7.1 Антенно-фидерные устройства

Для излучения и приема электромагнитных колебаний, переносящих информацию, используются специальные радиотехнические устройства, называемые антеннами. Конструкции и характеристики антенн зависят от многих факторов, в частности, от назначения радиопередающего устройства, диапазона рабочих длин волн и т.д.

В метровом и дециметровом диапазонах волн одним из распространенных типов антенн является симметричный вибратор. Симметричный вибратор представляет собой два одинаковых отрезка проводника, лежащих на одной линии с небольшим зазором, величина которого много меньше длины проводника (рис. 7.1). Зазор предусмотрен для подключения источника переменного тока. Наилучшие характеристики имеют симметричные вибраторы, у которых длина каждого из проводников равна четверти длины волны излучаемого колебания. Размеры антенны в этом случае оказываются равными половине длины волны, и такая антенна называется полуволновым вибратором.

Одной из важнейших характеристик антенн является диаграмма направленности. Под диаграммой направленности антенны понимают зависимость плотности потока мощности от направления излучения при передаче. График диаграммы направленности представляет собой геометрическое место точек, расстояние от которых до центра координат пропорционально плотности потока мощности, излучаемой в данном направлении. При этом центр антенны помещают в центр координат. При приеме диаграмма направленности характеризует зависимость наводимой ЭДС от направления пространственной ориентации антенны. Одной из характеристик направленности является коэффициент направленного действия D, определяемый как отношение плотности потока мощности П_MAX, излучаемой в направлении максимального излучения, к плотности потока мощности П, излучаемой точечным источником такой же мощности в том же направлении:

D = П_MAX/П.

Диаграмма направленности симметричного вибратора приведена на рисунке 7.1,б. В плоскости, проходящей через ось проводника, диаграмма направленности симметричного вибратора напоминает «восьмерку». Это означает, что в направлении оси «Х» плотность излучаемой мощности максимальна, а в направлении оси «Y» - минимальна. Направленные свойства симметричного вибратора выражены слабо, и в достаточно широком секторе направлений φ плотность потока излучаемой мощности изменяется незначительно.

Рис. 7.1 Полуволновой вибратор (а) и его диаграмма направленности (б)

Направленные свойства антенны можно усилить, если усложнить конструкцию антенны дополнительными элементами. На рисунке 7.2,а приведено схематическое изображение антенны типа «волновой канал». Вибратор, к которому подключен источник переменного тока при передаче (или вход приемника при приеме), называется активным. Токи, протекающие в активной антенне при передаче, создадут в окружающем пространстве электромагнитное поле. В антенне типа «волновой канал» на определенном расстоянии от активного вибратора А помещают пассивные вибраторы. Электромагнитное поле, созданное активным вибратором, наведет индукционные токи в пассивных вибраторах. В свою очередь, токи, протекающие во вторичных вибраторах, наведут в окружающем пространстве собственное электромагнитное поле. Взаимное расположение и размеры пассивных вибраторов выбирают таким образом, чтобы усилить результирующее поле в одном направлении и ослабить в другом. Пассивные вибраторы, в направлении которых от активного вибратора поле усиливается, называются директорами (Д1, Д2 и Д3 на рис. 7.2,б), вибратор, в направлении которого результирующее поле ослабляется, называется рефлектором (Р).

Рис. 7.2 Антенна типа «волновой канал» (а) и его диаграмма направленности (б)

Направленные свойства антенн можно использовать как для увеличения дальности связи (в направлении максимального излучения), так и для избирательного приема в пространстве (при этом различные средства связи могут работать в разных пространственных секторах, не оказывая друг на друга мешающего влияния).

В рассмотренных выше вариантах антенн продольная ось вибратора располагалась в плоскости, параллельной поверхности земли. Возможен также вариант вертикального расположения оси вибратора. В диапазонах радиоволн относительно низких частот Земля представляет собой хороший проводник электрического тока и вертикальный вибратор может быть представлен только одной половинкой. Источник переменного тока включают между основанием вертикального вибратора и Землей (рис.7.3).

Рис. 7.3 Несимметричный четвертьволновый вибратор (а) и его диаграмма направленности в горизонтальной плоскости (б)

Такая антенна называется несимметричной четвертьволновой вибраторной антенной. В случае проводящей Земли в каждую точку окружающего надземного пространства приходит прямая волна непосредственно от антенны и волна, отраженная от Земли. Эти волны будут наводить такое же электромагнитное поле, как и поле, наводимое полным симметричным вибратором, изолированным от Земли. Результирующее электромагнитное поле над поверхностью Земли будет совпадать с полем, сформированным полуволновым вибратором, но с уменьшенной вдвое мощностью. Диаграмма направленности такой антенны в горизонтальной плоскости представляет собой окружность: передачу (прием) можно вести с любого направления без ухудшения характеристик. Такие антенны применяются не только в диапазоне метровых волн, но и в диапазонах более длинных волн.

В дециметровом и сантиметровом диапазонах волн для передачи электромагнитных колебаний используют волноводы (металлические трубы круглого или прямоугольного сечения). Открытый конец такого волновода способен излучать в открытое пространство электромагнитную энергию. Однако резкое изменение условий распространения электромагнитных колебаний на границе волновод - открытое пространство обуславливает плохие характеристики излучателя. Для улучшения направленных свойств антенны и согласования характеристик перехода среды распространения волновод - открытое пространство излучающий конец волновода выполняют в виде рупора (рис. 7.4). Характеристики направленности рупорной антенны улучшаются с увеличением площади излучающей части рупора, называемой раскрывом антенны. И все же в качестве самостоятельного устройства рупорные антенны применяется крайне редко, и более часто являются элементами более сложных антенн.

Рис. 7.4 Рупорная антенна

Направленные свойства антенны можно улучшить с помощью зеркального отражателя специальной формы. Если в фокусе параболического рефлектора поместить излучатель, то отраженные от зеркала лучи будут концентрироваться в узком секторе пространства (рис.7.5). В данном случае площадь раскрыва антенны определяется размерами рефлектора, а направленные свойства антенны зависят от соотношения диаметра отражающего зеркала и длины волны излучаемого колебания.

Рис. 7.5 Зеркальная параболическая антенна

Кроме рассмотренных в технике связи используются также и другие типы антенн.

Электрические цепи, с помощью которых радиосигналы передаются от радиопередатчика к антенне или от антенны к радиоприемнику, называются фидерами. Конструктивное исполнение фидеров зависит от диапазона рабочих частот, уровней мощности передаваемых сигналов, условий эксплуатации и т.д.

В диапазоне длинных волн фидеры выполняют в виде проволочных линий. В области более высоких частот используют коаксиальные кабели: два проводника в форме цилиндров с совмещенными осями симметрии (coaxial - соосный). Внешний проводник коаксиального кабеля (оплетка) отделен от внутренней проводящей жилы диэлектриком и является хорошим защитным экраном для токов, протекающих по центральному проводнику, от внешних электромагнитных излучений. В диапазоне сверхвысоких частот лучшие характеристики для передачи электромагнитной энергии имеют волноводы: полые металлические трубы круглого или прямоугольного сечения.