антенно фидерное оборудование что это

Общие сведения об антенно-фидерных устройствах

Антеннами называются устройства, излучающие и принимающие электромагнитные волны (ЭМВ). Антенна является составной частью радиолокационных, телевизионных, связных и ряда других радиоэлектронных средств (РЭС) и в значительной степени определяет их технические характеристики.

Основными характеристиками и параметрами любой антенны являются: радиотехнические, конструктивные, эксплуатационные и экономические.

По своей классификации антенны подразделяются на излучающие провода, использующиеся на частотах до 1ГГц и излучающие поверхности, используемые, в основном, на частотах выше 1ГГц.

В своем большинстве антенны реализуют принцип двойственности, т.е. одну и туже антенну можно использовать как на передачу, так и прием ЭМВ. Однако находят широкое применение и антенны, к которым принцип двойственности не применим (например, антенна бегущей волны, а также активные антенны).

В целях количественной оценки качества функционирования антенн и антенных систем используют радиотехнические показатели, которые разделяются на характеристики и показатели.

Радиотехническими характеристиками называют функциональные зависимости амплитуды, фазы и коэффициента поляризации от направления на точку наблюдения в равноудаленных точках дальней зоны. К ним относятся: 1 – характеристика направленности, 2 – фазовая характеристика, 3 – поляризационная характеристика.

К радиотехническим параметрам антенн относятся: 1 – излучаемая мощность , 2 – сопротивление излучения , 3 – коэффициент направленного действия (КНД) D, 4 – коэффициент усиления (КУ) G, 5 – коэффициент полезного действия η (КПД), 6 – входное сопротивление, 7 – действующая длина (высота) антенны , 8 – частотный диапазон .

Определение перечисленных характеристик и параметров связано с решением электродинамической задачи. Обычно исходными данными для расчета являются форма и размеры антенны, а также распределение токов (или полей) на ее поверхности. В ходе решения находятся антенные характеристики и параметры. Этот метод называется методом анализа.

Другой метод – метод синтеза. По этому методу по заданным характеристикам и параметрам определяются размеры антенны и распределения в ней токов.

Для определения характеристик и параметров антенны все окружающее ее пространство разбивают на определенные зоны, называемые ближней и дальней.

Ближняя зона – это часть пространства, непосредственно прилегающая к антенне. Расстояние до ее внешней границы можно определить по выражению:

, (7)

где L – линейный размер антенны, λ – длина волны.

В настоящее время теория расчета антенн в ближней зоне не завершена, т.к. в ней не работают основные уравнения теории Максвелла. Особенностями ближней зоны являются: наличие у векторов напряженности электрического E и магнитного Н полей кроме поперечных составляющих еще и продольных составляющих; быстрое уменьшение амплитуды поля с удалением от антенны; комплексность вектора Пойтинга ; превышение реактивной составляющей мощности поля над активной.

Дальняя зона – это пространство, которое окружает антенну, начиная с внешней границы до бесконечности. Внешнюю границу можно определить из условия:

. (8)

В связи с этим расчет антенных характеристик и параметров осуществляется только в дальней зоне.

На рис.9 представлена система координат, принятая для пояснения этапов расчета антенн. На нем – θ – координата по углу места, φ – координата по азимуту, r – расстояние от антенны до точки наблюдения.

Рисунок 9 – Система координат

На рис.10 представлены некоторые виды антенн, которые нашли широкое применение в различной аппаратуре РЭС.

Рисунок 10 – Некоторые типы антенн

Характеристика направленности (ХН). ХН – это зависимость амплитуды напряженности поля или плотности потока мощности от направления на точку наблюдения в равноудаленных от антенны точках дальней зоны. Она определяет свойства антенны, заключающиеся в распределении электромагнитной энергии в окружающее пространство. Как

правило, речь идет о напряженности электрического поля Е, имея в виду, что в дальней зоне напряженность магнитного поля находится по простой формуле:

, (9)

ε₀ и μ₀, — магнитная и диэлектрическая проницаемости свободного пространства.

Напряженность поля характеризуется амплитудой, фазой и поляризацией. Можно записать:

(10)

Рисунок 11 – К пояснению свойств диаграммы направленности антенны

Система координат

(11)

Векторную функцию Ф(θ,α) называют комплексной векторной диаграммой направленности. Она объединяет в себе амплитудную, фазовую и поляризационную диаграммы направленности антенны. В большинстве случаев используем обозначение:

(12)

и назовем эту функцию комплексной диаграммой направленности.

Идеальная антенна должна концентрировать всю излученную энергию в главном луче, однако у реальных антенн часть энергии рассеивается за пределами главного луча, образуя боковое излучение, которое характеризуется либо отдельными лепестками, либо общим фоном, занимающим иногда достаточно большие пространственные углы. Боковое излучение будем характеризовать отношением максимальной напряженности поля за пределами главного луча к напряженности поля в направлении максимального излучения; это отношение обозначим через ξ и назовем его уровнем боковых лепестков.

Амплитудная диаграмма направленности определяет распределение потока мощности, излучаемого антенной. Иногда бывает удобно говорить о диаграмме направленности антенны по мощности — Р(θ,α). Очевидно, что

(13)

Т.о., ХН представляет собой поверхность, которую описывает своим концом радиус-вектор r₀ сферической системы координат, величина которого пропорциональна амплитуде напряженности антенного поля в данном направлении. 3-х мерная фигура, получаемая при этом, называется диаграммой направленности (ДН) антенны, или пространственной ХН.

3-х мерное изображение ДН дает полное представление о ХН антенны, однако его представление на плоскости встречает ряд трудностей, поэтому на практике, в основном, используют их сечения в 2-х основных плоскостях – Е и Н. Кроме того, двумерные ДН широко представляются 2-мя способами – в прямоугольной и полярной системе координат. Примеры изображения ДН для рупорной антенны приведены на рис.12.

а	б	в

Рисунок 12 – ДН рупорной антенны: а – 3-х мерное изображение, б – ДН в прямоугольной системе координат, в – ДН в полярных координатах

Фазовая характеристика (ФХ).ФХ антенны называется зависимость фазы излучаемого антенной поля в дальней зоне от направления в пространстве при постоянном расстоянии от фазового центра антенны до точек наблюдения. Функция ψ(θ,α) в выражении (10) и есть ФХ.

Как видно из (10), фаза поля в точках дальней зоны определяется величиной фазового сдвига, складывающегося из двух слагаемых kr₀ и ψ(θ,α). Первое из них определяет величину фазового сдвига, который получается за счет распространения волны от избранного начала отсчета до рассматриваемой точки. Второе характеризует зависимость фазовых сдвигов уже не от расстояния, а от угловых координат. Смысл зависимости, описываемой функцией ψ(θ,α), таков: если двигаться по поверхности сферы радиусом r₀, описанной вокруг исходного центра (начала отсчета), то зависимость фазовых сдвигов от углов θ и α как раз и будет описываться функцией ψ(θ,α). Эту функцию принято называть фазовой диаграммой направленности антенны.

Для того, чтобы было легче представить себе все особенности, связанные с фазовой диаграммой направленности, полезно ввести в рассмотрение поверхности равных фаз, т. е. поверхности, на которых фаза волны неизменна под всеми углами θ и α. В сферической системе координат поверхности равных фаз описываются следующими функциями, показывающими зависимость от угловых координат длины радиус-вектора каждой точки поверхности:

(14)

причем центр сферической системы здесь тот же, что и центр, от которого отсчитывается r₀ .

Может оказаться, что поверхности равных фаз суть сферы, но их центры не совпадают с точкой, которая выбрана за начало отсчета. Тогда в формуле (10) ψ(θ,α) не равна нулю, а имеет следующий вид:

(15)

Как показал А. Р. Вольперт, антенна имеет фазовый центр в том и только в том случае, когда ее фазовая диаграмма направленности имеет вид (15). Иногда фазовую диаграмму направленности вида (15) называют фазовой диаграммой, полученной за счет переноса центра отсчета.

Известно, что в большинстве случаев антенны не имеют фазового центра в том смысле, как он определен выше. Это объясняется тем, что поверхности равных фаз не являются сферами. Однако в большинстве случаев практически важно проанализировать фазовую диаграмму направленности в каком-либо ограниченном секторе, не охватывающем всего пространства. Может оказаться, что в таком ограниченном секторе поверхности равных фаз очень близки к кускам сферических поверхностей. Например, А. Р. Родс назвал фазовым центром антенны центр сферы, которая совпадает с поверхностью равных фаз в пределах главного луча антенны. Вполне обоснованно стремление найти эквивалент фазового центра, когда в строгом смысле он отсутствует, потому что такая точка может рассматриваться как центр, откуда как бы исходит все излучение. Упомянутое определение А. Р. Родса не уточняет, что значит совпадение сферы и поверхности равных фаз. Такое определение не может служить основой для построения математических выражений, позволяющих вычислять координаты интересующей нас точки по известным характеристикам поверхности равных фаз.

Рисунок 13 – Вид поверхности равных фаз при наличии астигматизма

Поляризационная характеристика (ПХ). Поле в дальней зоне антенны характеризуется поляризацией, т.е. характером изменения направления вектора Е во времени.

В плоскости, нормальной к направлению распространения ЭМВ, за период частоты конец вектора Е описывает эллипс, который принято называть поляризационным эллипсом (рис.14). Данный эллипс характеризуется 3-мя параметрами: коэффициентом эллиптичности К_Э, углом наклона большой полуоси и направлением вращения вектора Е.

Рисунок 14 – Поляризационный эллипс на плоскости по нормали распространения волны

Коэффициентом эллиптичности называют отношение малой к большой полуоси эллипса

, (16)

где Е_мин – минимальное, а Е_макс – максимальное значение напряженности электрического поля, а и b – большая и малая полуоси эллипса.

Видно, что К_Э изменяется в пределах от 0 до 1. Значение К_Э=0 соответствует линейной поляризации, а К_Э=1 – круговой поляризации. При всех остальных значениях К_Э поляризация будет эллиптичной. В некоторых случаях приходится учитывать направление вращения вектора , при этом можно соответственно различить левостороннюю и правостороннюю поляризацию.

Т.о., зависимость параметров поляризационного эллипса от направления называют ПХ.

Излучаемая мощность. Излучаемая мощность – это полная мощность, которую излучает антенна в пространство, определяемая путем интегрирования плотности потока мощности П по поверхности сферы S произвольного радиуса, окружающей антенну

. (17)

Коэффициент направленного действия (КНД).КНД называется величина выигрыша в плотности потока мощности либо в излучаемой мощности, который дает антенна направленного действия по сравнению с антенной ненаправленного действия.

(18)

Коэффициент полезного действия (КПД). КПД антенны называется отношение мощности излучения антенны к мощности, подводимой к ее входу.

. (19)

Коэффициент усиления (КУ). КУ характеризует величину реального выигрыша по мощности, который дает антенна направленного излучения, по сравнению с ненаправленной антенной. Численно его можно найти

. (20)

Входное сопротивление. Входное сопротивление антенны – это сопротивление, на которое нагружена линия передачи, питающая антенну.

. (21)

Сопротивление излучения. Сопротивлением излучения называется такое активное сопротивление, которое как бы присутствует в антенне и на котором рассеивается мощность, излучаемая антенной в пространство.

. (22)

Действующая длина (высота) антенны. Действующая длина антенны – это длина некоторой линейной антенны с равномерным распределением тока, на которую нужно умножить амплитуду тока на клеммах, чтобы получить площадь тока реальной антенны.

, (23)

где – амплитуда тока в пучности.

Данный параметр поясним с помощью рис.15.

Рис. 15. К пояснению действующей длины (высоты) антенны

Частотный диапазон. Частотный диапазон характеризуется полосой пропускания – т.е. полосой частот, в пределах которой параметры антенны без ее перестройки не выходят за пределы, установленные техническими условиями, таким образом

Иногда можно встретить понятие коэффициента перекрытия – это отношение граничных частот диапазона

В зависимости от значения К_П различают узкополосные (К_П≤1,1) и широкополосные (К_П≥3) антенны.

Заключительная часть. Преподаватель отвечает на вопросы курсантов, отмечает работу курсантов на лекции и дает задание на самостоятельную подготовку – изучить и законспектировать типовые структурные схемы радиосистем.

доцент кафедры ТКОС, к.ф.-м. н. В.А. Мельник

Источник

Антенно-фидерные устройства

Функции антенн в указанных системах сводятся к излучению или приему электромагнитных волн. Соответственно различают передающие и приемные антенны, подключаемые либо к передатчику, либо к приёмнику. Подключение осуществляется обычно не непосредственно, а с помощью линий передачи энергии (фидеров).

Содержание

Антенны

Передающая антенна преобразует энергию волн, поступающих по фидеру от передатчика к антенне, в энергию свободных колебаний, распространяющихся в окружающем пространстве. Передающая антенна должна не просто излучать электромагнитные волны, а обеспечивать наиболее рациональное распределение энергии в пространстве. В связи с этим одной из основных характеристик передающих антенн является диаграмма направленности (ДН) — зависимость излучаемого поля от положения точки наблюдения (точка наблюдения должна находиться в дальней зоне — на неизменно большом расстоянии от антенны). Требования к направленности колеблются в очень широких пределах от близких к направленным (системы радиовещания и эфирного телевидения) до резко выраженной направленности в определенном направлении (дальняя космическая радиосвязь, радиолокация, радиоастрономия и т. д.). Направленность позволяет без увеличения мощности передатчика увеличить мощность поля, излучаемого в данном направлении, а также позволяет уменьшать помехи соседним радиотехническим системам, то есть способствует решению проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Направленность можно получить только когда размеры антенны существенно превышают длину волны колебаний.

Приёмная антенна улавливает энергию свободных колебаний и превращает ее в энергию волн, которая поступает по фидеру на вход приемника. Для приемных антенн диаграмма направленности (ДН) — это зависимость тока в нагрузке антенны, то есть в конечном счете в приемнике, или ЭДС наводимой на входе приемника, от направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Наличие направленных свойств у приемных антенн позволяет не только увеличивать мощность выделяемую током в нагрузке, но и существенно ослаблять приём различного рода помех, то есть повышает качество приёма.

Любую передающую антенну можно использовать и для приёма электромагнитных волн и, вообще говоря, наоборот, однако из этого не следует что они одинаковы по конструкции.

Фидеры

Важную роль в работе антенных устройств играет линия передач (фидер), которая передаёт энергию от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к приёмнику (в режиме приёма).

Основные требования к фидеру сводятся к его электрогерметичности (отсутствию излучения энергии из фидера) и малым тепловым потерям. В передающем режиме волновое сопротивление фидера должно быть согласовано с входным сопротивлением антенны (что обеспечивает в фидере режим бегущей волны) и с выходом передатчика (для максимальной отдачи мощности). В приёмном режиме согласование входа приёмника с волновым сопротивлением фидера обеспечивает в последнем режиме бегущей волны, согласование же волнового сопротивления фидера с сопротивлением нагрузки — условие максимальной отдачи мощности в нагрузку приёмника. В зависимости от диапазона радиоволн применяют различные типы фидеров:

Источник

Назначение антенно-фидерного устройства

Реферат

Выполнила: Маратова А. М.

Группа: АТ (АВ) 14 – 2,2

Проверила: Каипбек Г.М.

Антенно-фидерное устройство (АФУ) — совокупность антенны и фидерного тракта, входящая в качестве составной части в радиоэлектронное изделие.

АФУ используются для передачи сигналов в системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, а также других радиотехнических системах, использующих для передачи сигналов радиоволны. Функция антенны заключается в излучении или приеме электромагнитных волн. Электрическое подключение антенны к источнику (потребителю) может быть непосредственным, а может осуществляться с помощью линии передачи, оснащенной радиочастотными соединителями, т.е. с помощью фидера. Функция фидера — в передаче электромагнитного колебания от радиопередатчика ко входу антенны и передаче электромагнитного колебания от антенны к радиоприемнику.

Антенна

Передающая антенна преобразует энергию волн, поступающих по фидеру от передатчика к антенне, в энергию свободных колебаний, распространяющихся в окружающем пространстве. Передающая антенна должна не просто излучать электромагнитные волны, а обеспечивать наиболее рациональное распределение энергии в пространстве. В связи с этим одной из основных характеристик передающих антенн является диаграмма направленности (ДН) — зависимость излучаемого поля от положения точки наблюдения (точка наблюдения должна находиться в дальней зоне — на неизменно большом расстоянии от антенны). Требования к направленности колеблются в очень широких пределах от близких к направленным (системы радиовещания и эфирного телевидения) до резко выраженной направленности в определенном направлении (дальняя космическая радиосвязь, радиолокация, радиоастрономия и т. д.). Направленность позволяет без увеличения мощности передатчика увеличить мощность поля, излучаемого в данном направлении, а также позволяет уменьшать помехи соседним радиотехническим системам, то есть способствует решению проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Направленность можно получить только когда размеры антенны существенно превышают длину волны колебаний.

Приёмная антенна улавливает энергию свободных колебаний и превращает её в энергию волн, которая поступает по фидеру на вход приемника. Для приемных антенн диаграмма направленности (ДН) — это зависимость тока в нагрузке антенны, то есть в конечном счете в приемнике, или ЭДС наводимой на входе приемника, от направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Наличие направленных свойств у приемных антенн позволяет не только увеличивать мощность выделяемую током в нагрузке, но и существенно ослаблять приём различного рода помех, то есть повышает качество приёма.

Любую передающую антенну можно использовать и для приёма электромагнитных волн и вообще говоря, наоборот, однако из этого не следует что они одинаковы по конструкции.

Фидер (радиотехника)

Важную роль в работе антенных устройств играет линия передач (фидер), которая передаёт энергию от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к приёмнику (в режиме приёма).

Основные требования к фидеру сводятся к его электрогерметичности (отсутствию излучения энергии из фидера) и малым тепловым потерям. В передающем режиме волновое сопротивление фидера должно быть согласовано с входным сопротивлением антенны (что обеспечивает в фидере режим бегущей волны) и с выходом передатчика (для максимальной отдачи мощности). В приёмном режиме согласование входа приёмника с волновым сопротивлением фидера обеспечивает в последнем режим бегущей волны. Согласование же волнового сопротивления фидера с сопротивлением нагрузки — условие максимальной отдачи мощности в нагрузку приёмника. В зависимости от диапазона радиоволн применяют различные типы фидеров:

· двух или много-проводные воздушные фидеры

· волноводы прямоугольного, круглого или эллиптического сечений

· линии с поверхностной волной

Радиосвязь между двумя пунктами, расположенными на поверхности Земли осуществляется пространственными и поверхностными волнами.

В настоящее время в радиотехнике используются частоты от 1,5×104 до 3×1011 Гц. Радиоволны с учетом особенностей их распространения делятся на пять диапазонов, а диапазон ультракоротких волн дополнительно делится на пять поддиапазонов.

Ультракороткие волны (УКВ) отличаются от более длинных волн многими признаками и свойствами. Так, например, они распространяются преимущественно прямолинейно и почти не огибают природных и искусственных преград (гор, высоких строений), встречающихся на их пути. На распространение ультракоротких волн, в особенности дециметровых, сантиметровых и миллиметровых, существенное влияние оказывают рельеф местности, различные препятствия, а также метеорологические условия. Сантиметровые и миллиметровые волны сильно поглощаются атмосферными осадками (дождем, снегом) и газами атмосферы (кислородом, водяным паром), что приводит к быстрому ослаблению напряженности поля.

В настоящее время в диапазоне УКВ организовано как телевизионное вещание, так и высококачественное радиовещание, а также системы радиосвязи.

Для увеличения дальности передач на УКВ антенны поднимают над землей как можно выше.

В процессе организации связи, звукового и телевизионного вещания широко применяются радиосредства, обеспечивающие излучение и прием радиоволн.

Антенны можно классифицировать по различным признакам. На первый взгляд может показаться удобным разделить все антенны по характеру их использования на две группы: передающие и приемные. Однако между свойствами передающих и приемных антенн существует вполне определенная связь, следовательно, не имеет смысла изучать эти антенны раздельно. Можно также отметить, что на многих радиостанциях одна и та же антенна одновременно служит как для передачи, так и для приема.

Часто принято классифицировать антенны по диапазонам волн. Для коротких и более длинных волн характерным является применение антенн из проводов сравнительно небольшого поперечного сечения (линейных проводников). Для дециметровых и более коротких волн применяются антенны, у которых токи протекают по проводящим поверхностям, имеющим большие размеры по сравнению с длиной волны.

Назначение антенно-фидерного устройства

Фидер-линия передачи электромагнитных волн от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к приёмнику (в режиме приёма).

Во многих случаях практического использования радиотехнической аппаратуры антенна оказывается удаленной от передатчика или приемника на некоторое расстояние. На коротких и метровых волнах это расстояние часто оказывается значительным по сравнению с длиной волны. В таких случаях антенна соединяется с передатчиком или приемником посредством фидерной системы, состоящей из фидерной линии и переходного устройства между антенной и фидером.

Основные требования к фидеру сводятся к его электрогерметичности (отсутствию излучения энергии из фидера) и малым тепловым потерям. В зависимости от диапазона радиоволн применяют различные типы фидеров:

Требования, предъявляемые к антенне, различны в зависимости от назначения радиостанции. Так, например, в случае работы радиовещательной станции, обслуживающей определенный район, в центре которого она расположена, передающая антенна, как правило, должна создавать равномерное излучение во все стороны, т. е. должна быть не направленной в горизонтальной плоскости. С другой стороны, антенна, например, радиолокационной станции, должна концентрировать излучение в малом телесном угле, т. е. должна быть остронаправленной. К приемной антенне часто предъявляется также требование направленного действия, т. е. требование более эффективного, приема волн, приходящих с определенных направлений. Пространственная избирательность приемной антенны наряду с частотной избирательностью и применением специальных фильтров в радиоприемнике является действенным средством борьбы с внешними помехами, естественными и искусственными. Таким образом, наряду с требованием эффективного излучения или приема радиоволн к антенне предъявляется требование определенного распределения в пространстве потока мощности излучаемых волн.

Антенны часто классифицируются по диапазонам волн. Для коротких и более длинных волн характерным является применение антенн из проводов сравнительно небольшого поперечного сечения (линейных проводников). Для дециметровых и более коротких волн применяются антенны, у которых токи протекают по проводящим поверхностям, имеющим большие размеры по сравнению с длиной волны.

Все антенны удобно разделить на две большие группы:

Характерным для линейных антенн является то, что распределение тока вдоль их оси мало зависит от конфигурации провода. Поэтому к линейным антеннам относятся не только прямолинейные антенны но также искривленные, изогнутые и свернутые провода и щели, если их поперечные размеры много меньше продольных и меньше длины волны, такие как:

Сопротивление излучения полуволнового вибратора равно 73? Ом. Его кпд весьма высок (более 90%).

Вследствие своей большей протяженности волновой вибратор несколько эффективнее, чем полуволновый, и имеет большее усиление.

Так как вибратор представляет собой проводник, открытый на концах, то его можно рассматривать как открытый колебательный контур. Его резонансная частота определяется индуктивностью и емкостью вибратора, зависящей от его геометрических размеров.

Почти все антенны коротковолнового и ультракоротковолнового диапазонов представляют собой комбинации из полуволновых вибраторов.

Если фидер подключен к вибратору в его середине, такой излучатель носит название симметричного.

Источник