Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником

Процессы в антеннах зависят от соотношения между их размером и рабочей длиной волны: для оценок можно принять, что она не должна быть на порядок меньше, иначе ее эффективность будет ничтожно мала. Поскольку в современной радиоэлектронике используются волны с длиной от децимиллиметров до десятков километров, то и конструкции антенн имеют большое разнообразие в зависимости от диапазона и назначения.

По назначению различают антенны для радиовещательных станций, радиосвязи, телевизионные, для радиолокации и радио-телелемеханики, а также для радиоастрономии.

Основными элементами антенн являются, как правило, симметричные или несимметричные вибраторы. Симметричный вибратор (восходящий к Герцу) представляет собой два проводника одинаковой длины (в большинстве случаев в сумме составляющей половину длины волны — полуволновый вибратор), между которыми включается фидер (питающая линия), соединяющая антенну с передатчиком/приемником. Примером такой антенны является простейшая телевизионная антенна, показанная на рис. 27, а.

Рис. 27. Антенны:

_{а — простейшая телевизионная антенна (1 — полуволновой вибратор; 2 — фидер; 3 — подставка; пунктиром показано распределение тока I вдоль вибратора; λ — длина рабочей волны); б — вертикальная КВ-антенна}

Вертикальная антенна (рис. 27, б) представляет, по сути, несимметричный вибратор (восходящий к Попову), в ней используется один проводник, подсоединенный к передатчику/приемнику. Один из зажимов последнего соединяется с землей (противовесом).

Важнейшей характеристикой антенн являются их поляризационные параметры. Электромагнитные волны могут иметь различную поляризацию — упорядоченное расположение вектора напряженности электрического поля в пространстве. В линейно поляризованной волне этот вектор при распространении остается параллельным самому себе.

Плоскость, в которой лежит вектор напряженности электрического поля, ориентируют горизонтально по отношению к земле (горизонтальная поляризация) или вертикально (вертикальная поляризация). Например, в системе эфирного телевизионного вещания, принятой в России, используется горизонтальная поляризация, что не трудно увидеть по расположенным горизонтально элементам антенн коллективного пользования, установленным на крышах зданий. Тогда как в США используется вертикальная поляризация, и приемные диполи там, соответственно, ориентированы вертикально.

В качестве фидера в телевизионных антеннах (а также в ряде других случаев) используют коаксиальный кабель. Коаксиальный ВЧ-кабель (рис. 28, а) состоит из центрального многопроволочного медного проводника, окруженного толстой полиэтиленовой оболочкой, одетой в медную оплетку, поверх которой имеется защитная полиэтиленовая оболочка. Внутренний проводник может быть также однопроволочным с изоляцией в виде диэлектрических шайб (рис. 28, б).

Рис. 28. Коаксиальные кабели:

_{а — с многопроволочным внутренним проводником и сплошной изоляцией; б — с однопроволочным внутренним проводником и изоляцией из диэлектрических шайб; в — ВЧ-разъем; г — компоненты EWB (линии передачи без потерь и с потерями)}

Разборное соединение кабеля с отдельными блоками аппаратуры производится с помощью специальных разъемов (рис. 28, в).

Основные характеристики этих кабелей связаны с неискажаемой передачей информации. Кабель должен быть согласован по входу и выходу своим волновым сопротивлением и иметь малое затухание сигнала, а также быть экранированным от внешних электромагнитных наводок. Наиболее распространены кабели с волновыми сопротивлениями 50 и 75 Ом.

Свойства передающих антенн выражают через КПД, сопротивления излучения, волновое и входное, характеристику направленности, коэффициент усиления, частотную характеристику и полосу пропускания.

В зависимости от последних факторов различают широкополосные и диапазонные антенны.

Конструкции приемной и передающей антенн могут отличаться, однако их основные характеристики при использовании в другом режиме сохраняются (свойство взаимности), если схемы включения антенны в передатчике и приемнике соответствуют друг другу. Поэтому по многим вышеперечисленным характеристикам передающих антенн можно судить и об антеннах приемных.

Важной характеристикой приемных антенн является их действующая длина (высота) и согласование ее с фидерной линией.

Действующая высота антенны — коэффициент пропорциональности между ЭДС, наведенной в антенне электромагнитной волной, и напряженностью поля при вертикальной поляризации; сопротивление излучения — величина, пропорциональная произведению квадрата отношения действующей высоты антенны к длине рабочей волны.

Большое влияние на работу антенн оказывает земля. Специальное заземление через грозовой переключатель и разрядник обязательно выполняется для наружных антенн с целью предохранения людей, аппаратуры и зданий от проявлений атмосферного электричества во время грозы. Грозоразрядники являются непременным атрибутом коммерческих радиосистем. Любители коротковолновики и ультракоротковолновики также всегда уделяют внимание проблемам грозозащиты. Однако старое «дедовское» отключение входных цепей и питания при приближении грозы — это самый надежный способ. Все-таки, радио родилось от грозы, не дайте ему от нее и погибнуть.

В отличие от приемных либо передающих радиовещательных и телевизионных антенных устройств, антенны для систем связи являются приемопередающими. Отечественные разработчики классифицируют антенны для систем связи на две большие группы. Базовые антенны, устанавливаемые вблизи базовой приемопередающей станции и обеспечивающие максимально возможную зону покрытия. Абонентские антенны, предназначенные для обеспечения устойчивой связи в зоне покрытия базовой станции. Последние могут быть стационарными и мобильными самых разнообразных конструкций (типа волновой канал, спиральные, параболические и т. п.).

В мобильных устройствах связи (радиотелефон и т. п.) используют специальные приемы для уменьшения их габаритов по сравнению с четвертьволновой штыревой антенной с одновременным обеспечением их эффективности. Это добавление удлинительной катушки, т. е. индуктивной катушки, имеющей высокую добротность и элементы настройки, включаемой последовательно с укороченной штыревой антенной. Используется также CLC-катушка — удлинительная катушка, находящаяся не в корпусе и не в основании антенны, а в середине штыря.

Укорочение антенн ДВ и СВ диапазонов, где радиостанции работают с вертикальной поляризацией, производится включением емкостной нагрузки на верхнем конце приемного вертикального диполя. Роль этой емкости выполняет горизонтальная часть Г-образных и Т-образных антенн, проводники в изоляторе «метелочной» антенны или спицы в «колесе», закрепленные на вертикальном шесте, а также верхние части растяжек в «зонтичной» антенне. Вообще антенны представляют сложные и разнообразные конструкции, например, на рис. 29, а показана ромбическая антенна.

Рис. 29. Антенны:

_{а — ромбическая (l — сторона ромба; Ф — фидер, соединяющий антенну с передатчиком или приемником: R — резистор);б — типа «волновой канал» (1 — кабель питания; 2 — рефлектор; 3 — директоры; 4 — активные вибраторы). Стрелкой показано направление максимальной интенсивности излучения/приема}