Типы антенн и их характеристики. Как выбрать антенну для телевизора: основные критерии и советы

Кирилл Сысоев

Мозолистые руки не знают скуки!

Содержание

Чтобы антенна для телевизора служила исправно и не вызывала сложностей в работе на даче или в квартире, нужно правильно подобрать внутренний (комнатный) или уличный цифровой прибор. Выделяют несколько критериев при покупке телеантенны – стойкость приема сигнала, усиление, активность. Ознакомьтесь с известными производителями приборов, секретами выбора и установки.

Виды антенн для телевизора

В России различный уровень сигнала телевизионных волн, поэтому домашние антенны отличаются высокой чувствительностью, которая обеспечивает прием почти в любых условиях. Выделяют параболические, комнатные и наружные антенны, которые делятся на еще несколько категорий. Чтобы получать телевизионную волну без помех, нужен индивидуальный подбор типа и мощности.

Спутниковые

Параболические телевизионные антенны пользуются популярностью. Их отличает стабильность работы, высокое качество получения сигнала и увеличенное количество каналов. Оборудование данного вида состоит из приемника, ресивера для декодировки, принимает волны со спутника, поэтому четкость изображения зависит от расположения агрегата и телевизора.

Прямофокусные

У этого вида облучатель конвертера «смотрит» ниже горизонта, что защищает приемник сигнала от негативного атмосферного воздействия:

• название модели: MULTI Toroidal;
• цена: 1100 р.;
• характеристики: диаметр – 100 см, принятие с 16 спутников;
• плюсы: простота добавки каналов;
• минусы: качество получения различается.

В небольшом доме или на даче пригодится 60-сантиметровая спутниковая тарелка, которая стоит чуть дороже первой:

• название модели: Triax TD-064;
• цена: 1300 р.;
• характеристики: 60 см;
• плюсы: стойкость к осадкам, коррозии;
• минусы: стоимость спутниковых телевизионных каналов высока.

Тем, кто не хочет заморачиваться со сложной конструкцией, подойдет готовый комплект спутникового телевидения:

• название модели: НТВ+;
• цена: 7050 р.;
• характеристики: интерактивная приставка, библиотека фильмов;
• плюсы: декодирование;
• минусы: могут быть помехи.

Офсетные

Преимуществом использования офсетных антенн считается больший угол обзора и улучшенное качество изображения:

• название модели: Супрал;
• цена: 1400 р.;
• характеристики: 80 см;
• плюсы: антикоррозийное покрытие, настенный кронштейн;
• минусы: нет.

Чуть большим диаметром отличается следующий подтип, который подойдет для принятия любых волн:

• название модели: Universal;
• цена: 1200 р.;
• характеристики: 90 см, алюминиевый сплав;
• плюсы: совместимость с разными гнездами телевизора;
• минусы: нет крепления.

Третьим вариантом офсетной антенны станет комплект спутникового телевидения по доступной стоимости:

• название модели: D-Color DCA-101;
• цена: 253 р.;
• характеристики: размеры 30*20 см;
• плюсы: компактность, питание усилителя от приставки, мало шума;
• минусы: нет.

Уличные антенны для телевизора

Если покупатель живет вдали от передатчиков тв-сигнала, то усилить прием помогут элементы наружного типа. Уличные варианты принимают телеволны до 60 км от передатчика. Для правильного подбора нужно знать расстояние до ближайшей вышки, выяснить необходимость в усилении волны. Чтобы добиться качественной картинки, ставить агрегат рекомендуется в максимально высокой точке над домом.

Активные

Комплектуется активная антенна для ТВ специальным усиливающим прибором мощности. Это помогает повысить четкость картинки телевизора при далеко расположенной телевышке:

• название модели: Funke ABM 3553;
• цена: 2300 р.;
• характеристики: 75 Ом, размер 1,38 м;
• плюсы: работает в сложных условиях приема, сделана из анодированного алюминия;
• минусы: большие размеры, нет кабеля и блока питания.

Более доступной антенной является следующая, отличающаяся особенностями конструкции:

• название модели: Cadena AV;
• цена: 1550 р.;
• характеристики: получение DVB-T/DVB-T 2;
• плюсы: есть кронштейн;
• минусы: питание через адаптер.

Еще одним популярным доступным бюджетным вариантом станет следующий агрегат дальнего действия:

• название модели: Rexant ABM 3529;
• цена: 2064 р.;
• характеристики: 68 см;
• плюсы: есть защита от коррозии и ультрафиолета;

Пассивные

При отсутствии препятствий могут использоваться пассивные приборы к телевизору, которые стоят дешево и не нуждаются в усиливающей технике:

• название модели: GELLAN FULLBAND-15;
• цена: 1264 р.;
• характеристики: до 2700 МГц, 50 Ом, параметры – 240*240*40 мм, условия эксплуатации – настенная;
• плюсы: вертикальная поляризация;
• минусы: улучшает сигнал при расстоянии до 10 км.

Вторым популярным брендом является голландский Funke, который стоит дорого, но оправдывает параметрами:

• название модели: Funke BM 4527;
• цена: 1413 р.;
• характеристики: 75 Ом, 685 мм;
• плюсы: анодированный алюминий;
• минусы: нет кабеля и блока питания.

Третьей по популярности среди покупателей телевизоров является антенна Локус, которая доступна по стоимости, в продаже со скидками:

• название модели: Locus L 021.12;
• цена: 1300 р.;
• характеристики: радиус действия 55 км, 1,31 кг, 1,4х2 м;
• плюсы: простота сборки;
• минусы: нет провода.

Стержневые

Традиционная антенна для телевизора имеет стержневую систему, состоящую из металлических полувибраторов:

• название модели: Jablotron AN-05 GSM;
• цена: 1428 р.;
• характеристики: частота 900-1800 МГц, длина кабеля – 3 м;
• плюсы: магнитное основание;
• минусы: могут быть помехи.

Более дорогой и качественный - товар другого производителя, выпускающего дипольные устройства к телевизорам:

• название модели: ETS-LINDGREN;
• цена: 3144 р.;
• характеристики: 80 МГЦ-2 ГГц, параметры – 210х170х9 см;
• плюсы: индивидуальная калибровка, высокий коэффициент усиления;
• минусы: масса 4,5 кг.

Самым дорогим устройством в подборке считается выпущенное производителем по военным стандартам:

• название модели: Narda RA-01;
• цена: 5000 р.;
• характеристики: 9 кГц-30 МГц, вес – 1,5 кг, размеры – 150х135х120 мм;
• плюсы: индивидуальная;
• минусы: слишком дорогая.

Рамочные

Этот подтип представлен одним или несколькими витками проводов, соединенных в одну рамку, в плоскости которой находится максимальная интенсивность дециметрового диапазона частот:

• название модели: Garmin 220;
• цена: 1490 р.;
• характеристики: компактная;
• плюсы: принимает любые программы;
• минусы: необходима доставка.

Простым устройством является следующее, которое представляет собой рамочную обмотку магнитно-генерирующего типа:

• название модели: EMCO 7603;
• цена: 1000 р.;
• характеристики: 20 Гц-50 кГц, 16 витков, диаметр – 12, высота – 8 см;
• плюсы: индивидуальная калибровка, линейная поляризация, вес – 0,5 кг
• минусы: не обнаружено.

Рамочная антенна для телевизора производителя A.H.Systems – более доступная по стоимости, отличается простотой работы:

• название модели: A.H.SYSTEMS SAS;
• цена: 700 р.;
• характеристики: 1 кГц-30 МГц, 50 Ом;
• плюсы: вес 1 кг, повышенная прочность конструкции, сетевой адаптер и предусилитель в комплекте;
• минусы: принцип работы от батареи.

Комнатные

Если сигнал из телецентра высококачественный, подойдет внутреннее улавливающее устройство, которое по способу установки удобнее наружного. Такие варианты стоят дешево, подходят к любому гнезду телевизора, транспортабельны. Из минусов – сложность настройки изображения. Выделяют аналоговые, всеволновые, широкополосные и узкополосные разновидности.

Цифровая

Для получения цифрового изображения используется этот подтип. С его помощью можно добиться высококачественной картинки:

• название модели: Funke Margon Home 2.0;
• цена: 1450 р.;
• характеристики: 170-240 МГц;
• плюсы: 3,5 м шнур для помещений;
• минусы: не оснащена уличным кабелем.

Следующая антенна для телевизора более доступна по стоимости, ее можно заказать по почте по акции:

• название модели: BBK DA 19;
• цена: 843 р.;
• характеристики: получение HDTV-стандартов эфирного ТВ;
• плюсы: мало шума;
• минусы: не обнаружено.

Всеволновая

Из наименования следует, что устройства принимают все виды частот (дециметровые, метровые), их называют универсальными:

• название модели: польская антенна Дельта К331А.02;
• цена: 1092 р.;
• характеристики: габариты 280*680*120 мм;
• плюсы: принятие любых ТВ-программ;
• минусы: незначительные помехи.

Популярен отечественный производитель, продукцию отличает выгодная стоимость и бесплатная доставка при заказе от 3000 рублей:

• название модели: SPI 918;
• цена: 399 р.;
• характеристики: 75 Ом;
• плюсы: компактные размеры;
• минусы: нет.

Широкополосная

Веерный, или широкополосный подтип устанавливается на дачных участках, находящихся вдалеке от передатчика:

• название модели: Рэмо Bas 5340 TV JET ANT-USB Horizon;
• цена: 580 р.;
• характеристики: логопериодическая;
• плюсы: питание от USB или ресивера;
• минусы: работает только в зоне устойчивого получения.

Вариантом, устанавливаемым на потолке, можно существенно усилить прием на любых телевизионных волнах:

• название модели: AO-700/2700-4;
• цена: 599 р.;
• характеристики: вес 300 г, размеры 185*100 мм;
• плюсы: купольная;
• минусы: нет провода.

Узкополосная

Этим термином обозначаются узконаправленные варианты для телевизоров, улавливающие определенную частоту, что сокращает помехи:

• название модели: Romsat AV-2845;
• цена: 600 р.;
• характеристики: длина провода 14 м, телескопическая, материал – алюминий;
• плюсы: не боится «зимовки» на даче;
• минусы: размер 1035 мм.

Более дешевое устройство - простая конструкция отечественного бренда, сделанная из пластика, улавливающая каналов поменьше:

• название модели: Vector-PL-1 K;
• цена: 450 р. на распродаже;
• характеристики: 5-128 В, 75 Ом;
• плюсы: провод 3 м;
• минусы: пластик, небольшое расстояние от вышки.

С усилителем

Комнатные антенны с усилителем для телевизора помогут смотреть передачи с четкой картинкой и ярким изображением:

• название модели: Delta Satellite в формате dvb-t2 DS 1000;
• цена: 1800 р.;
• характеристики: устойчивость к воздействию солнца, установка на мачте;
• плюсы: встроенный усилитель слабого сигнала, ловит - до 80 км;
• минусы: не найдено.

В два раза дешевле обойдется следующее сооружение для телевизора, принимающее цифровые и аналоговые телевизионные кодировки:

• название модели: Selenga 101 A;
• цена: 843 р.;
• характеристики: длина кабеля 1,2 м;
• плюсы: компактность, вес 300 г;
• минусы: пластиковый корпус.

Как выбрать антенну для телевизора

От того, куда устанавливается конструкция, зависит выбор. Удаленному месту установки подойдут уличные с усилителем, городским квартирам – узкополосные, активные комнатные, автомобилям – рамочные. В деревнях и на дачах лучше устанавливать параболические тарелки. Выбор зависит от критериев удаленности, ценового диапазона, усилительного коэффициента.

Для автомобиля

Для качественного приема ТВ, радио, навигатора требуется комбинированный GPS или GSM автомобильный агрегат. Параболический будет принимать все программы, но обойдется дорого. Внутрисалонные активные всеволновые сооружения снабжены усилителем, наружные – пассивные, нуждаются в удлинительном шнуре. Из недостатков последних отмечают нестойкость к коррозии.

Для дачи

Чтобы смотреть телевизор на даче, лучше купить активную конструкцию и установить ее максимально высоко. В комплекте должен быть усилительный элемент и адаптер, к зарядке потребуется приобрести коаксиальный провод. Внешний тип должен стоять на крыше. Если телевышка недалеко, подойдет внутреннее устройство. Чтобы прослушивать радио, приобретите широкополосное.

Домашнюю

В городской квартире или загородном доме на телевизор проще устанавливать комнатный агрегат, если до ретранслятора не более 30 км. В противном случае придется ставить наружную (активную или пассивную) или цифровую с тюнером. Комнатную лучше выбрать стержневую (метровые) или рамочную (дециметровые сигналы): она мобильна, меньше весит, легко подключается.

Разрезной вибратор (диполь )

Диполи бывают: волновые, полуволновые, четвертьволновые.
Волновые имеют длину вибраторов, равную длине волны принимаемого сигнала, полуволновые - половине, четвертьволновые - четверти. Волновое сопротивление диполя составляет 300 Ом, поэтому для согласования с телевизионным кабелем и телевизором в любительских условиях используется согласующая полуволновая петля, изготовленная из отрезка телевизионного кабеля. Кабель снижения (для всех телеантенн) должен иметь волновое сопротивление 75 Ом. Диполь является аналогом комнатной антенны, прилагающейся к телевизорам.
Общеизвестные антенны: Локус, Дельта и им подобные, в метровом диапазоне являются разрезным диполем, который согласуется с кабелем с помощью специального трансформатора.
Свойства антенны - широкополосная. Коэффициент усиления - 1 дБ. Диаграмма направленности имеет одинаковые по размерам передние и задние лепестки, поэтому она с равным успехом "ловит" радиоволны в рабочей полосе со всех направлений, полезный сигнал и помехи. Наклон вибраторов незначительно сказывается на коэффициенте усиления и диаграмме направленности антенны.

Комбинированная антенна: метровая - разрезной диполь, дециметровая - логопериодическая

Петлевой вибратор - одноканальная антенна.

Коэффициент усиления - 1 дБ. Диаграмма направленности с одинаковыми передним и задним лепестками. Используется в качестве эталонной антенны.

Антенны типа "волновой канал"

Антенна Lumax "Волновой канал", 6-12 телеканал

Антенны типа "Волновой канал" получили широкое распространение в различных профессиональных устройствах радиосвязи и радиолокации. Большинство телевизионных коллективных и индивидуальных антенн промышленного изготовления также являются антеннами типа "Волновой канал". Это связано с тем, что такие антенны достаточно компактны и обеспечивают получение большого коэффициента усиления при сравнительно небольших габаритах.

Логопериодические антенны

Логопериодические антенны - широкополосные антенны, обеспечивающие приём телеканалов в широком диапазоне частот: метровых и дециметровых волн. Рабочая полоса частот логопериодической антенны на низких частотах ограничена размерами наибольшего и наименьшего вибраторов антенны. В рабочем диапазоне обеспечивается хорошее согласование антенны с фидером, а коэффициент усиления практически остается постоянным. Логопериодическая антенна с числом вибраторов, равным 10-11, эквивалентна по коэффициенту усиления трёх - четырёхэлементной антенне типа "Волновой канал". В то же время логопериодическая антенна работает в значительно более широкой полосе частот, чем антенна типа "Волновой канал", что позволяет на одну антенну принимать телеканалы метровых и дециметровых волн.
Подключение фидера к ЛПА производится без специального симметрирующего и согласующего устройства. Кабель с волновым сопротивлением 75 Ом вводится внутрь нижней трубы с конца и выходит у конца, который направлен на телецентр, здесь оплетка кабеля соединяется с концом нижней трубы, а центральная жила - с концом верхней трубы.
Принцип работы: в зависимости от длины волны принимаемого сигнала в структуре антенны возбуждаются несколько вибраторов, размеры которых наиболее близки к половине длины волны сигнала, что по принципу действия напоминает несколько антенн "Волновой канал", соединенных вместе, каждая из которых содержит вибратор, рефлектор и директор. На данной длине волны сигнала возбуждается только одна тройка вибраторов, а остальные настолько расстроены, что не оказывают влияния на работу антенны. Это приводит к тому, что коэффициент усиления ЛПА оказывается меньше, чем коэффициент усиления антенны "Волновой канал" с таким же числом элементов, но зато полоса пропускания получается значительно шире. По аналогии с усилителями, "площадь усиления антенны": произведение (КУ) на ширину (ПП) величина постоянная, поэтому, чем шире полоса пропускания, тем меньше коэффициент усиления при данных габаритах антенны.

Логопериодическую антенну используют в зоне уверенного приёма телеканалов, для приёма большого числа телеканалов в благоприятных условиях приёма (отсутствия помех и отражённых телесигналов).

Рамочные антенны

Рамочные антенны предназначены для условий приёма телеканалов, когда простейшие антенны или антенны типа "волновой канал" не могут обеспечить получение на экране телевизора удовлетворительного качества изображения. Применяются двух- или трёх элементные рамочные антенну, которые иначе именуется как "двойной квадрат" или "тройной квадрат" соответственно. Рамочные антенны сочетают повышенный коэффициент усиления с простотой конструкции при сравнительно узкой полосе пропускания и не требуют настройки. Практическое применение в качестве телевизионных приёмных антенн находят редко. Широко были распространены (самодельные варианты) в "советское время", когда в продаже наблюдался дефицит телевизионных антенн .
"Двойной квадрат" Одноканальная. Коэффициент усиления - 9-11 дБ. Волновое сопротивление около 70 Ом. Передний лепесток диаграммы направленности значительно больше заднего.
"Тройной квадрат" Одноканальная . Коэффициент усиления - 14-15 дБ. Волновое сопротивление около 70 Ом. Передний лепесток диаграммы направленности значительно больше заднего.

Синфазные антенные решётки

Синфазная антенная решётка представляет собой сложную направленную антенную систему, состоящую из отдельных слабонаправленных антенн, разнесённых в пространстве и расположенных таким образом, что фазы наведенных в них сигналов оказываются одинаковыми. Как правило, синфазная решётка собирается из одинаковых антенн, расположенных в несколько рядов и несколько этажей. Использование вместо одной антенны нескольких антенн, соединённых в синфазную решётку приводит к сужению диаграммы направленности и увеличению коэффициента усиления по сравнению с коэффициентом усиления одиночной антенны, входящей в состав решётки.
Одноканальная . Коэффициент усиления - увеличивается в пределах от 4 до 5 дБ при увеличении количества антенн в решётке в два раза. Волновое сопротивление примерно 70 Ом. Передний лепесток диаграммы направленности в несколько раз больше заднего.

"Польские" антенны

Представляют собой четырёхэтажную синфазную решётку, снабжённую встроенным усилителем. Имеют рефлектор в виде решётки, расположенный сзади антенны. Польские антенны получили широкое распространение в начале 90-х годов, когда рынок антенн большим разнообразием не отличался. Собственно это была не польская идея, разработки были у Philips и других известных фирм, поляки сделали дешёвый, доступный вариант. Решетка комплектуется встроенным антенным усилителем и показывает неплохие результаты приёма удалённых телесигналов с 6 по 69 телеканал. В силу своей дешевизны, конструкция антенны очень хрупкая и недолговечная, а длинные усы метрового диапазона моментально загибаются под весом птичек или воздействием ветра и теряют свои приёмные свойства. Усилители не защищены от электростатического электричества и часто "вылетают" во время грозы. Антенна плохо защищена от помех, а часто "возбуждающийся" усилитель сам является источником помех. Антенна не пригодна к использованию в городских условиях.
Всеволновая. Коэффициент усиления - собственный на ДМВ 13-14 дБ, с усилителем до 40 дБ. Волновое сопротивление - 75 Ом с согласующим трансформатором.

Антенны бегущей волны

Антеннами бегущей волны принято называть направленные антенны, вдоль геометрической оси которых распространяется бегущая волна принимаемого сигнала, это апериодические антенны. Обычно антенна бегущей волны состоит из собирательной линии, к которой подключено несколько вибраторов, расположенных на одинаковом расстоянии один от другого. Наведенные электромагнитным полем ЭДС в вибраторах складываются в собирательной линии в фазе и поступают в фидер. Коэффициент усиления антенны бегущей волны определяется длиной собирательной линии и пропорционален отношению этой длины к длине волны принимаемого сигнала. Кроме того, коэффициент усиления антенны зависит от направленных свойств вибраторов, подключенных к собирательной линии. У антенны бегущей волны все вибраторы активные, принятая ими энергия сигнала передается в собирательную линию. Если антенны "Волновой канал" являются узкополосными и способны эффективно принимать сигнал только по одному определенному частотному каналу, которому соответствуют их размеры, то антенны бегущей волны широкополосные и совершенно не нуждаются в настройке.

Комбинированная антенна: метровая, бегущей волны, дециметровая, "волновой" канал фирмы Channel Master, USA. Радиус приёма до 60 миль

Комбинированная антенна: метровая, бегущей волны, дециметровая, "волновой" канал фирмы Channel Master, USA. Радиус приёма до 100 миль

Как видно на картинках: в первом случае рабочая полоса антенны формируется наклонными вибраторами различной длины, во втором случае рабочая полоса формируется с помощью вибраторов двух видов и разных размеров. Данные антенны не получили широкого распространения на территории России, однако эти антенны, без преувеличения - мечта монтажника. Условия работы монтажников на крыше - не подарок: снег и ветер, мороз и гололёд, дождь и палящее солнце. Собирать антенны в таких условиях не просто, а Channel Master достаёшь из коробки, расправляешь вибраторы до фиксации их в специальных зажимах и антенна готова к установке. По цене эти антенны соизмеримы с трёхдиапазонными антеннами, механически прочны и обладают неплохими приёмными характеристиками. Выпускается два вида антенн с разным количеством вибраторов.

На рис.3.2. показаны диаграммы направленности симметричных вибраторов с разным соотношением L/l. Указанные фигуры представляют собой диаграммы направленности в плоскости, проходящей через ось вибратора. Пространственные диаграммы направленности представляют собой поверхности тел вращения, образуемых при вращении каждой кривой вокруг оси вибратора.

Рассмотрение рис.3.2. показывает, что пока полная длина вибратора (2L) не превосходит длины волны (или точнее 1,25l), максимум диаграммы излучения получается в направлениях, перпендикулярных оси вибратора. При 2L<=l в диаграммах отсутствуют боковые лепестки. Когда L становится большим, чем l, в диаграмме появляются боковые лепестки, а уже при 2L=3/2l направления максимума диаграммы излучения получаются не в направлениях, перпендикулярных к оси вибратора, а под углом к ней, примерно равным 400. При значительном увеличении отношения l/L максимум диаграммы прижимается к оси провода. Излучение вдоль оси вибраторов отсутствует при любых длинах.На практике часто используются антенны, состоящие из большого числа идентичных вибраторов - многовибраторные антенны. Многовибраторная антенна представляет собой так называемую решетку излучателей. Решетки же из вибраторов (многоэтажная синфазная антенна и антенна волновой канал) являются достаточно простыми.

Антенна волновой канал.

Антенна типа волновой канал представляет собой систему вибраторов, имеющих длину, близкую к половине длины волны, и расположенных перпендикулярно прямой линии, вдоль которой происходит излучение. Активным в антенне является только один вибратор, а остальные вибраторы - пассивные (рис.3.3.).

Первый вибратор пассивный называется рефлектором, за ним располагается активный вибратор, а затем вновь пассивные вибраторы - директоры. Антенна волновой канал излучает в направлении директоров и имеет диаграмму направленности близкую к игольчатой. Число директоров можно определить по заданному КНД антенны, используя приближенное соотношение:D=5N, где N - число директоров.

Методы расчета волнового канала позволяют получить лишь ориентировочные результаты, которые затем уточняются экспериментально.

Несимметричный вибратор.

Если вибратор расположен на расстоянии H от идеально проводящей плоскости, то в соответствии с принципом зеркальных изображений он эквивалентен двум вибраторам, расположенным на расстоянии 2H, причем вторым вибратором является зеркальное изображение первого. Если вибратор параллелен плоскости, над которой он расположен, то его изображение противофазно, если же перпендикулярен - синфазно. Указанное обстоятельство позволяет использовать только одно плечо симметричного вибратора, устанавливая его непосредственно у идеально проводящей плоскости перпендикулярно к ней. Выполненная таким образом вибраторная антенна называется несимметричным вибратором, причем ее параметры можно легко определить. Однако том случае, когда плоскость, над которой расположен вибратор, имеет конечную проводимость, расчет параметров антенны весьма сложен.

Для улучшения к.п.д. несимметричных вибраторов и уменьшения влияния свойств земли на его параметры делают заземление антенны или противовес. Заземление антенны представляет собой систему проводников, которую зарывают на некоторую, обычно не очень большую, глубину в землю. Противовес же является системой проводников, расположенных на некоторой высоте над землей. Размеры площади, охватываемой заземлением антенны (впротивовесом), должны быть достаточно большими (больше длины волны), а расстояние между проводниками следует брать небольшим (меньше четверти длины волны).

Характеристики вибратора в режиме 1/4l

Этот тип антенн представляет собой вибратор, у которого длина плеча равна четверти длины волны. У такого вибратора пучность тока находится точно у зажимов, а напряжение на них оказывается равным нулю. Входное сопротивление вибратора чисто активное, а реактивное сопротивление равно нулю. В виду отсутствия реактивной составляющей к.п.д. такой антенны будет максимальным. Вибратор ведет себя как последовательный резонансный контур с RA=73 Ом. Такой режим называют режимом работы на собственной (резонансной) волне. Иначе говоря, собственной волной антенны называют наибольшую длину волны, при которой реактивное сопротивление равно нулю.

Коэффициент направленного действия равен 1,641 и диаграмма направленности этого вида антенн имеет двухлепестковый характер с максимумами в направлении 900 и 2700 (см.рис.3.2.). Такие вибраторы применяются при проектировании узкополосных антенн в виду того, что значительно упрощается процедура согласования с фидерным трактом (выходом передатчика).

Характеристики вибратора в режиме L=5/8l

При длине плеча вибратора L=5/8l, диаграмма направленности несимметричного вибратора имеет один главный лепесток в направлении, перпендикулярном оси вибратора и два небольших боковых лепестка (рис.3.2.). Несмотря на наличие боковых лепестков направленность излучения в направлении, перпендикулярном оси вибратора, получается максимальной.

Это значит, что коэффициент усиления такой антенны будет максимальным. Реактивное сопротивление вибратора носит чисто емкостной характер и является относительно большим.

Одним из эффективных путей реализации антенны вертикальной поляризации с высокой направленностью состоит в том, чтобы формировать линейную антенную решетку, в которой комбинируется несколько синфазных коллинеарных излучающих элементов. Настройка антенн коллинеарного типа нуждается в точном расчете. На рис.3.5. изображены типичные конструкции коллинеарных антенн с графическим пояснением принципов их работы. В антенне на рис.3.4.а между полуволновыми излучающими элементами для обеспечения синфазного питания включены катушки индуктивности. Этот тип антенны называется нагруженной антенной и часто используется как автомобильная антенна.

Антенны, показанные на рис.3.4.б, в обычно известны как коаксиальные коллинеарные антенны. Этот вид антенн используются как антенны для автомобиля, так и антенны базовых станций. Синфазность питания этих антенн зависит от длины излучающих элементов и расстояния между ними, потому эти антенны узкополосные.Коллинеарные антенны имеют относительно большое усиление. Строятся они таким образом, чтобы, несмотря на большую длину антенн, исключить участки ее с токами противоположного направления. На рис.3.5. показаны варианты реализации антенны Маркони-Франклина.

Катушки на рис.3.4.а и участки линий на рис.3.4.б имеют электрическую длину полволны; в этих катушках и участках токи имеют противоположное направление, но они не излучают. На остальных излучающих участках антенны токи синфазны. Рис.3.6. поясняет конструкцию и принцип работы антенны из отрезков коаксиальной линии с перекрещиванием (рис.3.5.).

Внешние и внутренние проводники полуволновых отрезков соединены перекрестно. Внутренний проводник и внутренняя поверхность трубы служат линией питания, к которой в точках "а" и "б" подключаются излучающие вибраторы в виде внешних поверхностей трубы 1 и 2 или 3 и 4. У основания эта антенна должна питаться симметрично, иначе половина вибраторов получит потенциал земли, и не будет излучать. На рис.3.6. показан вариант такого вида антенны, отличающийся большей технологичностью в производстве.

Все современные коллинеарные антенны, как правило, заключеаются в диэлектрический (обычно стеклопластиковый) корпус, защищающий от климатических воздействий являющийся опорной конструкцией.

У антенн, запитываемых с одного конца, каковыми являются все рассмотренные выше коллинеарные антенны, ток, по мере приближения к другому концу антенны, спадает из-за затухания, обусловленного излучением, особенно у антенн с относительно большими поперечными сечениями. Это приводит к расширению основного лепестка, уменьшению боковых лепестков и КНД. Эти антенны узкополосны, поскольку правильная фазировка их элементов определяется соотношением длины волны и размеров частей антенны.Применение таких антенн в качестве стационарных для базовых станций в отличие от антенных решеток имеет ряд преимуществ. Такие антенны легко монтируются в виду небольших массогабаритных характеристик, имеют довольно высокий коэффициент усиления и равномерную круговую диаграмму направленности.В качестве антенны подвижного средства могут также применяться коллинеарные антенны особенно для высокочастотных диапазонов 800…900 МГц.

Антенна, показанная на рис.3.7., представляет собой антенну Маркони-Франклина с малым числом секций и одной фазирующей катушкой. Катушка используется и в части механических свойств - придает антенне гибкость, желательную для антенн подвижных средств.

Входное сопротивление антенны оказывается чисто активным лишь при работе на резонансных волнах. Если антенна возбуждается на других волнах, то для подведения к антенне максимальной мощности передатчика необходимо произвести настройку антенны, осуществляя согласование. Т.е. скомпенсировать реактивную составляющую входного сопротивления. В режиме удлинения, характерном для этого типа антенн, для компенсации реактивной составляющей обычно используют катушку индуктивности, которая как бы удлиняет вибратор (рис.3.8).

Индуктивность полностью включенной катушки должна быть такой, чтобы ее сопротивление скомпенсировало емкостное сопротивление антенны.

Укороченные антенны (антенны в режиме удлинения) находят широкое применение как антенны, устанавливаемые на подвижных объектах (автомобиль, самолет и т.д.). Это вызвано тем, что такие антенны легко маскируются, противостоят значительным ветровым нагрузкам и удобны в эксплуатации. Но на длинах волн, не кратных 0,25l, возрастает реактивная составляющая входного сопротивления антенны, что приводит к усложнению настройки антенны. При длине плеча L=5/8l достигается максимальная характеристика направленности антенны, но входное сопротивление имеет сильную емкостную составляющую, для компенсации которой и ставят катушку согласования.

Конструктивные особенности антенн для автомобиля и стационарных антенн.

Основные требования, предъявляемые к конструкции антенн для автомобиля - компактность и устойчивость работы в сложных условиях эксплуатации на транспортном средстве. При использовании в системах специальной подвижной связи в ряде случаев добавляется требование скрытности размещения. По этим причинам в составе радиостанций подвижных объектов применяются одновходовые антенны, имеющие малые габариты и простую конструкцию. Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяют несимметричные вертикальные вибраторы, устанавливаемые на крыше автомобиля и использующие ее в качестве противовеса.

В качестве антенн подвижных объектов могут также применяться и более эффективные коллинеарные антенны, обеспечивающие более высокий КНД. Однако при этом увеличивается вертикальный габарит автомобиля, усложняется и удорожается конструкция самой антенны, возрастают ветровые нагрузки от набегающего потока воздуха при движении. Кроме того, при использовании коллинеарной антенны, вследствие значительного ее вертикального размера, затрудняется обеспечение скрытности.

Несимметричный вертикальный вибратор представляет собой трубку, нижняя точка которого есть точка питания вибратора.

По способу установки излучателя на крыше кузова автомобиля есть два варианта исполнения: с закреплением излучателя посредством болтов или винтов и с фиксацией положения излучателя посредством постоянного магнита, размещенного на основании. Первый вариант крепления антенны для автомобиля обеспечивает наиболее надежную фиксацию излучателя. Однако он предполагает наличие отверстий в крыше кузова не допускает изменение положения излучателя. Второй вариант позволяет оперативно изменять положение излучателя или вовсе снимать его с крыши. Постоянный магнит помещен в тороидальный магнитопровод, который является проводником и одновременно служит основанием ("землей" для согласующей схемы). По высокой частоте электрическая связь основания с крышей обеспечивается через болты и через емкость между основанием и крышей, а при использовании магнитного основания - только через эту емкость. Для используемых частот ее величина достаточно высока.

Основными электрическими характеристиками антенн для автомобиля являются коэффициент усиления, характер диаграммы направленности, уровень согласования и ширина полосы согласования. Допустимая входная мощность в данном случае не является критичным параметром, поскольку мощности передатчиков на подвижных объектах обычно невелики.

Размещение излучателя антенны в целях скрытия или по эстетическим соображениям, вблизи от металлических поверхностей кузова, в углублениях (например, фар) и т.п. приводит к уменьшению сопротивления излучения, следовательно, к ухудшению согласования, сокращению рабочей полосы частот; кроме того, искажается диаграмма направленности антенно-фидерного устройства. В этом смысле размещение вертикально поляризованной антенны, например, вертикального штыря, на крыше автомобиля является оптимальным. При смещении такой антенны от центра крыши к краю входное сопротивление антенны, а следовательно, ее согласование с фидером, будет изменяться относительно мало, поскольку оно определяется преимущественно ближними реактивными полями, ограниченными относительно небольшими расстояниями от антенны, т.е. небольшим участком крыши. Но этого нельзя сказать о диаграмме направленности. Представив крышу металлическим листом ограниченных размеров, получим диаграммы направленности, примерно соответствующие показанным на рис.3.9 - 3.11.

При размещении вертикального вибратора в центре листа размеров три длины волны получим приподнятую и симметричную диаграмму направленности в вертикальной плоскости (рис.3.10.).

При смещении вибратора к краю листа (рис.3.11.) диаграмма направленности в вертикальной плоскости становится несимметричной: с той стороны, где вибратор ближе к краю, диаграмма направленности приподнята больше.

Азимутальные диаграммы направленности при круговом листе будут ненаправленными, при прямоугольном - близки к ненаправленным. На рис.3.11. приведен для этого случая примерный вид азимутальной диаграммы направленности под углом 300 к горизонту - она уже существенно отличается от ненаправленной. Очевидно, что оптимальным местом размещения антенны является середина крыши автомобиля.

При размещении антенно-фидерных устройств на стационарных объектах должно соблюдаться территориальное разнесение передающих и приемных антенн, обусловленное требованиями электромагнитной совместимости, рационального и эффективного использования радиооборудования, антенно-фидерных устройств и площади, на которой предстоит размещать антенны.

Взаимное влияние между антеннами может проявляться в боковом отклонении главного лепестка горизонтальной диаграммы направленности, в увеличении уровня ее боковых лепестков и угла отжатия от земли максимума вертикальной диаграммы. Для предотвращения подобного рода нежелательных явлений необходимо избегать расположения рядом с антенной проводов и других антенных устройств, размеры которых близки к резонансным с рабочей волной антенны. Недопустимым является взаимное влияние антенн. Для неискаженного формирования диаграмм направленности перед каждой антенной должна быть создана так называемая площадка свободной зоны.

Значительное влияние на формирование диаграммы направленности оказывает способ монтажа антенны (сверху мачты или на боковой стороне или ребре), а также размеры характер поперечного сечения мачты. На рис.3.12. показана зависимость искажения диаграммы направленности от поперечных размеров и сечения мачты.

Из рисунка видно, что увеличение диаметра мачты неизбежно приводит к образованию провала в ДН в азимутальной плоскости с тыльной, относительно антенны, стороны. Кроме того, для уменьшения взаимного влияния двух антенн (приемной и передающей) проводят их разнесение по фронтальной плоскости.

Зависимость затухания сигнала (в дБ) от отношения расстояния разноса антенн к длине волны показано на рис.3.13. При желаемой (заданной) развязке между антеннами в дБ и известной длине рабочей волны (в метрах) по графику определяется горизонтальное разнесение между антеннами (в метрах). Когда горизонтальное разнесение антенн по каким-либо причинам не представляется возможным (или достаточным), применяют и вертикальное разнесение антенн. На рис.3.14. представлен график зависимости затухания сигнала (в дБ) от отношения величины разнесения антенн к длине волны.

Величину вертикального разнесения антенн при желаемой (заданной) развязке между ними в дБ и известной длине рабочей волны (в метрах) определяется по графику также как и для горизонтального.Для обеспечения устойчивости связи необходимо учитывать все приведенные выше параметры размещения антенн и учитывать возможности взаимного влияния антенн друг на друга, особенно в условиях ограничения площадок развертывания антенных систем.

Предисловие

В цикле статей "Ликбез по антеннам" планируется рассмотрение различного типа антенн, которые широко используются в беспроводной передачи данных. При описании антенн планируется разработка их электродинамической модели в распространенных программных пакетах, а также анализ их достоинств, недостатков и перспектив использования на беспроводных сетях будущего. В процессе прочтения данных статей читатели могут высказывать свои пожелания по дальнейшему рассмотрению тех или иных типов антенн. Все теоретические сведения будут приведены максимально наглядно без излишнего математического описания (насколько это возможно для теории антенн).

В цикле статей будет описан принцип работы, применение, реализация, а также составлены модели следующих типов антенн:

1. Вибраторные антенны;
2. Полосковые (patch) антенны;
3. Антенные решетки;
4. Антенны с бегущей волной (end-fire);
5. Рупорные антенны;
6. Зеркальные параболические антенны;
7. Линзовые антенны;
8. Вопросы согласования антенн с линиями питания.

Введение

Вся беспроводная передача данных основана на процессе распространения электромагнитного поля от источника в окружающее пространство. Антенна играет роль этого источника поля. Сам процесс излучения начинается с того, что под действием высокочастотных электромагнитных полей в излучающей системе (антенне) появляются сторонние токи и заряды. Токи и заряды в свою очередь подводятся от генератора по фидерному тракту (или фидера от слова "to feed" - питать).

Таким образом, в систему излучения электромагнитного поля входят: генератор колебаний, фидер и излучатель. Конечно, сам фидер и генератор непосредственно в излучении не участвуют (или точнее - не должны участвовать, если они правильно сконструированы), рисунок 1.

Рисунок 1 - Элементы системы излучения электромагнитного поля

Любая антенна обладает так называемым принципом "двойственности", который говорит о том, что любая антенна может быть как передающей (то есть преобразовывать волны линии передачи в расходящиеся волны окружающего пространства), так и приемной (осуществлять обратное преобразование).

Вне зависимости от реализации и вида антенны, она характеризуется следующими основными параметрами:

Диаграмма направленности (ДН). Это распределение напряженности (или энергии) поля в пространстве, показывает в каких направлениях и с какой мощностью излучает антенная система. Строится эта зависимость, как правило, в сферической системе координат. В зависимости от вида диаграммы (от того, насколько диаграмма "острая") различают изотропные антенны, слабонаправленные, высоконаправленные. От вида диаграммы направленности зависят такие важные характеристики антенны как коэффициент направленного действия (КНД) и коэффициент усилении (КУ). Ниже мы рассмотрим вид диаграммы направленности, а также КНД и КУ одной из самой простых антенн в разных плоскостях.

Коэффициент полезного действия антенны. Он должен быть достаточно высоким, а потери - малыми, именно по этой причине при реализации антенн используют металлические конструкции, обладающие высокой проводимостью и диэлектрики с малыми потерями.

Согласование линии передачи с нагрузкой. Так как и передающая и приемная антенны соединяются с линией питания, то ее входное сопротивление должно быть согласовано с волновым сопротивлением линии. Иначе будет возникать нежелательное возникновение отраженных волн, а наличие последних - это всегда уменьшение излучаемой мощности и источник дополнительных помех.

Вес и габариты. Ясно, что при реализации любого устройства нужно стремиться к получению его наименьших массогабаритных размеров, однако, отметим, что размеры антенны однозначно связаны с основной длиной волны, на которой работает антенна. Вообще в антенной технике не существует понятия "большая" и "маленькая" антенна. Размеры антенны принято характеризовать в длинах волн. Если а - это диаметр зеркала (например, зеркальной антенны), то ее размер можно записать так: это значит, что в диаметр зеркала укладывается 8 длин волн. Если такое зеркало работает в диапазоне 2.4 ГГц (длина волны 12,5 см), то его диаметр будет составлять 1 метр, а если это диапазон 900 МГц (длина волны 33 см) - то диаметр уже больше 2.5 метров.

Принцип работы передающей антенны

Рассмотрим принцип действия простейшего излучающего устройства. Если взять простую двухпроводную симметричную линию, то излучать в пространство она не будет, несмотря на то, что в ней текут токи высокой частоты, рисунок 2.

Рисунок 2 - Двухпроводная линия

Излучение будет отсутствовать за счет того, что токи I и I’ находятся в противофазе, что приводит их к взаимной компенсации. Для получения излучения можно развести концы двухпроводной линии, чтобы поля от токов I, I’ не могла компенсировать друг друга, рисунок 3.

Рисунок 3 - Разомкнутая двухпроводная линия

Такая антенна получила название симметричного вибратора. Распределение тока в вибраторе остается таким же, каким оно было на соответствующем участке двухпроводной линии. Для исследования поля, излученного антеннами из проводов, удобно представлять такую антенну в виде совокупности элементарных электрических вибраторов (ЭЭВ) малой длины (малой по сравнению с длиной волны). В пределах каждого такого элементарного вибратора амплитуду и фазу тока можно считать неизменными. В конечном итоге общее поле, излученное антенной, можно рассчитать как сумму полей, излученных отдельными элементарными вибраторами (в теории это называется принцип суперпозиции).

На практике ЭЭВ реализуется в виде диполя Герца. Это антенна является первым реализованным излучателем электромагнитных колебаний, рисунок 4.

Рисунок 4 - Диполь герца

Такой излучатель можно сделать, если на концах тонких проводов (длиной L, меньшей длины волны) установить проводящие тела с большой емкостью (например, металлические шары). Заряженные шары создают токи, которые значительно выше емкостных токов между проводами. Так обеспечивается равномерное распределение тока вдоль проводника. Отметим, что на практике диполь Герца практически не используется.

Характеристики антенны на примере симметричного вибратора

Ниже будет рассмотрена антенна (одна из самых простых в реализации) - симметричный вибратор. Назван он так потому, что напряженность поля (питающая проводник) подводится к его центру, а распределение тока по проводнику можно также считать симметричным. Сегодня существует большое количество программных пакетов, позволяющих производить электродинамических анализ различных устройств СВЧ и приборов оптического диапазона, среди них: FEKO, Microwave Studio, Ansys HFSS и др. Внешний вид и модель симметричного вибратора в программном пакете Ansys HFSS показана на рисунке 5.

Рисунок 5 - Симметричный вибратор

Cама антенна представляет собой развернутую двухпроводную линию, рассмотренную выше, в которой устанавливается режим стоячих волн.

В зависимости от того, какое отношение имеет длина вибратора L к длине волны λ, может формироваться различная геометрия диаграммы направленности. Для отношения 4L/λ=1 симметричный вибратор формирует диаграмму, показанную на рисунке 6:

λ=2

Та же самая диаграмма, только нормированная и в вертикальной плоскости полярной системы координат:

Очевидно, что в горизонтальной плоскости диаграмма направленности будет иметь форму шара. Для наглядности вы можете себе представить, что посмотрите на трехмерный вид рисунка 6 сверху (на плоскость Phi).

Если отношение длины вибратора и длины волны 4L/λ=2, что соответствует увеличению частоты колебаний в 2 раза, то диаграмма направленности становится более "плоской" в вертикальной плоскости и как следствие имеет более высокий коэффициент усиления (примерно в 1.5 раза):

Рисунок 6 - Трехмерная ДН симметричного вибратора длиной 4L/ λ=1

Дальнейшее увеличение частоты колебаний приводит к расщеплению диаграммы направленности:

Рисунок 7 - Расщепление диаграммы симметричного вибратора при увеличении частоты колебаний в 3 (слева) и 5 (справа) раз

Симметричный вибратор, несмотря на простоту, очень часто присутствует в качестве частей конструкции более сложных антенн. В заключении отметим, что все конструктивные реализации антенн создаются для того, чтобы создать направленность излучения в определенном направлении (или направлениях). Можно выделить два крупных класса способов реализации направленного излучения: это геометрическое воздействие на источник излучения (например, источник помещается в фокус параболоида или перед проводящим экраном) и воздействие токами, когда группа токов, сдвинутых по фазе, образуют суммарную направленную диаграмму (примером могут служить фазированные антенные решетки).

В дальнейшем будут рассмотрены различные модели антенн, перечисленных в аннотации.

Антенны (от лат. слова antenna -- мачта, рея) В передатчиках служат для преобразования радиочастотных электрических колебаний в энергию электромагнитного поля (радиоволн), в приемниках - для преобразования энергии радиоволн в токи радиочастоты. Любую антенну можно использовать как для передачи, так и для приема, причем ее характеристики (диапазон частот, направленные свойства и др.) сохраняются. Этим в значительной мере объясняется тот факт, что назначение антенны (приемная или передающая) ее условное обозначение обычно не отражает. Само расположение символа антенны на схеме однозначно определяет ее функцию (напомним, что развитие схемы, как правило, происходит слева направо).

Общее обозначение антенны (см. рис. 2 и 19,ж) применяют в тех случаях, когда нужно показать несимметричную антенну, т. е. антенну, соединяемую с передатчиком или приемником одним проводом (вторым проводам служит земля). Такие антенны используют в диапазонах длинных, средних и коротких воли. В ультракоротковолновом диапазоне, а также в коротковолновом применяют симметричные антенны, т. е. антенны с двухпроводным выходом (или входом). Общее обозначение симметричной антенны отличается от указанных наличием двух выводов (рис. 154,а).

Назначение и особенности антенны в самом общем виде показывают знаками направления распространения потока электромагнитной энергии. Символы приемной, передающей и приемно-передающей антенны, построенные с применением этих знаков, показаны на рис. 40,в-д.

Стандарт ЕСКД предусматривает специальные знаки для указания таких особенностей антенн, как ширина и характер движения (вращение, качание) главного лепестка диаграммы направленности, тип поляризации, направленность по азимуту и высоте и т. д. В качестве примеров использования таких знаков на рис. 154 показаны условные обозначения вращающейся антенны (б) и антенн с горизонтальной (в) и вертикальной (г) поляризацией.

Для повышения эффективности несимметричных передающих и приемных антенн используют заземление (в простейшем случае - это металлический лист или труба, зарытые на глубину почвенных вод). На схемах заземление изображают тремя короткими штрихами, вписанными в прямой угол (рис. 155,а). Иногда вместо заземления применяют противовес - большое число проводов, натянутых над поверхностью земли на небольшой высоте. Такое устройство обозначают двумя параллельными линиями разной длины, большая из которых символизирует землю (рис. 155,6).

Рассмотренные условные обозначения построены функциональным методом. Другими словами, за их основу взят общий символ антенны, а характеристики выражены вспомогательными знаками. В радиотехнике такие обозначения применяют в основном в структурных и функциональных схемах, т. е. на первых этапах разработки прибора, когда характеристики антенны определены, а конкретный тип ее еще не выбран.

В принципиальных схемах чаще используют условные графические обозначения, напоминающие предельно упрощенные рисунки конкретных разновидностей антенн. Так, простейшую антенну - несимметричный вибратор (вертикальный провод, штырь) изображают отрезком вертикальной утолщенной линии (рис. 156). Подобные антенны применяют в диапазонах длинных, средних, коротких и ультракоротких волн.

Однако для хорошей работы такой антенны ее длина должна быть равна примерно четверти длины рабочей волны. В диапазонах коротких и ультракоротких волн, длина которых не превышает нескольких десятков метров, это требование выполнить легко, а вот на средних и тем более на длинных волнах - гораздо труднее, так как четверть длины волны в этих диапазонах достигает сотен метров. Чтобы не строить дорогостоящие высотные сооружения, к верхнему концу вертикального провода (вибратора) присоединяют один или несколько горизонтальных проводов, действие которых заключается в кажущемся удлинении вибратора. На схемах Г-образную и Т-образную антенны обозначают символами, наглядно передающими их характерные особенности (рис. 157,а, б).

У рассмотренных несимметричных вибраторов излучателем (приемником) радиоволн служит вертикальная часть. В диапазонах же коротких и ультракоротких волн в силу особенностей их распространения обычно применяют антенны, у которых рабочими являются горизонтальные части. Простейшей антенной в эдах диапазонах является симметричный вибратор, представляющий собой два изолированных горизонтальных проводника одинаковой длины, между которыми подключена двухпроводная линия, соединяющая антенну с приемником или передатчиком. Эту линию связи называют фидером (от англ. feeder - питатель). Общая длина вибратора обычно равна примерно половине длины рабочей волны. «

Симметричный вибратор (его условное графическое обозначение показано на рис. 158) обладает явно выраженными направленными свойствами. Лучше всего он принимает или излучает в плоскости, перпендикулярной его оси, хуже всего - в плоскостях, проходящих через нее. Поэтому такую. антенну (например, для приема телевидения) располагают таким образом, чтобы ее горизонтальные части (плечи) были перпендикулярны направлению на телецентр.

На практике часто требуется, чтобы антенна могла излучать или принимать радиоволны в достаточно широкой полосе частот. Достигают этого ис; пользованием в качестве плеч вибратора нескольких параллельных провод,ни ков, соединенных концами. Антенны такой конструкции, известные под названием диполя Надененко, нашли широкое применение в коротковолновой связи. С той же целью (расширение диапазона частот) телевизионные антенны часто изготовляют из отрезков толстых трубок или применяют сложные вибраторы, например петлевые.

Петлевой вибратор представляет собой два полуволновых вибратора, соединенных концами. Эта особенность конструкции петлевого вибратора нашла отражение и в его условном обозначении (рис. 159).

Важным условием хорошей работы антенны является согласование ее входного сопротивления с волновым сопротивлением фидера , так как только в этом случае она может излучать или принимать наибольшую мощность. Для согласования антенн с фидером используют специальные устройства в виде отрезков двухпроводных линий или применяют так называемое шунтовое питание вибраторов.

Симметричный вибратор шунтового питания представляет собой сплошной проводник длиной, также равной половине длины волиы. Фидер подключают к нему в двух точках, расположенных симметрично относительно его середины. Изменяя места подключения фидера к вибратору, можно добиться равенству входного сопротивления антенны волновому сопротивлению фидера, т. е. согласования. Точно так же согласовывают с фидером и петлевые вибраторы шунтового питания. Условное обозначение полуволнового вибратора с шунто-вым питанием представлено на рис. 160.

При использовании в качестве фидера коаксиального кабеля возникает необходимость в симметрировании, т. е. создании условий, при которых токи в точках подсоединения к вибратору имеют противоположные фазы. На практике симметрирующее устройство выполняют в виде отрезка кабеля полуволновой длины, согнутого в виде буквы U. Питание через коаксиальный кабель с симметрирующим устройством такого рода иллюстрирует условное обозначение петлевого вибратора, показанное на рис. 161 (кабель здесь обозначен кружком с отрезком касательной, параллельной линии электрической связи, а согласующее устройство - дугой, соединяющей выводы вибратора).

Для связи на коротких волнах антенны должны быть однонаправленными, т. е. излучать и принимать радиоволны они должны только с одного направления. Типичным представителем таких антенн является ромбическая антенна, представляющая собой ромб, выполненный из провода, стороны которого примерно вчетверо больше длины волны. К одному из острых углов антенны подключают двухпроводный фидер, а к другому - поглощающую нагрузку, сопротивление которой равно волновым сопротивлениям антенны и фидера. В условном обозначении ромбической антенны символ резистора (поглощающей нагрузки) уменьшен по сравнению с обычным примерно вдвое. _ Это делает обозначение антенны более компактным (рис. 162).

В метровом и дециметровом диапазонах волн часто используют антенны «волновой канал », обладающие значительно большим, по сравнению с одиночным вибратором, коэффициентом направленного действия. Такая антенна, кроме основного - активного - вибратора, содержит неоколько пассивных. Один из них, расположенный за активным, называют рефлектором (от лат. reflectere - отражать), остальные (расположенные перед активным) - директорами (directio - направлять). Длина рефлектора - несколько больше, а директоров - несколько меньше длины активного вибратора. На схемах это показывают различной длиной соответствующих символов в условном обозначении антенны «волновой канал» (рис. 163).

С целью улучшения направленных свойств антенн применяют также металлические рефлекторы в виде согнутых из металлического листа уголков, параболоидов и т. п. Условное обозначение такого рефлектора воспроизводит (конечно, упрощенно) его профиль в сечении. В качестве примера на рис. 164 доказаны условные графические обозначения антенны с излучателем (приемником) в виде симметричного вибратора и уголковым рефлектором (а) и антенны с криволинейным рефлектором (б), вибратор которой питается через коаксиальный кабель (симметрирующее устройство дли простоты не изображено) .

Для передачи электромагнитной энергии в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн используют волноводы - металлические Трубы, обычно прямоугольного сечения. Открытый конец волновода излучает электромагнитные волны. Чтобы улучшить излучение, к нему пристраивают пирамидальную воронку, которую называют рупорной антенной. Условное обозначение последней приведено на рис. 165. Здесь уголок, напоминающий гнездо разъемного соединения, символизирует рупор антенны, прямоугольник на присоединенной к нему линии электрической связи - волновод прямоугольного сечения.

Улучшение направленных свойств в этих диапазонах волн можно также получить применением металлического рефлектора, поместив в его раскрыв рупорный излучатель (рис. 166). Хорошими направленными свойствами обладает и так называемая диэлектрическая антенна . Она представляет собой сплошной или полый стержень из высококачественного диэлектрика (полистирола, полиэтилена), на основание которого надет металлический стакан, выполняющий функции рефлектора. На расстоянии в четверть длины волны от дна стакана в теле антенны закреплен возбуждающий штырь. Благодаря особой форме образующей стержня Электромагнитные волны выходят из него под одинаковыми углами к оси, в результате чего и создается направленное излучение. Условное графическое обозначение диэлектрической антенны - узкий заштрихованный наклонными линиями треугольник с линией-выводом от меньшего основания (рис.. 167).

Широкое применение в радиоприемной технике нашли так называемые магнитные антенны (они реагируют не на электрическую составляющую электромагнитных волн, как все рассмотренные ранее антенны, а на магнитную). Простейшая антенна такого типа - рамка, состоящая из одного или нескольких витков провода. Независимо от формы витков рамочную антенну изображают в виде незамкнутого квадрата с линиями-выводами от соседних сторон (рис. 168).

Гораздо чаще используют магнитные антенна с магнитопроводом из феррита. На схемах их обозначают как одну или несколько (по числу обмоток) катушек индуктивности с общим магнитопроводом, но в отличие от последних располагают всегда горизонтально (рис. 169,а).

Принадлежность к антенным устройствам показывают общим символом, помещая его над серединой условного обозначения магнитопровода. Обмотки магнитной антенны обычно используют в качестве катушек входных колебательных контуров, поэтому обозначают их кодом катушек - латинской буквой L, а возможность подстройки их индуктивности (перемещением по магнитопроводу) показывают уже знакомым знаком подстроечного регулирования (рис. 169,6).

Антенна - устройство для излучения и/или приёма электромагнитных волн путём прямого преобразования электрического тока в излучение (при передаче) или излучения в электрический ток (при приёме).

Обычно термин «антенна» используется для устройств, работающих в радиочастотном диапазоне , но существуют опытные образцы наноантенн , способных принимать электромагнитное излучение инфракрасного и видимого спектра.

Как правило, антенна работает совместно с радиопередатчиком или радиоприемником . Антенна в режиме передачи преобразует энергию поступающего от радиопередатчика электромагнитного колебания в распространяющуюся в пространстве электромагнитную волну. Антенна в режиме приема преобразует энергию падающей на антенну электромагнитной волны в электромагнитное колебание, поступающее в радиоприемник. Таким образом, антенна преобразует переменный электрический ток в электромагнитное излучение и наоборот.

Первые антенны были созданы в 1888 году Генрихом Герцем в ходе его экспериментов по доказательству существования электромагнитной волны (Вибратор Герца ). Форма, размеры и конструкция созданных впоследствии антенн чрезвычайно разнообразны и зависят от рабочей длины волны и назначения антенны. Нашли широкое применение антенны, выполненные в виде отрезка провода, системы проводников, металлического рупора, металлических и диэлектрических волноводов , волноводов с металлическими стенками с системой прорезанных щелей, а также многие другие типы. Для улучшения направленных свойств первичный излучатель может снабжаться рефлекторами - отражающими зеркалами различной конфигурации и системами зеркал, а также линзами. Излучающая часть антенн, как правило, изготавливается с применением проводящих электрический ток материалов, но может изготовляться из изоляционных (диэлектрик) материалов, могут применяться полупроводники и метаматериалы .

С точки зрения теории электрических цепей антенна представляет собой двухполюсник (или многополюсник), и мощность источника, выделяемая на активной составляющей полного входного сопротивления антенны расходуется на создание электромагнитного излучения. В системах автоматического регулирования антенна рассматривается как дискриминатор - датчик угла рассогласования между направлением на источник сигнала или отражатель и ориентацией носителя (например, антенна с суммарно-разностной диаграммой направленности в составе радиолокационной головки самонаведения). В системах пространственно-временной обработки сигнала антенна (антенная решетка) рассматривается как средство дискретизации электромагнитного поля по пространству. В особый класс принято выделить антенны с обработкой сигнала. В частности, одним из таких устройств являются антенны с виртуальной (синтезированной) апертурой , применяемые в авиационной и космической технике для задач картографирования и увеличения разрешающей способности за счёт использования когерентного накопления и обработки сигнала.

Принцип действия

Иллюстрация трансформации параллельного контура в дипольную антенну. Синие линии - силовые линии электрического поля, красные - магнитного

Упрощенно принцип действия антенны состоит в следующем. Как правило, конструкция антенны содержит металлические (токопроводящие) элементы, соединенные электрически (непосредственно или через питающую линию - фидер ) с радиопередатчиком или с радиоприемником. В режиме передачи переменный электрический ток , создаваемый источником (например, радиопередатчиком), протекающий по токопроводящим элементам такой антенны, в соответствии с законом Ампера порождает вокруг себя переменное магнитное поле . Это меняющееся во времени магнитное поле в свою очередь, в соответствии с законом Фарадея , создает вокруг себя меняющееся во времени электрическое поле . Это переменное электрическое поле создает вокруг себя переменное магнитное поле и так далее - возникает взаимосвязанное переменное электромагнитное поле , образующее электромагнитную волну , распространяющуюся от антенны в пространство. В режиме приема переменное электромагнитное поле падающей на антенну волны наводит токи на токопроводящих элементах конструкции антенны, которые поступают в нагрузку (фидер, радиоприемник).

Характеристики антенн

Электромагнитное излучение, создаваемое антенной, обладает свойствами направленности и поляризации . Антенна как двухполюсник обладает входным сопротивлением (импедансом). Лишь часть энергии источника антенна преобразует в электромагнитную волну, остальная расходуется в виде тепловых потерь. Для количественной оценки перечисленных и ряда других свойств антенна описывается набором электрических характеристик и параметров, в частности:

Пример диаграммы направленности антенны и параметры: ширина ДН, КНД, УБЛ, коэффициент подавления обратного излучения

характеристика направленности

диаграмма направленности (ДН)

коэффициент направленного действия (КНД)

коэффициент усиления (КУ)

ширина ДН по заданному уровню

уровень боковых лепестков (УБЛ)

фазовая диаграмма

резонансная частота , рабочая полоса частот

поляризационная диаграмма

номинальное входное сопротивление антенны, тип линии питания

входной импеданс и коэффициент стоячей волны (КСВ) в линии питания

коэффициент полезного действия (КПД)

Коэффициент использования поверхности (КИП) апертуры антенны

шумовая температура антенны (Т А)

максимальная допустимая мощность на входе

К характеристикам антенн также можно отнести следующие:

эффективная площадь рассеяния (ЭПР)

эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ)

Ряд характеристик антенн как взаимных устройств (пассивных линейных многополюсников) в режиме передачи и в режиме приема совпадает, в том числе: ДН (КНД, КУ, УБЛ), входной импеданс. Например, ДН антенны в режиме приема и в режиме передачи совпадают.

К конструктивным характеристикам и параметрам антенн относятся, в частности:

масса, координаты центра масс, момент инерции

габаритные размеры, максимальный радиус разворота

объект установки, способ крепления

примененные материалы

Основные типы антенн

Телевизионные директорные антенны метрового и дециметрового диапазонов горизонтальной поляризации

Уголковые антенны на первом искусственном спутнике Земли разработаны профессором РТФ МЭИ Марковым Г.Т.

Волноводно-щелевая ФАР в составе головки самонаведения противокорабельной ракеты Х-35 Э.МАКС-2005

Вибраторная антенна

• Симметричный вибратор (диполь)

  Несимметричный вибратор

  • Антенна Ground Plane

    Укороченная штыревая антенна

    Колинеарная антенна

    "Коаксиальная" антенна

    J-образная антенна

    Антенна зенитного излучения

    Вертикальная антенна верхнего питания

Шунтовой вибратор

Петлевой вибратор ("Петлевой вибратор Пистолькорса")

Широкополосный "Диполь Надененко "

Турникетная антенна

Директорная антенна

• Волновой канал (антенна Уда-Яги)

Антенна СГ (синфазная горизонтальная)

Щелевая антенна

• Щелевой вибратор

  Волноводно-щелевая антенна

Апертурная антенна - антенна, излучение у которой происходит через раскрыв (плоское отверстие - апертуру). Используются в СВЧ-диапазоне.

• Рупорная антенна

  Зеркальная антенна

  • Прямофокусная зеркальная антенна

    Офсетная зеркальная антенна

    Антенна Кассегрена

    Антенна Грегори

    Зеркальная антенна с косекансной диаграммой направленности

    Зонтичная антенна

    Рупорно-параболические антенны

    Перископическая антенна

Линзовая антенна

Антенна с синтезированной апертурой .

Антенна бегущей волны

• Спиральная антенна

  Диэлектрическая стержневая антенна

  Импедансные антенны

  Антенна вытекающей волны

  Антенна Бевереджа

  V-образная антенна

  Ромбическая антенна

  Антенна БС

Антенны диапазона СВЧ

• Микрополосковая антенна

  Патч-антенны

  Сингулярная антенна

Чип-антенна (антненна, монтируемая по технологии SMD )

Антенны оптического диапазона

• Наноантенна

Сверхширокополосные антенны

• Антенна на принципе электродинамического подобия

  • Дискоконусная антенна

    Излучатель типа "бабочка"

Логопериодическая антенна (Логарифмическая периодическая антенна)

Фрактальная антенна

• Антенна Вивальди

Антенная решетка (система излучения)

• Фазированная антенная решётка

  Пассивные ФАР

  Активные ФАР - с нелинейными преобразованиями сигнала в полотне решётки

  Цифровая антенная решётка - активная ФАР с применением алгоритмов цифровой обработки сигнала непосредственно в полотне

  MIMO -антенна

Антенны с линейными размерами << λ )

• Магнитная антенна

  CFA-антенна

  EH-антенна

Распределённые антенны

• Частично излучающий кабель (коаксиальный кабель с намеренно ухудшенной экранировкой)

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

Псевдо-антенны (антенны с мифическими техническими характеристиками)

• Ртутная антенна

Концептуальные антенны

• Гравитационная антенна

Примеры выдающихся конструкций

Антенна АДУ-1000

Антенна РТ-70

Антенна загоризонтной РЛС "Дуга"

Антенна станции зондирования ионосферы HAARP

Антенна радиообсерватории Аресибо

Средства защиты от внешних воздействий

• Радом

• Противообледенительные системы

  Защита от птиц

Интересные сведения

Электрические параметры антенны (ДН, входное сопротивление) не изменятся, если изменить все ее размеры и длину волны в одинаковое число раз (принцип электродинамического подобия).

Амплитудно-фазовое распределение (распределение комплексной амплитуды тока как функции координат по апертуре антенны) и диаграмма направленности антенны в дальней зоне как функция угловых координат (пространственных частот ) связаны преобразованием Фурье . При нахождении формы ДН удобно использовать теоремы относительно преобразования Фурье. Размеры антенн с синтезированной апертурой могут составлять десятки и сотни километров. Параметры пассивных антенн в линейных негиротропных средах не зависят от того, работает ли антенна на прием или на передачу (теорема взаимности).

Литература:

1) Литература: В.В. Фролов, Язык радиосхем, Москва, 1998

2) http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D1%82%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0