Образовательный портал о технологиях мобильной связи


      

Краткий обзор антенн .



      АНТЕННА, конструкция, используемая для передачи или приема радиоволн (т.е. электромагнитных излучений с длинами волн в пределах от ~20 000 м до ~1 мм). В качестве примеров использования антенн можно привести радио и телевещание, дальнюю радиосвязь на коротких волнах и микроволнах, отраженных спутниковыми антеннами, радиолокацию – в основе всех этих физических процессов и технических систем лежит передача энергии в форме электромагнитных волн через воздушное и космическое пространство. Функция передающей антенны состоит в том, чтобы преобразовывать электромагнитную энергию, поступающую от передатчика, в излучаемую электромагнитную волну. На стороне приема тоже необходимо иметь антенну, которая принимает часть энергии, излученной передающей антенной, и пересылает ее на более или менее сложные детектирующие и усиливающие схемы, которые и составляют основу приемника.
      ТИПЫ АНТЕНН
      Тип конструкции антенны зависит от длины волн, на которых она должна работать. Чтобы эффективно излучать энергию, антенна должна иметь размеры, близкие к длине рабочей волны. Поэтому на низких частотах, использовавшихся в свое время для трансатлантической радиотелеграфной и радиотелефонной связи (частоты от 16 до 70 кГц, т.е. волны длиной от 19 до 4,3 км), огромная система антенных проводов общей протяженностью до 2 км представляла собой электрически короткую антенну и оказывалась, следовательно, неэффективным излучателем. Если такая антенна должна была иметь заметную направленность, то ее эффективность получалась очень низкой. Напротив, на сверхвысоких частотах (СВЧ) использование полуволнового симметричного вибратора длиной менее 1 см и отполированного металлического рефлектора диаметром всего лишь несколько сантиметров позволяет весьма эффективно фокусировать излучение такого вибратора в узкий луч.
      АНТЕННЫ ДЛЯ РАДИОВЕЩАНИЯ С АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ (540–1600 кГц, 550–190 м)
      Четвертьволновая передающая антенная мачта.
      Основная зона охвата широковещательной станции «обслуживается» поверхностной (земной) волной. Для того чтобы волна распространялась вблизи земной поверхности, она должна иметь вертикальную поляризацию, т.е. вектор электрического поля излучения должен быть вертикальным, и, следовательно, необходима вертикальная антенна. В действительности достаточно иметь антенну лишь половинной высоты; причиной тому является ее зеркальный заряд.
      Когда электромагнитное поле встречает на своем пути проводящую плоскость, оно зеркально отражается от нее. Поэтому электромагнитное поле, создаваемое над проводящей плоскостью некоторой системой токов и зарядов, оказывается идентичным полю, которое существовало бы, если бы вместо проводящей плоскости имелась зеркально отраженная система токов и зарядов, т.е. просто зеркальное отображение реальной системы в данной плоскости. Таким образом, поле над плоскостью – это поле вертикального полуволнового симметричного вибратора (рис. 1). Такой вибратор наиболее интенсивно излучает в плоскости, перпендикулярной его оси; в рассматриваемом случае это означает, что излучение направлено вдоль поверхности земли. Такая антенна на практике представляет собой стальную мачту высотой около четверти длины волны, установленную на опорных изоляторах (рис. 2). Землю делают хорошим проводником, закапывая в нее систему проводов, расходящихся в радиальных направлениях от основания антенны. Если антенную мачту для устойчивости снабжают проволочными оттяжками, то их надо разделить изоляторами на секции, достаточно короткие, чтобы влияние оттяжек на локальное поле антенны было незначительным.
      Направленные антенные решетки из антенных мачт.
      Существуют две причины, по которым широковещательной станции может требоваться направленная диаграмма излучения. Во-первых, ее «аудитория» может находиться преимущественно с одной стороны от места расположения передающей станции. Так, например, региональная станция, размещенная в приморском городе, должна создавать более сильный сигнал в континентальном направлении, если нежелательно, чтобы половина ее мощности терялась на морских просторах. Во-вторых, может возникнуть необходимость исключения взаимных помех в зоне, обслуживаемой какой-либо удаленной станцией, работающей на той же самой частоте; в этом случае диаграмма направленности данной станции должна иметь нулевое излучение в направлении на удаленную.
      Направленность излучения часто достигается созданием решетки из двух или большего числа антенных мачт, в которой расстояния между мачтами и фазы возбуждения антенн каждой из мачт выбраны так, чтобы получить желаемую диаграмму направленности. Проиллюстрируем данный подход примером. Пусть имеются две одинаковые антенные мачты, находящиеся друг от друга на расстоянии в половину длины волны и возбуждаемые токами одинаковой величины и фазы. Излучение каждой антенны равнонаправленно в горизонтальной плоскости; таким образом, если смотреть сверху, каждая из антенн выглядит как точечный источник круговых волн, распространяющихся равномерно во всех направлениях. Диаграмма направленности такой двухантенной решетки определяется наложением волн, излучаемых обеими антеннами. Как показано на рис. 3, точки, находящиеся на оси запад – восток (WE), от одной антенной мачты на полдлины волны дальше, чем от другой. Таким образом, в этих точках две излучаемые волны отличаются по фазе на 180° и, следовательно, гасят друг друга; в результате излучение по линии WE в обе стороны отсутствует. Точки же, расположенные на прямой север – юг (NS), напротив, находятся на одинаковом удалении от антенных мачт, так что обе волны в этих точках оказываются в одинаковой фазе и суммируются. Такая система называется антенной решеткой бокового (поперечного) излучения – ее диаграмма направленности представлена на рис. 4,а. Если же антенные мачты излучают в противофазе (разность фаз 180°), то вдоль оси NS будет происходить взаимное гашение волн, а вдоль оси WE – их сложение. Такая система называется антенной решеткой продольного (осевого) излучения. Ее диаграмма направленности похожа на диаграмму направленности решетки поперечного излучения, но повернута на 90° (рис. 4,б). Если две антенные мачты находятся друг от друга на расстоянии в четверть длины волны и возбуждаются токами равной величины, но волна, излучаемая восточной мачтой, опережает по фазе западную на 90°, то диаграмма направленности будет иметь форму кардиоиды (рис. 5, пунктирная линия). Штриховой и сплошной линиями на рисунке представлены диаграммы направленности, получаемые при опережении по фазе восточной мачтой на 45° и 180° соответственно.
      Радиовещательные приемные антенны. Радиовещательные приемные антенны с высотой, близкой к половине или даже четверти длины волны, оказываются, как правило, непомерно большими. К счастью, это ограничение часто не играет существенной роли, так как напряженность поля, создаваемого передающей станцией, обычно настолько большая, что даже маленькая антенна обеспечивает более чем достаточный сигнал для современного радиоприемника. Исключая из рассмотрения крайне удаленные пункты, надо сказать, что длинная наружная антенна не улучшает отношение сигнал/шум и часто может лишь ухудшить прием. Большинство вещательных радиоприемников выпускаются со встроенной рамочной или ферритовой антенной. Такое устройство представляет собой электрически небольшой магнитный диполь.
      Если электрические и магнитные силовые линии, образующие поле антенны, поменять местами, то полученное в результате поле теоретически возможно в том смысле, что оно подчиняется законам электромагнетизма. Трудность состоит в том, что для излучения такого поля требуется магнитный аналог исходной излучающей системы; но магнитный аналог электрических зарядов, движущихся по электрическим проводникам, – это некие магнитные заряды, движущиеся по магнитным проводникам; однако ни магнитного заряда, ни магнитного проводника пока еще не удалось обнаружить. Существует, однако, магнитный аналог очень маленького диполя – катушка индуктивности. Хотя миниатюрный магнитный диполь, или рамочная антенна, как его называют, является весьма малоэффективной передающей антенной, такие качества, как миниатюрность и отличные возможности противостоять местным помехам и шумам, делают его идеальным средством для приема радиовещательных передач. Диаграмма направленности небольшой рамочной антенны представлена на рис. 6. Поворачивая рамку, можно, используя резко выраженные нули диаграммы, совпадающие с осью рамки, исключить прием помехи. Такая рамочная антенна может иметь форму плоской спирально намотанной катушки, размещаемой на задней стенке корпуса приемника, или форму тонкого соленоида с ферритовым сердечником. Благодаря резко выраженным нулям диаграммы направленности такую рамочную антенну используют в радиопеленгационной аппаратуре.
      Диапазон ЧМ-радиовещания (от 88 до 108 МГц) заключен между нижним и верхним каналами ОВЧ-диапазона телевидения (от 2-го до 13-го канала); поэтому антенны, применяемые для передачи и приема ЧМ-сигналов, по существу такие же, как и используемые для телевидения, и хотя в последующем описании речь будет идти преимущественно о телевизионных антеннах, последние в большей или меньшей степени пригодны также и для ЧМ-радиовещания. Обычно и ЧМ-радиостанции, и телевизионные передающие станции ведут передачи на волнах с горизонтальной поляризацией.
      АНТЕННЫ ДЛЯ ТЕЛЕВИЗИОННОГО И ЧМ-РАДИОВЕЩАНИЯ (54–216 мГц, 5,6 м – 72 см)
      Телевизионные передающие антенны.
      От телевизионной (или ЧМ) передающей антенны обычно требуется, чтобы она давала равномерно распределенное (ненаправленное) излучение в горизонтальной плоскости; однако в вертикальной плоскости выгодно концентрировать излучение в сравнительно узкий луч, направленный к горизонту, ибо именно там находится обслуживаемая «аудитория» зрителей и слушателей. Энергия, направляемая выше или ниже линии горизонта, либо теряется в космосе, либо уходит в землю. Характеристики диаграммы направленности в вертикальной плоскости той или иной телевизионной передающей антенны можно определить сравнением с соответствующей диаграммой горизонтального полуволнового симметричного вибратора в вертикальной плоскости, содержащей этот вибратор. Коэффициент усиления антенны по мощности определяется как отношение входной мощности, подаваемой на выбранный для сравнения симметричный вибратор, к мощности, подаваемой на вход антенны, коэффициент усиления которой надо определить, при условии, что обе антенны дают одинаковую интенсивность излучения в горизонтальной плоскости на расстоянии в одну милю (1,6 км). Эффективная излучаемая мощность определяется как мощность в ваттах, поступающая по соединительной линии (фидеру) от передатчика в антенну, умноженная на коэффициент усиления антенны. Таким образом, эффективная излучаемая мощность в типичном случае получается намного больше фактической мощности передатчика.
      Одной из проблем конструирования антенны, решение которой особенно важно для телевещания, является исключение отражений от антенны обратно в соединительную линию. Эта отраженная энергия переотражается передатчиком в антенну, куда она попадает с задержкой, равной частному от деления двойной длины фидера на скорость света, и приводит к передаче в антенну задержанного эхо-сигнала. В худшем случае это эхо может проявить себя на принимаемой картинке как вторичное изображение (тускло воспроизводимое изображение, смещенное вправо), но даже при менее неприятных последствиях четкость получаемого изображения ухудшается.
      Проблема отражений, как и другие проблемы, связанные с конструкцией антенны, при передаче телевизионного сигнала усугубляются требованиями, предъявляемыми к ширине полосы тракта. Видеоинформация телевизионного сигнала занимает полосу около пяти мегагерц, что составляет почти 10% несущей частоты нижних каналов ТВ-диапазона. Это означает, что телевизионная передающая антенна должна иметь конструкцию, соответствующую жестким требованиям не только на одной частоте, но и в широкой полосе частот. Полуволновый проволочный симметричный вибратор был бы совершенно непригодным для передач телевидения, так как если даже согласовать его с фидером и добиться отсутствия отражений на какой-либо одной частоте, то при изменении частоты на 5% диполь будет отражать в фидер четверть подаваемой на его вход энергии.
      Применяемая на практике телевизионная передающая антенна представляет собой «турникетную» модель, которая состоит из двух скрещенных горизонтальных симметричных вибраторов, сделанных из труб диаметром 5 или 8 см. Каждый вибратор имеет в горизонтальной плоскости диаграмму направленности в форме цифры 8, и при возбуждении двух вибраторов со сдвигом по фазе на 90° суммарная диаграмма в той же плоскости становится почти всенаправленной. Направленность в вертикальной плоскости (а следовательно, и коэффициент усиления антенны) можно улучшить путем установки на антенной мачте нескольких ярусов турникетных антенн одну над другой.
      Турникетная антенна – это прототип одной из самых широко применяемых телевизионных передающих антенн, получившей название «супертурникетной». Вибраторы простой турникетной антенны приобрели в ней форму излучателей с конфигурацией бабочки – такая конфигурация позволяет получить намного большую ширину полосы вещания. Коэффициент усиления по мощности трехъярусной супертурникетной антенны составляет около 4.
      Телевизионные приемные антенны. В отличие от волн, используемых для АМ-вещания, волны, на которых ведется телевещание, имеют значительно меньшую длину, так что приемные антенны размером в половину длины волны здесь вполне осуществимы. Так, телевизионный полуволновый симметричный вибратор настолько мал, что его можно сделать из жесткой трубки. Вместе с тем малый размер даже электрически длинной антенны на этих частотах означает, что эффективная площадь приема падающей волны (и, следовательно, возможность антенны захватить ее энергию) ограниченна. Кроме того, из-за большой ширины полосы телевизионного сигнала и шума, равномерно распределенного по каналу, приемник должен получить значительное количество энергии, чтобы обеспечить приемлемое отношение сигнал/шум. В свете вышесказанного становится понятным, что эффективность антенны играет важную роль в приеме телевизионного сигнала.
      На рабочих частотах телевещания атмосферные помехи не имеют особого значения, но приемная антенна будет улавливать массу индустриальных помех и космический шум. Поэтому важно, чтобы приемная антенна имела четко выраженную направленность, позволяющую не принимать сигналы, приходящие с направлений, не совпадающих с направлением на нужную передающую станцию. Другой тип помех, часто ухудшающих качество телевизионнного приема, – это многолучевое распространение, при котором нужный сигнал приходит на приемную антенну по двум путям разной длины. Так, например, один сигнал может прийти непосредственно от передатчика, а другой – отразившись от какой-либо горы или здания. Многолучевое распространение проявляется на экране в виде многоконтурности изображений, и, чтобы избавиться от него, надо использовать направленную антенну, позволяющую исключить прием по одному из двух лучей.
      Ширина полосы телевизионной приемной антенны должна быть очень большой, поскольку от нее требуется охватить не один канал, а обычно все тринадцать, размещенные в диапазоне частот 4:1. К счастью, согласование линии передачи с антенной, при котором отражения не возникают, не так существенно на приемной стороне, где рассогласование приводит лишь к потере слабого сигнала, не порождая эхо-сигналов. Важное значение имеет, однако, согласование соединительной линии с приемником, но в этом случае следует уделить внимание конструкции приемника.
      Отражения, возникающие на неоднородностях соединительной линии, могут вызывать многоконтурность или потерю резкости изображения. Такие отражения часто возникают, если двухпроводной ленточный кабель проходит слишком близко к металлическим конструкциям, например таким, как лотки для проводов или водостоки. Это станет понятным, если вспомнить, что высокочастотная электромагнитная энергия распространяется в поле, возникающем вокруг проводов, которые служат проводниками этого поля.
      Одна из самых простых антенн, используемых для приема телевизионного сигнала, представляет собой полуволновый петлевой симметричный вибратор (рис. 7), отличающийся от обычного полуволнового симметричного вибратора тем, что его выходной импеданс (300 Ом) согласуется с широко применяемыми типами фидеров, а также тем, что он обладает более широкой полосой; иначе говоря, он эффективно передает принимаемую электромагнитную энергию более широкого диапазона частот в соединительную линию. Чтобы получить нужную диаграмму направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях, базовую антенну обычно используют совместно с одним или несколькими пассивными элементами. Пассивный элемент – это еще одна антенна, размещенная вблизи от основной, но не подсоединенная к фидеру. С основной антенной (а следовательно, и с приемником) она связана только локальными полями. Понять, как пассивный элемент влияет на диаграмму направленности антенны, легко, поскольку здесь, по существу, используется тот же принцип, что и в ненаправленной антенной решетке; разница же состоит в том, что в данном случае возбуждается только одна антенна, а другая принимает энергию лишь от ее ближнего поля. Для примера отметим, что стержень полуволновой длины, помещенный (как показано на рис. 8) на расстоянии в четверть длины волны от полуволнового симметричного вибратора, действует как отражатель. Почему это действительно так, можно пояснить следующим образом. Локальное поле возбуждаемой (основной) антенны индуцирует в пассивном элементе заряды и токи противоположного знака, но из-за расстояния в четверть длины волны эти токи и заряды отстают от соответствующих токов и зарядов в основной антенне приблизительно на четверть периода, т.е. ток в пассивном элементе опережает ток в основной антенне приблизительно на 90°. Диаграмма направленности возбуждаемой антенны с пассивным элементом определяется путем наложения обоих излучаемых волновых полей. Эта ситуация очень похожа на рассмотренную для ненаправленной (в горизонтальной плоскости) решетки АМ-вещания; ее диаграмма направленности показана пунктирной линией на рис. 5. Эти две волны имеют тенденцию гасить друг друга в направлении к пассивному элементу и усиливать друг друга в противоположном направлении; следовательно, пассивный элемент действует как отражатель. Пассивный элемент не обязательно должен находиться на расстоянии в четверть волны от возбуждаемой антенны. Если его поместить очень близко к ней, например на расстоянии всего 0,1 длины волны, он тем не менее будет действовать как отражатель, если его длину сделать чуть больше половины длины волны. Увеличение длины пассивного элемента делает его индуктивным, в результате чего текущий по нему ток отстает по фазе от электродвижущей силы, индуцируемой полем основной антенны. Если же близко расположенный пассивный элемент сделать чуть короче половины длины волны, он становится направляющим («директором») и концентрирует излучение на своей стороне от основной антенны. Все вышесказанное имеет непосредственное отношение и к приемным антеннам. Поскольку диаграммы направленности при передаче и приеме одинаковы, пассивные директоры и отражатели можно использовать в телевизионных приемных антеннах для получения необходимой диаграммы направленности.