Антенны, их виды и применение. Уличная антенна для телевизора: виды, описание лучших Зачем используются антенны разной формы

Глава 4 - Антенны - «окна» в другие миры

Из электронной версии печатного издания книги А. Поис: «Наш Мир и Мы», часть 1 – «Мир и Мы» (Серия издания: «Поиски истины», М. МЦНТИ – Международный центр научной и технической информации. ООО «Мобильные коммуникации», 2004), размещенной на сайте www.pois.ru

Глава 4 - Антенны - «окна» в другие миры.... 1

Назначение и направленные свойства антенн.. 1

Различные типы антенн.. 6

Антенны, антеннами не называемые. 24

Антенны космического масштаба.. 25

Космические неоднородные диэлектрические линзы и гравитация . 26

Египетские пирамиды как облучатели линзовой антенны по имени «Земля» . 30

Галактики, межзвездные туманности, оболочки планет и черные дыры как антенны .. 32

Антенны земного масштаба.. 36

Антенны микромира.. 44

Некоторые искусственные формы как антенны.. 50

Общие параметры вещественных и полевых антенн.. 55

Выводы.. 57

Антенны, как известно, являются весьма «узким» научным направлением, но применяются столь широко, что почти каждый человек использует те или иные антенны в своей повседневной жизни, не задумываясь, как правило, ни о принципах их работы, ни о свойствах. Антенны относятся к той области науки, без которой невозможно дальнейшее познание мира, так как именно они являются устройствами ввода-вывода энергии, позволяющими обмениваться информацией, в том числе, и через огромные промежутки пространства-времени. Они всегда располагаются на внешней поверхности той среды, «окнами» которой являются, а поэтому их легко обнаружить. Кроме того, вся основная информация о самих антеннах, как, впрочем, и о нас самих, «на лице написана» и может быть достаточно легко считана соответствующими специалистами. Теория антенн, в основу которой положена теория электромагнитного поля, настолько универсальная, что может быть использована в самых разных областях науки. Ниже приведена основная информация об антеннах. И хотя ее первоисточники -, - и - рассчитаны на студентов высших учебных заведений и узких специалистов, но она дана здесь в самом общем виде и изложена, по возможности, популярно, поэтому может быть понятна достаточно широкому кругу читателей. Кроме антенн, созданных человеком в этой главе рассмотрены природные антенны, и некоторые искусственные конструкции, которые, как правило, антеннами считать не принято, хотя фактически они ими являются. Среди антенн, созданных самой Природой можно найти аналоги всем антеннам, созданным человеком.

Назначение и направленные свойства антенн

Антенна - это устройство, предназначенное для излучения (испускания, «распыления») и приема (поглощения, «улавливания») электромагнитных волн. Однако аналогичные устройства используют и при работе с упругими волнами, в частности, звуковыми.

Антенна преобразует колебания в свободные волны (или наоборот) и излучает (принимает) эти волны в определенных направлениях (с определенных направлений) в соответствие со своей диаграммой направленности. Волны между антенной и генератором (приемником) распространяются по фидерной линии (энерговоду ) в виде связанных, «бегущих» по нему, волн.

Передающей антенной связанные волны, поступающие от возбудителя колебаний - генератора, преобразуются в свободные , которые затем излучаются («распыляются») и распространяются в свободном пространстве. Приемная антенна осуществляет обратные действия - улавливает свободные волны и преобразует их в связанные, которые затем передаются в приемник, где снова превращаются в колебания.

Строго говоря, абсолютно свободных волн нет, как и нет абсолютно свободного пространства. Поэтому распространясь даже в, якобы, свободном пространстве волны являются связанными со средой, хотя и в несоизмеримо меньшей степени, чем с энерговодом.

Если любое ЕДИНСТВО действительно является частицей-волной, то «уловители» и «распылители» любых частиц-волн, а не только электромагнитных, можно также назвать антеннами.

Антенной, в принципе, может служить любая, причем не только вещественная и видимая, но и полевая, и невидимая форма, способная «улавливать» - принимать или «распылять» - излучать энергию того или иного вида. Но улавливать энергию может только незаполненная , «пустая», форма, имеющая недостаток энергии данного вида. А «распылять» - только переполненная форма, имеющая избыток энергии. Незаполненная и переполненная форма - это, как уже было показано, своего рода энергетическая «вогнутость» и «выпуклость», соответственно. В первой плотность энергии определенного вида меньше, чем в сообщающемся с ней пространстве, а во второй - больше.

Энерговоды , используемые в антенной технике , показаны на рис. 4.1 (поз.1).

Аналогичную форму имеют многие устройства, созданные Природой и человеком. И хотя большинство из них энерговодами не называют, но они фактически могут ими стать, если в окружающей их среде появится тот вид энергии, движение которой они способны направить. В принципе, энерговодами могут служить естественные и искусственные элементы, имеющие не только аналогичную конструкцию, но и многие другие формы.

К искусственным конструкциям, способным служить энерговодами, относятся многие строительные элементы, включая разные трубы и прокатные профили. К природным - русла рек; корни, стволы и ветки растений; пещеры и многое другое, включая слои атмосферы разной плотности, являющиеся, как известно, атмосферными волноводами для определенного диапазона волн (см. рис. 4.1, поз.2).

Любой энерговод всегда выступает и в качестве антенны, хотя коэффициент усиления такой антенны может быть бесконечно малым. Это является следствием того, что абсолютно замкнутых систем ни человеком, ни Природой не создано, а любая, хотя бы чуть-чуть приоткрытая для энергии того или иного вида система уже является антенной. Хорошей антенной является открытый энерговод, например, колебательный контур. В замкнутом контуре энергия, изменяясь с определенной частотой во времени, колеблется в малом промежутке пространства. Но если контур «открыть», то эти колебания «растянутся» в пространстве, образуя волны, а колебательный контур превратится в антенну.

Свободная электромагнитная волна , как уже было сказано, - это система замкнутых контуров (см. рис. 2.1, поз.2), внутри которых циркулирует электрический ток - поток электронов. Электрические контуры создают вокруг себя замкнутое магнитное поле, состоящее из множества магнитных «колец», расположенных в плоскости, перпендикулярной плоскости электрического контура. Магнитные «кольца», в свою очередь, создают электрические и т. д. В результате, образуется движущееся поле, состоящее из «нанизанных» друг на друга и расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях «колечек». Каждое из этих «колечек» можно рассматривать как замкнутый контур, в котором «бьются» стоячие волны, создавая на его поверхности выпуклости и вогнутости. Образование видимых нам единичных «колец», которые «дышат», может продемонстрировать опытный курильщик, резко выдыхая дым. Аналогичные частицы-волны можно «выбивать» и из аппарата «Тэты» .

Аппарат «Тэты» - это деревянный ящик, в котором вместо одной стенки натянута плотная материя (мембрана), а на противоположной стенке вырезано отверстие. При резком ударе по мембране воздух (его следует подкрасить, чтобы он стал видимым) выбрасывается из отверстия в виде вращающегосякольца .

Направленные свойства антенн - способность концентрации (усиления) частиц-волн в определенных направлениях путем создания из них узких пучков (лучей) или других, иногда очень сложных, форм, проявляются, как известно, в том случае, когда их размеры значительно превосходят длину волны. Однако направленностью, хотя бы небольшой, обладает практически любая антенна. На направленные свойства распространяется принцип взаимности , из которого следует, что направленные свойства антенны при ее работе в режиме передачи и приема одинаковы . Направленное испускание частиц-волн позволяет без увеличения мощности передатчика в десятки, сотни, тысячи и даже миллионы раз увеличивать концентрацию частиц-волн в определенных направлениях и (или) без увеличения чувствительности приемника усиливать ослабленный во столько же раз сигнал, приходящий с тех же самых направлений. Направленные свойства антенны определяются ее диаграммой направленности.

Аналогом, хотя и далеким, направленных «антенн» могут служить большие предприятия. Они в часы «пик» «улавливают» или «испускают» большое количество людей, увеличивая в определенных направлениях плотность людских потоков. В данном случае реализуется и принцип взаимности - потоки людей и при «улавливании» их предприятием, и при «испускании» будут примерно одни и те же, но направленные в противоположные стороны.

Диаграмма направленности (ДН) определяет характер распределения в пространстве мощности электромагнитного поля, излучаемого (принимаемого) антенной.

Из определения следует, что, в общем случае, ДН определяет распределение в пространстве энергии, направление ее движения, т. е. направленные свойства. Она представляет собой своего рода распределительную сеть. Поэтому ДН имеет любая система, способная определенным образом направлять (распределять) те или иные виды энергии, частицы-волны того или иного диапазона. Любая сеть энерговодов также является своего рода ДН .

Океанские и воздушные течения; орбиты, комет, планет, звезд и др.; путь на работу и обратно; сеть всевозможных силовых линий, включая магнитные; и многие другие сети являются своего рода ДН. Для автомобилей - это сеть автомобильных дорог, а для поездов - железнодорожных. Для воды - сеть водоемов и пустот в земной коре, включая пещеры и подземные реки, водопроводная сеть и др. Для самолетов - воздушные трассы. Для электрического тока и газа - электрическая и газовая сеть, соответственно. Для энергии, обеспечивающей жизнедеятельность человека и животных, - это в основном нервная, кровеносная, лимфатическая и пищеварительная системы. Все эти системы (и не только они), подобно водопроводной или газовой сети или автодорожной системе, в определенные промежутки пространства-времени могут быть наполнены частицами-волнами того или иного вида, но могут наполненными и не быть . ДН определяет лишь возможность движения энергии по той или иной распределительной сети, а не саму энергию и ее движение.

Диаграмма направленности является, как известно, одной из основных характеристик антенны. Форма ДН и «протяженность» (дальность действия ) ее отдельных лепестков, в первую очередь, определяется , как известно, конфигурацией и плотностью рабочей поверхности антенны, а так же ее размером в длинах волн («удельной взаимодействующей поверхностью»). Зависит она и от пространственной ориентации волны (поляризации), от параметров окружающей среды, от типа самой волны и многого другого. Известно бесконечное множество форм ДН, соответствующих тем или иным антеннам при их работе на тех или иных длинах волн. Многие из них можно рассчитать с большой точностью, но что представляет собой невидимая нам ДН, «наполненная» энергией, включая ДН антенн, предназначенных для приема-передачи электромагнитных волн, остается не совсем ясным. Поэтому попробуем это выяснить с учетом сделанного ранее предположения, что заряды, определяющие распределение энергии в пространстве, - это энергетические «выпуклости» и «вогнутости».

Абсолютно «пустого» пространства, как уже было неоднократно отмечено, в природе не обнаружено. Любое пространство, включая вакуум, с той или иной плотностью заполнено как относительно стабильными («покоящимися»), так и нестабильными (действующими, движущимися, изменяющимися) частицами-волнами, большинство из которых остается для нас невидимыми . Поэтому любая форма, внесенная в любое пространство, как и любое тело, опущенное в воду, совершенно определенным образом его искривляет - перераспределяет заполняющие его частицы и квазичастицы. В общем случае она перераспределяет энергию. В результате образуются новые энергетические потоки и новые энергетические формы - «выпуклости» и «вогнутости», которые тут же заполняются энергией, имеющейся в окружающей среде, до тех пор, пока система не придет в состояние статического или динамического равновесия. Если же в данном промежутке пространства-времени какого-либо вида энергии, способной заполнить данную энергетическую сеть, нет, но со временем она появляется, то эта энергия распределяется в соответствии с подходящими для нее и сообщающимися между собой «пустотами», способными ее поглотить, т. е. по определенной диаграмме направленности. И это не зависит от того, с какой стороны данная энергия «течет» - изнутри или снаружи. Это же относится и к антеннам. ДН, «заполненная» электромагнитными или какими-либо другими полевыми частицами-волнами, в свою очередь, также является своеобразной энергетической формой - антенной-невидимкой . Она также искривляет пространство, перераспределяя его энергию (частицы-волны) и создавая новые энергетические «выпуклости» и «вогнутости» - очередную распределительную сеть, ДН следующего порядка. И т. д.

Гипотеза 4.1 : Диаграмма направленности, в общем случае, - это некая энергетическая форма, создаваемая телом за счет изменения им кривизны пространства, создания энергетических «выпуклостей» и «вогнутостей» путем перераспределения покоящихся и (или) движущихся вещественных и полевых частиц и квазичастиц разной формы, размера и конфигурации. Форма незаполненной диаграммы направленности определяется расположением сообщающихсяпространственно-временныхэнергетических «пустот» (заполненной - расположением уплотнений), размер которых соизмерим с размером тех или иных частиц-волн или больше их, а энергетическая пространственно-временная плотность поверхности (или объема), ограничивающей эти пустоты, не позволяет данным частицам-волнам пройти сквозь нее совершенно свободно.

Примером видимой нами «вогнутости», ограниченной непрозрачной для определенных частиц-волн поверхностью, может служить как «тарелка» антенны НТВ, так и самая обычная тарелка или дуршлаг. Для того, чтобы антенна (и не только антенна), имеющая ту или иную ДН, из «мертвой» превратилась в «живую» (действующую), необходимо вдохнуть в нее «душу» - наполнить частицами-волнами. И не любыми, а теми, с которыми она способна взаимодействовать - улавливать и испускать, причем определенным образом.

Изображение диаграммы направленности может быть пространственным или плоским (в полярной или прямоугольной системе координат). При плоскостном изображении чаще всего приводят ДН в наиболее характерной плоскости сечения или в двух главных взаимно перпендикулярных плоскостях. Пространственное изображение является весьма сложным и трудоемким, поэтому чаще используют плоскостное.

На рис. 4.2 показано пространственное и плоскостное (в полярной и декартовой системе координат) изображение игольчатой и веерной диаграммы направленности (поз.1), а также несколько пространственных ДН разной формы (поз.2-4), которые аналогичны многим хорошо известным вещественным формам, включая и форму некоторых антенн.

На рис. 4.3 приведено схематическое изображение и плоскостные ДН нескольких типов антенн -: вертикального четвертьволнового вибратора, расположенного над экраном (поз.1); тонкого углового вибратора (полуволнового и волнового), имеющего разный угол между плечами (поз.2); трех цилиндрических спиральных антенн (поз.3), имеющих разные размеры в длинах волн; симметричного вибратора, имеющего разный размер в длинах волн и разную толщину (поз.4); биконической антенны, имеющей разный размер в длинах волн (поз.5); толстого углового вибратора, имеющего разный размер в длинах волн (поз.6); диэлектрической стержневой антенны (поз.7); проволочной ромбической антенны (поз.8); антенны, состоящей из вертикального вибратора и трех радиальных проводов (поз.9), антенны из четырех радиальных вибраторов, расположенных на поверхности цилиндра (поз.10); а также (внизу) ДН разных антенн, форма которых наиболее типична. Соответствующие пространственные ДН являются, как правило, телом вращения плоскостной ДН вокруг оси симметрии.

Направленные свойства многих антенн в сильной степени зависят от наличия или отсутствия экрана. Если, например, горизонтальный или вертикальный вибратор расположить на определенном расстоянии от проводящего экрана, то это равносильно появлению еще одного (виртуального) вибратора, который, являясь всего лишь зеркальным отражением первого, влияет на распределение поля вполне реальным образом. В результате ДН получается такой, как будто бы это система, состоящая из двух реальных вибраторов. Отражающим экраном, особенно на длинных и средних волнах, зачастую служит земля, на коротких и ультракоротких волнах чаще всего делают металлические экраны, которые могут быть сплошными или сетчатыми. Иногда их делают и лучеобразными. Чаще всего экраны используют для создания одностороннего излучения. Направленные свойства в сильной степени зависят и от размера экрана. Например, приведенная на рис 4.3 (поз.1) ДН четвертьволнового вертикального вибратора при наличии бесконечного экрана представляет собой сплошное воронкообразное тело (пунктир). При конечном экране это тело состоит из нескольких слоев (лепестков) и напоминает по форме чашечку многолепесткового цветка.

Если мысленно представить пространственные формы приведенных плоскостных ДН, то многие из них окажутся похожими на те или иные видимые объекты окружающего нас мира, а многолепестковые ДН, чаще всего, похожи на цветы. Многообразие форм цветов известно каждому, а многообразие форм ДН вообще не поддается исчислению. Однако даже среди небольшого количества ДН, приведенных на рис. 4.2 и 4.3, можно найти ДН весьма близкие по форме, хотя они и принадлежат конструктивно разным антеннам.

Принципиальное отличие антенн от многих других устройств, как уже было сказано, состоит в том, что антенны являются устройствами ввода–вывода энергии, т. е. своего рода окнами. Поэтому они, как правило, расположены на границе сред («миров») и открыты для обозрения. Кроме того, даже по одному внешнему виду антенны опытный специалист зачастую может определить многие ее параметры, включая главные, - возможный рабочий диапазон и направленные свойства.

Если любое ЕДИНСТВО действительно является приемо-передающим устройством для частиц-волн тех или иных видов и диапазонов, то оно одновременно является и антенной, чаще всего, бесконечным множеством антенн. Поэтому именно антенны помогут нам наиболее быстро определить основные параметры каждого ЕДИНСТВА. Но для этого из бесконечного разнообразия антенн необходимо выделить те, которые нас интересуют в каждом конкретном случае, так как антенной - уловителем и распылителем энергии того или иного вида является любая, хотя бы чуть-чуть открытая система. Но так как абсолютно замкнутых систем в реальном мире не обнаружено и человеком не создано, то антеннами является все СУЩЕЕ.

Различные типы антенн

Современные антенные устройства подразделяют на следующие основные типы: проволочные , щелевые , поверхностных волн, акустического типа (рупорные), спиральные , логопериодические и оптического типа (зеркальные и линзовые). Кроме того, в отдельную группу обычно выделяют элементарные излучатели (диполи), которые могут быть и «элементарными» структурными элементами более сложных антенн.

Элементарные излучатели - это элементарный электрический вибратор (малый прямолинейный кусок проводника), элементарный магнитный (рамка) и их щелевые аналоги, а также излучатель Гюйгенса.

Элементарные проволочные и щелевые (прямолинейные и круговые) излучатели и ДН, которая для проволочных вибраторов и их соответствующих щелевых «собратьев» имеет одинаковую форму, показаны на рис 4.4 (поз.1 и 2, соответственно). Там же приведена теоретическая ДН воображаемого элемента Гюйгенса (поз.3), а также ДН (поз.4, слева) его близкого реального аналога - кардиоидной антенны (поз.4, справа), состоящей из прямолинейного элемента и круговой рамки.

Элементарный вибратор - это очень короткий по сравнению с длиной волны провод, обтекаемый переменным (колеблющимся) электрически током, амплитуду и фазу которого можно по всей длине считать одинаковыми. Такой вибратор называют электрическим, а его практической моделью является диполь Герца.

Элементарная рамка , являющаяся эквивалентом магнитного вибратора, - это виток провода той или иной формы (обычно круглой или квадратной), по которому течет переменный (колеблющийся) ток, а его длина много меньше длины волны .

Электрический и магнитный вибратор представляют собой проводники, по которым течет переменный ток. Их диаграммы направленности одинаковы по форме - это тороид, Но в первом случае ось тороида совпадает с осью электрического вибратора, а во втором - с осью рамки, перпендикулярной к ее плоскости.

Элементарная щелевая антенна - это антенна, работа которой связана с излучением и приемом электромагнитных волн отверстием , прорезанным в бесконечном экране или в стенке резонатора.

Принцип двойственности , который очень хорошо демонстрируют элементарные вибраторные и щелевые антенны, выражается в идентичности ДН одинаковых по форме антенн . При этом не имеет значения, представляет ли антенна собой проводящее ток «тело» или «дырку» той же формы, вырезанную в бесконечной плоскости, через которую поступают частицы-волны. В первом случае частицы-волны отрываются от электрического потока текущего по проводнику, а во втором - «разбрызгиваются» через щель из заполненного аналогичными потоками пространства - резонатора. Значение имеет наличие потока (тока), а также размер и форма взаимодействующей с ним поверхности, от которой могут «оторваться» или через которую могут «протиснуться» частицы-волны.

Источник Гюйгенса - это воображаемый первичный излучатель зеркальных антенн, реальным аналогом которого может служить совокупность электрического и магнитного излучателя, «элементарный кусок» поверхности, определенным числом которых при расчете ДН заменяют иногда поверхность зеркальных антенн. Источник Гюйгенса по своим направленным свойствам является сочетанием свойств электрического и магнитного диполей. Его расчетная ДН имеет вид кардиоиды вращения (см. рис. 4.4, поз.3). Кардиоидная антенна , состоящая из вибратора и рамки (см. рис. 4.4, поз.4, справа), имеет примерно ту же форму ДН (см. рис. 4.4, поз.4, слева), как и виртуальный источник Гюйгенса. И обе они по форме напоминают сердце.

Проволочные и щелевые антенны и их антенные системы - это те же проволочные вибраторы и щели, но большей (в длинах волн) величины по сравнению с элементарными вибраторами, а антенные системы - это многоэлементные конструкции различной формы, составленные из «элементарных» (или более сложных) одинаковых излучателей. Антенные системы образованы обычно из нескольких (или множества) вибраторных, щелевых или других антенн, расположенных определенным образом. Основным признаком любой системы является упорядоченное (повторяющееся) плоскостное или пространственное расположение однородных элементов или одинаковых сочетаний из разных элементов (это присуще и молекуле ДНК), которые в своей совокупности образуют ту или иную форму. Антенные системы, состоящие из активных элементов (энергия подводится к каждо му из них) увеличивают, как правило, усиление антенны по сравнению с одиночным элементом в число раз, соответствующее их количеству.

Проволочные антенны выполняют чаще всего из проводов, труб, лент, сечение которых может быть постоянным или переменным. В простейшем случае проволочную антенну, как и элементарный электрический вибратор, изготавливают из прямолинейного провода, к которому подключается питающая линия. Вибратор, имеющий одно «плечо» (энерговод подводится к одному из его концов), называют несимметричным, а имеющий два одинаковых «плеча» (энерговод подводится к центру), - симметричным.

На рис. 4.5 показаны различные виды несимметричных вертикальных вибраторов .

На рис. 4.6 - мачтовых и проволочных антенн. Они отличаются друг от друга длиной рабочей волны и абсолютными размерами, а также связанным с этим иногда разным конструктивным выполнением.

На рис. 4.7 показаны некоторые (человеком их создано очень много) симметричные вибраторы , включая изогнутый, который можно согнуть из уголкового вибратора (он показан пунктиром).

На рис. 4.8 приведены плоские одноярусные и многоярусные антенные системы , , , изготовленные из проволочных вибраторов (поз.1), пирамидальная антенна, изготовленная из проводов (поз.2), и антенны, выполненные из пластин (поз.3).

К плоским проволочным антеннам относятся и многие рамочные антенны (активные и пассивные). Некоторые из них , , , показаны на рис. 4.9.

Естественные и искусственные аналоги даже перечисленных выше антенн столь многочисленны, что каждый может самостоятельно найти среди искусственных и естественных объектов окружающего нас мира очень много подобных форм, тем более, что абсолютно точного конструктивного подобия, чтобы иметь параметры, примерно совпадающие с параметрами той или иной типовой антенны, не требуется.

Щелевые антенны - это различного размера и конфигурации щели, прорезанные в стенке резонатора, имеющего ту или иную форму.

На рис. 4.10 показаны некоторые конфигурации щелей, прорезанных на прямоугольном и круглом волноводе (поз.1), экранах резонаторов (поз.2), а также щелевые антенны, изготовленные на базе прямоугольного (поз.3) и круглого (поз.4) волновода, и возможные формы и расположение щелей на стенках прямоугольного волновода (поз.5). В центре (поз.6) приведен один из первых искусственных спутников, оборудованный антеннами разного типа в основном щелевыми, которые действительно напоминают окна, открытые в другой мир, в данном случае, в космическое пространство.

Вибраторные и щелевые антенные системы , , - это системы из нескольких (или множества) одинаковых и упорядоченно расположенных вибраторов или щелей, которые могут быть размещены на телах самой разной формы.

На рис. 4.11 показаны некоторые наиболее часто используемые в летательных аппаратах вибраторные и щелевые антенные системы. Среди них есть системы, похожие и на ежа, и на кактус, и на окна зданий, и многое другое.

Аналогами проволочных и щелевых антенн , как и многих других, могут служить любые неоднородности соответствующей формы, образованные границей раздела двух сред, проводящие (пропускные) свойства которых для данного вида энергии значительно отличаются.

Это может быть дамба, ограниченная водой, по которой способны двигаться машины, а вода является для них запретной зоной. Но если дамбу заменить каналом, воду - твердой поверхностью, а машины - гондолами, то все изменится. Вода станет «пропускать» гондолы, а твердая поверхность - нет.

В общем случае, аналогами тех или иных конкретных проволочных и щелевых «вибраторов» являются те представители неживой и живой природы, включая самого человека, общие контуры которых (или их отдельных частей) в определенные моменты времени, хотя бы в слабой мере напоминают приведенные выше (и здесь неприведенные) формы вибраторов и щелей. Мелкие детали, размер которых много меньше рабочей длины волны, особого значения не имеют, а форма может весьма сильно отличаться от приведенных форм без особого ущерба для их работы.

Аналогами несимметричных вертикальных вибраторов могут служить деревья, рога животных, стебли трав и многое, многое другое, включая различные конструкции, созданные человеком совсем для иных целей. Вертикальными «вибраторами» являются, например, башни, церкви, высотные дома. Все они, наряду с высокими деревьями, способны улавливать молнии, длина волны которых, как известно, составляет несколько десятков метров, т. е. соизмерима с их размерами.

Аналогом симметричных вибраторов являются листья (и иголочки), а также веточки многих растений, включая деревья, расположенные симметрично. Они, как известно, способны поглощать и накапливать энергию, а также ее перерабатывать и испускать уже в виде другой энергии, например, поглощать углекислый газ и, переработав его, испускать кислород.

Аналогом щелевой антенны может служить любая канава, колея или углубление, способная заполниться любым веществом, размеры отдельных частиц которого соизмеримы с ее размерами или много меньше. К ним же можно отнести и все «просветы» между природными объектами и искусственными конструкциями, соответствующего размера и формы. Действующими «щелевыми антеннами» на видимом нам уровне являются родники, гейзеры, фонтаны, поливочные распылители и др.

Аналогами «рамочных» излучателей являются любые конструкции соответствующей конфигурации. Рамочными антеннами могут быть украшения в виде цепочек, колец, браслетов, сережек. К ним относятся узоры и линии соответствующей конфигурации.

«Нарисованные» антенны (и не только антенны) широко применяются, как известно, в печатных схемах.

Перечисленные выше антенны и Природой, и человеком могут быть изготовлены самыми разными способами, например, в виде углублений, нарисованы карандашом (кстати, графит проводит электрический ток) или образованы металлическим покрытием.

Человек (а также его отдельные части и органы) является владельцем множества антенн. Человек, стоящий по стойке «смирно, может служить аналогом вертикального вибратора, раскинув руки в стороны, он превращается уже в симметричный горизонтальный «вибратор», а сводя и разводя руки и ноги, меняет (регулирует) ДН своих «уголковых вибраторных антенн», образованных руками и ногами. О некоторых (из бесчисленного множества) «человеческих» антеннах будет более подробный разговор во второй части.

В качестве одиночных вибраторных и рамочных антенн и их щелевых «собратьев» могут выступать практически все объекты и субъекты нашего мира. Все они способны концентрировать вокруг или внутри себя определенного вида поле (если оно имеет место быть) в соответствие с собственной ДН. И все, что попадает в зону действия этой ДН, будет находиться в поле с повышенной концентрацией энергии данного вида. Если же плотность внутренней энергии системы, подсоединенной к антенне, превысит плотность этой же энергии в окружающем пространстве, то она начнет ее испускать с повышенной концентрацией в тех направлениях, которые совпадают с «лепестками» ее ДН.

Наглядным примером «антенн», работающих на передачу, могут служить, как уже было сказано, действующие поливочные установки. Некоторые из них способны распылять воду по кругу, другие - в определенном секторе, а третьи - представляют собой своего рода локатор, они вращаются. При необходимости можно создать в определенном направлении и остронаправленную ДН - «луч», направив туда тонкую, но мощную струю воды.

Аналоги антенных систем - это кристаллы, снежинки, многоатомные молекулы, многомолекулярные соединения органических веществ и др. К ним же можно отнести многое из того, что создано руками человека, но не рассматривается им в качестве антенных систем. Это и лесозащитные полосы, и окна зданий, если они расположены упорядоченно, и улицы, имеющие одинаковые и упорядоченно расположенные дома. На некоторых таких улицах может, как известно, постоянно «гулять» ветер, для которого они являются энерговодами. В качестве природных аналогов многоэлементных систем могут служить ветки деревьев, особенно хвойных, их иголочки, как уже было сказано, являются типичными «проволочными» вибраторами. Но о деревьях далее будет более подробный разговор.

Антенны поверхностных волн - это направляющие системы (рис. 4.12), вдоль которых распространяются поверхностные электромагнитные волны. Направляющими (поз. 1-7) могут быть металлические поверхности, покрытые слоем диэлектрика, ребристые металлические структуры, поверхности, состоящие из слоев с разными электрическими свойствами, диэлектрические и металлические стержни и многое другое. Излучение плоскостных антенн поверхностных волн (поз.1и 2, справа) направлено примерно параллельно поверхности, а стержневых (поз.2, слева и поз 6) - преимущественно вдоль их оси. Поэтому их соответственно называют антеннами поверхностных волн и антеннами осевого излучения.

В общем случае, антенны поверхностных волн представляют собой поверхность из однородных (одинаковых) неоднородностей, вдоль которых «дует» электромагнитный ветер. Антенны поверхностных волн можно сравнить с дорогой, покрытой «вязким» верхним слоем. Частицы-волны в этом «вязком» слое как бы «запутываются» и не могут «улететь» вверх, но могут по нему передвигаться.

На рис. 4.12 (поз.1, 2, 5) показаны способы возбуждения электромагнитного «ветра» в некоторых типах поверхностных антенн , , при помощи первичного излучателя того или иного вида. Из диэлектрических штырей, имеющих круглый, квадратный или прямоугольный экран, может быть изготовлена многоэлементная решетка (поз. 6, внизу, справа).

Аналоги антенн поверхностных волн (плоскостных) - это кора головного мозга, песчаные барханы в пустынях, слои земной коры с разными параметрами, лесные массивы, слоистые облака и многое другое. Стержневых - фактически все, что угодно, имеющее подобную конфигурацию, включая слегка раздвинутые четыре пальца ладони (на них очень похожи счетверенные диэлектрические штыри, см. рис.4.12, поз 6), а также позвоночник человека и животных (он сходен со стрежнем, изготовленным из отдельных шайб). Но о «человеческих» антеннах более подробный разговор пойдет во второй части.

Антенны акустического типа - рупорные , , , , , , , - показаны на рис. 4.13.

Направленные свойства рупорных антенн определяются в основном размером раскрыва - шириной «окна» и углом раствора рупора.

Угол раствора - это угол, образованный его противоположными стенками или образующими, а раскрыв - плоскость, перпендикулярная оси рупора и проходящая через его кромки.

При малых углах раствора рупора ширина ДН определяется в основном, его размером раскрыва в длинах волн, а при больших - углом раствора. Угол раствора не связан с длиной волны, а поэтому направленные свойства такого рупора сохраняются практически неизменными в очень широком диапазоне волн. Все широкоугольные антенны являются, как правило, и широкодиапазонными, так как их фазовый центр (фокус) на разных длинах волн расположен примерно в одном и том же месте.

Антенны (от лат. слова antenna —- мачта, рея) в передатчиках служат для преобразования радиочастотных электрических колебаний в энергию электромагнитного поля (радиоволн), в приемниках — для преобразования энергии радиоволн в токи радиочастоты.

Любую антенну можно использовать как для передачи, так и для приема, причем ее характеристики (диапазон частот, направленные свойства и др.) сохраняются.

Этим в значительной мере объясняется тот факт, что назначение антенны (приемная или передающая) ее условное обозначение обычно не отражает. Само расположение символа антенны на схеме однозначно определяет ее функцию (напомним, что развитие схемы, как правило, происходит слева направо).

Рис. 1. Обозначение симметричных антенн на схемах.

Общее обозначение антенны применяют в тех случаях, когда нужно показать несимметричную антенну, т. е. антенну, соединяемую с передатчиком или приемником одним проводом (вторым проводам служит земля). Такие антенны используют в диапазонах длинных, средних и коротких воли. В ультракоротковолновом диапазоне, а также в коротковолновом применяют симметричные антенны, т. е. антенны с двухпроводным выходом (или входом). Общее обозначение симметричной антенны отличается от указанных наличием двух выводов (рис. 1,а).

Назначение и особенности антенны в самом общем виде показывают знаками направления распространения потока электромагнитной энергии. Символы приемной, передающей и приемно-передающей антенны, построенные с применением этих знаков, используются во многих схемах.

Стандарт ЕСКД предусматривает специальные знаки для указания таких особенностей антенн, как ширина и характер движения (вращение, качание) главного лепестка диаграммы направленности, тип поляризации, направленность по азимуту и высоте и т. д. В качестве примеров использования таких знаков на рис. 1 показаны условные обозначения вращающейся антенны (б) и антенн с горизонтальной (в) и вертикальной (г) поляризацией.

Для повышения эффективности несимметричных передающих и приемных антенн используют заземление (в простейшем случае — это металлический лист или труба, зарытые на глубину почвенных вод). На схемах заземление изображают тремя короткими штрихами, вписанными в прямой угол (рис. 2,а). Иногда вместо заземления применяют противовес — большое число проводов, натянутых над поверхностью земли на небольшой высоте. Такое устройство обозначают двумя параллельными линиями разной длины, большая из которых символизирует землю (рис. 2, 6).

Рис. 2. Обозначение на схемах заземления.

Рассмотренные условные обозначения построены функциональным методом. Другими словами, за их основу взят общий символ антенны, а характеристики выражены вспомогательными знаками. В радиотехнике такие обозначения применяют в основном в структурных и функциональных схемах, т. е. на первых этапах разработки прибора, когда характеристики антенны определены, а конкретный тип ее еще не выбран.

В принципиальных схемах чаще используют условные графические обозначения, напоминающие предельно упрощенные рисунки конкретных разновидностей антенн. Так, простейшую антенну — несимметричный вибратор (вертикальный провод, штырь) изображают отрезком вертикальной утолщенной линии (рис. 3). Подобные антенны применяют в диапазонах длинных, средних, коротких и ультракоротких волн.

Рис. 3. Антенна — несимметричный вибратор в приемнике.

Чтобы не строить дорогостоящие высотные сооружения, к верхнему концу вертикального провода (вибратора) присоединяют один или несколько горизонтальных проводов, действие которых заключается в кажущемся удлинении вибратора. На схемах Г-образную и Т-образную антенны обозначают символами, наглядно передающими их характерные особенности (рис. 4,а, б).

Рис. 4. Обозначение на схемах Г-образных и Т-образных антенн.

Простейшей антенной в эдах диапазонах является симметричный вибратор, представляющий собой два изолированных горизонтальных проводника одинаковой длины, между которыми подключена двухпроводная линия, соединяющая антенну с приемником или передатчиком. Эту линию связи называют фидером (от англ. feeder — питатель). Общая длина вибратора обычно равна примерно половине длины рабочей волны. «

Симметричный вибратор (его условное графическое обозначение показано на рис. 5) обладает явно выраженными направленными свойствами. Лучше всего он принимает или излучает в плоскости, перпендикулярной его оси, хуже всего — в плоскостях, проходящих через нее. Поэтому такую. антенну (например, для приема телевидения) располагают таким образом, чтобы ее горизонтальные части (плечи) были перпендикулярны направлению на телецентр.

Рис. 5. Обозначение антенны "Симметричный вибратор".

Антенны такой конструкции, известные под названием диполя Надененко, нашли широкое применение в коротковолновой связи. С той же целью (расширение диапазона частот) телевизионные антенны часто изготовляют из отрезков толстых трубок или применяют сложные вибраторы, например петлевые.

Петлевой вибратор представляет собой два полуволновых вибратора, соединенных концами. Эта особенность конструкции петлевого вибратора нашла отражение и в его условном обозначении (рис. 6).

Рис. 6. Антенна - петлевой вибратор.

Важным условием хорошей работы антенны является согласование ее входного сопротивления с волновым сопротивлением фидера , так как только в этом случае она может излучать или принимать наибольшую мощность. Для согласования антенн с фидером используют специальные устройства в виде отрезков двухпроводных линий или применяют так называемое шунтовое питание вибраторов.

Симметричный вибратор шунтового питания представляет собой сплошной проводник длиной, также равной половине длины волиы. Фидер подключают к нему в двух точках, расположенных симметрично относительно его середины. Изменяя места подключения фидера к вибратору, можно добиться равенству входного сопротивления антенны волновому сопротивлению фидера, т. е. согласования. Точно так же согласовывают с фидером и петлевые вибраторы шунтового питания. Условное обозначение полуволнового вибратора с шунтовым питанием представлено на рис. 7.

Рис. 7. Условное обозначение полуволнового вибратора с шунтовым питанием.

Питание через коаксиальный кабель с симметрирующим устройством такого рода иллюстрирует условное обозначение петлевого вибратора, показанное на рис. 8 (кабель здесь обозначен кружком с отрезком касательной, параллельной линии электрической связи, а согласующее устройство — дугой, соединяющей выводы вибратора).

Рис. 8. Питание через коаксиальный кабель с симметрирующим устройством.

Для связи на коротких волнах антенны должны быть однонаправленными, т. е. излучать и принимать радиоволны они должны только с одного направления. Типичным представителем таких антенн является ромбическая антенна, представляющая собой ромб, выполненный из провода, стороны которого примерно вчетверо больше длины волны. К одному из острых углов антенны подключают двухпроводный фидер, а к другому — поглощающую нагрузку, сопротивление которой равно волновым сопротивлениям антенны и фидера. В условном обозначении ромбической антенны символ резистора (поглощающей нагрузки) уменьшен по сравнению с обычным примерно вдвое. Это делает обозначение антенны более компактным (рис. 9).

Рис. 9. Более компактное обозначение антенны.

В метровом и дециметровом диапазонах волн часто используют антенны «волновой канал », обладающие значительно большим, по сравнению с одиночным вибратором, коэффициентом направленного действия. Такая антенна, кроме основного — активного — вибратора, содержит неоколько пассивных. Один из них, расположенный за активным, называют рефлектором (от лат. reflectere — отражать), остальные (расположенные перед активным) — директорами (directio — направлять). Длина рефлектора — несколько больше, а директоров — несколько меньше длины активного вибратора. На схемах это показывают различной длиной соответствующих символов в условном обозначении антенны «волновой канал» (рис. 10).

Рис. 10. Условное обозначении антенны «волновой канал».

С целью улучшения направленных свойств антенн применяют также металлические рефлекторы в виде согнутых из металлического листа уголков, параболоидов и т. п. Условное обозначение такого рефлектора воспроизводит (конечно, упрощенно) его профиль в сечении. В качестве примера на рис. 11 доказаны условные графические обозначения антенны с излучателем (приемником) в виде симметричного вибратора и уголковым рефлектором (а) и антенны с криволинейным рефлектором (б), вибратор которой питается через коаксиальный кабель (симметрирующее устройство дли простоты не изображено) .

Рис. 11. Обозначения антенн с излучателем (приемником) в виде симметричного вибратора и уголковым рефлектором (а) и антенны с криволинейным рефлектором (б).

Для передачи электромагнитной энергии в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн используют волноводы — металлические Трубы, обычно прямоугольного сечения. Открытый конец волновода излучает электромагнитные волны. Чтобы улучшить излучение, к нему пристраивают пирамидальную воронку, которую называют рупорной антенной. Условное обозначение последней приведено на рис. 12. Здесь уголок, напоминающий гнездо разъемного соединения, символизирует рупор антенны, прямоугольник на присоединенной к нему линии электрической связи — волновод прямоугольного сечения.

Рис. 12. Антенна - пирамидальная воронка.

Улучшение направленных свойств в этих диапазонах волн можно также получить применением металлического рефлектора, поместив в его раскрыв рупорный излучатель (рис. 13). Хорошими направленными свойствами обладает и так называемая диэлектрическая антенна . Она представляет собой сплошной или полый стержень из высококачественного диэлектрика (полистирола, полиэтилена), на основание которого надет металлический стакан, выполняющий функции рефлектора. На расстоянии в четверть длины волны от дна стакана в теле антенны закреплен возбуждающий штырь.

Рис. 13. Рупорный излучатель.

Благодаря особой форме образующей стержня Электромагнитные волны выходят из него под одинаковыми углами к оси, в результате чего и создается направленное излучение. Условное графическое обозначение диэлектрической антенны — узкий заштрихованный наклонными линиями треугольник с линией-выводом от меньшего основания (рис.. 14).

Рис. 14. Условное графическое обозначение диэлектрической антенны.

Широкое применение в радиоприемной технике нашли так называемые магнитные антенны (они реагируют не на электрическую составляющую электромагнитных волн, как все рассмотренные ранее антенны, а на магнитную). Простейшая антенна такого типа — рамка, состоящая из одного или нескольких витков провода. Независимо от формы витков рамочную антенну изображают в виде незамкнутого квадрата с линиями-выводами от соседних сторон (рис. 15).

Рис. 15. Изображение рамочной антенны.

Гораздо чаще используют магнитные антенна с магнитопроводом из феррита. На схемах их обозначают как одну или несколько (по числу обмоток) катушек индуктивности с общим магнитопроводом, но в отличие от последних располагают всегда горизонтально (рис. 16,а).

Рис. 16. Магнитная антенна.

Принадлежность к антенным устройствам показывают общим символом, помещая его над серединой условного обозначения магнитопровода. Обмотки магнитной антенны обычно используют в качестве катушек входных колебательных контуров, поэтому обозначают их кодом катушек — латинской буквой L, а возможность подстройки их индуктивности (перемещением по магнитопроводу) показывают уже знакомым знаком подстроечного регулирования (рис. 16,6).

Литература: В.В. Фролов, Язык радиосхем, Москва, 1998.

Антенны (от лат. слова antenna -- мачта, рея) В передатчиках служат для преобразования радиочастотных электрических колебаний в энергию электромагнитного поля (радиоволн), в приемниках - для преобразования энергии радиоволн в токи радиочастоты. Любую антенну можно использовать как для передачи, так и для приема, причем ее характеристики (диапазон частот, направленные свойства и др.) сохраняются. Этим в значительной мере объясняется тот факт, что назначение антенны (приемная или передающая) ее условное обозначение обычно не отражает. Само расположение символа антенны на схеме однозначно определяет ее функцию (напомним, что развитие схемы, как правило, происходит слева направо).

Общее обозначение антенны (см. рис. 2 и 19,ж) применяют в тех случаях, когда нужно показать несимметричную антенну, т. е. антенну, соединяемую с передатчиком или приемником одним проводом (вторым проводам служит земля). Такие антенны используют в диапазонах длинных, средних и коротких воли. В ультракоротковолновом диапазоне, а также в коротковолновом применяют симметричные антенны, т. е. антенны с двухпроводным выходом (или входом). Общее обозначение симметричной антенны отличается от указанных наличием двух выводов (рис. 154,а).

Стандарт ЕСКД предусматривает специальные знаки для указания таких особенностей антенн, как ширина и характер движения (вращение, качание) главного лепестка диаграммы направленности, тип поляризации, направленность по азимуту и высоте и т. д. В качестве примеров использования таких знаков на рис. 154 показаны условные обозначения вращающейся антенны (б) и антенн с горизонтальной (в) и вертикальной (г) поляризацией.

Для повышения эффективности несимметричных передающих и приемных антенн используют заземление (в простейшем случае - это металлический лист или труба, зарытые на глубину почвенных вод). На схемах заземление изображают тремя короткими штрихами, вписанными в прямой угол (рис. 155,а). Иногда вместо заземления применяют противовес - большое число проводов, натянутых над поверхностью земли на небольшой высоте. Такое устройство обозначают двумя параллельными линиями разной длины, большая из которых символизирует землю (рис. 155,6).

В принципиальных схемах чаще используют условные графические обозначения, напоминающие предельно упрощенные рисунки конкретных разновидностей антенн. Так, простейшую антенну - несимметричный вибратор (вертикальный провод, штырь) изображают отрезком вертикальной утолщенной линии (рис. 156). Подобные антенны применяют в диапазонах длинных, средних, коротких и ультракоротких волн.

Однако для хорошей работы такой антенны ее длина должна быть равна примерно четверти длины рабочей волны. В диапазонах коротких и ультракоротких волн, длина которых не превышает нескольких десятков метров, это требование выполнить легко, а вот на средних и тем более на длинных волнах - гораздо труднее, так как четверть длины волны в этих диапазонах достигает сотен метров. Чтобы не строить дорогостоящие высотные сооружения, к верхнему концу вертикального провода (вибратора) присоединяют один или несколько горизонтальных проводов, действие которых заключается в кажущемся удлинении вибратора. На схемах Г-образную и Т-образную антенны обозначают символами, наглядно передающими их характерные особенности (рис. 157,а, б).

У рассмотренных несимметричных вибраторов излучателем (приемником) радиоволн служит вертикальная часть. В диапазонах же коротких и ультракоротких волн в силу особенностей их распространения обычно применяют антенны, у которых рабочими являются горизонтальные части. Простейшей антенной в эдах диапазонах является симметричный вибратор, представляющий собой два изолированных горизонтальных проводника одинаковой длины, между которыми подключена двухпроводная линия, соединяющая антенну с приемником или передатчиком. Эту линию связи называют фидером (от англ. feeder - питатель). Общая длина вибратора обычно равна примерно половине длины рабочей волны. «

Симметричный вибратор (его условное графическое обозначение показано на рис. 158) обладает явно выраженными направленными свойствами. Лучше всего он принимает или излучает в плоскости, перпендикулярной его оси, хуже всего - в плоскостях, проходящих через нее. Поэтому такую. антенну (например, для приема телевидения) располагают таким образом, чтобы ее горизонтальные части (плечи) были перпендикулярны направлению на телецентр.

На практике часто требуется, чтобы антенна могла излучать или принимать радиоволны в достаточно широкой полосе частот. Достигают этого ис; пользованием в качестве плеч вибратора нескольких параллельных провод,ни ков, соединенных концами. Антенны такой конструкции, известные под названием диполя Надененко, нашли широкое применение в коротковолновой связи. С той же целью (расширение диапазона частот) телевизионные антенны часто изготовляют из отрезков толстых трубок или применяют сложные вибраторы, например петлевые.

Симметричный вибратор шунтового питания представляет собой сплошной проводник длиной, также равной половине длины волиы. Фидер подключают к нему в двух точках, расположенных симметрично относительно его середины. Изменяя места подключения фидера к вибратору, можно добиться равенству входного сопротивления антенны волновому сопротивлению фидера, т. е. согласования. Точно так же согласовывают с фидером и петлевые вибраторы шунтового питания. Условное обозначение полуволнового вибратора с шунто-вым питанием представлено на рис. 160.

При использовании в качестве фидера коаксиального кабеля возникает необходимость в симметрировании, т. е. создании условий, при которых токи в точках подсоединения к вибратору имеют противоположные фазы. На практике симметрирующее устройство выполняют в виде отрезка кабеля полуволновой длины, согнутого в виде буквы U. Питание через коаксиальный кабель с симметрирующим устройством такого рода иллюстрирует условное обозначение петлевого вибратора, показанное на рис. 161 (кабель здесь обозначен кружком с отрезком касательной, параллельной линии электрической связи, а согласующее устройство - дугой, соединяющей выводы вибратора).

Для связи на коротких волнах антенны должны быть однонаправленными, т. е. излучать и принимать радиоволны они должны только с одного направления. Типичным представителем таких антенн является ромбическая антенна, представляющая собой ромб, выполненный из провода, стороны которого примерно вчетверо больше длины волны. К одному из острых углов антенны подключают двухпроводный фидер, а к другому - поглощающую нагрузку, сопротивление которой равно волновым сопротивлениям антенны и фидера. В условном обозначении ромбической антенны символ резистора (поглощающей нагрузки) уменьшен по сравнению с обычным примерно вдвое. _ Это делает обозначение антенны более компактным (рис. 162).

В метровом и дециметровом диапазонах волн часто используют антенны «волновой канал », обладающие значительно большим, по сравнению с одиночным вибратором, коэффициентом направленного действия. Такая антенна, кроме основного - активного - вибратора, содержит неоколько пассивных. Один из них, расположенный за активным, называют рефлектором (от лат. reflectere - отражать), остальные (расположенные перед активным) - директорами (directio - направлять). Длина рефлектора - несколько больше, а директоров - несколько меньше длины активного вибратора. На схемах это показывают различной длиной соответствующих символов в условном обозначении антенны «волновой канал» (рис. 163).

С целью улучшения направленных свойств антенн применяют также металлические рефлекторы в виде согнутых из металлического листа уголков, параболоидов и т. п. Условное обозначение такого рефлектора воспроизводит (конечно, упрощенно) его профиль в сечении. В качестве примера на рис. 164 доказаны условные графические обозначения антенны с излучателем (приемником) в виде симметричного вибратора и уголковым рефлектором (а) и антенны с криволинейным рефлектором (б), вибратор которой питается через коаксиальный кабель (симметрирующее устройство дли простоты не изображено) .

Для передачи электромагнитной энергии в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн используют волноводы - металлические Трубы, обычно прямоугольного сечения. Открытый конец волновода излучает электромагнитные волны. Чтобы улучшить излучение, к нему пристраивают пирамидальную воронку, которую называют рупорной антенной. Условное обозначение последней приведено на рис. 165. Здесь уголок, напоминающий гнездо разъемного соединения, символизирует рупор антенны, прямоугольник на присоединенной к нему линии электрической связи - волновод прямоугольного сечения.

Улучшение направленных свойств в этих диапазонах волн можно также получить применением металлического рефлектора, поместив в его раскрыв рупорный излучатель (рис. 166). Хорошими направленными свойствами обладает и так называемая диэлектрическая антенна . Она представляет собой сплошной или полый стержень из высококачественного диэлектрика (полистирола, полиэтилена), на основание которого надет металлический стакан, выполняющий функции рефлектора. На расстоянии в четверть длины волны от дна стакана в теле антенны закреплен возбуждающий штырь. Благодаря особой форме образующей стержня Электромагнитные волны выходят из него под одинаковыми углами к оси, в результате чего и создается направленное излучение. Условное графическое обозначение диэлектрической антенны - узкий заштрихованный наклонными линиями треугольник с линией-выводом от меньшего основания (рис.. 167).

Широкое применение в радиоприемной технике нашли так называемые магнитные антенны (они реагируют не на электрическую составляющую электромагнитных волн, как все рассмотренные ранее антенны, а на магнитную). Простейшая антенна такого типа - рамка, состоящая из одного или нескольких витков провода. Независимо от формы витков рамочную антенну изображают в виде незамкнутого квадрата с линиями-выводами от соседних сторон (рис. 168).

Принадлежность к антенным устройствам показывают общим символом, помещая его над серединой условного обозначения магнитопровода. Обмотки магнитной антенны обычно используют в качестве катушек входных колебательных контуров, поэтому обозначают их кодом катушек - латинской буквой L, а возможность подстройки их индуктивности (перемещением по магнитопроводу) показывают уже знакомым знаком подстроечного регулирования (рис. 169,6).

Антенна - устройство для излучения и/или приёма электромагнитных волн путём прямого преобразования электрического тока в излучение (при передаче) или излучения в электрический ток (при приёме).

Обычно термин «антенна» используется для устройств, работающих в радиочастотном диапазоне , но существуют опытные образцы наноантенн , способных принимать электромагнитное излучение инфракрасного и видимого спектра.

Как правило, антенна работает совместно с радиопередатчиком или радиоприемником . Антенна в режиме передачи преобразует энергию поступающего от радиопередатчика электромагнитного колебания в распространяющуюся в пространстве электромагнитную волну. Антенна в режиме приема преобразует энергию падающей на антенну электромагнитной волны в электромагнитное колебание, поступающее в радиоприемник. Таким образом, антенна преобразует переменный электрический ток в электромагнитное излучение и наоборот.

Первые антенны были созданы в 1888 году Генрихом Герцем в ходе его экспериментов по доказательству существования электромагнитной волны (Вибратор Герца ). Форма, размеры и конструкция созданных впоследствии антенн чрезвычайно разнообразны и зависят от рабочей длины волны и назначения антенны. Нашли широкое применение антенны, выполненные в виде отрезка провода, системы проводников, металлического рупора, металлических и диэлектрических волноводов , волноводов с металлическими стенками с системой прорезанных щелей, а также многие другие типы. Для улучшения направленных свойств первичный излучатель может снабжаться рефлекторами - отражающими зеркалами различной конфигурации и системами зеркал, а также линзами. Излучающая часть антенн, как правило, изготавливается с применением проводящих электрический ток материалов, но может изготовляться из изоляционных (диэлектрик) материалов, могут применяться полупроводники и метаматериалы .

С точки зрения теории электрических цепей антенна представляет собой двухполюсник (или многополюсник), и мощность источника, выделяемая на активной составляющей полного входного сопротивления антенны расходуется на создание электромагнитного излучения. В системах автоматического регулирования антенна рассматривается как дискриминатор - датчик угла рассогласования между направлением на источник сигнала или отражатель и ориентацией носителя (например, антенна с суммарно-разностной диаграммой направленности в составе радиолокационной головки самонаведения). В системах пространственно-временной обработки сигнала антенна (антенная решетка) рассматривается как средство дискретизации электромагнитного поля по пространству. В особый класс принято выделить антенны с обработкой сигнала. В частности, одним из таких устройств являются антенны с виртуальной (синтезированной) апертурой , применяемые в авиационной и космической технике для задач картографирования и увеличения разрешающей способности за счёт использования когерентного накопления и обработки сигнала.

Принцип действия

Иллюстрация трансформации параллельного контура в дипольную антенну. Синие линии - силовые линии электрического поля, красные - магнитного

Упрощенно принцип действия антенны состоит в следующем. Как правило, конструкция антенны содержит металлические (токопроводящие) элементы, соединенные электрически (непосредственно или через питающую линию - фидер ) с радиопередатчиком или с радиоприемником. В режиме передачи переменный электрический ток , создаваемый источником (например, радиопередатчиком), протекающий по токопроводящим элементам такой антенны, в соответствии с законом Ампера порождает вокруг себя переменное магнитное поле . Это меняющееся во времени магнитное поле в свою очередь, в соответствии с законом Фарадея , создает вокруг себя меняющееся во времени электрическое поле . Это переменное электрическое поле создает вокруг себя переменное магнитное поле и так далее - возникает взаимосвязанное переменное электромагнитное поле , образующее электромагнитную волну , распространяющуюся от антенны в пространство. В режиме приема переменное электромагнитное поле падающей на антенну волны наводит токи на токопроводящих элементах конструкции антенны, которые поступают в нагрузку (фидер, радиоприемник).

Характеристики антенн

Электромагнитное излучение, создаваемое антенной, обладает свойствами направленности и поляризации . Антенна как двухполюсник обладает входным сопротивлением (импедансом). Лишь часть энергии источника антенна преобразует в электромагнитную волну, остальная расходуется в виде тепловых потерь. Для количественной оценки перечисленных и ряда других свойств антенна описывается набором электрических характеристик и параметров, в частности:

Пример диаграммы направленности антенны и параметры: ширина ДН, КНД, УБЛ, коэффициент подавления обратного излучения

характеристика направленности

диаграмма направленности (ДН)

коэффициент направленного действия (КНД)

коэффициент усиления (КУ)

ширина ДН по заданному уровню

уровень боковых лепестков (УБЛ)

фазовая диаграмма

резонансная частота , рабочая полоса частот

поляризационная диаграмма

номинальное входное сопротивление антенны, тип линии питания

входной импеданс и коэффициент стоячей волны (КСВ) в линии питания

коэффициент полезного действия (КПД)

Коэффициент использования поверхности (КИП) апертуры антенны

шумовая температура антенны (Т А)

максимальная допустимая мощность на входе

К характеристикам антенн также можно отнести следующие:

эффективная площадь рассеяния (ЭПР)

эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ)

Ряд характеристик антенн как взаимных устройств (пассивных линейных многополюсников) в режиме передачи и в режиме приема совпадает, в том числе: ДН (КНД, КУ, УБЛ), входной импеданс. Например, ДН антенны в режиме приема и в режиме передачи совпадают.

К конструктивным характеристикам и параметрам антенн относятся, в частности:

масса, координаты центра масс, момент инерции

габаритные размеры, максимальный радиус разворота

объект установки, способ крепления

примененные материалы

Основные типы антенн

Телевизионные директорные антенны метрового и дециметрового диапазонов горизонтальной поляризации

Уголковые антенны на первом искусственном спутнике Земли разработаны профессором РТФ МЭИ Марковым Г.Т.

Волноводно-щелевая ФАР в составе головки самонаведения противокорабельной ракеты Х-35 Э.МАКС-2005

Вибраторная антенна

Симметричный вибратор (диполь)
Несимметричный вибратор
- Антенна Ground Plane
  Укороченная штыревая антенна
  Колинеарная антенна
  "Коаксиальная" антенна
  J-образная антенна
  Антенна зенитного излучения
  Вертикальная антенна верхнего питания

Шунтовой вибратор

Петлевой вибратор ("Петлевой вибратор Пистолькорса")

Широкополосный "Диполь Надененко "

Турникетная антенна

Директорная антенна

Волновой канал (антенна Уда-Яги)

Антенна СГ (синфазная горизонтальная)

Щелевая антенна

Щелевой вибратор
Волноводно-щелевая антенна

Апертурная антенна - антенна, излучение у которой происходит через раскрыв (плоское отверстие - апертуру). Используются в СВЧ-диапазоне.

Рупорная антенна
Зеркальная антенна
- Прямофокусная зеркальная антенна
  Офсетная зеркальная антенна
  Антенна Кассегрена
  Антенна Грегори
  Зеркальная антенна с косекансной диаграммой направленности
  Зонтичная антенна
  Рупорно-параболические антенны
  Перископическая антенна

Линзовая антенна

Антенна с синтезированной апертурой .

Антенна бегущей волны

Спиральная антенна
Диэлектрическая стержневая антенна
Импедансные антенны
Антенна вытекающей волны
Антенна Бевереджа
V-образная антенна
Ромбическая антенна
Антенна БС

Антенны диапазона СВЧ

Микрополосковая антенна
Патч-антенны
Сингулярная антенна

Чип-антенна (антненна, монтируемая по технологии SMD )

Антенны оптического диапазона

Наноантенна

Сверхширокополосные антенны

Антенна на принципе электродинамического подобия
- Дискоконусная антенна
  Излучатель типа "бабочка"

Логопериодическая антенна (Логарифмическая периодическая антенна)

Фрактальная антенна

Антенна Вивальди

Антенная решетка (система излучения)

Фазированная антенная решётка
Пассивные ФАР
Активные ФАР - с нелинейными преобразованиями сигнала в полотне решётки
Цифровая антенная решётка - активная ФАР с применением алгоритмов цифровой обработки сигнала непосредственно в полотне
MIMO -антенна

Антенны с линейными размерами << λ )

Магнитная антенна
CFA-антенна
EH-антенна

Распределённые антенны

Частично излучающий кабель (коаксиальный кабель с намеренно ухудшенной экранировкой)

Антенны для преобразования энергии электромагнитной волны в электрическую энергию и для средств RFID

Ректенна - антенна + выпрямитель
Наноантенна - антенна для резонансного преобразования излучения оптического диапазона в электрическую энергию

Псевдо-антенны (антенны с мифическими техническими характеристиками)

Ртутная антенна

Концептуальные антенны

Гравитационная антенна

Примеры выдающихся конструкций

Антенна АДУ-1000

Антенна РТ-70

Антенна загоризонтной РЛС "Дуга"

Антенна станции зондирования ионосферы HAARP

Антенна радиообсерватории Аресибо

Средства защиты от внешних воздействий

Радом
Противообледенительные системы
Защита от птиц

Интересные сведения

Электрические параметры антенны (ДН, входное сопротивление) не изменятся, если изменить все ее размеры и длину волны в одинаковое число раз (принцип электродинамического подобия).

Амплитудно-фазовое распределение (распределение комплексной амплитуды тока как функции координат по апертуре антенны) и диаграмма направленности антенны в дальней зоне как функция угловых координат (пространственных частот ) связаны преобразованием Фурье . При нахождении формы ДН удобно использовать теоремы относительно преобразования Фурье. Размеры антенн с синтезированной апертурой могут составлять десятки и сотни километров. Параметры пассивных антенн в линейных негиротропных средах не зависят от того, работает ли антенна на прием или на передачу (теорема взаимности).

Литература:

1) Литература: В.В. Фролов, Язык радиосхем, Москва, 1998

2) http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D1%82%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0

Антенны могут классифицироваться по ряду признаков: по частотным диапазонам, по степени направленности излучения (ненаправленные, слабонаправленные, высоконаправленные), по типу элементарных источников, из которых составлена антенна и др. Любая классификация является условной. Мы используем последний из перечисленных признаков.

Проволочные антенны . Излучающим является провод, по которому протекает быстропеременный электрический ток. Генератор или входные цепи приемника включены в разрыв провода, отрезки провода называется плечами. К проволочным антеннам относятся: вибраторы, штыри, длинный провод, ромбическая антенна и др. Конструктивно «провод» может быть выполнен в виде металлической полосы, тонкой трубки, металлической сетки. Проволочные антенны относятся к антеннам слабой и средней направленности и используются в диапазонах от длинных до сантиметровых волн.

Антенные решетки (АР) с поперечным излучением. АР образована из упорядоченной системы слабонаправленных излучателей, возбуждаемых от общего генератора с помощью диаграммо-образующей схемы, состоящей из отрезков ЛП и делителей мощности для получения синфазного возбуждения всех элементов АР. Решетки бывают линейные и двумерные (плоские). АР формируют ДН, главный максимум которой ориентирован по нормали к плоскости решетки (раскрыву). Ширина ДН пропорциональна величине , где λ - рабочая длина волны, А - линейный размер полотна в соответствующей плоскости (вертикальной или горизонтальной). Уровень боковых лепестков ДН определяется видом амплитудного распределения в раскрыве антенны. Если в диаграммо-образующую схему ввести систему управляемых фазовращателей, то формирование линейного распределения фазы по раскрыву приведет к отклонению луча от нормали. АР с управляемым положением главного лепестка ДН называется фазированной антенной решеткой (ФАР).

Антенны с бегущей волной тока. Это система из дискретных или непрерывно расположенных излучателей, фазы токов в которых меняются по закону бегущей волны (линейно). К дискретным антеннам этого типа относятся, так называемая, директорная антенна или антенна «волновой канал». Она состоит из вибраторов, расположенных вдоль линии, совпадающей с направлением максимума излучения. В такой линейной решетке используются активные и пассивные вибраторы. Директорная антенна – наиболее распространенный тип антенны для приема телевизионных программ. К антеннам с непрерывным распределением тока относятся спиральные и диэлектрические стержневые антенны. Это класс антенн средней направленности. Диапазоны использования – метровые, дециметровые и сантиметровые волны.

Апертурные антенны. Если по некоторой площадке (апертуре, раскрыву) установить непрерывное, квазисинфазное распределение ЭМП, то такая излучающая система называется апертурной антенной. Элементарными источниками излучения в раскрыве являются элементы Гюйгеса. Наиболее распространенными типами этого класса антенн являются рупорные и зеркальные (рефлекторные) антенны. Антенны этого класса формируют среднее и высоконаправленное излучение. Коэффициент усиления зеркальных антенн может достигать несколько десятков децибел. Зеркальные и рупорные антенны используются в радиолокации, для приема спутникового телевидения. Диапазоны использования – от метровых до миллиметровых волн.

Основные типы антенн.

Естественно, прежде всего разделить антенны на передающие и приемные – основные электрические характеристики каждой антенны в режимах работы на прием и передачу совпадают.

Все антенны удобно разделить на две большие группы:

Линейные антенны;

Апертурные антенны.

Кроме того, широко применяются более сложные антенные системы – антенные решетки, элементами которых являются либо линейные, либо апертурные излучатели.

Линейная антенна – тонкий металлический провод, в котором возбужден переменный электрический ток, а также узкая щель в металлическом экране, между краями которой приложено переменное электрическое напряжение. По теореме эквивалентности электрическое поле в щели по своему действию, на внешнее пространство эквивалентно некоторым переменным магнитным – токам, текущим вдоль щели. Таким образом, линейными антеннами называются любые излучающие системы малого (по сравнению с длиной) поперечного размера и с переменными токами, текущими, вдоль, оси системы. У линейных антенн размер поперечного сечения много меньше длины волны.

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.: симметричные и несимметричные вибраторы и антенны, рамочные ант., проволочные ант. бегущей волны (в том числе спиральные), тонкие щелевые ант. стоящих и бегущих волн.

Апертурные антенны – у них можно определить некоторую ограниченную воображаемую поверхность, через которую проходит весь поток излучаемой (принимаемой) электромагнитной энергии – апертуру или раскрыв, часто представляемый в виде плоскости. Размеры раскрыва обычно много больше длины волны. Примеры: пирамидальная рупорная антенна, зеркальная параболическая антенна, линзовые антенны, открытые излучающие концы волноводов.

Антенная решетка – антенна, состоящая из нескольких однотипных излучателей, определенным образом расположенных в пространстве и возбуждаемых одним генератором иди несколькими когерентными генераторами. Здесь удается получить как требуемое пространственное распределение излучаемой энергии, так и нужное управление та времени этим распределением. Типичная антенная решетка – директорная антенна УКВ – линейная решетка из полуволновых симметричных вибраторов.

Антени військових радіостанцій
Учебное пособие >> Коммуникации и связь
... ілів чіткого знання властивостей антен і творчого використання їх можливостей. Основн і характеристики антен 1. Потужність випром... коефіцієнтів підсилення антен від частоти. Основна область застосування антен даного типу - робота земною хвилею...
Антенные устройства и среда распространения
Лекция >> Коммуникации и связь
И G(f0) – максимальный КУ антенн на частотах помехи и основной частоте. F – значение нормированных... более одного типа волн. Они отличаются от волн основного типа структурой... сумма всех перечисленных полей. Тип антенны КУ, дБ Частота Поляризация КУср...
Основные антенны
Реферат >> Коммуникации и связь
Развитие теории и техники антенн . Основные области использования радиоэлектроники - связь... далеко не для всех типов антенн и вычисления проводились с большой... уделяется при разработках антенного поста основное внимание. В антенной технике помимо принципа...

КАТЕГОРИИ

Антенны, их виды и применение. Уличная антенна для телевизора: виды, описание лучших Зачем используются антенны разной формы

Антени військових радіостанцій

Антенные устройства и среда распространения

Основные антенны