Основы антенно-фидерной техники

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
Излучение или прием 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
передача электромагнитного колебания от радиопередатчика ко входу антенны и передаче электромагнитного колебания от антенны к радиоприемнику.

Антенна
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.

Основная характеристика передающих антенн
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

Основные характеристики и параметры антенн
Излучаемая мощность (Ри) - мощность электромагнитных волн, излучаемых антенной в свободное пространство. Это активная мощность, так как она рассеивается в пространстве, окружающем антенну
Мощность потерь (Рп) - мощность, бесполезно теряемая передатчиком во время прохождения тока по проводам антенны, в земле и предметах, расположенных вблизи антенны.
Коэффициент полезного действия (КПД) антенны η – отношение излучаемой мощности к мощности, подводимой к антенне

Основные характеристики и параметры антенн
Мощность в антенне (Pa) - мощность, подводимая к антенне от передатчика.
Входное сопротивление антенны - сопротивление на входных зажимах антенны. Оно имеет реактивную и активную составляющую.

Основные характеристики и параметры антенн
Направленность антенны – способность излучать электромагнитные волны в определенных направлениях. Об этом свойстве антенны судят по диаграмме направленности, которая графически показывает зависимость напряженности поля или излучаемой мощности от направления.

Основные характеристики и параметры антенн
Коэффициент направленного действия (D) - отношение плотности потока мощности, излучаемой данной антенной в определенном направлении, к плотности потока мощности, которая излучалась бы абсолютно ненаправленной антенной в любом направлении при условии равенства общей излучаемой мощности в обеих антеннах

Основные характеристики и параметры антенн
Коэффициент усиления антенны (Gа) - произведение коэффициента направленного действия антенны на ее КПД
Действующая высота антенны (hд). Количество энергии, излучаемой каждым элементом антенны, пропорционально проходящему по нему току.

Типы антенн разных диапазонов радиоволн
Километровые и гектометровые волны (длинные и средние) используются для радиосвязи, радиовещания, навигации и других целей.
Антенны декаметровых волн. В коротковолновых антеннах предпочтительнее применять горизонтальные вибраторы, а не вертикальные.

Типы антенн разных диапазонов радиоволн
Антенны метровых, дециметровых и сантиметровых волн. Антенны указанных диапазонов можно разделить на две группы: вибраторные и поверхностные. В диапазоне метровых волн наиболее часто используются различные симметричные и несимметричные вибраторы. В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн широко применяется антенна в виде рупора.

Фидер (радиотехника)
Линия передач (фидер), передаёт энергию от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к приёмнику (в режиме приёма).
Основные требования к фидеру: электрогерметичность (отсутствие излучения энергии из фидера) и малые тепловые потери.
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 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

Принцип действия
конструкция антенны содержит металлические (токопроводящие) элементы, соединённые электрически (непосредственно или через линию питания — фидер) с радиопередатчиком или с радиоприёмником.
В режиме передачи переменный электрический ток, создаваемый источником (например, радиопередатчиком), протекающий по токопроводящим элементам такой антенны, в соответствии с законом Ампера порождает в пространстве вокруг себя переменное магнитное поле. Это меняющееся во времени магнитное поле, в свою очередь, не только воздействует на породивший его электрический ток в соответствии с законом Фарадея, но и создаёт вокруг себя меняющееся во времени вихревое электрическое поле. Это переменное электрическое поле создаёт вокруг себя переменное магнитное поле и так далее — возникает взаимосвязанное переменное электромагнитное поле, образующее электромагнитную волну, распространяющуюся от антенны в пространство. Энергия источника электрического тока преобразуется антенной в энергию электромагнитной волны и переносится электромагнитной волной в пространстве.

В режиме приёма
переменное электромагнитное поле падающей на антенну волны наводит токи на токопроводящих элементах конструкции антенны, которые поступают в нагрузку (фидер, радиоприёмник).
Наведённые токи порождают напряжения на входном приёмнике.

Характеристики антенн
Полевые характеристики
характеристика направленности
диаграмма направленности (ДН), её тип и возможность управления
ширина ДН по заданному уровню
уровень боковых лепестков (УБЛ), коэффициент рассеяния
фазовая диаграмма, местоположение фазового центра и частотная стабильность его координат
тип поляризации, поляризационная диаграмма, максимальное значение уровня излучения на кроссполяризации в заданном направлении, число поляризационных каналов и межполяризационная развязка (переходное затухание)
коэффициент направленного действия (КНД)
коэффициент усиления (КУ)
коэффициент использования поверхности (КИП) апертуры антенны
Эффективная площадь рассеяния (ЭПР) антенны

Характеристики со стороны линии питания
тип линии передачи, номинальное входное сопротивление антенны
резонансная частота, рабочая полоса частот (по качеству согласования)
входной импеданс антенны и коэффициент стоячей волны (КСВ) в линии передачи
максимальная допустимая мощность на входе антенны (средняя, импульсная)

Передаточные характеристики
коэффициент полезного действия (КПД)
действующая высота
векторная импульсная характеристика
векторная передаточная характеристика
шумовая температура антенны
эффективная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) (характеристика системы антенна + радиопередатчик)

Конструктивные характеристики
масса, координаты центра масс, момент инерции
габаритные размеры, максимальный радиус разворота
тип радиочастотного соединителя или присоединительные размеры
парусность (ветровая нагрузка)
объект установки, способ крепления
применённые материалы
устойчивость к внешним воздействиям (климатическим, механическим и др.)
надежность, долговечность (срок службы, назначенный ресурс и др.)