СВЧ антенны. Характеристика

Первые опыты, доказавшие существование электромагнитных волн, подобных световым, выполнил выдающийся ученый Генрих Герц в 1888 г. В качестве источника сигнала использовался электрический разряд между металлическими шарами, соединенными с проводниками. Это устройство было праобразом радиоантенны.

Антенной называется система проводников, предназначенная для излучения (приема) электромагнитных волн. Термин происходит от греческого слова, означающего щупальца, усики (насекомых).

Образование антенны из отрезка двухпроводной линии поясняется с помощью рис. 1.1,а,б. Четвертьволновый отрезок линии с холостым ходом на конце представляет собой резонатор, часть накопленной в нем энергии излучается в окружающее пространство. Однако в таком случае напряженность магнитного поля H_а в удаленной точке А незначительна, т. к. излучения от противоположно направленных токов вычитаются, (см. рис. 1.1,а). Если же развернуть проводники, как показано на рис. 1.1,б, происходит сложение парциальных сигналов, наводимых токами в проводниках.

Такой «открытый резонатор» превращается в антенну (полуволновый вибратор), излучающую наиболее эффективно на той частоте, для которой его длина близка к половине длины волны [4, 5]. При работе в длинноволновых диапазонах, когда обеспечить указанное соотношение не удается, можно повысить эффективность антенны, присоединив к концам проводников емкостные элементы, например, металлические шары, как на рис. 1,в. Подобные антенны использовал в своих опытах Герц.

Для описания антенн применяются следующие основные параметры:

1. Входной импеданс .

2. Сопротивление излучения .

3. Сопротивление потерь .

4. КПД антенны .

5. Коэффициент направленного действия , где мощность ненаправленной антенны с той же интенсивностью излучения в главном направлении; , где – площадь антенны.

6. Коэффициент усиления , достигающий 10⁵ в СВЧ диапазоне.

7. Диапазон рабочих частот.

Большинство антенн способны работать как в передатчиках, так и в приемниках, при этом они характеризуются теми же основными параметрами.

Антенные устройства, применяемые в системах связи, радиолокации и др. весьма разнообразны и классифицируются по нескольким признакам, включая частотный диапазон. Наиболее важным является разделение на ненаправленные (слабонаправленные) и остронаправленные антенны в зависимости от их диаграмм направленности. Диаграмма направленности антенны характеризует распределение интенсивности излучения в пространстве. Наиболее часто используется сечение объемной диаграммы направленности горизонтальной или вертикальной плоскостью, являющееся графическим представлением зависимости интенсивности излучения антенны от направления в заданной плоскости. Примеры таких диаграмм в полярных координатах для антенн двух классов показаны на рис. 1.2.

Важнейшим параметром остронаправленной антенны является ширина основного лепестка диаграммы (угол j), которая определяется по уровню 0,7 от максимальной интенсивности излучения, как показано на рис. 1.2,б. На практике используется именно этот лепесток, указывающий главное направление излучения антенны; излучение побочных лепестков часто является помехой, его стремятся ослабить.

Основные достоинства остронаправленных антенн приведены на рис. 1.3. Понятно, что достижение высокой направленности является важной задачей конструирования антенных устройств.

Как указывалось выше, коэффициент направленного действия антенны прямо пропорционален ее площади и обратно пропорционален квадрату длины волны излучения. Поэтому при переходе в СВЧ диапазон от более длинных радиоволн достигается большой выигрыш в направленности антенн даже при уменьшении их площади. Это способствует увеличению дальности связи при экономии мощности передатчика, что особенно важно для радиоаппаратуры летательных аппаратов и спутников.

Примером ненаправленной антенны является рассмотренный ранее полуволновый вибратор. Его диаграмма направленности в горизонтальной плоскости соответствует рис. 1.2,а. Если антенна расположена над проводящей плоскостью (роль которой, в частности, может играть поверхность земли или воды), используют более компактный четвертьволновый вибратор, который согласно принципу зеркального отображения оказывается эквивалентным полуволновому вибратору. Такая разновидность антенны показана на рис. 1.4,а.

Другой разновидностью вибратора является полуволновый петлевой вибратор, предложенный советским радиотехником Пистолькорсом, такая антенна часто используется в телевизионных приемниках (см. рис. 1.4,б) . На концах диполей, настроенных в резонанс, расположены пучности напряжения. Поэтому при использовании в качестве вибраторов гибкого провода на концах диполя должны устанавливаться качественные изоляторы (керамические или стеклотекстолитовые). В точке А находится узел напряжения, поэтому здесь можно прикрепить антенну к заземленной конструкции без изолятора.

Простую конструкцию имеет также рамочная антенна, показанная на рис. 1.4,в. Она представляет собой рамку из одного или нескольких витков провода. Ее диаграмма направленности в сечении, перпендикулярном плоскости рамки, описывается функцией косинуса. Аналогичные диаграммы направленности в вертикальной плоскости имеют рассмотренные полуволновые и четвертьволновые вибраторы.

В телевизионных приемниках метрового и дециметрового диапазонов длин волн часто используется слабонаправленная директорная антенна типа «волновой канал», изображенная на рис. 1.5. На ее оси помимо активного полуволнового вибратора закреплены рефлектор (отражатель) и несколько антенных элементов, называемых директорами. Они возбуждаются излучением активного вибратора (в случае передающей антенны) и переизлучают сигнал. При правильно подобранных расстояниях между антенными элементами в плоскости рисунка формируется диаграмма, подобная изображенной на рис. 1.2,б. Ее главный лепесток, направленный вдоль оси от рефлектора, имеет обычно ширину 20 – 30°. Такой же характеристикой направленности обладают и приемные антенны.

Простые антенны, предназначенные наиболее часто для диапазона сантиметровых длин волн (СМВ), представлены на рис. 1.6. Открытый конец прямоугольного волновода может быть использован в качестве антенны, но в этом случае возникают значительные потери на отражение. Более эффективной является рупорная антенна, которая представляет собой участок волновода переменного (расширяющегося) сечения с открытым излучающим концом (см. рис. 1.6,а). Достоинством рупорной антенны является ее широкополосность, определяемая рабочей полосой частот питающего волновода; к.п.д. такой антенны может быть близок к единице. Ширина диаграммы направленности обратно пропорциональна размеру конца рупора, ее типичное значение составляет около 50°.

Одна из разновидностей щелевой антенны на базе прямоугольного резонатора со щелью в стенке, пересекающей линии тока, изображена на рис. 1.6,б. Резонатор возбуждается с помощью коаксиального волновода, его штырь, входящий в резонатор, служит элементом связи. Диаграмма направленности одиночной щели близка к изображенной на рис. 1.4,в диаграмме для рамочной антенны. Нередко используются более сложные антенны с несколькими щелями в волноводе. Щелевые излучатели создаются также на основе планарных линий передачи.

На высокочастотном краю СВЧ диапазона находят применение антенны, построенные по квазиоптическому принципу. Два варианта таких устройств представлены на рис. 1.7. Это зеркальная антенна (рис. 1.7,а) и линзовая антенна (рис. 1.7,б).

Как показано на рисунке, в качестве облучателя может быть использована, например, рупорная антенна. В таких конструкциях достигается снижение ширины основного лепестка диаграммы направленности до 0,1°.