Классификация антенн

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ЩЕЛЕВЫХ АНТЕНН

• Щелевые антенны компактные, механически прочные, являются невыступающими антеннами.
• Щелевые антенны используются на летательных аппаратах, так как не нарушают их аэродинамику.
• Щель в корпусе ослабляет прочность конструкции.
• Поэтому щелевые антенны используются в основном в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн, где их длина мала.
• Полость щели может быть заполнена диэлектриком.

• Недостаток: сложность начальной настройки антенны, так как размеры щели критичны к длине волны. Поэтому щелевая антенна может хорошо работать только в узком диапазоне волн.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТЕРЖНЕВАЯ АНТЕННА

Антенна состоит:

1 - диэлектрический стержень с постепенно уменьшающимся диаметром (для согласования), выполненный из высокочастотного диэлектрика с малыми потерями (полистирол, тефлон и др.);

2 – металлический стакан служит отражателем ЭМВ, в него вставляется толстый конец стержня;

3 - четвертьволновый вибратор;

4 - коаксиальная линия.

• Вибратор излучает электромагнитные волны, которые распространяются вправо от излучателя, т.к. слева расположен отражатель.
• На границе раздела свободного пространства и диэлектрического стержня волны отражаются и преломляются.
• Такой стержень подобен волноводу, в котором большая часть электромагнитной энергии излучателя распространяется в стержне в виде бегущих волн.
• Большая часть ЭМВ распространяется в свободном пространстве вдоль оси стержня.
• Главный лепесток ДНА направлен также вдоль оси стержня.
• Отражённые от свободного конца стержня волны распространяются в обратном направлении, и появляются боковые и задние лепестки в диаграмме направленности.
• Длина диэлектрического стержня (3-5) λ, средний диаметр – (0,5-1)λ. При этом ширина ДНА=(30-50)  .

МНОГОВИБРАТОРНАЯ АНТЕННА ВОЛНОВОЙ КАНАЛ (АВК)

А – активный вибратор подключается к фидеру.

В, Г, Д, Е – пассивные вибраторы (директоры), возбуждаются электромагнитным полем активного вибратора ( лат. director – направлять ).

Р – рефлектор (отражатель).

Поле одного вибратора наводит в другом некоторую ЭДС. Поле, создаваемое системой вибраторов, является результатом сложения полей, создаваемых отдельными вибраторами, с учётом фаз этих полей.

Ширина диаграммы направленности директорной антенны зависит от числа директоров: чем их больше, тем меньше угол излучения. При увеличении числа директоров уменьшение угла излучения становится всё меньше и меньше. Поэтому используют антенны с одним рефлектором и не более 4-5 директоров.

ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ ДИРЕКТОРНОЙ АНТЕННЫ

Ширина диаграммы направленности директорной антенны зависит от числа директоров: чем их больше, тем меньше угол излучения. При увеличении числа директоров уменьшение угла излучения становится всё меньше и меньше. Поэтому используют антенны с одним рефлектором и не более 4-5 директоров.

Типовая ширина диаграммы направленности директорной антенны Θ=20  ÷35  Коэффициент направленного действия равен D =n L/  ,

где n – число вибраторов; L – длина антенны; λ – длина волны.

+ простота конструкции,

+ хорошая направленность.

- сложность настройки (подбор длин вибраторов и расстояний между ними.

Директорные антенны чаще всего применяют для работы на фиксированных частотах.

АПЕРТУРНЫЕ АНТЕННЫ

В апертурных антеннах излучение происходит с большой площади (апертуры).

Это может быть открытое отверстие металлического волновода, раскрыв металлических рупоров, параболического зеркала

а). Волноводно-рупорная; б). Линзовая; в). Зеркальная

РУПОРНЫЕ АНТЕННЫ

• Одной из простейших апертурных антенн является открытый конец волновода.
• При переходе от волновода к свободному пространству резко меняются условия распространения ЭМВ, и значительная часть энергии отражается от открытого конца волновода.
• Для улучшения согласования необходимо плавно увеличивать линейные размеры открытого конца волновода, т.е. перейти к рупору.

• Рупорная антенна – это волновод с плавно изменяющимся сечением.

РУПОРНЫЕ АНТЕННЫ

• Одной из простейших апертурных антенн является открытый конец волновода.
• При переходе от волновода к свободному пространству резко меняются условия распространения ЭМВ, и значительная часть энергии отражается от открытого конца волновода.
• Для улучшения согласования необходимо плавно увеличивать линейные размеры открытого конца волновода, т.е. перейти к рупору.

• Рупорная антенна – это волновод с плавно изменяющимся сечением.

• Для расширения диаграммы направленности используют рупорные антенны.
• Раскрыв рупорной антенны соответствует ширине диаграммы направленности.
• Для создания очень широкой диаграммы направленности на выходе волновода устанавливают просто плоскую пластину, что равносильно рупорной антенне на 180 градусов.

РУПОРНЫЕ АНТЕННЫ

• При расширении узкой стенки волновода (b) рупор называют Е-секториальным.

• При расширении широкой стенки волновода (а) рупор называют Н-секториальным.

Структура поля в волноводе

• Если у волновода плавно изменяются оба размера, рупор называют пирамидальным.

• Круглый волновод при плавном увеличении сечения переходит в конический рупор.

РУПОРНЫЕ АНТЕННЫ

• Фронт волны, исходящей из рупорной антенны, является сферическим.
• Для создания плоского фронта применяют линзы.
• Плоская волна нужна для того, чтобы излучение не рассеивалось во все стороны, а распространялось в одном направлении .

D=4  Sэф/  2

Коэффициент направленного действия рупорной антенны

D – коэффициент направленного действия;

Sэф – эффективная площадь раскрыва рупора (площадь апертуры);

 - длина волны.

ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА

Зеркальными называют антенны, у которых ЭМП формируется в результате отражения радиоволн от металлической поверхности рефлектора - зеркала.

Зеркальная антенна состоит из облучателя и зеркала.

1 – сферический фронт волны облучателя;

2 – облучатель устанавливается в фокусе параболоида ;

3 – диаметр зеркала;

4 – отражатель (рефлектор, зеркало);

5 – плоский фронт волны;

Антенна ДМРЛ-С

Антенна АВК-1

ЗЕРКАЛЬНАЯ ПАРАБОЛИЧЕСКАЯ АНТЕННА

ЭМВ облучателя, достигнув проводящей поверхности зеркала, наводит в нем токи высокой частоты. Эти токи являются источниками вторичного излучения, т.е. они создают поле отраженной волны.

Облучатель имеет широкую ДН, которая с помощью зеркала преобразуется в узкую (игольчатую) ДН.

Зеркала выполняются из материалов с хорошей проводимостью (алюминия или его сплавов, стеклопластика с металлизированной отражающей поверхностью). Для предотвращения коррозии поверхность рефлектора окрашивают.

С целью уменьшения веса и ветровых нагрузок зеркала могут выполняться также из металлической сетки или перфорированных листов. Антенны могут закрываться радиопрозрачным укрытием (РПУ).

Размеры отверстий должны быть много меньше длины волны, тогда они не оказывают влияния на электрические характеристики рефлектора.

ПРИЕМНАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА

В приемной зеркальной антенне облучатель (2) является не источником ЭМИ, а приёмником. Он принимает сфокусированный рефлектором сигнал, приходящий из окружающего пространства в виде параллельного пучка лучей, и передаёт его с помощью фидерного тракта на вход приёмного канала.

РАСЧЕТ КНД ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ

Коэффициент направленного действия (D) параболических зеркальных антенн определяют через эффективную площадь раскрыва антенны (S):

Если задан коэффициент направленного действия D, то необходимую площадь раскрыва зеркала можно рассчитать по формуле:

Рассчитать апертуру и коэффициент направленного действия параболической зеркальной антенны ДМРЛ-С, диаметр зеркала которой равен 4,5 метра.

РАМОЧНАЯ АНТЕННА

Рамочные антенны представляют собой один или несколько последовательно соединённых витков провода, имеющих круглую, квадратную или многоугольную форму.

МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ АНТЕННЫ – ФАЗИРОВАННЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ (ФАР)

Излучающими элементами могут быть линейные вибраторы, волноводные щели, рупоры, открытые концы волноводов и др.

Высокая направленность излучения объясняется интерференцией (наложением) полей, создаваемых отдельными излучателями.

Диаграмма направленности антенной системы зависит от типа излучателей, от их расположения, расстояния между ними, от длины волны и соотношения между амплитудами и фазами токов в излучателях.

В зависимости от расположения элементарных излучателей различают линейные, плоские и объёмные ФАР.

Излучающие элементы в линейной ФАР расположены на равных расстояниях друг от друга вдоль прямой ΜΝ, называемой осью решётки.

Расстояние между фазовыми центрами излучателей d называют шагом решётки.

Линейная ФАР позволяет сформировать направленное излучение только в одной плоскости, проходящей через ось решётки.

ПЛОСКАЯ ФАР

• Плоская ФАР собирает излучение в узкий пучок в двух плоскостях.
• Форма плоской ФАР может быть прямоугольной, круглой, многоугольной и определяется требованиями к форме диаграммы направленности и конструктивными особенностями системы.
• Излучатели в плоских ФАР располагают в узлах сетки .

Излучение в нежелательное полупространство устраняют либо выбором однонаправленных излучающих элементов, либо с помощью экрана (5).

ФАР – ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА

АНТЕННЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ - АФАР

• Необходимо, чтобы острая направленность антенны сочеталась с высокой скоростью перемещения луча в пространстве и автоматическим управлением движения луча.
• Это осуществляется в ФАР с электронным управлением диаграммой направленности.
• Управление может быть выполнено фазовым или частотным методами.
• При фазовом методе используют фазовращатели с последовательной или параллельной схемами включения.

НЕДОСТАТОК последовательной схемы:

неравномерное распределение мощности между фазовращателями.

Через ближайшие к питающему ГВЧ фазовращатели проходит почти вся мощность, подводимая к антенной решётке, а к последним – доходит лишь незначительная её часть.

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ

В параллельной схеме включения через каждый фазовращатель проходит лишь небольшая часть мощности.

Недостаток параллельной схемы: сложность системы управления, т.к. надо применять фазовращатели с различными диапазонами фазовых сдвигов.

При частотном управлении изменяется частота питающего решётку генератора. Это приводит к изменению сдвигов по фазе между токами в излучателях решётки, в результате чего изменяется положение антенного луча в пространстве. Это требует перестройки частоты питающего генератора в достаточно широких пределах (не менее 6% от несущей частоты).

Элементами АФАР являются не одиночные излучатели, а модули, в состав которых кроме

АФАР НА АМОЛЕТЕ

излучателя входят генератор, приемник и устройство развязки режимов

прием—передача. Все эти устройства связаны не только конструктивно, но и функционально, благодаря чему возможности АФАР значительно шире возможностей пассивных решеток.

Активная фазированная антенная решетка МАРЛ-А содержит 64 приемо-передающих модуля и 64 сдвоенных дипольных излучателей.

АФАР МАРЛ-А

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЭМВ. ВЕРТИКАЛЬНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ

• Ориентация векторов напряжённости электрического (Е) и магнитного (Н) полей определяет поляризацию электромагнитной волны.
• Поляризацию электромагнитных волн оценивают по ориентации вектора напряжённости электрического поля Е.
• Если вектор Р направлен горизонтально, то при вертикальном направлении вектора Е радиоволны называются вертикально поляризованными.
• Они излучаются вертикально ориентированными вибраторами.
• Для приёма радиоволн необходимо использовать антенну такой же ориентации.

ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ

• Если вектор перемещения Р направлен горизонтально, то при горизонтальном направлении вектора Е радиоволны называются горизонтально поляризованными .
• Для передачи и приёма таких волн используют горизонтально расположенные вибраторы.

АНТЕННЫ С КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ. СПИРАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ

• К передатчику подключены одновременно горизонтальный и вертикальный диполи, фазы сигналов в них сдвинуты на 90 градусов.
• Вектор электрического поля будет вращаться по кругу.
• Волна будет не плоско поляризована, а имеет круговую поляризацию.
• Для создания волн с круговой поляризацией используются спиральные антенны.
• Спиральные антенны работают только в режиме бегущей волны.
• Длина полотна спиральной антенны ≈ 15 длин волн (витков).

СПИРАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ

• Антенна имеет очень узкую диаграмму направленности.
• Она излучает только в направлении своей оси.
• Спиральные антенны можно часто увидеть на космических аппаратах и планетоходах.