Антени військових радіостанцій
Антени військових радіостанцій
Загальні положення
Антенами називаються пристрої, призначені для випромінювання і прийому електромагнітних хвиль.
Передавальна антена призначена для перетворення енергії ВЧ коливань в енергію електромагнітних хвиль. Прийомна антена призначена для перетворення енергії електромагнітних хвиль в енергію ВЧ коливань.
Антени військових радіозасобів є необхідними і найважливішими технічними елементами, що беруть участь у формуванні радіоканалу. Позитивною властивістю антен є те, що вони, не споживаючи потужності від джерел енергії, забезпечують дії, еквівалентні посиленню потужності сигналу. Як відомо, потужність сигналу на вході приймача визначається виразом (1):
(1)
де: Р пров. - потужність передавача;
Gпер - коефіцієнт підсилення передавальної антени;
G ін - коефіцієнт підсилення прийомної антени;
Wтр - множник ослаблення потужності за рахунок поглинання на трасі;
З формули видно, що потужність передавача сама по собі ще не визначає надійність радіозв'язку. Коефіцієнти підсилення антен Gпер і Gпр входять у приведений вираз як рівноправні множники, тому з метою зниження витрати потужності від первинного джерела, що приводить до зменшення маси і габаритів радіостанцій, необхідно прагнути до збільшення коефіцієнта підсилення антен.
Мінімально необхідна потужність сигналу на вході приймача залежить від його чутливості, однак у декаметровому діапазоні вона практично визначається середньою потужністю перешкод на вході приймача (шуми самого приймача, шуми в антені і середовищі, а також зовнішні перешкоди).
Зменшити рівень перешкод на вході приймача можна за рахунок застосування прийомних антен зі спрямованими характеристиками: чим вужче її діаграма направленості при деякім значенні коефіцієнта підсилення, тим менше потужність перешкод.
Звідси видно, настільки велика роль антен у визначенні енергетичного потенціалу, особливо якщо врахувати, що збільшення потужності передавачів мобільних радіостанцій має межу.
Військові радіозасоби працюють в особливих умовах. Це викликає необхідність у створенні і застосуванні антен спеціальних типів і конструкцій. Крім необхідних електричних характеристик, приймаються в увагу габарити, транспортабельність, час розгортання і згортання, маскування, надійність і захищеність антен.
Грамотне застосування антен у різноманітних умовах місцевості, на стоянці, при зупинках і в русі, маскування і захист від розвідки і поразки, маневр частотами й антенами для підтримки стійкого радіозв'язку в суцільний перешкодовій обстановці жадає від особового складу радіопідрозділів чіткого знання властивостей антен і творчого використання їх можливостей.
Основні характеристики антен
1. Потужність випромінювання Р∑ - потужність, що витрачається на створення ЕМХ (поля випромінювання). Напруженості електричного 
і магнітного 
векторів електромагнітного поля у вільному просторі зменшуються пропорційно відстані r.
2. Потужність передавача РА – потужність, що надходить в антену від передавача. Вона визначається вираженням (2):
(2) де: IA - амплітуда струму на вході антени;
RA_– активна складова вхідного опору антени.
Однак не вся підведена до антени потужність РА затрачається на створення поля випромінювання.
3. Потужність втрат РП - частина потужності передавача РА, що витрачається на нагрівання металу провідників, на діелектричні втрати в ізоляторах, на втрати в землі з кінцевою провідністю і втрати іншого фізичного походження. Тому:
РА=Р∑ +РП (3)
4. Вхідний опір антени ZА визначається вираженням (4):
(4) де: RA і XA - активна і реактивна складові вхідного опору антени.
5. Коефіцієнт корисної дії антени ηА визначається як відношення випромінюваної потужності Р∑ до підведеної до антени потужності РА (5):
(5) Коефіцієнт корисної дії визначає ефективність антени як перетворювача ВЧ енергії в енергію ЕМХ. Для того щоб передавач віддавав в антену максимальну потужність необхідно погодити вихідний опір передавача вхідним опором антени. Однак активна складова RА вхідного опору антени може відрізнятися від величини вихідного опору передавача, тому виникає необхідність у трансформації активної частини вхідного опору антени. Ця задача вирішується за допомогою органів зв'язку з антеною. Компенсація ж реактивної складовий XА вхідного опору антени здійснюється за допомогою органів настроювання антени (рис.1). Номінали органів настроювання і зв'язки залежать від значень реактивної й активної складових вхідного опору антени.
 |
Рис.1. Спрощена схема узгодження передавача з антеною.
6. Характеристика направленості – це залежність амплітуди напруженості поля від напрямку в просторі на однаковому, досить великому, відстані від антени. На однаковій відстані від антени, але в різних напрямках, величина напруженості поля різна. Інакше кажучи, антена має спрямовану властивість. Графічне зображення характеристики направленості називають діаграмою направленості. Для порівняння різних антен по направленості користаються нормованою характеристикою направленості, у якої максимальне значення дорівнює одиниці. Вона виходить шляхом розподілу всіх значень характеристик направленості на максимальне значення:
(6) Побудова діаграм направленості можлива в полярній чи прямокутній системах координат. На практиці користаються перетинами просторової діаграми направленості звичайно в двох взаємно перпендикулярних площинах, що проходять через напрямок максимального випромінювання. Для антен, розташованих на поверхні землі, перетину вибирають таким чином, щоб одержати діаграми направленості в горизонтальній (функція F(j)) і вертикальної (функція F(q)) площинах, де q і j - кутові координати в сферичній системі координат.
У діаграмі направленості антени розрізняють головний і бічний пелюстки, рівень яких визначається стосовно головного.
Ступінь концентрації електромагнітної енергії в головному напрямку характеризується шириною головного пелюстка (шириною діаграми направленості).
Шириною головного пелюстка (шириною діаграми направленості) називають кут між двома напрямками, у межах якого напруженість поля зменшується в 
раз.
7. Коефіцієнт спрямованої дії D показує властивість антени концентрувати випромінювання у визначених напрямках і він визначається як відношення потужності випромінювання ненаправленої (гіпотетичної) антени Р∑0 до потужності випромінювання спрямованої антени Р∑, що створюють на однаковій відстані рівні напруженості поля:
(7) Оскільки при застосуванні спрямованої антени потужність випромінювання затрачається на створення поля в більш вузькому секторі кутів, можна говорити про виграш у величині напруженості поля:
8. Коефіцієнт підсилення антени G показує, у скількох разів меншу потужність можна підвести до спрямованої антени в порівнянні з потужністю, підведеної до ненаправленої антени без утрат, щоб одержати однакову напруженість поля в крапці прийому. Коефіцієнт підсилення антени застосовується для оцінки виграшу, що дається застосуванням спрямованої антени і визначається вираженням (8):
(8) де: РАо - потужність, підведена до ненаправленої антени;
РА - потужність, підведена до спрямованої антени.
При цьому вважається, що ненаправлена антена має ККД рівний 100%, тобто РАо=Р∑0, тому вираження для коефіцієнта підсилення G можна записати у виді:
(9) 9. Діапазонні властивості антени визначаються інтервалом частот fmin-fmax, у межах якого такі параметри, як спрямовані властивості і вхідний опір антени залишаються постійними.
Смуга частот може визначатися у відсотках щодо середньої частоти діапазону:
(10) Антени, що забезпечують роботу в смузі частот менше 10%, називаються вузькосмуговими (вузькодіапазонними, резонансними), а при смузі більше 10% - широкосмуговими. Якщо смуга робочих частот більше 100%, то антени називають діапазонними (широкодіапазонними). Коефіцієнт перекриття широкодіапазонних антен лежить у межах від 2 до 10.
 |
10. Діючою довжиною антени ℓg називається довжина вібратора з рівномірним розподілом струму, рівним току на її затисках, що створює в напрямку максимуму випромінювання ту ж напруженість поля, що і розглянута антена (мал. 2):
Рис.2. Визначення діючої довжини симетричного вібратора.
Симетричний вібратор – це прямолінійний провід, розділений по середині на два відрізки, називаних плічми ℓ, між якими включається генератор.
Власною довжиною хвилі вібратора λ0 називається найбільша довжина хвилі, при якій реактивний вхідний опір антени дорівнює нулю. Для симетричного вібратора власна довжина хвилі складає λ0=4ℓ.
Вібратор називають напівхвильовим, у якого повна довжина антени дорівнює половині довжини хвилі (довжина плеча антени дорівнює ℓ=0,25λ). Вібратор налагоджений у резонанс і тому реактивна складова ХA вхідного опору антени дорівнює нулю.
Вібратор називається хвильовим, якщо загальна довжина антени дорівнює довжині хвилі (довжина плеча дорівнює половині довжини хвилі), реактивна складова ХА вхідного опору антени дорівнює ±∞.
Режимом подовження називають роботу вібратора при ℓ<0,25λ Антена в цьому режимі має ємнісний реактивний опір.
Режим укорочення має місце при ℓ>0,25λ. При 0,25λ< ℓ<0,5λ вхідний опір вібратора має індуктивний характер. Для настроювання такого вібратора в резонанс необхідно використовувати ємність (скорочуючий конденсатор).
Штирьові антени
Штирьова антена являє собою твердий несиметричний напівхвильовий вібратор. Поверхнею штиря, що підстилає, можуть бути: земля, металевий кузов рухомого об'єкта, корпус радіостанції і спеціальні дроти - противаги.
|