Какие ключевые параметры определяют работу антенны. Почему важны частотный диапазон и полоса пропускания. Как согласовать импеданс антенны и линии передачи. Какую роль играет направленность излучения. Как выбрать оптимальную поляризацию.
Частотные характеристики антенн
Одним из важнейших параметров любой антенны является рабочий диапазон частот. Антенны обычно проектируются для работы в определенном частотном диапазоне:
- СНЧ (3-30 кГц) — сверхнизкие частоты
- НЧ (30-300 кГц) — низкие частоты
- СЧ (300 кГц — 3 МГц) — средние частоты
- ВЧ (3-30 МГц) — высокие частоты
- ОВЧ (30-300 МГц) — очень высокие частоты
- УВЧ (300 МГц — 3 ГГц) — ультравысокие частоты
- СВЧ (3-30 ГГц) — сверхвысокие частоты
- КВЧ (30-300 ГГц) — крайне высокие частоты
Выбор рабочей частоты определяется назначением антенны. Например, для сотовой связи используются УВЧ диапазон, а для спутниковой связи — СВЧ.
Важным параметром является также полоса пропускания антенны — диапазон частот, в котором антенна эффективно работает. Широкополосные антенны могут принимать сигналы в широком диапазоне, узкополосные — только в узкой полосе частот.
Импеданс антенны и согласование
Импеданс (полное сопротивление) антенны — это комплексная величина, характеризующая отношение напряжения к току на входе антенны. Типичные значения входного импеданса антенн — 50 или 75 Ом.
Для эффективной передачи энергии необходимо согласование импедансов антенны, фидера и передатчика/приемника. При рассогласовании возникают отражения сигнала и потери мощности.
Методы согласования импедансов:
- Четвертьволновые трансформаторы
- Согласующие устройства на LC-элементах
- Широкополосные трансформаторы
Правильное согласование импедансов позволяет максимально эффективно использовать мощность передатчика и чувствительность приемника.
Направленность антенн
Направленность характеризует способность антенны концентрировать излучение в определенном направлении. Количественно она оценивается коэффициентом направленного действия (КНД).
По направленности антенны делятся на:
- Изотропные — излучают равномерно во всех направлениях
- Слабонаправленные — имеют КНД до 10
- Направленные — КНД от 10 до 100
- Остронаправленные — КНД более 100
Направленные антенны позволяют увеличить дальность связи за счет концентрации энергии в нужном направлении. Их диаграмма направленности имеет ярко выраженный главный лепесток.
Поляризация антенн
Поляризация антенны определяется ориентацией вектора напряженности электрического поля излучаемой волны. Различают следующие виды поляризации:
- Линейная (вертикальная, горизонтальная, наклонная)
- Круговая (правая, левая)
- Эллиптическая
Для эффективной связи поляризации передающей и приемной антенн должны совпадать. Рассогласование по поляризации приводит к потерям сигнала.
Выбор типа поляризации зависит от условий распространения радиоволн и требований к системе связи. Например, для мобильной связи чаще используется вертикальная поляризация.
Коэффициент усиления антенны
Коэффициент усиления антенны — это отношение мощности на выходе реальной антенны к мощности эталонной антенны (обычно изотропной) при одинаковой подводимой мощности.
Усиление учитывает как направленные свойства, так и потери в антенне. Оно измеряется в децибелах относительно изотропного излучателя (дБи) или полуволнового диполя (дБд).
Типичные значения усиления:
- Штыревая антенна — 2-5 дБи
- Яги-антенна — 10-20 дБи
- Параболическая антенна — 30-50 дБи
Высокое усиление позволяет увеличить дальность связи или снизить мощность передатчика.
Эффективная площадь антенны
Эффективная площадь (или эффективная апертура) антенны — это величина, характеризующая способность антенны извлекать энергию из падающей на нее электромагнитной волны.
Она определяется как отношение мощности, выделяемой антенной в согласованной нагрузке, к плотности потока мощности падающей волны:
A_эфф = P_н / S_пад
Эффективная площадь связана с коэффициентом усиления антенны соотношением:
A_эфф = (λ^2 / 4π) * G
где λ — длина волны, G — коэффициент усиления.
Эта характеристика важна при расчете энергетического потенциала радиолинии.
Шумовая температура антенны
Шумовая температура антенны определяет уровень собственных шумов, создаваемых антенной. Она зависит от:
- Тепловых шумов элементов антенны
- Шумов, принимаемых антенной из окружающего пространства
Шумовая температура измеряется в кельвинах и может составлять от единиц до тысяч кельвинов. Низкая шумовая температура важна для приемных антенн высокочувствительных систем.
Для снижения шумовой температуры применяют:
- Охлаждение антенн (в том числе криогенное)
- Экранирование от внешних источников шума
- Оптимизацию конструкции антенны
Учет шумовой температуры необходим при расчете отношения сигнал/шум приемной системы.
Основные характеристики и параметры антенн
Излучаемая мощность Ри — мощность электромагнитных волн, излучаемых антенной в свободное пространство. Это активная мощность, так как рассеивается в пространстве, окружающем антенну. Следовательно, излучаемую мощность можно выразим, через активное сопротивление, называемое сопротивлением излучения Rи:
где Iа — эффективный ток на входе антенны.
Сопротивление излучения характеризует способность антенны к излучению электромагнитной энергии и в большей степени характеризует качество антенны, чем излучаемая ею мощность, поскольку последняя зависит не только от свойств антенны, но и от создаваемого в ней тока.
Мощность потерь Рп — мощность,
бесполезно теряемая передатчиком
во время прохождения тока по проводам
антенны, в земле
и предметах, расположенных вблизи
антенны.
Эта мощность
также является активной и может быть
выражена через активное сопротивление,
называемое сопротивлением потерь:
Мощность в антенне Ра — мощность, подводимая к антенне от передатчика. Эту мощность можно представить в видесуммы излучаемой мощности и мощности потерь:
Коэффициент полезного действия (КПД) антенны η — отношение излучаемой мощности к мощности, подводимой к антенне:
Входное сопротивление антенны — сопротивление на входных зажимах антенны. Оно имеет реактивную и активную составляющие. При настройке в резонанс антенна представляет для генератора чисто активную нагрузку и используется наиболее эффективно.
Направленность
антенны —
способность излучать электромагнитные
волны в определенных направлениях. Об
этом свойстве
антенны судят по диаграмме направленности,
которая графически показывает
зависимость напряженности поля или
излучаемой мощности
от направления.
Практически пользуются
нормированными
диаграммами направленности, где величины,
характеризующие
напряженность поля или мощность
излучения, выражены
не в абсолютных значениях, а отнесены
к максимальному значению.
В целях упрощения обычно используют не
пространственную
диаграмму направленности, а ограничиваются
диаграммами направленности в двух
плоскостях: горизонтальной и вертикальной.
На рис. 1.4, а показана диаграмма направленности симметричного вертикального вибратора в горизонтальной плоскости,
Рисунок 1.4
а на рис. 1.4 б и в — в вертикальной плоскости в полярной и прямоугольной системах координат соответственно.
Шириной диаграммы направленности
называют угол 2Θ (см.рис.
1.4, б и в), в пределах которого мощность
излучения уменьшается
не более чем в 2 раза по сравнению с
мощностью в направлении максимального
излучения. Так как мощность пропорциональна
квадрату напряженности поля, то границы
угла раствора
диаграммы направленности определяются
величиной от напряженности поля в направлении
максимального излучения.
Коэффициентом направленного действия D — называется отношение плотности потока мощности, излучаемой данной антенной в определенном направлении, к плотности потока общей излучаемой мощности в обеих антеннах. Наибольший интерес представляет коэффициент направленного действия D в направлении максимального излучения:
Коэффициентом усиления антенны Ga— называется произведение коэффициента направленного действия антенны на ее КПД, т. е.
Преимущественное излучение антенн в
заданном направлении эквивалентно
увеличению мощности передатчика.
Следовательно, направленность передающей
антенны весьма желательна. Исключение
составляют антенны радиостанций,
предназначенных для обслуживания
определенного района, в центре которого
находится станция.
Такие антенны не
должны обладать направленностью в
горизонтальной плоскости.
Действующая высота антенны Ад. Количество энергии, излучаемой каждым элементом антенны, пропорционально проходящему по нему току. Так как распределение тока в антенне неравномерно, то излучение различными элементами неодинаково: оно наиболее интенсивно в пучности тока и равно нулю в узле тока (рис. 1.5).
Если площадь, охватываемую кривой распределения тока и проводом антенны, заменить равным по площади прямоугольником, то количество излучаемой энергии не изменится. Полагая основание прямоугольника равным по величине амплитуде тока в основании антенны Iмо, получаем высоту прямоугольника, называемую действующей высотой антенны ().
Рис. 1.5 К определению действующей высоты антенны Рис.1.6 Распределение тока в Г – и Т- образных антеннах
Особенно важно понятие действующей высоты для приемных антенн, у которых оно определяет величину наводимой в них ЭДС:
где Ε
— напряженность
поля.
Для того чтобы увеличить Ад,
стремятся по
возможности обеспечить более равномерное
распределение
тока по вертикальной части антенны.
Это достигается путем добавления
к вертикальному проводу горизонтальных
проводов, так
называемых «емкостных шапок » На рис.
1.6, а и б
Антенны метровых, дециметровых и сантиметровых волн
Диапазон метровых (а в перспективе и дециметровых) волн используется в основном для телевидения, радиовещания и ЧМ радиосвязи с подвижными объектами. Диапазон сантиметровых волн отведен для различных видов многоканальной связи. Антенны указанных диапазонов можно разделить на две группы: вибраторные и поверхностные. К первой группе относятся одиночные вибраторы и антенны, состоящие из ряда вибраторов. Ко второй группе относятся, в частности, рупорные и рефлекторные антенны.
Телевизионные
передающие антенны должны обеспечивать
возможно большую
зону обслуживания, так как в большинстве
случаев телецентр располагается вблизи
середины зоны обслуживания,
диаграмма направленности передающей
антенны в горизонтальной
плоскости должна быть круглой.
Приемная телевизионная антенна, в отличие от передающей, должна обладать направленными свойствами для подавления возможных помех с направлений, не совпадающих с направлением на телецентр, и особенно для подавления сигналов от ближайших зданий и других препятствий. Прием запаздывающих сигналов приводит к многоконтурности изображения.
Наибольшее распространение получила приемная антенна типа «волновой канал» (рис 1.7). Активный вибратор 1 антенны выполнен в виде симметричного или чаще петлевого. С этого вибратора кабель снижения подается к телевизионному приемнику. За вибратором 1 располагается пассивный вибратор (рефлектор) 2, длина которого несколько больше активного, а перед активным— один или несколько пассивных вибраторов (директоров) 3
Рис. 1.7 Антенна типа «волновой канал»
В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн широко применяется антенна в виде рупора. Простейшей рупорной антенной является открытый конец металлической трубы прямоугольного или круглого сечения (волновода). Излучающая часть антенны называется раскрывом антенны. Отверстие волновода можно рассматривать как многовибраторную антенну, образованную из большого числа элементарных излучателей. Но такая антенна обладает недостатками. Резкое изменение условий распространения на открытом конце волновода приводит к значительному отражению. Кроме того, в раскрыве имеет место огибание излученными волнами краев конца волновода, что ухудшает направленные свойства антенны. Для уменьшения отражений и улучшения направленных свойств конец волновода выполняют в виде рупора (рис. 1.8).
Направленность
рупорной антенны увеличивается с ростом
площади
раскрыва рупора. В качестве самостоятельных
антенн рупоры применяются редко, но
часто входят в конструкцию многих
более сложных антенн.
Рис. 1.8. Рупорная антенна
Рис. 1.9. Параболическая рефлекторная антенна
Одной из таких антенн является зеркальная параболическая рефлекторная антенна (рис. 1.9). В этой антенне роль отражателя выполняет не пассивный вибратор, а металлическое зеркало, имеющее форму параболоида вращения или параболического цилиндра.
В фокусе параболоида 1 закреплен
Электромагнитное поле. Часть 2. Электромагнитные волны и оптика
Электромагнитное поле. Часть 2. Электромагнитные волны и оптика
ОглавлениеГлава XIII. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА§ 89. ЭЛЕМЕНТЫ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ. ТОНКАЯ ЛИНЗА § 90. ТОЛСТАЯ ЛИНЗА § 91. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ФАЗОВОГО ОБЪЕМА Глава XIV. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН § 92. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ И КОГЕРЕНТНОСТЬ § 93. ОБЛАСТЬ КОГЕРЕНТНОСТИ ПРОТЯЖЕННОГО ИСТОЧНИКА § 94. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ НЕМОНОХРОМАТИЧЕСКИХ ВОЛН § 95. ДВУХЛУЧЕВАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ § 96. ОДНОФОТОННАЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ Глава XV. ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН § 98. ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА — ФРЕНЕЛЯ § 99. ДИФРАКЦИЯ ФРЕНЕЛЯ § 100. ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА § 101. ФАЗОВЫЕ РЕШЕТКИ § 102. ДИФРАКЦИЯ И ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА § 103. СВЕРХРАЗРЕШЕНИЕ Глава XVI. ОПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ § 104. СПЕКТРАЛЬНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ § 105. ИНТЕРФЕРОМЕТР ФАБРИ—ПЕРО § 106. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЕКТРОМЕТРОВ Глава XVII.  ГОЛОГРАФИЯ§ 107. ГОЛОГРАФИЯ ФРЕНЕЛЯ § 108. ЛИНЗА КАК ФУРЬЕ-АНАЛИЗАТОР § 109. ГОЛОГРАФИЯ ФУРЬЕ § 110. ОБЪЕМНАЯ ГОЛОГРАФИЯ § 111. ПРОБЛЕМЫ ФОТОГРАФИИ В ГОЛОГРАФИИ § 112. ОПТИЧЕСКАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ § 113. НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГОЛОГРАФИИ Глава XVIII. РЕЛЯТИВИСТСКИ-ИНВАРИАНТНОЕ ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ § 115. ТЕНЗОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ § 116. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА § 117. ТЕНЗОР ЭНЕРГИИ-ИМПУЛЬСА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ § 118. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ-ИМПУЛЬСА ПОЛЯ Глава XIX. ПОТЕНЦИАЛЫ И ПОЛЯ ДВИЖУЩИХСЯ ЗАРЯДОВ § 119. ЗАПАЗДЫВАЮЩИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ § 120. ПОТЕНЦИАЛЫ ЛИЕНАРА — ВИХЕРТА § 121. ПОЛЕ ДВИЖУЩЕГОСЯ ЗАРЯДА § 122. ПОЛЕ ЗАРЯДА, ДВИЖУЩЕГОСЯ С ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТЬЮ Глава XX. ИЗЛУЧЕНИЕ НЕРЕЛЯТИВИСТСКИХ ЗАРЯДОВ § 124. ДИПОЛЬНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ § 125. МУЛЬТИПОЛЬНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ § 126. ТОРМОЖЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЕМ Глава XXI. ГЕНЕРАЦИЯ И ИНДИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В РАДИОДИАПАЗОНЕ § 127. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ТИПЫ АНТЕНН § 128.  ПРОВОЛОЧНЫЕ АНТЕННЫ§ 129. ДИФРАКЦИОННЫЕ АНТЕННЫ § 130. АНТЕННЫЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ § 131. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН И РАДИОСВЯЗЬ Глава XXII. ИЗЛУЧЕНИЕ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ § 133. УГЛОВОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ § 134. СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ § 135. ИЗЛУЧЕНИЕ ВАВИЛОВА—ЧЕРЕНКОВА § 136. ПЕРЕХОДНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Глава XXIII. РАССЕЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН § 137. РАССЕЯНИЕ ВОЛНЫ СВОБОДНЫМ ЗАРЯДОМ § 138. РАССЕЯНИЕ ВОЛНЫ СВЯЗАННЫМ ЗАРЯДОМ § 139. РАССЕЯНИЕ ВОЛНЫ СИСТЕМОЙ ЗАРЯДОВ § 140. РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ Глава XXIV. КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ § 141. ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ § 142. КВАНТОВАЯ ГЕНЕРАЦИЯ § 143. МАЗЕРЫ § 144. ЛАЗЕРЫ § 145. НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ ЛИТЕРАТУРА |
4.4: Характеристики антенны — технические библиотеки LibreTexts
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 18960
- Андреа М.
Митофски - Trine University
МитофскиЧетыре основных фактора, по которым различают антенны, — это частотная характеристика, импеданс, направленность и электромагнитная поляризация. При выборе антенны для конкретного применения следует учитывать эти факторы. В этом разделе обсуждаются эти и другие факторы, влияющие на выбор антенны.
Частота и пропускная способность
Электромагнитные волны широкого диапазона частот используются для связи. Различные названия даются электромагнитным сигналам в разных диапазонах частот. В таблице \(\PageIndex{1}\) перечислены названия, используемые для обозначения различных частотных диапазонов, для которых используются антенны.
| Частота | Аббревиатура | Имя |
|---|---|---|
| 30-3000 Гц | ЭЛЬФ | Чрезвычайно низкая частота |
| 3–30 кГц | СНЧ | Очень низкая частота |
| 30-300 кГц | ЛФ | Низкочастотный |
| 300 кГц -3 МГц | МФ | Средняя частота |
| 3–30 МГц | ВЧ | Высокая частота |
| 30–300 МГц | УКВ | Очень высокая частота |
| 300 МГц-3 ГГц | УВЧ | Ультравысокая частота |
| 3–30 ГГц | ШФ | Сверхвысокая частота |
| 30–300 ГГц | КВЧ | Чрезвычайно высокая частота |
Электромагнитные волны редко используются для связи в самой низкой полосе частот, указанной в таблице \(\PageIndex{1}\). Однако одним из примеров был проект ELF (сокращение от Extremely Low Frequency). Это была военная радиосистема США, которая использовалась для связи с подводными лодками и работала на частоте \(76 \text{Гц}\) [52]. Решетка включала в себя 84 мили антенн, расположенных рядом с передающими объектами в северном Висконсине и на верхнем полуострове Мичиган [52], и работала с 1988 по 2004 г. [53]. Он имел входную мощность 2,3 МВт, но пропускал только 2,3 Вт электромагнитного излучения из-за того, что длина используемых антенных элементов составляла небольшую долю длины волны. Несколько передаваемых ватт могли достигать подводных лодок под океаном по всему миру [52]. Для передачи или получения трехбуквенных сообщений требовалось 15-20 минут [52].
Антенны обычно используются для передачи и приема электромагнитного излучения в диапазоне частот от \(3 \text{ кГц} \lesssim f \lesssim 3 \text{ ТГц}\).
4 м\). Длина антенны часто того же порядка, что и длина волны. Хотя мы можем построить проволочные антенны такой длины, они не переносные. Другой пример: сигнал Wi-Fi, работающий на частоте \(2,5 \text{ГГц}\), имеет длину волны \(\lambda = 12,5 см\). Проволочные антенны такой длины легко собирать и транспортировать. Однако проволочные антенны, предназначенные для сигналов на более высоких частотах, могут быть трудно точно сконструированы из-за их небольшого размера. По этой причине проволочные антенны обычно используются на более низких частотах, а конические или пластинчатые антенны используются на более высоких частотах. 9{14} \text{ Гц}\). Антенна, предназначенная для передачи и обнаружения этого света, должна иметь длину примерно \ (\ frac {\ lambda} {2} \ приблизительно 250 нм \). Атом имеет длину около \(0,1 нм\), поэтому антенна, предназначенная для зеленого света, будет иметь длину всего около 2500 атомов. Антенны такого размера были бы непрактичны по многим причинам. Другая причина, по которой для передачи и приема оптических сигналов необходимы разные методы, заключается в том, что электрические цепи не могут работать со скоростью оптических частот.
Методы передачи и обнаружения оптических сигналов обсуждаются в главах 6 и 7.
При выборе антенны следует учитывать диапазон частот, которые будут передаваться или приниматься, а также их пропускная способность. Некоторые антенны предназначены для работы в узком диапазоне частот, в то время как другие антенны предназначены для работы в более широком диапазоне частот. Антенна с узкой полосой пропускания будет полезна в том случае, когда антенна используется для приема сигналов только в определенной полосе частот, тогда как антенна с широкой полосой пропускания будет полезна, когда антенна должна принимать сигналы в более широком диапазоне частот. Например, антенна, предназначенная для приема эфирных телевизионных сигналов в США, должна быть рассчитана на широкий диапазон от \(30 \text{ МГц} — 3 \text{ Г Гц}\), поскольку телевизионные сигналы попадают в УКВ и диапазоны УВЧ.
Как и все датчики, антенны обнаруживают как сигнал, так и шум. Шум в радиоприемнике может быть внутренним по отношению к приемной схеме или из-за внешних источников, таких как другие близлежащие передатчики [49, с.
4]. Антенна с широкой полосой пропускания будет получать больше шума из-за внешних источников, чем антенна с узкой полосой пропускания. Шумовые характеристики антенны влияют на возможность приема слабых сигналов, поэтому их следует учитывать при выборе антенны для приложения [50].
Полное сопротивление
И антенны, и линии передачи имеют волновое сопротивление. Термин линия передачи определен в гл. 4.3 в виде длинной пары проводников. Если длина проводников велика по сравнению с длиной волны передаваемого сигнала, напряжение и ток могут изменяться по длине линии, и в линии может накапливаться энергия. По этой причине линии передачи описываются волновым сопротивлением в омах. Характеристический импеданс дает отношение напряжения к току вдоль линии и дает информацию о способности линии передачи накапливать энергию в электрическом и магнитном поле. Типичные значения импеданса линий передачи, используемых для связи, составляют 50 или 75 \(\Омега\). Точно так же каждая антенна имеет собственное характеристическое сопротивление, измеряемое в омах, которое представляет собой отношение напряжения к току в антенне.
Почему импеданс важен? Передающие антенны часто физически удаляются от источника сигнала и соединяются линией передачи. Точно так же приемные антенны часто находятся в другом месте, чем приемные схемы, и соединены линией передачи. Для эффективной передачи сигнала между передающей или приемной схемой и антенной импеданс между антенной и линией передачи должен быть согласован. В этом случае, когда характеристические сопротивления линии и антенны равны, энергия течет по линии передачи между схемой и антенной. Линии электропередач состоят из хороших, но не идеальных проводников. Небольшое количество энергии может быть преобразовано в тепло из-за сопротивления в линиях, но это количество энергии часто незначительно. Однако, если существует несоответствие импеданса между антенной и линией передачи, на интерфейсе антенны линии передачи возникнут отражения. Меньше энергии будет передаваться к антенне или от нее, потому что энергия будет храниться в линии, и количество задействованной энергии может быть значительным.
В правильно спроектированной системе, если импедансы антенны и линии передачи согласованы, отражения не происходит, поэтому к антенне или от антенны передается максимально возможное количество энергии.
Импеданс антенны зависит от частоты. Антенны передают и принимают сигналы связи, которые почти никогда не являются синусоидами одной частоты. Однако часто сигналы содержат только компоненты с частотами в узком диапазоне. Например, радиостанция может иметь несущую частоту \(100 \text{ МГц}\) и передавать сигналы с частотными составляющими \(99,99 \text{ МГц} < f < 100,01 \text{ МГц}\) . В этом случае импеданс антенны может быть аппроксимирован импедансом на частоте \(100 \text{ МГц}\).
Направленность
Антенны могут быть спроектированы так, чтобы излучать энергию одинаково во всех направлениях. В качестве альтернативы антенны могут быть спроектированы так, чтобы излучать энергию в основном в одном направлении. Направленность \(D\) является безразмерной мерой равномерности диаграммы направленности.
Он определяется как отношение максимальной плотности мощности к средней плотности мощности.
\[D = \frac{\text{Максимальная плотность мощности, излучаемая антенной}}{\text{Средняя плотность мощности, излучаемая антенной}} \nonumber \]
Антенна, излучающая одинаково во всех направлениях, называется изотропной. Антенна, излучающая одинаково в двух, но не в третьем, направлениях, называется всенаправленной [15]. Например, всенаправленная антенна может излучать одинаково во всех горизонтальных направлениях, но не в вертикальном направлении. Изотропные антенны имеют \(D = 1\), а все остальные антенны имеют \(D > 1\). Для некоторых приложений требуется изотропная антенна. Например, радиостанция в центре города может использовать изотропную или всенаправленную антенну для передачи на весь город. В других случаях предпочтительнее использовать направленную антенну. Стационарная метеостанция, которая передает данные на стационарную базовую станцию, будет тратить энергию впустую, используя изотропную антенну, потому что она может использовать меньшую мощность передачи при той же мощности приема, используя направленную антенну.
92}. \nonumber \]
Уравнение \ref{4.4.3} известно как уравнение Фрииса [55]. Принимаемая мощность будет меньше, чем указано в уравнении 4.2.2 или \ref{4.4.3} из-за потерь в воздухе или другом материале, через который проходит сигнал, и из-за разницы в электромагнитной поляризации между передатчиком и приемником [49, п. 4].
Направленность — это грубая мера антенны. Более точным показателем является график диаграммы направленности. Диаграмма диаграммы направленности представляет собой графическое представление интенсивности излучения в зависимости от положения в пространстве. График диаграммы направленности может быть 3D-графиком или парой 2D-графиков. В случае использования двух 2D-графиков один из графиков является азимутальным, а другой — высотным. На азимутальном графике показан горизонтальный срез трехмерной диаграммы направленности, параллельный плоскости xy. График высот показывает вертикальный срез, перпендикулярный плоскости xy. Большинство графиков диаграмм направленности, в том числе все показанные в этом тексте, помечены амплитудой электрического поля [15] [56].
Однако иногда вместо этого они обозначаются амплитудой мощности. Диаграмма направленности антенны совершенно различна в ближней зоне, на расстоянии меньше длины волны, и в дальней зоне, на расстоянии намного больше длины волны. Графики диаграммы направленности иллюстрируют только поведение в дальней зоне.
На рисунке \(\PageIndex{1}\) показана диаграмма направленности полуволновой дипольной антенны в свободном пространстве, построенная с помощью программы EZNEC [56]. Аббревиатура NEC расшифровывается как числовой код электромагнетизма. Рисунок в левом верхнем углу — это график азимута, рисунок в правом верхнем углу — график угла места, рисунок в левом нижнем углу — это трехмерный график диаграммы направленности, а рисунок в правом нижнем углу — схема размещения антенны.
На рисунке \(\PageIndex{2}\) показаны графики диаграммы направленности для 15-метровой счетверенной антенны. Отчетливые лепестки и нули очевидны.
Соотношение передней и задней части (\(\text{отношение F/B}\)) — это мера, связанная с направленностью, которую можно найти на графике диаграммы направленности по азимуту.
По определению, это отношение силы мощности, излучаемой спереди, к мощности, излучаемой сзади. Часто направление вперед выбирается как направление наибольшей амплитуды на графике диаграммы направленности, а направление назад является противоположным направлением. \(\text{отношение F/B}\) может быть указано либо в логарифмической шкале в единицах \(\text{дБ}\), либо в линейной шкале, которая не имеет единиц измерения. Его также можно определить либо как отношение напряжённостей электрических полей, либо как отношение напряжённостей мощностей, но чаще всего используют мощности.
\[\text{отношение F/B} = \left[\frac{P_{передний}}{P_{задний}}\right]_{dB} = 10\log_{10}\left[\frac{ P_{спереди}}{P_{сзади}}\справа]_{лин} = 20\log_{10}\слева[\frac{|\overrightarrow{E}_{спереди}|}{|\overrightarrow{E} _{назад}|}\right]_{lin} \nonumber \]
Рисунок \(\PageIndex{1}\): Графики диаграммы направленности для полуволновой дипольной антенны.Рисунок \(\PageIndex{2}\) : Графики диаграммы направленности для 15-метровой счетверенной антенны.
\[\text{отношение F/B} = \left[\frac{P_{front}}{P_{back}}\right]_{dB} = 2\left[\frac{|\overrightarrow{E} _{спереди}|}{|\overrightarrow{E}_{сзади}|}\справа]_{дБ} \номер\]
\(\text{отношение F/B}\) для примера на рис. \(\PageIndex{2}\) можно рассчитать по графику азимута. Напряженность поля в прямом направлении \(9 \text{дБ}\) больше, чем напряженность поля в обратном направлении.
\[\left[\frac{|\overrightarrow{E}_{спереди}|}{|\overrightarrow{E}_{сзади}|}\right]_{дБ} = 9 \text{дБ} \ nonumber \]
Из этой информации мы можем рассчитать напряженность поля во фронтальном направлении до напряженности поля в линейной шкале. 9{\frac{9}{10}} = 7,94 \nonumber \]
Если эта антенна используется в качестве передатчика, сигнал в прямом направлении в 7,9 раз сильнее, чем сигнал в обратном направлении. Соотношение между передней и задней частями определяет отношение мощности, и для этой антенны оно равно \(18 \text{дБ}\).
\[\text{отношение F/B} = \left[\frac{P_{front}}{P_{back}}\right]_{dB} = 2\left[\frac{|\overrightarrow{E }_{front}|}{|\overrightarrow{E}_{back}|}\right]_{dB} = 18 \text{dB} \nonumber \]
При выборе антенны многие решения, связанные с нужна направленность антенны.
Для конкретного применения может потребоваться изотропная или направленная антенна. Если необходима направленная антенна, необходимо определить величину направленности. Кроме того, ориентация антенны должна быть определена таким образом, чтобы узлы и нули находились в соответствующих направлениях. Следует учитывать как азимутальный угол, так и угол места узлов и нулей [50, с. 22-1].
Электромагнитная поляризация
Электромагнитная волна, исходящая от передающей антенны, описывается электрическим полем \(\overrightarrow{E}\) и магнитным полем \(\overrightarrow{H}\). Волна обязательно имеет как электрическое поле, так и магнитное поле, потому что, согласно уравнениям Максвелла, изменяющиеся во времени электрические поля индуцируют изменяющиеся во времени магнитные поля, а изменяющиеся во времени магнитные поля индуцируют электрические поля. В любой точке пространства и в любое время направление электрического поля, направление магнитного поля и направление распространения волны взаимно перпендикулярны.
Точнее,
\[ \left( \text{Направление } \overrightarrow{E} \right) \times \left( \text{Направление } \overrightarrow{H} \right) = ( \text{Направление распространения} ) . \nonumber \]
Электромагнитная волна, которая изменяется в зависимости от положения так же, как и во времени, называется плоской волной, поскольку плоские волновые фронты распространяются с постоянной скоростью в заданном направлении. Например, синусоидальная плоская волна, распространяющаяся в положительном направлении \(\hat{a}_z\), описывается как
9{\circ}\) от оси \(\hat{a}_y\) и снова распространяется в направлении \(\hat{a}_z\). Оба этих электрических поля описывают синусоидальные плоские волны, потому что электрическое поле меняется в зависимости от положения, как и во времени, синусоидально в обоих случаях. Мы можем классифицировать плоские волны по их электромагнитной поляризации. Плоские волны могут быть классифицированы как линейно поляризованные, левополяризованные по кругу, правополяризованные по кругу, левоэллиптически поляризованные или правоэллиптически поляризованные.
В предыдущей главе мы столкнулись с совершенно иной идеей материальной поляризации. Приложение C обсуждает перегруженную терминологию, включая термин поляризация.
Обе электромагнитные волны, описываемые уравнением 4.4.13 и уравнением 4.4.14, линейно поляризованы. В обоих случаях направление электрического поля остается постоянным по мере распространения волны как по положению, так и по времени. Если направление электрического поля равномерно вращается вокруг оси, образованной направлением распространения, волна называется поляризованной по кругу. Если направление электрического поля вращается неравномерно, волна называется эллиптически поляризованной. Для волн с круговой поляризацией проекция волны на плоскость, перпендикулярную оси, образованной направлением распространения, является круговой. Для эллиптических волн проекция эллиптическая. Чтобы определить, является ли поляризация левой или правой, направьте большой палец правой руки в направлении распространения и сравните вращение электрического поля с вращением ваших пальцев.
Если вращение происходит в направлении пальцев правой руки, волна имеет правую поляризацию. В противном случае он остается поляризованным. Например, волна, описываемая 96t — 300z) \frac{\hat{a}_y}{\sqrt{2}} \nonumber \]
имеет левую круговую поляризацию. Эти определения проиллюстрированы на рис. \(\PageIndex{3}\).
Какое отношение электромагнитная поляризация имеет к антеннам? Антенны могут быть предназначены для передачи сигналов с линейной, круговой или эллиптической поляризацией. Антенны, предназначенные для передачи или приема сигналов с круговой поляризацией, часто содержат провода, которые наматываются в соответствующем направлении вокруг оси. Если сигнал передается с помощью антенны, предназначенной для передачи линейно поляризованных волн, лучшей антенной для использования в качестве приемника будет та, которая также предназначена для линейно поляризованных волн. Сигнал может быть обнаружен антенной, рассчитанной на сигнал другой электромагнитной поляризации, но принимаемый сигнал будет более шумным или более слабым.
Точно так же, если сигнал передается с помощью антенны, предназначенной для правой круговой поляризации, лучше всего использовать приемную антенну, также предназначенную для правой круговой поляризации.
Другие соображения по поводу антенн
Антенны сделаны из хороших проводников. В главах 2 и 3 мы видели, что материалы, из которых состоят многие устройства преобразования энергии, сильно влияют на их поведение. Хотя проводимость проводников различается, в целом материал, из которого изготовлена антенна, не оказывает существенного влияния на ее поведение. В дополнение к полосе пропускания, импедансу, направленности и электромагнитной поляризации одну антенну отличают от другой другие факторы, такие как размер, форма и конфигурация. Следует учитывать и механические факторы. Идеальная антенна может быть простой в изготовлении или установке в нужном месте, портативной или требующей минимального обслуживания [50].
Если антенна должна быть установлена снаружи, она должна выдерживать снег, ветер, лед и другие экстремальные погодные условия [50]. Хотя уравнения Максвелла полезны для прогнозирования диаграммы направленности антенны, они не дают информации об этих других факторах.
Идеальной антенны не бывает. В одном случае лучшей антенной может быть Yagi, которая очень направлена и предназначена для работы в узком диапазоне частот. В другом приложении лучшая антенна может быть механически прочной и смонтирована так, чтобы выдерживать сильный ветер [50, с. 17-29]. В другом случае лучшая антенна может быть портативной и легко настраиваемой одним человеком независимо от ее диаграммы направленности [50, с. 21-26]. В другом случае лучшей антенной может быть провод произвольной длины, свисающий с дерева, потому что его было проще и быстрее всего построить. Как и в любой области техники, при проектировании антенн приходится идти на компромиссы. Например, лучшей антенной для обнаружения \(800 \text{ МГц}\) линейно поляризованного сигнала является антенна, предназначенная для обнаружения \(800 \text{ МГц}\) сигналов, предназначенная для обнаружения линейно поляризованных сигналов, ориентирован в правильном направлении и имеет импеданс, соответствующий импедансу используемой линии передачи.
Сигнал по-прежнему можно обнаружить с помощью антенны, предназначенной для другой частоты, предназначенной для другой электромагнитной поляризации, неправильно направленной или с несогласованным импедансом. Однако во всех этих случаях будет получен менее интенсивный сигнал.
Эта страница под названием 4.4: Характеристики антенны распространяется под лицензией CC BY-NC 4.0 и была создана, изменена и/или курирована Андреа М. Митофски посредством исходного контента, отредактированного в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.
- Наверх
- Была ли эта статья полезной?
- Тип изделия
- Раздел или Страница
- Автор
- Андреа М. Митофски
- Лицензия
- CC BY-NC
- Версия лицензии
- 4,0
- Показать оглавление
- нет
- Теги
- источник@https://www.trine.edu/books/documents/de_text1.0.0.pdf
МитофскиЧто такое антенна? Различные типы антенн и характеристики антенн
В этом уроке мы узнаем об антеннах, о том, какие существуют типы антенн, различные свойства антенн и многие другие важные аспекты антенн.
Если вы заинтересованы в Беспроводная связь Инжиниринг, будет время, когда вы столкнетесь с проектированием или работой с антеннами. Независимо от области интересов, я надеюсь, что этот учебник по антеннам и различным типам антенн будет полезен даже нетехническому человеку.
[адсенс1]
Важное примечание:
- Теория антенн включает в себя множество сложных математических расчетов, начиная с электромагнитных волн, уравнений Максвелла, характеристик мощности, излучения и т. д.
- Их обсуждение выходит за рамки этого руководства, так как это всего лишь вводная работа.
Схема
Антенны повсюду
Возможно, вы знакомы с антеннами в целом, независимо от того, понимаете ли вы принцип работы антенны. Везде, где есть беспроводная связь, есть антенна. Форма, размер и тип антенны могут быть разными, но, тем не менее, антенна задействована.
ПРИМЕЧАНИЕ. Беспроводная связь , такая как инфракрасная связь, является исключением.
Например, рассмотрим два самых важных устройства в нашей жизни: мобильный телефон и телевизор (или просто телевизор). Оба этих устройства полагаются на беспроводную связь, и, следовательно, оба эти устройства должны каким-то образом иметь связанную с ними антенну.
[адсенс2]
ВНИМАНИЕ: Кабельное телевидение здесь не обсуждается, несмотря на наличие антенны (обычно с оператором, который принимает сигнал с помощью антенны и передает его по коаксиальному кабелю).
На самом деле, как эти устройства, так и многие другие беспроводные устройства, такие как маршрутизаторы, беспроводные модемы, игровые контроллеры, устройства Bluetooth (например, наушники) и т. д., так или иначе имеют антенну.
Итак, что такое антенна?
Антенна – это структура, связанная с областью перехода между «направленной волной» и «свободным пространством». Хорошо, это определенно не очень хорошее определение для новичка. Позвольте мне сказать так: Антенна (или иногда называемая антенной) — это электрическое устройство, которое преобразует электрическую энергию в электромагнитные волны (или просто радиоволны) и наоборот.
Сигнал от линии передачи или направляющего устройства (отсюда термин «направленная волна»), такого как коаксиальный кабель, подается на антенну, которая затем преобразует сигнал в электромагнитную энергию для передачи через пространство (отсюда термин «свободная волна»).
Космос).
Антенна может использоваться как для передачи, так и для приема электромагнитного излучения, т. е. передающая антенна собирает электрические сигналы с линии передачи и преобразует их в радиоволны, тогда как приемная антенна делает прямо противоположное, т. е. принимает радиоволны из космоса. и преобразует их в электрические сигналы и передает их в линию передачи.
Зачем нам Антенны?
Есть несколько причин, почему нам нужны или почему мы используем антенны, но важная причина, почему мы используем антенны, заключается в том, что они обеспечивают простой способ передачи сигналов (или данных), когда другие методы невозможны.
Возьмем, к примеру, самолет. Пилоту необходимо часто общаться с персоналом УВД. Если бы не было никакого смысла, если бы мы привязали трос (динамически изменяемой длины) к хвосту самолета и подключили его к УВД.
Беспроводная связь — единственный возможный вариант, а Антенны — это шлюз. Есть много ситуаций или приложений, в которых кабели предпочтительнее беспроводной связи с антеннами (например, высокоскоростной Ethernet или соединение между игровой консолью и телевизором).
Различные типы антенн
Теперь, когда мы немного узнали об антеннах в целом и о том, почему мы их используем, давайте продолжим и рассмотрим различные типы антенн. Существует несколько типов антенн и в каждой литературной работе есть своя классификация антенн.
Ниже перечислены некоторые распространенные типы антенн:
- Проволочные антенны
- Короткая дипольная антенна
- Дипольная антенна
- Рамочная антенна
- Монопольная антенна
- Логопериодические антенны
- Антенны-бабочки
- Логопериодические антенны
- Логопериодическая дипольная решетка
- Апертурные антенны
- Щелевая антенна
- Рупорная антенна
- Микрополосковые антенны
- Прямоугольная микрополосковая патч-антенна
- Четвертьволновая патч-антенна
- Рефлекторные антенны
- Плоская рефлекторная антенна
- Антенна с угловым отражателем
- Антенна с параболическим отражателем
- Линзовые антенны
- Антенны бегущей волны
- Антенна с длинным проводом
- Антенна Яги-Уда
- Спиральная проволочная антенна
- Спиральная антенна
- Массивные антенны
- Двухэлементная антенная решетка
- Линейная антенная решетка
- Антенны с фазированной решеткой
Давайте теперь кратко рассмотрим некоторые из этих различных типов антенн.
Проволочные антенны
Одной из наиболее часто используемых антенн являются проволочные антенны. Их можно найти в транспортных средствах (автомобилях), кораблях, самолетах, зданиях и т. д. Проволочные антенны бывают разных форм и размеров, например, прямой провод (диполь), петля и спираль.
Короткая дипольная антенна
Пожалуй, самая простая из всех антенн — короткая дипольная антенна. Это частный случай дипольной антенны.
В своей простейшей форме это провод разомкнутой цепи с подачей сигнала в центр. Термин «короткий» в короткой дипольной антенне напрямую не относится к ее размеру, а скорее к размеру провода относительно длины волны сигнала.
Для типичной короткой дипольной антенны длина провода составляет менее одной десятой длины волны рабочей частоты.
Дипольная антенна
Дипольная антенна состоит из двух проводников на одной оси, и длина провода должна быть меньше длины волны.
Рамочная антенна
Рамочная антенна состоит из одного или нескольких витков провода, образующих петлю. Излучение, создаваемое рамочной антенной, сравнимо с излучением короткой дипольной антенны.
Несимметричная антенна
Частным случаем дипольной антенны является несимметричная антенна, т. е. половина дипольной антенны.
Апертурные антенны
Класс направленных антенн. Апертурные антенны имеют отверстие в поверхности. Обычно апертурная антенна состоит из диполя или рамочной антенны в направляющей конструкции с отверстием для излучения радиоволн.
Щелевая антенна
Тип апертурной антенны, которая содержит одну или несколько щелей, прорезанных на поверхности волновода. Они обычно используются в микроволновых частотах и имеют всенаправленную диаграмму направленности.
Рупорная антенна
Одной из самых популярных антенн является рупорная антенна, которая обеспечивает переход между линией передачи и волной, распространяющейся в свободном пространстве.
Он действует как естественное продолжение волновода.
Основные параметры антенн (характеристики)
К настоящему времени у нас есть общее представление об антенне и о том, как она является важным компонентом системы беспроводной связи. Следующим важным моментом, который необходимо понять, является то, что характеристики типичной системы беспроводной связи зависят от характеристик антенны, используемой в системе.
Например, рабочие характеристики системы связи восходят к характеристикам направленности антенны. Независимо от приложения, в котором используется антенна, все антенны связаны с несколькими основными параметрами.
Эти параметры иногда также называют свойствами антенны или характеристиками антенны. Некоторые основные характеристики антенны перечислены ниже:
- Диаграмма направленности антенны
- Интенсивность излучения
- Направленность и усиление
- Эффективность излучения и усиление мощности
- Входное сопротивление
- Эффективная длина
- Полоса пропускания
- Эффективная апертура
- Поляризация антенны
Давайте разберемся в этих свойствах антенн один за другим.
Диаграмма направленности
Практичная антенна не может излучать энергию во всех направлениях с одинаковой силой. Излучение от антенны обычно оказывается максимальным в одном направлении, тогда как оно минимально или почти равно нулю в других направлениях.
Напряженность поля — это величина, которая используется для представления диаграммы направленности антенны. Обычно его измеряют в точке, расположенной на определенном расстоянии от антенны.
Вы можете измерить напряженность поля, рассчитав напряжение в двух разных точках на линии электропередач и разделив результат на расстояние между двумя точками. Следовательно, единицами напряженности поля являются вольты на метр.
Графически напряженность поля изображается в виде трехмерного графика, поскольку она является мерой напряженности электромагнитного поля в точках, равноудаленных от антенны.
Если график излучения антенны является функцией направления, то он называется просто Диаграмма направленности.
Но если он выражается через напряженность электрического поля в В/м, то он называется диаграммой напряженности поля (или диаграммы направленности).
На следующем рисунке показана диаграмма направленности поля для дипольных антенн с половиной длины волны и одной длиной волны.
Иногда излучение антенны также является функцией мощности на единицу телесного угла. Этот график называется диаграммой направленности мощности.
Интенсивность излучения
Интенсивность излучения антенны — это мощность на единицу телесного угла. Он представлен буквой U и не зависит от расстояния до антенны. Единицами интенсивности излучения являются ватты на стерадиан (Вт/Sr).
Направленность и усиление
В идеале антенна, излучающая энергию во всех направлениях одинаково, т. е. всенаправленная антенна, называется изотропной антенной. Это всего лишь гипотетическая ситуация, и на практике изотропная антенна не существует.
Но если рассматривать изотропную антенну, то ее плотность мощности будет одинакова во всех точках на сфере излучения.
Следовательно, средняя мощность антенны как функция излучаемой мощности равна
P avg = P рад / 4πr 2 Вт/м 2
Отношение плотности мощности к средней излучаемой мощности равно известное как директивное усиление.
Направленность антенны — это мера концентрации излучения в направлении максимального излучения или отношение максимальной плотности мощности к средней излучаемой мощности.
Эффективность излучения и коэффициент усиления по мощности
Все используемые антенны будут иметь омические потери, поскольку они состоят из проводящих материалов с конечной проводимостью. Эффективность излучения – это отношение излучаемой мощности к входной мощности.
η r = P рад / P in
Коэффициент усиления антенны представляет собой отношение мощности, излучаемой в одном направлении, к общей входной мощности.
Входное сопротивление
Мы должны позаботиться о том, чтобы согласовать входное сопротивление антенны с сопротивлением входной линии передачи.
Если входное сопротивление не совпадает, то система со временем деградирует из-за отраженной мощности.
Эффективная длина
Длина воображаемой линейной антенны с равномерно распределенным током определяется как Эффективная длина такой антенны, что обе эти антенны имеют одинаковое дальнее поле в плоскости π/2.
Полоса пропускания
Полоса пропускания антенны определяется как диапазон частот, в котором характеристики антенны поддерживаются на заданном уровне. Это связано с тем, что требования к характеристикам антенны, таким как коэффициент усиления, импеданс, коэффициент стоячей волны и т. д., могут изменяться во время работы.
Эффективная апертура
Обычно термин эффективная апертура или эффективная площадь ассоциируется с приемной антенной. Эффективная апертура или площадь антенны — это мера способности антенны извлекать энергию из электромагнитной волны.
Эффективная апертура антенны представляет собой отношение мощности, принимаемой на нагрузке, к средней плотности мощности, создаваемой антенной.
