Антенны

Антенны служат для излучения мощности радиоволн, поступающей от передатчика, или приема радиоволн, извлечения из электромагнитного поля мощности. Известно много типов антенн, отличающихся принципом действия, конструкцией, внешним видом, но работа любой антенны характеризуется ее параметрами, такими как диаграмма направленности, коэффициент направленного действия, коэффициент усиления, поляризационные свойства.

Диаграммой направленности называют графическую зависимость, показывающую, как распределяется в пространстве мощность, излученная антенной, или с каких направлений антенна может принимать радиоволны.


Рис. 8. Диаграммы направленности антенн.

Антенна, одинаково излучающая во все стороны, называется ненаправленной. На рис. 8, а изображена диаграмма направленности такой антенны, представляющая собой окружность. В большинстве случаев желательно сосредоточить излучаемую антенной мощность в определенном направлении, т. е. сузить диаграмму направленности, придав ей вид, изображенный на рис. 8, б. Угол θ, в пределах которого заключена основная часть излучаемой мощности, характеризует ширину диаграммы направленности. Степень концентрации мощности, излученной антенной в желаемом направлении, определяется коэффициентом направленного действия антенны. Он обозначается буквой D. Направленная антенна, излучающая мощность Р, создает такую же напряженность поля в месте приема, как ненаправленная антенна, излучающая мощность PD.

Если размеры антенны больше или немного меньше длины волны, то такая антенна может обладать направленностью. Выполнить направленные антенны для волн длиной в тысячи метров почти невозможно. В диапазоне сантиметровых волн удается сконцентрировать излученную мощность в угле менее 1°. Линейные размеры такой антенны достигают нескольких десятков метров.

Не вся мощность, подводимая от передатчика к антенне, излучается. Отношение мощности, излученной антенной, к мощности, подведенной к ней, называется коэффициентом полезного действия (к. п. д.) антенны. Произведение к. п. д. антенны на ее коэффициент направленного действия называется коэффициентом усиления антенны G. Коэффициент усиления антенны УКВ может достигать больших значений. Для антенн типа «волновой канал» в диапазоне метровых волн коэффициент усиления составляет G = 5÷20, а для параболической антенны в диапазоне сантиметровых волн он достигает G = 104÷105.

Антенны излучают волны определенной поляризации, как это было показано на примере вибратора. Антенна принимает волны той же поляризации, что и излучает. Для эффективного приема характер поляризации поля принимаемой волны и поляризационные свойства приемной антенны должны совпадать.

При распространении радиоволн в свободном пространстве без учета влияния поверхности и атмосферы Земли действующее значение напряженности поля в милливольтах на метр, создаваемого антенной, можно подсчитать по формуле

$$
\begin{equation}
E=173\frac{\sqrt{PG}}{r}
\tag{2}
\end{equation}\label{eq.2}
$$

где Р — мощность, подводимая к антенне, кВт; G — коэффициент усиления антенны; r — расстояние от передающей антенны до точки приема, км.

Из этой формулы следует, что напряженность поля обратно пропорциональна расстоянию от передающей антенны до точки приема и пропорциональна квадратному корню из значения излучаемой мощности.

Можно рассчитывать не напряженность поля вблизи приемной антенны, а непосредственно мощность, выделяемую на входе приемника, согласованного с приемной антенной, Рпр:

$$
\begin{equation}
P_\text{пр}=\frac{PG_\text{пер}G_\text{пр}\lambda^2}{\left(4 \pi r\right)^2}
\tag{3}
\end{equation}\label{eq.3}
$$

где Gпер и Gпр — соответственно коэффициенты усиления передающей и приемной антенны. Мощность, получаемая в приемной антенне, обратно пропорциональна квадрату расстояния от передающей до приемной антенны. Убывание мощности принятого сигнала с расстоянием по сравнению с мощностью излученного сигнала удобно оценивать в децибелах: Г = 10 lg Рпр/Р.

Если не учитывать потери мощности в среде, то уменьшение мощности сигнала с расстоянием, называемое потерями в свободном пространстве, определяются формулой

$$
\begin{equation}
\Gamma_0=-\left[33+20\left(\lg r + \lg f\right)\right]+G_\text{пер}+G_\text{пр}
\tag{4}
\end{equation}\label{eq.4}
$$

где Γ0 — потери, дБ; r — расстояние, км; f — рабочая частота, МГц; Gпер и Gпр — коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, дБ.

В табл. 1 приложения указано, во сколько раз изменилась мощность, если известна разница в децибелах.

При распространении в среде полные потери (в децибелах) складываются из потерь в свободном пространстве и потерь на поглощение в среде.

$$
\begin{equation}
\Gamma_\text{полн}=\Gamma_0+\Gamma
\tag{5}
\end{equation}\label{eq.5}
$$

В диапазонах КВ и УКВ антенны стремятся поднять на некоторую высоту над поверхностью земли, чтобы постройки, деревья, холмы не препятствовали распространению радиоволн.