Конспект лекций по антеннам

Обновлено: 08.07.2024

Назначение антенн при передаче и приеме, общая характеристика.

Диаграмма направленности по полю и по мощности.

Теория приемных антенн.

Методы анализа полей излучения непрерывных антенн.

Линейные системы непрерывно распределенных излучателей.

Плоские системы непрерывно распределенных излучателей.

Основные типы многовибраторных антенн.

13. Зеркальные и линзовые антенны.

Многолучевые и сканирующие антенны.

Линия передачи СВЧ.

Основы теории цепей СВЧ.

Примеры применения матрицы рассеяния для анализа узлов СВЧ.

Матрица рассеяния соединения многополюсников.

Назначение антенн при передаче и при приеме,

Антенна является непременной составной частью любой радиотехнической системы, использующей излучение и прием радиоволн. На рис 1.1 представлена простейшая блок-схема прохождения радиосигнала от передатчика до приемника.

Модулированные высокочастотные колебания, возбуждаемые передатчиком,

поступают в антенну, которая после соответствующего преобразования излучает их в форме электромагнитных волн в окружающее пространство, т.е.

промежуточную среду. Часть из них достигает места расположения приемной антенны. В антенне под действием электромагнитных волн индуцируются токи ВЧ, которые поступают на вход

Таким образом, передающая антенна – это устройство,

предназначенное для преобразования направляемых электромагнитных волн,

движущихся по фидеру ко входу антенны, в электромагнитные волны свободного пространства и излучение их в пространство. Приемная антенна – это устройство, служащее для приема свободных электромагнитных волн и преобразования их в направляемые волны фидера, подводящие принятую мощность ко входу приемника.

технике имеет принцип обратимости антенн, согласно которому любая передающая антенна может быть использована для приема электромагнитных волн и наоборот. Благодаря этому в ряде радиосистем функции излучения и приема радиоволн успешно осуществляются одной и той же антенной.

Для эффективного функционирования радиосистемы входящая в нее антенна должна удовлетворять определенным требованиям. Среди них следует отметить два:

1. антенна должна иметь определенную характеристику направленности,

т.е распределять электромагнитную энергию в пространстве (или реагировать на проходящее электромагнитное поле) по определенному закону. В одном случае желательно, чтобы энергия излучалась или принималась равномерно по всем направлениям (рис 1.2), - в других случаях требуется направленное действие, т.е. концентрация излучаемого поля в достаточно узкий пучок (луч).

2. антенна должна иметь высокий КПД, т.е. процесс приема или излучения энергии не должен сопровождаться бесполезными омическими (тепловыми) потерями ВЧ-энергии.

Весьма важными являются требования к поляризационной характеристике антенны.

- полоса частот Телефония А.М. Пусть ƒ 0 =30 мГц, F м =3кГц

- система радиоразведки ƒ min -ƒ max =3…30 см, отсюда

- размеры (габариты) антенны. Для получения узкого луча размер раскрыва антенны составляет сотни λ. Если λ=1см, то D=100см=1м. Если λ=1км, то

D=100км (диапазон длинных волн – ДВ)

Специфическими особенностями являются:

- выбор рабочей длины волны;

- разнообразие конструкторских требований;

- особые требования (ядерный взрыв, избыточное давление)

Большое значение в функционировании антенного устройства играет фидерный тракт или линия питания антенны. Фидерный тракт осуществляет канализацию электромагнитной энергии, обеспечивает соответствующий режим входной и выходной цепей передатчика и приемника, зачастую выполняет предварительную частотную фильтрацию сигналов, может содержать коммутирующие цепи и поворотные соединения, а также устройство электрического управления в режиме работы антенны по высокой частоте, управления положением луча в пространстве и т.д.

констатации изучаемых явлений. Правда из рассмотрения этих особенностей вытекают ограничения, накладывающие отпечаток на функционирование радиосистемы и в первую очередь на антенные устройства. В целях упрощения мы будем изучать характеристики антенн в свободном пространстве.

Отметим, что в условиях быстрого исторического развития на протяжении менее века антенны из простейшего средства выделения необходимого сигнала (частотная селекция), а также увеличения дальности радиосвязи в первых аппаратах А.С. Попова превратились в определяющее звено радиотехнической системы. Предельные возможности современных РЛС по дальности и точности пеленгации целей, предельные возможности радиотелескопов по чувствительности и разрешающей способности,

предельная дальность радиосвязи в космосе с удаленными объектами и многие другие характеристики разнообразных радиосистем определяются технически достижимыми параметрами антенных устройств, и в первую очередь шириной главного луча (величиной 2 0,5 д.н.- шириной главного лепестка ДН).

Правильный выбор антенны имеет существенное значение и с точки зрения надежности, удобства эксплуатации, мобильности и стоимости

станции. Стоимость современной РЛС в значительной мере определяется стоимостью антенного устройства. Так, антенна составляет до 80%

стоимости антенной системы станции дальней космической связи.

Физические основы излучения

И в передающей, и в приемной антеннах основным физическим процессом является взаимодействие зарядов с электромагнитным полем.

В случае приемной антенны поле приходящих радиоволн воздействует на имеющиеся в антенне свободные заряды. Под воздействием электрического поля заряды приобретают составляющую скорости в направлении его действия, т.е. в антенне возникает переменный ток. При этом часть энергии падающей волны поступает в антенну, которая в свою очередь передает ее с определенным КПД приемнику.

Обратный характер процессов, происходящих в передающей и приемной антеннах, определяет их обратимость. Ценность этого свойства заключается в тесной связи между параметрами антенн в режимах передачи и приема, что позволяет обойтись изучением параметров антенны при работе ее в одном из режимов.

В соответствие с используемым диапазоном волн различают антенны длинных, средних, коротких волн, антенны УКВ и антенны оптического диапазона.

На D, С и коротких волнах (К) антенны представляют собой систему тонких проводов, которые преобразуют токи ВЧ в электромагнитные волны и формируют ДН. Отношение линейного размера L к длине волны λ здесь меньше или порядка 1 (для антенн, D и C волн L/λ - L/ λ>>1, что обеспечивает высокие направленные свойства;

- вместо линейных токов, текущих по проводам, широко используются поверхностные токи, обтекающие большие металлические поверхности;

- преобразование токов ВЧ в радиоволны и формирование ДH

производится зачастую разными элементами антеннами.

Так в зеркальных и линзовых антеннах источниками излучения являются обычно вибратор, щель, рупор, или их системы, а ДH формируется зеркалом или линзой.

Диапазон УКВ характеризуется большим разнообразием применяемых в нем типов антенн, что объясняется весьма разнообразными требованиями,

предъявляемыми к антеннам РЛС и широкими возможностями варьирования относительных размеров антенны.

Отметим, что в РЛС антенна является одним из наиболее важных устройств, в значительной степени определяющих тактико-технические данные станции.

Классификация антенн УКВ:

-вибраторные антенны (2L~ λ/2);

-спиральные или вибраторные, одинаково ориентированные и размещенные на некотором расстоянии друг от друга. Образуют вибраторные решетки. Они могут быть двух типов: поперечные (рис. 1.3, а) и

Аннотация: Правильная установка и настройка антенн требует определенных знаний. Необходимо иметь представление о диаграммах направленности и поляризации антенн. Правильный расчет коэффициента усиления на начальном этапе поможет избежать ошибок и неправильной работы антенн при эксплуатации. Необходимо также учитывать различного рода искажения при передаче сигнала, которые оказывают крайне негативные воздействие на него. В целом, лекция будет полезна для понимания сути работы антенн.

Определение антенны

Антенну можно определить как проводник, используемый для излучения или улавливания электромагнитной энергии из пространства. Для передачи сигнала радиочастотные электрические импульсы передатчика с помощью антенны преобразуются в электромагнитную энергию, которая излучается в окружающее пространство . При получении сигнала энергия электромагнитных волн, поступающих на антенну, преобразуется в радиочастотные электрические импульсы, после чего подается на приемник.

Как правило, при двусторонней связи одна и та же антенна используется как для приема, так и для передачи сигнала. Такой подход возможен, потому что любая антенна с равной эффективностью поставляет энергию из окружающей среды к принимающим терминалам и от передающих терминалов в окружающую среду.

Для правильной настройки антенн разберем некоторые ее характеристики.

Диаграмма направленности

Антенны излучают энергию во всех направлениях. Однако в большинстве случаев эффективность передачи сигнала для различных направлений неодинакова. Наиболее распространенным способом определения эффективности антенны является диаграмма направленности, которая представляет собой зависимость излучающих свойств антенны от пространственных координат. Диаграммы направленности антенн представляются как двухмерное поперечное сечение трехмерной диаграммы.

Один из наиболее простых типов диаграммы направленности соответствует идеальному случаю так называемой изотропной антенны. Под изотропной антенной понимают точку в пространстве, которая излучает энергию одинаково во всех направлениях. Диаграмма направленности для изотропной антенны представляет собой сферу, центр которой совпадает с положением антенны (рис. 11.1а). Расстояние от антенны до любой точки диаграммы направленности прямо пропорционально энергии, которая была излучена антенной в данном направлении. На рис. 11.1б представлен еще один идеализированный случай - направленная антенна с одним выделенным направлением излучения (вдоль горизонтальной оси).

Размер диаграммы направленности может быть произвольным. Важно лишь, чтобы в каждом направлении были соблюдены пропорции. Чтобы на основе относительного расстояния определить приведенную мощность в заданном направлении, от точки размещения антенны до пересечения с диаграммой направленности проводят прямую линию под соответствующим углом наклона. На рис. 11.1б для двух антенн сравниваются два угла передачи сигнала (А и Б). Изотропной антенне соответствует ненаправленная круговая диаграмма; векторы А и Б равны по величине.

Поляризация антенн

Важной характеристикой антенны является ее поляризация. В системах радиодоступа используют антенны с вертикальной, горизонтальной и круговой (с правым и левым вращением ) поляризациями ( рис. 11.2).

Учет поляризации позволяет получить дополнительные энергетические преимущества при решении задач электромагнитной совместимости, планировании зон обслуживания и т. д. При заполнении определенного пространства точками доступа до предельного уровня, после которого взаимные радиопомехи начинают мешать нормальной работе сетей, достаточно изменить поляризацию антенн, после чего можно продолжать наращивать радиосеть .

В плоской электромагнитной волне векторы вертикального электрического и магнитного полей в каждый момент времени ориентированы в пространстве определенным образом. Поляризация электромагнитной волны является ее пространственно-временной характеристикой и определяется видом траектории, описываемой концом вектора электрического поля в фиксированной точке пространства. На антеннах с поляризацией на задней стороне есть указатель в виде стрелки, который и определяет необходимую поляризацию.

При круговой или циклической поляризации электромагнитное поле вращается вокруг оси с определенным циклом, или шагом, так, что в разных точках пространства принимает или вертикальную, или горизонтальную поляризацию. Такой вид поляризации применяется сравнительно редко.

СПбГЭТУ "ЛЭТИ", факультет радиотехники и телекоммуникаций.
- Элементарные излучатели: электрический диполь Герца, магнитный диполь Герца, элементарная рамка с током, элемент Гюйгенса.
- Характеристики антенн: поле двух элементарных излучателей, дальняя и ближняя зоны антенны, диаграмма направленности антенны, коэффициент направленного действия антенны, поляризационные параметры антенны, классификация антенн.
- Вибраторные антенны: симметричный электрический вибратор и его основные характеристики, метод наведенных ЭДС, система из двух связанных вибраторов.
- Апертурные антенны: основные параметры апертурных антенн, рупорные антенны, рупорно-линзовые антенны, линзовые антенны, зеркальные (параболические) антенны
- Спиральные антенны: спиральные антенны осевого излучения, частотно-независимые антенны.
- Микрополосковые антенны: конструктивные особенности МПА, принцип работы микрополоскового излучателя, МПА с увеличенной полосой рабочих частот.

Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны. Часть 2

формат djvu
размер 33.34 МБ
добавлен 27 июня 2010 г.

Драбкин А.Л., Коренберг Е.Б., Меркулов С.Е. Антенны

формат pdf
размер 7.74 МБ
добавлен 05 апреля 2011 г.

М., Радио и связь, 1995, 155 с. 2-е издание популярной книги по антенной технике. В популярной форме дается представление об антенной технике. Основное внимание уделяется физической стороне явлений, а также практическому выполнению и электрическим характеристикам антенных устройств, в частности антенн для радиолюбителей. Рассматриваются особенности работы антенн различного назначения и в разных диапазонах волн. Первое издание вышло в 1992 г. Для.

Дружин Г.И. Антенны и распространение радиоволн. Часть II. Распространение радиоволн

формат pdf
размер 558.61 КБ
добавлен 11 марта 2011 г.

Учебное пособие. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2003. - 56 с. Пособие предназначено для курсантов второго образовательного уровня специальности 201300 "Техническая эксплуатация транспортного оборудования", изучающих дисциплину "Антенны и распространение радиоволн". В нем рассматриваются вопросы распространения радиоволн в свободном пространстве, вдоль земной поверхности, в тропосфере и ионосфере, а также особенности распространения сверхд.

Лекции - Антенно-фидерные устройства

формат doc
размер 1.43 МБ
добавлен 17 января 2009 г.

Основные электрические параметры передающих антенн. Применение принципа суперпозиции к расчету поля излучения антенн. Особенности расчета поля в дальней зоне антенны. Антенны с круговой диаграммой направленности. Направленные антенны. Фазированные антенные решетки. Классификация антенных решеток. Характеристики ФАР. Распространение радиоволн, процессы распространения электромагнитных волн радиодиапазона в атмосфере, космическом пространстве и тол.

Лекции по дисциплине - Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства

формат doc
размер 1.8 МБ
добавлен 25 февраля 2010 г.

Содержание: Классификация волн по диапазонам частот и условиям распространения. Основные характеристики и параметры антенн. Расчёт поля излучения антенн. Антенны с круговой диаграммой направленности. Направленные антенны. Антенная решетка. Классификация антенных решеток. Характеристики ФАР. Спиральные антенны в сотовых телефонах. Планарные антенные системы BlueTooth в сотовых телефонах.

Маненков В.И. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства

формат doc
размер 1.4 МБ
добавлен 24 июня 2011 г.

Конспект лекций по дисциплине " Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства" для студентов очной формы обучения специальности 201200. Классификация волн по диапазонам частот и способу распространения Электрические параметры антенн Расчет поля излучения антенн Антенны с круговой диаграммой направленности Направленные антенны Фазированные антенные решетки Классификация антенных решеток Характеристики ФАР Особенности распространения кор.

Нефёдов Е.И. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн

формат doc
размер 8.93 МБ
добавлен 01 февраля 2011 г.

Харченко К.П. KB антенны-рупоры без видимых стенок

формат djvu
размер 2.09 МБ
добавлен 07 января 2010 г.

Харченко К. П. KB антенны-рупоры без видимых стенок. Почему и как излучают линейные антенны бегущей волны. Конструкции. Комплексы. Поля. — М.: ИП РадиоСофт, 2003. — 96 с: ил. — (Книжная полка радиолюбителя. Вып. 4) ISBN 5-93037-101-6 Поиск условий увеличения коэффициента усиления (КУ) антенны Бевереджа привел к изобретению антенны ОБ-Е. На проводнике новой антенны обнаружен неизвестный ранее волновой процесс с получением результата КУобе=40КУ Бе.

Шубарин Ю.В. Антенны сверхвысоких частот

формат djvu, txt
размер 2.84 МБ
добавлен 11 октября 2011 г.

Dohler Mischa. Antennas & Propagation

формат pdf
размер 2.5 МБ
добавлен 14 января 2010 г.

11 файлов. King’s College London Centre for Telecommunications Research, 2001. Курс лекций - Антенны и распространение радиоволн. В 10 лекциях кратко рассмотрены основы теории поля и принципы построения основных типов антенн. В заключительной, 11 части приведены основные формулы и уравнения.

Лекции

Лабораторные

Справочники

Эссе

Вопросы

Стандарты

Программы

Дипломные

Курсовые

Помогалки

Графические

Доступные файлы (11):

Лекция 1.doc

АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МАНЕНКОВ В.И.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН И АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА

Конспект лекций по дисциплине

Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства

для студентов очной формы обучения

Автор: к.т.н., доцент В.И. Маненков

Рецензент: к.т.н., доцент В.В. Лаптев

Редактор: д.т.н., профессор В.Н Дмитриев

Маненков В.И. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства: Конспект лекций/ АГТУ. – Астрахань, 2004. – 50 с.

Учебное пособие утверждено на заседании методического совета факультета

 Астраханский государственный технический университет

Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ

Назначение передающих и приемных антенн. Влияние окружающие среды на условие распространения радиоволн. Классификация радиоволн по диапазонам. Основные задачи теории антенн: внутренняя и внешняя задачи теории антенн. Основные задачи теории распространения радиоволн.

Антенна (А.), устройство для излучения и приёма радиоволн.

Передающая антенна преобразует энергию электромагнитных колебаний высокой частоты, сосредоточенную в выходных колебательных цепях радиопередатчика, в энергию излучаемых радиоволн. Преобразование основано на том, что, как известно, переменный электрический ток является источником электромагнитных волн. Это свойство переменного электрического тока впервые установлено Г. Герцем в 80-х гг. 19 в. на основе работ Дж. Максвелла.

Приёмная антенна выполняет обратную функцию – преобразование энергии распространяющихся радиоволн в энергию, сосредоточенную во входных колебательных цепях приёмника. Формы, размеры и конструкции антенн разнообразны и зависят от длины излучаемых или принимаемых волн и назначения А. Применяются А. в виде отрезка провода, комбинаций из таких отрезков, отражающих металлических зеркал различной конфигурации, полостей с металлическими стенками, в которых вырезаны щели, спиралей из металлических проводов и др.

^ КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЛН ПО ДИАПАЗОНАМ ЧАСТОТ И СПОСОБУ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

Каждая система передачи сигналов состоит из трех основных частей: передающего устройства, приемного устройства и промежуточного звена – соединяющей линии. В радиолинии роль промежуточного звена выполняет среда, пространство, в котором распространяются радиоволны. Для подвижной связи используется распространение радиоволн по естественным трассам, т.е. в условиях, когда средой служат поверхность и атмосфера Земли или космическое пространство. Среда распространение радиоволн – звено в радиолинии, которое практически не поддается управлению. В свободном пространстве электромагнитные волны распространяются радиально от источника со скоростью c = 310 8 м/с и не испытывают поглощения.

расчет энергетических параметров радиолинии – выбор мощности передающего устройства или определение мощности сигнала на входе приемного устройства;
определение оптимальной рабочей волны при заданных условиях распространения определение истинной скорости и истинного направления прихода сигнала;
изучение возможных искажений передаваемого сигнала и разработка мер по их устранению.

Условия распространения радиоволн по естественным трассам определяются многими факторами, так что полный их анализ оказывается слишком сложным. Поэтому в каждом конкретном случае строят модель трассы распространения радиоволн, выделяя те факторы, которые оказывают основное воздействие.

Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн: поверхность Земли частично поглощает и отражает радиоволны; сферичность земной поверхности (средний радиус земного шара 6370 км) также влияет на распространение радиоволн. Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости (в масштабе длины волны) от поверхности Земли, называют земными радиоволнами.

При разработке модели распространения земных радиоволн атмосферу можно считать не поглощающей средой. При необходимости усложнения модели вносятся поправки с учетом диэлектрической и магнитной проницаемостей атмосферы.

В окружающей земной шар атмосфере различают две области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу и ионосферу.

Тропосфера – приземная область атмосферы, простирающаяся до высоты 10…15 км – неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности; ее электрические параметры зависят от метеорологических условий. Тропосфера влияет на распространение земных волн и обеспечивает распространение так называемых тропосферных волн. Распространение тропосферных волн связано с рефракцией (искривлением траектории волны) в неоднородной тропосфере, а также с рассеянием и отражением радиоволн от неоднородностей тропосферы.

Ионосфера – от 50…80 км и примерно до 10000 км над поверхностью Земли. В этой области плотность газа весьма мала и газ ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов (примерно 10 3 … 10 6 электронов в 1 см 3 воздуха). Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства газа и обусловливает возможность отражения радиоволн от ионосферы. Путем последовательного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны распространяются на очень большие расстояния (например, короткие волны могут несколько раз огибать земной шар). Ионосфера является неоднородной средой, и радиоволны рассеиваются в ней, что также обусловливает возможность распространения радиоволн на большие расстояния. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, будем называть ионосферными волнами. На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало.

За пределами ионосферы плотность газа и электронная плотность уменьшаются и на расстоянии 3…4,5 радиусов земного шара, атмосфера Земли переходит в космическое пространство, где газ полностью ионизирован, плотность протонов равна плотности электронов и составляет всего 2…20 эл/см 3 . Условия распространения радиоволн в космосе близки к условиям распространения в свободном пространстве. Таким образом, оказывается возможным рассматривать раздельно влияние на распространение радиоволн земной поверхности, тропосферы, ионосферы и космического пространства.

К радиоволнам относят электромагнитные колебания, длина волны которых лежит в пределах от 210 –9 до 10 5 м, что соответствует частотам колебаний от 1510 10 до 310 –3 МГц.

В зависимости от длины рабочей волны влияние одной и той же среды проявляется в большей или меньшей степени. В связи с этим для удобства выбора модели трассы электромагнитные волны делят; на диапазоны – табл. 1. Волны каждого из диапазонов имеют свои особенности распространения, но на границах диапазонов не существует резких изменений этих особенностей.

Читайте также: