Основы электроакустики

Антенно-фидерное устройство (АФУ) — совокупность антенны и фидерного тракта, входящая в качестве составной части в радиоэлектронное изделие, образец, комплекс. АФУ используются для передачи сигналов в системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, а также других радиотехнических системах, использующих для передачи сигналов радиоволны. Функция антенны заключается в излучении или приеме электромагнитных волн. Электрическое подключение антенны к источнику (потребителю) может быть непосредственным, а может осуществляться с помощью линии передачи, оснащенной радиочастотными соединителями, т.е. с помощью фидера. Функция фидера — в передаче электромагнитного колебания от радиопередатчика ко входу антенны и передаче электромагнитного колебания от антенны к радиоприемнику.

Антенны Передающая антенна преобразует энергию волн, поступающих по фидеру от передатчика к антенне, в энергию свободных колебаний, распространяющихся в окружающем пространстве. Передающая антенна должна не просто излучать электромагнитные волны, а обеспечивать наиболее рациональное распределение энергии в пространстве. В связи с этим одной из основных характеристик передающих антенн является диаграмма направленности (ДН) — зависимость излучаемого поля от положения точки наблюдения (точка наблюдения должна находиться в дальней зоне — на неизменно большом расстоянии от антенны). Требования к направленности колеблются в очень широких пределах от близких к направленным (системы радиовещания и эфирного телевидения) до резко выраженной направленности в определенном направлении (дальняя космическая радиосвязь, радиолокация, радиоастрономия и т. д.). Направленность позволяет без увеличения мощности передатчика увеличить мощность поля, излучаемого в данном направлении, а также позволяет уменьшать помехи соседним радиотехническим системам, то есть способствует решению проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Направленность можно получить только когда размеры антенны существенно превышают длину волны колебаний.

Приёмная антенна улавливает энергию свободных колебаний и превращает её в энергию волн, которая поступает по фидеру на вход приемника. Для приемных антенн диаграмма направленности (ДН) — это зависимость тока в нагрузке антенны, то есть в конечном счете в приемнике, или ЭДС наводимой на входе приемника, от направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Наличие направленных свойств у приемных антенн позволяет не только увеличивать мощность выделяемую током в нагрузке, но и существенно ослаблять приём различного рода помех, то есть повышает качество приёма. Любую передающую антенну можно использовать и для приёма электромагнитных волн и вообще говоря, наоборот, однако из этого не следует что они одинаковы по конструкции. Электромагнитная энергия от передающего устройства к антенне и от антенны к приемному устройству передается с помощью фидерного тракта.

Фидеры Важную роль в работе антенных устройств играет линия передач (фидер), которая передаёт энергию от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к приёмнику (в режиме приёма). Основные требования к фидеру сводятся к его электрогерметичности (отсутствию излучения энергии из фидера) и малым тепловым потерям. В передающем режиме волновое сопротивление фидера должно быть согласовано с входным сопротивлением антенны (что обеспечивает в фидере режим бегущей волны) и с выходом передатчика (для максимальной отдачи мощности). В приёмном режиме согласование входа приёмника с волновым сопротивлением фидера обеспечивает в последнем режим бегущей волны. Согласование же волнового сопротивления фидера с сопротивлением нагрузки — условие максимальной отдачи мощности в нагрузку приёмника. В зависимости от диапазона радиоволн применяют различные типы фидеров: двух или много-проводные воздушные фидеры

Волноводы В спутниковых системах связи в качестве фидеров используют круглые, эллиптические и прямоугольные волноводы и коаксиальные кабели. Волноводы в качестве линий передачи СВЧ колебаний, как правило, применяют на частотах свыше 2 ГГц. Круглые волноводы позволяют передавать две волны, имеющие ортогональные поляризации. Основным типом волн является волна Н01. В отечественной технике нашли применение волноводы диаметром 70 мм, используемые в диапазоне 4, 6, 8 ГГц. Затухание ЭМВ в круглом волноводе зависит от его диаметра и рабочей частоты. Для волноводов эллиптических — волной основного типа является волна Н01. Конструктивно он представляет собой полую гофрированную трубу, изготовленную из медной отожженной ленты, на которую наложены защитные оболочки. Такие волноводы получили название ЭВГ (эллиптический волновод гофрированный). Они выпускаются для диапазонов 2, 4, 6, 8, 11 ГГц и отличаются друг от друга размерами и затуханием, изготавливаются требуемой длины без фланцевых соединений и, как правило, при транспортировке наматываются на барабан. Недостатком ЭВГ является относительно большое значение коэффициента отражения. Широкое применение в качестве фидерных трактов нашли волноводы прямоугольного сечения. В них используется основной тип волны Н10. Такие волноводы могут быть жесткой или гибкой конструкции, различной длины. Соединение отрезков волновода осуществляется с помощью фланцев. Подобные волноводы используются в малоканальных СКС в тракте передачи.

Коаксиальные кабели обеспечивают передачу волны типа ТЕМ (плоская поперечная бегущая волна). Коаксиальные кабели имеют маркировку: РК-75-18-12 РК- радиочастотный кабель. Где: 75- волновое сопротивление, Ом; 18- внутренний диаметр внешнего проводника, мм;12- 1- полиэтилен, 2- номер разработки кабеля.

В станциях спутниковой связи коаксиальные кабели используют в тракте приема. В отдельных конструкциях волноводных трактов может применяться специальная система осушки, предназначенная для осушения воздуха во внутренних объемах волноводов. Такие системы нашли применение в линиях передачи энергии с повышенной мощностью сигнала.К элементам фидерных трактов, кроме того, относят: поляризационные селекторы; поляризаторы; циркуляторы.

Антенно-фидерные устройства

Антенно — фидерные устройства (АФУ) — предназначаются для передачи сигналов в системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, а также других радиотехнических системах, использующих для передачи информации свободное распространение радиоволн.

Функции антенн в указанных системах сводятся к излучению или приему электромагнитных волн. Соответственно различают передающие и приемные антенны, подключаемые либо к передатчику, либо к приёмнику. Подключение осуществляется обычно не непосредственно, а с помощью линий передачи энергии (фидеров).

Содержание

Антенны

Передающая антенна преобразует энергию волн, поступающих по фидеру от передатчика к антенне, в энергию свободных колебаний, распространяющихся в окружающем пространстве. Передающая антенна должна не просто излучать электромагнитные волны, а обеспечивать наиболее рациональное распределение энергии в пространстве. В связи с этим одной из основных характеристик передающих антенн является диаграмма направленности (ДН) — зависимость излучаемого поля от положения точки наблюдения (точка наблюдения должна находиться в дальней зоне — на неизменно большом расстоянии от антенны). Требования к направленности колеблются в очень широких пределах от близких к направленным (системы радиовещания и эфирного телевидения) до резко выраженной направленности в определенном направлении (дальняя космическая радиосвязь, радиолокация, радиоастрономия и т. д.). Направленность позволяет без увеличения мощности передатчика увеличить мощность поля, излучаемого в данном направлении, а также позволяет уменьшать помехи соседним радиотехническим системам, то есть способствует решению проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Направленность можно получить только когда размеры антенны существенно превышают длину волны колебаний.

Приёмная антенна улавливает энергию свободных колебаний и превращает ее в энергию волн, которая поступает по фидеру на вход приемника. Для приемных антенн диаграмма направленности (ДН) — это зависимость тока в нагрузке антенны, то есть в конечном счете в приемнике, или ЭДС наводимой на входе приемника, от направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Наличие направленных свойств у приемных антенн позволяет не только увеличивать мощность выделяемую током в нагрузке, но и существенно ослаблять приём различного рода помех, то есть повышает качество приёма.

Любую передающую антенну можно использовать и для приёма электромагнитных волн и, вообще говоря, наоборот, однако из этого не следует что они одинаковы по конструкции.

Фидеры

Важную роль в работе антенных устройств играет линия передач (фидер), которая передаёт энергию от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к приёмнику (в режиме приёма).

Основные требования к фидеру сводятся к его электрогерметичности (отсутствию излучения энергии из фидера) и малым тепловым потерям. В передающем режиме волновое сопротивление фидера должно быть согласовано с входным сопротивлением антенны (что обеспечивает в фидере режим бегущей волны) и с выходом передатчика (для максимальной отдачи мощности). В приёмном режиме согласование входа приёмника с волновым сопротивлением фидера обеспечивает в последнем режиме бегущей волны, согласование же волнового сопротивления фидера с сопротивлением нагрузки — условие максимальной отдачи мощности в нагрузку приёмника. В зависимости от диапазона радиоволн применяют различные типы фидеров:

• двух или много-проводные воздушные фидеры
• волноводы прямоугольного, круглого или эллиптического сечений
• линии с поверхностной волной

Антенно-фидерное устройство: принцип работы

Устройство антенно-фидерной системы должен знать каждый, кого интересует передача сигналов в радиотехнических системах (радиовещания, радиосвязи, телевидения). Следует отметить, что в данном случае предусматривается возможность общения в обе стороны. Фидер передает электромагнитные колебания от передатчика к антенне (которая излучает/принимает сигнал) и от нее к приемнику. Об этом и поговорим.

Про антенны

Так называют устройства, главное предназначение которых — прием или излучение электромагнитных волн. Антенны являются неотъемлемой частью любого радиопередающего и радиоприемного устройства. Следует отметить, что в зависимости от целевого назначения меняется функциональная роль. Например, передающая антенна преобразовывает ток высокой частоты в энергию электромагнитных волн. Может быть и такое, что она является многофункциональной, и может быть еще и приемной. В таком случае улавливаются электромагнитные волны и преобразовываются в энергию высокочастотных колебаний. Такая версия устройства является наиболее предпочтительной благодаря своим технико-экономическим характеристикам.

Про фидер

Это совокупность устройств, благодаря которым энергия подводится от передатчика к антенне и от нее к приемнику. Часто их еще называют фидерным трактом. Конструктивное исполнение напрямую зависит от диапазона частот, которые передаются по нему. Фидер может также излучать волны. Но это возможно только в тех случаях, когда соседние участки двух проводов обтекаются токами, которые совпадают по фазе. Их поля в таком случае взаимно усиливаются. Кстати, на этом эффекте можно реализовать антенны.

Они в таком случае называются синфазными, и следует отметить, что получили весьма широкое распространение. Также могут быть излучения фидера в тех случаях, когда расстояние между проводами по определенным направлениям приобретает существенную разность хода. Следует отметить, что можно подобрать такое значение, при котором произойдет сложение волн. На этом принципе также работают антенны, которые называются противофазными.

Возвращаемся к нашему устройству

Проектирование антенно-фидерных устройств с последующим созданием требует, чтобы отдельные понятия сложились в целостную систему. Итак, если есть радиоканал, сформированный из передающей и приемных антенн, а также тракт распространения, то его можно рассматривать как пассивный линейный четырехполюсник. В чем заключается его особенность? Если в нем электродвижущую силу и нагрузку поменять местами, то параметры системы не изменятся. То есть приемную антенну можно сделать передающей и наоборот. Это свойство называют принципом взаимности. Из него вытекает обратимость процессов передачи и приема. Именно благодаря этому можно обходиться одной антенной, которая выступает в обеих ролях. А это позитивно сказывается на технико-экономических показателях системы радиосвязи, что и способствовало массовому использованию данного принципа.

А что бы почитать по этой теме?

Забегая вперед, следует признать, что данная тема является весьма обширной. Поэтому если после прочтения статьи останутся вопросы, то лучше обратиться к толковым книгам. В качестве первого образца можно посоветовать ту, которую написал Драбкин: «Антенно-фидерные устройства». Данная книга была издана в 1961 году. Но несмотря на свой возраст и довольно существенное устаревание, она еще может быть полезной. Хотя бы тем, что в ней рассматриваются основополагающие теоретические положения, которые полезно изучить всем, кого интересует данная тема.

Книга Драбкина является учебником по антенно-фидерным устройствам. Вообще-то, она предназначена для радиоинженеров и студентов радиотехнических факультетов, но если тема действительно интересует, то разобраться в ней сможет практически любой человек. Особенно следует отметить рассмотрение теории антенн, проволочные, сверхвысокочастотные и самолетные образцы, специфику измерения электрических параметров. Хотя только этим, разумеется, перечень не ограничивается.

Из более современных авторов заслуживает упоминания Ерохин Г. А., «Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн» — это весьма современная и одновременно толковая книга. Можно посоветовать обратить внимание на второе издание, выпущенное в 2004 году. В книге излагаются теоретические положения и, что особенно хочется отметить, много внимания уделено вопросам, которые непосредственно относятся к проектированию и эксплуатации систем телевидения, радиосвязи и радиовещания. За это следует воздать хвалу, которую вполне заслуживает Ерохин. «Антенно-фидерные устройства…» этого автора — действительно полезная книга.

Какие параметры антенн необходимо знать?

Но давайте вернемся к теме статьи. Чтобы определить значение параметров, используют анализатор антенно-фидерных устройств или рассчитывают с помощью формул. Это необходимо для получения прибора с нужными характеристиками. Вот список, на что следует обращать внимание:

1. Излучающая мощность электромагнитных волн. Сила и количество волн, которые от антенны идут в свободное пространство. Подразумевается активная мощность, ведь излучение постепенно рассеивается в пространстве, что окружает антенну. Ее можно выразить через сопротивление.
2. Мощность потерь. Под этим подразумевается значение, которое бесполезно теряется передатчиком при прохождении по проводам антенны тока. Может учитываться значение земли и предметов, при условии, что они расположены вблизи антенны. Также является активным параметром и может быть выражено через сопротивление.

Продолжаем перечислять параметры

Также следует помнить:

1. Мощность в антенне. Значение, что отображает энергию, подводимую от передатчика. Представляется в виде суммы двух предыдущих параметров.
2. Коэффициент полезного действия.
3. Входное сопротивление антенны. Под этим подразумевается значение, которое есть на входных зажимах. Характеризуется наличием ре/активной составляющих. Самый лучший вариант – это настройка в резонанс. В таком случае для генератора дается активная нагрузка, и устройство используется с максимальной эффективностью.
4. Направленность антенны. Под этим подразумевается способность излучать электромагнитные волны в определенную сторону. Для того чтобы судить о данном свойстве, используют диаграмму направленности.

Остальные параметры

Кроме перечисленных, следует знать:

1. Коэффициент направленного действия.
2. Рабочий диапазон. Более специализированно используется понятие полосы пропускания антенны. Так называется интервал частот, где ширина главного лепестка диаграммы направленности не выходит за установленные пределы, коэффициент усиления характеризуется как достаточно высокий, а с фидерным трактом согласование существенно не ухудшается. При этом должно быть небольшим отражение. Это требуется для снижения переходных шумов в каналах, присутствующих из-за наличия попутных потоков.
3. Коэффициент защитного действия. Он используется для определения степени ослабления сигналов антенной, которые принимаются из побочных направлений.

Работа с волнами

Монтаж антенно-фидерных устройств осуществляется исходя из того, где и в каком диапазоне они будут использоваться. При этом необходимо добиться, чтобы направленные свойства были хотя бы в одной плоскости. При малой длине антенны выходят достаточно компактные. Это позволяет делать их вращающимися и получать значительный выигрыш в мощности, понижая одновременно взаимные помехи радиостанций. Ну и куда без этого – осуществлять связь в любом желаемом направлении.

В диапазоне метровых волн для удобства использования часто применяют разнообразные не/симметричные вибраторы. Хотя это далеко не единственный вариант. Из-за размера антенны метрового диапазона довольно проблематично перемещать вручную. Давайте рассмотрим это подробнее.

Чем отличаются волны разной длины?

Отличить по предназначению можно по специфическим особенностям. Следует отметить, что в ряде случаев можно использовать однотипные антенны для работы в смежных диапазонах. Вот их список:

1. Антенны длинных волн. Обладают большими геометрическими размерами. Но несмотря на это, все же значительно меньше длины волны. Высота устройства редко когда превышает 0,2 от ее величины.
2. Антенны средневолнового диапазона. Характеризуются тем, что соразмерны с длиною волн. Отличаются более высоким сопротивлением излучению, нежели предыдущий вариант. Благодаря этому коэффициент полезного действия может достигать 80%. Диаграмма направленности для этих устройств обладает видом вытянутой вдоль поверхности земли восьмерки. Правда, из-за этого поступающие из атмосферы сигналы существенно ослаблены.
3. Антенны коротких волн. К ним предъявляют специфические требования. Но это не на пустом месте, а напрямую связано с особенностями распространения этого диапазона. Для обеспечения устойчивой связи выбирают несущую частоту передатчика в зависимости от времени года и суток.
4. Антенны ультракоротких волн. Они отличаются высоким коэффициентом полезного действия и узкой диаграммой направленности. Связано это с тем, что размеры антенн примерно равны длине рабочих волн.

Обслуживание

Чтобы устройство работало без проблем, необходимо своевременно заниматься его профилактикой. Если говорить о текущем осмотре объектов, то к ним относятся:

1. Антенны.
2. Фидеры.
3. Радиорелейная связь.
4. Фундамент (это и дальше для крупных стационарных объектов).
5. Конструкции опоры.
6. Оттяжки мачт, а также их крепления.
7. Помещения (контейнера) базовой станции.
8. Конструкции крепления основы к фундаменту.
9. Прилегающая территория.

При этом следует уделить внимание таким моментам:

1. Состоянию аппаратуры.
2. Коррозийным и механическим повреждениям.

Кроме текущего, есть еще и планово-периодическое обслуживание антенно-фидерных устройств. Оно предполагает проведение более капитальной проверки, так называемого ревизионного осмотра и осуществление ремонта.

Подведение итога

Вот и рассмотрено, что собой представляют антенно-фидерные устройства. Предоставленной информации, скорее всего, не хватит для того, чтобы соорудить собственный рабочий прибор. Но вот обеспечить необходимым теоретическим минимумом, чтобы двигаться дальше, надеемся, у нас получилось. А если читатель подкован в этих вопросах, то возможно, уже разобрался, что и как нужно делать.