Характеристика направленности антенны – Антенны. Комплексная векторная характеристика направленности, рефераты — allRefers.ru

Содержание

Характеристика — направленность — антенна

Характеристика — направленность — антенна

Cтраница 1

Характеристики направленности антенн, приведенные выше, не учитывали влияние земли.
 [2]

Характеристики направленности антенны не зависят от того, является ли нагрузка антенны согласованной или нет.
 [4]

Характеристику направленности антенны Бевереджа найдем, применяя принцип обратимости приемно-передающих антенн тл рассматривая антенн) как передающую.
 [5]

Характеристикой направленности антенны называется зависимость создаваемой ею напряженности поля в точках, находящихся на одинаковых от нее расстояниях, от углов ср и ф, характеризующих направление радиуса-вектора, соединяющего точку расположения антенны с точкой, в которой определяется напряженность поля. Полагая фдин из указанных углов постоянным, получают характеристику направленности антенны в той или иной плоскости, например, в горизонтальной или вертикальной. Характеристики направленности обычно изображаются в полярных координатах. Иногда же пользуются и прямоугольными координатами.
 [6]

Характеристикой направленности антенны называется зависимость напряженности поля излучения от направления при условии измерения этого поля на одинаковом расстоянии от антенны.
 [7]

Исследование характеристик направленности плссксстной антенны показывает, что для получения концентрации излученной энергии в малых телесных углах требуется большая плгщадь антенны. Чем больше площадь антенны с однородным распределением источников, тем в меньших углах концентрируется мощность излучения.
 [9]

Что называется характеристикой направленности антенны.
 [10]

Существует много способов оптимизации характеристики направленности антенны электроакустического аппарата по тем или иным параметрам. В конечном итоге они сводятся к подбору некоторого неравномерного распределения объемных скоростей по элементам антенны, ослабляющего боковые лепестки и позволяющего приблизить форму главного лепестка к требуемой оптимальной.
 [11]

Важно также учитывать влияние земли на характеристики направленности антенн и их сопротивление излучения. Вследствие этого направление тока в зеркальном вертикальном вибраторе совпадает, а в зеркальном горизонтальном вибраторе противоположно направлению тока в действительном вибраторе.
 [13]

Характер направленного действия антенн наглядно иллюстрируется характеристиками направленности антенн в вертикальной и горизонтальной плоскостях, построенными в полярных координатах.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3




www.ngpedia.ru

Передающие антенны: типы, устройство и характеристики

Антенна — это устройство, которое служит интерфейсом между электрической цепью и пространством, предназначено для передачи и приема электромагнитных волн в определенном диапазоне частот в соответствии с собственными размерами и формой. Выполнена она из металла, в основном из меди или алюминия, передающие антенны могут преобразовывать электрический ток в электромагнитное излучение и наоборот. Каждое устройство беспроводной связи содержит по меньшей мере одну антенну.

Радиоволны беспроводной сети

Когда возникает потребность в беспроводной связи, необходима антенна. Она имеет возможность посылать или принимать электромагнитные волны для связи, где невозможно установить проводную систему.

Антенна является ключевым элементом этой беспроводной технологии. Радиоволны легко создаются и широко используются как для внутренней, так и для наружной связи из-за способности проходить через здания и путешествовать на большие расстояния.

Ключевые особенности передающих антенн:

  1. Поскольку радиопередача носит всенаправленный характер, необходимость физического согласования передатчика и приемника не требуется.
  2. Частота радиоволн определяет многие характеристики передачи.
  3. На низких частотах волны могут легко проходить через препятствия. Однако их мощность падает с обратным квадратом относительно расстояния.
  4. Более высокие частоты волн более склонны к поглощению, и они отражаются на препятствиях. Из-за большой дальности передачи радиоволн помехи между передачами являются проблемой.
  5. В диапазонах VLF, LF и MF распространение волн, также называемых наземными волнами, следует за кривизной Земли.
  6. Максимальные диапазоны пропускания этих волн составляют порядка нескольких сотен километров.
  7. Передающие антенны используются для передач с низкой пропускной способностью, таких как радиопередача с амплитудной модуляцией (AM).
  8. Передачи HF и VHF-диапазона поглощаются атмосферой, расположенной вблизи поверхности Земли. Однако часть излучения, называемая волной неба, распространяется наружу и вверх к ионосфере в верхней атмосфере. Ионосфера содержит ионизированные частицы, образованные излучением Солнца. Эти ионизированные частицы отражают волны неба обратно на Землю.

Распространение волн

  • Распространение прямой видимости. Среди всех способов распространения этот наиболее часто встречающийся. Волна перемещается на минимальное расстояние, которое можно видеть невооруженным глазом. Далее нужно использовать передатчик усилителя, чтобы увеличить сигнал и передать его снова. Такое распространение не будет плавным, если на его пути передачи есть какое-либо препятствие. Эта передача используется для инфракрасных или микроволновых передач.
  • Распространение земной волны от передающей антенны. Распространение волны на грунт происходит по контуру Земли. Такая волна называется прямой волной. Волна иногда изгибается из-за магнитного поля Земли и попадает в приемник. Такую волну можно назвать отраженной волной.
  • Волна, распространяющаяся через земную атмосферу, известна как земная. Прямая волна и отраженная волна вместе дают сигнал на приемной станции. Когда волна достигает приемника, задержка прекращается. Кроме того, сигнал фильтруется во избежание искажения и усиления для четкого вывода. Волны передаются из одного места и где они принимаются многими приемопередающими антеннами.

Система координат измерения антенны

Рассматривая плоские модели, пользователь будет сталкиваться с показателями азимута плоскости и высоты плоскости паттерна. Термин азимут обычно встречается в отношении «горизонта» или «горизонтали», тогда как термин «высота» обычно относится к «вертикали». На рисунке плоскость xy является азимутальной плоскостью.

Диаграмма азимутальной плоскости измеряется, когда измерение выполняется, перемещая всю плоскость xy вокруг испытываемой приемопередающей антенны. Плоскость возвышения — это плоскость, ортогональная плоскости ху, например, плоскость yz. План плоскости возвышенности совершает обход всей плоскости yz вокруг испытываемой антенны.

Образцы (азимуты и диаграммы высоты) часто отображаются как графики в полярных координатах. Это дает пользователю возможность легко визуализировать, как антенна излучает во всех направлениях, как если бы она была уже «нацелена» или смонтирована. Иногда полезно нарисовать диаграммы направленности в декартовых координатах, особенно когда в шаблонах имеется несколько боковых лепестков и где важны уровни боковых лепестков.

Основные характеристики связи

Антенны являются основными компонентами любой электрической цепи, поскольку они обеспечивают взаимосвязь между передатчиком и свободным пространством или между свободным пространством и приемником. Прежде чем говорить о типах антенн, нужно знать их свойства.

Антенный массив — систематическое развертывание антенн, которые работают вместе. Индивидуальные антенны в массиве обычно имеют один и тот же тип и расположены в непосредственной близости, на фиксированном расстоянии друг от друга. Массив позволяет увеличить направленность, управление основными лучами излучения и боковыми пучками.

Все антенны характеризуются пассивным коэффициентом усиления. Пассивное усиление измеряется величиной dBi, которая связана с теоретической изотропной антенной. Считается, что она передает энергию одинаково во всех направлениях, но не существует в природе. Коэффициент усиления идеальной полуволновой дипольной антенны составляет 2,15 дБи.

EIRP, или эквивалентная изотропная излучаемая мощность передающей антенны является мерой максимальной мощности, которую теоретическая изотропная антенна излучала бы в направлении максимального усиления. EIRP учитывает потери от линий электропередач и разъемов и включает в себя фактическое усиление. EIRP позволяет рассчитывать реальную мощность и значения напряженности поля, если известны фактическое усиление и выходная мощность передатчика.

Усиление антенны по направлениям

Оно определяется как отношение коэффициента усиления мощности в заданном направлении к усилению мощности опорной антенны в том же направлении. Стандартной практикой является использование изотропного излучателя в качестве эталонной антенны. При этом изотропный излучатель будет без потерь, излучает свою энергию одинаково во всех направлениях. Это означает, что коэффициент усиления изотропного излучателя равен G = 1 (или 0 ДБ). Обычно принято использовать блок dBi (децибелы относительно изотропного излучателя) для усиления по отношению к изотропному излучателю.

Усиление, выраженное в dBi, вычисляется по следующей формуле: GdBi = 10 * Log (GNumeric / GIsotropic) = 10 * Log (GNumeric).

Иногда в качестве эталона используется теоретический диполь, поэтому для описания коэффициента усиления по отношению к диполю будет использоваться единица dBd (децибелы относительно диполя). Этот блок, как правило, используется, когда речь идет об усилении всенаправленных антенн с более высоким коэффициентом усиления. В этом случае их усиление выше на 2,2 дБи. Поэтому если антенна имеет коэффициент усиления 3 дБн, общий коэффициент усиления будет 5,2 дБи.

Ширина луча 3 ДБ

Такая ширина луча (или ширина луча половинной мощности) антенны обычно определяется для каждой из главных плоскостей. Ширина луча 3 ДБ в каждой плоскости определяется как угол между точками основного лепестка, которые уменьшены от максимального усиления на 3 ДБ. Ширина луча 3 ДБ — угол между двумя синими линиями на полярном участке. В этом примере ширина луча 3 ДБ в этой плоскости составляет около 37 градусов. Антенны с широкой шириной луча обычно имеют низкий коэффициент усиления, а антенны с узкой шириной луча имеют более высокий коэффициент усиления.

Таким образом, антенна, которая направляет большую часть своей энергии в узкий луч, по крайней мере, в одной плоскости, будут иметь более высокий коэффициент усиления. Отношение «вперед-назад» (F/B) используется как показатель достоинства, который пытается описать уровень излучения со спины направленной антенны. В принципе, отношение «вперед-назад» — это отношение пикового усиления в прямом направлении к коэффициенту усиления на 180 градусов позади пика. Разумеется, в масштабе ДБ соотношение «вперед-назад» — это просто разница между пиковым усилением в прямом направлении и коэффициентом усиления на 180 градусов позади пика.

Классификация антенн

Существует множество видов антенн для различных применений, таких как связь, радиолокация, измерения, имитация электромагнитных импульсов (EMP), электромагнитная совместимость (EMC) и т. д. Некоторые из них предназначены для работы на узких полосах частот, в то время как другие предназначены для излучения/принимать импульсы переходного процесса. Показатели характеристик передающих антенн:

  1. Физическая структура антенны.
  2. Диапазоны частот работы.
  3. Режим приложений.

Ниже приведены типы антенн в соответствии с физической структурой:

  • проволочные;
  • апертурные;
  • отражающие;
  • антенны объектива;
  • микрополосковые антенны;
  • массивные антенны.

Ниже приведены типы передающих антенн в зависимости от частоты работы:

  1. Очень низкая частота (VLF).
  2. Низкая частота (LF).
  3. Средняя частота (MF).
  4. Высокая частота (HF).
  5. Очень высокая частота (ОВЧ).
  6. Сверхвысокая частота (УВЧ).
  7. Супер высокая частота (SHF).
  8. Микроволновая волна.
  9. Радиоволна.

Ниже приведены передающие и принимающие антенны в соответствии с режимами применения:

  1. Связь точка-точка.
  2. Приложения для вещания.
  3. Радиолокационная связь.
  4. Спутниковая связь.

Конструктивные особенности

Передающие антенны создают радиочастотное излучение, распространяющееся в пространстве. Приемные антенны выполняют обратный процесс: они получают радиочастотное излучение и преобразуют их в требуемые сигналы ,например, звук, изображение в телевизионных передающих антеннах и мобильном телефоне.

Самый простой тип антенны состоит из двух металлических стержней и известен как диполь. Одним из наиболее распространенных типов является монопольная антенна, состоящая из стержня, расположенного вертикально к большой металлической доске, которая служит в качестве заземленной плоскости. Установка на транспортных средствах обычно является монополем, а металлическая крыша транспортного средства служит в качестве заземления. Устройство передающей антенны, ее форма и размер определяют рабочую частоту и другие характеристики излучения.

Одним из важных атрибутов антенны является ее направленность. В связи между двумя фиксированными целями, как и в связи между двумя фиксированными станциями передачи, или в радиолокационных применениях требуется антенна, чтобы напрямую передавать энергию передачи в приемник. И наоборот, когда передатчик или приемник не является стационарным, как в сотовой связи, требуется ненаправленная система. В таких случаях требуется всенаправленная антенна, которая равномерно принимает все частоты во всех направлениях горизонтальной плоскости, а в вертикальной плоскости излучение неравномерно и очень мало, как у Кв передающей антенны.

Передающие и приемные источники

Передающее устройство — основной источник радиочастотного излучения. Этот тип состоит из проводника, интенсивность которого колеблется со временем и преобразует его в радиочастотное излучение, распространяющееся в пространстве. Приемная антенна — устройство для приема радиочастот (RF). Она выполняет обратную передачу, выполняемую передающей, получает радиочастотное излучение, преобразует его в электрические токи в электрической цепи антенны.

Телевизионные и радиовещательные станции используют передающие антенны для передачи определенных типов сигналов, которые распространяются по воздуху. Эти сигналы обнаруживаются приемными антеннами, которые преобразуют их в сигналы и принимаются соответствующим устройством, например, телевизором, радио, мобильным телефоном.

Радиоприемные и телевизионные приемные антенны предназначены исключительно для приема радиочастотного излучения, и они не производят радиочастотное излучение. Устройства сотовой связи, например, базовые станции, повторители и мобильные телефоны оснащены назначенными передающими и приемными антеннами, которые излучают радиочастотное излучение и обслуживают сети сотовой связи в соответствии с технологиями сетей связи.

Разница между аналоговой и цифровой антенной:

  1. Аналоговая антенна имеет переменный коэффициент усиления и работает в диапазоне 50 км для DVB-T. Чем дальше пользователь находиться от источника сигнала, тем хуже сигнал.
  2. Для приема цифрового ТВ — пользователь получает либо хорошее изображение, либо изображение вообще. Если он находится далеко от источника сигнала, то не получает никакого изображения.
  3. Передающая цифровая антенна имеет встроенные фильтры для снижения шума и улучшения качества изображения.
  4. Аналоговый сигнал передается непосредственно на телевизор, в то время как цифровой необходимо сначала декодировать. Это позволяет исправить ошибки, а также данные как сжатие сигнала для получения дополнительных функций в качестве дополнительных каналов, EPG, Pay TV, интерактивных игр и т. д.

Дипольные передатчики

Дипольные антенны являются наиболее распространенным всенаправленным типом и распространяют радиочастотную (RF) энергию на 360 градусов в горизонтальной плоскости. Эти устройства сконструированы так, чтобы быть резонансными с половиной или четвертью длины волны применяемой частоты. Она может быть такой же простой, как два куска провода, нужной длины, или может быть инкапсулирована.

Диполь используется во многих корпоративных сетях, небольших офисах и для домашних нужд (SOHO). Она имеет типичный импеданс, позволяющий согласовать ее с передатчиком для максимальной передачи мощности. Если антенна и передатчик не совпадают, на линии передачи будут возникать отражения, которые ухудшают сигнал или даже могут повредить передатчик.

Направленный фокус

Направленные антенны фокусируют излучаемую мощность на узкие лучи, обеспечивая значительный выигрыш в этом процессе. Свойства ее также являются взаимными. Характеристики передающей антенны, такие как импеданс и усиление, также применимы к приемной антенне. Вот почему одна и та же антенна может использоваться как для отправки, так и для приема сигнала. Усиление сильно направленной параболической антенны служит для усиления слабого сигнала. Это одна из причин, почему они часто используется для связи на большие расстояния.

Обычно используемой направленной антенной является массив Яги-Уда, называемый Яги. Она была изобретена Шинтаро Уда и его коллегой Хидецугу Яги в 1926 году. Яги-антенна использует несколько элементов для формирования направленного массива. Один управляемый элемент, обычно диполь, распространяет радиочастотную энергию, элементы, расположенные непосредственно перед и за ведомым элементом, повторно излучают радиочастотную энергию по фазе и вне фазы, усиливая и замедляя сигнал соответственно.

Эти элементы называются паразитными элементами. Элемент за ведомым называется отражателем, а элементы перед ведомым устройством называются директорами. Антенны Yagi имеют ширину луча в диапазоне от 30 до 80 градусов и могут обеспечить более чем 10 дБи пассивного усиления.

Параболическая антенна является наиболее знакомым типом направленной антенны. Парабола — симметричная кривая, а параболический отражатель – это поверхность, которая описывает кривую при 360-градусном вращении — тарелке. Параболические антенны используются для междугородных линий связи между зданиями или большими географическими районами.

Полунаправленные секционные излучатели

Патч-антенна представляет собой полунаправленный излучатель с использованием плоской металлической полосы, установленной над землей. Излучение от задней части антенны эффективно обрезается наземной плоскостью, повышая направленность вперед. Этот тип антенны также известен как микрополосковая антенна. Он обычно прямоугольный и заключен в пластиковый корпус. Этот тип антенны может быть изготовлен стандартными методами печатной платы.

Патч-антенна может иметь ширину луча от 30 до 180 градусов и типичный коэффициент усиления 9 ДБ. Секционные антенны — это другой тип полунаправленной антенны. Секторные антенны обеспечивают диаграмму направленности сектора излучения и обычно устанавливаются в массиве. Ширина луча для секторной антенны может составлять от 60 до 180 градусов, причем типичным является 120 градусов. В секционированном массиве антенны монтируются вплотную друг к другу, обеспечивая полный охват на 360 градусов.

Изготовление антенны Яги-Уды

В течение последних десятилетий антенна Yagi-Uda была видна почти на всех домах.

Видно, что для повышения направленности антенны существует множество директоров. Устройство подачи представляет собой свернутый диполь. Отражатель — это длинный элемент, который находится в конце структуры. Для этой антенны должны быть применены следующие технические характеристики.

Элемент

Спецификация

Длина управляемого элемента

0,458λ до 0,5λ

Длина рефлектора

0,55λ — 0,58λ

Продолжительность работы директора 1

0.45λ

Длина директора 2

0.40λ

Продолжительность работы директора 3

0.35λ

Интервал между директорами

0.2λ

Отражатель для расстояния между диполями

0.35λ

Расстояние между диполями и директором

0.125λ

Ниже приведены преимущества антенн Yagi-Uda:

  1. Высокий коэффициент усиления.
  2. Высокая направленность.
  3. Простота обращения и обслуживания.
  4. Меньшее количество энергии теряется.
  5. Более широкий охват частот.

Ниже приведены недостатки антенн Yagi-Uda:

  1. Склонность к шуму.
  2. Предрасположены к атмосферным эффектам.

Если следовать приведенным выше спецификациям, можно спроектировать антенну Yagi-Uda. Направленная картина антенны является очень эффективной, как показано на рисунке. Малые лепестки подавляются, а направленность основной доли увеличивается за счет добавления директоров к антенне.

fb.ru

Общие характеристики антенн | Viva la Radio

Антенна — радиотехническое устройство, предназначенное для излучения и приема электромагнитных волн.

По характеру использования антенны делятся на:

  • передающие;
  • приемные;
  • приемно-передающие

Передающая антенна — устройство, предназначенное для преобразования энергии модулированных колебаний радиочастоты передатчика в энергию электромагнитных волн, излучаемых в заданном направлении.

Приемная антенна —  устройство, предназначенное для преобразования принятой энергии электромагнитных волн с заданного направления в энергию колебаний радиочастоты.

Основные электрические характеристики антенн

Входное сопротивление

Входное сопротивление антенны — полное сопротивление (его активная и реактивная составляющие), которое равно отношению ВЧ напряжения в антенне к току питания антенны:

Z A=UA/ IA

Входное сопротивление: зависит:

— от  длины;

— формы;

— от расположения клемм, к которым подводится фидерная линия от передатчика;

— от проводников и различных объектов вблизи антенны, влияющих на распределение поля в пространстве.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия антенны — отношение излучаемой мощности РИ к общей мощности, отдаваемой передатчиком в антенну  РА.

η=РИА

Коэффициент усиления антенны

Коэффициент усиления антенны — это относительная величина, показывающая, насколько большую напряженность поля создаст данная антенна по сравнению с эталонной при одинаковых условиях замера. В качестве эталона принимается полуволновой диполь или теоретическое устройство – изотропный излучатель. Определяется выражением:

G=4πSэфф/ λ2

где Sэфф — эффективная площадь антенны.

Коэффициент направленного действия

КНД – способность антенны концентрировать большую часть энергии излучаемых электромагнитных волн в некотором направлении.

КНД определяется отношением квадрата напряженности поля Е, создавемого антенной в заданном направлении на расстоянии r, к квадрату среднего значения напряженности поля Еср., которое создавалось бы в любой точке на расстоянии r от абсолютно ненаправленной антенны:

Д=Е22ср

КНД является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд). Для обозначения КНД используют латинскую букву D (от англ. Directivity).

Обычно оперируют значением КНД D0 в направлении максимального излучения антенны, а для описания угловой зависимости КНД используют нормированнуюдиаграмму направленности (ДН) антенны по мощности. При этом КНД становится мерой способности антенны концентрировать энергию электромагнитного излучения в узком луче. Согласно определению, КНД однозначно связан с формой ДН антенны.

Следует различать КНД и коэффициент усиления (КУ) антенны: КНД целиком и полностью определяется формой ДН антенны и не учитывает КПД антенны и потери на отражение, то есть не учитывает потери энергии в элементах конструкции антенны и объектах, расположенных в ближней зоне антенны.

Диаграмма направленности антенны

Диаграмма направленности антенны — это графическое изображение коэффициента усиления антенны или коэффициента направленного действия антенны в полярной системе координат в зависимости от направления антенны в пространстве.
Диаграмма направленности (ДН) передающей (приемной) антенны характеризует интенсивность излучения (приема) антенны в различных направлениях в пространстве. Для передающей антенны рассматривают (ДН) по напряженности поля или по уровню его мощности. Направление максимального излучения — главный лепесток антенны, остальные лепестки (ДН) антенны являются побочными, в т.ч. и задний лепесток. Для удобства строят нормированные (ДН) в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В нормированной диаграмме направленности величина главного лепестка принимается за единицу, остальные лепестки рисуются пропорционально в масштабе относительно главного.

Действующая длина антенны

Действующая (эффективная) длинна антенны характеризует способность приемной антенны извлекать электромагнитную энергию из окружающего пространства и определяется отношением ЭДС, наведенной в антенне, к напряженности электрического поля в месте расположения приемной антенны:

lд=U/Е

где                  U — значение ЭДС на зажимах антенны, мВ;
Е — напряженность электрического поля в месте приема, мВ/м.

Действующая длина антенны (lд, в метрах) связана с коэффициентом усиления и входным сопротивлением антенны следующим образом [6. 1]:

lд= (l /3.14) ( G*Ra / 73.1)^0.5,

где                  l — средняя длина волны, м;
G — коэффициент усиления антенны;
Ra — сопротивление антенны. Ом.

Действующая длина полуволнового вибратора равна:

lд= l / 3.14 = 0,32*l (npu G=1, Ra=73,1 Ом).

В общем случае напряжение на выходе антенны, согласованной с приемником, определяется как

U=lдE/2,

где:                 U — значение ЭДС на выходе антенны, мкВ;
Е — напряженность электрического поля в месте приема, мкВ/м.

Обычно понятие действующей длины вводят для вибраторов с длиной плеча lп<= 0.7l.

 

Ширина полосы пропускания

Ширина полосы пропускания — это полоса частот, в пределах которой неравномерность частотной характеристики не превышает заданной. Ширина полосы пропускания тем больше, чем меньше зависят от частоты коэффициент усиления и входное сопротивление антенны.

В точку приема кроме прямой волны могут приходить и отраженные от различных препятствий электромагнитные волны. Для исключения влияния таких волн на качество изображения приемные телевизионные антенны должны обладать не только определенными усилительными свойствами, но и иметь достаточно низкий уровень заднего и боковых лепестков (высокий коэффициент защитного действия). Требования к коэффициенту защитного действия могут быть снижены при приеме телевизионных сигналов в сельской местности, где обычно отсутствуют интенсивные отраженные волны и качество изображения в основном определяется величиной усиления антенно-фидерного устройства.

В городах, где в месте приема всегда имеется множество отраженных волн, выбор антенны определяется не только величиной КНД, но и коэффициентом защитного действия. Например, вблизи телецентра, с точки зрения требуемой мощности сигнала на входе телевизора, можно было бы применять простейшие антенны, однако для исключения отраженных волн приходится использовать более сложные направленные антенны (чаще всего типа «волновой канал»).

vivalaradio.ru

24. Виды антенн. Характеристики антенн

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.

studfiles.net

Ликбез по антеннам: диаграмма направленности

Аннотация

Перед тем как перейти к рассмотрению конструкции и работы разного типа антенн, рассмотрим одну из важнейших характеристик антенны – диаграмму направленности и те параметры, которые из нее напрямую вытекают.

Рекомендую, также, ознакомиться с предыдущей статьёй — Ликбез: основы теории по антеннам.

Введение

Антенна, вне зависимости от конструкции, обладает свойством обратимости (может работать как на прием, так и на излучение). Часто в радиорелейных трактах одна и та же антенна может быть подключена одновременно к приемнику и передатчику. Это позволяет излучать и принимать сигнал в одном направлении на разных частотах.

Почти все параметры приемной антенны соответствуют параметрам передающей антенны, но иногда имеют несколько другой физический смысл.

Несмотря на то, что приемная и передающая антенны обладают принципом двойственности, в конструктивном отношении они могут существенно отличаться. Связано это с тем, что передающая антенна должна пропускать через себя значительные мощности для передачи электромагнитного сигнала на большие (максимально возможные) расстояния. Если же антенна работает на прием, то она взаимодействует с полями очень малой напряженности. Вид токопередающей конструкции антенны часто определяет ее конечные габариты.

Пожалуй, основная характеристика любой антенны это диаграмма направленности. Из нее вытекает множество вспомогательных параметров и такие важные энергетические характеристики как коэффициент усиления и коэффициент направленного действия.

Диаграмма направленности

Диаграмма направленности (ДН) – это зависимость напряженности поля, создаваемого антенной на достаточно большом расстоянии, от углов наблюдения в пространстве. В объеме диаграмма направленной антенны может выглядеть так, как показано на рисунке 1.


Рисунок 1

То, что изображено на рисунке выше также еще называют пространственной диаграммной направленностью, которая является поверхностью объема и может иметь несколько максимумов. Главный максимум, выделенный на рисунке красным цветом, называется главным лепестком диаграммы и соответствует направлению главного излучения (или приема). Соответственно первые минимальные или (реже) нулевые значения напряженности поля вокруг главного лепестка определяют его границу. Все остальные максимальные значения поля называются боковыми лепестками.

На практике встречаются различные антенны, которые могут иметь несколько направлений максимального излучения, или не иметь боковых лепестков вовсе.

Для удобства изображения (и технического применения) ДН их принято рассматривать в двух перпендикулярных плоскостях. Как правило, это плоскости электрического вектора E и магнитного вектора H (которые друг другу в большинстве сред перпендикулярны), рисунок 2.


Рисунок 2

В некоторых случаях ДН рассматривают в вертикальной и горизонтальной плоскостях по отношению к плоскости Земли. Плоские диаграммы изображают полярной или декартовой (прямоугольной) системами координат. В полярных координатах диаграмма более наглядна, и при наложении ее на карту можно получить представление о зоне действия антенны радиостанции, рисунок 3.


Рисунок 3

Представление диаграммы направленности в прямоугольной системе координат более удобно для инженерных расчетов, такое построение чаще применяется для исследования самой структуры диаграммы. Для этого диаграммы строят нормированными, с главным максимумом, приведенным к единице. На рисунке ниже приводится типичная нормированная диаграмма направленности зеркальной антенны.


Рисунок 4

В том случае, когда интенсивность бокового излучения довольно небольшая и в линейном масштабе измерение бокового излучения затруднительно, применяют логарифмический масштаб. Как известно децибелы маленькие значения делают большими, а большие – маленькими, поэтому та же самая диаграмма в логарифмическом масштабе выглядит так, как показано ниже:


Рисунок 5

Из одной только диаграммы направленности можно вытащить довольно большое количество важных для практики характеристик. Исследуем подробнее диаграмму, изображенную выше.

Один из наиболее важных параметров – это ширина главного лепестка по нулевому излучению θ0 и ширина главного лепестка по уровню половинной мощности θ0,5. Половина мощности соответствует уровню 3 дБ, или уровню 0,707 по напряженности поля.


Рисунок 6

Из рисунка 6 видно, что ширина главного лепестка по нулевому излучению составляет θ0 = 5,18 град, а ширина по уровню половины мощности θ0,5 = 2,15 град.

Также диаграммы оценивают по интенсивности бокового и обратного излучения (мощности боковых и задних лепестков), отсюда вытекает еще два важных параметры антенны – это коэффициент защитного действия, и уровень боковых лепестков.

Коэффициент защитного действия – это отношение напряженности поля, излученного антенной в главном направлении к напряженности поля, излученного в противоположном направлении.  Если рассматривают ориентацию главного лепестка диаграммы в направлении на 180 градусов, то обратного – на 0 градусов. Возможны и любые другие направления излучения. Найдем коэффициент защитного действия рассматриваемой диаграммы. Для наглядности изобразим ее в полярной системе координат (рисунок 7):


Рисунок 7

На диаграмме маркерами m1,m2 изображены уровни излучения в обратном и прямом направлениях соответственно. Коэффициент защитного действия определяется как:

 

— в относительных единицах. То же самое значение в дБ: 

Уровень боковых лепестков (УБЛ) принято указывать в дБ, показывая тем самым, насколько уровень бокового излучения слаб по сравнению с уровнем главного лепестка, рисунок 8.


Рисунок 8

УБЛ в районе -18 дБ считается довольно хорошим показателем для высоконаправленной антенны. На рисунке изображены уровни первых боковых лепестков. Аналогично можно указывать также уровни всех последующих, но практической ценности их значение имеет мало, а представляет скорее академический интерес. Дело в том, что первые боковые лепестки находятся как правило «ближе всех остальных» к максимуму диаграммы направленности и могут оказывать помехи. Например, если сопровождение объекта происходит на уровне главного лепестка диаграммы -3дБ, а уровень первого бокового лепестка близок к этому значению (например -5:7 дБ), то велика вероятность начать цеплять объект боковым излучением со всеми вытекающими отсюда последствиями (неправильное позиционирование, потеря объекта и др.). Низкий УБЛ необходим не только для радиолокации, но и для области связи, ведь наличие паразитного излучения это всегда дополнительные помехи.

Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления

Это два немаловажных параметра любой антенной системы, которые напрямую вытекают из определения диаграммы направленности. КНД и КУ часто путают между собой. Перейдем к их рассмотрению.

Коэффициент направленного действия

Коэффициент направленного действия (КНД) – это отношение квадрата напряженности поля, созданного в главном направлении (Е02), к среднему значению квадрата напряженности поля по всем направлениям (Еср2). Как понятно из определения, КНД характеризует направленные свойства антенны. КНД не учитывает потери, так как определяется по излучаемой мощности. Из сказанного выше можно указать формулу для расчета КНД:

D=E02/Eср2

Если антенна работает на прием, то КНД показывает, во сколько раз улучшится отношение сигнал/шум по мощности, при замене направленной антенны ненаправленной, если помехи приходят равномерно со всех направлений.

Для передающей антенны КНД показывает, во сколько раз нужно уменьшить мощность излучения, если ненаправленную антенну заменить направленной, при сохранении одинаковых напряженностей поля в главном направлении.

КНД абсолютно ненаправленной антенны, очевидно, равно единице. Физически пространственная диаграмма направленности такой антенны выглядит в виде идеальной сферы:


Рисунок 9

Такая антенна одинаково хорошо излучает во всех направлениях, но на практике нереализуема. Поэтому это своего рода математическая абстракция.

Коэффициент усиления

Как уже было сказано выше, КНД не учитывает потери в антенне. Параметр, который характеризует направленные свойства антенны и учитывает потери в ней, называется коэффициентом усиления.

Коэффициент усиления (КУ) G – это отношение квадрата напряженности поля, созданного антенной в главном направлении (Е02), к среднему значению квадрата напряженности поля (Еоэ2), созданного эталонной антенной, при равенстве подводимых к антеннам мощностей. Также отметим, что при определении КУ учитываются КПД эталонной и измеряемой антенны.

Понятие эталонной антенны очень важно в понимании коэффициента усиления, и в разных частотных диапазонах используют разные типы эталонных антенн. В диапазоне длинных/средних волн за эталон принят вертикальный несимметричный вибратор длиной четверть волны (рисунок 10).    


Рисунок 10

Для такого эталонного вибратора Dэ=3,28, поэтому коэффициент усиления длинноволновой/средневолновой антенны определяется через КНД так: G=D*ŋ/3,28,  где ŋ – КПД антенны.

В диапазоне коротких волн в качестве эталонной антенны принимают симметричный полуволновый вибратор, для которого Dэ=1,64, тогда КУ:

G=D*ŋ/1,64

В диапазоне СВЧ (а это почти все современные Wi-Fi, LTE и др. антенны) за эталонный излучатель принят изотропный излучатель, дающий Dэ=1, и имеющий пространственную диаграмму, изображенную на рисунке 9.

Коэффициент усиления является определяющим параметром передающих антенн, так как показывает, во сколько раз необходимо уменьшить мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с эталонной, чтобы напряженность поля в главном направлении осталась неизменной.

КНД и КУ в основном выражают в децибелах: 10lgD, 10lgG.

Заключение

Таким образом, мы рассмотрели некоторые полевые характеристики антенны, вытекающие из диаграммы направленности и энергетические характеристики (КНД и КУ). Коэффициент усиления антенны всегда меньше коэффициента направленного действия, так как КУ учитывает потери в антенне. Потери могут возникать из-за отражения мощности обратно в линию питания облучателя, затекания токов за стенки (например, рупора), затенение диаграммы конструктивными частями антенны и др. В реальных антенных системах разница между КНД и КУ может составлять 1.5-2 дБ.    

nag.ru

Антенны. Назначение. Характеристики антенны.

Антенны. Назначение. Характеристики антенны.


Антенны. Назначение. Характеристики антенны



Оглавление



Антенны предназначены для формирования и приема электромагнитных сигналов. Любая антенна
является обратимой и может быть использована как для передачи, так и для приема
(свойство дуальности), при этом электрические характеристики антенны остаются неизменными.
Например, внутреннее сопротивление источника ЭДС, эквивалентного приемной антенне, равно входному
сопротивлению этой же антенны в режиме передачи, направленные свойства антенны в режимах приема и
передачи одинаковы и т.д. Антенны являются резонансными устройствами.

Характеристики антенны

  1. Входное сопротивление антенны zвх является в общем случае комплексным, т.е.
    может быть представлено в виде последовательно соединенных активной Rвх и реактивной
    Xвх (емкостной или индуктивной) составляющих. Входное сопротивление настроенной в
    резонанс антенны чисто активно.
    Пример:

    Входное сопротивление линейного полуволнового вибратора составляет 75 Ом, волнового — примерно 250 Ом.
  2. Характеристика направленности — зависимость ЭДС в антенне либо мощности в нагрузке от угла
    прихода сигнала.
  3. Диаграмма направленности — графическое изображение характеристики направленности в
    полярных или прямоугольных координатах. Достаточно полное представление о направленных свойствах
    антенны дают диаграммы направленности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях — горизонтальной и
    вертикальной.

    Область 1 — основной (главный) лепесток

    Область 2 — задний или боковой лепестки

    j— угол раствора основного лепестка

    Рис.1



    При построении диаграмм направленности максимальное значение ЭДС в антенне или мощности в нагрузке
    принимают равным 1 или 0 дБ, что дает возможность сравнивать различные антенны по их направленным
    свойствам. Такие диаграммы направленности называют нормированными. Чем меньше угол раствора
    главного лепестка и уровень задних и боковых лепестков, тем больше уровень сигнала на выходе антенны
    и выше помехозащищенность приема.

  4. Коэффициент направленного действия (КНД). G — параметр, показывающий во сколько раз
    мощность, которую может отдать в нагрузку согласованная антенна при приеме со стороны максимума
    главного лепестка диаграммы направленности, больше мощности, которую может отдать в нагрузку
    согласованная эталонная антенна, имеющая круговую диаграмму направленности. В качестве эталонной
    антенны служат простейшие антенны либо полуволновой вибратор.

    Рис.2


    В общем случае G = Pн/Po ,
    где Pо — мощность при равномерном излучении в пределах от 0 до 360 градусов,
    Pн — мощность при излучении в данном направлении.

  5. Эффективная поверхность. Sa — параметр, имеющий размерность площади
    и позволяющий по известной напряженности поля определить мощность Р, отдаваемую согласованной
    антенной в нагрузку:,

    где Р, Вт; Е — эффективное значение, В/м; Sa , м2.

    ,

    где l- длина волны излучаемого/принимаемого сигнала.

    В приемной антенне Sa характеризует ЭДС сигнала, наводимую в антенне принимаемым электромагнитным излучением.
    Пример:

    Эффективная поверхность полуволнового вибратора равна 0,13l2, волнового вибратора — 0,19l2.
  6. Диапазонность антенны. Антенна является резонансным устройством, и все ее характеристики зависят от частоты принимаемого/излучаемого сигнала.


    E — ЭДС антенны
    l — длина волны излучаемого/принимаемого сигнала

    f — частота резонанса (наилучшее принятие сигнала)

    Рис.3


  7. Поляризация антенны — преимущественное направление изменения вектора
    электрического поля E.
    Поляризация бывает: горизонтальная, вертикальная, круговая и др. Например, антенны в виде
    металлических штырей или проводов имеют направление поляризации, направленное вдоль излучателей.
    Типичным представитем такой антенны является полуволновый вибратор (см. ниже). Круговая
    поляризация может создаваться спиральной антенной, у которой излучатель свернут в виде спирали.

    Для эффективного приема сигнала приемная антенна должна располагаться так, чтобы ее плоскость
    поляризации совпадала с плоскостью поляризации передающей антенны. В противном случае сигнал
    будет очень слабым и будет формироваться за счет отражения от местных предметов (зданий, металлических
    конструкций), или приема не будет вовсе.

    Пример:

    1 — вертикальная поляризация

    2 — горизонтальная поляризация

    3 — круговая поляризация

    Рис.4


Принципы использования антенн для одновременной передачи и приема

Необходимым условием одновременного использования одной антенны для приема и передачи является разнос частот приема и передачи, однако обе частоты должны лежать в полосе частот, принимаемых антенной.
При таком использовании антенны возникают два неприятных явления:

1. Мощный выходной сигнал передатчика проникает на входные высокочувствительные цепи приемника и выводит их из строя.

2. Слабый сигнал ЭДС, наводимый принимаемым антенной электромагнитным излучением, шунтируется
выходными цепями передатчика и ослабляется, что препятствует нормальному приему сигнала.

Для исключения этих явлений производится развязка входных и выходных цепей с помощью
фильтров-пробок (т.е. не пропускающих сигнал определенной частоты), включаемых в соответствующие
цепи приемопередатчика, так, как показано на рисунке.




ПРД — передатчик

ПРМ — приемник

Передающие и приемные линии никогда не работают на одной частоте. Фильтр для частоты
f2 не пропускает частоту
f2 на входные цепи приемника, а фильтр для частоты f1 не пропускает
сигнал с частотой f1, поступающий из антенны, на выходные цепи передатчика.

Рис.5






Предыдущий


Следующий

supervideoman.narod.ru

Характеристика — направленность — антенна

Характеристика — направленность — антенна

Cтраница 2

Зависимость этого коэффициента от азимута и определяет характеристику направленности антенны.
 [17]

Множитель F ( в) представляет функциональную зависимость ве личины поля от координатного угла и является характеристикой направленности антенны.
 [18]

Оф) — характеристика направленности антенной системы в вертикальной плоскости с учетом отражения; F ( P) — характеристика направленности антенны без учета влияния отражения от земли; Н — высота подъема антенны; Р — угол места, измеряемый от горизонтальной поверхности; X — длина волн в единицах, соответствующих единицам Я.
 [20]

Излучение антенной воли под большими углами к горизонту должно быть возможно меньшим; излучение надо концентрировать вдоль поверхности земли; характеристика направленности антенны в вертикальной плоскости должна быть узкой. Этот вопрос будет рассмотрен ниже; сейчас подчерк-тем только, что основная задача средневолновой антенны принципиально такая же, как и длинноволновой, — излучение поверхностной волны, электрическое поле которой вертикально относительно поверхности земли.
 [21]

В области приемных антенн на профессиональных приемных радиостанциях применяются, в целях борьбы с помехами, приемные антенны направленного действия: рамки, системы рамок, схемы гониометрического приема, позволяющие регулировать характеристику направленности антенны и исключать прием нежелательных сигналов.
 [22]

Направленное действие антенны оценивается с помощью характеристик ( диаграмм) направленности, представляющих математическую ( графическую) зависимость интенсивности излучения от направления в пространстве. Данное определение представляет характеристику направленности антенны по мощности. Часто пользуются характеристиками направленности по полю, определяемыми зависимостью амплитуды напряженности создаваемого антенной поля от направления.
 [24]

Теперь кпд находится путем интегрирования квадрата функции характеристики направленности. Совершенно ясно, что величина кнд определяется характеристиками направленности антенны, а последние в сильной степени зависят от размеров антенны.
 [25]

Характеристикой направленности антенны называется зависимость создаваемой ею напряженности поля в точках, находящихся на одинаковых от нее расстояниях, от углов ср и ф, характеризующих направление радиуса-вектора, соединяющего точку расположения антенны с точкой, в которой определяется напряженность поля. Полагая фдин из указанных углов постоянным, получают характеристику направленности антенны в той или иной плоскости, например, в горизонтальной или вертикальной. Характеристики направленности обычно изображаются в полярных координатах. Иногда же пользуются и прямоугольными координатами.
 [26]

Сигнал с антенны прослушивается наблюдателем. Направление на источник определяется по максимуму интенсивности принимаемого звука при вращении характеристики направленности антенны, осуществляемом посредством ме-хапич. В последнем случае антенна делится на две части и суммы напряжений от всех приемников каждой части подаются на два канала коррелометра. Максимум его показаний соответствует совпадению фазовой плоскости антенны с волновым фронтом сигнала.
 [27]

Изменение количества вибраторов антенны также влияет на параметры антенны. Увеличение вибраторов приводит к повышению коэффициента усиления и к снижению входного сопротивления антенны, при этом характеристика направленности антенны становится более узкой, сужается также полоса пропускания частот, что, в свою очередь, вызывает ухудшение четкости принимаемого изображения и ослабление сигналов звукового сопровождения. Поэтому при выборе антенны ставится цель получить наивысший коэффициент усиления при минимально необходимой полосе пропускания.
 [29]

Такая заземленная антенна-мачта нижнего питания, как показала опытная проверка, не отличается существенно по своим излучающим свойствам от антеин-мачт с опорным изолятором. Это объясняется тем, что токи питающего провода ФО м отрезка мачты 03 имеют разные фазы, благодаря чему создаваемые ими волны взаимно ослабляются. Характеристика направленности антенн в вертикальной плоскости приближается к характеристике направленности антенны-мачты, имеющей распределение тока, аналогичное распределению тока вдоль полуволнового вибратора.
 [30]

Страницы:  

   1

   2

   3




www.ngpedia.ru