Антенные устройства

Антенное устройство — один из основ­ных элементов радиопередающей и ра­диоприемной радиостанций. По назна­чению антенны разделяются на пере­дающие, приемные, а также комбини­рованные приемно-передающие.

Передающие антенны, преобразуют энергию токов высокой частоты пере­датчика в электромагнитную энергию и излучают эту энергию в окружающее пространство в виде радиоволн. Прием­ные антенны извлекают энергию электромагнитных волн из окружаю­щего пространства и, преобразуя ее в энергию токов высокой частоты, пере­дают на вход приемного устройства.

Антенны—обрати­мые преобразователи электромагнит­ной энергии, очень часто одну и ту же антенну используют как для передачи, так и для приема радиосигналов.

Исходя из характеристик излучения антенны подразделяются на антенны ненаправленного и направленного действия.

Антенна представляет собой откры­тый колебательный контур, имеющий собственную частоту (длину волны). Простейшая антенна — симметричный вибратор — изолированный с обоих концов проводник, питаемый от источ­ника высокой частоты в центральной своей части (рис. 1.24). Он может быть получен из разомкнутой четвертьволно­вой линии при разведении ее концов на 180°. Известно, что в линии, разомкнутой на конце, в результате сложения падающей и отраженной волн устанавливается стоячая волна тока и напряжения. Расстояние вдоль линии между соседними нулевой амплитудой тока и нулевой амплитудой напряжения равно ¹/₄ длины волны. Исходя из этого для работы на собственной волне l₀ длина 2 l сим­метричного вибратора должна быть 2 l =l₀/2. Поэтому антенна, изображен­ная на рис. 1.24, называется полу­волновым симметричным вибратором.

Рис. 1.24 Полуволновой симметричный вибратор

Симметричные антенны на судах применяются, как правило, в диапазо­не ультракоротких волн. Питание сим­метричных антенн, т. е. подводка энер­гии от передатчика к антенне или соединение антенны с входом прием­ника, производится с помощью двух­проводной (фидерной) линии.

Вертикальная заземленная (штыре­вая антенна). При работе на более длинных волнах антенны типа «сим­метричный вибратор» практически непригодны, так как требуемые разме­ры антенны слишком велики и в судо­вых условиях их размещение встре­чает большие трудности.

По этой причине в диапазоне декаметровых и более длинных волн при­меняются заземленные, или несиммет­ричные антенны. Один конец провода такой антенны изолируется от корпуса судна, а второй через элементы связи с выходом передатчика или входом приемника заземляется (соединяется с корпусом судна). Так как земля (корпус судна)—проводник электри­ческого тока, то она заменяет собой вторую половину антенны (рис. 1.25).

Рис. 1.25 Заземленная антенна

Теперь вдоль заземленного провода антенны укладывается ¹/₄волны тока и напряжения. Следовательно, собст­венная длина волны заземленной антен­ны

l₀ = 4 l

т. е. длина провода для устройства такой антенны должна быть в 2 раза меньше, чем для незаземленной. Но даже и в этом случае требуемая длина провода антенны не всегда может быть размещена на судне. Кроме того, одна и та же антенна используется обычно не на одной волне, а в определенном диапазоне волн или частот.

Передающие антенны при работе на волнах, отличающихся от собствен­ной длины волны антенны, обычно на­страиваются в резонанс на рабочую длину волны путем включения в антен­ну дополнительной индуктивности или емкости.

Если в антенну последовательно включить катушку индуктивности (рис. 1.26), то общая индуктивность антенного контура возрастает, и антенна оказывается настроенной на более длинную волну, чем собственная

Рис. 1.26 Управление длиной волны антенны

Когда последовательно в антенну включается конденсатор С, общая емкость антенны уменьшается и длина волны на которую настраивается антенна будет короче.

Действующая высота антенны. Из-за того, что ток в проводе антенны по ее длине неодинаков, при расчете излу­чаемой мощности или напряжения, создаваемого в антенне, при приеме радиосигналов четвертьволновую пло­щадь тока заменяют равновеликим прямоугольником, основание которого равно току у основания антенны. Вы­сота прямоугольника называется действующей высотой антенны h_д.

Действующая высота вертикальной антенны меньше ее геометрической вы­соты l. Например, для вертикальной заземленной антенны, работающей на собственной волне (без включения удлинительной катушки или конденса­тора), действующая высота

h_д = 2 l /p = 0,64 l

Увеличение действующей высоты при данной геометрической высоте дости­гается применением дополнительного горизонтального провода (рис. 1.27).

Рис. 1.27. Действующая высота антенны:

а – вертикальный провод, б – вертикальный и горизонтальный провода

В этом случае ток у верхнего конца вертикальной части антенны будет больше нуля, его распределение вдоль вертикального провода антенны ока­зывается более равномерным и дейст­вующая высота антенны увеличивает­ся. Кроме действующей высоты, нали­чие горизонтального провода увеличи­вает собственную длину волны антен­ны l₀ за счет увеличения длины пути тока.

Вертикальный провод антенны, являющийся по-прежнему основной излучающей и принимающей частью антенны, присоединяется либо к концу горизонтального провода, образуя Г-образную антенну, либо к середине провода, образуя Т-образную антенну.

Если требуется иметь антенну сравнительно малой длины (антенны декаметровых волн, приемные антенны) или судно имеет одну, используемую для подвески антенны-мачту, применяют часто антен­ны наклонного типа. На малых судах при небольшом разносе между мачта­ми для увеличения собственной волны антенны увеличивают ее емкость, при­меняя многолучевые антенны.

Излучаемую антенной мощность Р_S можно представить как произведение квадрата действующего тока I² у осно­вания антенны на сопротивление R_S эквивалентное расходу энергии антен­ны на излучение, которое получило название сопротивления излучения:

Р_S = I² R_S

Сопротивление излучения зависит от действующей высоты антенны и дли­ны рабочей волны

R_S ==1600(h_д /.l)²

Таким образом, чем больше дейст­вующая высота антенны и короче длина волны, тем сопротивление излуче­ния будет больше.

Мощность, подводимая к антенне от передатчика, расходуется не только на излучение в окружающее простран­ство, некоторая часть ее затрачивает­ся на потери в проводах антенны, морской воде, в корпусе судна, в раз­личных проводниках, окружающих антенну за счет наводимых в них токов высокой частоты. Особенно растут по­тери в металлических частях судна или в такелаже, если они оказываются настроенными или близкими к на­стройке в резонанс.

Полное сопротивление антенны скла­дывается из сопротивления излучения и сопротивления R_ппотерь. Мощность, подводимая к антенне, Р_а = I²(R_S + R_п). Эффективность работы антенны определяется ее КПД.

Следовательно, увеличение КПД антенны достигается увеличением сопротивления излучения и уменьшением сопротивления потерь.

Приемные антенны. Если на антенну воздействует электромагнитное поле то в ней наводится переменная ЭДС, частота которой равна частоте изменения э/м поля. Наводимая эдс будет зависеть от напряженности поля и действующей высоты антенны. Основное требование предъявляемое к антеннам – достаточная действующая высота. Э/м волны излучаются антенной в различных направлениях неравномерно, т.е. антенна имеет свойства направленного излучения, которые характеризуются коэффициентом направленного действия (кнп) и диаграммой (характеристикой) направленности. Кнп показывает, во сколько раз мощность в направлении максимального излучения больше среднего значения мощности, излучаемой по всем направлениям.

Распределение в пространстве эмп или мощности создаваемых антенной выражается диаграммой направленности антенны которая характеризуется графиком изменения мощности или напряженности поля создаваемых антенной в разных направлениях, но на одинаковом расстоянии от нее. Этот график может быть построен в прямоугольных или в полярных координатах. Диаграмма направленности симметричного вибратора в горизонтальной и вертикальной плоскостях построенная в полярных координатах имеет форму тороида вращения (рис.1.28)

Рис 1.28. Диаграмма направленности симметричного вибратора

Из этой диаграммы следует, что в направлении оси симметричного вибратора излучение энергии и соответственно прием сигналов не происходят. В направлениях перпендикулярных к оси вибратора излучение и прием сигналов будут максимальными для любых азимутальных направлений. Таким образом, вертикально расположенный симметричный вибратор в азимутальной плоскости направленностью не обладает. У наклонных Т-образных и Г-образных антенн направленность в азимутальной плоскости выражена очень слабо (практически эти антенны считаются ненаправленными). Направленными (остронаправленными) являются антенны судовых РЛС, антенны спутниковой радиосвязи, рамочные антенны радиопеленгаторов.

Дата добавления: 2015-07-15