Антенны. Обзор

Антенна — устройство для излучения и приёма сигналов посредством радиоволн (разновидности электромагнитного излучения). Антенна является конвертером электрического тока радиочастотного диапазона в электромагнитное излучение и наоборот.

Форма, размеры и конструкция антенн разнообразны и зависят от длины излучаемых или принимаемых волн и назначения антенны. Различают антенны приемные и антенны передающие. Требования, предъявляемые к антеннам передающим, обычно на порядок выше, чем к антеннам приемным. В качестве приемных применяются антенны в виде отрезка провода, комбинаций из таких отрезков, отражающих металлических зеркал в виде металлической сетки с ячейкой определенных размеров, металлической фольги или пластины, полостей с металлическими стенками, в которых вырезаны щели, спиралей из металлических проводов и др.

Основные типы антенн

• Штыревые антенны:
  • отрезок провода
  • простой штырь
  • наклонный штырь
  • антенна зенитного излучения штыревая
• Антенны зенитного излучения
• Диполи
  • горизонтальный диполь
  • наклонный диполь
• Апертурные антенны
• Логарифмические периодические (логопериодические) антенны
• Антенны волнового канала
  • рупорные антенны
  • щелевые антенны
  • зеркальные антенны
  • линзовые антенны
• Антенны бегущей волны
  • диэлектрические стержневые антенны
  • спиральные антенны
  • импедансные антенны
  • антенны вытекающей волны
  • антенны «волновой канал»
• Фазированные антенные решетки (ФАР)
  • пассивные (с одним передающим/приемным устройством на антенну)
  • активные (с одним передающим/приемным устройством на каждый модуль антенны)
• Спутниковые антенны
  • Офсетные антенны
  • Прямофокусные антенны

В быту чаще всего используются антенны штыревые, диполи, логопериодические, волновой канал и в последнее время, в связи с развитием спутникого телевидения, офсетные антенны.

Характеристики антенн

Каждая антенна, как пассивное линейное устройство, может работать в режимах передачи и приема радиоволн. В обоих режимах антенна характеризуется направленными, поляризационными, фазовыми свойствами и входным импедансом. К основным характеристикам и параметрам, описывающим эти свойства, относятся:

• полоса пропускания
• поляризация
• входной импеданс и коэффициент стоячей волны (КСВ)
• диаграмма направленности (ДН)
• коэффициент направленного действия (КНД)
• эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ)
• коэффициент усиления антенны (КУ)
• фазовая диаграмма (ФД)
• коэффициент полезного действия (КПД)
• шумовая температура антенны (ТА)

Нас, как бытовых пользователей антенны, больше всего интересует диаграмма направленности и коэффициент усиления антенны.

Диаграмма направленности — зависимость амплитуды вектора напряженности поля антенны в равноудаленных точках дальней зоны от угловых координат точки наблюдения.

Иными словами, в каком (каких) направлении антенна будет лучше принимать интересующий нас сигнал и на сколько лучше.

Диаграмма Направленности иногда описывается не только в плоскости, но и в трехмерном отображении. Для упрощения ее рассмотрения принимают две проекции :

• горизонтальную (азимутальная)
• вертикальную (по углу места)

Коэффициент усиления антенны показывает, насколько уровень наводимого в ней сигнала превышает уровень сигнала на эталонной антенне. В качестве эталонной антенны принимают полуволновый вибратор или изотропную антеннну (полностью ненаправленная антенна, имеющая пространственную диаграмму направленности в виде сферы).

В реальности такой антенны не существует, но она является удобным эталоном, с помощью которого можно сравнивать параметры существующих антенн.

Рассмотрим два основных, широко применяемых в быту для приема радиоволн эфирного телевидения, вида антенн.

Антенна "Волновой канал".

Антенны типа "Волновой канал" получили широкое распространение в различных профессиональных и бытовых устройствах радиосвязи и радиолокации. Большинство телевизионных коллективных и индивидуальных антенн промышленного производства 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. За рубежом антенну "Волновой канал"называют антенной Уда – Яги, по имени впервые описавших ее японских изобретателей.

Антенна "Волновой канал" представляет собой набор элементов: активного – вибратора, и пассивных - рефлектора и нескольких директоров, установленных на одной общей стреле.

Принцип действия антенны в следующем. Вибратор определенной длины, находящийся в электромагнитном поле сигнала, резонирует на частоте сигнала, и в нем наводится ЭДС. В каждом из пассивных элементов также наводится ЭДС, и они переизлучают вторичные электромагнитные поля. Эти вторичные поля, в свою очередь, наводят дополнительные ЭДС в вибраторе. Размеры пассивных элементов и их расстояния от вибратора должны быть выбраны такими, чтобы дополнительные ЭДС, наведенные в вибраторе вторичными полями, были в фазе с основной ЭДС, наведенной в нем первичным полем. Тогда все ЭДС будут складываться арифметически, обеспечив увеличение эффективности антенны по сравнению с одиночным вибратором. Для этого рефлектор делается немного длиннее вибратора, а директоры - короче.

Симметричное расположение элементов антенны относительно направления на передатчик создает условия для сложения наведенных ЭДС в вибраторе только для сигнала, приходящего с главного направления. Сигналы, приходящие под углом к главному направлению, создают в вибраторе ЭДС, сдвинутые по фазе относительно основного, и поэтому складываются алгебраически так, как складываются векторы. Их векторная сумма получается меньше арифметической. Сигнал же, приходящий с заднего направления, создает в вибраторе наведенные ЭДС, противофазные основной, и они вычитаются. Таким образом, обеспечивается направленное свойство антенны, формируется узкая диаграмма ее направленности, что соответствует увеличению коэффициента усиления.

Элементы антенн "Волновой канал", которые будут рассмотрены ниже, расположены в пространстве горизонтально, и такие антенны используют для приема сигналов с горизонтальной поляризацией, когда вектор напряженности электрического поля Е также горизонтален. Для приема сигналов с вертикальной поляризацией антенна должна быть повернута на 90° так, чтобы ее элементы стали вертикальными.

В связи с тем, что элементы антенны расположены в разных точках пространства, фазы наведенных в них первичным полем электродвижущей силы (ЭДС) будут зависеть от координат каждого элемента и их размеров, так как от длины элемента зависит его резонансная частота, а фаза наведенной ЭДС зависит от настройки элемента. Нужно также учесть, что телевизионный сигнал занимает сравнительно широкую полосу частотного спектра, и свойства антенны должны быть хотя бы примерно одинаковыми для всей полосы частот принятого сигнала. Наконец, для хорошего согласования антенны с фидером ее входное сопротивление должно иметь чисто активный характер. Отсюда становится ясно, насколько сложно проектирование антенн типа "Волновой канал", особенно при большом количестве элементов антенны. В настоящее время разработано множество вариантов таких антенн с разным числом директоров различных размеров и с различным расстоянием между ними. Процесс проектирования многоэлементной антенны типа "Волновой канал" вообще не однозначен. Перед проектировщиком, могут быть поставлены разные задачи: либо добиться максимального коэффициента усиления антенны, либо - максимального коэффициента защитного действия, либо - наименьшей неравномерности коэффициента усиления в полосе принимаемых частот, либо - минимального уровня боковых лепестков диаграммы направленности или другие факторы. Кроме того, в процессе проектирования некоторыми размерами антенны приходится задаваться, а остальные получать в результате расчета. Этим объясняется то, что в разных источниках литературы приводятся различные размеры элементов антенн при одинаковом их числе. К сожалению, в литературе при описаниях антенн отсутствуют сведения о том, какие исходные данные были положены в основу проектирования данной конкретной антенны. Следует также учесть, что большинство вариантов многоэлементных антенн "Волновой канал" подобрано экспериментальным путем, что сильно осложняет возможности повторяемости таких конструкций.

Многоэлементная антенна "Волновой канал", по принципу работы аналогичная многоконтурному полосовому фильтру, нуждается в тщательной настройке элементов. Известно, что как бы точно ни были подобраны индуктивности катушек и емкости конденсаторов многоконтурного фильтра, он подлежит обязательной настройке по приборам в связи с тем, что невозможно заранее учесть разбросы различных паразитных параметров, таких как емкости монтажа и индуктивности рассеяния, активные сопротивления катушек на высокой частоте и сопротивления потерь конденсаторов, индуктивности и сопротивления соединительных проводников. Аналогично и при изготовлении многоэлементной антенны "Волновой канал": даже точное соблюдение всех ее размеров не избавляет от необходимости выполнения тщательной настройки по приборам, так как невозможно учесть разбросы в ее конструкции, такие как непараллельность элементов в горизонтальной плоскости, скручивание несущей стрелы, неизбежное под нагрузкой из-за того, что всегда имеется неоднородная по длине трубы эллиптичность ее сечения, а скручивание стрелы приводит к тому, что элементы антенны уже не находятся в одной плоскости. Определенное влияние на работу антенны, которое невозможно учесть, оказывают находящиеся поблизости местные предметы, металлические и неметаллические. Наконец, невозможно абсолютно точно выдержать все размеры, всегда будут отклонения в пределах допусков, а при изменениях окружающей температуры эти отклонения меняются.

Практика показывает, что антенна "Волновой канал" не нуждается в настройке и обеспечивает получение паспортных характеристик, если она содержит не более трех элементов: вибратор, рефлектор и только один директор. Коэффициент усиления такой антенны составляет 6 дБ, что вполне достаточно для ее использования в зоне ближнего приема.

Рассмотрим трехэлементную антенну, которая показана на рис. 1. Элементы антенны выполнены из металлической трубки диаметром 12- 20 мм.

Рис. 1. Трехэлементная антенна "Волновой канал"

Мачта и стрела также могут быть металлическими. При этом элементы антенны должны быть надежно электрически соединены со стрелой с помощью пайки или сварки. Расположение элементов антенны соответствует горизонтальной поляризации сигнала. Если необходимо принимать сигнал с вертикальной поляризацией, антенна поворачивается так, чтобы ее элементы заняли вертикальное положение. При этом верхняя часть мачты (по длине рефлектора) должна быть выполнена из изоляционного материала.

Коэффициент усиления трехэлементной антенны "Волновой канал" составляет 5,1—5,6 дБ, что соответствует увеличению напряжения сигнала на выходе антенны в 1,8—1,9 раз по сравнению с одиночным полуволновым вибратором. Угол раствора главного лепестка диаграммы направленности по половинной мощности составляет 70°. Трехэлементная антенна, установленная на мачте высотой 15—20 м, при равнинной местности может обеспечить нормальный прием телевизионных передач на расстоянии до 60 км от передатчика мощностью 5 кВт при высоте передающей антенны 200 м.

Логопериодическая антенна

Логопериодическая антенна - широкополосная направленная антенна, работающая в десятикратном и более широком диапазоне волн. По коэффициенту усиления антенна эквивалентна трех-четырехэлементной антенне «волновой канал». Может быть использована для приема сигналов многопрограммных телецентров при любых сочетаниях каналов метровых и дециметровых волн (каналы 1—41).

Один из простых вариантов антенны показан на рис.2. Антенна состоит из ряда параллельных вибраторов, подключенных к двухпроводной линии с последовательной переполюсовкой точек питания вибраторов. Длины вибраторов и расстояния между ними убывают в геометрической прогрессии в направлении к точкам подключения фидера. Позади самого длинного вибратора устанавливают короткозамыкающую перемычку, улучшающую согласование антенны с фидером и обеспечивающую симметрирование.

рис. 2 Логопериодическая антенна Логос 9

Кабель пропускают внутри одной из трубок двухпроводной линии и припаивают со стороны самого короткого вибратора.

Характеристики антенны зависят от знаменателя геометрической прогрессии, характеризующего скорость убывания длин вибраторов и расстояний между ними.

Коэффициент усиления антенны 6—7 дБ, уровень побочных лепестков в пределах 12 — 14 дБ, КБВ — более 0,5. Кабель снижения применяется с волновым сопротивлением 75 Ом.

Модели антенн современных производителей

Модели современных производителей антенн, выпускающих продукцию под марками Дельта, Локус, Логос, чаще всего представляют собой соединение двух антенн: волновой канал (с двумя или четырьмя вибраторами) для приема радиоволн МВ-диапазона и логопериодическую для приема радиоволн ДМВ-диапазона. Обычно каждая модель имеет несколько модификаций: антенна без усилителя (пассивная), антенна с усилителем ДМВ, антенна с широкополосным (МВ и ДМВ) усилителем.

Оптовая продажа антенн.

Мы осуществляем оптовую продажу эфирных комнатных и наружных (уличных) и спутниковых антенн.
Продавая антенны оптом, мы осуществляем доставку до любой транспортной компании и отправку во все регионы России.
При подготовке статьи были использованны материалы из открытых источников.