Принцип действия антенны кратко

Обновлено: 30.06.2024

В цикле статей будет описан принцип работы, применение, реализация, а также составлены модели следующих типов антенн:

• Вибраторные антенны;
• Полосковые (patch) антенны;
• Антенные решетки;
• Антенны с бегущей волной (end-fire);
• Рупорные антенны;
• Зеркальные параболические антенны;
• Линзовые антенны;
• Вопросы согласования антенн с линиями питания.

Введение

Вся беспроводная передача данных основана на процессе распространения электромагнитного поля от источника в окружающее пространство. Антенна играет роль этого источника поля. Сам процесс излучения начинается с того, что под действием высокочастотных электромагнитных полей в излучающей системе (антенне) появляются сторонние токи и заряды. Токи и заряды в свою очередь подводятся от генератора по фидерному тракту (или фидера от слова "to feed" - питать).

Таким образом, в систему излучения электромагнитного поля входят: генератор колебаний, фидер и излучатель. Конечно, сам фидер и генератор непосредственно в излучении не участвуют (или точнее – не должны участвовать, если они правильно сконструированы), рисунок 1.

Любая антенна обладает так называемым принципом "двойственности", который говорит о том, что любая антенна может быть как передающей (то есть преобразовывать волны линии передачи в расходящиеся волны окружающего пространства), так и приемной (осуществлять обратное преобразование).

Вне зависимости от реализации и вида антенны, она характеризуется следующими основными параметрами:

Диаграмма направленности (ДН). Это распределение напряженности (или энергии) поля в пространстве, показывает в каких направлениях и с какой мощностью излучает антенная система. Строится эта зависимость, как правило, в сферической системе координат. В зависимости от вида диаграммы (от того, насколько диаграмма "острая") различают изотропные антенны, слабонаправленные, высоконаправленные. От вида диаграммы направленности зависят такие важные характеристики антенны как коэффициент направленного действия (КНД) и коэффициент усилении (КУ). Ниже мы рассмотрим вид диаграммы направленности, а также КНД и КУ одной из самой простых антенн в разных плоскостях.

Коэффициент полезного действия антенны. Он должен быть достаточно высоким, а потери – малыми, именно по этой причине при реализации антенн используют металлические конструкции, обладающие высокой проводимостью и диэлектрики с малыми потерями.

Согласование линии передачи с нагрузкой. Так как и передающая и приемная антенны соединяются с линией питания, то ее входное сопротивление должно быть согласовано с волновым сопротивлением линии. Иначе будет возникать нежелательное возникновение отраженных волн, а наличие последних – это всегда уменьшение излучаемой мощности и источник дополнительных помех.

Вес и габариты. Ясно, что при реализации любого устройства нужно стремиться к получению его наименьших массогабаритных размеров, однако, отметим, что размеры антенны однозначно связаны с основной длиной волны, на которой работает антенна. Вообще в антенной технике не существует понятия "большая" и "маленькая" антенна. Размеры антенны принято характеризовать в длинах волн. Если а – это диаметр зеркала (например, зеркальной антенны), то ее размер можно записать так: это значит, что в диаметр зеркала укладывается 8 длин волн. Если такое зеркало работает в диапазоне 2.4 ГГц (длина волны 12,5 см), то его диаметр будет составлять 1 метр, а если это диапазон 900 МГц (длина волны 33 см) – то диаметр уже больше 2.5 метров.

Принцип работы передающей антенны

Рассмотрим принцип действия простейшего излучающего устройства. Если взять простую двухпроводную симметричную линию, то излучать в пространство она не будет, несмотря на то, что в ней текут токи высокой частоты, рисунок 2.

1. Вибраторные антенны;
2. Полосковые (patch) антенны;
3. Антенные решетки;
4. Антенны с бегущей волной (end-fire);
5. Рупорные антенны;
6. Зеркальные параболические антенны;
7. Линзовые антенны;
8. Вопросы согласования антенн с линиями питания.

Введение

Вся беспроводная передача данных основана на процессе распространения электромагнитного поля от источника в окружающее пространство. Антенна играет роль этого источника поля. Сам процесс излучения начинается с того, что под действием высокочастотных электромагнитных полей в излучающей системе (антенне) появляются сторонние токи и заряды. Токи и заряды в свою очередь подводятся от генератора по фидерному тракту (или фидера от слова "to feed" - питать).

Таким образом, в систему излучения электромагнитного поля входят: генератор колебаний, фидер и излучатель. Конечно, сам фидер и генератор непосредственно в излучении не участвуют (или точнее – не должны участвовать, если они правильно сконструированы), рисунок 1.

Рисунок 1 – Элементы системы излучения электромагнитного поля

Любая антенна обладает так называемым принципом "двойственности", который говорит о том, что любая антенна может быть как передающей (то есть преобразовывать волны линии передачи в расходящиеся волны окружающего пространства), так и приемной (осуществлять обратное преобразование).

Вне зависимости от реализации и вида антенны, она характеризуется следующими основными параметрами:

Диаграмма направленности (ДН). Это распределение напряженности (или энергии) поля в пространстве, показывает в каких направлениях и с какой мощностью излучает антенная система. Строится эта зависимость, как правило, в сферической системе координат. В зависимости от вида диаграммы (от того, насколько диаграмма "острая") различают изотропные антенны, слабонаправленные, высоконаправленные. От вида диаграммы направленности зависят такие важные характеристики антенны как коэффициент направленного действия (КНД) и коэффициент усилении (КУ). Ниже мы рассмотрим вид диаграммы направленности, а также КНД и КУ одной из самой простых антенн в разных плоскостях.

Коэффициент полезного действия антенны. Он должен быть достаточно высоким, а потери – малыми, именно по этой причине при реализации антенн используют металлические конструкции, обладающие высокой проводимостью и диэлектрики с малыми потерями.

Согласование линии передачи с нагрузкой. Так как и передающая и приемная антенны соединяются с линией питания, то ее входное сопротивление должно быть согласовано с волновым сопротивлением линии. Иначе будет возникать нежелательное возникновение отраженных волн, а наличие последних – это всегда уменьшение излучаемой мощности и источник дополнительных помех.

Вес и габариты. Ясно, что при реализации любого устройства нужно стремиться к получению его наименьших массогабаритных размеров, однако, отметим, что размеры антенны однозначно связаны с основной длиной волны, на которой работает антенна. Вообще в антенной технике не существует понятия "большая" и "маленькая" антенна. Размеры антенны принято характеризовать в длинах волн. Если а – это диаметр зеркала (например, зеркальной антенны), то ее размер можно записать так: это значит, что в диаметр зеркала укладывается 8 длин волн. Если такое зеркало работает в диапазоне 2.4 ГГц (длина волны 12,5 см), то его диаметр будет составлять 1 метр, а если это диапазон 900 МГц (длина волны 33 см) – то диаметр уже больше 2.5 метров.

Принцип работы передающей антенны

Рассмотрим принцип действия простейшего излучающего устройства. Если взять простую двухпроводную симметричную линию, то излучать в пространство она не будет, несмотря на то, что в ней текут токи высокой частоты, рисунок 2.

Рисунок 2 – Двухпроводная линия

Излучение будет отсутствовать за счет того, что токи I и I’ находятся в противофазе, что приводит их к взаимной компенсации. Для получения излучения можно развести концы двухпроводной линии, чтобы поля от токов I, I’ не могла компенсировать друг друга, рисунок 3.

Рисунок 3 – Разомкнутая двухпроводная линия

Такая антенна получила название симметричного вибратора. Распределение тока в вибраторе остается таким же, каким оно было на соответствующем участке двухпроводной линии. Для исследования поля, излученного антеннами из проводов, удобно представлять такую антенну в виде совокупности элементарных электрических вибраторов (ЭЭВ) малой длины (малой по сравнению с длиной волны). В пределах каждого такого элементарного вибратора амплитуду и фазу тока можно считать неизменными. В конечном итоге общее поле, излученное антенной, можно рассчитать как сумму полей, излученных отдельными элементарными вибраторами (в теории это называется принцип суперпозиции).

На практике ЭЭВ реализуется в виде диполя Герца. Это антенна является первым реализованным излучателем электромагнитных колебаний, рисунок 4.

Рисунок 4 – Диполь герца

Такой излучатель можно сделать, если на концах тонких проводов (длиной L, меньшей длины волны) установить проводящие тела с большой емкостью (например, металлические шары). Заряженные шары создают токи, которые значительно выше емкостных токов между проводами. Так обеспечивается равномерное распределение тока вдоль проводника. Отметим, что на практике диполь Герца практически не используется.

Характеристики антенны на примере симметричного вибратора

Ниже будет рассмотрена антенна (одна из самых простых в реализации) - симметричный вибратор. Назван он так потому, что напряженность поля (питающая проводник) подводится к его центру, а распределение тока по проводнику можно также считать симметричным. Сегодня существует большое количество программных пакетов, позволяющих производить электродинамических анализ различных устройств СВЧ и приборов оптического диапазона, среди них: FEKO, Microwave Studio, Ansys HFSS и др. Внешний вид и модель симметричного вибратора в программном пакете Ansys HFSS показана на рисунке 5.

Рисунок 5 – Симметричный вибратор

Cама антенна представляет собой развернутую двухпроводную линию, рассмотренную выше, в которой устанавливается режим стоячих волн.

В зависимости от того, какое отношение имеет длина вибратора L к длине волны λ, может формироваться различная геометрия диаграммы направленности. Для отношения 4L/λ=1 симметричный вибратор формирует диаграмму, показанную на рисунке 6:

Рисунок 6 – Трехмерная ДН симметричного вибратора длиной 4L/λ=2

Та же самая диаграмма, только нормированная и в вертикальной плоскости полярной системы координат:

Очевидно, что в горизонтальной плоскости диаграмма направленности будет иметь форму шара. Для наглядности вы можете себе представить, что посмотрите на трехмерный вид рисунка 6 сверху (на плоскость Phi).

Если отношение длины вибратора и длины волны 4L/λ=2, что соответствует увеличению частоты колебаний в 2 раза, то диаграмма направленности становится более "плоской" в вертикальной плоскости и как следствие имеет более высокий коэффициент усиления (примерно в 1.5 раза):

Рисунок 6 – Трехмерная ДН симметричного вибратора длиной 4L/λ=1

Дальнейшее увеличение частоты колебаний приводит к расщеплению диаграммы направленности:

Рисунок 7 – Расщепление диаграммы симметричного вибратора при увеличении частоты колебаний в 3 (слева) и 5 (справа) раз

Симметричный вибратор, несмотря на простоту, очень часто присутствует в качестве частей конструкции более сложных антенн. В заключении отметим, что все конструктивные реализации антенн создаются для того, чтобы создать направленность излучения в определенном направлении (или направлениях). Можно выделить два крупных класса способов реализации направленного излучения: это геометрическое воздействие на источник излучения (например, источник помещается в фокус параболоида или перед проводящим экраном) и воздействие токами, когда группа токов, сдвинутых по фазе, образуют суммарную направленную диаграмму (примером могут служить фазированные антенные решетки).

В дальнейшем будут рассмотрены различные модели антенн, перечисленных в аннотации.

Антенна — устройство, принимающее или излучающее радиоволны. Первый излучатель, известный как диполь или симметричный вибратор Герца, появился в 1887–88 гг. Немецкий физик доказал на практике существование электромагнитных волн, подтвердил теоретические уравнения Максвелла.

Уже в 1895–96 гг. русским ученым А.С. Поповым были создана действующая антенна несимметричного вида, где одним из проводников выступала Земля. В это же время итальянский инженер Г. Маркони также изобрел подобное устройство и использовал его в практических целях.

Основные характеристики антенн

Все беспроводные технологии передачи данных основаны на распространении электромагнитных волн в пространстве. Антенна для приема принимает радиоволны и преобразует их в высокочастотные колебания. Передающее устройство, наоборот, превращает электромагнитные колебания, поступающие от передатчика, в волны, которые распространяются в пространстве.

Таблица 1 Основные параметры

Эта характеристика показывает направление излучения электромагнитных волн и мощность потока. Устройства могут быть всенаправленными, т. е. излучающими во всех направлениях, слабо и остронаправленными

КПД (коэффициент полезного действия)

Потери при работе должны быть низкими, поэтому в качестве элементов используют диэлектрики и металлы с высокой проводимостью

Согласование передающей линии с антенной

Система должна противодействовать отраженным волнам, иначе снизится мощность, возникнут помехи. Нужно соблюдать равенство входного и волнового сопротивления линии

Габаритные размеры антенны

Простейший симметричный вибратор состоит из двух проводников длиной 1/4 волны. В метровом диапазоне с излучением 200 МГц длина волны 1,5 м, тогда расчетная длина проводника составит 0,375 м. Беспредельное увеличение размеров бесполезно, т. к. увеличение площади приема и применение узконаправленной диаграммы требует повышения точности изготовления при сохранности во времени поверхности, на которую воздействуют деформации от ветра, тепла и собственного веса

Подбирая излучатели можно изготовить устройство с любой диаграммой направленности, но обычно проектировщики находят компромиссное решение, достигая точности воспроизводства диаграммы сравнением с такими показателями как:

• стоимость реализации;
• КПД;
• простота конструкции;
• легкость изготовления.

Принцип действия в режимах приема и передачи

Первая антенна — симметричный вибратор Герца. На деле устройство практически не используется.

Форма и конструкция устройства, будь то антенна для телевидения или радиотелескоп для изучения вселенной, зависит от назначения и длины волны, которая реализуется для этого устройства. Широко распространены металлические рупоры, отрезки/ системы проводников.

Также нашли применение волноводы:

• из металла;
• из диэлектрика;
• с щелями, прорезанными в металлических стенках.

Для улучшения диаграммы направленности используют линзы и рефлекторы, которые устанавливают на излучатели.

Конструктивно антенна представляет собой систему проводников, соединенных напрямую или через специальный тракт — линию питания, с передающим или принимающим устройством.

В систему излучения входят:

При передаче источник, которым может выступать радиопередатчик, создает переменный электрический ток, протекающий по проводникам антенны. Согласно закону Ампера вокруг токопроводящих элементов порождается магнитное поле, изменяющееся во времени. Оно, в свою очередь, не только воздействует на ток, проходящий по проводникам, но и создает по закону Фарадея переменное вихревое электрическое поле, которое воспроизводит магнитное поле и т. д. Таким образом получаются электромагнитные волны, излучаемые в пространство антенной.

• принимающая антенна;
• фидер;
• приемник.

Приемная антенна работает так. На проводники устройства падают волны электромагнитного поля, наводя в них токи. Через фидер эти наведенные токи поступают во входной импеданс (комплексное сопротивление между двумя узлами цепи / полюсами двухполюсника) приемника, порождая напряжение.

Область применения антенн

Диапазон волн колеблется от долей мм до десятков километров. Отсюда сформировалось многообразие видов антенн и множество сфер использования. Принимающие и передающие устройства применяются в таких областях:

• беспроводная связь;
• медицина;
• системы навигации;
• космическая/ авиационная техника картографирования;
• астрономия;
• радиолокация;
• геология и многие другие.

Антенны активно используют в радиотелескопах при изучении космоса, в военной радиолокации, в чипах для непрерывного измерения показателей/ изучения/ диагностирования патологий в организме людей/ животных, да и просто в быту.

Современный человек не представляет жизни без гаджетов, а в основе их управления лежит приемное/ передающее устройство. Мачта для антенны в бытовых целях практически не используется, разве что для увеличения зоны приема модема, теперь сигнал поступает на спутниковые тарелки или подается через мобильный и проводной интернет и т. д.

АНТЕ́ННА (от лат. an­tenna – мач­та, рея), пре­об­ра­зо­ва­тель вол­но­вых по­лей; в тра­диц. по­ни­ма­нии – уст­рой­ст­во, осу­ще­ст­в­ляю­щее из­лу­че­ние (пе­ре­даю­щая А.) и (или) при­ём (при­ём­ная А.) ра­дио­волн. Пе­ре­даю­щая А. пре­об­ра­зу­ет энер­гию элек­тро­маг­нит­ных ВЧ-ко­ле­ба­ний, по­сту­паю­щих от ра­дио­пе­ре­дат­чи­ка не­по­сред­ст­вен­но или че­рез ан­тен­но-фи­дер­ный тракт, в энер­гию из­лу­чае­мых ра­дио­волн. При­ём­ная А. вы­пол­ня­ет об­рат­ную функ­цию – пре­об­ра­зу­ет энер­гию рас­про­стра­няю­щих­ся ра­дио­волн в энер­гию, со­сре­до­то­чен­ную во вход­ных це­пях ра­дио­при­ём­ни­ка. Свой­ст­во пе­ре­мен­но­го элек­трич. то­ка из­лу­чать элек­тро­маг­нитные вол­ны впер­вые об­на­ру­же­но Ген­ри­хом Гер­цем в кон. 1880-х гг. с по­мо­щью изо­бре­тён­но­го им виб­ра­то­ра (см. Гер­ца виб­ра­тор ). Идея соз­да­ния и ис­поль­зо­ва­ния при­ём­ной А. при­над­ле­жит А. С. По­по­ву (1895), ус­та­но­вив­ше­му, что под­сое­ди­не­ние к при­ём­ни­ку вер­ти­каль­но­го ме­тал­лич. про­во­да при­во­дит к уве­ли­че­нию даль­но­сти и по­вы­ше­нию ка­чест­ва ра­дио­приё­ма. В от­ли­чие от сим­мет­рич­но­го виб­ра­то­ра Гер­ца, ан­тен­на По­по­ва бы­ла не­сим­мет­рич­ной, вто­рым про­вод­ни­ком слу­жи­ла зем­ля.

Читайте также:

  
• Назовите результаты политического развития страны в 1990 е гг кратко
  
• Детские сады в павлино на карте московской области
  
• Все отпуск закончился пора на работу в детский сад
  
• Опыт работы по мелкой моторики рук в доу
  
• Неделя качества 2021 в школе фото