1. Введение в антенны
Антенна представляет собой переходную структуру между свободным пространством и линией передачи, как показано на рисунке 1. Линия передачи может быть выполнена в виде коаксиальной линии или полой трубы (волновода), которая используется для передачи электромагнитной энергии от источника к антенне или от антенны к приемнику. Первая антенна является передающей, а вторая – приемной.
Рисунок 1 Путь передачи электромагнитной энергии (источник-линия передачи-антенна-свободное пространство)
Передача антенной системы в режиме передачи на рисунке 1 представлена эквивалентом Тевенина, как показано на рисунке 2, где источник представлен идеальным генератором сигналов, линия передачи представлена линией с характеристическим сопротивлением Zc, а антенна представлена нагрузкой ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. Сопротивление нагрузки RL представляет потери проводимости и диэлектрические потери, связанные со структурой антенны, в то время как Rr представляет сопротивление излучения антенны, а реактивное сопротивление XA используется для представления мнимой части импеданса, связанного с излучением антенны. В идеальных условиях вся энергия, генерируемая источником сигнала, должна передаваться на сопротивление излучения Rr, которое используется для представления способности излучения антенны. Однако на практике существуют потери проводник-диэлектрик из-за характеристик линии передачи и антенны, а также потери, вызванные отражением (рассогласованием) между линией передачи и антенной. Учитывая внутреннее сопротивление источника и игнорируя потери в линии передачи и потери на отражение (рассогласование), максимальная мощность подается на антенну при сопряженном согласовании.
Рисунок 2
Из-за несоответствия между линией передачи и антенной, отраженная волна от интерфейса накладывается на падающую волну от источника к антенне, образуя стоячую волну, которая представляет собой концентрацию и накопление энергии и является типичным резонансным устройством. Типичная картина стоячей волны показана пунктирной линией на рисунке 2. Если антенная система спроектирована неправильно, линия передачи может в значительной степени выполнять функцию накопителя энергии, а не волновода и устройства передачи энергии.
Потери, вызванные линией передачи, антенной и стоячими волнами, нежелательны. Потери в линии можно минимизировать, выбрав линии передачи с низкими потерями, а потери в антенне — уменьшив сопротивление потерь, обозначенное как RL на рисунке 2. Стоячие волны можно уменьшить, а накопление энергии в линии — минимизировать, согласовав импеданс антенны (нагрузки) с характеристическим импедансом линии.
В беспроводных системах, помимо приёма или передачи энергии, антенны обычно используются для усиления излучаемой энергии в определённых направлениях и подавления излучаемой энергии в других. Поэтому, помимо устройств обнаружения, антенны также должны использоваться в качестве направленных устройств. Антенны могут иметь различную форму в зависимости от конкретных задач. Это может быть проволока, апертура, патч, сборка элементов (решетка), рефлектор, линза и т. д.
В системах беспроводной связи антенны являются одним из важнейших компонентов. Правильная конструкция антенны может снизить системные требования и повысить общую производительность системы. Классическим примером служит телевидение, где качество приёма сигнала можно улучшить с помощью высокопроизводительных антенн. Для систем связи антенны играют ту же роль, что глаза для человека.
2. Классификация антенн
1. Проводная антенна
Проволочные антенны — один из самых распространённых типов антенн, поскольку встречаются практически повсюду: в автомобилях, зданиях, на кораблях, самолётах, космических аппаратах и т. д. Существуют различные формы проволочных антенн, например, прямые (дипольные), рамочные и спиральные, как показано на рисунке 3. Рамочные антенны могут быть не только круглыми. Они могут быть прямоугольными, квадратными, овальными и любой другой формы. Круглая антенна является наиболее распространённой благодаря своей простоте конструкции.
Рисунок 3
2. Апертурные антенны
Апертурные антенны играют всё большую роль в связи с растущим спросом на более сложные формы антенн и использованием более высоких частот. Некоторые типы апертурных антенн (пирамидальные, конические и прямоугольные рупорные антенны) показаны на рисунке 4. Этот тип антенн очень полезен для применения в самолётах и космических аппаратах, поскольку их легко монтировать на внешнюю обшивку самолёта или космического аппарата. Кроме того, их можно покрыть слоем диэлектрика для защиты от агрессивных сред.
Рисунок 4
3. Микрополосковая антенна
Микрополосковые антенны приобрели большую популярность в 1970-х годах, главным образом для спутниковых приложений. Антенна состоит из диэлектрической подложки и металлической пластины. Металлическая пластина может иметь множество различных форм, но наиболее распространена прямоугольная пластинчатая антенна, показанная на рисунке 5. Микрополосковые антенны имеют низкий профиль, подходят для плоских и неплоских поверхностей, просты и недороги в изготовлении, обладают высокой прочностью при монтаже на жестких поверхностях и совместимы с конструкциями монолитных ИС (MMIC). Их можно устанавливать на поверхности самолетов, космических аппаратов, спутников, ракет, автомобилей и даже мобильных устройств, и они могут быть спроектированы с учетом их формы.
Рисунок 5
4. Антенная решетка
Характеристики излучения, требуемые для многих приложений, могут быть недостижимы с помощью одного антенного элемента. Антенные решетки могут синтезировать излучение элементов для достижения максимальной интенсивности в одном или нескольких направлениях. Типичный пример показан на рисунке 6.
Рисунок 6
5. Рефлекторная антенна
Успехи освоения космоса также привели к быстрому развитию теории антенн. В связи с необходимостью сверхдальней связи для передачи и приёма сигналов на расстояния в миллионы километров необходимо использовать антенны с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления. В этом случае распространённой формой антенны является параболическая антенна, показанная на рисунке 7. Диаметр антенны этого типа составляет 305 метров и более, и такой большой размер необходим для достижения высокого коэффициента усиления, необходимого для передачи и приёма сигналов на расстояния в миллионы километров. Другой тип отражателя – уголковый отражатель, показанный на рисунке 7 (c).
Рисунок 7
6. Линзовые антенны
Линзы в основном используются для коллимации падающей рассеянной энергии, предотвращая её распространение в нежелательных направлениях излучения. Соответствующее изменение геометрии линзы и выбор подходящего материала позволяют преобразовывать различные формы расходящейся энергии в плоские волны. Линзы могут использоваться в большинстве приложений, например, в параболических рефлекторных антеннах, особенно на высоких частотах, а их размеры и вес значительно увеличиваются на низких частотах. Линзовые антенны классифицируются по материалам, из которых они изготовлены, или по геометрическим формам, некоторые из которых показаны на рисунке 8.
Рисунок 8
Более подробную информацию об антеннах можно найти на сайте:
Время публикации: 19 июля 2024 г.
