Антенна усы как называется

НАЗНАЧЕНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕНН

Антенны служат для преобразования радиоволн в переменный электрический ток и наоборот. Любая радиоантенна может работать как на прием, так и на передачу сигнала. Главные характеристики этих устройств описаны ниже.

Антенны проектируют и строят с учетом рабочего интервала частот — полосы пропускания. У одних конструкций она может быть шире, у других уже. Для телевидения, WiFi, мобильной связи, GPS выделяются разные радиодиапазоны.

Антенну называют направленной, если мощность ее излучения в одну из сторон существенно больше, чем в остальные. Для того, чтобы наглядно показать, как меняется мощность в зависимости от направления, строят диаграммы направленности.

Ненаправленные антенны одинаково действуют на все 360 градусов, их диаграмма имеет круговую форму. Радиоантенна с диаграммой направленности в форме сферы называется изотропной. Теоретически доказано, что построить ее невозможно. Тем не менее изотропный излучатель используют в качестве эталона для того, чтобы сравнивать радиоантенны и показывать, насколько хороша та или иная конфигурация.

Соотношение мощностей излучения исследуемой и эталонной радиоантенн характеризуется коэффициентом усиления. Реальные антенны всегда излучают в каком-то направлении меньше, в каком-то больше. Если не оговорено иное, то в характеристиках указывают пиковый коэффициент усиления.

Для коэффициента усиления принята логарифмическая единица измерения децибел (десятая часть бела). Чтобы посчитать соотношение двух мощностей в децибелах нужно подставить их в формулу L = 10*lg(P/Pi), где L – коэффициент усиления антенны, P – мощность ее излучения, Pi — мощность изотропного излучателя при тех же условиях.

Чтобы подчеркнуть сравнение с изотропным эталоном, такие децибелы обозначают как дБи. В технических характеристиках изделий принято обозначение дБ.

Перевести децибелы в «разы» можно по формуле G = P/Pi = 10**(L/10). Далее приведены некоторые значения (дБ — «раз»):

• 3 децибела соответствует усилению в 2 раза;
• 6 – 4;
• 7 — 5;
• 10 — 10;
• 15 — 32;
• 20 — 100;
• 30 — 1000.

Если к конструкции радиоантенны добавлен электронный усилитель, ее называют активной. Производители указывают коэффициент усиления таких изделий с учетом усилителя. Электронные усилители производят шумы, которые могут искажать сигнал, поэтому не рекомендуется применять их без необходимости.

Если входное сопротивление антенны не соответствует волновому сопротивлению кабеля (фидера), по которому она подключается, применяют согласующие устройства. ТВ-кабели в подавляющем большинстве стран (включая РФ) имеют волновое сопротивление 75 Ом. Кабели для WiFi, GSM, 3G, 4G, радио, GPS выпускают с волновым сопротивлением 50 Ом.

Производители изготавливают антенны с входным сопротивлением, согласующимся с волновым сопротивлением кабеля.

Для большинства радиоантенн это половина длины волны. Но есть исключения. Например, в конструкцию параболических антенн входит отражатель («тарелка»), диаметр которого может намного превышать длину волны.

Размеры радиоантенн WiFi. GPS, GSM, смонтированных на печатных платах, напротив, бывают существенно меньше половины длины волны благодаря применению материалов с большой диэлектрической проницаемостью. Существуют антенные поля площадью в несколько гектаров и антенны, чей размер измеряется в миллиметрах.

ВИДЫ И ТИПЫ АНТЕНН

Известно множество конструкций радиоантенн. Наиболее удачные из них стали массовыми.

Самые простые и, возможно, самые распространенные — диполь и четвертьволновая антенна. Первый состоит из двух проводников длиной около четверти волны каждый; второй — из одного проводника длиной около четверти волны. Четвертьволновую антенну часто называют «штырем». Диполь и «штырь» — это узкополосные радиоантенны с коэффициентом усиления 2 — 5 дБ.

Штыревая антенна одинаково излучает/принимает сигнал во всех направлениях в плоскости, перпендикулярной своей оси. Вдоль оси излучение отсутствует. Такие радиоантенны используют, если взаимное положение передающего и принимающего устройств все время меняется. Поэтому «штыри» часто можно видеть на автомобилях, портативных радиоприемниках, рациях, WiFi-роутерах.

Простота конструкции способствует применению и в случае относительно неподвижных объектов: знаменитая комнатная телевизионная антенна «усы» — не что иное, как диполь. Для того, чтобы нивелировать недостатки, связанные с узкой полосой пропускания, «усы» делают телескопическими, и их можно подстраивать на нужную длину волны.

В качестве уличных ТВ-антенн часто можно увидеть «волновой канал» — узкополосную направленную радиоантенну с коэффициентом усиления 5 — 12 дБ (в зависимости от модификации). Она изобретена в 1926 году Синтаро Уда и Хидэцугу Яги из Имперского университета Тохоку (Япония). Яги запатентовал изобретение, и для антенны стали использовать второе название — Яги.

В конструкции используется один активный элемент (диполь), соединенный с линией передачи. Его размер сопоставим с половиной длины волны. На одной штанге с диполем крепятся пассивные элементы:

• рефлектор (длиннее диполя);
• директор (короче диполя).

Основной прием (передача) «волнового канала» идет в направлении директора. Директоров может быть несколько. Добавление каждого нового элемента повышает коэффициент усиления и уменьшает угол действия (повышает направленность).

Альтернативой «волновому каналу» при приеме телевизионного сигнала служит логопериодическая антенна. Она внешне напоминает антенну Яги, но у нее другая конфигурация. Эта широкополосная радиоантенна с коэффициентом усиления 6 — 7 дБ изобретена в 1958 году Дуайтом Исбеллом и Раймондом Духамелем в Университете штата Иллинойс (США).

Логопериодическая антенна состоит из ряда активных элементов (диполей), расположенных в порядке убывания их длины. Добавление новых элементов увеличивает полосу пропускания. Пик диаграммы направленности находится со стороны более короткого диполя.

Что касается еще одной популярной конструкции — панельной антенны (патч), то она наиболее часто применяется для WiFi, GSM, 3G, 4G, GPS. Такая узкополосная направленная радиоантенна с коэффициентом усиления 5 — 10 дБ представляет собой прямоугольную (иногда эллиптическую) пластину и пластину-отражатель (экран), разделенные слоем диэлектрика.

Наибольшее распространение конструкция получила, начиная с 70-х годов 20-го века, когда панельные антенны стали массово применять на печатных платах. Длина стороны прямоугольной пластины патча сопоставима с половиной длины волны, если между пластиной и экраном находится воздух или другой материал со схожей диэлектрической проницаемостью.

Параболическую антенну можно получить из любой, поместив ее в фокус отражателя. «Тарелка» делает произвольную антенну узконаправленной, доводя коэффициент усиления до 30-40 дБ. В распоряжении ученых есть несколько гигантских отражателей с усилением 80 дБ, которые используются в составе радиотелескопов.

Полоса пропускания зависит от радиоантенны, помещенной в фокус. Спутниковая антенна — другое название, полученное из-за использования для приема спутникового ТВ.

Для того, чтобы сделать полосу пропускания шире или использовать в работе несколько диапазонов, изготавливают комбинированные конструкции — несколько в одной. Например, распространены наружные ТВ-антенны Яги для дециметровых волн, совмещенные с диполем для метровых волн.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ АНТЕНН

В мире существует довольно много технологий и стандартов, предусматривающих передачу информации с помощью радиоволн. Передатчик формирует сигнал в заданной полосе несущей частоты с закодированной на ней информацией Приемник декодирует полученные колебания с выделением полезной информации. Практически любая информация может быть подготовлена и передана при помощи радиоволн.

Для передачи и получения сигнала нужны антенны. Причем их характеристики должны соответствовать параметрам приемопередающей аппаратуры и решаемым задачам по обмену информацией.

Чтобы подобрать радиоантенну для приема эфирного телевидения или усиления сигнала WiFi-роутера, совершенно нет необходимости изучать тонкости стандартов. На радиочастотах выделены диапазоны, а на упаковках и в описаниях антенн есть ссылки на них. В списке приведены некоторые обозначения с указанием области использования и частот диапазона в РФ:

• CB (свободное использование, рации) – 26.965 — 27.860 МГц;
• VHF (метровые волны, радио и телевидение) – 48.5 – 230 МГц;
• UHF (дециметровые волны, телевидение (в том числе цифровое)) – 470 – 862 МГц;
• FM (радио) – 85.5 – 108 МГц;
• LPD (свободное использование, рации) — 433 — 434 МГц;
• PMR (свободное использование, рации) — 446 МГц;
• GPS (спутниковая система навигации) – 1.58 ГГц;
• ГЛОНАСС (спутниковая система навигации) — 1.60 ГГц;
• GSM (мобильная сотовая связь) – 890 — 960 МГц, 1710 — 1880 МГц;
• WiFi (беспроводные локальные сети) – 2.4 ГГц.

Полоса пропускания радиоантенны соответствует диапазону, указанному в ее паспорте. Что касается направленности, то изготовители, как правило, предлагают направленные модели, если ожидается стационарное положение приемника и передатчика.

Направленные антенны широко применяются при усилении сигнала сотовой связи, а штыревые в WiFi ретрансляторах. Комбинации этих типов применяются в GSM репитерах и системах беспроводной сигнализации.

Коэффициент усиления тем важнее, чем дальше разнесены источник и получатель информации. Но также следует обратить внимание на коэффициент усиления, если источник сигнала имеет малую мощность.

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Источник статьи: http://video-praktik.ru/antenny.html

Ликбез: основы теории по антеннам 7

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).

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

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.

Источник статьи: http://nag.ru/articles/article/29383/likbez-osnovyi-teorii-po-antennam.html