Типы антенн - Antenna types

В радиосистемах используется множество различных типов антенн со специальными свойствами для конкретных приложений. Антенны можно классифицировать по-разному. В приведенном ниже списке антенны сгруппированы в соответствии с общими принципами работы, в соответствии с классификацией антенн во многих инженерных учебниках.

Дипольные, монопольные, антенные решетки и антенны с большой рамкой, указанные ниже, обычно функционируют как резонансные антенны; волны тока и напряжения отражаются между концами, создавая стоячие волны вдоль элементов. Апертурные антенны могут быть резонансными или нет. Антенны бегущей волны нерезонансного типа, волны тока и напряжения распространяются в одном направлении по элементам антенны.

Изотропный

Изотропная антенна ( изотропный излучатель ) - это гипотетическая антенна, излучающая сигнал одинаковой мощности во всех направлениях. Это математическая модель, которая используется в качестве основы для сравнения для расчета направленности или усиления реальных антенн. Никакая настоящая антенна не может создать действительно изотропную диаграмму направленности , но изотропная диаграмма направленности служит эталоном для «наихудшего случая» для сравнения степени, с которой другие антенны, независимо от типа, могут излучать в одном направлении.

Почти изотропные антенны могут быть построены с использованием множества небольших элементов, а также независимо от типа, любой антенны гораздо меньше , чем длина волны (скажем, ≲ 1/16 волна ) будет примерно изотропной. Чем меньше антенна, тем она будет более изотропной. Почти изотропные антенны используются в качестве эталонных антенн для тестирования других антенн и для измерений напряженности поля, а также для резервных антенн на спутниках, которые работают без ориентации спутника на станцию ​​связи.

Не следует путать «изотропную антенну» с « всенаправленной антенной »; AN изотропная антенна излучает одинаковую мощность во всех трех измерениях, тогда как всенаправленная антенна излучает одинаковую мощность во всех горизонтальных направлениях, с различной мощностью , излучаемой с углом возвышения, но уменьшается до нуля вдоль вертикальной оси антенны.

Диполь

  • Вариант диполя "кроличьи уши" для приема телевидения на УКВ

  • Два элемента турникет антенна для приема спутниковых данных погоды, 137 МГц. Имеет круговую поляризацию.

  • Телевизионная антенна УВЧ с угловым отражателем с дипольным ведомым элементом типа "галстук-бабочка" в центре.

Дипольный является прототипом антенны , на которых основаны большой класс антенн. Базовая дипольная антенна состоит из двух проводов (обычно металлических стержней или проводов), расположенных симметрично, с одной стороной симметричной фидерной линии от передатчика или приемника, прикрепленной к каждому из них. Самый распространенный тип, полуволновой диполь , состоит из двух резонансных элементов длиной чуть меньше четверти длины волны. Эта антенна излучает максимально в направлениях, перпендикулярных оси антенны, что дает ей небольшое усиление направленности 2,15 дБи. Хотя полуволновые диполи используются отдельно в качестве всенаправленных антенн, они также являются строительным блоком для многих других более сложных направленных антенн.

  • Турникет - две дипольные антенны, установленные под прямым углом, питаемые с разностью фаз 90 °. Эта антенна необычна тем, что излучает во всех направлениях (нет нулей в диаграмме направленности), с горизонтальной поляризацией в направлениях, компланарных элементам, круговой поляризацией, перпендикулярной этой плоскости, и эллиптической поляризацией в других направлениях. Используется для приема сигналов со спутников, так как круговая поляризация передается многими спутниками.
  • Угловой отражатель - направленная антенна с умеренным усилением около 8 дБи, часто используемая на частотах УВЧ. Состоит из диполя, установленного перед двумя отражающими металлическими экранами, соединенными под углом, обычно 90 °. Используется в качестве телевизионной антенны УВЧ на крыше и для передачи данных точка-точка.
  • Патч ( микрополосковая ) - тип антенны с элементами, состоящими из металлических листов, установленных над заземляющим слоем. Аналогичен диполю с усилением 6–9 дБи. Встраивается в такие поверхности, как корпуса самолетов. Их простое изготовление с использованием технологий печатных плат сделало их популярными в современных беспроводных устройствах. Часто объединяются в массивы.

Монополь

Монополь антенна состоит из одного проводника , такие как металлический стержень, обычно устанавливается над землей или искусственной проводящей поверхностью (так называемым основанием плоскость ). Одна сторона фидерной линии от приемника или передатчика соединена с проводником, а другая сторона - с землей или искусственной заземляющей пластиной. Радиоволны, отраженные от плоскости заземления, похоже, исходят от изображающей антенны под землей, при этом монополь и его изображение образуют диполь, поэтому диаграмма направленности монопольной антенны идентична верхней половине диаграммы направленности аналогичной дипольной антенны. . Поскольку все эквивалентное излучение диполя сосредоточено в полупространстве, антенна имеет вдвое (увеличение на 3 дБ) усиление аналогичного диполя, не считая потерь в плоскости заземления.

Наиболее распространенной формой является четвертьволновой монополь, длина которого составляет одну четверть длины волны, а коэффициент усиления при установке над заземляющим слоем составляет 5,12 дБи. Монополи имеют всенаправленную диаграмму направленности , поэтому они используются для широкого охвата территории и имеют вертикальную поляризацию . Эти наземные волны , используемые для вещания на низких частотах должны иметь вертикальную поляризацию, так что большие вертикальные монопольные антенны используются для вещания в полосах МФА, LF и VLF. Небольшие монополи используются в качестве ненаправленных антенн в портативных радиостанциях в диапазонах HF, VHF и UHF.

  • Whip - Тип антенны, используемой в мобильных и портативных радиостанциях в диапазонах VHF и UHF, таких как бум-боксы , состоит из гибкого стержня, часто сделанного из телескопических сегментов.
  • Резиновая уточка - самая распространенная антенна, используемая в портативных радиостанциях двусторонней связи и беспроводных телефонах из-за своей компактности, состоит из спирали из короткого электрического провода. Спираль добавляет индуктивность, чтобы нейтрализовать емкостное сопротивление короткого излучателя, делая его резонансным. Очень низкий прирост.
  • Плоскость заземления - штыревая антенна с несколькими стержнями, отходящими горизонтально от основания штыря, прикрепленными к заземленной стороне фидерной линии. Поскольку кнуты устанавливаются над землей, горизонтальные стержни образуют искусственную заземляющую поверхность под антенной для увеличения ее усиления. Используется в качестве антенн базовых станций для наземных мобильных радиосистем, таких как диспетчеры полиции, скорой помощи и такси.
  • Излучатель мачты - радиомачта, в которой сама конструкция башни служит антенной. Обычная форма передающей антенны для радиостанций AM и другихпередатчиков MF и LF . В основании башня обычно, но не обязательно, монтируется на керамический изолятор, чтобы изолировать ее от земли.
  • Сложенная унипольная антенна - это модифицированная мачтовая антенна, обычно заземленная в основании, дополненная одним или несколькими параллельными проводами, называемыми «юбочными проводами», которые прикрепляются к мачте на полпути вверх по антенне. Юбки-тросы можно прикрепить на любой высоте между частичным подъемом и верхом мачты. На один или несколько проводов юбки подается сигнал, аналогичный гамма-согласованию. Количество и относительная толщина мачты и тросов юбки регулируетвеличину импеданса в точке питания. Кроме того, подводимый провод (и) и мачта образуют вертикально выровненную петлю, которая индуктивно нагружает антенну, причем индуктивность регулируется высотой точки крепления.
  • T и перевернутая L - состоят из длинного горизонтального провода, подвешенного между двумя опорами с изоляторами, с вертикальным проводом, свисающим с него, прикрепленным к фидерной линии к приемнику или передатчику. Используется надиапазонах LF и VLF . Вертикальный провод служит радиатором. Поскольку на этих частотах вертикальный провод электрически короткий , намного короче четверти длины волны, горизонтальный провод (и) служит емкостной «шляпой» для увеличения тока в вертикальном излучателе, увеличивая коэффициент усиления. Очень узкая полоса пропускания, требуется нагрузочная катушка для отключения оставшегося емкостного реактивного сопротивления. Требуется заземление с низким сопротивлением.
  • Инвертированная F - сочетает в себе преимущества компактности перевернутой L-антенны и хорошее согласование унипольной антенны . Антенна заземлена в основании и запитана в некоторой промежуточной точке. Положение точки питания определяет импеданс антенны. Таким образом, согласование может быть достигнуто без необходимости в отдельной согласующей сети .
  • Umbrella - очень большая проводная передающая антенна с очень узкой полосой пропускания, используемая вдиапазонах ОНЧ ; по сравнению с еще большими длинами волн, для которых она используется, это, как ни парадоксально, ультракороткая антенна. Состоит из центральной излучающей башни с несколькими проводами, прикрепленными вверху, идущими радиально от мачты и изолированными на концах, напоминая металлический каркас зонта. Как и другие сверхкороткие антенны, она имеет чрезвычайно высокое емкостное реактивное сопротивление и минимальное сопротивление излучения , что требует большой нагрузочной катушки и системы противовесов с низким сопротивлением. Используется для военной подводной связи дальнего действия.

Множество

Антенны решетки состоят из нескольких простых антенн, работающих вместе как одна составная антенна. Боковые антенные решетки состоят из множества идентичных управляемых элементов , обычно диполей, питаемых по фазе и излучающих луч, перпендикулярный плоскости антенны. Массивы Endfire питаются не в фазе, причем разность фаз соответствует расстоянию между ними; они излучают в плоскости антенны. Паразитные решетки состоят из нескольких антенн, обычно диполей, с одним ведомым элементом и остальными паразитными элементами , которые излучают луч вдоль линии антенн.

  • Коллинеарность - состоит из ряда диполей, расположенных по вертикальной линии. Это всенаправленная антенна с высоким коэффициентом усиления, что означает, что большая часть мощности излучается в горизонтальных направлениях и меньше расходуется на излучение вверх в небо или вниз на землю. Коэффициент усиления 8–10 дБи. Используется в качестве антенн базовых станций для наземных мобильных радиосистем, таких как диспетчеры полиции, пожарной охраны, скорой помощи и такси, а также секторные антенны для базовых станций сотовой связи .
  • Яги – Уда - одна из самых распространенных направленных антенн на частотах HF, VHF и UHF. Состоит из нескольких полуволновых дипольных элементов в линию, с одним ведомым элементом и несколькими паразитными элементами, которые служат для создания однонаправленной или лучевой антенны. Обычно они имеют усиление между 10–20 дБи в зависимости от количества используемых элементов и имеют очень узкую полосу (с полезной полосой пропускания всего несколько процентов), хотя существуют производные конструкции, которые ослабляют это ограничение. Используется для телевизионных антенн на крыше, каналов связи точка-точка и для связи на коротких волнах на большие расстоянияс использованием отражения небесной волны ("пропуска") от ионосферы.
  • Логопериодическая дипольная решетка - ее часто путают с Яги-Уда, она состоит из множества дипольных элементов, расположенных вдоль стрелы с постепенно увеличивающейся длиной, и все они подключены к линии передачи с переменной полярностью. Это направленная антенна с широкой полосой пропускания. Это делает ее идеальной для использования в качестве телевизионной антенны на крыше, хотя ее коэффициент усиления намного меньше, чем у Yagi сопоставимого размера.
  • Отражающий массив - несколько диполей в двумерном массиве, установленном перед плоским отражающим экраном. Используется для передающих и приемных антенн РЛС и УВЧ-телевидения.
  • Фазированная антенная решетка - антенна с высоким коэффициентом усиления, используемая в УВЧ- и СВЧ-диапазонах, с электронным управлением. Он состоит из нескольких диполей в двумерном массиве, каждый из которых питается через электронный фазовращатель , причем фазовращатели управляются компьютерной системой управления. Луч можно мгновенно направить в любом направлении под большим углом перед антенной. Используется для военных радаров исистем постановки помех .
  • Занавесная решетка - большая направленная проводная передающая антенна, используемая на ВЧстанциями коротковолнового вещания. Он состоит из вертикального прямоугольного массива проволочных диполей, подвешенных перед плоским отражающим экраном, состоящим из вертикальной «завесы» из параллельных проводов, поддерживаемых между двумя металлическими опорами. Он излучает горизонтальный луч радиоволн в небо над горизонтом, который отражается ионосферой на Землю за горизонтом.
  • Полуквадратная антенна - пара изолированных четвертьволновых вертикальных монополей, вершины которых соединены линией длиной в полдлины. Вертикали являются радиаторами и функционируют как двухэлементный массив, похожий на занавеску бобтейл. Структура имеет форму греческой буквы Π (не путать с полуконтурной антенной, описанной ниже). Соединительный провод «сверху-вверх» служит фазированной линией питания или вспомогательной подачей, которая помещает точку максимального тока в верхнюю часть каждого монополя. Ни один из монопольных элементов не имеет проводного соединения с землей под ним. Монополи с верхним питанием производят сильный сигнал ниже горизонта, в отличие от обычных монополей с нижним питанием. Точка питания для комбинированной системы может быть размещена в любом из нескольких мест.
  • Крыло летучей мышиили супертурстиль - специализированная антенна, используемая в телевизионном вещании, состоящая из перпендикулярных пар диполей с излучателями, напоминающими крылья летучей мыши. Несколько антенн типа «крыло летучей мыши» уложены вертикально на мачте для создания антенн для телевещания на УКВ. Всенаправленная диаграмма направленности с высоким коэффициентом усиления в горизонтальных направлениях. Форма крыла летучей мыши дает им широкую полосу пропускания.
  • Микрополосковые - матрица патч-антенн на подложке, питаемая микрополосковыми фидерами. Микроволновая антенна, позволяющая добиться большого усиления в компактном пространстве. Простота изготовления с помощьютехнологий печатных плат сделала их популярными в современных беспроводных устройствах. Ширина луча и поляризация можно активно изменять.

Петля

Ферритовая рамочная антенна от радиовещания AM, длиной около 4 дюймов (10 см). Антенна индуктивна и вместе с переменным конденсатором образует настроенный контур на входном каскаде приемника.
Рамочная антенна для передачи на высоких частотах , диаметр 2 м
Отдельная рамочная антенна для AM-радио
Двухэлементная Quad антенна используется в радиолюбительской станции

Рамочные антенны состоят из петли (или катушки ) провода. Рамочные антенны взаимодействуют непосредственно с магнитным полем радиоволны, а не с ее электрическим полем , что делает их относительно нечувствительными к электрическим шумам в пределах примерно четверти длины волны антенны. По сути, существует две широкие категории рамочных антенн: большие петли (или двухполупериодные петли ) и маленькие петли . Только одна конструкция, антенна «гало», которую обычно называют петлей, не подходит ни к большой, ни к малой категории петель.

Большие петли

Двухволновые петли имеют самую высокую радиационную стойкость и, следовательно, самую высокую эффективность среди всех антенн: их радиационное сопротивление составляет несколько сотен Ом , тогда как диполи и монополи - десятки Ом, а маленькие петли - несколько Ом или даже доли сопротивления. Ом.

  • Большие петли - это рамочные антенны с периметром полной длины волны, двух длин волн или любого целого числа, кратного длине волны. Они имеют естественный резонанс и действуют подобно двухполупериодным или многоволновым диполям. Когда необходимо отличить их от небольших петель, их называют «двухполупериодными» петлями.
  • Четырехугольник - хотя «четырехугольник» может относиться к одной петле четырехугольной формы, этот термин обычно относится к двум или более петлям, уложенным бок о бок; На первый взгляд квадроциклы напоминаютраму воздушного змея . Только один из контуров в квадроцикле подключен к фидерной линии, и этот контур функционирует как драйвер для антенны и является основным излучателем сигнала. Другие контуры представляют собой паразитные элементы, которые действуют как отражатели или направляющие, фокусируя излучаемые волны в более узком, единственном направлении и тем самым увеличивая усиление. Счетверенные антенны являются рамочными аналогами антенн Яги-Уда и аналогичным образом используются в качестве направленных антенн на ВЧ- диапазонах для коротковолновой связи. Иногда их предпочитают для более длинных волн, потому что (если они квадратные) они вдвое меньше яги, построенного из диполей.
  • Полупетля - это верхняя половина полноволновой рамочной антенны, установленной на земле. Полная петля разрезается в двух противоположных точках по ее периметру, а нижняя половина опускается; верхняя половина установлена ​​на земле в точках разреза, торчит из земли, как ручка ранца. Она имеет форму греческой буквы Π или перевернутой заглавной буквы U и является аналогом рамочной антенны монопольной антенны, установленной на земле. Как и у вертикального монополя, недостающая нижняя половина антенны заменяется изображением на плоскости земли. Полуконтурная антенна, имеющая форму половины квадрата, может работать либо как рамочная антенна, либо, на своей первой гармонике, как дипольная антенна, концы которой загнуты и заземлены, в зависимости от формы и расположения источника питания. точка.

Между

  • Гало-антенны - петли, которые составляют ровно одну половину длины волны по периметру - с небольшим зазором в петле - называются " гало-антеннами " и занимают промежуточное положение между малыми и большими петлями по форме и функциям. Их часто описывают как полуволновой диполь, свернутый в круг, а не как настоящую рамочную антенну.

Маленькие петли

Большим недостатком любой маленькой антенны, включая небольшие петли, является очень небольшое сопротивление излучения - обычно намного меньше сопротивления потерь , что делает небольшие петли очень неэффективными для передачи. Однако небольшие петли являются очень эффективными приемными антеннами, особенно на низких частотах, где все возможные антенны «малы» по сравнению с длиной волны.

  • Маленькие петли - если периметр петли меньше половины длины волны, петлю необходимо каким-то образом изменить, чтобы сделать ее резонансной, если резонанс необходим. Маленькие петли называются « магнитными петлями », а если они модифицированы для резонанса, их также называют «настроенными петлями». Их направленность и эффективность излучения кардинально отличаются от полноволновых петель. Малые петли широко используются в качестве компактных пеленгаторных антенн.
  • Ферритовые (петельные) - петельные антенны всенаправлены вокруг своих осей и являются первоклассными примерами небольших рамочных антенн. Они являются магнитным аналогом короткой дипольной антенны. Они используются в качестве приемных антенн в большинстве потребительских радиоприемников AM, работающих в диапазоне средних волн (и более низких частотах). Проволока намотана на ферритовый сердечник, что значительно увеличивает индуктивность катушки и ее эффективную площадь захвата сигнала. Диаграмма направленности максимальна в направлениях, перпендикулярных ферритовому стержню. Нулевое направление антенн с ферритовым сердечником является двунаправленным и намного более резким, чем максимальная направленность. Это часто делает направление нуля более полезным для определения местоположения источника сигнала, чем направление самого сильного сигнала. Нулевое направление малых контуров также можно использовать для отклонения нежелательных сигналов от создающей помехи станции или источника шума.

Коническая

  • Биконическая антенна представляет собой дипольную антенну, состоящую из двух конусов, расположенных вдоль одной оси и ориентированных кончиком к кончику.
Антенна бабочка
  • Дисконная антенна представляет собой половину подбиконической формы с плоским диском, установленным над конусом
Размеры дисконной антенны

Диафрагма

Апертурные антенны - это основной тип направленных антенн, используемых на микроволновых частотах и ​​выше. Они состоят из небольшого диполя или антенны с петлевым питанием внутри трехмерной направляющей структуры, большой по сравнению с длиной волны, с отверстием для излучения радиоволн. Поскольку сама структура антенны нерезонансна, их можно использовать в широком диапазоне частот путем замены или настройки питающей антенны.

Бегущая волна

  • Анимация, показывающая антенну напитка.

  • Квадрантная антенна, похожая на ромбическую , на австрийской коротковолновой радиостанции. Излучает горизонтальный луч на частоте 5-9 МГц, 100 кВт

  • Решетка из четырех осевых спиральных антенн, используемых для спутникового слежения, Франция

В отличие от вышеупомянутых антенн, антенны бегущей волны не являются резонансными, поэтому они по своей природе имеют широкую полосу пропускания. Обычно это проволочные антенны с несколькими длинами волн, через которые волны напряжения и тока распространяются в одном направлении, а не отражаются назад и вперед, образуя стоячие волны, как в резонансных антеннах. У них линейная поляризация (кроме спиральной антенны). Однонаправленные антенны бегущей волны заканчиваются резистором на одном конце, равным характеристическому сопротивлению антенны , для поглощения волн с одного направления. Это делает их неэффективными в качестве передающих антенн.

  • Ромбический - состоит из четырех одинаковых отрезков проволоки в форме ромба . Он питается от сбалансированной линии питания в одном из острых углов, и две стороны подключены к резистору, равному характеристическому сопротивлению антенны на другом. Он имеет главный лепесток в горизонтальном направлении от оконечного конца ромба. Используется длясвязи в небесных волнах на коротковолновых диапазонах.
  • Утечка волны - антенны СВЧ, состоящие из волновода или коаксиального кабеля с прорезью или отверстиями, прорезанными в нем, поэтому он непрерывно излучает по всей своей длине.
  • Спиральный (осевой режим) - состоит из проволоки в форме спирали, установленной над отражающим экраном. Он излучаетволны с круговой поляризацией на конце луча с типичным усилением 15 дБи. Он используется на частотах ОВЧ и УВЧ, где возможны размеры антенн. Часто используется для спутниковой связи, в которой используется круговая поляризация, поскольку она нечувствительна к относительному вращению оси луча. Когда спиральная антенна имеет около 10 или более витков, каждый из которых соответствует полной длине волны, тогда это форма антенны бегущей волны. Если у него всего несколько витков (или только один), а общая окружность витков составляет одну или несколько длин волн, то это разновидность большой рамочной антенны.

Другие типы антенн

Типичная антенна из случайных проводов для коротковолнового приема, натянутая между двумя зданиями.
  • Антенна из случайных проводов - описывает типичную антенну, используемую для приема коротковолнового радио, состоящую из провода произвольной длины, натянутого либо на открытом воздухе между опорами, либо в помещении, идущего по зигзагообразной схеме вдоль стен или между опорами, подключенного к приемнику на одном конце. Форма определяется доступным пространством и опорами. Антенна со случайным расположением проводов обычно будет иметь сложные диаграммы направленности с несколькими лепестками, расположенными под углом к ​​проводу, в разных направлениях для каждого изгиба антенны. Случайные проволочные антенны обычно классифицируются как свернутые монопольные антенны, если их длина составляет четверть волны или меньше, и диполи с торцевым питанием,если полуволны или больше, до одной или двух длин волн или меньше. Когда они расположены по крайней мере с одним изгибом, ориентированным по прямой линии, длиной от одной до нескольких длин волн, они работают так же, как антенны бегущей волны .

Заметки

Рекомендации