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 коаксиального кабеля или полой трубки (волновода) и используется для передачи электромагнитной энергии от источника к антенне или от антенны к приемнику. Первая является передающей антенной, а вторая — приемной.
Рисунок 1. Путь передачи электромагнитной энергии (источник – линия передачи – антенна – свободное пространство).
Передача сигнала антенной системы в режиме передачи, показанном на рис. 1, представлена эквивалентной схемой Тевенина, как показано на рис. 2, где источник представлен идеальным генератором сигнала, линия передачи — линией с характеристическим импедансом Zc, а антенна — нагрузкой ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. Сопротивление нагрузки RL представляет собой потери проводимости и диэлектрические потери, связанные со структурой антенны, Rr — 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 излучательной способности антенны. Однако в практических приложениях существуют потери проводимости-диэлектрика из-за характеристик линии передачи и антенны, а также потери, вызванные отражением (несоответствием) между линией передачи и антенной. Учитывая внутреннее сопротивление источника и игнорируя потери на линии передачи и отражение (несоответствие), максимальная мощность, подаваемая на антенну, достигается при сопряженном согласовании.
Рисунок 2
Из-за несоответствия между линией передачи и антенной отраженная от границы раздела волна накладывается на падающую 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 действовать как элемент накопления энергии, а не как волновод и устройство передачи энергии.
Потери, вызванные линией передачи, антенной и стоячими волнами, нежелательны. Потери в линии можно минимизировать, выбирая линии передачи с низкими потерями, а потери в антенне можно уменьшить, снизив сопротивление потерь, представленное 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 приема или передачи энергии, антенны обычно должны усиливать излучаемую энергию в определенных направлениях и подавлять ее в других. Поэтому, помимо функций обнаружения, антенны должны также использоваться в качестве направленных устройств. Антенны могут иметь различные формы для удовлетворения конкретных потребностей. Это может быть провод, апертура, патч, элементная сборка (решетка), отражатель, линза и т. д.
В беспроводных системах связи антенны являются одним из наиболее важных компонентов. Грамотная конструкция антенны может снизить системные требования и улучшить общую производительность системы. Классический пример — телевидение, где качество приема вещания можно улучшить за счет использования высокоэффективных антенн. Антенны для систем связи — это то же самое, что глаза для человека.
2. Классификация антенн
1. Проволочная антенна
Проволочные антенны — один из самых распространенных типов антенн, поскольку они встречаются практически повсюду — в автомобилях, зданиях, кораблях, самолетах, космических аппаратах и т. д. Существуют различные формы проволочных антенн, такие как прямая линия (диполь), петля, спираль, как показано на рисунке 3. Петлевые антенны не обязательно должны быть круглыми. Они могут быть прямоугольными, квадратными, овальными или любой другой формы. Круглая антенна является наиболее распространенной из-за своей простой конструкции.
Рисунок 3
2. Апертурные антенны
Апертурные антенны играют все более важную роль в связи с растущим спросом на более сложные формы антенн и использованием более высоких частот. Некоторые формы апертурных антенн (пирамидальные, конические и прямоугольные рупорные антенны) показаны на рисунке 4. Этот тип антенн очень полезен для применения в авиации и космонавтике, поскольку их можно очень удобно устанавливать на внешней оболочке летательного аппарата или космического корабля. Кроме того, их можно покрыть слоем диэлектрического материала для защиты от агрессивных сред.
Рисунок 4
3. Микрополосковая антенна
Микрополосковые антенны стали очень популярны в 1970-х годах, в основном для применения в спутниковой связи. Антенна состоит из диэлектрической подложки и металлической пластины. Металлическая пластина может иметь множество различных форм, и наиболее распространенной является прямоугольная патч-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 установке на жестких поверхностях и совместимы с MMIC-конструкциями. Их можно устанавливать на поверхности самолетов, космических аппаратов, спутников, ракет, автомобилей и даже мобильных устройств, и они могут быть конформно спроектированы.
Рисунок 5
4. Антенная решетка
Характеристики излучения, необходимые для многих применений, не могут быть достигнуты с помощью одного антенного элемента. Антенные решетки позволяют синтезировать излучение от элементов таким образом, чтобы обеспечить максимальное излучение в одном или нескольких конкретных направлениях; типичный пример показан на рисунке 6.
Рисунок 6
5. Отражательная антенна
Успех освоения космоса также привел к быстрому развитию теории антенн. В связи с необходимостью сверхдальней связи, для передачи и приема сигналов на миллионы километров необходимо использовать антенны с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления. В этом случае распространенной формой антенны является параболическая антенна, показанная на рисунке 7. Диаметр такой антенны составляет 305 метров и более, и такой большой размер необходим для достижения высокого коэффициента усиления, требуемого для передачи или приема сигналов на миллионы километров. Другой формой отражателя является угловой отражатель, как показано на рисунке 7 (c).
Рисунок 7
6. Линзовые антенны
Линзы в основном используются для коллимации падающей рассеянной энергии, чтобы предотвратить её распространение в нежелательных направлениях излучения. Путем соответствующего изменения геометрии линзы и выбора подходящего материала они могут преобразовывать различные формы расходящейся энергии в плоские волны. Они могут использоваться в большинстве применений, например, в параболических отражательных антеннах, особенно на высоких частотах, а их размеры и вес становятся очень большими на низких частотах. Линзовые антенны классифицируются по материалам конструкции или геометрической форме, некоторые из которых показаны на рисунке 8.
Рисунок 8
Чтобы узнать больше об антеннах, посетите:
Дата публикации: 19 июля 2024 г.
