вибратор антенны что это

Простые вибраторные антенны

Простые антенны используются либо как элементы более сложных антенн (например, в составе антенных решеток, в качестве облучателей зеркальных антенн), либо как самостоятельные излучатели. Общими электрическими требованиями к антеннам рассматриваемого диапазона являются: относительно широкая полоса пропускаемых частот, большая электрическая прочность и высокая степень согласования с питающим трактом.

Возбуждение (питание) симметричных вибраторов может осуществляться как симметричной, так и несимметричной линией. Наиболее просто осуществляется питание вибраторов с помощью симметричной линии, проводники которой подсоединяются непосредственно к плечам вибратора (рис. 8).

Рисунок 8. Питание вибраторов с помощью симметричной линии

Токи, равные по величине, но противоположные по направлению в проводах линии, переходя на проводники вибратора, протекают в одном направлении, что обеспечивает синфазное возбуждение плеч вибратора. Для улучшения диапазонных свойств, механической прочности, а также снижения напряженности поля у поверхности провода вибраторы обычно выполняют из труб или пластин с большим периметром поперечного сечения (вибраторы с пониженным волновым сопротивлением).

Форма поперечного сечения может быть различной: круглой, прямоугольной, треугольной. Для уменьшения шунтирующего действия емкости между торцами плеч вибратора поперечное сечение вибраторов постепенно уменьшается к точкам питания. Крепление вибраторов может осуществляться с помощью металлического «изолятора», представляющего собой замкнутый отрезок симметричной линии длиной в четверть волны (см. рис. 8). Входное сопротивление такой линии весьма велико и не оказывает шунтирующего действия на линию питания.

Распределение тока в петлевом вибраторе в первом приближении совпадает с распределением тока в эквивалентной короткозамкнутой двухпроводной линии, переход к которой показан на рис. 9, б. Провода петлевого вибратора возбуждаются в фазе. Ввиду малости расстояния между проводами при расчете поля излучения петлевого вибратора его можно заменить обычным полуволновым симметричным вибратором, ток в котором равен , где ток в шлейф-вибраторе.

Очевидно, что ДН шлейф-вибратора практически не отличается от ДН обычного полуволнового вибратора. Однако входное сопротивление этих двух излучателей оказывается разным. Активную часть входного сопротивления шлейф-вибратора можно найти, приравняв мощности излучения петлевого вибратора и симметричного вибратора с током

где — активное входное сопротивление симметричного полуволнового вибратора. Отсюда Реактивная составляющая входного сопротивления шлейф-вибратора может быть обращена в нуль, если настроить вибратор в резонанс, т.е. несколько укоротить его длину по сравнению с λ/2. Если питание шлейф-вибратора осуществлять типовым симметричным фидером с , то КБВ в фидере будет близок к единице.

Крепление шлейф-вибратора к опоре можно осуществить с помощью металлического стержня, подсоединенного к середине верхнего провода (см. рис. 9, а). Так как в центре этого провода имеет место узел напряженности электрического поля, то наличие стержня практически не влияет на работу вибратора. Петлевые вибраторы широко применяются в диапазонах метровых и дециметровых волн (например, в приемных телевизионных антеннах).

Для расширения рабочего диапазона вибраторов целесообразно (наряду с уменьшением волнового сопротивления, достигаемого увеличением диаметра вибратора) выполнять антенну из двух частей, имеющих различные частотные зависимости входных сопротивлений. Иллюстрацией может служить диапазонный шунтовой вибратор, предложенный Г. 3. Айзенбергом (рис. 10, а). Шунт 3-7-4 одновременно выполняет функции крепления. Упрощенная эквивалентная схема антенны представлена на рис. 10, б. При соответствующем подборе геометрических размеров вибратора и шунта реактивная составляющая разомкнутого отрезка эквивалентной линии 3-5-6-4 компенсируется реактивным входным сопротивлением замкнутого отрезка 3-7-4.

Рисунок 10. Диапазонный шунтовой вибратор

При этом удается получить удовлетворительное согласование (КБВ ≥ 0,3) примерно в пятикратном диапазоне волн (0,15 λ ≤ l/λ ≤ 0,65). Угол φ (рис. 10, а) обычно не превосходит 45°, причем с увеличением этого угла возрастает неравномерность ДН в H-плоскости (максимум излучения направлен в сторону, противоположную шунту).

Для уменьшения массы вибраторов при большом диаметре их можно выполнять полыми (в виде трубки). Однако в диапазоне метровых волн даже полые вибраторы могут иметь слишком большую массу. В этом случае целесообразнее выполнять вибратор из проводов, расположенных по образующей цилиндра (так называемый диполь Надененко, рис. 11).

Рисунок 11. Диполь Надененко

При расчете волнового сопротивления диполя Надененко его можно заменить сплошным цилиндром с эквивалентным диаметром

Весьма широкополосны, причем не только по входному сопротивлению, но и по направленным свойствам, биконические антенны (рис. 12).

Рисунок 12. Биконическая антенна

При малых углах входное сопротивление биконических антенн, как и тонких цилиндрических вибраторов, резко зависит от частоты. При увеличении зависимость от частоты сглаживается, активное входное сопротивление колеблется вокруг величины где — волновое сопротивление бесконечной биконической линии, реактивное сопротивление колеблется относительно нулевого значения. Удовлетворительное согласование с питающим фидером достигается практически в полубесконечной полосе частот, начиная с некоторой граничной частоты.

К числу широкополосных антенн относятся также плоские вибраторы с плечами треугольной формы. Если угол при вершине равен 90°, подобные вибраторы называют самодополнительными, поскольку конфигурация щелевой части антенны полностью соответствует форме проводящей части. Реально антенну из плоских конусов выполняют по схеме, изображенной на рис. 13, а. Металлические шунты, замыкающие края конусов, предназначены для улучшения степени согласования.

Рисунок 13. Плоские вибраторы с плечами треугольной формы

Угол выбирается в пределах 35. 50°, в зависимости от волнового сопротивления питающего фидера. Подобные антенны работают практически в полубесконечной полосе частот, однако их длина L, (рис. 13, а), необходимая для удовлетворительного согласования на граничной частоте, несколько превышает длину биконических антенн (0,3λmax и 0,2λmax соответственно).

Для уменьшения длины плоских вибраторов без ухудшения уровня согласования подключение шунтов можно выполнять по схеме, изображенной на рисунке 13, б. Роль дополнительного согласующего элемента здесь играет емкостное сопротивление, значение которого определяется зазором между торцами вибратора и металлической перемычкой, соединяющей шунты, и поперечными размерами перемычки.

Источник

Теория радиоволн: антенны

Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.

Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.

Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.

Антенны

Симметричный вибратор

В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.

Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.

Диаграмма направленности симметричного вибратора

В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.

В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:

Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.

Несимметричный вибратор

Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.

Диаграмма направленности следующая:

Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.

Наклонная V-образная

Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V

Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.

Антенна бегущей волны

Также имеет название — антенна наклонный луч.

Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.

Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:

Антенна волновой канал

Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.

Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.

За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:

Рамочная антенна

Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.

Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:

Логопериодическая антенна

Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.

Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:

Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.

Поляризация

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

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.

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

Источник

Ликбез: основы теории по антеннам

Предисловие

В цикле статей «Ликбез по антеннам» планируется рассмотрение различного типа антенн, которые широко используются в беспроводной передачи данных. При описании антенн планируется разработка их электродинамической модели в распространенных программных пакетах, а также анализ их достоинств, недостатков и перспектив использования на беспроводных сетях будущего. В процессе прочтения данных статей читатели могут высказывать свои пожелания по дальнейшему рассмотрению тех или иных типов антенн. Все теоретические сведения будут приведены максимально наглядно без излишнего математического описания (насколько это возможно для теории антенн).

Введение

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

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.

Источник