения дополнительных элементов, простота конструкции. Однако для получения высоконаправленной антенны её длина должна быть недопустимо большой (не выполняется условие механической прочности).
- 1. Замедляющие.
- 2. Ускоряющие.
- 3. Геодезические.
- 4. Неоднородные.
Обеспечивают высокую направленность излучения/ приема, однако по сравнению с зеркальными менее требовательны к точности изготовления поверхности. Также отсутствует затенение раскрыва облучателем. Недостатками являются большая масса, узкополосность и потери в веществе линзы.
ТВ антенна. Виды и конструкция. Работа и применение. Особенности
ТВ антенна – это устройство для улучшения качества приема волн телевизионных каналов. Принятый с ее помощью сигнал передается на телевизор по коаксиальному кабелю, 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
ТВ антенна является очень распространенным устройством, 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 усилитель мощности, 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.