Место и назначение антенн

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Самарский государственный технический университет»

(ФГБОУ ВПО «СамГТУ»)

«Факультет Автоматики и Информационных Технологий»

Кафедра «Электронные системы и информационная безопасность»

Доклад на тему

«Место и назначение антенн»

Выполнил: студент III-АИТ-6

Желтов И.С

Проверил: Ворожейкин В.Н.

Самара 2015 г.



Место и назначение антенн

Антенны являются техническими устройствами и входят составной частью в любую радиотехническую систему, осуществляющую передачу, излучение и прием радиоволн для определенных целей служб радиосвязи, радио- и телевизионного вещания.

Передающая телевизионная антенна -- это элемент передающей радиостанции, который преобразует электромагнитные колебания, движущиеся от передатчика по фидеру ко входу антенны, в расходящиеся по определенному закону электромагнитные волны свободного пространства. Приемная антенна преобразовывает энергию приходящей электромагнитной волны в электромагнитные колебания в фидере, подключенном ко входу приемника. Следовательно, приемная антенна -- это техническое устройство, в котором электромагнитное поле, существующее в той же области пространства, где расположена приемная антенна, создает распределение тока, в результате чего из электромагнитного поля отбирается энергия и направляется к приемнику.

С принципиальной точки зрения приемные и передающие антенны могут выполняться совершенно одинаково (принцип обратимости антенн), причем в режиме приема и передачи параметры антенн остаются одними и теми же. Однако в телевидении передающие антенны являются более сложными и дорогостоящими сооружениями, а приемные антенны меньше их по габаритам и относительно несложны по устройству. Объясняется это главным образом тем, что передающая антенна обеспечивает телевизионным вещанием большой по территории регион, на котором расположено огромное число приемных антенн. Поэтому по экономическим соображениям необходимое качество вещания целесообразно обеспечить за счет применения передающей антенны с предельно хорошими характеристиками, что позволяет сделать приемные антенны относительно простыми и дешевыми.

Передающие антенны в большинстве случаев -- это сложные комбинации вибраторов с плоскими или цилиндрическими отражателями, кроме того, применяются щелевые антенны. Передающие антенны имеют узкую диаграмму направленности в вертикальной плоскости и круговую или специального вида диаграмму в горизонтальной плоскости. Ориентация вибраторов чаще всего горизонтальная, но в отдельных случаях применяются и вертикально расположенные вибраторы. В качестве приемных антенн применяются одиночные вибраторы, антенны типа «волновой канал» (директорные антенны) и самые разнообразные структуры из линейных проводников, в частности -- сверхширокополосные структуры (логарифмически-периодические антенны и т.п.). В наземном телевещании питание передающих и приемных антенн осуществляется чаще всего с помощью коаксиального кабеля.

Конструктивные особенности антенны в значительной степени определяются диапазоном волн, в котором она используются, поэтому рассмотрим существующую классификацию радиоволн по диапазонам частот и таблицу распределения полос частот, выделенных для телевизионного и звукового вещания.

«Что такое антенна» Беспроводные WAN -- сети

Несмотря на существование нескольких конкурирующих стандартов сотовой связи, делающих глобальный роуминг трудно осуществимым или даже вообще невозможным, сотовые телефоны используются повсеместно. Отсюда можно сделать вывод, что следующим этапом в развитии сотовых сетей станет глобальный мобильный доступ к данным, включая возможность работать с беспроводными службами Web. Под воздействием телевизионной рекламы складывается впечатление, что такой доступ стал уже реален, но это не так. Дело в том, что существующая инфраструктура сотовых сетей плохо подходит для организации мобильного доступа к данным, кроме того, очень сомнительна польза большинства беспроводных приложений. Далеко не все владельцы сотовых телефонов хотят оплачивать по высоким повременным тарифам проверку расписания вылетов самолетов или операции с акциями.

Однако со временем для беспроводных WAN-сетей будут разработаны новые приложения и развернуты инфраструктуры следующего поколения. По данным компании Dataquest, объем рынка мобильных Интернет-устройств возрастет с 200 млн долл. в 1999 г. до 11 млрд долл. в 2005 г.

Сегодняшние сети второго поколения поддерживают максимальную скорость передачи данных 14,4 Кбит/с, которой хватает только для работы с простейшими текстовыми приложениями. К сожалению, созданию сетей третьего поколения мешает высокая стоимость соответствующего оборудования и частотных лицензий. Кроме того, в связной отрасли нет согласия относительно того, на каких технологиях должны базироваться эти сети. Пока же операторы пытаются «наложить» службы высокоскоростной передачи данных на существующие инфраструктуры речевой связи и при этом сталкиваются со значительными трудностями.

Самые мощные системы третьего поколения будут иметь пропускную способность 2 Мбит/с, большинство же разработок в данной области ориентированы на достижение скорости 384 Кбит/с. Это максимальные показатели, реальные же -- окажутся гораздо ниже. Существенная ограниченность сетевой полосы пропускания сделает ее довольно дорогой. Стоит отмстить, что, несмотря на малые размеры экранов мобильных устройств, для реализации интерактивных видеоприложений потребуется разработка новых, более эффективных методов сжатия видеоизображения.

Хотя широкомасштабное строительство сетей третьего поколения вряд ли начнется раньше 2003 г., некоторые промежуточные решения по беспроводной передаче данных доступны пользователям уже сейчас. Растет популярность двустороннего обмена короткими сообщениями в рамках существующих низкоскоростных инфраструктур. Для того чтобы передавать значительные объемы информации с более высокими скоростями, можно воспользоваться услугами городских беспроводных сетей передачи данных, основанных на технологии расширения спектра сигнала по методу прямой последовательности.

Проанализировав положение дел с беспроводными WAN-сетями, можно сделать вывод, что вероятность широкого распространения высокоскоростных служб в ближайшие пять лет мала. Здесь уместно провести сравнение с рынками услуг широкополосного доступа на основе технологий DSL и кабельных модемов, которые, несмотря на острую нужду пользователей в таких услугах и наличие более четко сформулированных технических стандартов, развивались значительно медленнее, чем предсказывали многие аналитики. Пожалуй, время высокоскоростных беспроводных WAN-сетей наступит где-нибудь во второй половине начавшегося десятилетия.

Системы фиксированного радиодоступа

СВЧ-системы типа «точка--точка» и оптические системы (по в меньшей степени) уже многие годы применяются для организации каналов связи между зданиями в черте города. Хотя лицензируемые СВЧ-системы дороги и установка их сложна, при удачном конструировании они обеспечивают высокую пропускную способность и имеют уровень надежности 99,99% даже при самых неблагоприятных погодных условиях. Для успешного функционирования этих систем требуется соблюдение условия прямой видимости, а дальность их действия ограничивается только кривизной земной поверхности.

Относительно недавно стали популярными более дешевые системы, работающие в нелицензируемых диапазонах 2,4 и 5 ГГц, которые используются вместо проводных каналов Т1 или в качестве мостов между удаленными ЛВС. Поскольку для применения этих систем не требуется лицензия Федеральной комиссии по связи (ФКС) США, их можно развернуть очень быстро. Данные системы имеют разную производительность -- от 1,5 до 50 Мбит/с и более. Их широко применяют для подключения удаленных базовых станций сотовых сетей к их центральным узлам, а также для объединения ЛВС, расположенных в разных зданиях кампуса (в тех случаях, когда отсутствие кабелепроводов между зданиями не позволяет проложить оптоволокно). Некоторые небольшие Интернет-провайдеры стали подключать к Сети клиентов, используя рассматриваемые средства. Однако из-за ограниченности доступной полосы пропускания и необходимости минимизировать стоимость пользовательского оборудования построение многоточечных систем является сложной задачей.

В нелицензируемых диапазонах велик риск возникновения помех, но хорошо спроектированные системы довольно устойчивы к ним. И даже когда помехи сильно влияют на эти системы, их производительность, как правило, снижается постепенно. При наличии в системе хороших средств мониторинга возникшую проблему можно обнаружить и решить до серьезного сбоя в ее работе. За последнее время улучшены средства обеспечения информационной безопасности систем.

Устройства DSL и кабельные модемы считаются лучшими средствами высокоскоростного доступа для оснащения малых и домашних офисов, однако широкополосные радиосистемы могут стать достойной альтернативой им, особенно в тех местах, где услуги DSL и кабельные сети не доступны.

Недавно ФКС приняла новые правила, позволяющие поставщикам услуг более гибко предоставлять услуги на базе мультимегабитовых беспроводных систем MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Servicc), работающих в диапазоне 2,5 ГГц, который первоначально был выделен ФКС для цифрового телевидения. Вероятно, что эти системы получат широкое применение в течение ближайших нескольких лет. В июле прошлого года для разработки открытых стандартов на MMDS-до- ступ был создан консорциум Wireless DSL (очевидно, что тс, кто выбирал такое название, хотели извлечь выгоду из рекламной шумихи вокруг технологии DSL). По сравнению с ранее разработанными системами LMDS (Local Multipoint Distribution Servicc) системы MMDS имеют большую дальность действия -- до 20 с лишним километров -- и более высокую пропускную способность. Их недостатками являются необходимость располагать узлы системы в зоне прямой видимости и относительно высокая стоимость пользовательского оборудования.

Беспроводные ЛВС

Если технология Bluetooth -- это дело будущего, то беспроводные ЛВС наше настоящее. Объем рынка последних неуклонно растет. По опенкам компании Gartner Group, в 2000 г. он составил 487,5 млн долл., а в 2004 г. будет равен 35,8 млрд долл. В основном такими сетями оснащаются различного рода предприятия, но их также начинают устанавливать в отелях, конгресс-центрах и аэропортах, что весьма привлекательно для мобильных профессионалов.

Благодаря широкой поддержке производителями стандарта 802.11 беспроводные ЛВС прошли первую фазу развития, которая характеризовалась низкой производительностью, высокой стоимостью и плохой совместимостью оборудования. Сейчас для них наступила вторая фаза развития, признаком которой является их растущая популярность. С появлением 11 -Мбит/с стандарта 802.11 b (также известного под названием Wi-Fi), сети стали работать быстрее, а развитие производства соответствующего этому стандарту оборудования снижает цены на него. Следующая фаза развития беспроводных ЛВС предполагает переход на более высокие рабочие частоты и повышение скорости передачи данных до 54 Мбит/с. И произойдет это в ближайшие два года.

Развитию рынка беспроводных ЛВС способствуют два важных обстоятельства. Во-первых, повысилось качество соответствующих продуктов, да и с самой технологией этих сетей пользователи стали знакомы лучше, чем два года назад (многие предприятия и системные интеграторы завершили пилотные фазы своих проектов, изучили достоинства и недостатки беспроводных ЛВС, приобрели ценный опыт их внедрения на предприятиях). Во-вторых, растущий спрос на эти сети стимулирует конкуренцию среди производителей микросхем для беспроводного оборудования, и хотя основными «игроками» на этом рынке являются всего две компании -- Intersil и Lucent Technologies, -- активное соперничество между ними способствует снижению цен на оборудование. Кроме того, у них появились сильные конкуренты, в том числе фирма Texas Instruments.

Хотя в настоящее время на рынке доминируют продукты стандарта 802.11b, внимание многих специалистов приковано к деятельности двух новых фирм -- Atheros Communications и Radiata Communications (недавно приобретена компанией Cisco). Они заканчивают разработку микросхем, поддерживающих стандарт 802.11а, в котором предусмотрена передача данных со скоростью до 54 Мбит/с в менее загруженном диапазоне 5 ГГц. Пока трудно сказать, как быстро оба производителя доведут опытные образцы своих микросхем до уровня, когда можно будет начать их серийное производство. Однако первые продукты на их основе появятся на рынке в середине или в конце текущего года. С открытием новых возможностей построения беспроводных ЛВС эти разработки ставят перед их проектировщиками сложный вопрос: стоит ли приобретать 2,4 ГГц инфраструктуру стандарта 802.11 b сейчас, когда на подходе 5 ГГц продукты стандарта 802.11а?

Производители оборудования стандарта 802.11b признают важность продуктов стандарта 802.11а, поэтому альянс Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA) планирует сертифицировать их. Сторонники стандарта 802.11 b считают, что средства стандартов 802.11а и 802.11 b можно будет использовать в одной и той же сети совместно, если реализовать ее на основе точек доступа, каждая из которых должна быть оснащена двумя разными (соответствующими этим стандартам) радио- интерфейсами. Однако объем рынка точек доступа, поддерживающих два радиоинтерфейса одновременно, существенно ограничен, поскольку их выпускают всего две фирмы -- Intermec Technologies и Lucent Technologies. Кроме того, данный вывод сделан на основе предположения, что продукты стандартов 802.11 а и 802.11 b будут иметь одинаковые характеристики передачи. Если же это окажется не так, то развертывание в настоящее время сетевой инфраструктуры на основе вышеупомянутых точек доступа в долгосрочной перспективе может оказаться не оправданным. В связи с этим большинству организаций стоит подождать с крупномасштабными инвестициями в беспроводные ЛВС; за исключением тех случаев, когда речь идет о перспективных приложениях для этих сетей, способных окупить затраты на них за два года.

Персональные беспроводные сети

Если у вас есть блокнотный или карманный компьютер, то вполне вероятно, что вы уже имеете аппаратное средство персональной беспроводной сети, каковым является инфракрасный (ИК) порт передачи данных. Однако лишь очень немногие пользуются такими портами. Причинами этого в той или иной степени являются присущие ИК-технологии значительные технические ограничения, неразвитость созданных для нес приложений и сложность пользования ими.

Впрочем, если персональная сеть вам нужна, но вы не удовлетворены возможностями ИК-технологии, обратите внимание на недорогую новейшую сетевую беспроводную технологию Bluetooth, которая обеспечивает передачу данных со скоростью 1 Мбит/с на короткие расстояния -- до 10 м. Согласно результатам исследования, недавно проведенного компанией Cahners In-Stat Group, объем рынка средств Bluetooth в 2005 г. составит 5 млрд долл. Следует отметить, что данная технология имеет беспрецедентно высокий уровень поддержки со стороны производителей. Ее сторонниками являются почти все крупные компании, работающие на рынке информационных и коммуникационных технологий. Среди них сеть производители сотовых телефонов, компьютеров и микросхем.

Технология Bluetooth отнюдь не идеальная, но благодаря широкой сфере применения и низкой стоимости ее успех вполне возможен. И хотя первые поддерживающие данную технологию продукты (включая интерфейсы PC Card для блокнотных ПК) будут стоить дороже 100 долл., конечной целью сторонников Bluetooth является создание интерфейса на базе единственной микросхемы, который будет стоить не более 5 долл. При такой цене каждое информационное устройство станет узлом персональной беспроводной сети.

Однако на пути к успеху технология Bluetooth сталкивается с определенными препятствиями. В частности, вызывает беспокойство реализованный в ней механизм зашиты от несанкционированного доступа. Кроме того, нельзя исключать возможность возникновения радиопомех, поскольку диапазон 2,4 ГГц, в котором работают средства Bluetooth, используется и беспроводными ЛВС стандарта 802.11. Следует также понимать, что сотовая «трубка» и карманный ПК, оснащенные однотипными сетевыми радиоинтерфейсами, не будут синхронизировать между собой информацию о контактных телефонах до тех пор. пока не появится соответствующее приложение. Однако технология Bluetooth находится на подъеме, и ни один аналитик не видит достаточно веских причин, способных помешать этому, а значит, соединительные кабели вполне могут уйти в прошлое.

Беспроводные технологии

На предприятиях и в жилых домах мобильный доступ к информационным ресурсам приобретает все большую популярность. Многие люди уверены в перспективности беспроводной коммерции и очень высоко оценивают возможности радиосвязи в плане повышения производительности своего труда. Однако отделить связанную с этим громкую рекламную шумиху от реальности совсем непросто. Стандарты непрерывно развиваются, но явных лидеров в области беспроводных технологий пока еше нет.

Пользователи хотят, чтобы беспроводные системы работали быстро, имели предсказуемую стоимость и обеспечивали значительную зону охвата. Увы, предлагаемые сегодня на рынке решения не могут удовлетворить всех требований.

В настоя шее время разрабатывается множество различных беспроводных систем. И хотя мобильность является ключевой характеристикой многих из них. рынок этих систем развивается в направлении расширения диапазона предлагаемых пользователю услуг, а не просто улучшения доступности связи для мобильных пользователей. Что же касается высокой скорости передачи данных, то в этом отношении для предприятий разных масштабов и поставщиков услуг большой интерес могут представлять фиксированные радиосистемы. Однако помните, что там, где это возможно, лучше задействовать кабельную инфраструктуру, которая всегда работает лучше беспроводной. Если же место, где расположено ваше предприятие, не охвачено традиционными (кабельными) широкополосными службами, тогда вам придется использовать беспроводную систему.

В наше время, когда мобильная речевая связь получила широкое применение (о чем свидетельствуют звонки сотовых телефонов, постоянно нарушающие работу деловых совещаний), неудивительно, что большая часть рекламной шумихи вокруг беспроводных сетей касается служб передачи данных мобильным пользователям. Разрабатываемые беспроводные сети третьего поколения и микробраузеры создают основу для новой технологической революции. Однако не следует думать, что она произойдет очень скоро. Соответствующие инфраструктуры и приложения появятся только через несколько лет.

Беспроводные сети можно разделить на сети малого радиуса действия, нередко называемые персональными (Personal Area Networks), беспроводные ЛВС системы фиксированного радиодоступа и беспроводные территориально распределенные сети (WAN). Персональные беспроводные сети используются для организации недорогих соединений между отдельными интеллектуальными устройствами. Беспроводные ЛВС работают внутри зданий и обеспечивают высокоскоростной доступ к информационным ресурсам при максимальной дальности связи 30 или более метров. Благодаря широкой поддержке производителями ключевых стандартов и снижению цен эти сети получают все более широкое распространение. Также растет спрос на системы фиксированного радиодоступа, которые основаны на самых разных технологиях (в том числе спутниковых) и работают в лицензируемых и нелицензируемых диапазонах частот (некоторые из этих систем называют беспроводными DSL-системами). И наконец, на основе беспроводных WAN-сетей, представляющих собой следующее поколение сотовых систем, со временем может быть реализован глобальный мобильный доступ к данным.

Входное сопротивление

Антенна является источником сигнала, который характеризуется электродвижущей силой (ЭДС) и внутренним сопротивлением, которое называется входным сопротивлением антенны.

Определение.

Входное сопротивление антенны -- это величина, которая определяется отношением направления на зажимах антенны к току на входе фидера.

Величину входного сопротивления антенны необходимо знать для того, чтобы правильно согласовать антенну с кабелем и приемником (передатчиком): только при этом условии на вход поступает наибольшая мощность. При правильном согласовании входное сопротивление антенны должно равняться входному сопротивлению кабеля, которое, в свою очередь, должно быть равно входному сопротивлению приемника (передатчика).

Немного физики… Считается, что входное сопротивление антенны представляет собой последовательно соединенные реактивное и активное сопротивления. Но в антенне или в фидере нет реального резистора, конденсатора или катушки индуктивности. Все это только результат расчета эквивалентных им сопротивлений антенной цепи.

Входное сопротивление (импеданс) антенны редко когда бывает равный волновому сопротивлению фидерной линии. Для согласования применяют согласующие устройства.

Для уменьшения потери мощности антенну необходимо настроить в резонанс с частотой принимаемых каналов. В случае если антенна работает в широком диапазоне ТВ каналов, ее следует настраивать на среднюю частоту диапазона. Практически настройка сводится к подбору геометрических размеров и элементов антенны, а также расположения клемм, к которым подводится фидерная линия.

На частотах ниже резонансной реактивная составляющая имеет емкостный, а на частотах выше резонансной -- индуктивный характер. А при резонансе антенна имеет только активное сопротивление.

Примечание.

Входное сопротивление антенны также зависит от объектов, находящихся вблизи антенны и влияющих на распределение поля в пространстве, что необходимо учитывать при установке антенны.

Зависимость входного сопротивления антенны от частоты носит название частотной характеристики: чем меньше меняется входное сопротивление антенны при изменении частоты, тем, шипе полоса ее пропускания.

Поляризация

Определение.

Поляризация для электромагнитных волн -- это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля Е или напряженности магнитного поля Н.

Электромагнитное поле характеризуется вектором напряженности электрического поля Е и вектором магнитной индукции Н, каждый из которых в любой точке пространства имеет определенную величину и направление.

Поляризация электромагнитной волны является ее пространственно-временной характеристикой и определяется видом траектории, описываемой концом вектора электрического поля Е в фиксированной точке пространства.

Примечание.

На антеннах с поляризацией есть указатель в виде стрелки на задней стороне, который и определяет необходимую поляризацию.

На рис. 1 схематически изображена электромагнитная волна с векторами Е и Н, распространяющаяся в положительном направлении оси х. Электрическое и магнитное поля изображены в момент t = 0 для случая плоской электромагнитной волны, распространяющейся в направлении х со скоростью с.

Электрическое и магнитное поля тесно взаимосвязаны: они представляют собой компоненты единого электромагнитного поля, поскольку переходят друг в друга.

Говорят, что векторное поле линейно (плоско) поляризовано, если направление вектора остается всюду фиксированным, а его длина периодически изменяется. Если вектор вращается, но длина его не меняется, то говорят, что поле имеет круговую поляризацию.

Если же длина вектора периодически изменяется, а сам он вращается, то поле называется эллиптически поляризованным.

Полоса пропускания

Определение.

Полоса пропускания -- диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) антенны достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы.

Это диапазон частот, при которых антенна работает эффективно, обычно окрестность центральной (резонансной) частоты. Зависит от типа антенны, ее геометрии.

Основные параметры, которые характеризуют полосу пропускания частот -- это ширина полосы пропускания и неравномерность АЧХ в пределах полосы.

Ширина полосы (рис. 1.) обычно определяется как разность верхней и нижней граничных частот участка АЧХ, на котором амплитуда колебаний от максимальной снижается в корень из двух раз или мощность снижается в 2 раза. Этот уровень приблизительно соответствует -3 дБ.

Ширина полосы пропускания выражается в единицах частоты (например, в герцах).

Неравномерность АЧХ характеризует степень ее отклонения от прямой, параллельной оси частот. Неравномерность АЧХ выражается в децибелах.

Примечание.

Ослабление неравномерности АЧХ в полосе улучшает воспроизведение формы передаваемого сигнала.

Опубликовано в рубрике Что такое антенна | Метки: АЧХ антенны, Участок АЧХ | Комментариев нет »

Характеристики антенн

Каждая антенна как пассивное линейное устройство может работать:

¦ в режиме передачи;

¦ в режиме приема.

В обоих режимах антенна характеризуется направленными, поляризационными, фазовыми свойствами и входным сопротивлением.

К основным характеристикам и параметрам, описывающим эти свойства, относятся:

¦ полоса пропускания;

¦ поляризация;

¦ входное сопротивление;

¦ коэффициент стоячей волны (КСВ);

¦ диаграмма направленности (ДН);

¦ коэффициент направленного действия (КПД);

¦ коэффициент усиления антенны (КУ);

¦ фазовая диаграмма антенны (ФД);

¦ коэффициент полезного действия антенны (КПД);

¦ шумовая температура антенны (ТА).

вибратор антенна волновой радиодоступ

Разновидности антенн

Антенна -- устройство для излучения и приема радиоволн, она является конвертером электрического тока радиочастотного диапазона в электромагнитное излучение, и наоборот.

Форма, размеры и конструкция антенн разнообразны и зависят от длины излучаемых или принимаемых волн и назначения антенны. Применяются антенны в виде отрезка металлического провода, комбинаций из таких отрезков, металлических рупоров, отражающих металлических зеркал различной конфигурации, волноводов с металлическими стенками, в которых вырезаны щели и многие другие.

Способы симметрирования

С целью уменьшить рассогласующее воздействие тока, наведенного антенной на внешней стороне оплетки кабеля, около перехода кабель- антенна устанавливают ВЧ дроссель (рис. 1).

Обычно он состоит из нескольких витков питающего антенну коаксиального кабеля, намотанного на ферритовом кольце (рис. 1 а), либо из 5-15 витков на пластиковом каркасе (пластиковые бутылки из-под шампуня и т.п.) или вообще без каркаса (рис. 1 б).



Дроссель представляет собой большое сопротивление для токов, протекающих по внешней оболочке кабеля, но не влияет на токи внутри кабеля. Следствием этого является уменьшение проникновения токов с внешней поверхности кабеля в антенну и, следовательно, снижение эффекта рассимметрирования.

Улучшается в этом случае и прием, поскольку токи, наведенные на внешней оболочке кабеля какими-либо нежелательными источниками, попадают в антенну ослабленными. Главным образом, они заземляются на корпус. Эти дроссели выполняют роль симметрирующих устройств и весьма полезны в сочетании с дипольными антеннами. Даже фидер, расположенный строго перпендикулярно к дипольной антенне, не застрахован от сильных наводок за счет мощности, переизлучаемой какими-либо посторонними предметами (металлическими мачтами, линиями телефона и радио), находящимися вблизи.

Описанное здесь симметрирующее устройство -- самое простое и доступное для радиолюбителей. Но не исключено, что могут потребоваться более сложные и эффективные устройства

Причины рассиметрирования антенн

Радиолюбители часто не уделяют должного внимания симметрированию антенн. Однако при работе с большими мощностями внешняя оболочка кабеля рассиметрированной антенны интенсивно излучает (рис. 1, а), что может вызвать помехи телевидению. Кроме того, искажается реальная диаграмма направленности антенны и на внешнюю оболочку кабеля возможен прием помех с нежелательных направлений. Сведения, приведенные в настоящем и следующем разделах, позволят осуществить симметрирование антенны и исключить факторы, приводящие к ее рассиметрироваиию.



Если запитка симметричной антенны осуществляется (рис. 1, а) с помощью коаксиального кабеля через симметрирующее устройство, то высокочастотный ток протекает по внутренней жиле кабеля и внутренней стороне оплетки. В этом идеальном случае -- при условии равенства волнового сопротивления кабеля сопротивлению антенны -- КСВ равен единице.

Причиной рассимметрирования антенны иногда бывает и неперпендикулярное положение кабеля по отношению к антенне. В этом случае на его внешнюю оболочку наводится часть излучаемой антенной мощности. Проникая затем в антенну, эта составляющая вносит свой вклад в увеличение КСВ системы (рис. 1 б). Повышается уровень пучностей стоячей волны в кабеле (рис. 1 в). Положение кабеля в пространстве может меняться под действием ветра. При этом изменяется и распределение тока по внешней стороне оплетки кабеля. В результате, синхронно с порывами ветра будет изменяться и КСВ системы, и уровень излучаемой мощности.

Верны ли показания КСВ-метра

Многие радиолюбители имеют встроенный в трансивер КСВ-метр отражательного типа. Именно от них можно услышать о «чудесных антеннах», обеспечивающих КСВ, равный 1, но при этом не работающих на передачу и не принимающих ни от кого ответных сигналов, а также об антеннах с «диким» КСВ, достигающим 3-5, которые, несмотря на это дают возможность проводить DX-QSO (дальние радиосвязи).

На самом деле никаких чудес здесь нет. Речь идет лишь о рассогласовании выходного каскада с коаксиальным кабелем и, как следствие этого, некорректности измерения. Действительно, если выходное сопротивление трансивера точно равно волновому сопротивлению кабеля, в отраженной волне присутствует только одна составляющая -- от антенны (если, конечно, антенна не идеально согласована с кабелем). Тогда показания КСВ-метра верны.

К сожалению, так бывает редко. Чаще выходное сопротивление трансивера отличается от волнового сопротивления кабеля. В результате отраженная от антенны волна, достигая выхода передатчика, переотражается от него и уже с меньшей амплитудой, снова частично попадает в антенну а частично вновь переотражается обратно к передатчику. Так продолжается до тех пор, пока волна не затухнет. Результат всех этих переотражений фиксирует КСВ-метр, который в данном случае показывает отношение между суммами всех существующих в кабеле волн -- прямых и отраженных.

Поскольку фаза отраженных воли в общем случае зависит от характера сопротивления антенны и учесть ее трудно, то КСВ- метр может выдать любое значение: 1 при плохой антенне и 5 при хорошей.

Когда есть сомнения в показаниях КСВ-метра, можно вместо антенны подключить к кабелю, идущему к антенне, заранее известную нагрузку и определить прибором ее КСВ. Если измеренный КСВ будет отличаться от расчетного, значит, трансивер не согласован с коаксиальным кабелем.

Практическое определение волнового сопротивления линии передачи

Волновое сопротивление линии передачи (Z ), будь то коаксиальный кабель или суррогатная линия (например типа «лапши»), определяют по значениям, полученным с помощью измерителя индуктивности и емкости или другими методами.

Оно для линии передачи с малыми потерями описывается общеизвестной из теории формулой

где Zw, -- волновое сопротивление линии, Ом; L -- индуктивность закороченной лини, Гн; С -- емкость разомкнутой линии Ф.

Для измерений берут вначале замкнутый на конце кусок линии длиной от 1 до 5 м (при меньшей или большей длине погрешность измерения будет выше) и определяют индуктивность на его входном конце. Затем линию размыкают и измеряют на ее входе емкость. Найденное таким образом волновое сопротивление линии очень близко к его действительному значению.

Этим методом автором были определены, например, волновые сопротивления тонких коаксиальных кабелей без маркировки и многих типов суррогатных линий передачи. Так, волновое сопротивление большинства экранированных микрофонных шнуров лежит в пределах 40-70 Ом, радиолапши -- 400-600 Ом, электролапши -- 300-400 Ом, сетевых шнуров питания -- 30-60 Ом, телефонной пары -- 70-100 Ом.

Изготовление открытой линии в домашних условиях

Для изготовления открытой линии удобно использовать станок, изображенный на рис.

На его доске укреплены две подающие бобины с проводом. С бобин провод поступает на деревянную форму , задающую расстояние между проводами линии. В паз этой формы закладывают очередной изолятор из термопласта. Прижимом провода натягиваются и паяльником вплавляются в изолятор. После этого готовую линию сматывают на бобину .

В качестве изоляторов могут служить толстые стержни из ноли этилена или других термопластов, обладающих достаточной прочностью. Чтобы их унифицировать удобно воспользоваться двумя пустыми консервными банками (рис. ), причем одна из них должна быть большего диаметра, чем вторая.

У банки формируют носик и в нее закладывают исходный материал для подготовки пластмассы. Это могут быть старые полиэтиленовые пакеты, пластиковые контейнеры из-под моющих средств и т.п. Затем банка ставится на горелку и закрывается байкой. Через некоторое время пластмасса расплавляется, и ее заливают в форму . Эта форма сделана из жести от консервной же банки и свернута уголком.

После остывания формы получается угловой изолятор , который нетрудно распилить на заготовки нужной длины. В получившуюся пластмассу, обладающую достаточной механической прочностью, легко вплавляется провод линии передачи.

Из этой пластмассы также можно формировать и мелкие детали (ручки, кнопки, каркасы для катушек) для радиолюбительских нужд.

Готовить и разливать пластмассу лучше на открытом воздухе или в хорошо проветриваемом помещении.

В помощь радиолюбителям в табл. 1 приводятся геометрические размеры и соответствующие им волновые сопротивления самодельной открытой линии.

Для линии лучше всего подходит медный одножнльный провод в изоляции типа ПЭТВ-2 (влаготеплостойкий). Неизолированный провод со временем окисляется, и работа линии ухудшается. Канатик с тонкими жилами в городских условиях под действием кислотных дождей и смога быстро приходит в полную негодность. Кроме того, он не обеспечивает достаточной жесткости линии.

Закономерности излучения полуволнового вибратора

Трехмерная диаграмма направленности имеет форму тора с проводником антенны на оси симметрии. В случае, показанном на рис. 1, вибратор горизонтально поляризован, так как ось антенны горизонтальна.

Горизонтальный разрез тора в плоскости его оси на рис. 1 (вид сверху) дает наглядное представление об этой характеристике. Заштрихованные плоскости сечения изображают диаграмму направленности. Видно, что главный луч полуволнового вибратора в свободном пространстве всегда перпендикулярен оси проводника. Это справедливо и для иной плоскости сечения.

Например, если тор рассечь перпендикулярно его оси, диаграмма направленности окажется кругом, в центре которого находится сечение проводника (рис. 2). Данное сечение служит вертикальной диаграммой направленности горизонтального полуволнового вибратора в свободном пространстве и лежит в плоскости, перпендикулярной оси проводника. Если вибратор сориентировать вертикально, то круговая диаграмма на рис. 2 превратится в горизонтальную диаграмму направленности вертикального вибратора.

Диаграмма направленности

При описании свойств излучения используются два почти равноценных понятия трехмерной и двухмерной диаграмм направленности, которые служат для представления свойств излучения в системе пространственных координат. Первая из этих диаграмм воспроизводит распределение излучения по всем направлениям, а вторая -- по направлениям, лежащим в какой-либо плоскости. В рекомендуется пространственную зависимость создаваемой антенной в разных направлениях на одинаковом расстоянии в дальнем поле напряженности поля по амплитуде, фазе и поляризации обозначать термином «характеристика направленности». Диаграммой направленности называют графическое представление сечения характеристики направленности.

Диаграмма направленности антенн может изображаться в полярной системе координат или в сечении этой системы, а также в декартовых (прямоугольных) координатах.

13 полярных координатах применяется сетка концентрических кругов и исходящих из их центра лучей (рис. 1). Концентрические круги представляют напряжение, причем в их центре оно приравнивается к нулю. Лучи показывают направление, отсчитываемое в угловой мере, как правило, от основного направления передачи или приема. От этого правила часто отступают при построении диаграммы направленности в вертикальной плоскости.



На рис. 1 а представлена нормированная диаграмма направленности полуволнового вибратора в горизонтальной плоскости (плоскость Е, горизонтальная ширина половинной мощности 80°); на рис. 1 б -- диаграмма в горизонтальной плоскости директорией антенны (плоскость Е, горизонтальная ширина 27°) в линейных полярных координатах.

Представление диаграмм направленности в декартовых координатах менее наглядно (рис. 2), однако его преимущество состоит в большем угловом разрешении боковых лепестков (это видно при сравнении рис. 2 и 1 б). Обычно максимум излучения отвечает углу 0°. По оси абсцисс откладывают углы от 0° до ±180°, а по оси ординат -- проценты от максимума (0-100%) или значения отображаемой величины в децибелах.



Максимальное выходное напряжение антенны, измеренное в главном направлении излучения, приравнивается к 1 (100%) или 0 дБ и наносится при угле 0°. Все последующие напряжения приема, измеренные под разными углами к главному направлению в пределах 180°, откладываются при соответствующих углах в долях от максимального напряжения. Кривая, связывающая точки результатов измерений, представляет собой функцию направления и служит диаграммой направленности излучения.

По диаграмме направленности определяют ряд важных параметров рассматриваемой антенны. Половину ширины главного лепестка называют углом половинного уровня. Это угол между направлением максимума излучения и направлением, где плотность потока энергии составляет половину от максимальной. Чтобы определить такой угол, точке наибольшего напряжения в главном направлении присваивают значение 1,0 и по обе стороны лепестка излучения находят точки, в которых напряжение составляет 0,71 от максимального. Уменьшение напряжения в 0,71 раз (1v2 ) соответствует снижению мощности на 50% или на 3 дБ. Затем, как показано на рис. 1 а, через эти точки проводят из центра прямые, которые и служат сторонами искомого угла половинного уровня. Обычно предпочитают пользоваться понятием ширины диаграммы по половинной мощности или ширины по уровню 3 дБ. Ширина лепестка диаграммы направленности по половинной мощности равна сумме обоих углов половинного уровня и обозначает интервал углов, в котором плотность потока энергии составляет не менее половины своего максимального значения. Наряду с термином «ширина но половинной мощности» пользуются и тождественным -- «угол раскрыва».

Направленность и усилие антенны

Антенна, излучающая энергию одинаково по всем направлениям, называется сферическим, или изотропным, излучателем. Пример из оптики поможет усвоить данное понятие: если поместить точечный источник света в центр стеклянного шара, то его поверхность окажется равномерно освещенной этим источником, то есть плотность излучения будет одной и той же в любой точке поверхности сферы. Однако невозможно построить строго сферический излучатель. Он существует только в теории и служит целям сравнения. Ни одна реальная антенна не способна обеспечить одинаковую плотность и поляризацию излучения по всем направлениям. Поэтому у любой антенны имеется определенная направленность, описываемая соответствующей диаграммой. Для точного отображения направленности необходимо построить ее трехмерное (пространственное) изображение. Но пространственное распределение плотности трудно изобразить графически, поэтому обычно довольствуются представлением диаграммы направленности антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Диаграмма направленности и усиление антенны взаимосвязаны. Вновь поясним их связь на примере стеклянного шара. Если источник света в центре шара снабдить отражателем (например, параболическим зеркалом), свет пойдет в виде пучка и излучение станет направленным. Таким образом, освещенной окажется только часть поверхности шара, ограниченная благодаря направленности излучения. При этом плотность потока энергии излучения в пределах направленно освещенной части поверхности намного превысит соответствующее значение при равномерном освещении шара, поскольку на данный участок упадут и те лучи, которые до появления отражателя светили на другие участки поверхности. Плотность потока энергии излучения тем выше, чем острее направленность излучения. Поэтому усиление по плотности потока энергии относительно изотропного облучения прямо зависит от диаграммы направленности. Как усиление, так и диаграмма направленности выражают концентрацию излучения в определенном направлении.

Импеданс антенны

По распределениям тока и напряжения в полуволновом вибраторе судят также о соотношении сопротивлений. Согласно закону Ома, сопротивление определяется отношением напряжения к току.

Поэтому полное комплексное сопротивление (импеданс) излучателя можно определить в каждой его точке по значениям тока и напряжения. При резонансе это сопротивление становится действительным, а вне резонанса в нем появляется реактивная составляющая, то есть индуктивное или емкостное сопротивление.

Реактивное сопротивление нетрудно найти в любой точке поверхности излучателя, однако обычно импедансом антенны считается ее сопротивление в точке подключения фидера. В случае полуволнового вибратора эта точка совпадает с пучностью тока, и потому импеданс такого вибратора мал -- всего 60 Ом. Точнее было бы называть полное сопротивление в данной точке входным импедансом.

Теоретически входное сопротивление полуволнового вибратора составляет 73 Ом. Однако такая оценка справедлива лишь для бесконечно тонкого проводника (отношение ?/d бесконечно велико) на бесконечно большом удалении от земной поверхности. Как видно из рис. 1, входное сопротивление полуволнового вибратора зависит от соотношения длины волны и диаметра проводника.

Отношение ?/d (обе величины должны быть выражены в одинаковых единицах длины) характеризует степень утолщения вибратора. В антеннах КВ и УКВ диапазонов редко встречаются излучатели диаметром меньше 2 мм, так что вполне разумно принять, что в этих диапазонах входное сопротивление полуволнового вибратора не превышает 65 Ом.

Полуволновый вибратор

Полуволновый диполь, или вибратор, является простейшим и вместе с тем самым распространенным резонансным устройством среди антенн. Он служит исходным элементом для многих их типов, а также образцом при оценке их усиления. Поэтому, прежде чем перейти к характеристикам и принципу действия антенн, необходимо ознакомиться с теорией полуволнового вибратора.

Полуволновый вибратор, как следует из его названия, имеет длину, равную половине длине волны (?/2) соответствующей частоты.

В этом случае вибратор находится в резонансе с длиной волны (рис. 1). Термин «диполь» переводится как «двухполюсный» и означает, что полуволновый излучатель разрезан в своей геометрической середине. К образующимся двум «полюсам», или клеммам питания, подключают фидер от передатчика или приемника.

Антенны

Антенна предназначена для извлечения энергии имеющегося электромагнитного поля (приемная антенна) или для преобразования энергии высокочастотного генератора (передатчика) в электромагнитные волны путем излучения (передающая антенна). Согласно теореме взаимности, одну и ту же антенну допустимо использовать в качестве приемной и передающей: их характерные свойства и параметры остаются в обоих случаях одинаковыми. Поэтому можно говорить о двойственности антенн.

Активные антенны со встроенными транзисторными усилителями не подчиняются теореме взаимности. В принципе активная передающая антенна вполне осуществима, однако до сих пор широкое применение нашли лишь активные приемные антенны. Они гораздо компактнее сравнимых с ними по характеристикам пассивных антенн. Предпосылкой практического применения антенны является устойчивость к большим сигналам, поскольку это гарантирует отсутствие помех от перекрестной и взаимной модуляции.

Размещено на Allbest.ur