Лекция
Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про антенны, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое антенны, антенна, структурная схема антенны, классификация антенн, характеристики антенн, теорема взаимности , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.
антенна — составная часть любой радиотехнической системы. Основное назначение антенны — излучать и принимать электромагнитную энергию. Основная задача, которую выполняетлюбая антенн — преобразование одного вида энергии в другой. Передающая антенна преобразует энергию токов высокой частоты в энергию пространственной электромагнитной волны, решаяпри этом вторую задачу — создается определенная направленность излучения, т.е. концентрация электромагнитного поля в определенном направлении. Приемная антенна решает обратнуюзадачу — преобразует в электрический ток электромагнитную волну, приходящую в пределах определенного сектора углов пространства.
Многообразие антенн определяется не только конструктивными особенностями, но и их функциональным назначением. Антенны можно подразделять на группы по разным признакам. Поформе — на электрические или магнитные, по виду поляризации — на антенны горизонтальной, вертикальной или круговой поляризации, по ширине частотного диапазона — на узкополосныеи широкополосные, по частотным свойствам — на резонансные и апериодические, по направлению излучения — на направленные и ненаправленные.
В ней можно выделить следующие элементы:
Под входом антенны обычно понимают сечение линии передачи с волной заданного типа. Современные антенны могут иметь несколько, а иногда сотни и тысячи входов.
Согласующее устройство предназначено для обеспечения режима питающей линии, как можно более близкого к бегущей волне.
Распределитель антенны представляет конструкцию из проводников и диэлектриков и предназначен для создания нужного закона распределения излучающих токов, обеспечивающего формирование требуемой характеристики направленности.
Излучающая система представляет собой область, в которой протекают токи, возбуждающие электромагнитные волны. В качестве излучающей системы могут фигурировать как реальные электрические токи, текущие по металлическим поверхностям, так и эквивалентные фиктивные электрические и магнитные токи на замкнутых поверхностях, окружающих антенну, а также токи электрической и магнитной поляризации в объемах, занимаемых магнитодиэлектриками.
По способу возбуждения и усиления антенны делятся на четыре категории:
- простые излучатели (рис.5.1):
- групповые излучатели;
- излучающие структуры;
-апертурные излучатели.
Такая классификация не всегда оказывается однозначной.
Между отдельными категориями нередко наблюдаются пересечения.
ж) з) и) Рис. 5.1 — Простые излучатели
Излучатели состоят из отдельных элементов.
К их числу относят:
К простейшим излучателям относятся следующие структуры.
Сферический излучатель, называемый также изотропной антенной. Представляет собой антенну без потерь, равномерно излучающую во все стороны или принимающую со всехнаправлений. Диаграммой направленности антенны является сфера. Такая антенна неосуществима, но используется как теоретический эталон.
Диполь Герца. Излучатель носит имя немецкого физика Г. Р. Герца (1857—1894 гг.); его называют также элементарным электрическим излучателем или элементарным электрическимвибратором. Для реализации диполя используется вибратор с концевыми емкостями, укороченный относительно длины волны излучения. По сравнению с изотропным излучателем он обладаетнаправленностью, перпендикулярной оси вибратора. Диаграмма направленности имеет вид двух окружностей с нулевыми значениями в направлениях оси диполя.
Диполь Фитцджеральда. Назван в честь ирландского физика Ф. Дж. Фитцджеральда
(F.G. Fitzerald) и также известен как элементарный магнитный излучатель или элементарный магнитный вибратор. Реализуется в виде токовой рамки, размер которой меньше длины волны. Вотличие от изотропного излучателя характеризуется направленностью, соответствующей плоскости рамки. Диаграмма направленности состоит из двух окружностей с двумя нулевымизначениями в направлениях, перпендикулярных плоскости рамки.
Излучатель Гюйгенса. Носит имя нидерландского физика X. Гюйгенса (Ch.Huygens); представляет собой сочетание небольшой рамки (магнитная часть) и короткого вибратора в ееплоскости (электрическая часть). Такое устройство применяется для определения направления при радиопеленгации. Диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостяхвыглядят как кардиоиды и имеют одну нулевую точку.
Линейные антенны. К ним относятся следующие структуры.
Диполь, или вибратор. Простейшей антенной с симметричным питанием является двухполюсник (диполь) с синусоидальным распределением тока. Полуволновый вибраторхарактеризуется длиной λ/2 (старое название -дуплет). Длина волнового вибратора равна λ (двойной «Цеппелин»). Антенну длиной 1,28λ называют удлиненным двойным «Цеппелином».Широкополосный вибратор представляет собой диполь в виде конуса (конический вибратор, двойной конический вибратор) или плоскостной диполь (веерный вибратор, плоский вибратор). Кнесимметричным (преимущественно вертикальным) вибраторам относятся коаксиальный вибратор, конусно-цилиндрическая и дисконусная антенны.
Несимметричный вибратор (монополь). Другие названия — униполь, полудиполь, антенна Маркони (Marconi). К простейшим типам антенн с несимметричным питанием принадлежитоднополюсник (монополь) или полудиполь с синусоидальным распределением тока над проводящей поверхностью (землей). Длина антенн составляет λ/4. Подобные антенны принадлежат ктипу Groundplane, если проводящая поверхность заменена противовесом. Используются также вертикальные антенны длиной λ/2 и 5λ/8. К широкополосным монополям относятся конические иплоские веерные антенны.
Длинный провод. Длина этих проволочных антенн больше рабочей длины волны. Они бывают симметричными или асимметричными, питаются стоячими или бегущими волнами, могутбыть резонансными или апериодическими. Примерами служат змейковая и аэростатная антенны, антенна Бевереджа, TFD, T2FD.
Рамочные антенны — замкнутые антенны с элементами в виде рамок.
Малая рамка (магнитная антенна). Ее периметр мал по сравнению с длиной волны и составляет приблизительно 1/10 λ. Пример антенны этого типа — обмотка катушки или ферритоваястержневая антенна.
Большая рамка. Периметр большой рамки составляет примерно 1 λ. К таким антеннам относятся петлевой вибратор, дисковая и квадратная антенны и антенна типа Delta-Loop.
Щелевые антенны. Замкнутые антенны со щелевыми элементами на проводящей поверхности. Длина щелей составляет от λ/2 до λ, а сами они бывают линейными (щели на
плоскости или цилиндре) иликрестообразными (например, на дисковой щелевой антенне).
Активные антенны — представляют собой пассивный элемент (вибратор или монополь) со встроенной «активной частью» (усилителем). В результате получается малогабаритнаячувствительная и широкополосная антенная система, однако линейность ее ограничена и не соблюдается принцип взаимности. Пример: активные приемные антенны.
Групповые излучатели. Излучатель образуется группой отдельных излучающих устройств. Свойства излучения определяются расположением излучателей и особенностями их питанияпо фазе и амплитуде. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Благодаря управлению фазой достигается электронное сканирование пространства главным лучом (группа с фазовым управлением). Количество отдельных излучателейможет быть произвольным, что позволяет получать практически любое распределение излучения в пространстве. Эта категория антенн подразделяется на следующие группы:
- линейные:отдельные излучатели группы выстроены в линию (одномерное построение);
- плоскостные: отдельные излучатели располагаются в одной плоскости (двухмерное распределение), как правило,перед отражателем; группа может состоять из нескольких подгрупп (2x2, 4x4 ит.д.);
- пространственные: характеризуются трехмерным размещением одиночных излучателей (кольцевыеизлучатели, конформные группы и т.д.); -
-с сетевым питанием, когда используются две системы питания: матричная, когда при возбуждении на одной и той же частоте система позволяетодновременно формировать множество независимых одна от другой диаграмм направленности (пример: матрица Батлера); и адаптивная, когда положения главного луча и нулевых точекдиаграммы направленности групповой антенны достигаются заданием требуемых фаз и амплитуд (пример: адаптивная антенная система).
Входящие в состав антенн излучатели состоят из излучающих структур различных форм. Врамках этой категории выделяют два подвида структур: -плоские; - пространственные.
К плоским структурам относятся следующие (рис.5.2):
К пространственным структурам относятся следующие (см. рис. 5.2):
Апертурные излучатели. Излучатель образован поверхностью раскрыва (апертурой). Диаграмма направленности таких антенн зависит от формы и размеров апертуры ираспределения на ней поля излучения. К этой категории относятся также антенны, излучающие высшие гармоники. Данная категория подразделяетсяна следующие антенны:
а) короткий — то же, что и линза ближнего поля;
б) длинный: стержневой (например, полистироловая стержневая антенна);
трубчатый (образован цилиндрической трубкой);
ступенчатый (выполнен из стержней, толщина которых меняется ступенчато);
пластинчатый (составлен из пластин, толщина которых меняется ступенчато);
- на рассеянных волнах. Излучение распространяющихся волн выходит сквозь отверстия волновода, расположенные через равные или периодически меняющиеся промежутки. К такимантеннам относятся: излучающая коаксиальная линия; продольные щели в волноводе (рис. 5.4); поперечные прорези в прямоугольном волноводе; антенна поверхностных волн.
Рис. 5.2 — Строение излучателей. Антенны: а) логопериодическая вибраторная; б) логопериодическая V-образная; в) в форме меандра; г) зигзагообразная; д) логопериодическая вибраторная поЛандсторферу; е) архимедова спираль; ж) логарифмическая спираль; з) логопериодическая планарная; и) логопериодические, соприкасающиеся передними концами; к) цилиндрическаяспиральная; л) коническая спиральная
Рис. 5.3 — Рупорные излучатели: а) Н-секториальный; б) Е-секториальный; в) пирамидальный; г) конический; д) описание геометрии рупора
Рис. 5.4 — Волноводно-щелевая антенна
Перечислим типы антенн.
Антенна-осциллятор - 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского университета была получена антенна-осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с ее помощью огромные объемы информации.
Электромагнитное излучение, создаваемое антенной, обладает свойствами направленности и поляризации. Антенна как двухполюсник обладает входным сопротивлением (импедансом). Реальная антенна преобразует в электромагнитную волну лишь часть энергии источника; остальная энергия расходуется в виде тепловых потерь. Для количественной оценки перечисленных и ряда других свойств антенна описывается набором радиотехнических и конструктивных характеристик и параметров, в частности:
1. В основе теории любой проволочной антенны находится теория длинных линий. На ее основе можно определить распределение тока и потенциалов в симметричном вибраторе.
2. Теория проволочных антенн полностью базируется на теории диполя Герца, который представляется в виде очень короткого прямолинейного проводника с равномернымамплитудным распределением тока.
3. Для определения мощности излучения используется теорема Пойнтинга.ПОЙНТИНГА ТЕОРЕМА - теорема, описывающая закон сохранения энергии эл--магн. поля. Теорема была доказана в 1884 Дж. Пойнтингом (J. Н. Poynting).
4. В основе теории проволочных антенн используется теорема взаимности , согласно которой теория приемных антенн строится с применением результатов, полученных для передающих антенн.
5. принцип обратимости антенн Все антенны обладают свойством обратимости. Этот принцип гласит, что антенны обладают одинаковыми характеристиками, в частности, коэффициентом усиления и диаграммой направленности независимо от направления передачи электромагнитных волн. Если, например, передается тестовый сигнал и измерена диаграмма направленности в дальней зоны антенны, то согласно принципу обратимости диаграмма направленности этой антенны, работающей в режиме приема, будет точно такой же
Пусть в безграничном пространстве, заполненном изотропной, линейной средой (следовательно, исключаются случаи распространения в ионосфере, в ферритах и т.п.), параметры которой ε , µ и σ не зависят ни от направления, ни от амплитуды векторов поля 
и 
, расположены антенны А1 и А2 (рис. 2.1). Подключим к антенне 
генератор токов высокой частоты, а к антенне 
– приемник (рис. 2.1, а). Тогда на клеммах первой антенны возникнет ток 
, а на клеммах второй – ЭДС 
.
При перемене местами генератора и приемника (рис. 2.1, б) возникнут, соответственно, ток I2 на клеммах А2 и ЭДС E - A1 на клеммах А1. Теорема взаимности утверждает, что эти токи и ЭДС связаны между собой соотношением
т.е. отношение тока в передающей антенне к возбуждаемой им ЭДС в приемной не меняется при перемене местами передатчика и приемника.
В частности, при одинаковых токах в режимах передачи и приема возникают одинаковые ЭДС:
Поставим в режим передачи линейно-поляризованную антенну направленного действия А1, а в режим приема – диполь Герца А2 (рис. 2.2, а). Будем считать, что для А1 в режиме передачи действующая высота 
известны. Совместим плоскости
поляризации антенн и сориентируем приемный диполь параллельно вектору E21 r поля, создаваемого в дальней зоне антенной А1.
Напряженность поля, создаваемого линейно-поляризованной антенной А1 с током I1 на расстоянии R в точке, где расположен диполь, такова:
ЭДС, наводимая в диполе Герца, равна произведению его длины L на напряженность поля Е21, так как распределение тока вдоль диполя – постоянное:
Поставим теперь направленную антенну А1 в режим приема, а диполь Герца А2 – в режим передачи (рис. 2.2, б).
Напряженность поля, создаваемого диполем с током I2 на расстоянии R в направлении максимума равна
ЭДС в направленной антенне А1 можно выразить через ее параметры в режиме приема:
По теореме взаимности при равных токах в режиме передачи 
ЭДС в режиме приема тоже равны 
. Тогда
Это уравнение должно выполняться при любой ориентации направленной антенны (с сохранением плоскости поляризации), т.е. при любых углах θ и ϕ, что возможно лишь при тождественном совпадении ДН, а следовательно, и равенстве действующих высот в режимах передачи и приема:
Действующя высота антены
Эквивалентная схема замещения антенны
Направленные свойства антенн
Многолепестковая диаграмма направленности антенны в полярной системе координат
Колличественная оценка направленных свойств анетенн
Использование направленных свойств антенн
Диапазонные свойства антенн
Поляризационная характеристика антенны
Физические процессы при излучении и приеме радиоволн
Излучение радиоволн элементарным диполем
Диаграмы направленности антен в прямоугольных и полярных координатах
Статью про антенны я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое антенны, антенна, структурная схема антенны, классификация антенн, характеристики антенн, теорема взаимности и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны
Комментарии
Оставить комментарий
Устройства СВЧ и антенны
Термины: Устройства СВЧ и антенны