Теория антенн - Краткое руководство

Человек, которому нужно выразить мысль, идею или сомнение, может сделать это, voice communication.

На следующем рисунке показаны два человека, которые общаются друг с другом. Здесь общение происходит черезsound waves. Однако, если два человека хотят общаться, находясь на больших расстояниях, мы должны преобразовать эти звуковые волны вelectromagnetic waves. Устройство, преобразующее требуемый информационный сигнал в электромагнитные волны, известно какAntenna.

Что такое антенна?

Антенна - это преобразователь, который преобразует электрическую энергию в электромагнитные волны и наоборот.

Антенна может использоваться как transmitting antenna или receiving antenna.

• А transmitting antenna это тот, который преобразует электрические сигналы в электромагнитные волны и излучает их.

• А receiving antenna это тот, который преобразует электромагнитные волны принятого луча в электрические сигналы.

• При двусторонней связи одна и та же антенна может использоваться как для передачи, так и для приема.

Антенну также можно назвать Aerial. Множественное число,antennae или же antennas. В настоящее время антенны претерпели множество изменений в соответствии с их размером и формой. Существует множество типов антенн в зависимости от их широкого спектра применений.

Следующие изображения представляют собой примеры различных типов антенн.

В этой главе вы познакомитесь с основными понятиями антенны, спецификациями и различными типами антенн.

Потребность в антенне

В области систем связи всякий раз, когда возникает потребность в беспроводной связи, возникает необходимость в антенне. Antennaимеет возможность посылать или принимать электромагнитные волны для связи, когда вы не можете рассчитывать на прокладку системы проводки. Следующий сценарий объясняет это.

Сценарий

Чтобы связаться с удаленным районом, необходимо проложить проводку на протяжении всего маршрута по долинам, горам, утомительным тропам, туннелям и т. Д., Чтобы добраться до удаленного места. Развитие беспроводных технологий сделало весь этот процесс очень простым. Антенна - ключевой элемент этой беспроводной технологии.

На изображении выше антенны помогают установить связь по всей территории, включая долины и горы. Этот процесс, очевидно, будет проще, чем прокладка системы электропроводки по всей территории.

Радиационный механизм

Единственная функция антенны: power radiationили прием. Антенна (передает ли она, принимает или делает и то и другое) может быть подключена к схеме на станции через линию передачи. Функционирование антенны зависит от механизма излучения линии передачи.

Проводник, который предназначен для передачи тока на большие расстояния с минимальными потерями, называется проводником. transmission line. Например, провод, который подключен к антенне. Линия передачи, проводящая ток с постоянной скоростью, и прямая линия с бесконечной протяженностью,radiates no power.

Чтобы линия передачи стала волноводом или излучала энергию, она должна обрабатываться как таковая.

• Если мощность должна излучаться, хотя ток проходит с постоянной скоростью, провод или линия передачи должны быть изогнуты, обрезаны или прекращены.

• Если в этой линии передачи есть ток, который ускоряется или замедляется с постоянной во времени, то она излучает энергию, даже если провод прямой.

• Устройство или трубка, если они изогнуты или оканчиваются для излучения энергии, называются waveguide. Они особенно используются для микроволновой передачи или приема.

Это можно хорошо понять, наблюдая за следующей диаграммой -

На приведенной выше схеме изображен волновод, который действует как антенна. Мощность от линии передачи проходит через волновод с отверстием для излучения энергии.

Основные типы антенн

Антенны можно разделить на различные типы в зависимости от:

• Физическая структура антенны.

• Частотные диапазоны работы.

• Режим приложений и т. Д.

Физическая структура

Ниже приведены типы антенн в зависимости от их физической конструкции. Вы узнаете об этих антеннах в следующих главах.

• Проволочные антенны
• Апертурные антенны
• Отражательные антенны
• Линзовые антенны
• Микрополосковые антенны
• Антенны решетки

Периодичность работы

Ниже приведены типы антенн в зависимости от частоты эксплуатации.

• Очень низкая частота (VLF)
• Низкая частота (НЧ)
• Средняя частота (MF)
• Высокая частота (HF)
• Очень высокая частота (VHF)
• Ультравысокая частота (УВЧ)
• Сверхвысокая частота (СВЧ)
• Микроволна
• Радиоволна

Режим приложений

Ниже приведены типы антенн в соответствии с режимами применения.

• Связь точка-точка
• Вещательные приложения
• Радиолокационная связь
• Спутниковая связь

В этой главе обсуждаются основные параметры связи, чтобы получить лучшее представление о беспроводной связи с использованием антенн. Беспроводная связь осуществляется в виде волн. Следовательно, нам нужно взглянуть на свойства волн в коммуникациях.

В этой главе мы собираемся обсудить следующие параметры -

• Frequency
• Wavelength
• Согласование импеданса
• КСВН и отраженная мощность
• Bandwidth
• Процент пропускной способности
• Интенсивность излучения

Теперь давайте изучим их подробнее.

Частота

Согласно стандартному определению, «частота повторения волны в течение определенного периода времени называется как frequency. »

Проще говоря, частота относится к тому, как часто происходит событие. Периодическая волна повторяется после каждого‘T’ секунды (период времени). Frequency периодической волны есть не что иное, как величина, обратная периоду времени (T).

Математическое выражение

Математически это записано так, как показано ниже.

$$f = \frac{1}{T}$$

где

• f - частота периодической волны.

• T - период времени, в течение которого волна повторяется.

Единицы

Единица измерения частоты: Hertz, сокращенно Hz.

Приведенный выше рисунок представляет собой синусоидальную волну, которая отображается здесь для напряжения в милливольтах в зависимости от времени в миллисекундах. Эта волна повторяется каждые 2t миллисекунды. Итак, период времени T = 2t миллисекунд и частота,$f = \frac{1}{2T}KHz$

Длина волны

Согласно стандартному определению, «расстояние между двумя последовательными точками максимума (вершинами) или между двумя последовательными точками минимума (впадинами) известно как wavelength. »

Проще говоря, расстояние между двумя ближайшими положительными пиками или двумя ближайшими отрицательными пиками - это не что иное, как длина этой волны. Его можно назватьWavelength.

На следующем рисунке показан периодический сигнал. Вwavelength (λ)и амплитуда обозначены на рисунке. Чем выше частота, тем меньше длина волны и наоборот.

Математическое выражение

Формула для длины волны:

$$\lambda = \frac{c}{f}$$

где

• λ это длина волны

• c это скорость света ($3 * 10^{8}$ метров в секунду)

• f частота

Единицы

Длина волны λвыражается в единицах длины, таких как метры, футы или дюймы. Обычно используется терминmeters.

Согласование импеданса

Согласно стандартному определению, «Приблизительное значение импеданса передатчика, когда оно равно приблизительному значению импеданса приемника, или наоборот, оно называется Impedance matching. »

Согласование импеданса необходимо между антенной и схемой. Импеданс антенны, линии передачи и схемы должен соответствовать так, чтобыmaximum power transfer занимает место между антенной и приемником или передатчиком.

Необходимость соответствия

Резонансное устройство - это устройство, которое дает лучший выход в определенной узкой полосе частот. Антенны такиеresonant devices чей импеданс при совпадении обеспечивает лучший выход.

• Мощность, излучаемая антенной, будет эффективно излучаться, если antenna impedance соответствует импедансу свободного пространства.

• Для receiver antennaвыходное сопротивление антенны должно совпадать с входным сопротивлением схемы усилителя приемника.

• Для transmitter antennaвходной импеданс антенны должен соответствовать выходному сопротивлению усилителя передатчика, а также импедансу линии передачи.

Единицы

Единица измерения импеданса (Z) - Ohms.

КСВН и отраженная мощность

Согласно стандартному определению, «Отношение максимального напряжения к минимальному напряжению в стоячей волне известно как Voltage Standing Wave Ratio. »

Если импеданс антенны, линии передачи и схемы не совпадают друг с другом, то мощность не будет эффективно излучаться. Вместо этого часть мощности отражается обратно.

Ключевые особенности:

• Термин, обозначающий рассогласование импеданса, выглядит следующим образом: VSWR.

• VSWRозначает коэффициент стоячей волны напряжения. Его также называютSWR.

• Чем выше рассогласование импеданса, тем выше будет значение VSWR.

• Идеальное значение КСВН должно быть 1: 1 для эффективного излучения.

• Отраженная мощность - это мощность, потраченная впустую из прямой мощности. И отраженная мощность, и КСВ показывают одно и то же.

Пропускная способность

Согласно стандартному определению, «Полоса частот на длине волны, заданная для конкретной связи, известна как bandwidth. »

Сигнал при передаче или приеме осуществляется в диапазоне частот. Этот конкретный диапазон частот назначается определенному сигналу, поэтому другие сигналы не могут мешать его передаче.

• Bandwidth это полоса частот между верхними и нижними частотами, по которым передается сигнал.

• Однажды выделенная полоса пропускания не может использоваться другими.

• Весь спектр разделен на полосы пропускания для распределения между различными передатчиками.

Пропускную способность, которую мы только что обсудили, также можно назвать Absolute Bandwidth.

Процент пропускной способности

Согласно стандартному определению, «отношение абсолютной ширины полосы пропускания к центральной частоте этой полосы пропускания можно определить как percentage bandwidth. »

Конкретная частота в полосе частот, на которой мощность сигнала максимальна, называется resonant frequency. Его также называютcenter frequency (fC) группы.

• Верхние и нижние частоты обозначаются как f_H and f_L соответственно.

• Абсолютная пропускная способность определяется как f_H - f_L.

• Чтобы узнать, насколько шире пропускная способность, либо fractional bandwidth или же percentage bandwidth должен быть рассчитан.

Математическое выражение

В Percentage bandwidth вычисляется, чтобы узнать, с какими колебаниями частоты может справиться компонент или система.

$$Percentage\ bandwidth = \frac{absolute\ bandwidth}{center frequency} = \frac{f_{H} - f_{L}}{f_{c}}$$

где

• ${f_{H}}$ выше частота

• ${f_{L}}$ это более низкая частота

• ${f_{c}}$ центральная частота

Чем выше процентная пропускная способность, тем шире будет пропускная способность канала.

Интенсивность излучения

«Radiation intensity определяется как мощность на единицу телесного угла »

Излучение, исходящее от антенны, которое более интенсивно в определенном направлении, указывает максимальную интенсивность этой антенны. Максимально возможное излучение - это не что иное, как интенсивность излучения.

Математическое выражение

Интенсивность излучения получается путем умножения излучаемой мощности на квадрат радиального расстояния.

$$U = r^{2} \times W_{rad}$$

где

• U интенсивность излучения

• r это радиальное расстояние

• W_rad это излучаемая мощность.

Вышеприведенное уравнение обозначает интенсивность излучения антенны. Функция радиального расстояния также обозначается какΦ.

Единицы

Единица интенсивности излучения - Watts/steradian или же Watts/radian².

Интенсивность излучения антенны тесно связана с направлением сфокусированного луча и эффективностью луча в этом направлении. В этой главе давайте посмотрим на термины, относящиеся к этим темам.

Направленность

Согласно стандартному определению, «отношение максимальной интенсивности излучения исследуемой антенны к интенсивности излучения изотропной или эталонной антенны, излучающей ту же полную мощность, называется directivity. »

Антенна излучает энергию, но направление, в котором она излучается, имеет большое значение. Антенна, работоспособность которой наблюдается, называетсяsubject antenna.

это radiation intensityсфокусирован в определенном направлении во время передачи или приема. Следовательно, антенна имеетdirectivity в этом конкретном направлении.

• Отношение интенсивности излучения в заданном направлении от антенны к интенсивности излучения, усредненной по всем направлениям, называется направленностью.

• Если это конкретное направление не указано, то направление, в котором наблюдается максимальная интенсивность, может быть принято как направленность этой антенны.

• Направленность неизотропной антенны равна отношению интенсивности излучения в заданном направлении к интенсивности излучения изотропного источника.

Математическое выражение

Излучаемая мощность является функцией углового положения и радиального расстояния от цепи. Следовательно, это выражается рассмотрением обоих условийθ и Ø.

$$Directivity = \frac{Maximum\ radiation\ intensity\ of\ subject\ antenna}{Radiation \ intensity \ of \ an\ isotropic \ antenna}$$ $$D = \frac{\phi(\theta,\phi)_{max}(from \ subject\ antenna)}{\phi_{0}(from \ an \ isotropic \ antenna) }$$

где

• ${\phi(\theta,\phi)_{max}}$ - максимальная интенсивность излучения исследуемой антенны.

• ${\phi_{0}}$ - интенсивность излучения изотропной антенны (антенны с нулевыми потерями).

Эффективность диафрагмы

Согласно стандартному определению, «Aperture efficiency антенны - это отношение эффективной площади излучения (или эффективной площади) к физической площади апертуры ».

Антенна имеет отверстие, через которое излучается мощность. Это излучение должно быть эффективным с минимальными потерями. Также следует принимать во внимание физическую площадь апертуры, поскольку эффективность излучения зависит от площади апертуры, физически на антенне.

Математическое выражение

Математическое выражение для апертурной эффективности выглядит следующим образом:

$$\varepsilon_{A} = \frac{A_{eff}}{A_{p}}$$

где

• $\varepsilon_{A}$ это апертурная эффективность.

• ${A_{eff}}$ эффективная площадь.

• ${A_{p}}$ физическая зона.

Эффективность антенны

Согласно стандартному определению, «Antenna Efficiency это отношение излучаемой мощности антенны к входной мощности, принимаемой антенной ».

Проще говоря, антенна предназначена для излучения энергии на ее входе с минимальными потерями. Эффективность антенны объясняет, насколько антенна может эффективно передавать свой выходной сигнал с минимальными потерями в линии передачи.

Это иначе называется как Radiation Efficiency Factor антенны.

Математическое выражение

Математическое выражение для эффективности антенны приведено ниже -

$$\eta_{e} = \frac{P_{rad}}{P_{input}}$$

где

• $\eta_{e}$- эффективность антенны.

• ${P_{rad}}$ это излучаемая мощность.

• ${P_{input}}$ входная мощность антенны.

Усиление

Согласно стандартному определению, «Gain антенны - это отношение интенсивности излучения в заданном направлении к интенсивности излучения, которое было бы получено, если бы мощность, принимаемая антенной, изотропно излучалась ».

Проще говоря, усиление антенны учитывает направленность антенны наряду с ее эффективными характеристиками. Если мощность, принимаемая антенной, излучается изотропно (то есть во всех направлениях), то полученную интенсивность излучения можно принять за справочную.

• Срок antenna gain описывает, сколько мощности передается в направлении пикового излучения к изотропному источнику.

• Gain обычно измеряется в dB.

• В отличие от направленности, усиление антенны также учитывает возникающие потери и, следовательно, фокусируется на эффективности.

Математическое выражение

Уравнение усиления G показано ниже.

$$G = \eta_{e}D$$

где

• G усиление антенны.

• $\eta_{e}$- эффективность антенны.

• D это направленность антенны.

Единицы

Единица усиления decibels или просто dB.

После параметров антенны, обсуждавшихся в предыдущей главе, следует рассмотреть еще одну важную тему - области ближнего и дальнего поля антенны.

Интенсивность излучения, измеренная ближе к антенне, отличается от интенсивности излучения вдали от антенны. Хотя эта зона находится далеко от антенны, она считается эффективной, поскольку там все еще высока интенсивность излучения.

Ближнее поле

Поле, которое находится ближе к антенне, называется near-field. Он обладает индуктивным эффектом и, следовательно, также известен какinductive field, хотя и имеет некоторые радиационные составляющие.

Дальнее поле

Поле, находящееся далеко от антенны, называется far-field. Его также называютradiation field, так как радиационный эффект в этой области высок. Многие параметры антенны, а также направленность антенны и диаграмма направленности антенны рассматриваются только в этой области.

Шаблон поля

Распределение поля может быть определено количественно с точки зрения напряженности поля, называемого структурой поля. Это означает, что мощность, излучаемая антенной, при нанесении на график выражается через электрическое поле E (в / м). Следовательно, он известен какfield pattern. Если его количественно выразить в мощности (Вт), то он известен какpower pattern.

Графическое распределение излучаемого поля или мощности будет как функция

• пространственные углы (θ, Ø) для дальнего поля.

• пространственные углы (θ, Ø) и радиальное расстояние (r) для ближнего поля.

Распределение областей ближнего и дальнего поля можно хорошо понять с помощью диаграммы.

Шаблон поля можно классифицировать как -

• Реактивная ближняя зона и излучающая ближняя зона - оба называются ближним полем.

• Излучающая область дальней зоны - просто называется дальней зоной.

Поле, которое очень близко к антенне, равно reactive near field или же non-radiative fieldгде излучение не является преобладающим. Область рядом с ней можно обозначить какradiating near field или же Fresnel’s field Так как излучение преобладает, и угловое распределение поля зависит от физического расстояния от антенны.

Рядом с ним находится radiating far-fieldобласть. В этой области распределение поля не зависит от расстояния до антенны. В этой области наблюдается эффективная диаграмма направленности.

Излучение - это термин, используемый для обозначения излучения или приема волнового фронта на антенне с указанием его силы. На любой иллюстрации рисунок, изображающий излучение антенны, является ееradiation pattern. Можно просто понять функцию и направленность антенны, взглянув на ее диаграмму направленности.

Мощность, излучаемая антенной, влияет на ближнюю и дальнюю области поля.

• Графически излучение можно изобразить как функцию angular position и radial distance от антенны.

• Это математическая функция свойств излучения антенны, представленная как функция сферических координат E (θ, Ø) и H (θ, Ø).

Диаграмма излучения

Энергия, излучаемая антенной, представлена Radiation patternантенны. Диаграммы излучения - это схематические изображения распределения излучаемой энергии в пространстве в зависимости от направления.

Давайте посмотрим на картину излучения энергии.

На приведенном выше рисунке показана диаграмма направленности дипольной антенны. Излучаемая энергия представлена ​​узорами, нарисованными в определенном направлении. Стрелки обозначают направления излучения.

Диаграммы излучения могут быть диаграммами полей или диаграммами мощности.

• В field patternsпостроены как функция электрического и магнитного полей. Они нанесены на график в логарифмическом масштабе.

• В power patternsпостроены как функция квадрата величины электрического и магнитного полей. Они отображаются в логарифмической шкале или обычно в дБ.

Диаграмма излучения в 3D

Диаграмма направленности представляет собой трехмерную фигуру и представлена ​​в сферических координатах (r, θ, Φ), предполагая, что ее начало находится в центре сферической системы координат. Это похоже на следующий рисунок -

Данный рисунок представляет собой трехмерную диаграмму направленности для Omni directional pattern. Это ясно указывает на три координаты (x, y, z).

Диаграмма направленности в 2D

Двумерный узор можно получить из трехмерного узора, разделив его на горизонтальную и вертикальную плоскости. Эти результирующие шаблоны известны какHorizontal pattern и Vertical pattern соответственно.

На рисунках показана всенаправленная диаграмма направленности излучения в плоскостях H и V, как описано выше. H-плоскость представляет собой горизонтальный узор, а V-плоскость представляет собой вертикальный узор.

Формирование долей

При представлении диаграммы направленности мы часто сталкиваемся с разными формами, которые обозначают основные и второстепенные области излучения, по которым radiation efficiency антенны известно.

Чтобы лучше понять, рассмотрите следующий рисунок, который представляет диаграмму направленности дипольной антенны.

Здесь диаграмма направленности имеет главный лепесток, боковые лепестки и задний лепесток.

• Основную часть излучаемого поля, которая покрывает большую площадь, составляет main lobe или же major lobe. Это та часть, где существует максимальная излучаемая энергия. Направление этого лепестка указывает направленность антенны.

• Другие части схемы, где излучение распространяется по бокам, известны как side lobes или же minor lobes. Это те области, где энергия тратится зря.

• Есть еще один лепесток, который прямо противоположен направлению главного лепестка. Он известен какback lobe, который также является малой долей. Даже здесь тратится значительное количество энергии.

пример

Если антенны, используемые в радиолокационных системах, создают боковые лепестки, отслеживание цели становится очень трудным. Это потому, что эти боковые лепестки указывают на ложные цели. Беспорядочно отследить настоящие и выявить фальшивые. Следовательно,elimination из этих side lobes это необходимо для повышения производительности и экономии энергии.

Средство правовой защиты

Излучаемую энергию, которая тратится впустую в таких формах, необходимо использовать. Если эти второстепенные лепестки исключить и эта энергия будет отклонена в одном направлении (то есть в сторону большого лепестка), тогдаdirectivity антенны увеличивается, что приводит к лучшей работе антенны.

Типы диаграмм направленности

Распространенные типы диаграмм направленности:

• Всенаправленный узор (также называемый ненаправленным рисунком): узор обычно имеет форму пончика в трехмерном виде. Однако в двухмерном представлении он образует узор в виде восьмерки.

• Рисунок карандашного луча - луч имеет четко направленный рисунок в форме карандаша.

• Веерный рисунок - луч имеет веерный рисунок.

• Формованный луч. Луч, который является неоднородным и не имеет рисунка, известен как профилированный луч.

Ориентиром для всех этих видов излучения является изотропное излучение. Важно учитывать изотропное излучение, даже если это непрактично.

В предыдущей главе мы рассмотрели диаграмму направленности. Для лучшего анализа излучения антенны необходима точка отсчета. Излучение изотропной антенны заполняет это пространство.

Определение

Isotropic radiation - это излучение точечного источника, равномерно излучающее во всех направлениях с одинаковой интенсивностью независимо от направления измерения.

Улучшение диаграммы направленности антенны всегда оценивается с использованием изотропного излучения этой антенны. Если излучение одинаково во всех направлениях, то оно известно какisotropic radiation.

• Точечный источник - это пример изотропного излучателя. Однако это изотропное излучение практически невозможно, потому что каждая антенна излучает свою энергию с определенной направленностью.

• Изотропное излучение - не что иное, как Omni-directional radiation.

• Он имеет рисунок в форме пончика при просмотре в 3D и рисунок в виде восьмерки при просмотре в 2D.

На приведенных выше рисунках показана диаграмма направленности изотропной или всенаправленной диаграммы направленности. Рисунок 1 иллюстрирует рисунок в форме пончика в 3D, а Рисунок 2 - рисунок в форме восьмерки в 2D.

Усиление

Изотропный излучатель имеет единичное усиление, что означает коэффициент усиления 1 во всех направлениях. С точки зрения дБ, это можно назвать усилением 0 дБ (нулевые потери).

Эквивалентная изотропная излучаемая мощность

Согласно стандартному определению, «количество мощности, которое изотропическая антенна излучает для создания пиковой плотности мощности, наблюдаемой в направлении максимального усиления антенны, называется как Equivalent Isotropic Radiated Power. »

Если излучаемая энергия антенны сконцентрирована на одной стороне или в определенном направлении, где излучение эквивалентно изотропной излучаемой мощности этой антенны, такое излучение будет называться EIRP, то есть эквивалентной изотропной излучаемой мощностью.

Усиление

Хотя изотропное излучение является воображаемым, это лучшее, что может дать антенна. Коэффициент усиления такой антенны будет 3 дБи, где 3 дБ - это коэффициент 2, а «i» представляет коэффициент изотропности.

Если излучение сфокусировано под определенным углом, то EIRP увеличивается вместе с усилением антенны. Усиление антенны лучше всего достигается путем фокусировки антенны в определенном направлении.

Эффективная излучаемая мощность

Если излучаемая мощность рассчитывается с использованием полуволнового диполя в качестве эталона, а не изотропной антенны, то ее можно назвать ERP (Effective Radiated Power).

$$ERP(dBW) = EIRP(dBW) - 2.15dBi$$

Если EIRP известен, то ERP можно рассчитать по формуле, приведенной выше.

В этой главе рассматриваются параметры излучаемого луча антенны. Эти параметры помогают нам узнать характеристики балки.

Площадь луча

Согласно стандартному определению, «Площадь луча - это телесный угол, через который будет течь вся мощность, излучаемая антенной, если P (θ, Ø) сохранит свое максимальное значение на Ω _A и будет равно нулю в другом месте».

Излучаемый луч антенны выходит из-под угла антенны, известного как телесный угол, где интенсивность излучения мощности максимальна. Этотsolid beam angle называется beam area. Он представленΩ_A.

Интенсивность излучения P (θ, Ø) должна поддерживаться постоянной и максимальной по всему углу телесного пучка Ω _A , при этом ее значение в других местах равно нулю.

$$Power\ radiated = P(\theta,\Phi)\Omega_{A} \:watts$$

Угол луча - это набор углов между точками половинной мощности главного лепестка.

Математическое выражение

Математическое выражение для площади луча:

$$\Omega_{A} =\int_{0}^{2\pi}\int_{0}^{\pi}P_{\pi}(\theta,\Phi)d\Omega\ wattts$$ $$d\Omega = \sin\theta\ d\theta\ d\Phi\ watts$$

где

• $\Omega_{A}$ - угол телесного луча.
• $\theta$ является функцией углового положения.
• $\Phi$ является функцией радиального расстояния.

Единицы

Единица площади луча: watts.

Эффективность луча

Согласно стандартному определению, « beam efficiency устанавливает отношение площади луча главного луча к общей площади излучаемого луча ».

Энергия, излучаемая антенной, проецируется в соответствии с направленностью антенны. Направление, в котором антенна излучает большую мощность, имеет максимальную эффективность, в то время как часть энергии теряется в боковых лепестках. Максимальную энергию, излучаемую пучком, с минимальными потерями можно обозначить какbeam efficiency.

Математическое выражение

Математическое выражение для эффективности луча:

$$\eta_{B} = \frac{\Omega_{MB}}{\Omega_{A}}$$

Где,

• $\eta_{B}$ - эффективность пучка.
• $\Omega_{MB}$ - площадь луча главного луча.
• $\Omega_{A}$ - полный угол телесного луча (площадь луча).

Поляризация антенны

Антенна может быть поляризована в зависимости от наших требований. Он может быть линейно поляризованным или циркулярно поляризованным. Тип поляризации антенны определяет форму луча и поляризацию при приеме или передаче.

Линейная поляризация

Когда волна передается или принимается, это может происходить в разных направлениях. Вlinear polarizationантенны помогает поддерживать волну в определенном направлении, избегая всех других направлений. Хотя эта линейная поляризация используется, вектор электрического поля остается в той же плоскости. Следовательно, мы используем эту линейную поляризацию для улучшенияdirectivity антенны.

Круговая поляризация

Когда волна имеет круговую поляризацию, вектор электрического поля кажется вращающимся, и все его компоненты теряют ориентацию. Режим вращения также может быть разным. Однако, используяcircular polarization, эффект многолучевого распространения уменьшается, и поэтому он используется в спутниковой связи, например GPS.

Горизонтальная поляризация

Горизонтальная поляризация делает волну слабой, так как на нее влияют отражения от земной поверхности. Обычно они слабы на низких частотах ниже 1 ГГц.Horizontal polarization используется в передаче TV signals для достижения лучшего отношения сигнал / шум.

Вертикальная поляризация

Низкочастотные вертикально поляризованные волны полезны для передачи земных волн. На них не влияют отражения от поверхности, такие как горизонтально поляризованные. Следовательноvertical polarization используется для mobile communications.

У каждого типа поляризации есть свои преимущества и недостатки. Разработчик радиочастотной системы может выбрать тип поляризации в соответствии с требованиями системы.

В этой главе мы обсудим еще один важный фактор диаграммы направленности антенны, известный как beam width. В диаграмме направленности антенны главный лепесток - это главный луч антенны, по которому течет максимальная и постоянная энергия, излучаемая антенной.

Beam width- угол раскрытия, из которого излучается большая часть мощности. Двумя основными соображениями относительно этой ширины луча являются ширина луча половинной мощности.(HPBW) и ширина первой нулевой балки (FNBW).

Ширина луча половинной мощности

Согласно стандартному определению, «угловое разделение, при котором величина диаграммы направленности уменьшается на 50% (или -3 дБ) от пика главного луча, является Half Power Beam Width. »

Другими словами, ширина луча - это область, в которой излучается большая часть мощности, то есть пиковая мощность. Half power beam width - угол, при котором относительная мощность превышает 50% пиковой мощности в эффективном излучаемом поле антенны.

Индикация HPBW

Когда между исходной точкой диаграммы направленности и точками половинной мощности на главном лепестке с обеих сторон проводится линия, угол между этими двумя векторами обозначается как HPBW, ширина луча половинной мощности. Это можно хорошо понять с помощью следующей диаграммы.

На рисунке показаны точки половинной мощности на большом лепестке и HPBW.

Математическое выражение

Математическое выражение для ширины луча половинной мощности:

$$Half\: power\: Beam \:with=70\lambda_{/D} $$

где

• $\lambda$ - длина волны (λ = 0,3 / частота).

• D это диаметр.

Единицы

Единица HPBW - radians или же degrees.

Ширина первой нулевой балки

Согласно стандартному определению, «угловой промежуток между первыми нулями диаграммы, примыкающими к главному лепестку, называется First Null Beam Width. »

Проще говоря, FNBW - это угловое разделение на расстоянии от главного луча, которое проведено между нулевыми точками диаграммы направленности на его главном лепестке.

Индикация FNBW

Нарисуйте касательные с обеих сторон, начиная с начала диаграммы направленности, по касательной к основному лучу. Угол между этими двумя касательными известен как ширина первой нулевой балки.(FNBW).

Это можно лучше понять с помощью следующей диаграммы.

На приведенном выше изображении показаны ширина луча половинной мощности и ширина первого нулевого луча, отмеченные на диаграмме направленности вместе с малыми и большими лепестками.

Математическое выражение

Математическое выражение ширины первого нулевого луча:

$$FNBW = 2 HPBW$$ $$FNBW\:2\left ( 70\lambda/D \right )\:=140\lambda/D$$

где

• $\lambda$ - длина волны (λ = 0,3 / частота).
• D - диаметр.

Единицы

Единица FNBW - radians или же degrees.

Эффективная длина и эффективная площадь

Среди параметров антенны также важны эффективная длина и эффективная площадь. Эти параметры помогают нам узнать о характеристиках антенны.

Эффективная длина

Антенна Эффективная длина используется для определения поляризационной эффективности антенны.

Definition- «The Effective length представляет собой отношение величины напряжения на открытых выводах приемной антенны к величине напряженности поля фронта падающей волны в том же направлении поляризации антенны ».

Когда падающая волна достигает входных клемм антенны, эта волна имеет некоторую напряженность поля, величина которой зависит от поляризации антенны. Эта поляризация должна соответствовать величине напряжения на клеммах приемника.

Математическое выражение

Математическое выражение для эффективной длины -

$$l_{e} = \frac{V_{oc}}{E_{i}}$$

где

• $l_{e}$ эффективная длина.

• $V_{oc}$ напряжение холостого хода.

• $E_{i}$ - напряженность поля падающей волны.

Эффективная площадь

Definition - «Effective area это площадь приемной антенны, которая поглощает большую часть мощности от входящего волнового фронта, до общей площади антенны, которая подвергается воздействию волнового фронта ».

Вся область антенны во время приема противостоит падающим электромагнитным волнам, тогда как только некоторая часть антенны принимает сигнал, известный как effective area.

Используется только некоторая часть принятого волнового фронта, потому что некоторая часть волны рассеивается, а какая-то рассеивается в виде тепла. Следовательно, без учета потерь площадь, которая использует максимальную мощность, полученную для фактической площади, может быть обозначена какeffective area.

Эффективная площадь представлена $A_{eff}$.

Антенна может использоваться как передающая антенна, так и как приемная антенна. При этом может возникнуть вопрос, могут ли измениться свойства антенны при изменении ее режима работы. К счастью, нам не о чем беспокоиться. Неизменность свойств антенны называется свойствомreciprocity.

Недвижимость в рамках взаимности

Свойства передающей и приемной антенны, которые демонстрируют взаимность, следующие:

• Равенство диаграмм направленности.
• Равенство направленности.
• Равенство эффективных длин.
• Равенство импедансов антенн.

Посмотрим, как они реализованы.

Равенство диаграмм направленности

В radiation pattern передающей антенны 1, которая передает на приемную антенну 2, равна диаграмме направленности антенны 2, если она передает, а антенна 1 принимает сигнал.

Равенство направлений

Directivity одинакова как для передающей, так и для приемной антенн, если значение направленности одинаково для обоих случаев, то есть направленности одинаковы независимо от того, рассчитывается ли она из мощности передающей антенны или мощности приемной антенны.

Равенство эффективных длин

Значение максимальной эффективной апертуры одинаково как для передающей, так и для приемной антенн. Equality в lengths как передающей, так и приемной антенн поддерживается в соответствии со значением длины волны.

Равенство импедансов антенн

Выходной импеданс передающей антенны и входной импеданс приемной антенны равны при эффективной связи.

Эти свойства не изменятся, даже если одна и та же антенна используется как передатчик или как приемник. Следовательноproperty of reciprocity следует.

Антенны излучают электромагнитную энергию для передачи или приема информации. Следовательно, условияEnergy и Powerсвязаны с этими электромагнитными волнами, и мы должны их обсудить. Электромагнитная волна имеет как электрическое, так и магнитное поля.

Рассмотрим волну в любой момент, которую можно увидеть в обоих векторах. На следующем рисунке показано представление компонентов электрического и магнитного поля в электромагнитной волне.

Электрическая волна присутствует вертикально по отношению к распространению электромагнитной волны, тогда как магнитная волна расположена горизонтально. Оба поля расположены под прямым углом друг к другу.

Пойнтинг вектор

Вектор Пойнтинга описывает энергию электромагнитной волны в единицу времени на единицу площади в любой данный момент времени. John Henry Poynting впервые получил этот вектор в 1884 году и поэтому был назван в его честь.

Definition - «Вектор Пойнтинга дает скорость передачи энергии на единицу площади»

или же

«Энергия, которую волна несет в единицу времени на единицу площади, задается вектором Пойнтинга».

Вектор Пойнтинга представлен как Ŝ.

Единицы

Единица СИ вектора Пойнтинга - W/m².

Математическое выражение

Величина, которая используется для описания мощности, связанной с электромагнитными волнами, - это мгновенная Poynting vector, который определяется как

$$\hat{S} = \hat{E} \times \hat{H}$$

где

• $\hat{S}$ - мгновенный вектор Пойнтинга (W/m²).

• $\hat{E}$ мгновенная напряженность электрического поля (V/m).

• $\hat{H}$ - мгновенная напряженность магнитного поля (A/m).

Здесь важно отметить, что величина E больше H внутри электромагнитной волны. Однако оба они вносят одинаковое количество энергии. Ŝ - вектор, который имеет направление и величину. Направление Ŝ совпадает со скоростью волны. Его величина зависит от E и H.

Вывод вектора Пойнтинга

Чтобы иметь четкое представление о векторе Пойнтинга, давайте рассмотрим вывод этого вектора Пойнтинга в пошаговом процессе.

Представим себе, что электромагнитная волна проходит через область (A), перпендикулярную оси X, вдоль которой распространяется волна. Проходя через A за бесконечно малое время (dt), волна проходит расстояние (dx).

$$dx = C\ dt$$

где

$$C = velocity\ of\ light = 3\times 10^{8}m/s$$ $$volume, dv = Adx = AC\ dt$$ $$d\mu = \mu\ dv = (\epsilon_{0}E^{2})(AC\ dt)$$ $$= \epsilon_{0} AC \ E^{2}\ dt$$

Следовательно, энергия, переданная во времени (dt) на площадь (A), равна -

$$S = \frac{Energy}{Time\times Area} = \frac{dW}{dt\ A} = \frac{\epsilon_{0}ACE^{2}\ dt}{dt\ A} = \epsilon_{0}C\:E^{2}$$

поскольку

$$\frac{E}{H} = \sqrt{\frac{\mu_{0}}{\epsilon_{0}}} \ then\ S= \frac{CB^{2}}{\mu_{0}}$$

поскольку

$$C = \frac{E}{H} \ then \ S = \frac{EB}{\mu_{0}}$$ $$= \hat{S} = \frac{1}{\mu_{0}}(\hat{E}\hat{H})$$

Ŝ обозначает вектор Пойнтинга.

Вышеприведенное уравнение дает нам энергию в единицу времени на единицу площади в любой момент времени, которая называется Poynting vector.

Антенны необходимо классифицировать, чтобы более четко понимать их физическую структуру и функции. Есть много типов антенн в зависимости от приложений.

Тип антенны	Примеры	Приложения
Проволочные антенны	Дипольная антенна, монопольная антенна, спиральная антенна, рамочная антенна	Личные приложения, здания, корабли, автомобили, космические корабли
Апертурные антенны	Волновод (отверстие), Рупорная антенна	Установки заподлицо, самолеты, космические корабли
Рефлекторные антенны	Параболические отражатели, Угловые отражатели	СВЧ-связь, спутниковое слежение, радиоастрономия
Объективные антенны	Выпуклая плоскость, вогнутая плоскость, выпукло-выпуклая, вогнутая линза	Используется для очень высокочастотных приложений
Микрополосковые антенны	Металлическая накладка круглой, прямоугольной формы над заземляющим слоем	Самолеты, космические корабли, спутники, ракеты, автомобили, мобильные телефоны и т. Д.
Антенные решетки	Антенна Яги-Уда, Патч-матрица с микрополосками, Апертурная матрица, Щелевой волновод	Используется для приложений с очень высоким коэффициентом усиления, в основном, когда необходимо контролировать диаграмму направленности

Давайте подробно обсудим вышеупомянутые типы антенн в следующих главах.

Проволочные антенны - это основные типы антенн. Это хорошо известные и широко используемые антенны. Чтобы получить лучшее представление об этих проволочных антеннах, сначала давайте взглянем на линии передачи.

Линии передачи

Проволока или transmission lineимеет некоторую силу, которая проходит от одного конца до другого. Если оба конца линии передачи подключены к цепям, то информация будет передаваться или приниматься по этому проводу между этими двумя цепями.

Если один конец этого провода не подключен, то питание в нем пытается уйти. Это приводит к беспроводной связи. Если один конец провода согнут, энергия пытается уйти от линии передачи более эффективно, чем раньше. Этот целенаправленный побег известен какRadiation.

Чтобы излучение происходило эффективно, импеданс открытого конца линии передачи должен соответствовать импедансу свободного пространства. Рассмотрим линию передачи размером в четверть волны. Дальний его конец остается открытым и изогнутым для обеспечения высокого сопротивления. Это действует какhalf-wave dipole antenna. Уже сейчас он имеет низкий импеданс на одном конце линии передачи. Открытый конец с высоким импедансом соответствует импедансу свободного пространства, чтобы обеспечить лучшее излучение.

Диполь

Излучение энергии через такой изогнутый провод, конец такой линии передачи называется dipole или дипольная антенна.

Реактивное сопротивление входного импеданса является функцией радиуса и длины диполя. Чем меньше радиус, тем больше амплитуда реактивного сопротивления. Он пропорционален длине волны. Следовательно, следует также учитывать длину и радиус диполя. Обычно его импеданс составляет около 72 Ом.

Это лучше понять с помощью следующего рисунка.

На рисунке показана принципиальная схема нормального диполя, подключенного к линии передачи. Ток для диполя максимален в центре и минимален на его концах. Напряжение минимально в центре и максимально на концах.

Типы проволочных антенн включают полуволновой диполь, полуволновой сложенный диполь, полноволновый диполь, короткий диполь и бесконечно малый диполь. Все эти антенны будут обсуждаться в следующих главах.

Дипольная антенна вырезана и изогнута для эффективного излучения. Общая длина провода, используемого в качестве диполя, равна половине длины волны (т. Е. L = λ / 2). Такая антенна называетсяhalf-wave dipole antenna. Это наиболее широко используемая антенна из-за ее преимуществ. Он также известен какHertz antenna.

Диапазон частот

Диапазон частот, в котором работает полуволновой диполь, составляет от 3 кГц до 300 ГГц. В основном это используется в радиоприемниках.

Конструкция и работа полуволнового диполя

Это обычная дипольная антенна, частота работы которой равна half of its wavelength. Следовательно, она называется полуволновой дипольной антенной.

Край диполя имеет максимальное напряжение. Это напряжение переменного тока по своей природе. На положительном пике напряжения электроны стремятся двигаться в одном направлении, а на отрицательном пике электроны движутся в другом направлении. Это можно объяснить приведенными ниже цифрами.

Приведенные выше цифры показывают работу полуволнового диполя.

• На рис. 1 показан диполь, когда индуцированные заряды находятся в положительном полупериоде. Теперь электроны стремятся двигаться навстречу заряду.

• На рис. 2 показан диполь с индуцированными отрицательными зарядами. Электроны здесь стремятся удаляться от диполя.

• На рис. 3 показан диполь со следующим положительным полупериодом. Следовательно, электроны снова движутся навстречу заряду.

Кумулятивный эффект этого создает эффект переменного поля, который излучается по той же схеме, что и на нем. Следовательно, выходной сигнал будет эффективным излучением, следующим за циклами диаграммы выходного напряжения. Таким образом, полуволновой дипольradiates effectively.

На рисунке выше показано распределение тока в полуволновом диполе. Направленность полуволнового диполя составляет 2,15 дБи, что достаточно хорошо. Где «i» представляет изотропное излучение.

Диаграмма излучения

Диаграмма направленности этого полуволнового диполя Omni-directionalв H-плоскости. Это желательно для многих приложений, таких как мобильная связь, радиоприемники и т. Д.

На рисунке выше показана диаграмма направленности полуволнового диполя как в H-плоскости, так и в V-плоскости.

Радиус диполя не влияет на его входной импеданс в этом полуволновом диполе, потому что длина этого диполя является полуволновой, и это первая резонансная длина. Антенна эффективно работает на своемresonant frequency, что происходит на его резонансной длине.

Преимущества

Ниже приведены преимущества полуволновой дипольной антенны:

• Входное сопротивление не чувствительно.

• Хорошо сочетается с сопротивлением линии передачи.

• Имеет разумную длину.

• Длина антенны соответствует размеру и направленности.

Недостатки

Ниже приведены недостатки полуволновой дипольной антенны -

• Не очень эффективен из-за одного элемента.

• Это может работать лучше только с комбинацией.

Приложения

Ниже приведены применения полуволновой дипольной антенны -

• Используется в радиоприемниках.

• Используется в телевизионных приемниках.

• При использовании с другими используется для самых разных приложений.

Сложенный диполь представляет собой антенну с двумя проводниками, соединенными с обеих сторон и сложенными в виде замкнутой цилиндрической формы, на которую подается питание в центре. Длина диполя составляет половину длины волны. Следовательно, он называетсяhalf wave folded dipole antenna.

Диапазон частот

Диапазон частот, в котором работает полуволновой складчатый диполь, составляет от 3 кГц до 300 ГГц. Это в основном используется в телевизионных приемниках.

Конструкция и работа полуволнового сложенного диполя

Эта антенна обычно используется с антеннами решетчатого типа для увеличения сопротивления питания. Чаще всего используется антенна Яги-Уда. На следующем рисунке показана полуволновая складчатая дипольная антенна.

В этой антенне используется дополнительный проводящий элемент (проволока или стержень) по сравнению с предыдущей дипольной антенной. Это продолжается путем размещения нескольких проводящих элементов параллельно с изоляцией между ними в антенных решетках.

На следующем рисунке поясняется работа полуволновой складчатой ​​дипольной антенны, когда она имеет возбуждение.

Если диаметры основного проводника и сложенного диполя одинаковы, то полное сопротивление антенны будет увеличиваться в четыре раза (в два раза больше квадрата). Это увеличение импеданса питания является основной причиной популярного использования этой складчатой ​​дипольной антенны. Из-за двойного вывода полное сопротивление будет около 300 Ом.

Диаграмма излучения

Диаграмма направленности полуволновых диполей такая же, как у полуволновых дипольных антенн. На следующем рисунке показана диаграмма направленности полуволновой складчатой ​​дипольной антенны, котораяOmni-directional шаблон.

Полуволновые складчатые дипольные антенны используются там, где требуется оптимальная передача мощности и где необходимы большие импедансы.

Этот сложенный диполь является основным элементом в Yagi-Uda antenna. На следующем рисунке показанYagi-Uda antenna, которые мы изучим позже. Основным элементом, используемым здесь, является этот сложенный диполь, на который подается питание антенны. Эта антенна широко использовалась для приема телевидения в течение последних нескольких десятилетий.

Преимущества

Ниже приведены преимущества полуволновой складчатой ​​дипольной антенны:

• Прием симметричных сигналов.

• Принимает определенный сигнал из диапазона частот без потери качества.

• Сложенный диполь максимизирует силу сигнала.

Недостатки

Ниже приведены недостатки полуволновой складчатой ​​дипольной антенны:

• Смещение и регулировка антенны - хлопот.

• При увеличении размера антенны управление на открытом воздухе может быть затруднено.

Приложения

Ниже приведены применения полуволновой складчатой ​​дипольной антенны -

• В основном используется в качестве фидерного элемента в антенне Yagi, параболической антенне, антенне турникета, логопериодической антенне, фазированных и рефлекторных решетках и т. Д.

• Обычно используется в радиоприемниках.

• Чаще всего используется в антеннах ТВ-приемников.

Если длина диполя, т. Е. Весь провод, равна полной длине волны λ, то он называется full wave dipole. Если для передачи или для приема используется диполь с полной длиной волны, давайте посмотрим, каким будет излучение.

Конструкция и работа полноволнового диполя

Здесь показан двухполупериодный диполь с его распределением напряжения и тока. И положительный, и отрицательный пики волны вызывают соответственно положительное и отрицательное напряжение. Однако, поскольку наведенные напряжения компенсируют друг друга, вопрос об излучении не возникает.

На рисунке выше показано распределение напряжения двухполупериодного диполя, длина которого равна λ. Видно, что два полуволновых диполя соединяются в двухполупериодный диполь.

Схема напряжения, когда индуцирует положительные и отрицательные заряды одновременно, нейтрализует друг друга, как показано на рисунке. Индуцированные заряды не предпринимают дальнейших попыток излучения, поскольку они аннулируются. Выходное излучение будет нулевым для полноволнового диполя передачи.

Диаграмма излучения

Поскольку нет диаграммы направленности, направленности и усиления, полноволновой диполь редко используется в качестве антенны. Это означает, что, хотя антенна излучает, это всего лишь небольшое рассеивание тепла, что является пустой тратой энергии.

Недостатки

Ниже перечислены недостатки двухполупериодной дипольной антенны.

• Рассеивание тепла
• Потеря мощности
• Нет диаграммы направленности
• Без направленности и без усиления

Из-за этих недостатков двухполупериодный диполь используется редко.

А short dipoleпредставляет собой простую проволочную антенну. Один его конец разомкнут, а другой конец питается от источника переменного тока. Этот диполь получил свое название из-за своей длины.

Диапазон частот

Диапазон частот, в которых работает короткий диполь, составляет от 3 кГц до 30 МГц. Это в основном используется в низкочастотных приемниках.

Конструкция и работа короткого диполя

В Short dipoleдипольная антенна, длина провода которой короче длины волны. Источник напряжения подключается к одному концу, а форма диполя создается, т. Е. Линии заканчиваются на другом конце.

Показана принципиальная схема короткого диполя длиной L. Реальный размер антенны значения не имеет. Длина провода, ведущего к антенне, должна быть меньше одной десятой длины волны. То есть

$$L < \frac{\lambda}{10}$$

где

• L - длина провода короткого диполя.

• λ это длина волны.

Другой тип короткого диполя - бесконечно малый диполь, длина которого намного меньше его длины волны. Его конструкция аналогична ему, но используется пластина конденсатора.

Бесконечно малый диполь

Диполь, длина которого намного меньше длины волны, infitesimal dipole. Эта антенна на самом деле непрактична. Здесь длина диполя меньше даже пятой части длины волны.

Длина диполя Δl << λ. Где λ - длина волны.

$$\Delta l = \frac{\lambda}{50}$$

Следовательно, это бесконечно малый диполь, как следует из названия.

Поскольку длина этих диполей очень мала, ток в проводе будет dI. Эти провода обычно используются с пластинами конденсатора с обеих сторон, где требуется низкая взаимная связь. Благодаря пластинам конденсатора мы можем сказать, что присутствует равномерное распределение тока. Следовательно, ток здесь не равен нулю.

Пластины конденсатора могут быть просто проводниками или эквивалентами проводов. Поля, излучаемые радиальными токами, имеют тенденцию гасить друг друга в дальнем поле, так что дальние поля антенны конденсаторной пластины можно аппроксимировать бесконечно малым диполем.

Диаграмма излучения

Диаграмма направленности короткого диполя и бесконечно малого диполя аналогична полуволновому диполю. Если диполь вертикальный, узор будет круглым. Диаграмма направленности имеет форму «figure of eight”Узор, если смотреть в двухмерном узоре.

На следующем рисунке показана диаграмма направленности короткой дипольной антенны, которая находится в omni-directional pattern.

Преимущества

Ниже приведены преимущества короткой дипольной антенны:

• Легкость конструкции, благодаря небольшому размеру

• Эффективность рассеивания мощности выше

Недостатки

Ниже приведены недостатки короткой дипольной антенны:

• Высокие резистивные потери
• Рассеивание высокой мощности
• Низкое соотношение сигнал / шум
• Радиация низкая
• Не так эффективно

Приложения

Ниже приведены применения короткой дипольной антенны -

• Используется в узкополосных приложениях.
• Используется как антенна для схем тюнера.

В этой главе обсуждались популярные и наиболее широко используемые антенны с коротким проводом. Мы обсудим длиннопроводные антенны в следующих главах.

Мы рассмотрели различные типы антенн с коротким проводом. Теперь давайте посмотрим на антенны с длинным проводом. Вlong wire antennasформируются с помощью ряда диполей. Длина провода в антеннах этого типа составляетn раз λ/2

$$L = n \ \lambda/2$$

Где,

• L длина антенны,

• n это количество элементов,

• λ это длина волны

По мере увеличения «n» свойства направленности также увеличиваются.

Типы длиннопроводных антенн

Антенны с длинным проводом делятся на два типа, а именно - Resonant Antennas и Non-resonant Antennas.

Резонансные антенны

Резонансные антенны - это антенны, у которых острый пик излучаемой мощности перехватывается антенной на определенной частоте, образуя стоячую волну. Диаграмма направленности излучаемой волны не соответствует импедансу нагрузки в этом типе антенны.

Резонансные антенны имеют периодический характер. Их также называют двунаправленными антеннами бегущей волны, поскольку излучаемая волна движется в двух направлениях, что означает, что здесь возникают как падающие, так и отраженные волны. В этих антеннах длина антенны и частота пропорциональны друг другу.

Нерезонансные антенны

Нерезонансные антенны - это антенны, для которых не возникает резонансная частота. Волна движется в прямом направлении и, следовательно, не образует стоячую волну. Диаграмма направленности излучаемой волны соответствует импедансу нагрузки в нерезонансных антеннах.

Эти нерезонансные антенны непериодичны по своей природе. Их также называют однонаправленными антеннами бегущей волны, поскольку излучаемая волна движется только в прямом направлении, что означает, что присутствует только падающая волна. По мере увеличения частоты длина антенны уменьшается, и наоборот. Следовательно, частота и длина обратно пропорциональны друг другу.

Эти длиннопроводные антенны являются основными элементами для построения V-образных антенн или ромбических антенн.

Лучшая версия длиннопроводных антенн - это V-Antenna. Эта антенна сформирована путем расположения длинного провода в виде буквы V. Концевые провода называются ножками. Эта антенна представляет собой двунаправленную резонансную антенну.

Диапазон частот

Частотный диапазон работы V-антенны около 3 to 30 MHz. Эта антенна работает в высокочастотном диапазоне.

Конструкция и работа V-образных антенн

Два длинных провода соединены в форме буквы V, чтобы получился V-antenna. Два длинных провода возбуждаются сдвигом по фазе на 180 °. По мере увеличения длины этих проводов увеличивается также усиление и направленность.

На следующем рисунке показана V-образная антенна с импедансом z линии передачи и длиной провода λ / 2, составляющая угол Φ _m с осью, который называетсяapex angle.

В gainдостигнутая V-образной антенной выше, чем у обычной однопроводной антенны. Прирост в этой V-образной формацииnearly twiceпо сравнению с одиночной длинной проволочной антенной, длина которой равна ножкам V-образной антенны. Если должен быть достигнут широкий диапазон излучения, угол при вершине должен иметь среднее значение между более высокими и более низкими частотами с точки зрения количества λ / 2 в каждой ветви.

Диаграмма излучения

Диаграмма направленности V-образной антенны bi-directional. Излучение, полученное на каждой линии передачи, суммируется для получения результирующей диаграммы направленности. Это хорошо объясняется на следующем рисунке -

На рисунке показана диаграмма направленности V-образной антенны. Две линии передачи, образующие V-образный рисунок, - это AA 'и BB'. Шаблоны отдельных линий передачи и результирующий рисунок показаны на рисунке. Результирующий узор показан по оси. Этот узор напоминаетbroad-side array.

Если к этой антенне добавить еще одну V-образную антенну и питать ее с разностью фаз 90˚, то результирующая диаграмма будет end-fire, удваивая прирост мощности. Направленность дополнительно увеличивается за счет добавления массива V-антенн.

Преимущества

Ниже приведены преимущества V-образной антенны:

• Конструкция проста
• Высокое усиление
• Низкая стоимость изготовления

Недостатки

Ниже перечислены недостатки V-антенны:

• Стоячие волны образуются
• Небольшие доли также сильны
• Используется только для операций с фиксированной частотой

Приложения

Ниже приведены применения V-антенны -

• Используется в коммерческих целях
• Используется в радиосвязи

В предыдущей главе мы изучили V-образную антенну. Его рабочая частота ограничена. Это можно изменить, используя другую антенну, которая является нерезонансной антенной или антенной бегущей волны. Как обсуждалось ранее, антенна бегущей волны не создает стоячей волны.

Диапазон частот

Частотный диапазон работы перевернутой V-образной антенны (или V-образной антенны) составляет около 3 to 30 MHz. Эта антенна работает в высокочастотном диапазоне.

Конструкция и работа перевернутой V-образной антенны

Антенна бегущей волны, используемая в высокочастотном диапазоне, представляет собой inverted V-antenna. Эта перевернутая V-образная антенна легко устанавливается на непроводящей мачте.

Взгляните на следующее изображение. На нем показана перевернутая V-образная антенна, установленная на крыше.

Максимальное излучение для перевернутой V-образной антенны находится в ее центре. Он похож на полуволновую дипольную антенну. Антенна расположена в форме перевернутой буквы V, причем две ее линии передачи или ножки изогнуты к земле, образуя между ними угол 120 ° или 90 °. Центр антенны не должен быть выше λ / 4.

Угол, образованный одной из ножек с осью антенны, известен как tilt angle и обозначается θ.

Диаграмма излучения

Диаграмма направленности перевернутой V-антенны uni-directional pattern, так как здесь не образуются стоячие волны. Это можно четко понять по диаграмме направленности, показанной ниже.

На рисунке показана диаграмма направленности перевернутой V-образной антенны. Поле первичного излучения показано вместе с полями при углах наклона 120 ° и 90 ° на приведенном выше рисунке. Усиление и направленность улучшаются за счет наличия массива антенн.

Преимущества

Ниже приведены преимущества перевернутой V-образной антенны:

• Занимает менее горизонтальное место

• Стоячие волны не образуются

• Высокое усиление

Недостатки

Ниже приведены недостатки перевернутой V-образной антенны:

• Имеет значительные нежелательные малые доли

• Небольшие доли создают горизонтально поляризованные волны

Приложения

Ниже приведены применения перевернутой V-образной антенны -

• Используется в настраиваемых схемах

• Используется в радиосвязи

• Используется в коммерческих приложениях

После V-образной и перевернутой V-образных антенн существует еще одна важная антенна с длинным проводом Rhombic antenna. Это комбинация двух V-образных антенн. Это обсуждается в следующей главе.

В Rhombic Antennaпредставляет собой антенну в форме равностороннего параллелограмма. Как правило, он имеет два противоположных острых угла. Угол наклона θ приблизительно равен 90 ° за вычетом угла большого лепестка. Ромбическая антенна работает по принципу излучателя бегущей волны. Он расположен в форме ромба или ромба и подвешен горизонтально над поверхностью земли.

Диапазон частот

Диапазон частот работы ромбической антенны составляет около 3MHz to 300MHz. Эта антенна работает вHF и VHF диапазоны.

Конструкция ромбической антенны

Ромбическую антенну можно рассматривать как две V-образные антенны, соединенные встык, образуя тупые углы. Благодаря своей простоте и легкости конструкции он имеет множество применений -

• При передаче и приеме HF

• Коммерческая двухточечная связь

Конструкция ромбической антенны имеет форму ромба, как показано на рисунке.

Две стороны ромба считаются проводниками двухпроводной линии передачи. Когда эта система правильно спроектирована, существует концентрация излучения вдоль главной оси излучения. На практике половина мощности рассеивается на оконечном сопротивлении антенны. Остальная мощность излучается. Потраченная впустую мощность вносит вклад в второстепенные доли.

На рисунке 1 показано построение rhombic antennaдля связи точка-точка в былые времена. На рисунке 2 показанrhombic UHF antenna для приема телевидения, используемых в наши дни.

Максимальное усиление ромбической антенны происходит в направлении главной оси, которая проходит через точку питания и заканчивается в свободном пространстве. Поляризация, полученная от горизонтальной ромбической антенны, находится в плоскости ромба, которая является горизонтальной.

Диаграмма излучения

Диаграмма направленности ромбической антенны показана на следующем рисунке. Результирующая диаграмма - это совокупный эффект излучения на всех четырех ножках антенны. Этот образецuni-directional, в то время как его можно сделать двунаправленным, сняв оконечное сопротивление.

Основным недостатком ромбической антенны является то, что части излучения, которые не объединяются с основным лепестком, приводят к появлению значительных боковых лепестков, имеющих как горизонтальную, так и вертикальную поляризацию.

Преимущества

Ниже приведены преимущества ромбической антенны:

• Входное сопротивление и диаграмма направленности относительно постоянны

• Можно подключить несколько ромбических антенн

• Простая и эффективная трансмиссия

Недостатки

Ниже приведены недостатки ромбической антенны -

• Потери мощности в согласующем резисторе

• Требование большого пространства

• Снижение эффективности передачи

Приложения

Ниже приведены применения ромбической антенны -

• Используется в ВЧ связи

• Используется при распространении небесных волн на большие расстояния

• Используется в двухточечной связи

Другой метод использования длинной проволоки - это изгибание проволоки в виде петли и наблюдение за ее радиационными параметрами. Антенны этого типа называютсяloop antennas.

Катушке с РЧ током дается один виток в петлю, может использоваться как антенна, называемая loop antenna. Токи через эту рамочную антенну будут синфазными. Магнитное поле будет перпендикулярно всей петле, по которой проходит ток.

Диапазон частот

Частотный диапазон работы рамочной антенны около 300MHz to 3GHz. Эта антенна работает вUHF спектр.

Конструкция и работа петлевых антенн

Рамочная антенна - это катушка, по которой проходит ток радиочастоты. Он может быть любой формы, например круглой, прямоугольной, треугольной, квадратной или шестиугольной, в зависимости от удобства дизайнера.

Рамочные антенны бывают двух типов.

• Большие рамочные антенны
• Малые рамочные антенны

Большие рамочные антенны

Большие рамочные антенны также называют resonant antennas. У них высокая эффективность излучения. Эти антенны имеют длину, почти равную предполагаемой длине волны.

$$L =\lambda$$

Где,

• L это длина антенны

• λ это длина волны

Основным параметром этой антенны является длина периметра, примерно равная длине волны, и она должна быть замкнутой. Не рекомендуется делать петлю извилистой для уменьшения размера, так как это увеличивает емкостные эффекты и приводит к низкой эффективности.

Малые рамочные антенны

Малые рамочные антенны также называют magnetic loop antennas. Это менее резонансные. В основном они используются как приемники.

Эти антенны имеют размер одной десятой длины волны.

$$L =\frac{\lambda}{10}$$

Где,

• L это длина антенны

• λ это длина волны

Особенности малых рамочных антенн:

• Маленькая рамочная антенна имеет низкую радиационную стойкость. При использовании конструкций с многооборотным ферритовым сердечником может быть достигнута высокая радиационная стойкость.

• Имеет низкую эффективность излучения из-за больших потерь.

• Его конструкция проста, имеет небольшие размеры и вес.

Из-за высокого реактивного сопротивления его сопротивление трудно сопоставить с передатчиком. Если рамочная антенна должна действовать как передающая антенна, то это несоответствие импеданса определенно будет проблемой. Следовательно, эти рамочные антенны лучше работают какreceiver antennas.

Часто используемые петли

Малые рамочные антенны в основном бывают двух типов -

• Круглые рамочные антенны
• Рамочные квадратные антенны

Эти два типа рамочных антенн наиболее широко используются. Другие типы (прямоугольные, треугольные, эллиптические и т. Д.) Также изготавливаются по заданию дизайнера.

На изображениях выше показаны circular and square loop antennas. Эти типы антенн в основном используются в качестве приемников AM из-за высокого отношения сигнал / шум. Они также легко настраиваются в цепи Q-tank в радиоприемниках.

Поляризация петли

Поляризация рамочной антенны будет вертикальной или горизонтальной поляризацией в зависимости от позиции подачи. Вертикальная поляризация задается в центре вертикальной стороны, а горизонтальная поляризация задается в центре горизонтальной стороны, в зависимости от формы рамочной антенны.

Маленькая рамочная антенна обычно linearly polarizedодин. Когда такая маленькая рамочная антенна устанавливается поверх портативного приемника, выход которого подключен к измерителю, она становится отличным пеленгатором.

Диаграмма излучения

Диаграмма направленности этих антенн будет такой же, как у коротких горизонтальных дипольных антенн.

В radiation patternдля небольших высокоэффективных рамочных антенн показано на рисунке выше. Диаграммы направленности для разных углов петли также четко показаны на рисунке. Касательная линия под углом 0 ° указывает на вертикальную поляризацию, а линия под углом 90 ° указывает на горизонтальную поляризацию.

Преимущества

Ниже приведены преимущества рамочной антенны:

• Компактный размер
• Высокая направленность

Недостатки

Ниже приведены недостатки рамочной антенны:

• Согласование импеданса не всегда может быть хорошим
• Имеет очень высокую добротность резонанса

Приложения

Ниже приведены применения рамочной антенны -

• Используется в устройствах RFID
• Используется в СЧ, КВ и коротковолновых приемниках
• Используется в авиационных приемниках для пеленгования
• Используется в передатчиках УВЧ

Helical antennaявляется примером проволочной антенны и сам по себе имеет форму спирали. Это широкополосная антенна VHF и UHF.

Диапазон частот

Частотный диапазон работы спиральной антенны составляет около 30MHz to 3GHz. Эта антенна работает вVHF и UHF диапазоны.

Конструкция и работа спиральной антенны

Helical antennaили спиральная антенна - это антенна, в которой проводящий провод намотан по спирали и соединен с пластиной заземления с помощью фидерной линии. Это простейшая антенна, обеспечивающаяcircularly polarized waves. Он используется во внеземной связи, в которой задействованы спутниковые реле и т. Д.

На изображении выше показана спиральная антенная система, которая используется для спутниковой связи. Эти антенны требуют более широкого открытого пространства.

Он состоит из спирали из толстой медной проволоки или трубки, намотанной в форме винтовой резьбы, используемой в качестве антенны, в сочетании с плоской металлической пластиной, называемой пластиной заземления. Один конец спирали подсоединяется к центральному проводнику кабеля, а внешний провод подключается к пластине заземления.

Изображение спиральной антенны с деталями антенны показано выше.

Излучение спиральной антенны зависит от диаметра спирали, шага поворота и угла наклона.

Pitch angle - угол между линией, касательной к спиральной проволоке, и плоскостью, нормальной к оси спирали.

$$\alpha = \tan^{-1}(\frac{S}{\pi D})$$

где,

• D это diameter спирали.

• S это turn spacing (от центра к центру).

• α это pitch angle.

Режимы работы

Преобладающие режимы работы спиральной антенны:

• Normal или перпендикулярный режим излучения.

• Axial либо торцевой, либо лучевой режим излучения.

Обсудим их подробнее.

Нормальный режим

В нормальном режиме излучения поле излучения перпендикулярно оси спирали. Излучаемые волны имеют круговую поляризацию. Такой режим излучения получается, если размеры спирали малы по сравнению с длиной волны. Диаграмма направленности этой спиральной антенны представляет собой комбинацию короткого диполя и рамочной антенны.

На рисунке выше показана диаграмма направленности для нормального режима излучения спиральной антенны.

Это зависит от значений диаметра спирали, D и его шаг поворота, S. Недостатками этого режима работы являются низкая эффективность излучения и узкая полоса пропускания. Следовательно, он практически не используется.

Осевой режим

В axial modeИзлучения излучение направлено в направлении торца вдоль спиральной оси, а волны имеют круговую или почти круговую поляризацию. Этот режим работы достигается увеличением окружности до порядка одной длины волны.(λ) и интервал примерно λ/4. Диаграмма направленности широкая и направлена ​​вдоль осевого луча, образуя небольшие лепестки под косыми углами.

На рисунке показана диаграмма направленности для осевого режима излучения спиральной антенны.

Если эта антенна предназначена для волн с правой круговой поляризацией, то она не будет принимать волны с левой круговой поляризацией и наоборот. Этот режим работы создается очень легко иmore practically used.

Преимущества

Ниже приведены преимущества спиральной антенны:

• Простой дизайн
• Наивысшая направленность
• Более широкая полоса пропускания
• Может достичь круговой поляризации
• Также может использоваться на HF и VHF диапазонах

Недостатки

Ниже приведены недостатки спиральной антенны:

• Антенна больше и требует больше места
• Эффективность уменьшается с количеством оборотов

Приложения

Ниже приведены применения спиральной антенны -

• Одиночная спиральная антенна или ее решетка используются для передачи и приема сигналов УКВ.

• Часто используется для связи со спутниками и космическими зондами.

• Используется для телеметрии балластных ракет и спутников на земных станциях.

• Используется для установления связи между Луной и Землей

• Приложения в радиоастрономии

Антенну с отверстием на конце можно назвать Aperture antenna. Волновод - это пример апертурной антенны. Край линии передачи, когда заканчивается отверстием, излучает энергию. Это отверстие, которое является отверстием, делает егоAperture антенна.

Основные типы апертурных антенн:

• Волноводная антенна
• Рупорная антенна
• Щелевая антенна

Давайте теперь посмотрим на эти типы апертурных антенн.

Волноводная антенна

А Waveguideспособен излучать энергию при возбуждении на одном конце и открытии на другом конце. Излучение в волноводе больше, чем в двухпроводной линии передачи.

Диапазон частот

Диапазон рабочих частот волновода составляет около 300MHz to 300GHz. Эта антенна работает вUHF и EHFчастотные диапазоны. На следующем изображении показан волновод.

Этот волновод с оконечным концом действует как антенна. Но излучается только небольшая часть энергии, а большая часть отражается обратно в разомкнутую цепь. Это означаетVSWR(коэффициент стоячей волны напряжения, обсуждаемый в главе об основных параметрах) значение увеличивается. Дифракция вокруг волновода обеспечивает плохое излучение и ненаправленную диаграмму направленности.

Диаграмма излучения

Излучение волноводной антенны слабое, а диаграмма направленности является ненаправленной, то есть всенаправленной. Anomni-directional шаблон - это тот, который не имеет определенной направленности, но излучается во всех направлениях, поэтому он называется non-directive radiation pattern.

На приведенном выше рисунке показан вид сверху в разрезе всенаправленного рисунка, который также называется non-directional pattern. Как мы уже знаем, двумерный вид представляет собой узор в виде восьмерки.

Преимущества

Ниже приведены преимущества апертурной антенны:

• Излучение больше, чем в двухпроводной линии передачи
• Излучение всенаправленное

Недостатки

Ниже приведены недостатки апертурной антенны:

• КСВ увеличивается
• Плохая радиация

Приложения

Ниже приведены применения апертурной антенны -

• Микроволновые приложения
• Приложения для наземных поисковых радаров

Волноводная антенна должна быть дополнительно модифицирована для достижения лучших характеристик, что приводит к образованию Horn antenna.

Для повышения эффективности излучения и направленности луча в волноводе должна быть расширенная апертура, чтобы резкий скачок волны превращался в постепенное преобразование. Так что вся энергия в прямом направлении излучается. Это можно назватьFlaring. Теперь это можно сделать с помощью рупорной антенны.

Диапазон частот

Рабочий диапазон частот от рупорной антенны составляет около 300MHz to 30GHz. Эта антенна работает вUHF и SHF частотные диапазоны.

Строительство и Рабочие рупорная антенна

Энергия луча при медленном преобразовании в излучение снижает потери и улучшает фокусировку луча. АHorn antenna можно рассматривать как flared out wave guide, за счет чего улучшается направленность и уменьшается дифракция.

Выше изображение показывает модель рупорной антенны. Ясно показано расширение рожка. Существует несколько конфигураций рупора, из которых наиболее часто используются три конфигурации.

Секторный рог

Этот тип рупорной антенны, вспыхивает в одном направлении. Вспышка в направлении вектора Electric даетsectorial E-plane horn. Аналогично, вспышка в направлении Магнитного вектора производитsectorial H-plane horn.

Пирамидальный рог

Рупорная антенна этого типа имеет двусторонние раструбы. Если развальцовка выполняется на обеих стенках E и H прямоугольного волновода, тоpyramidal horn antennaпроизводится. Эта антенна имеет форму усеченной пирамиды.

Конический рог

Когда стенки круглого волновода расширяются, он известен как conical horn. Это логическое завершение кругового волновода.

На рисунках выше показаны типы конфигураций рупоров, которые обсуждались ранее.

Расширение помогает согласовать импеданс антенны с импедансом в свободном пространстве для лучшего излучения. Это позволяет избежать коэффициента стоячей волны и обеспечивает большую направленность и меньшую ширину луча. Расширяющийся волновод можно технически назватьElectromagnetic Horn Radiator.

Угол факела, Φрупорной антенны следует рассматривать как важный фактор. Если это слишком мало, то результирующая волна будет сферической, а не плоской, и излучаемый луч не будет направленным. Следовательно, угол вспышки должен иметь оптимальное значение и тесно связан с его длиной.

Комбинации

Рупорные антенны также могут быть объединены с параболическими рефлекторными антеннами для формирования рупорных антенн особого типа. Это -

• Рупорная антенна

• Отражатель из рогожка или тройной складки

В Cass-horn antenna, радиоволны улавливаются большой нижней поверхностью, которая изогнута параболически и отражается вверх под углом 45 °. После попадания на верхнюю поверхность они отражаются к фокусной точке. Усиление и ширина луча у них такие же, как у параболических отражателей.

В hog-hornВ антенне к пирамидальному рупору присоединен параболический цилиндр, где луч достигает вершины рупора. Он образует малошумящую микроволновую антенну. Основным преимуществом антенны типа «боровик» является то, что ее точка приема не перемещается, хотя антенна вращается вокруг своей оси.

Диаграмма излучения

Диаграмма направленности рупорной антенны представляет собой переднюю сферическую волну. На следующем рисунке показанradiation patternиз рупорной антенны. Волна излучается из апертуры, сводя к минимуму дифракцию волн. Вспышка сохраняет фокусировку луча. Излучаемый луч имеет высокую направленность.

Преимущества

Следующие преимущества Хорн антенны -

• Формируются мелкие второстепенные доли
• Согласование импеданса хорошее
• Большая направленность
• Более узкая ширина луча
• Стоячие волны избегаются

Недостатки

Ниже приведены недостатки Хорн антенны -

• Расчет угла засветки, определяет направленность
• Угол засветки и длина засветки не должны быть очень маленькими.

Приложения

Ниже приведены приложения Хорн антенны -

• Используется для астрономических исследований
• Используется в микроволновых приложениях

Slot Antennaявляется примером апертурной антенны. На токопроводящем листе сделана прямоугольная прорезь. Эти щелевые антенны можно сформировать, просто сделав надрез на поверхности, на которой они установлены.

Диапазон частот

Частотный диапазон, используемый для применения щелевой антенны, составляет 300 MHz to 30 GHz. Он работает вUHF и SHF частотные диапазоны.

Конструкция и работа щелевых антенн

Использование щелевых антенн хорошо понятно по принципу их работы. Давайте посмотрим на структуру щелевой антенны.

Когда бесконечный проводящий лист делается прямоугольным вырезом и поля возбуждаются в отверстии (которое называется щелью), это называется Slot antenna. Это можно понять, наблюдая за изображением щелевой антенны. На следующем изображении показана модель щелевой антенны.

Работу щелевой антенны можно легко понять с помощью принципа оптики Бабине. Эта концепция дает представление о щелевых антеннах.

Принцип Бабине

Принцип Бабине гласит: «Когда поле за экраном с отверстием добавляется к полю дополнительной структуры, сумма равна полю, когда экрана нет».

Приведенные выше изображения ясно объясняют принцип. Во всех областях, которые не коллинеарны лучу, два вышеупомянутых экрана на рисунках 1 и 2 создают одинаковую дифракционную картину.

Case 1- Рассмотрим источник света и проводящую плоскость (поле) с отверстием перед экраном. Свет не проходит через непрозрачную область, а проходит через апертуру.

Case 2- Рассмотрим источник света и проводящую плоскость размером с апертуру в предыдущем случае, прижатую к экрану. Свет проходит не через плоскость, а через оставшуюся часть.

Case 3- Совместите эти две проводящие плоскости обоих корпусов и поместите перед источником света. Экран не помещается для наблюдения за результирующей комбинацией. Эффект экрана аннулируется.

Работа щелевой антенны

Этот принцип оптики применяется к электромагнитным волнам для излучения. Верно, что когда ВЧ поле существует через узкую щель в проводящей плоскости, энергия излучается.

На изображении показана щелевая антенна, которая хорошо объясняет ее работу.

Представьте себе, что взят бесконечный плоский проводящий экран, в котором сделаны отверстия желаемой формы и размера, и это будет экран щелевой антенны. Другой экран считается заменяющим местами апертуру и область экрана, которая является дополнительным экраном.

Эти два экрана называются complementaryкак результат - полный бесконечный металлический экран. Теперь это становится щелевой антенной. Конечное сопротивление вполне желательно для излучения.

Диаграмма излучения

Диаграмма направленности щелевой антенны Omni-directional, как полуволновая дипольная антенна. Взгляните на следующую иллюстрацию. На нем показана диаграмма направленности щелевой антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно.

Преимущества

Ниже приведены преимущества щелевой антенны:

• Его можно изготовить и спрятать внутри металлических предметов.
• Он может обеспечить скрытую связь с небольшим передатчиком

Недостатки

Ниже приведены недостатки щелевой антенны:

• Более высокие уровни кросс-поляризации
• Более низкая эффективность излучения

Приложения

Ниже приведены применения щелевой антенны -

• Обычно для радиолокационных навигационных целей
• Используется как массив с питанием от волновода

Микрополосковые антенны - это низкопрофильные антенны. Металлический патч, установленный на уровне земли с диэлектрическим материалом между ними, составляетMicro strip или же Patch Antenna. Это антенны очень маленького размера с низким уровнем излучения.

Диапазон частот

Патч-антенны популярны для низкопрофильных приложений на частотах выше 100MHz.

Конструкция и работа микрополосковых антенн

Micro strip antennaсостоит из очень тонкой металлической полосы, помещенной на заземленную поверхность с диэлектрическим материалом между ними. Излучающий элемент и подводящие линии помещаются на диэлектрический материал методом фототравления. Обычно пластырь или микрополоску выбирают квадратной, круглой или прямоугольной формы для облегчения анализа и изготовления. На следующем изображении показана микрополосковая или патч-антенна.

Длина металлической накладки λ / 2. Когда антенна возбуждена, волны, генерируемые диэлектрическим элементом, подвергаются отражению, и энергия излучается от краев металлического пятна, что очень мало.

Диаграмма излучения

Диаграмма направленности микрополосковой или патч-антенны broad. Он имеет низкую мощность излучения и узкую полосу частот.

В radiation patternмикрополосковой или патч-антенны показано выше. У него меньшая направленность. Чтобы иметь большую направленность, с помощью этих патч-антенн можно сформировать массив.

Преимущества

Ниже приведены преимущества микрополосковой антенны:

• Lighteweight
• Бюджетный
• Легкость установки

Недостатки

Ниже приведены недостатки микрополосковой антенны:

• Неэффективное излучение
• Узкая полоса частот

Приложения

Ниже приведены приложения микрополосковой антенны -

• Используется в космических кораблях
• Используется в приложениях для самолетов
• Используется в низкопрофильных антеннах

Антенны, которые мы обсуждали до сих пор, использовали плоскую поверхность. Линзовые антенны используют изогнутую поверхность как для передачи, так и для приема.Lens antennasсделаны из стекла, в котором соблюдаются собирающие и рассеивающие свойства линз. Линзовые антенны используются для высокочастотных приложений.

Диапазон частот

Частотный диапазон использования линзовой антенны начинается при 1000 MHz но его использование больше в 3000 MHz and above.

Чтобы лучше понять линзовую антенну, необходимо знать принцип работы линзы. Обычная стеклянная линза работает по принципу преломления.

Конструкция и работа линзовой антенны

Если предполагается, что источник света находится в фокусе линзы, которая находится на фокусном расстоянии от линзы, то лучи проходят через линзу как коллимированные или параллельные лучи на плоском волновом фронте.

Лучи, проходящие через центр линзы, меньше преломляются, чем лучи, проходящие через края линзы. Все лучи направляются параллельно фронту плоской волны. Это явление линзы называетсяdivergence.

Та же процедура меняется на противоположную, если луч света направлен справа налево от той же линзы. Затем луч преломляется и встречается в точке, называемой фокусной точкой, на фокусном расстоянии от линзы. Это явление называетсяconvergence.

То же самое можно лучше понять, наблюдая за следующей диаграммой -

Лучевая диаграмма представляет фокус и фокусное расстояние от источника до объектива. Полученные параллельные лучи также называются коллимированными лучами.

На приведенном выше рисунке источник в фокусе, на фокусном расстоянии от линзы, коллимируется во фронте плоской волны. Это явление можно обратить вспять, что означает, что свет, направленный с левой стороны, сходится с правой стороны линзы.

Именно из-за этой взаимности объектив можно использовать в качестве антенны, поскольку одно и то же явление помогает использовать одну и ту же антенну как для передачи, так и для приема.

Показано изображение модели линзовой антенны.

Для достижения фокусирующих свойств на более высоких частотах показатель преломления должен быть меньше единицы. Каким бы ни был показатель преломления, цель линзы - выпрямить форму волны. На основе этого разработаны линзы в плоскости E и H, которые также задерживают или ускоряют фронт волны.

Типы линзовых антенн

Доступны следующие типы линзовых антенн -

• Диэлектрическая линза, металлическая пластина в H-плоскости или линза с задержкой (бегущие волны задерживаются средой линзы)

• Линза с металлической пластиной E-plane

• Неметаллические линзы диэлектрического типа

• Металлический или искусственный диэлектрический тип линзы

Преимущества

Ниже приведены преимущества линзовой антенны:

• В линзовых антеннах, опоры подачи и подачи не закрывайте апертуру.

• Имеет больший расчетный допуск.

• Может обрабатываться большее количество волн, чем параболический отражатель.

• Луч можно перемещать под углом относительно оси.

Недостатки

Ниже приведены недостатки линзовой антенны:

• Линзы тяжелые и громоздкие, особенно на низких частотах

• Сложность в дизайне

• Дороже по сравнению с отражателями при тех же характеристиках

Приложения

Ниже приведены приложения линзовой антенны -

• Используется как широкополосная антенна

• Специально используется для микроволновых частот

Сводящие свойства линзовых антенн можно использовать для разработки антенн более высокого уровня, известных как антенны с параболическим отражателем, которые широко используются в спутниковой связи. О них мы поговорим в следующей главе.

Parabolic Reflectorsантенны СВЧ. Для лучшего понимания этих антенн необходимо обсудить концепцию параболического отражателя.

Диапазон частот

Частотный диапазон, используемый для применения антенн с параболическим отражателем, составляет above 1MHz. Эти антенны широко используются для радио и беспроводных приложений.

Принцип действия

Стандартное определение параболы - это геометрическое место точки, которое движется таким образом, что расстояние до фиксированной точки (называемое focus) плюс расстояние от прямой линии (называемой directrix) постоянна.

На следующем рисунке показана геометрия параболического отражателя. ТочкаF является фокусом (подача дана) и Vэто вершина. Линия, соединяющая F и V, является осью симметрии. PQ - отраженные лучи, гдеLпредставляет собой направляющую линии, на которой лежат отраженные точки (чтобы сказать, что они коллинеарны). Следовательно, согласно приведенному выше определению, расстояние между F и L остается постоянным по отношению к фокусируемым волнам.

Отраженная волна образует коллимированный волновой фронт параболической формы. Отношение фокусного расстояния к размеру диафрагмы (т. Е. F / D), известное как“f over D ratio”является важным параметром параболического отражателя. Его значение варьируется от0.25 to 0.50.

Закон отражения гласит, что угол падения и угол отражения равны. Этот закон, когда он используется вместе с параболой, помогает фокусировать луч. Форма

парабола, когда используется для отражения волн, проявляет некоторые свойства параболы, которые полезны для построения антенны, использующей отраженные волны.

Свойства параболы

• Все волны, исходящие от фокуса, отражаются обратно к параболической оси. Следовательно, все волны, достигающие апертуры, находятся в фазе.

• Поскольку волны синфазны, луч излучения вдоль параболической оси будет сильным и сосредоточенным.

Следуя этим пунктам, параболические отражатели помогают обеспечить высокую направленность при меньшей ширине луча.

Конструкция и работа параболического отражателя

Если антенна параболического отражателя используется для передачи сигнала, сигнала от корма, выходит из диполя или рупорной антенны, чтобы сфокусировать волну на параболу. Это означает, что волны выходят из фокуса и ударяются о параболоидальный отражатель. Эта волна теперь отражается какcollimated wave front, как обсуждалось ранее, для передачи.

Эта же антенна используется как приемник. Когда электромагнитная волна попадает в форму параболы, волна отражается на точку питания. Диполь или рупорная антенна, которая действует как приемная антенна в своем питании, принимает этот сигнал, чтобы преобразовать его в электрический сигнал и направить его в схему приемника.

На следующем изображении показана антенна с параболическим отражателем.

Коэффициент усиления параболоида зависит от светосилы. (D/λ). Эффективная излучаемая мощность(ERP) антенны - это произведение входной мощности, подаваемой на антенну, и ее усиления по мощности.

Обычно волноводная рупорная антенна используется в качестве излучателя для параболоидной рефлекторной антенны. Наряду с этой техникой у нас есть еще один тип питания, подаваемый на параболоидную отражательную антенну, который называется питанием Кассегрена.

Кассегрен Корм

Кассетное зерно - это еще один тип питания рефлекторной антенны. В этом типе корма расположена в вершине параболоида, в отличие от параболического отражателя. Отражатель выпуклой формы, который действует как гиперболоид, расположен напротив источника питания антенны. Он также известен какsecondary hyperboloid reflector или же sub-reflector. Он размещен таким образом, чтобы один из его фокусов совпадал с фокусом параболоида. Таким образом, волна отражается дважды.

На приведенном выше рисунке показана рабочая модель подачи кассегрена.

Работа антенны Кассегрена

Когда антенна действует как передающая антенна, энергия от источника излучается через рупорную антенну на гиперболоидный вогнутый отражатель, который снова отражается обратно на параболический отражатель. Оттуда сигнал отражается в пространство. Следовательно, контролируются потери мощности и улучшается направленность.

Когда та же антенна используется для приема, электромагнитные волны падают на отражатель, отражаются на вогнутый гиперболоид, а оттуда достигают источника. Волноводная рупорная антенна принимает этот сигнал и отправляет его в схему приемника для усиления.

Взгляните на следующее изображение. На нем показан параболоидный отражатель с подачей из кассегрена.

Преимущества

Ниже приведены преимущества параболической рефлекторной антенны:

• Уменьшение малых долей

• Снижены потери мощности

• Достигнуто эквивалентное фокусное расстояние

• Корм можно разместить в любом месте, в зависимости от нашего удобства.

• Регулировка луча (сужение или расширение) осуществляется регулировкой отражающих поверхностей.

Недостаток

Недостатком параболической рефлекторной антенны является следующее:

• Часть мощности, которая отражается от параболического отражателя, блокируется. Это становится проблемой с параболоидом малых размеров.

Приложения

Ниже приведены применения параболической рефлекторной антенны -

• Параболический рефлектор с кассегреновым питанием в основном используется в спутниковой связи.

• Также используется в системах беспроводной связи.

Давайте посмотрим на другой тип корма, называемый григорианским питанием для параболических отражателей.

Григорианский корм

Это еще один вид используемого корма. Есть пара определенных конфигураций, в которых ширина луча питания постепенно увеличивается, а размеры антенны остаются неизменными. Такой вид корма известен как григорианский корм. Здесь выпуклый гиперболоид кассегрена заменен параболоидным отражателем вогнутой формы, который, конечно, меньше по размеру.

Эти Gregorian feed Типовые отражатели можно использовать четырьмя способами -

• Григорианские системы, использующие рефлекторный эллипсоидальный субрефлектор в фокусах F1.

• Григорианские системы с использованием отражателя эллипсоидального субрефлектора в фокусах F2.

• Системы Кассегрена с гиперболоидным субрефлектором (выпуклым).

• Системы Кассегрена с использованием гиперболоидного вспомогательного рефлектора (вогнутый, но подача находится очень близко к нему).

Все это просто необходимо упомянуть, потому что они не популярны и не используются широко. У них есть свои ограничения.

На рисунке четко изображена схема работы всех типов отражателей. Существуют и другие типы параболоидных отражателей, такие как -

• Вырезать параболоид
• Параболический цилиндр
• Таблетка параболоид

Однако все они редко используются из-за ограничений и неудобств, которые они имеют в условиях их работы.

Следовательно, из всех типов рефлекторных антенн наиболее часто используются простые параболические рефлекторы и параболические рефлекторы с питанием кассегрена.

Антенна, когда по отдельности может излучать определенное количество энергии в определенном направлении, что приводит к лучшей передаче, как это было бы, если бы ее добавили несколько дополнительных элементов, для получения более эффективного выхода. Именно эта идея привела к изобретениюAntenna arrays.

Антенную решетку можно лучше понять, просмотрев следующие изображения. Посмотрите, как подключены антенные решетки.

An antenna arrayизлучающая система, состоящая из отдельных радиаторов и элементов. Каждый из этих излучателей при работе имеет свое индукционное поле. Элементы расположены так близко, что каждый лежит в индукционном поле соседнего. Следовательно, полученная ими диаграмма направленности будет векторной суммой отдельных диаграмм. На следующем изображении показан еще один пример антенной решетки.

Расстояние между элементами и длина элементов в зависимости от длины волны также следует учитывать при проектировании этих антенн.

Антенны излучают индивидуально, и, когда они собраны в решетку, излучение всех элементов суммируется, образуя луч излучения, который имеет высокое усиление, высокую направленность и лучшие характеристики с минимальными потерями.

Преимущества

Ниже приведены преимущества использования антенных решеток:

• Уровень сигнала увеличивается
• Получена высокая направленность
• Сильно уменьшены мелкие доли
• Достигается высокое соотношение сигнал / шум
• Получен высокий коэффициент усиления
• Снижены потери мощности
• Получена лучшая производительность

Недостатки

Ниже приведены недостатки антенных решеток:

• Увеличиваются резистивные потери
• Монтаж и обслуживание затруднены
• Требуется огромное внешнее пространство

Приложения

Ниже приведены применения решетчатых антенн -

• Используется в спутниковой связи
• Используется в беспроводной связи
• Используется в военной радиолокационной связи
• Используется в астрономических исследованиях

Типы массивов

Основные типы массивов:

• Коллинеарный массив
• Широкий боковой массив
• Конец огневой решетки
• Паразитный массив
• Массив Яги-Уда
• Логпероидный массив
• Турникетный массив
• Массив супер-турникетов

Мы обсудим эти массивы в следующих главах.

А Collinear arrayсостоит из двух или более полуволновых диполей, установленных встык. Эти антенны расположены на общей линии или оси, параллельны или коллинеарны.

Максимальное излучение в этих решетках - широкая сторона и перпендикулярна линии решетки. Эти массивы также называютсяbroad cast или же Omni-directional arrays.

Диапазон частот

Диапазон частот, в котором работают коллинеарные антенные решетки, составляет около 30 MHz to 3GHz которые принадлежат VHF и UHF группы.

Построение массива

Эти коллинеарные массивы uni-directional antennasимея высокий прирост. Основная цель этой решетки - увеличить излучаемую мощность и обеспечить высоконаправленный луч, избегая потерь мощности в других направлениях.

На изображениях выше показаны коллинеарные массивы. На рисунке 1 видно, что коллинеарный массив сформирован с помощью гнутых диполей, а на рисунке 2 коллинеарный массив образован нормальными диполями. Оба типа являются широко используемыми полуволновыми диполями.

Диаграмма излучения

Диаграмма направленности этих коллинеарных решеток аналогична диаграмме направленности одиночного диполя, но диаграмма направленности из увеличивающегося числа диполей имеет значение.

Диаграмма направленности коллинеарной решетки, выполненной с использованием двух, трех и четырех элементов соответственно, показана на приведенном выше рисунке.

В broad side array также имеет такую ​​же диаграмму направленности, в которой направление максимального излучения перпендикулярно линии антенны.

Преимущества

Ниже приведены преимущества коллинеарных антенных решеток:

• Использование массива уменьшает широкие концы и увеличивает направленность
• Незначительные доли сведены к минимуму
• Снижены потери мощности

Недостатки

Ниже приведены недостатки коллинеарных антенных решеток:

• Перемещение этих антенн - сложная задача
• Используется только на открытом воздухе

Приложения

Ниже приведены применения коллинеарных антенных решеток:

• Используется для диапазонов VHF и UHF
• Используется в двусторонней связи
• Используется также для радиовещания

Антенная решетка в ее простейшей форме, имеющая ряд элементов равного размера, равномерно расположенных вдоль прямой линии или оси, образующих коллинеарные точки, со всеми диполями в одной фазе, от одного источника вместе образуют broad side array.

Диапазон частот

Диапазон частот, в котором работают коллинеарные антенные решетки, составляет около 30 MHz to 3GHz которые принадлежат VHF и UHF группы.

Конструкция и работа массивов с широкой стороной

Согласно стандартному определению, «устройство, в котором главное направление излучения перпендикулярно оси решетки, а также плоскости, содержащей элемент решетки», называется broad side array. Следовательно, диаграмма направленности антенны перпендикулярна оси, на которой расположена решетка.

На следующей диаграмме показан широкий боковой массив, вид спереди и вид сбоку соответственно.

Широкая боковая решетка строго направлена ​​под прямым углом к ​​плоскости решетки. Однако излучение в плоскости будет очень меньше из-за подавления в направлении, соединяющем центр.

Рисунок широкой боковой решетки с шагом λ / 4 показан ниже.

Типичная длина антенны в широкой боковой решетке составляет от 2 до 10 длин волн. Типичные интервалы - λ / 2 или λ. Точки питания диполей соединяются, как показано на рисунке.

Диаграмма излучения

Диаграмма направленности этой антенны является двунаправленной и расположена под прямым углом к ​​плоскости. Луч очень узкий с большим усилением.

На приведенном выше рисунке показана диаграмма направленности широкой боковой решетки. Луч немного шире, и при этом значительно уменьшены второстепенные лепестки.

Физическое расположение end-fire arrayтакой же, как у широкого бокового массива. Величина токов в каждом элементе одинакова, но между этими токами есть разность фаз. Эта индукция энергии отличается для каждого элемента, что можно понять из следующей диаграммы.

На приведенном выше рисунке показан ряд торцевых огней на виде сверху и сбоку соответственно.

Из-за подавления излучения под прямым углом к ​​плоскости решетки нет. Первый и третий элементы питаются не в фазе и, следовательно, нейтрализуют излучение друг друга. Точно так же второй и четвертый питаются не в фазе, чтобы их отменить.

Обычное расстояние между диполями будет λ / 4 или 3λ / 4. Такое расположение не только помогает избежать излучения, перпендикулярного плоскости антенны, но также помогает отвести излучаемую энергию в направлении излучения всей решетки. Следовательно, устраняются второстепенные лепестки и повышается направленность. Луч сужается с увеличением элементов.

Диаграмма излучения

Диаграмма излучения решетки торцевого пламени uni-directional. Большой лепесток находится на одном конце, где присутствует максимальное излучение, а второстепенные лепестки представляют собой потери.

Рисунок объясняет диаграмму направленности решетки торцевого зажигания. На рисунке 1 показана диаграмма направленности для одной решетки, а на рисунках 2, 3 и 4 представлена ​​диаграмма направленности для нескольких решеток.

Концевой массив против широкого бокового массива

Мы изучили оба массива. Попробуем сравнить торцевые и широкие боковые решетки, а также их характеристики.

На рисунке показана диаграмма направленности решетки торцевого зажигания и широкой боковой решетки.

• Как торцевая решетка огня, так и широкая боковая решетка являются линейными и резонансными, поскольку состоят из резонансных элементов.

• Из-за резонанса обе матрицы имеют более узкий луч и высокую направленность.

• Оба этих массива используются в целях передачи.

• Ни один из них не используется для приема, потому что необходимость покрытия диапазона частот необходима для любого вида приема.

Антенные решетки, как показано выше, используются для улучшения усиления и направленности.

А parasitic elementэто элемент, который зависит от чужой ленты. У него нет собственного корма. Следовательно, в массивах этого типа мы используем такие элементы, которые косвенно способствуют увеличению излучения.

Эти паразитические элементы не связаны напрямую с кормом.

На изображении выше показан пример паразитного массива. Сетчатая структура, изображенная на картинке, представляет собой не что иное, как набор отражателей. Эти отражатели не имеют электрического соединения. Они увеличивают мощность сигнала за счет увеличения направленности луча.

Строительство и работа паразитного массива

Давайте посмотрим на важные части массива Parasitic и на то, как они работают.

Основные части -

• Управляемый элемент
• Паразитические элементы
  • Reflector
  • Director
• Boom

Управляемый элемент

Антенны излучают индивидуально, и, когда они собраны в решетку, излучение всех элементов суммируется, образуя луч излучения. Не обязательно подключать все элементы массива к фиду. Диполь, подключенный к питанию, известен какdriven element.

Паразитические элементы

Добавляемые элементы не имеют электрического соединения между собой с ведомым элементом или питанием. Они расположены так, что находятся в индукционном поле ведомого элемента. Следовательно, они известны какparasitic elements.

Reflector

Если один из паразитных элементов, который на 5% длиннее ведомого, расположен рядом с ведомым элементом и длиннее, он действует как вогнутое зеркало, которое отражает энергию в направлении диаграммы направленности, а не в собственном направлении. и поэтому известен как reflector.

Director

Паразитный элемент, который на 5% короче ведомого элемента, от которого он получает энергию, имеет тенденцию увеличивать излучение в своем собственном направлении и, следовательно, ведет себя как собирающаяся выпуклая линза. Этот элемент называетсяdirector. Для увеличения направленности назначается ряд директоров.

Бум

Элемент, на котором все это размещено, называется boom. Это неметаллическая конструкция, которая обеспечивает изоляцию, чтобы не было короткого замыкания между другими элементами массива.

Это все основные элементы, которые вносят излучение. Это можно лучше понять с помощью схемы.

На изображении, показанном выше, показан паразитный массив, на котором показаны части парситового массива, такие как ведомый элемент, директора и отражатель. Корм подается через кормушку.

Массивы используются на частотах от 2MHz к several GHz. Они особенно используются для получения высокой направленности и лучшего прямого усиления сuni-directional. Наиболее распространенным примером этого типа массива являетсяYagi-Uda antenna. В качестве другого примера можно привести четырехугольную антенну.

Yagi-Uda antennaявляется наиболее часто используемым типом антенны для телевизионного приема за последние несколько десятилетий. Это самый популярный и простой в использовании тип антенны с лучшими характеристиками, который известен своим высоким коэффициентом усиления и направленности.

Frequency range

Диапазон частот, в котором работают антенны Яги-Уда, составляет около 30 MHz to 3GHz которые принадлежат VHF и UHF группы.

Строительство антенны Яги-Уда

Антенна Яги-Уда была замечена на крыше почти каждого дома в течение последних десятилетий. Паразитные элементы и диполь вместе образуют эту антенну Яги-Уда.

На рисунке показан Yagi-Uda antenna. Видно, что для увеличения направленности антенны размещено много директоров. Кормушка представляет собой сложенный диполь. Отражатель - это длинный элемент, который находится в конце конструкции.

На рисунке изображена четкая форма антенны Яги-Уда. Центральная стержневая конструкция, на которой установлены элементы, называетсяboom. Элемент, с которым связана толстая черная голова, - этоdriven elementк которому линия передачи подключена внутри через эту черную шпильку. Единственный элемент, присутствующий в задней части ведомого элемента, - этоreflector, который отражает всю энергию в направлении диаграммы направленности. Остальные элементы перед ведомым элементом - этоdirectors, которые направляют луч под нужным углом.

Проектирование

При проектировании этой антенны необходимо соблюдать следующие технические характеристики.

Они -

ЭЛЕМЕНТ	СПЕЦИФИКАЦИЯ
Длина ведомого элемента	От 0,458λ до 0,5λ
Длина отражателя	От 0,55λ до 0,58λ
Длина директора 1	0,45λ
Длина режиссера 2	0,40λ
Длина директора 3	0,35λ
Расстояние между директорами	0,2λ
Расстояние между отражателем и диполем	0,35λ
Расстояние от диполя до директора	0,125λ

Если следовать приведенным выше характеристикам, можно разработать антенну Яги-Уда.

Диаграмма излучения

Диаграмма направленности антенны Яги-Уда highly directive как показано на рисунке ниже.

Меньшие лепестки подавляются, а направленность главного лепестка увеличивается за счет добавления к антенне директоров.

Преимущества

Ниже приведены преимущества антенн Яги-Уда -

• Достигнуто высокое усиление.
• Достигнута высокая направленность.
• Простота обращения и обслуживания.
• Тратится меньше энергии.
• Более широкий охват частот.

Недостатки

К недостаткам антенн Яги-Уда можно отнести следующие:

• Склонен к шуму.
• Склонен к атмосферным воздействиям.

Приложения

Ниже приведены применения антенн Яги-Уда -

• В основном используется для приема ТВ.
• Используется там, где требуется одночастотное приложение.

Антенна Яги-Уда в основном используется в быту. Однако для коммерческих целей и для настройки на диапазон частот нам нужна другая антенна, известная какLog-periodic antenna. Логопериодическая антенна - это антенна, импеданс которой является логарифмически периодической функцией частоты.

Диапазон частот

Диапазон частот, в котором работают логопериодические антенны, составляет около 30 MHz to 3GHz которые принадлежат VHF и UHF группы.

Конструкция и работа логопериодической антенны

По конструкции и работе логопериодическая антенна аналогична антенне Яги-Уда. Основное преимущество этой антенны состоит в том, что она демонстрирует постоянные характеристики в желаемом рабочем диапазоне частот. Он имеет такую ​​же радиационную стойкость и, следовательно, такой же КСВ. Коэффициент усиления и переднее-заднее соотношение также одинаковы.

На изображении показана логопериодическая антенна.

При изменении рабочей частоты активная область перемещается между элементами, и, следовательно, все элементы не будут активны только на одной частоте. Это егоspecial characteristic.

There are several type of log-periodic antennas such as the planar, trapezoidal, zig-zag, V-type, slot and the dipole. The mostly used one is log-periodic dipole array, in short, LPDA.

The diagram of log-periodic array is given above.

The physical structure and electrical characteristics, when observed, are repetitive in nature. The array consists of dipoles of different lengths and spacing, which are fed from a two-wire transmission line. This line is transposed between each adjacent pair of dipoles.

The dipole lengths and seperations are related by the formula −

$$\frac{R_{1}}{R_{2}} = \frac{R_{2}}{R_{3}} = \frac{R_{3}}{R_{4}} = T = \frac{l_{1}}{l_{2}} = \frac{l_{2}}{l_{3}} = \frac{l_{3}}{l_{4}}$$

Where

• т is the design ratio and т<1
• R is the distance between the feed and the dipole
• l is the length of the dipole.

The directive gains obtained are low to moderate. The radiational patterns may be Unidirectional or Bi-directional.

Radiation Pattern

The Radiation pattern of log-periodic antenna can be of uni-directional or bi-directional, depending upon the log periodic structures.

For uni-directional Log-periodic antenna, the radiation towards shorter element is of considerable amount, whereas in forward direction, it is small or zero.

The radiational pattern for uni-directional log-periodic antenna is given above.

For bi-directional Log-periodic antenna, the maximum radiation is in broad side, which is normal to the surface of the antenna.

The figure given above shows the radiational pattern for a bi-directional log-periodic antenna.

Advantages

The following are the advantages of Log-periodic antennas −

• The antenna design is compact.
• Gain and radiation pattern are varied according to the requirements.

Disadvantages

The following are the disadvantages of Log-periodic antennas −

• External mount.
• Installation cost is high.

Applications

The following are the applications of Log-periodic antennas −

• Used for HF communications.
• Used for particular sort of TV receptions.
• Used for all round monitoring in higher frequency bands.

The Turnstile antenna is another type of array antenna. The shape of this array symbolizes the turnstile, which is used at the entrances of few places. This antenna has a wide variety of military applications.

Frequency range

The frequency range in which the turnstile antennas operate is around 30 MHz to 3GHz which belong to the VHF and UHF bands.

Construction & Working of Turnstile Antenna

Two identical half-wave dipoles are placed at right angles to each other and are fed inphase. These dipoles are excited 90° out of phase with each other. Turnstile array can also be termed as crossed dipoles array.

The above images illustrate turnstile antennas.

To provide high directivity, several turnstiles may be stacked along a vertical axis, and are phased as shown in the figure given above. The polarization of these turnstile antennas depend upon their mode of operation.

The pair of such dipoles frequently stacked, is known as BAY. In the figures shown above, two bays are spaced half wavelength (λ/2) apart and the corresponding elements are fed in phase. The radiation produce by the combination of bays results in better directivity.

Modes of Operation

The following are the modes of operation of a Turnstile antenna.

Normal mode

In Normal mode of operation, the antenna radiates horizontally polarized waves which are perpendicular to its axis.

Axial mode

In Axial mode of operation, the antenna radiates circularly polarized waves along its axis i.e. parallel to its axis.

For circular polarization, the transmitter radiating with right-circular polarization should have a receiver with same right-circular polarization and vice versa. If it is left-circular polarized one, unlike the transmitter, there will be a severe loss of gain.

Super Turnstile Antenna

For a turnstile antenna, the radiation power is 3dB below the maximum radiation of a halfwave dipole radiating the same power. Therefore, to overcome this disadvantage, the Super-turnstile antenna is built.

The simple dipole elements in turnstile are replaced by four flat sheets in Super-turnstile. The design of Super-turnstile array is such that 1 to 8 bays can be constructed on a single mast. The other name for Super-turnstile antenna is the Batwing Antenna.

The above images show super-turnstile antenna. Figure 1 shows the arrangement of superturnstile array with the red dots being the feed points. Figure 2 shows the stacked turnstile array used in satellite communications.

Radiation Pattern

The radiation pattern will be similar to the radiation pattern of two super imposed dipoles. Though it is close to omni-directional pattern, it leaves a cloveleaf shaped pattern.

The above figure shows the radiational pattern of a turnstile array. The typical figure-ofeight patterns were combined to produce a nearly circular pattern.

• Figure A shows the individual patterns being combined.

• Figure B shows the vertical pattern of single bay and also the combined pattern of four bays.

• Figure C shows the resultant combined pattern of four bays showing better directivity.

Advantages

The following are the advantages of Turnstile antennas −

• High-gain is achieved by stacking

• Super-turnstile produces high-gain output

• Better directivity is achieved

Disadvantage

The following is the disadvantage of Turnstile antennas −

• The radiation power is 3dB below the maximum radiation of a half wave dipole radiating the same power.

Applications

The following are the applications of Turnstile antennas −

• Used for VHF communications

• Used for FM and TV broadcasting

• Used in military communications

• Used in satellite communications

In the Earth’s atmosphere, the propagation of wave depends not only on the properties of the wave, but also on environment effects and the layers of earth’s atmosphere. All of these have to be studied in order to form an idea of how a wave propagates in the environment.

Let us look at the frequency spectrum over which the signal transmission or reception takes place. Different types of antennas are manufactured depending upon the frequency range in which they are operated.

Electromagnetic Spectrum

Wireless communication is based on the principle of broadcast and reception of electromagnetic waves. These waves can be characterized by their frequency (f) and their wavelength (λ) lambda.

A pictorial representation of the electromagnetic spectrum is given in the following figure.

Low Frequency bands

Low Frequency bands comprise of the radio, microwave, infrared and visible portions of the spectrum. They can be used for information transmission by modulating the amplitude, frequency or phase of the waves.

High Frequency bands

High Frequency bands comprise of X-rays and Gamma rays. Theoretically, these waves are better for information propagation. However, these waves are not used practically because of difficulty in modulation and the waves are harmful to living beings. In addition, high frequency waves do not propagate well through buildings.

Frequency Bands and their Uses

The following table depicts the frequency bands and its uses −

Band Name	Frequency	Wavelength	Applications
Extremely Low Frequency (ELF)	30 Hz to 300 Hz	10,000 to 1,000 KM	Power line frequencies
Voice Frequency (VF)	300 Hz to 3 KHz	1,000 to 100 KM	Telephone Communications
Very Low Frequency (VLF)	3 KHz to 30 KHz	100 to 10 KM	Marine Communications
Low Frequency (LF)	30 KHz to 300 KHz	10 to 1 KM	Marine Communications
Medium Frequency (MF)	300 KHz to 3 MHz	1000 to 100 m	AM Broadcasting
High Frequency (HF)	3 MHz to 30 MHz	100 to 10 m	Long distance aircraft/ship Communications
Very High Frequency(VHF)	30 MHz to 300 MHz	10 to 1 m	FM Broadcasting
Ultra High Frequency (UHF)	300 MHz to 3 GHz	100 to 10 cm	Cellular Telephone
Super High Frequency (SHF)	3 GHz to 30 GHz	10 to 1 cm	Satellite Communications, Microwave links
Extremely High Frequency (EHF)	30 GHz to 300 GHz	10 to 1 mm	Wireless local loop
Infrared	300 GHz to 400 THz	1 mm to 770 nm	Consumer Electronics
Visible Light	400 THz to 900 THz	770 nm to 330 nm	Optical Communications

Spectrum Allocation

Since the electromagnetic spectrum is a common resource, which is open for access by anyone, several national and international agreements have been drawn regarding the usage of the different frequency bands within the spectrum. The individual national governments allocate spectrum for applications such as AM/FM radio broadcasting, television broadcasting, mobile telephony, military communication, and government usage.

Worldwide, an agency of the International Telecommunications Union Radio Communication (ITU-R) Bureau called World Administrative Radio Conference (WARC) tries to coordinate the spectrum allocation by the various national governments, so that communication devices that can work in multiple countries can be manufactured.

Transmission Limitations

Four types of limitations that affect electromagnetic wave transmissions are −

Attenuation

According to the standard definition, “The decrease in the quality and the strength of the signal is known as attenuation.”

The strength of a signal falls with distance over transmission medium. The extent of attenuation is a function of distance, transmission medium, as well as the frequency of the underlying transmission. Even in free space, with no other impairment, the transmitted signal attenuates over distance, simply because the signal is being spread over a larger and larger area.

Distortion

According to the standard definition, “Any change that alters the basic relation between the frequency components of a signal or the amplitude levels of a signal is known as distortion.”

Distortion of a signal is the process, which causes disturbance to the properties of signal, adding some unwanted components, which affects the quality of the signal. This is usually in FM receiver, where the received signal, sometimes gets completely disturbed giving a buzzing sound as the output.

Dispersion

According to the standard definition, “Dispersion is the phenomenon, in which the velocity of propagation of an Electromagnetic wave is wavelength dependent.”

Dispersion is the phenomenon of spreading of a burst of electromagnetic energy during propagation. It is especially prevalent in wireline transmissions such as an optical fiber. Bursts of data sent in rapid succession tend to merge due to dispersion. The longer the length of the wire, the more severe is the effect of dispersion. The effect of dispersion is to limit the product of R and L. Where ‘R’ is the data rate and ‘L’ is distance.

Noise

According to the standard definition, “Any unwanted form of energy tending to interfere with the proper and easy reception and reproduction of wanted signals is known as Noise.”

The most pervasive form of noise is thermal noise. It is often modeled using an additive Gaussian model. Thermal noise is due to the thermal agitation of electrons and is uniformly distributed across the frequency spectrum.

Other forms of noise include −

• Inter modulation noise − Caused by signals produced at frequencies that are sums or differences of carrier frequencies.

• Crosstalk − Interference between two signals.

• Impulse noise − Irregular pulses of high energy caused by external electromagnetic disturbances. An impulse noise may not have a significant impact on analog data. However, it has a noticeable effect on digital data, causing burst errors.

In this chapter, let us go through different interesting topics such as the properties of radio waves, the propagation of radio waves and their types.

Radio Waves

Radio waves are easy to generate and are widely used for both indoor and outdoor communications because of their ability to pass through buildings and travel long distances.

The key features are −

• Since radio transmission is Omni directional in nature, the need to physically align the transmitter and receiver does not arise.

• The frequency of the radio wave determines many of the characteristics of the transmission.

• At low frequencies, the waves can pass through obstacles easily. However, their power falls with an inverse-squared relation with respect to the distance.

• The higher frequency waves are more prone to absorption by rain drops and they get reflected by obstacles.

• Due to the long transmission range of the radio waves, interference between transmissions is a problem that needs to be addressed.

In the VLF, LF and MF bands the propagation of waves, also called as ground waves follow the curvature of the earth. The maximum transmission ranges of these waves are of the order of a few hundred kilometers. They are used for low bandwidth transmissions such as Amplitude Modulation (AM) radio broadcasting.

The HF and VHF band transmissions are absorbed by the atmosphere, near the Earth's surface. However, a portion of the radiation, called the sky wave, is radiated outward and upward to the ionosphere in the upper atmosphere. The ionosphere contains ionized particles formed due to the Sun's radiation. These ionized particles reflect the sky waves back to the Earth. A powerful sky wave may be reflected several times between the Earth and the ionosphere. Sky waves are used by amateur ham radio operators and for military communication.

Radio Wave Propagation

In Radio communication systems, we use wireless electromagnetic waves as the channel. The antennas of different specifications can be used for these purposes. The sizes of these antennas depend upon the bandwidth and frequency of the signal to be transmitted.

The mode of propagation of electromagnetic waves in the atmosphere and in free space may be divided in to the following three categories −

• Line of sight (LOS) propagation
• Ground wave propagation
• Sky wave propagation

In ELF (Extremely low frequency) and VLF (Very low frequency) frequency bands, the Earth, and the ionosphere act as a wave guide for electromagnetic wave propagation.

In these frequency ranges, communication signals practically propagate around the world. The channel band widths are small. Therefore, the information is transmitted through these channels has slow speed and confined to digital transmission.

Line of Sight (LOS) Propagation

Among the modes of propagation, this line-of-sight propagation is the one, which we commonly notice. In the line-of-sight communication, as the name implies, the wave travels a minimum distance of sight. Which means it travels to the distance up to which a naked eye can see. Now what happens after that? We need to employ an amplifier cum transmitter here to amplify the signal and transmit again.

This is better understood with the help of the following diagram.

The figure depicts this mode of propagation very clearly. The line-of-sight propagation will not be smooth if there occurs any obstacle in its transmission path. As the signal can travel only to lesser distances in this mode, this transmission is used for infrared or microwave transmissions.

Ground Wave Propagation

Ground wave propagation of the wave follows the contour of earth. Such a wave is called as direct wave. The wave sometimes bends due to the Earth’s magnetic field and gets reflected to the receiver. Such a wave can be termed as reflected wave.

The above figure depicts ground wave propagation. The wave when propagates through the Earth’s atmosphere is known as ground wave. The direct wave and reflected wave together contribute the signal at the receiver station. When the wave finally reaches the receiver, the lags are cancelled out. In addition, the signal is filtered to avoid distortion and amplified for clear output.

Sky Wave Propagation

Sky wave propagation is preferred when the wave has to travel a longer distance. Here the wave is projected onto the sky and it is again reflected back onto the earth.

The sky wave propagation is well depicted in the above picture. Here the waves are shown to be transmitted from one place and where it is received by many receivers. Hence, it is an example of broadcasting.

The waves, which are transmitted from the transmitter antenna, are reflected from the ionosphere. It consists of several layers of charged particles ranging in altitude from 30- 250 miles above the surface of the earth. Such a travel of the wave from transmitter to the ionosphere and from there to the receiver on Earth is known as Sky Wave Propagation. Ionosphere is the ionized layer around the Earth’s atmosphere, which is suitable for sky wave propagation.

Earth’s atmosphere has several layers. These layers play an important role in the wireless communication. These are mainly classified into three layers.

Troposphere

This is the layer of the earth, which lies just above the ground. We, the flora and fauna live in this layer. The ground wave propagation and LOS propagation take place here.

Stratosphere

This is the layer of the earth, which lies above Troposphere. The birds fly in this region. The airplanes travel in this region. Ozone layer is also present in this region. The ground wave propagation and LOS propagation takes place here.

Ионосфера

Это верхний слой атмосферы Земли, где заметна ионизация. Энергия, излучаемая Солнцем, не только нагревает эту область, но также производит положительные и отрицательные ионы. Поскольку Солнце постоянно излучает УФ-лучи, а давление воздуха низкое, этот слой способствует ионизации частиц.

Важность ионосферы

Слой ионосферы является очень важным фактором на этапе распространения волн по следующим причинам:

• Слой ниже ионосферы имеет большее количество частиц воздуха и меньшее УФ-излучение. Из-за этого происходит больше столкновений, а ионизация частиц минимальна и не постоянна.

• В слое над ионосферой очень мало частиц воздуха, и плотность ионизации также довольно низкая. Следовательно, ионизация неуместна.

• Ионосфера имеет хороший состав УФ-излучения и среднюю плотность воздуха, не влияющую на ионизацию. Следовательно, этот слой имеет наибольшее влияние на распространение небесной волны.

В ионосфере есть разные газы с разным давлением. Различные ионизирующие агенты ионизируют их на разной высоте. Поскольку на каждом уровне выполняются различные уровни ионизации с использованием разных газов, в ионосфере формируется несколько слоев с разными свойствами.

Слои ионосферы можно изучить по следующему рисунку.

Количество слоев, их высота, количество изгибаемых небесных волн будет меняться день ото дня, от месяца к месяцу и из года в год. Для каждого такого слоя существует частота, выше которой, если волна направлена ​​вверх вертикально, она проникает через слой.

Функция этих слоев зависит от времени суток, т. Е. Дневного и ночного времени. В дневное время есть три основных слоя - E, F1 и F2. Есть еще один слой, называемый слоем D, который находится ниже слоя E. Этот слой находится на высоте от 50 до 90 км над тропосферой.

На следующем рисунке показаны слои земной атмосферы как в дневное, так и в ночное время.

Этот слой D отвечает за дневное затухание ВЧ волн. В ночное время этот слой D почти исчезает, а слои F1 и F2 объединяются, образуя слой F. Следовательно, есть только дваlayers E and F присутствует на night time.

В процессе распространения волны есть несколько терминов, с которыми мы сталкиваемся довольно часто. Давайте обсудим эти термины один за другим.

Виртуальная высота

Когда волна преломляется, она загибается постепенно, но не резко. Однако путь падающей волны и отраженной волны одинаков, если она отражается от поверхности, расположенной на большей высоте этого слоя. Такая большая высота называется виртуальной высотой.

На рисунке отчетливо видны virtual height (высота волны, которая должна отражаться) и actual height(преломленная высота). Если виртуальная высота известна, можно найти угол падения.

Критическая частота

Критическая частота для слоя определяет наивысшую частоту, которая будет возвращена на Землю этим слоем после того, как передатчик направит ее прямо в небо.

При обычном изменении скорости ионизации через слои волна будет изгибаться вниз. Максимальная частота, которая изгибается и достигает приемной станции с минимальным затуханием, может быть обозначена какcritical frequency. Это обозначаетсяf_c.

Многолучевость

Для частот выше 30 МГц существует распространение космической волны. Многолучевость сигнала является общей проблемой при распространении электромагнитных волн, проходящих через небесную волну. Волну, отражающуюся от ионосферы, можно назватьhop или же skip. Для сигнала может быть несколько скачков, поскольку он может много раз перемещаться назад и вперед от ионосферы и поверхности земли. Такое движение сигнала можно назватьmultipath.

На приведенном выше рисунке показан пример многолучевого распространения. Многолучевое распространение - это термин, который описывает множество путей, по которым сигнал проходит, чтобы достичь пункта назначения. Эти пути включают несколько переходов. Пути могут быть результатом отражения, преломления или даже дифракции. Наконец, когда сигнал из таких разных трактов попадает в приемник, он несет в себе задержку распространения, дополнительный шум, разность фаз и т. Д., Что снижает качество принимаемого выходного сигнала.

Затухание

Уменьшение качества сигнала можно обозначить как fading. Это происходит из-за атмосферных эффектов или отражений из-за многолучевого распространения.

Затухание относится к изменению силы сигнала в зависимости от времени / расстояния. Это широко распространено в беспроводной передаче. Наиболее частыми причинами замирания в беспроводной среде являются многолучевое распространение и мобильность (как объектов, так и взаимодействующих устройств).

Пропустить расстояние

Измеряемое расстояние на поверхности Земли от передатчика до приемника, на котором отраженный от ионосферы сигнал может достичь приемника с минимальными скачками или пропусками, известно как skip distance.

Максимальная полезная частота (МПЧ)

В Maximum Usable Frequency (MUF)это самая высокая частота, передаваемая передатчиком, независимо от мощности передатчика. Самая высокая частота, которая отражается от ионосферы к приемнику, называетсяcritical frequency, fc.

$$MUF = \frac{Critical\ frequency}{\cos\theta} = f_{c}\sec\theta$$

Оптимальная рабочая частота (OWF)

Частота, которая используется в основном для конкретной передачи и которая, согласно прогнозам, будет использоваться в течение определенного периода времени на трассе, называется Optimum Working Frequency (OWF).

Межсимвольные помехи

Inter symbol interference(ISI) чаще встречается в системе связи. Это также основная причина многолучевого распространения сигнала. Когда сигналы поступают на принимающие станции по разным путям распространения, они компенсируют друг друга, что известно как явлениеsignal fading. Здесь следует помнить, что сигналы гасятся векторно.

Глубина кожи

Электромагнитные волны не подходят для распространения под водой. Однако они могут распространяться под водой, если мы сделаем частоту распространения чрезвычайно низкой. Затухание электромагнитных волн под водой выражается глубиной скин-слоя.Skin depthопределяется как расстояние, на котором сигнал ослабляется на 1 / e. Это мера глубины, на которую может проникнуть электромагнитная волна. Глубина кожи представлена ​​какδ (дельта).

Распространение по воздуховоду

На высоте около 50 м от тропосферы существует явление; температура увеличивается с высотой. В этой области тропосферы более высокие частоты или микроволновые частоты имеют тенденцию преломляться обратно в атмосферу Земли, а не стрелять в ионосферу для отражения. Эти волны распространяются вокруг кривизны Земли даже на расстояние до 1000 км.

Это преломление продолжается в этой области тропосферы. Это можно назватьSuper refraction или же Duct propagation.

На изображении выше показан процесс Duct Propagation. Основное требование к формированию воздуховода - инверсия температуры. Повышение температуры с высотой, а не понижение температуры, известно как явление температурной инверсии.

Мы обсудили важные параметры, с которыми мы сталкиваемся при распространении волн. Волны более высоких частот передаются и принимаются с использованием этой техники распространения волн.