Классификация антенн

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение 3

Глава I. Краткие сведения об основных параметрах антенн 5

1.1. Классификация антенн  6

1.2. Электрические параметры антенн 6

1.3. Классы антенн по виду излечения энергии 7

Глава II. Зеркальная антенна 8

2.1. Общие сведения и принцип  действия зеркальной антенны 8

2.2. Принцип действия зеркальной  антенны 8

2.3. Отражающая поверхность зеркальных  систем 9

Глава III. Спутниковая антенна 13

1. . Виды спутниковых антенн 13

Заключение 16

Список  использованной литературы 18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Расширение  круга задач, решаемых современной  радиоэлектроникой, а также их усложнение стимулировало в последние десятилетия  интенсивное развитие теории и техники  антенн. В процессе развития антенн они усложнялись, появлялись принципиально  новые их классы, расширялись выполняемые  функции, и антенны зачастую превращались из простых взаимных устройств в  сложные динамические системы, содержащие в большинстве случаев сотни, тысячи различных элементов.

Антенной  называется радиотехническое устройство, предназначенное для излучения или приема электромагнитных волн.

В конструктивном отношении антенна  представляет собой провода, металлические поверхности, диэлектрики, магнитодиэлектрики. Назначение антенны поясняется упрощенной схемой радиолинии. Электромагнитные колебания высокой частоты, модулированные полезным сигналом и создаваемые генератором, преобразуются передающей антенной в электромагнитные волны и излучаются в пространство. Обычно электромагнитные колебания подводят от передатчика к антенне не непосредственно, а с помощью линии питания (линия передачи электромагнитных волн, фидер).

Приемная  антенна улавливает свободные радиоволны и преобразует их в связанные волны, подводимые с помощью фидера к приемнику. В соответствии с принципом обратимости антенн свойства антенны, работающей в режиме передачи, не изменяются при работе этой  антенны в приемном  режиме.

Устройства, аналогичные антеннам, применяют  также для возбуждения электромагнитных колебаний в различных типах волноводов и объемных резонаторов.

Тема  данной работы актуальна, так как  основные области использования радиоэлектроники — связь, телевидение, радиолокация, радиоуправление, радиоастрономия, а также системы определения государственной принадлежности, инструментальной посадки, радиоэлектронного противодействия, телеметрия и другие невозможны без применения антенн с различными характеристиками.

Целью работы является рассмотрение основних видов антенн, их свойств и характеристик, а так же выявление их основних параметров.

Главноей  задачей, для достижения цели является изучение литературы на данную тематику.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА I  КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРАХ АНТЕНН

 

Антенной  называется радиотехническое устройство, предназначенное для излучения  или приема электромагнитных волн. Антенна является одним из важнейших  элементов любой радиотехнической системы, связанной с излучением или приемом радиоволн. К таким  системам относят: системы радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиоуправления, радиорелейной связи, радиолокации, радиоастрономии, радионавигации и  др. В конструктивном отношении антенна  представляет собой провода, металлические  поверхности, диэлектрики, магнитодиэлектрики.

Свойства направленности антенны  описывают характеристикой (диаграммой) направленности. Количественно эти свойства оценивают с помощью таких параметров, как ширина диаграммы направленности, уровень боковых лепестков, коэффициент направленного действия (КНД) и других. Важным параметром является входное сопротивление антенны, характеризующее ее как нагрузку для генератора или фидера. Входным сопротивлением антенны называется отношение напряжения между точками питания антенны (зажимы антенны) к току в этих точках. Если антенна питается волноводом, то входное сопротивление определяется отражениями, возникающими в волноводном тракте. В общем случае входное сопротивление  –  величина комплексная:

.

  Оно должно быть согласовано  с волновым сопротивлением фидерного  тракта (или с выходным сопротивлением  генератора) так, чтобы обеспечить  в последнем режим, близкий  к режиму бегущей волны.

Мощность, излучаемая антенной связана с током в точках питания антенны соотношением

, где 

  – активная составляющая входного сопротивления антенны; при отсутствии потерь в ней ( ) – это сопротивление излучения. Данное определение относится к проволочным антеннам.

Одним из основных параметров антенны является ширина ее рабочей полосы частот, в пределах которой параметры антенны (характеристика направленности, входное сопротивление, КПД и др.) удовлетворяют определенным техническим требованиям. Требования к постоянству параметров антенны в пределах рабочей полосы могут быть различными; они зависят от условий работы антенны.

 

1. Классификация антенн

Антенны можно классифицировать по различным признакам: по диапазонному принципу, по характеру излучающих элементов (антенны с линейными токами, или вибраторные антенны, антенны, излучающие через раскрыв  –  апертурные антенны, антенны поверхностных воли); по виду радиотехнической системы, в которой используется антенна (антенны для радиосвязи, для радиовещания, телевизионные и др.). Будем придерживаться диапазонной классификации. Хотя в различных диапазонах волн очень часто применяют антенны с одинаковыми (по типу) излучающими элементами, однако конструктивное выполнение их различное; значительно отличаются также параметры этих антенн и требования, предъявляемые к ним.

Рассматриваются антенны следующих волновых диапазонов   (названия диапазонов даются  в  соответствии с рекомендациями “Регламента радиосвязи”; в скобках указываются названия, широко распространенные в литературе по антенно-фидерным   устройствам):   мириаметровые   (сверхдлинные)   волны ( );   километровые   (длинные)   волны   ( ); гектометровые (средние) волны ( ); декаметровые (короткие) волны( );метровые волны( ); дециметровые волны ( ); сантиметровые волны  ( );  миллиметровые волны   ( ). Последние четыре диапазона иногда объединяют общим названием “ультракороткие волны” (УКВ).

 

1.2 Электрические параметры антенн

Способность антенны излучать энергию  в свободном направлении называется направленностью антенны.

По данному  свойству антенны можно разделить  на классы:

1. Ненаправленные (изотропные) антенны излучают энергию по всем направлениям одинаково.
2. Направленные антенны или слабонаправленные антенны излучают энергию преимущественно в одном или нескольких заданных направлениях.
3. Остронаправленные излучают энергию в одном направлении.
4. Сверхнаправленные излучают энергию не только в одном направлении, но и в пределах очень небольшого телесного угла.
5. Антенны, формирующие излучение специальной формы.

Диаграмма направленности (Д.Н.) антенны - это зависимость излучаемой мощности в пространство как функции  угловых координат.

Данная зависимость  может выражаться аналитически (формулой), таблично, графически. Такие Д.Н. являются пространственными. Их недостаток –  плохое зрительное восприятие.

 

3.  Классы антенн по виду излечения энергии

Способность антенны излучать энергию в свободном направлении  называется направленностью антенны. По данному свойству антенны можно  разделить на классы:

1. Ненаправленные (изотропные) антенны излучают энергию по всем направлениям одинаково.
2. Направленные антенны или слабонаправленные антенны излучают энергию преимущественно в одном или нескольких заданных направлениях
3. Остронаправленные излучают энергию в одном направлении.
4. Сверхнаправленные излучают энергию не только в одном направлении, но и в пределах очень небольшого телесного угла.
5. Антенны, формирующие излучение специальной формы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА II ЗЕРАКАЛЬНАЯ АНТЕННА

 

2.1. Общие сведения и принцип действия зеркальной антенны

Зеркальными антеннами называют антенны, у которых  поле в раскрыве формируется в  результате отражения электромагнитной волны от металлической поверхности  специального рефлектора (зеркала). Источником электромагнитной волны обычно служит какая-нибудь небольшая элементарная антенна, называемая в этом случае облучателем  зеркала или просто облучателем. Зеркало и облучатель являются основными  элементами зеркальной антенны.

Зеркало обычно изготовляется из алюминиевых сплавов. Иногда для уменьшения парусности зеркало  делается не сплошным, а решетчатым. Поверхности зеркала придается  форма, обеспечивающая формирование нужной диаграммы направленности. Наиболее распространенными являются зеркала  в виде параболоида вращения, усеченного параболоида, параболического цилиндра или цилиндра специального профиля. Облучатель помещается в фокусе параболоида  или вдоль фокальной линии  цилиндрического зеркала. Соответственно для параболоида облучатель должен быть точечным, для цилиндра – линейным. Наряду с однозеркальными антеннами  применяются и двухзеркальные.

 

2.2 Принцип действия зеркальной антенны

Электромагнитная  волна, достигнув проводящей поверхности зеркала, возбуждает на ней токи, которые создают вторичное поле, обычно называемое полем отраженной волны. Для того чтобы на зеркало попадала основная часть излученной электромагнитной энергии, облучатель должен излучать только в одну полусферу в направлении зеркала и не излучать в другую полусферу. Такие излучатели называют однонаправленными.

В раскрыве антенны  отраженная волна обычно имеет плоский  фронт для получения острой диаграммы  направленности либо фронт, обеспечивающий получение диаграммы специальной  формы. На больших (по сравнению с  длиной волны и диаметром зеркала) расстояниях от антенны эта волна в соответствии с законами излучения становится сферической. Комплексная амплитуда напряженности электрического поля этой волны описывается выражением

,

где - нормированная диаграмма направленности, сформированная зеркалом. Принцип действия простейшей зеркальной антенны заключается в том, что точечный облучатель (например, маленький рупор), расположенный в фокусе параболоида, создает у поверхности зеркала сферическую волну. Зеркало преобразует ее в плоскую, т.е. расходящийся пучок лучей преобразуется в параллельный, чем и достигается формирование острой диаграммы направленности.

 

2.3 Отражающая поверхность зеркальных систем

Отражающая  поверхность главного зеркала для  перспективных БЗА выполняется  в виде набора отдельных панелей, установленных на каркасе зеркала  и не участвующих в работе его  силовой схемы. Точность поверхности  складывается из точностей изготовления и регулировки панелей на каркасе  и стабильности их положения и  формы в условиях эксплуатации. Перфорация панелей для высокоточных БЗА  сантиметрового и миллиметрового диапазонов для снижения ветровых нагрузок оказывается  малоэффективной и выполнима  не для всех видов конструкций  панелей.

Тепловые  деформации панелей могут возникать  под влиянием температурного градиента  между их рабочей и тыльной  поверхностями. Для снижения этих деформаций необходимо: уменьшение толщины панелей, выравнивание в них температуры  по толщине за счет хорошей теплопроводности и применения для рабочей и  тыльной поверхностей материала  с малым коэффициентом линейного  расширения, в лучшем случае на основе углепластика. Кроме точности панели должны обладать механической устойчивостью к условиям монтажа и регулировки на антенне и многократным многолетним циклическим воздействиям воды, мороза, снежных и ледяных лавин, а при необходимости обеспечивать работу людей на поверхности зеркала при обслуживании антенны. Известны различные варианты конструкций панелей с характерными особенностями.

Существенное  значение для высокоточных БЗА имеют  методы и оборудование для выставки панелей на каркасе ЗС и контроля деформаций зеркал при их различных  пространственных положениях и ветровых и тепловых воздействиях, что необходимо при монтаже и наладке антенны. Эти данные необходимы, в частности, для введения в формулу ЗС так  называемых предыскажений, равных средним  в диапазоне угломестных положений  антенны весовым искажениям, взятым с противоположным знаком. Необходимость  контроля формы ЗС может возникнуть и в процессе эксплуатации особо  точных, наиболее крупных БЗА, которые  оборудованы устройствами дистанционной  коррекции положения панелей.

Широко использовавшиеся на определенной стадии развития БЗА  обычные геодезические методы и  аппаратура контроля формы ЗС сыграли  свою положительную роль. Однако из-за недостаточности автоматизации  эти методы уступают другим, более  совершенным.

Стереофотограмметрический метод позволяет в короткое время  получить, а затем обработать, в  том числе с использованием ЭВМ, данные об искажениях формы поверхности  зеркала фотографированием поля реперов на панелях с помощью  нескольких разнесенных специальных  фотоаппаратов, установленных с  оптимальными ракурсами и базами в произвольной системе координат. Этот метод имеет определенные ограничения, как по точности, так и по возможности оптимального размещения фотоаппаратов на конструкциях ЗС без дополнительных опор.

Радиодальномерный метод предусматривает контроль изменения высотного положения  радиореперов относительно начальной  формы поверхности ЗС вследствие деформации антенны. Измерение ведется  с помощью фазового дальномера, установка  которого принципиально возможна в  произвольной точке над главным зеркалом. При этом плановые положения радиореперов в «плоскости поверхности зеркала должны быть известны. Для работы радиодальномера требуется оснащение всех контролируемых точек поверхности радиореперами в виде малогабаритных модулированных радиопереотражателей.

Наибольшими возможностями среди подобных методов  обладает метод угломерно-дальномерных измерений в оптическом диапазоне  с применением лазерных дальномеров  фазового типа при точном контроле углового положения луча лазера. В  большинстве случаев этот метод  требует оснащения панелей реперами или отражателями в виде трапель — призм либо пленочных отражателей типа катафот. В перспективе возможны измерения и без специальных отражателей. Полученные полные дальномерно-угломерные данные со всей поверхности зеркала обрабатываются на ЭВМ, в результате чего определяется положение начала и осей координат для расчетной формы ЗС, наименее уклоняющейся от измеренного состояния поверхности ЗС. Затем в найденной системе координат определяется остаточное отклонение поверхности зеркала от его расчетного профиля. Найденная ось ЗС привязывается к угломестной оси ОПУ устранением ее неперпендикулярности или введением соответствующих поправок в систему углового отсчета СН.

В последнее  десятилетие все большее применение получает контроль формы ЗС методами радиоголографии. Для этого измеряется амплитудно-фазовое распределение поля на некоторой поверхности в ближней зоне антенны или в дальней зоне с захватом значительного числа боковых лепестков ДН в телесном угле. Измеренное распределение пересчитывается в апертурное распределение поля с использованием аппарата преобразования Фурье. Преимущество метода — возможность многократного контроля при эксплуатации не только искажений главного зеркала, но и всей ЗС и ОС. Для любого из указанных методов принципиальное значение имеет высокая точность всех элементов измерительной системы и возможность автоматизации измерений и обработки результатов.

Оценивая результирующее СКО панелей  и каркаса ЗС для высокоточных БЗА, можно представить их структуру  в следующем виде:

• погрешность изготовления панелей главного и вторичных зеркал, включая погрешность нанесения контрольных реперов;
• методическая и аппаратурная погрешности контроля и регулировки положения реперных точек панелей при их установке на каркасах зеркал;
• методическая и аппаратурная погрешности начального контроля и регулировка осевого и поперечного положений реперов вторичных зеркал и облучателя и ориентации их осей при установке на антенне;
• весовые, ветровые, температурные и динамические негомологические деформации каркасов главного и вторичных зеркал;
• некомпенсируемое эксплуатационное осевое и поперечное смещения центров вторичных зеркал вследствие деформации их опор;
• ветровые, температурные и весовые деформации панелей.

В достаточно совершенной конструкции ЗС значения основных компонентов погрешности  должны быть одного порядка. Учитывая, что число основных компонентов  составляет 3. ..5 и они не коррелированны между собой, каждая из них из условия квадратурного сложения должна оцениваться как , где s —суммарная допустимая погрешность. Таким образом, при определении минимальной рабочей волны из условия допуск на основные составляющие погрешности оценивается в среднем как .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА III СПУТНИКОВАЯ АНТЕННА

1. Виды спутниковых антенн

 

Прямофокусная (осесимметричная) антенна

Является антенной с апертурой в виде параболоида вращения. Диаметр антенны определяет ее усиление и соответственно стабильность приема спутниковых сигналов. В зависимости от используемого геостационарного спутника, диаметры приемных антенн могут быть от 0,55 м до 5 м. В фокусе параболического зеркала установлены облучатели. Обычно такие антенны используются для приёма сигналов в C-диапазоне и в Ku-диапазоне. Параболические антенны используются и для передачи сигналов на спутники. К облучателям спутниковых антенн присоединяют малошумящие усилители (МШУ) с низкими уровнями шумов и конверторы, что позволяет усиливать высокочастотный сигнал непосредственно после облучателей и конвертировать его в сигнал промежуточной частоты.

Сигнал промежуточной частоты  передаётся уже по кабелям, соединенными с конвертерами для дальнейшего  усиления и детектирования.

 

Офсетная антенна

Офсетная антенна — наиболее распространена в индивидуальном приёме спутникового телевидения, хотя в настоящее время используются и другие принципы построения наземных спутниковых антенн. Офсетная антенна представляет собой несимметричную вырезку из параболоида вращения с облучателем в фокусе параболоида. Фокус такого сегмента расположен ниже геометрического центра антенны. Это устраняет затенение полезной площади антенны облучателем и его опорами, что повышает ее коэффициент полезного использования при одинаковой площади зеркала с осесимметричной антенной. К тому же, облучатель установлен ниже центра тяжести антенны, тем самым увеличивая ее устойчивость при ветровых нагрузках. Зеркало офсетной антенны крепится почти вертикально. В зависимости от географической широты угол ее наклона немного меняется. Такое положение исключает собирание в чаше антенны атмосферных осадков, которые сильно влияют на качество приема. На просвет антенна представляет не круг а эллипс, вытянутый по вертикали. Размеры офсетной антенны обычно приводят в эквиваленте усиления по отношению к прямофокусным. Если по горизонтали данный размер совпадает, то по вертикали он будет, примерно, на 10 % больше.

 Обычно офсетные антенны  используются для приёма сигнала  С и Ku-диапазона (в линейной и круговой поляризации). Однако возможен и приём сигнала в Ка-диапазоне, а также комбинированный.

 

Тороидальная антенна

Реже, в качестве спутниковой, используются тороидальные антенны. Тороидальные антенны  имеют меньшее усиление, но более  широкую диаграмму направленности, что позволяет легче навестись  на спутник или работать одновременно с несколькими спутниками.

Мультифидные антенны

Для приема сигналов одновременно от нескольких спутников в параболической антенне устанавливают несколько  облучателей. Данный факт возможен благодаря  свойству параболоида вращения фокусировать лучи с другого спутника в некоторой точке пространства расположенной невдалеке от основного фокуса. Если расположить в этой точке конвертор, то он сможет принимать и преобразовывать сигнал с соседнего спутника. Обычно, такое возможно, если расстояние между спутниками составляет не более 10-15°. Чем больше угол, тем слабее сигнал (меньше активная площадь отражателя, больше расфокусировка). Далее, сигналы с конверторов можно объединить с помощью специальных переключателей — мультисвитчей и направить в один ресивер. Мультифид — кронштейн, который позволяет крепить допонительный конвертор в стороне от главного фокуса. Мультифиды обычно применяются на прямофокусных и офсетных параболических антеннах. Моторизированные антенны

Любители  спутникового ТВ иногда устанавливают  мотоподвес (мотор), или позиционер. При помощи актюатора и по команде пользователя (или команде с тюнера) он позволяет повернуть антенну в позицию нужного вам спутника. При взгляде с земли, все спутники на геостационарной орбите находятся на одной линии (как правило, в виде дуги, подобной движению Солнца на небосклоне). Закрепив антенну таким образом, чтобы она могла точно поворачиватся по этой дуге, можно добиться, чтобы поворот антенны осуществлял всего лишь один мотор-актюатор. Такой тип подвеса называется «Полярный», так как ось вращения антенны параллельна оси вращения Земли, или другими словами — «смотрит на Полярную Звезду».

Плоская спутниковая  антенна

Голландский учёный Марселем Бургвал (Marcel van de Burgwal) разработал микрочип, функционирующий  как фазирующее устройство для антенных решеток.

Принцип работы антенны основан  на использовании программного обеспечения  для фазирования сигнала в  антенне. Современные технологии позволяют  установить её вместо параболических антенн.

В качестве плоских спуниковых атенн  используют антенную решетку, позволяющую  электронным способом отслеживать  положение спутника на орбите.

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Антенна является одним из важнейших элементов  любой радиотехнической системы, связанной  с излучением или приемом радиоволн. К таким системам относят: системы радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиоуправления, радиорелейной связи, радиолокации, радиоастрономии, радионавигации и др. Конструктивно антенны в процессе развития существенно видоизменялись. Наряду с проволочными вибраторными антеннами, созданными на первых этапах развития, широко распространены антенны апертурные, бегущей волны, фазированные антенные решетки, антенны с обработкой сигнала и др. Разработаны щелевые, импедансные, диэлектрические, ферритовые, печатные и другие типы конструктивного исполнения антенн.

Кроме излучения  и приема электромагнитных волн для  передачи информации на расстояние антенная система стала выполнять дополнительные функции: определение угловых координат  источников излучения (с возможно большей  точностью и разрешающей способностью); усиление сигналов, пространственную, временную, пространственно-временную  обработку принятых сигналов, адаптацию, самонастройку для обеспечения  помехозащищенности и электромагнитной совместимости. В ряде случаев антенна  должна решать задачи получения внекоординатной  информации об отражающем объекте, распознавания  образа или осуществления радиовидения путем поляризационной обработки  и голографических методов преобразования приходящих электромагнитных полей  радиодиапазона. В некоторых антенных задачах возникает необходимость  получения пространственно-временной  фильтрации «полей источников, расположенных  в зоне Френеля. Прорабатывается  ряд новых областей использования  антенной техники. Например, для решения  энергетических проблем предлагаются антенные систем  передачи мощности на сверхдальние расстояния и орбитальные  солнечные станции с активными  антенными решетками для. канализации  энергии на землю. Огромную роль играет антенная техника в решении проблем космического оружия.

Таким образом, наряду с антеннами, представляющими  простые взаимные устройства, применяются  активные электрически управляемые  антенные системы с присущими  им характеристиками управления, динамического  диапазона, нелинейностью, быстродействием, гиротропией и т. д. Расчет и проектирование таких современных антенн базируется не только на прикладной электродинамике, но и на теории радиотехнических систем и сигналов, электронных цепей, технической  кибернетики и т. д. Реализуемость  требуемых антенных характеристик  во многом определяется существующей технологической и элементной базой, материалами, активными приборами, фазовращателями и микропроцессорной  техникой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Айзенберг, Г.З. Антенны УКВ / Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терёшин; под ред.Г.З. Айзенберга. В 2 ч. Ч.1. − М.: Связь, 2004. − 382 с.

2. Айзенберг, Г.З. Антенны УКВ / Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терёшин; под. ред. Г З. Айзенберга. В 2 ч. Ч2. − М.: Связь, 2004. – 388 с.

3. Богомолов А. Ф., Попереченко Б. А., Соколов А. Г. Следящий параболический радиотелескоп ТНА-1500 диаметром 64 м: Антенны/Под ред. А. А. Пистолькорса. -2002. - № 30.- 13 с.

4. Геруни П. М. Вопросы расчета сферических двухзеркальных антенн//Ра-диотехника и электроника. — 2004. —Т. IX, № 1, 12 с.

5.  Соколов А. Г. Металлические конструкции антенных устройств. — М.: Стройиздат. 2008.- 240 с.