No Image

Типы антенн и их характеристики

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
10 марта 2020

Антенны служат для преобразования радиоволн в переменный электрический ток и наоборот. Любая радиоантенна может работать как на прием, так и на передачу сигнала. Главные характеристики этих устройств описаны ниже.

Антенны проектируют и строят с учетом рабочего интервала частот — полосы пропускания. У одних конструкций она может быть шире, у других уже. Для телевидения, WiFi, мобильной связи, GPS выделяются разные радиодиапазоны.

Антенну называют направленной, если мощность ее излучения в одну из сторон существенно больше, чем в остальные. Для того, чтобы наглядно показать, как меняется мощность в зависимости от направления, строят диаграммы направленности.

Ненаправленные антенны одинаково действуют на все 360 градусов, их диаграмма имеет круговую форму. Радиоантенна с диаграммой направленности в форме сферы называется изотропной. Теоретически доказано, что построить ее невозможно. Тем не менее изотропный излучатель используют в качестве эталона для того, чтобы сравнивать радиоантенны и показывать, насколько хороша та или иная конфигурация.

Соотношение мощностей излучения исследуемой и эталонной радиоантенн характеризуется коэффициентом усиления. Реальные антенны всегда излучают в каком-то направлении меньше, в каком-то больше. Если не оговорено иное, то в характеристиках указывают пиковый коэффициент усиления.

Для коэффициента усиления принята логарифмическая единица измерения децибел (десятая часть бела). Чтобы посчитать соотношение двух мощностей в децибелах нужно подставить их в формулу L = 10*lg(P/Pi), где L – коэффициент усиления антенны, P – мощность ее излучения, Pi — мощность изотропного излучателя при тех же условиях.

Чтобы подчеркнуть сравнение с изотропным эталоном, такие децибелы обозначают как дБи. В технических характеристиках изделий принято обозначение дБ.

Перевести децибелы в «разы» можно по формуле G = P/Pi = 10**(L/10). Далее приведены некоторые значения (дБ — «раз»):

  • 3 децибела соответствует усилению в 2 раза;
  • 6 – 4;
  • 7 — 5;
  • 10 — 10;
  • 15 — 32;
  • 20 — 100;
  • 30 — 1000.

Если к конструкции радиоантенны добавлен электронный усилитель, ее называют активной. Производители указывают коэффициент усиления таких изделий с учетом усилителя. Электронные усилители производят шумы, которые могут искажать сигнал, поэтому не рекомендуется применять их без необходимости.

Если входное сопротивление антенны не соответствует волновому сопротивлению кабеля (фидера), по которому она подключается, применяют согласующие устройства. ТВ-кабели в подавляющем большинстве стран (включая РФ) имеют волновое сопротивление 75 Ом. Кабели для WiFi, GSM, 3G, 4G, радио, GPS выпускают с волновым сопротивлением 50 Ом.

Производители изготавливают антенны с входным сопротивлением, согласующимся с волновым сопротивлением кабеля.

Для большинства радиоантенн это половина длины волны. Но есть исключения. Например, в конструкцию параболических антенн входит отражатель («тарелка»), диаметр которого может намного превышать длину волны.

Размеры радиоантенн WiFi. GPS, GSM, смонтированных на печатных платах, напротив, бывают существенно меньше половины длины волны благодаря применению материалов с большой диэлектрической проницаемостью. Существуют антенные поля площадью в несколько гектаров и антенны, чей размер измеряется в миллиметрах.

ВИДЫ И ТИПЫ АНТЕНН

Известно множество конструкций радиоантенн. Наиболее удачные из них стали массовыми.

Самые простые и, возможно, самые распространенные — диполь и четвертьволновая антенна. Первый состоит из двух проводников длиной около четверти волны каждый; второй — из одного проводника длиной около четверти волны. Четвертьволновую антенну часто называют «штырем». Диполь и «штырь» — это узкополосные радиоантенны с коэффициентом усиления 2 — 5 дБ.

Штыревая антенна одинаково излучает/принимает сигнал во всех направлениях в плоскости, перпендикулярной своей оси. Вдоль оси излучение отсутствует. Такие радиоантенны используют, если взаимное положение передающего и принимающего устройств все время меняется. Поэтому «штыри» часто можно видеть на автомобилях, портативных радиоприемниках, рациях, WiFi-роутерах.

Простота конструкции способствует применению и в случае относительно неподвижных объектов: знаменитая комнатная телевизионная антенна «усы» — не что иное, как диполь. Для того, чтобы нивелировать недостатки, связанные с узкой полосой пропускания, «усы» делают телескопическими, и их можно подстраивать на нужную длину волны.

В качестве уличных ТВ-антенн часто можно увидеть «волновой канал» – узкополосную направленную радиоантенну с коэффициентом усиления 5 — 12 дБ (в зависимости от модификации). Она изобретена в 1926 году Синтаро Уда и Хидэцугу Яги из Имперского университета Тохоку (Япония). Яги запатентовал изобретение, и для антенны стали использовать второе название — Яги.

В конструкции используется один активный элемент (диполь), соединенный с линией передачи. Его размер сопоставим с половиной длины волны. На одной штанге с диполем крепятся пассивные элементы:

  • рефлектор (длиннее диполя);
  • директор (короче диполя).

Основной прием (передача) «волнового канала» идет в направлении директора. Директоров может быть несколько. Добавление каждого нового элемента повышает коэффициент усиления и уменьшает угол действия (повышает направленность).

Читайте также:  Сварог real arc 220 z243 отзывы

Альтернативой «волновому каналу» при приеме телевизионного сигнала служит логопериодическая антенна. Она внешне напоминает антенну Яги, но у нее другая конфигурация. Эта широкополосная радиоантенна с коэффициентом усиления 6 — 7 дБ изобретена в 1958 году Дуайтом Исбеллом и Раймондом Духамелем в Университете штата Иллинойс (США).

Логопериодическая антенна состоит из ряда активных элементов (диполей), расположенных в порядке убывания их длины. Добавление новых элементов увеличивает полосу пропускания. Пик диаграммы направленности находится со стороны более короткого диполя.

Что касается еще одной популярной конструкции — панельной антенны (патч), то она наиболее часто применяется для WiFi, GSM, 3G, 4G, GPS. Такая узкополосная направленная радиоантенна с коэффициентом усиления 5 — 10 дБ представляет собой прямоугольную (иногда эллиптическую) пластину и пластину-отражатель (экран), разделенные слоем диэлектрика.

Наибольшее распространение конструкция получила, начиная с 70-х годов 20-го века, когда панельные антенны стали массово применять на печатных платах. Длина стороны прямоугольной пластины патча сопоставима с половиной длины волны, если между пластиной и экраном находится воздух или другой материал со схожей диэлектрической проницаемостью.

Параболическую антенну можно получить из любой, поместив ее в фокус отражателя. «Тарелка» делает произвольную антенну узконаправленной, доводя коэффициент усиления до 30-40 дБ. В распоряжении ученых есть несколько гигантских отражателей с усилением 80 дБ, которые используются в составе радиотелескопов.

Полоса пропускания зависит от радиоантенны, помещенной в фокус. Спутниковая антенна — другое название, полученное из-за использования для приема спутникового ТВ.

Для того, чтобы сделать полосу пропускания шире или использовать в работе несколько диапазонов, изготавливают комбинированные конструкции — несколько в одной. Например, распространены наружные ТВ-антенны Яги для дециметровых волн, совмещенные с диполем для метровых волн.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ АНТЕНН

В мире существует довольно много технологий и стандартов, предусматривающих передачу информации с помощью радиоволн. Передатчик формирует сигнал в заданной полосе несущей частоты с закодированной на ней информацией Приемник декодирует полученные колебания с выделением полезной информации. Практически любая информация может быть подготовлена и передана при помощи радиоволн.

Для передачи и получения сигнала нужны антенны. Причем их характеристики должны соответствовать параметрам приемопередающей аппаратуры и решаемым задачам по обмену информацией.

Чтобы подобрать радиоантенну для приема эфирного телевидения или усиления сигнала WiFi-роутера, совершенно нет необходимости изучать тонкости стандартов. На радиочастотах выделены диапазоны, а на упаковках и в описаниях антенн есть ссылки на них. В списке приведены некоторые обозначения с указанием области использования и частот диапазона в РФ:

  • CB (свободное использование, рации) – 26.965 — 27.860 МГц;
  • VHF (метровые волны, радио и телевидение) – 48.5 – 230 МГц;
  • UHF (дециметровые волны, телевидение (в том числе цифровое)) – 470 – 862 МГц;
  • FM (радио) – 85.5 – 108 МГц;
  • LPD (свободное использование, рации) — 433 — 434 МГц;
  • PMR (свободное использование, рации) — 446 МГц;
  • GPS (спутниковая система навигации) – 1.58 ГГц;
  • ГЛОНАСС (спутниковая система навигации) — 1.60 ГГц;
  • GSM (мобильная сотовая связь) – 890 — 960 МГц, 1710 — 1880 МГц;
  • WiFi (беспроводные локальные сети) – 2.4 ГГц.

Полоса пропускания радиоантенны соответствует диапазону, указанному в ее паспорте. Что касается направленности, то изготовители, как правило, предлагают направленные модели, если ожидается стационарное положение приемника и передатчика.

Направленные антенны широко применяются при усилении сигнала сотовой связи, а штыревые в WiFi ретрансляторах. Комбинации этих типов применяются в GSM репитерах и системах беспроводной сигнализации.

Коэффициент усиления тем важнее, чем дальше разнесены источник и получатель информации. Но также следует обратить внимание на коэффициент усиления, если источник сигнала имеет малую мощность.

© 2014-2020 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Симметричный полуволновый вибратор (рис.1.7,а) применяется в УКВ диапазоне при необходимости иметь слабые направленности свойства. Диаграмма направленности вибратора в пространстве имеет вид тора. В горизонтальной плоскости вертикально расположенный вибратор направленными свойствами не обладает (рис.1.7, б). В вертикальной плоскости диаграмма направленности имеет симметричную форму (рис.1.7, в).

Рис.1.7. Симметричный полуволновый вибратор (а) и его диаграммы
направленности в горизонтальной (б) и вертикальной (в) плоскости

Заземленный четвертьволновой вибратор широко применяется во всех диапазонах волн при необходимости получения ненаправленного излучения. Диаграмму направленности вибратора можно найти, основываясь на принципе зеркального отражения. Роль отражающей поверхности играет поверхность земли или обшивка самолета.

При использовании принципа зеркального отражения рассмотрение заземленного четвертьволнового вибратора можно свести к случаю полуволнового вибратора, одна половина которого находиться в земле (рис.1.8).

Читайте также:  Как сделать потолок в квартире своими руками

Рис.1.8. Симметричный заземленный четвертьволновой вибратор (а)
и его диаграммы направленности в горизонтальной (б) и вертикальной (в) плоскости

Рамочная антенна используется в длинноволновом, средневолновом и коротковолновом диапазонах для получения направленного приема (рис.1.9). Использование рамочной антенны на воздушных судах объясняется ее относительно небольшими размерами при работе на длинных и средних волнах.

Конструктивно рамочная антенна выполняется в виде катушки, расположенной на ферритовом сердечнике. Используются антенны такого типа в радиокомпасах для определения направления на принимаемую радиостанцию (определение пеленга радиостанции).

Рис.1.9. Рамочная антенна (а) и ее диаграмма направленности
в горизонтальной плоскости (б)

Директорная антенна используется в диапазоне УКВ для получения однонаправленных приема или передачи (рис.1.10). В состав антенны входят:

– активный полуволновой симметричный вибратор с длиной l = l/2, служащий для излучения или приема энергии;

– рефлектор, расположен позади активного вибратора на расстоянии 0,25 l и имеет длину l > l/2, в результате чего он представляет собой колебательную систему индуктивного характера;

– директор, расположен спереди активного вибратора на расстоянии 0,25 l и имеет длину l

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Сдача сессии и защита диплома – страшная бессонница, которая потом кажется страшным сном. 8924 – | 7232 – или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

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, гдеL- 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:

· коэффициентом полезного действия;

· коэффициентом направленного действия;

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.

Читайте также:  Кухонные столешницы в интерьере

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.

Телевизионная комнатная антенна дециметрового диапазона в виде рамки.

· Симметричный вибратор (диполь) [14]

· Разрезной вибратор [15]

· Шунтовой вибратор [16]

· Петлевой вибратор («Петлевой вибратор Пистолькорса», шлейф-вибратор) [17]

· Диполь Надененко [18]

· Уголковая вибраторная антенна [19]

· Антенна «Inverted V» [20]

· «Коаксиальная» антенна [21]

· Несимметричный вибратор [23]

· Антенна «Ground Plane» [24]

· Укороченная штыревая антенна [25]

· Коллинеарная антенна [26]

· J-образная антенна [27] [28]

· Антенна зенитного излучения

· Диэлектрическая резонаторная антенна [29] [30]

· Вертикальная антенна верхнего питания

· Антенна Александерсена [31]

· Директорная антенна [32]

· Волновой канал (антенна Уда-Яги)

· Антенна СГД (синфазная горизонтальная диапазонная) [33]

· Щелевой вибратор [34]

· Пазовая антенна [35]

· Апертурная антенна [36]

· Открытый конец металлического волновода

· Прямофокусная зеркальная антенна

· Офсетная зеркальная антенна [37]

· Антенна Кассегрена [38]

· Антенна Грегори [39]

· Антенны со специальной формой диаграммы направленности

· Антенна с косекансной диаграммой направленности [40]

· Линза Ротмана [41]

· Антенна бегущей волны

· Спиральная антенна [42]

· Диэлектрическая стержневая антенна

· Антенна вытекающей волны

· V-образная антенна [43]

· Ромбическая антенна [44]

· Антенна Бевереджа [45]

· V-образная антенна (вертикальная) [46]

· λ-образная антенна [47]

· Антенны БС, БЕ и БИ [48]

· Слабонаправленные антенны диапазона СВЧ

· Полосковая антенна (патч-антенна)

· Микрополосковая печатная антенна [49]

· Антенна PIFA [50] [51]

· Сингулярная антенна [52]

· Антенны на принципе электродинамического подобия

· Излучатель типа «бабочка»

· Логопериодическая антенна [54]

· Вибраторная логопериодическая антенна

· Спиральная логопериодическая антенна

· Фрактальная антенна [55] [56] [57]

· Антенная решетка [58]

· Фазированная антенная решётка (ФАР)

· Цифровая ФАР [57] [59]

· Многолучевая антенная решетка

· Рамочная антенна [61]

· Двухрамочная антенна [62]

· Антенна Эдкока [63]

· Антенна Вулленвебера [64]

· Антенна с обработкой сигнала

· Антенна с синтезированной апертурой [65]

· Радиооптическая антенная решетка [66]

· Антенны с линейными размерами [67]

· Антенны для преобразования энергии электромагнитной волны в электрическую энергию и для средств RFID

· Ректенна = антенна + выпрямитель

· Наноантенна — антенна для резонансного преобразования излучения оптического диапазона в электрическую энергию [68] [69]

· Псевдо-антенны (антенны с мифическими техническими характеристиками)

· EH-антенна (шутливо называемая «НЕ-антенна» из-за ошибочного обоснования механизма работы) [70] [71]

способность направленного излучения и приема – это способность радиоволн концентрировать энергию излучения (приема) в пределах малых телесных углов за счет применения антенных устройств специальной конструкции. Направленные свойства антенны принято характеризовать функцией диаграммы направленности (ДНА) рис.3.

Рис. 3. Диаграмма направленности антенны

– способность радиоволн преломляться и отражаться рис.4.

Рис. 4. Отражение радиоволн

При прохождении границ физических сред радиоволны претерпевают отражение и преломление.

эффект Доплера (рис.5)

Если между источником радиоизлучения и приемником есть взаимное изменения расстояния то частота принимаемых колебаний будет отличаться от частоты излучаемых колебаний. Эту разницу называют доплеровским сдвигом частот, и он пропорционален радиальной составляющей скорости изменения расстояния, которая равна проекции вектора скорости на направление излучения.

(Изменение частоты (f) при движении ВС)

r(t)

Рис. 5. Эффект Доплера

Если = 0, то fпрм = fизл, при 0 fпрм ≠ fизл.

| следующая лекция ==>
Деление радиоволн на диапазоны. | Методы и режимы измерения дальности

Дата добавления: 2019-07-26 ; просмотров: 1601 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
Adblock detector