Е. Фурсова - Антенны

• Название: Антенны
• Автор: Е. Фурсова
• Жанр: Техническая литература
• Год: 2009
• ISBN: 978-966-03-4709-0

Радио, телевидение, мобильная связь – все это стало возможным благодаря изобретению антенн, которые являются одним из самых важных компонентов всех систем коммуникаций. Сегодня существует множество антенн разнообразных конструкций и назначения, и выбрать нужную, отвечающую современным требованиям непросто. Эту проблему поможет разрешить наша книга. В ней представлен обзор основных видов антенн, их наиболее важные параметры и характеристики. Кроме этого, приведены некоторые схемы и рекомендации для самостоятельного конструирования антенн различных типов. Надеемся, что приведенные в книге советы помогут людям, имеющим даже минимальные знания в радиотехнике, самостоятельно выбрать подходящую антенну, установить ее и добиться устойчивого и качественного приема.

---

Например, если относительно изотропной антенны G = 6,5 дБ, то относительно полуволнового вибратора G = 6,5–2,15 = 4,35 дБ.

При сравнении антенн следует обращать внимание на то, как вычисляется коэффициент усиления: по напряжению или по мощности:

Gр = Po/Pe = 10⋅lg(Po/Pe) (дБ); (1.3)

Gu = Uo⋅Ue = 20⋅lg(Uo⋅Ue) (дб); (1.4)

где: Po – мощность, принятая антенной;

Pe – мощность, принятая эталонной антенной;

Uo – напряжение на антенне;

Ue – напряжение на эталонной антенне.

Среднее значение коэффициента усиления антенны в рабочей полосе частот – это среднее арифметическое значение коэффициентов усиления в децибелах, измеренных на средних частотах каждого из каналов, входящих в рабочую полосу частот, а также на крайних частотах этой полосы.

Неравномерность коэффициента усиления – это отношение максимального коэффициента усиления к минимальному в полосе частот принимаемых каналов.

КОЭФФИЦИЕНТ ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ (КЗД) определяет ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТЬ АНТЕННЫ – это отношение напряжения, получаемого от антенны на согласованной нагрузке при приеме с заднего или бокового направления, к напряжению на той же нагрузке при приеме с главного направления.

Помехозащищенность в децибелах определяют по формуле:

КЗД = 20·lg(Eзад./Eглав.) (дБ). (1.5)

В зарубежных источниках помехозащищенность выражают переднезадним отношением (ПЗО), которое характеризует меру направленности антенны для углов 0° и 180°. ПЗО представляет собой отношение напряжений, возникающих на входе антенны при облучении ее с этих направлений:

ПЗО = Uо°/U180°. (1.6)

Для одной и той же антенны величины КЗД и ПЗО по модулю равны (величина КЗД отрицательная). Встречается определение помехозащищенности как уровень боковых лепестков (УБЛ) диаграммы направленности – это отношение ЭДС при приеме со стороны максимума наибольшего бокового лепестка к ЭДС при приеме со стороны максимума основного лепестка. Уровень боковых лепестков представляют в относительных единицах или процентах.

УБЛ = (Eмакс. бок. /Eмакс. гл.)·100 %. (1.7)

При конструировании антенн уровни боковых и задних лепестков стремятся свести к минимуму, чтобы улучшить помехозащищенность антенн.

ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ АНТЕННЫ характеризует ее импедансные свойства в точке питания (в месте подсоединения фидера) и равно отношению напряжения к току на входе фидера. В общем случае входное сопротивление антенны Zвх содержит резистивную Rвх и реактивную Xвх (емкостную или индуктивную) составляющие:

Zвх = Rвх + Xвх. (1.8)

Чем меньше реактивная составляющая Хвх и чем ближе Rвх к волновому сопротивлению фидера линии, тем лучше антенна согласована. Невыполнение условия согласования приводит к появлению многократных отражений сигналов в антенном кабеле, проявляющихся в виде повторных, сдвинутых по горизонтали изображений на экране телевизора и частичной потере мощности принимаемых сигналов в фидере.

Для уменьшения потери мощности антенну необходимо настроить в резонанс с частотой принимаемых каналов. В случае если антенна работает в широком диапазоне ТВ каналов, ее следует настраивать на среднюю частоту диапазона. Практически настройка сводится к подбору геометрических размеров и элементов антенны, а также расположения клемм, к которым подводится фидерная линия. Резонанс антенны достигается в том случае, когда по длине вибратора укладывается целое число полуволн. Если число полуволн, укладывающихся вдоль вибратора, нечетное (λ/2, 3λ/2 и т. д.), то входное сопротивление мало (от 73 Ом при длине вибратора λ/2 до 120 Ом при большем числе полуволн). Если же число полуволн четное (λ, 2λ, 3λ и т. д.), то входное сопротивление велико (от 400–500 Ом до 1–2 кОм в зависимости от диаметра проводников).

На частотах ниже резонансной реактивная составляющая имеет емкостный, а на частотах выше резонансной – индуктивный характер. Входное сопротивление антенны также зависит от объектов, находящихся вблизи антенны и влияющих на распределение поля в пространстве, что необходимо учитывать при установке антенны.

Зависимость входного сопротивления антенны от частоты носит название ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ. Чем меньше меняется входное сопротивление антенны при изменении частоты, тем шире полоса ее пропускания.

КОЭФФИЦИЕНТ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ (КБВ) показывает степень согласования приемной антенны с фидером (кабелем) снижения. Он численно равен отношению минимального напряжения (узел) линии к максимальному напряжению (пучность), которые имели бы место при измерении вдоль фидера при работе антенны в режиме передачи:

КБВ = Umin /Umax. (1.9а)

Выражается КБВ в относительных единицах: чем больше значение КБВ, тем эффективнее передача сигнала от антенны к телевизору. Полное согласование будет в том случае, когда сопротивление антенны Ra и волновое сопротивление фидера Rф равны (Ra = Rф). При чисто бегущей волне ток и напряжение по длине фидера не имеют ни минимума, ни максимума, а КБВ равен единице. Такой режим согласования практически получить трудно, вполне достаточно считать КБВ>0,5, что соответствует снижению мощности принимаемого сигнала до 10 %. Чем выше значение КБВ (в антеннах различных конструкций находится в пределах 0,25-0,6), тем эффективнее передача сигнала от антенны к телевизору и выше качество приема.

КОЭФФИЦИЕНТ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ (КСВ) – величина, обратная КБВ:

КСВ = 1/КБВ. (1.9б)

КОЭФФИЦИЕНТ ОТРАЖЕНИЯ представляет собой отношение амплитуды отраженной волны к амплитуде падающей волны:

|P| = |Uотр./Uпад.|. (1.10)

ДЕЙСТВУЮЩАЯ (ЭФФЕКТИВНАЯ) ДЛИНА 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/E, (1.11)

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:

lд = (λ/π)√G⋅Ra /73,1, (1.12)

где: λ – средняя длина волны, м;

G – коэффициент усиления антенны;

Ra – сопротивление антенны, Ом;

π = 3,14.

Действующая длина полуволнового вибратора равна:

lд = λ/π = 0,32λ (при G = 1, R = 73,1 Ом). (1.13)

Напряжение на выходе антенны, согласованной с приемником, определяется следующим образом:

U = lд⋅E/2, (1.14)

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 l < 0,7λ.

Антенны для приема радиовещания

Поскольку большинство современных радиоприемников являются многоканальными и обладают встроенными антеннами с повышенной чувствительностью, необходимость в создании любительских радиостанций и целых антенных комплексов для приема нескольких радиостанций, как это было, скажем, на заре развития радиотехники, отпала. Более того, популярность радио на современном этапе развития нашего общества заметно упала. Этим объясняется некоторое снижение интереса к разработке новых антенн для приема радиостанций. Поэтому в данной книге ограничимся кратким рассмотрением основных типов антенн, используемых для приема радиопередач в диапазонах длинных волн (ДВ), средних волн (СВ) и коротких волн (KB) на различные расстояния.

Антенны для дальнего приема ДВ, СВ и КВ

Наиболее распространенной антенной для приема радиовещания в диапазонах ДВ, СВ и KB является длинный вертикальный провод. Если входные клеммы радиоприемника подключить к нижнему концу такого вертикального провода и к хорошему заземлению, антенна будет представлять собой несимметричный вибратор. Диаграмма направленности такой антенны в горизонтальной плоскости получается круговой: антенна принимает одинаково со всех азимутальных направлений. В вертикальной плоскости диаграмма направленности похожа на разрезанную пополам лежащую восьмерку: максимум приема осуществляется с горизонтального направления вдоль поверхности Земли, с увеличением угла местности прием ослабевает, а с направления, соответствующего зениту, отсутствует.