Антенны

Антенна—устройство, предназначенное для излучения или приёма радиоволн. Передающая антенна преобразует направляемые электромагнитные волны, движущиеся от радиопередатчика по фидерной линии к входу антенны, в свободные расходящиеся в пространстве электромагнитные волны. Приёмная антенна преобразует падающие на неё свободные волны в направляемые волны фидера, подводящие принятую энергию к входу радиоприёмника.

Для понимания, в какие стороны антенна излучает или с каких направлений принимает радиоволны существует термин «Диаграмма направленности». Диаграмма направленности — графическое представление зависимости коэффициента усиления антенны или коэффициента направленного действия антенны от направления антенны, в заданной плоскости.

Основные параметры антенны: диаграмма направленности (ДН), коэффициент усиления (КУ) и КСВ.

Как работает антенна

Переменный ток, как известно, меняет свою полярность с некой частотой. Если речь идёт от 300Мгц, то значит 300 миллионов раз в секунду полярность (+/-) у него меняются местами. Соответственно 300 миллионов раз в секунду электроны в кабеле бегут то слева на право, то справа налево. Учитывая, что электроны бегают со скоростью света 300 миллионов метров в секунду, то для частоты 300 МГц до смены полярности тока они успевают пробежать лишь 1 метр (300/300), а потом возвращаются обратно.

Длина волны – расстояние, которое пробегают электроны до тех пор, пока их потянет обратно сменившейся полярностью источника. Если к выходу радиостанции мы подключим кусок провода, другой конец которого просто висит в воздухе, то в нём и будут бегать электроны. Бегающие электроны создают вокруг проводника магнитное поле, а на его конце электростатический потенциал, которые будут меняться с частотой, на которой работает радиостанция, то есть провод создаст радиоволну. Минимальное расстояние, которое должны пробегать электроны, что бы шло эффективное преобразование переменного тока в радиоволну и радиоволны в ток равно 1/2 длины волны. Так как любой источник тока (напряжения) имеет два вывода, то получается, минимальная эффективная антенна состоит из двух кусков провода длиной по 1/4 длины волны (1/2 делить на 2), при этом один кусок провода подключен к одному выводу источника (выходу радиостанции), другой к другому выводу.

Один из проводников называют излучающим и подключают к центральной жиле кабеля, другой "противовесом" и подключают к оплётке кабеля.

Ещё важно понимать, что от того, под каким углом друг к другу находятся проводники антенны, излучатель и противовес, тоже зависит не малое - её направленность (направление её излучения) и её волновое сопротивление.

Так же есть такое явление как коэффициент укорочения антенны, это явление связано с тем, что проводники имеют толщину, а конец проводника ёмкость к окружающему пространству. Чем толще проводник антенны и чем выше частота, на которой должна работать антенна, тем больше укорочение. Так же чем толще проводник, из которого сделана антенна, тем она более широкополосная (больше каналов перекрывает).

Основные характеристики антенн

Антенны выполняют функцию преобразования электротока в ЭМК(Электромагнитные колебания). Направление преобразования не имеет значения для понимания принципа работы. Поэтому и передающую, и приёмную стоит рассматривать одинаково (по принципу взаимности), и их параметры аналогичны. Это применимо даже в том случае, если некоторые измеряются только при передаче или только при приёме, или если их спецификация представляется значимой только для одного из этих режимов. Активные антенны — единственное исключение: будучи чисто приёмными, они не имеют «передающего» аналога. Ещё нужно проводить чёткую границу между передающими и приёмными, если, например, требуется учитывать максимальную мощность передатчика. Однако и это не важно при рассмотрении общих характеристик и принципа работы.

1. Плотность излучения

Самая простая воображаемая антенна — это изотропный излучатель, который не существует на практике, но это прекрасная теоретическая модель. Изотропный излучатель, являющийся безразмерной точкой в пространстве, излучает волны со сферическими волновыми фронтами, которые излучаются равномерно во всех направлениях. Когда к нему применяется идеально согласованная мощность передатчика P, то на расстоянии r это приводит к плотности излучения:

Плотность излучения реальных (то есть неидеальных) антенн различна в различных направлениях. Обусловлено это их физической конструкцией и условиями задач, которые должны быть выполнены.

2. Диаграмма направленности

Это то, в каких направлениях антенная сборка имеет максимальную плотность ЭМК-излучения. Как было описано в предыдущем разделе, только идеальный изотропный излучатель будет демонстрировать одинаковую плотность излучения в каждом пространственном направлении. Но такой излучатель не реализуем на практике для любой указанной поляризации и поэтому подходит лишь в качестве модели и стандарта сравнения. Даже простые дипольные и монопольные модели имеют направленность. К примеру, дипольная в свободном пространстве имеет трёхмерную торообразную диаграмму с чётко выраженными минимумами в направлении своей оси:

3. Коэффициент направленного действия (D)

Он определяется как отношение интенсивности излучения Fmax в главном направлении к интенсивности излучения Fi, изотропного излучателя без потерь с той же излучаемой мощностью Pt:

4. Коэффициент усиления (G)

Он соответствует рассмотренному выше параметру, но используется в отношении входной мощности:

5. Коэффициент использования поверхности (Aw)

Это мера максимальной принимаемой мощности Pr(max), которую приёмная антенна способна принять из плоской волны с плотностью излучения S:

6. Входной импеданс

По другому, входное сопротивление Z определяется отношением напряжения к силе тока. Он складывается из активной составляющей сопротивления элементов и реактивной, зависящей от частоты тока:

Активная составляющая R, в свою очередь, складывается из сопротивления излучения RΣ и потерь RΠ:

7. Коэффициент полезного действия

КПД η передающей антенны — это отношение мощности, излучённой RΠ к подводимой P0:

КПД имеет взаимосвязь с коэффициентами D и G:

8. Коэффициент стоячей волны (КСВ)

В передающей системе «передатчик-фидер-антенна» так называют соотношение амплитуд напряжённости (АН) ЭМП падающих и образованных вторичным переотражением радиоволн:

КСВ есть мера согласованности линии передачи (фидера) и нагрузки (антенны). Идеальная передающая система «передатчик-фидер-антенна» не имеет вторичного переотражения (падающая волна полностью излучается): КСВ такой системы равен 0.

КСВ обратно пропорционален коэффициенту бегущей волны (КБВ) ранее использовавшемуся повсеместно.

9. Поляризация

Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: линейную и круговую поляризацию.

Линейная делиться на горизонтальную и вертикальную.

Круговая поляризация делится на правую и левую.

Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.

Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.

При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.

Главное что нужно понимать: поляризация излучателей в антеннах приёмника и источника должны совпадать. Так можно добиться максимальной дальности и наилучшего качества связи. Если наклоны не будут совпадать, то приёмник сможет принять лишь часть энергии. И чем дальше они будут друг от друга - тем это будет заметнее.

Достоинства и недостатки линейной поляризации

Антенны линейной поляризации очень широко распространены благодаря простоте конструкции, что в самом примитивном виде дает просто кусок провода. Эти антенны имеют малый размер, низкую цену, их легко ремонтировать и собирать.

В общем и целом, линейная поляризация отлично подходит для больших расстояний, т.к. вся энергия будет сосредоточена в одной плоскости. Это преимущество не всегда проявляется из-за многолучевого распространения сигнала (многократные переотражения сигнала).

Для того чтобы получить максимальный уровень сигнала, антенны приемника и передатчика должны быть расположены параллельно (для максимального перекрытия излучения).

В самом крайнем случае, когда антенна приемника и антенна передатчика расположены под углом 90 градусов друг относительно друга — получаем наименьший уровень сигнала. Результат — потери сигнала в 30 дБ, это кросс поляризация.

Кросс-поляризация — это нарушение чистоты поляризации, связанное с появлением паразитного сигнала с ортогональной поляризацией. Образуется при распространении радиоволн через неидеальную среду или из-за несимметричности излучающей поверхности антенны.

Также кросс-поляризацией называют 45-градусную поляризацию в сотовых антеннах, при которой диполи располагаются в виде ромбов или наклоненных крестиков. Такое расположение позволяет принять энергию от источника по максимуму и создаёт наилучшее покрытие. Именно кросс-поляризованные антенны используются во всех стандартах от 2G до 4G.

Достоинства и недостатки круговой поляризации

Сигнал с круговой поляризацией всегда попадает на антенну, т.е. вне зависимости от угла между антенной на передатчике и на приемнике. Именно поэтому антенны с круговой поляризацией — стандарт для FPV.

Еще одно достоинство антенн с круговой поляризацией — это возможность отсекать отраженный сигнал.

Многолучевое распространение сигнала — одна из главных причин плохого качества видео (изменение цвета, помехи, скрэмблированное изображение, двоение и т.п.). Так бывает, когда сигнал отражается от объектов и приходит с другой фазой, при этом смешиваясь с основным сигналом.

Круговая поляризация бывает, как левой (LHCP), так и правой (RHCP). На передатчике и приемнике должны быть антенны с одним и тем же направлением, иначе будет очень сильная потеря сигнала.

Круговая поляризация хорошо защищает от переотраженных сигналов, потому что, когда сигнал отражается от объекта, меняется направление поляризации. Т.е. антенна LHCP отсекает RHCP сигнал и наоборот (кросс поляризация).

Все эти факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.

Разновидности антенн

Проволочные антенны

Из можно наблюдать на радиоприёмниках, автомобилях, зданиях, кораблях, самолётах и т. д. Они бывают разных форм, включая прямые, рамочные (петлевые), спиральные и многие другие.

Короткая дипольная

Диполь — это самый простой вид проволочной антенны, которая, по сути, является развёрнутым колебательным контуром. Короткие диполи имеют длину меньше, чем классические полуволновые. Применяются в различного рода радиочастотном лабораторном и измерительном оборудовании.

Дипольная

Классический полуволновый диполь — наиболее востребованный, так как модели других типов базируются на нём. Наряду с изотропным излучателем рассматривается как эталонный.

Конструктивно состоит из двух электропроводящих фрагментов (проводов, стержней или трубок); длина каждого фрагмента равна четверти длины λ/4. Таким образом совокупная длина равна половине длины волны λ/2. Имеет коэффициент усиления в 1.5 раза выше, чем у изотропного излучателя. Применяются практически во всех видах радиосвязи.

Рамочная (петлевая)

Она состоит из одного или нескольких витков провода, образующих петлю. По характеристикам близка к короткой дипольной. Изготовить её проще остальных. Ранее применялась для приёма сигналов радиовещания и телевидения и в любительской радиосвязи; сейчас множество систем радиочастотной идентификации (RFID) применяют только её.

Монопольная (штыревая)

Это частный случай дипольной, а если быть точнее, половиной диполя. Имеет худшие характеристики, но ввиду крайней простоты и доступности исполнения применяется всюду. Например, для приёма УКВ-радиовещания, а также в различного рода системах радиосвязи и радиоуправления.

Апертурные

В них радиоволны формируются в объёме, а излучение — через специальное отверстие, называемое апертурой. Эти типы сегодня более популярны, чем в прошлом. Есть немало модификаций: пирамидальный, конический рупор или прямоугольный волновод. Применяются для узконаправленной связи с далеко расположенными объектами, такими как самолёты, космические корабли, спутники связи и т. п.

Микрополосковые

Они стали активно эксплуатироваться с 1970-х годов в военной и аэрокосмической отрасли. Сегодня встречаются и в гражданском применении.

Технология их расчёта и проектирования сложна, но простота и с малыми затратами на изготовление покрывает этот недостаток. Устройства представляют собой печатную плату (или её часть) с дорожками и областями особой конфигурации. Бывает множество витиеватых форм, которые сильно отличаются от простых прямоугольных или круглых, наиболее популярных из-за простоты анализа и изготовления и их привлекательных характеристик излучения, особенно низкого перекрёстного поляризационного излучения. Есть почти во всей современной мобильной технике.

Антенные решётки

Большинство высокопроизводительных систем связи требуют характеристик излучения, которые не достигаются с помощью одного элемента. Для этого применяют особым образом сконфигурированные массивы антенн одно типа, называемые антенные решётки. Высокочастотный сигнал подаётся на все элементы такой антенны как в одной фазе, и тогда происходит суммирование излучения всех элементов в один мощный луч, а также с разной фазой, для изменения диаграммы направленности в целом. Модели такой конструкции называются фазированными антенными решётками. Их элементами выступают как диполи, так и апертурные, микрополосковые, рупорные и другие типы. В гражданских отраслях практически не применяются, за исключением систем высокопроизводительной радиосвязи, но широко применяемы в военных системах радиолокации и радионаведения.

Рефлекторные

Обычная «тарелка» для приёма спутникового ТВ является простейшим представителем этой разновидности. Нынешние модели встречаются очень сложной формы и с комплексом приёмо-передающего оборудования, а нужны исключительно для дальней космической радиосвязи и радиоастрономии. Таким образом, это бывает огромное стационарное сооружение с комплексом зданий, для решения одной конкретной цели. И эта конкретная «цель» (к примеру, космический зонд) находится за миллионы километров от Земли. В гражданской отрасли применяются для связи со спутниками связи, расположенными на околоземной орбите.

Линзовые

Они наиболее трудные в конструировании и изготовлении. Их основа — радиочастотная линза (подобной оптической), созданная для фокусировки и изменения направления фронта волн. Диаграммы направленности изменяется за счёт разности фазовых скоростей в воздухе и материале линзы. Конструктивно линза — совокупность металлических элементов, заключённых в высококачественном искусственном диэлектрике, таком как фторопласт, тефлон и подобным. Пока они ещё не находят массового применения, ввиду сложностей их реализации, но применяются в качестве элементов фазированных антенных решёток в военных радарах.