Данный справочник собран из разных источников. Но на его создание подтолкнула небольшая книжка "Массовой радиобиблиотеки" изданная в 1964 году, как перевод книги О. Кронегера в ГДР в 1961 году. Не смотря на такую ее древность, она является моей настольной книгой (наряду с несколькими другими справочниками). Думаю время над такими книгами не властно, потому что основы физики, электро и радиотехники (электроники) незыблемы и вечны.

Основные параметры передающих антенн

Сопротивление излучения связывает излучаемую антенной мощность с током, питающим антенну

R Σ = P Σ / I a

Здесь Р Σ мощность, излучаемая антенной, вт; Rиз-сопротивление излучения, ом; Ia - эффективное значение тока, а. Величина R Σ зависит от чипа антенны, ее размеров (по отношению к длине волны) и точки подключения питающего фидера. В общем случае сопротивление излучения имеет комплексный характер, т. е., кроме активной составляющей, имеет и реактивную Хиз. Полное активное сопротивление антенны R A складывается из сопротивления излучения R Σ и сопротивления потерь Rn

R A = R Σ + R п

Коэффициент полезного действия (к. п. д.) η антенны Отношение излучаемой мощности к подводимой

η = R Σ / (R Σ + R п)

К. п. д. большинства типов настроенных передающих антенн близок к единице.

Диаграмма направленности антенны Зависимость напряженности поля в удаленной Точке от направления. Обычно диаграмма направленности снимается в двух плоскостях - горизонтальной и вертикальной. Для оценки направленности антенны в какой-либо плоскости пользуются понятием ширины диаграммы направленности, понимая под этим ширину основного лепестка, отсчитанную по уровню 0,7 напряженности поля (или по уровню 0,5 мощности). Коэффициент направленного действия (КНД) антенны D - число, показывающее во сколько раз нужно увеличить мощность передатчика, чтобы в точке, лежащей на заданном удалении по направлению максимального излучения, получить такую же напряженность поля с помощью ненаправленной антенны. КНД однозначно определяется пространственной диаграммой направленности антенны. Если известна ширина диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях, то КНД находят по следующей приближенной формуле:

D = 41253 / Ф 0 θ 0

где: Ф 0 -направленность антенны в горизонтальной плоскости, ° θо - направленность антенны в вертикальной плоскости, °. Коэффициент усиления антенны по мощности G представляет собой произведение КНД и к. п. д. и полностью характеризует выигрыш по мощности, который дает антенна по сравнению с ненаправленным идеальным излучателем (не имеющим потерь) -

Частотная характеристика антенны и полоса пропускаемых частот характеризуют способность антенны работать в диапазоне частот. Частотной характеристикой называют зависимость тока, питающего антенну, от частоты, а полосой пропускания - область частот, где ток не падает ниже уровня 0,7 от своего максимального значения.

Параметры приемных антенн

Действующая высота hд Величина, на которую нужно умножить напряженность электрического поля в точке приема, чтобы получить э. д. с., развиваемую антенной. hд зависит от типа антенны и ее относительных размеров (по отношению к длине волны). Физически hд равна высоте воображаемой антенны, обладающей одинаковой с реальной антенной способностью принимать радиоволны, но в которой ток по всей длине имеет постоянное значение, равное току в пучности реальной антенны I Ап (рис.1). Понятием «действующая высота» удобно пользоваться при расчете одновибраторных антенн длиной не более λ/4 . Эффективная площадь антенны Аэфф определяет ту часть площади фронта плоской волны, с которой снимает энергию антенна. Понятие эффективная площадь используется при расчете многовибраторных и других сложных антенн (это понятие может быть применено и к одновибраторной антенне).

Рис1. Действующая высота антенны.

Эффективная площадь антенны и КНД связаны следующей зависимостью:

D = 4π A эфф / λ 2

Где: А эфф и λ2 измеряются в одинаковых единицах, например,- м 2 . Мощность сигнала на входе приемника, согласованного с антенной, равна;

P A = (E 2 o A эфф) / 120 π

где: Е 0 -напряженность поля,в/м; А эфф -эффективная площадь антенны, м 2 ; Р A -мощность в антенне, вт. Диаграмма направленности Зависимость э.д. с. антенны от направления прихода волны. Ширина диаграммы направленности-угол, внутри которого э. д. с. антенны не падает ниже уровня 0,7 от своего максимального значения. Коэффициент полезного действия η A Отношение мощности, снимаемой с антенны, к мощности, получаемой антенной от электромагнитной волны. Коэффициент направленного действия (КНД) антенны D Число, показывающее, во сколько раз мощность, снимаемая с антенны, превышает мощность, которую можно было бы получить в данном случае с помощью ненаправленной антенны, имеющей такой же к. п. д. Величина КНД полностью определяется пространственной диаграммой направленности антенны. Коэффициент усиления антенны по мощности G Число, показывающее, во сколько раз мощность, снимаемая с антенны, превышает мощность, которая могла бы быть снята в этих же ^условиях с ненаправленной антенны без потерь. Как и для передающей антенны,

G = η Av D

Входное сопротивление антенны Z A Сопротивление антенны на рабочей частоте в точках подключения. В общем случае Z A (так же, как и сопротивление излучения передающей антенны) имеет как активную, так и реактивную составляющие. Частотная характеристика антенны Зависимость входного сопротивления антенны от частоты. Для антенн существует принцип взаимности, согласно которому одна и та же антенна при работе на передачу и прием обладает одинаковыми характеристиками (КНД, к. п. д., диаграмма направленности и т. д.). При этом предполагается, что сохраняется способ подключения к антенне.

Вибраторные антенны

Основные данные простых вибраторных антенн приведены в табл. IX.1. Антенна типа «волновой канал» состоит из активного вибратора, рефлектора и нескольких директоров. Обладает большой направленностью вдоль оси (по направлению от активного вибратора к директорам).

Рис. 2 Антенна типа "Волновой канал"

Рекомендуемые размеры вибраторов и расстояний между ними приведены на рис. 2. Окончательная подгонка размеров производится экспериментально. Для уменьшения габаритов можно исключить два передних директора. Увеличение количества директоров свыше тоех малоэффективно. Коэффициент направленного действия антенны «волновой канал» определяется по приближенной формуле

где n - число директоров.

Рамочные антенны

Рамочная антенна (рис. IX.3) представляет собой плоскую катушку произвольного поперечного сечения. Обычно общая длина провода рамочной антенны мала по сравнению с длиной волны

Здесь: n - количество витков рамки; l w - длина одного витка. В этом случае диаграмма направленности не зависит от формы сечения рамки н имеет вид, показанный на рис. 4.

Рис. 4. Диаграмма направленности рамочной антенны.

При работе на прием э. д. с., наводимая на рамке, равна:

e = (n S / λ) 2π cos φE

где: е - э. д. с., наводимая по рамке, в; S - площадь рамки, м 2 ; λ - длина волны, м; Е - напряженность поля, в/м; φ- угол между направлением приема и плоскостью рамки, °, n - число витков.

Сопротивление излучения рамочной антенны: R Σ =31200 (nS/λ 2) 2 ом

Обычно R Σ очень мало, а поэтому к. п. д. системы низок. Рамочная антенна, как правило, применяется только для приема.

Приемные ферритовые антенны

Ферритовые антенны широко применяются в малогабаритных радиоприемных устройствах ДВ и СВ диапазонов, а также находят применение в диапазонах KB и УКВ. Ферритовая антенна состоит из ферритового стержня, на котором размещена антенная катушка, выполняющая роль индуктивной ветви входного контура. По принципу действия фердитовая антенна является магнитной, аналогично рамочной антенне. Эффективность ферритовой антенны ДВ и СВ диапазонов сравнима со штырем длиной 1-2 м. Ферритовая антенна обладает направленностью, соответствующей рамочной антенне (см. рис.4). Расчет и конструирование ферритовой антенны . Выбор марки феррита производится в соответствии с диапазоном частот:

ДВ μ = 1000-2000; СВ μ = 600-1000; KB μ = 100-400; УКВ μ = 10-50.

Провод - одножильный или литцендрат (на СВ). Тип намотки - обычно однорядная сплошная (виток к витку). Следует стремиться к максимальной добротности антенной катушки, поскольку это определяет эффективность ферритовой антенны. Напряжение на входном контуре

Здесь: е - э. д. с., наведенная в антенне; Q - добротность антенного контура, Согласование антенны со входом первого каскада приемника обычно осуществляется частичным включением антенного контура при ламповом входе и катушкой связи при транзисторном входе. Индуктивная связь является более гибкой, поскольку, перемещая катушку связи, можно менять связь в широких пределах. Правильный выбор связи играет особо важную роль в транзисторных приемниках ввиду низкого входного сопротивления транзисторных каскадов. Для повышения чувствительности транзисторного приемника (за счет более эффективного использования ферритовой антенны) антенну подключают через эмиттерный повторитель, обладающий высоким входным сопротивлением. Расчет ферритовой антенны (рис. 6) состоит в определении количества витков антенной катушки. Требуемую индуктивность антенной катушки находят по формуле:

Lк = 2,53 10 4 / f 2 max C min мкгн

где: f max - максимальная частота диапазона, Мгц; Сп - минимальная емкость контура, пф.

Рис. 6. Ферритовая антенна. 1-ферритовый стержень, 2-Антенная катушка, 3-катушка связи, х-смещение центра катушки относительно центра сердечника.

Для наиболее простой односекционной антенной катушки со сплошной намоткой количество витков:

ω = (L к /L"d к μ к) 1/2

Коэффициент формы L" зависит от отношения длины катушки к ее диаметру (рис.7). Коэффициент μ к определяют как произведение четырех эмпирических коэффициентов

μ к = μ с m L p L q L

m L - зависит от соотношения длин катушки и сердечника и определяется по графику, приведенному на рис. 8; р L - зависит от положения катушки на стержне и определяется по графику, приведенному на рис. 9; q L - представляет собой отношение квадратов диаметров ферритового стержня и катушки: q L = d 2 / d 2 к ; μ с - действующая магнитная проницаемость ферритового стержня, зависящая от начальной магнитной проницаемости феррита μ н и размеров стержня (рис. 10).

Для определения коэффициентов т L , р L и L" необходимо задаться прежде всего длиной катушки, которая определяется произведением диаметра провода на неизвестное количесиво витков. Поэтому расчет производится путем последовательных приближений.

Основные формулы описывающие параметры вибраторных антенн

Тип антенны	Распределение тока в антенне	Коэффициент направленного действия	Формулы для определения
			действующей высоты	сопротивление излучения, ом	напряженности поля* в направлении главного максимума излучения на расстоянии r**,мв/м
Короткий симметричный вибратор (l<λ/2 ) с емкостями на концах		1,5	h д = 1	R Σ = 80π 2 (l/λ) 2	E=6,7 × P 1/2 /r
Короткий незаземленный штырь (l<λ/4 ) с емкостью на конце		3	h д = 1	R Σ = 160π 2 (l/λ)	E=9,5 × P 1/2 /r
Короткий симметричный вибратор (l<λ/2 ) без емкостей		0,375	hд =0,5l	R Σ = 20π 2 (l/λ) 2	E=3,35 × P 1/2 /r
Короткий заземленный штырь (l<λ/4 ) без емкости на конце		0,75	hд =0,5l	R Σ = 10π 2 (l/λ) 2	E=4,75 × P 1/2 /r
Полуволновый симметричный вибратор		1,64	hд= λ/π	73,2	E=7 × P 1/2 /r
Четверть-волновый заземленный штырь		3,28	hд= λ/2π	36,6	E=10 × P 1/2 /r
Полуволновый петлевой вибратор		1,64	hд= 2λ/π	293	E=7 × P 1/2 /r
P - излучаемая мощность, Вт; ** r - расстояние от антенны до измерителя напряженности поля

F (θ , ϕ ) = 1 . С уче-

редачи без изменения характеристик и параметров. Это позволяет использовать в импульсных РЛС одну и ту же антенну на передачу и прием.

Дополнительно вводятся параметры, характеризующие специфику работы антенн на прием. К ним относятся:

мощность, отдаваемая в нагрузку; поляризационная эффективность; шумовая температура; эффективная площадь антенны;

коэффициент использования площади.

Последние два параметра относятся и к передающим антеннам, но их удобнее рассматривать применительно к приемным.

1.2.3. Мощность, отдаваемая антенной в нагрузку

Мощность, отдаваемая антенной в нагрузку (т.е. приемнику) на основании эквивалентной схемы (см. рис. 1.10) выражается равенством:

Подставляя в (1.26) значения ЭДСе из формулы(1.20), получим:

Максимальная мощность выделяется в нагрузке, если обеспечивается полное согласование входного сопротивления антенны с сопротивлением нагрузки (X H = − X вх ; R H = R вх ) и совмещение максимума ДНА с направле-

нием на источник излучения. При этом Z вх + Z H = 2 R вх , том этих условий из выражения(1.9) получим:

Учитывая, что R Σ R вх = η A - КПД антенны, окончательно находим:

Как видно из (1.28), чем выше направленные свойства антенны, тем большую мощность она извлекает из поля.

1.2.4. Эффективная площадь антенны

В выражении (1.28) первый сомножитель представляет собой плотность потока мощности в точке приема, так какП = E 2 240π , а произведе-

Под эффективной площадью антенны следует понимать такую условную площадку, которая, будучи помещена вместо реальной антенны в ту же точку пространства нормально к направлению падающей волны и не имея потерь, создает на входе приемника такую же мощность, что и согласованная с ним антенна.

Эффективная площадь антенны меньше ее геометрической площади S г . Отличия геометрической и эффективной площадей антенны объясняются тем, что в реальной антенне часть падающей на нее мощности переизлучается и рассеивается, т.е. полезно используется не вся перехваченная у поля мощность, а только ее часть, хотя и бόльшая. Условная идеальная площадка не имеет потерь, поэтому ее площадь может быть меньше для создания такой же мощности на входе приемника. Формула(1.30) является одной из важнейших в теории антенн. Она связывает эффективную площадь антенны с ее КНД и пригодна для любой антенны.

1.2.5. Коэффициент использования площади антенны

Коэффициент использования площади антенны (КИП) является показателем эффективности использования площади реальной антенны, численно

и изменяется в пределах 0 ≤ ξ A ≤ 1 .

Из соотношений (1.29) и(1.31) можно получить практические формулы для расчета коэффициента усиления и КНД:

Коэффициент поляризационной эффективности. Мощность, выделяе-

мая в нагрузке приемной антенны, зависит также от согласования поляризационных параметров принимаемой волны и приемной антенны.

Для оценки эффективности приема сигналов различной поляризации вводится коэффициент поляризационной эффективности К пэ . Он равен отношению мощности, выделяемой в нагрузке приемной антенны, к мощности, которая выделялась бы в нагрузке при условии полного согласования поляризационных параметров источника и приемной антенны.

Полное согласование поляризационных параметров обеспечивается,

К пэ изменяется в пределах от 0 до 1. Управляя поляризацией антенны, можно получать максимум полезного сигнала и (или) минимум помехи.

Шумовая температура приемной антенны. В антенне и волноводном тракте возникают внутренние шумы, вызванные тепловым движением электронов. К ним добавляются внешние шумы, принятые антенной из пространства. Они обусловлены грозовыми разрядами, индустриальными помехами, радиоизлучением Солнца, а также тепловым радиоизлучением земной поверхности и атмосферы.

Суммарную мощность шумов антенно-волноводного тракта в полосе пропускания приемника F можно оценить по формуле:

где Т АВ – шумовая температура, связанная с внутренними шумами;Т АИ – шумовая температура антенны, определяемая внешними источниками.

Шумовая температура Т АВ оказывается довольно просто связанной с

где Т 0 =288 К – стандартная температура среды.

Согласно выражению (1.38), увеличение КПД антенно-волноводного тракта снижает шумовую температуруТ АВ . При этомТ АВ ≤ Т 0 .

Шумовая температура Т АИ зависит от пространственного распределения источников внешних помех и направленных свойств антенны. В метровом диапазоне волн антенны имеют широкую ДН, и в результатеТ АВ <<Т АИ . При этомТ А ≥ 50…100 К.

В сантиметровом и дециметровом диапазонах в силу остронаправленности антенн Т А =5…20 К. В этих диапазонах необходимо максимизировать КПД. Приη A = 0,9...0,95 , согласно(1.38), имеемТ АВ =30…15 К, что сравнимо сТ АИ .

ЛЕНИНГРАДСКАЯ ВОЕННАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ КРАСНОЗНАМЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени А. Ф. МОЖАЙСКОГО

Ленинград-1972

Учебное пособие предназначено для слушателей факультета № 3 и должно способствовать повышению эффективности изучения курса антенно-фидерных устройств. Оно может быть полезным также слушателям факультетов № 6 и 7 при изучении ими аналогичного курса.

В основу пособия положены лекции, которые читались в течение ряда лет доцентом А. Г. Кисловым.

Введение, заключение и темы 1-7, 9-11 и 13-15 подготовлены к печати А. Г. Кисловым и Н. Ф. Соколовым, тема 8 - В. И. Невзоровым, тема 12-А. Г. Кисловым, тема 16- авторами совместно.

ВВЕДЕНИЕ

В состав радиотехнической установки, предназначенной для и«лучения или приема радиоволн, входит антенна.

На рис 1. показана простейшая структурная схема прохождении радиосигнала от передатчика до приемника. Модулированные высокочастотные колебания, возбуждаемые передатчиком, через фидер поступают в передающую антенну, которая излучает их в форме электромагнитных волн в окружающее пространство. Некоторая незначительная доля энергии этих волн достигает места расположения приемной радиостанции. Под воздействием электромагнитных волн в приемной антенне возбуждаются токи высокой частоты, энергия

которых используется для воздействия на радиоприемник. Таким образом, передающую антенну можно определить как устройство, предназначенное для излучения электромагнитных волн, а приемную - как устройство, служащее для приема электромагнитных волн с целью использования информации, переносимой этими волнами.

Требования, предъявляемые к антенне, зависят от назначения радиостанции. Так, в случае радиовещательной станции, обслуживающей определенный район, или при циркулярных передачах в поисковой практике передающая антенна, как правило, должна создавать равномерное излучение во все стороны, т.е. быть ненаправленной в горизонтальной плоскости. Антенна же радиолокационной станции предназначена для концентрации излучения в узком секторе, т.е. должна обладать острой направленностью. К приемной антенне часто также предъявляется требование направленного действия, т.е. требование более эффективного приема волн, приходящих с определенных направлений. Пространственная избирательность приемной антенны, наряду с частотной избирательностью и применением специальных фильтров в радиоприемнике, является действенным средством борьбы с внешними естественными и искусственными помехами. Таким образом, наряду с требованиями эффективного излучения или приема радиоволн к антенне предъявляется требование распределения в пространстве потока мощности излучаемых волн определенным образом.

Прежде чем приступить к детальному изучению антенно-фидерных устройств, целесообразно ознакомиться в общих чертах с некоторыми простейшими типами антенн.

На рис.2 показан симметричный вибратор, называемый иногда диполем. Эта антенна весьма широко используется в диапазоне коротких и ультракоротких волн самостоятельно и как элемент, входящий в состав более сложных антенн.

На рис.3 изображена рупорная антенна, характерная для диапазона сверхвысоких частот. Она питается при помощи отрезка волновода, поле в котором возбуждается вертикальным штырьком. Открытый конец волновода сам по себе также может служить источником интенсивного излучения электромагнитных волн. Применение рупора на конце волновода делает

излучение более направленным. Максимум излучения обычно получается в

направлении, перпендикулярном плоскости раскрыва рупора. Помимо концентрации излучаемых волн, рупор создает также плавный переход от волновода к свободному пространству, т.е. обеспечивает лучшее согласование.

На рис.4 изображена также типичная для диапазона сверхвысоких частот зеркальная антенна. Она состоит из металлического параболического отражателя и облучателя. Последний в данном примере содержит вибратор с контррефлектором. Вибратор питается коаксиальным фидером через переходное симметрирующее устройство. Облучатель, фазовый центр которого помещается в фокусе параболоида, возбуждает на внутренней поверхности отражателя токи, а в плоскости раскрыва - синфазное электромагнитное поле. Этот раскрыв (апертуру) антенны можно рассматривать как источник излучения волн с максимумом, ориентированным вдоль оси параболоида. Степень концентрации излучения такой антенны зависит главным образом от соотношения между диаметром раскрыва зеркала и длиной волны. На сантиметровых волнах для питания антенны вместо коаксиальных фидеров применяются волноводы, а роль облучателя выполняет какая-нибудь слабонаправленная антенна (например, небольшой рупор).

Эффективная площадь антенны - площадь эквивалентной плоской антенны с равномерным амплитудно-фазовым распределением, обладающей тем же максимальным значением коэффициента направленного действия , что и данная антенна.

Для антенны в режиме приема эффективная площадь антенны (используется также термин эффективная поверхность антенны ) характеризует способность антенны собирать (перехватывать) падающий на неё поток мощности электромагнитного излучения и преобразовывать этот поток мощности в мощность на нагрузке (с точностью до КПД антенны и качества согласования антенны с нагрузкой).

Эффективная площадь антенны

P {\displaystyle P} , Вт - максимально возможная мощность, выделяемая в нагрузке данной антенны; Π {\displaystyle \Pi } , Вт/м 2 - плотность потока мощности плоской волны в месте расположения антенны. Эффективная площадь антенны как коэффициент пропорциональности между P и П аналогична действующей высоте антенны как коэффициенту пропорциональности между амплитудой напряженности электрического поля [В/м] падающей на антенну плоской волны и амплитудой ЭДС [В] на клеммах антенны.

Из-за неравномерного амплитудно-фазового распределения и дифракции радиоволн на антенне эффективная площадь антенны всегда меньше её геометрической площади (площади апертуры антенны). Электромагнитные волны со слишком большой (по сравнению с размерами антенны) длиной волны огибают антенну, при слишком короткой длине волны сказываются погрешности изготовления антенны. Поэтому считается, что рабочий диапазон длин волн λ антенны 20 σ < λ < 1 20 D {\displaystyle 20\sigma <\lambda <{\frac {1}{20}}D} , где σ {\displaystyle \sigma } - погрешность выполнения поверхностей антенны, D {\displaystyle D} - диаметр апертуры. За границами этого диапазона длин волн эффективная площадь антенны резко падает .

Отношение площади апертуры антенны к эффективной площади антенны называется коэффиициентом использования поверхности (КИП) антенны. То есть эффективная площадь антенны пропорциональна площади апертуры антенны и КИП. Для максимизации энергетических характеристик (КНД) антенна проектируется таким образом, чтобы её эффективная площадь была максимальной, что при ограничении на площадь апертуры антенны (при ограничении на габаритные размеры антенны) достигается максимизацией КИП. Для этого стремятся обеспечить равномерное амплитудно-фазовое распределение.

Эффективная площадь связана с диаграммой направленности (ДН) антенны и её КНД:

Эффективный телесный угол; A (θ , φ) {\displaystyle A(\theta ,\varphi)} - нормированная к своему максимуму ДН антенны; D 0 {\displaystyle D_{0}} - максимальное значение КНД антенны.

Коэффициент усиления антенны

Рассмотрим теперь, как влияют направленные свойства антенны на величину интенсивности сигнала в точке приема.

Пусть в некоторой точке А размещена ненаправленная передающая антенна, которая в удаленной точке В создает сигнал Е 1 (рис. 7). Диа­грамма направленности такой антенны в плоско­сти чертежа будет окруж­ностью. Если сигналы, из­лучаемые антенной А, бу­дут приниматься только Е точке В, то энергия, излу­ченная во всех иных на­правлениях, кроме направления на точку В, будет затрачена зря, так как в точку В она не попадет.

Поставив в точке А направленную антенну, ориентиро­ванную максимумом излучения на точку В, мы, не меняя мощности передатчика, увеличим сигнал в точке В за счет той энергии, которая раньше бесполезно излучалась в дру­гих направлениях.

Таким образом, для корреспондента, находящегося в пункте В, направленная антенна будет обладать усилением по сравнению с ненаправленной ан­тенной.

Поэтому направленные свойства антенн, помимо диа­грамм направленности, характеризуются еще одной из двух величин - коэффициентом направленного действия (сокращенно КНД) или коэффициентом усиления (сокращенно К а).

Коэффициент усиления антенны К а равен произведению от умножения ее коэффициента направленного действия (КНД) на коэффициент полезного действия (КПД):

К а = КНД · КПД.

У идеальной антенны, лишенной потерь (КПД = 1), вели­чины К а и КНД совпадают.

Так как К а более полно характеризует антенну с энергетической стороны, то им обычно чаще всего и пользуются на практике.

Коэффициент усиления антенны - величина относительная, которая равна квадрату отношения напряженностей полей, создаваемых в точке приема при прочих равных условиях данной антенной и другой антенной, при­нятой за стандартную. Иначе говоря, коэффициент усиления показывает, во сколько раз нужно уменьшить подводимую мощность, если стандартную антенну заменить данной антенной, сохраняя при этом неизменной интенсивность при­нимаемого сигнала.

На сверхвысоких частотах в качестве «стандартной» ан­тенны для удобства чаще всего берется так называемый изотропный излучатель, равномерно излучающий во всех направлениях. Пространственная характеристика направленности этой антенны должна иметь вид шара. Однако реально такой антенны не существует. Самая про­стейшая антенна, применяемая на практике, - полуволновый вибратор - уже обладает направленными свойствами: ее пространственная характеристика направленности имеет вид тора (рис. 8). На этом рисунке показан случай, когда ось вибратора совпадает с осью 0Z.

Из рис. 8, на котором для наглядности изъята одна чет­верть тора, видно, что диаграмма направленности полувол­нового вибратора в плоскости, перпендикулярной его оси (экваториальная плоскость), имеет вид окружности, т. е. вибратор в этой плоскости ненаправленный.

Во всех других плоскостях, проходящих через ось вибра­тора (через ось OZ), диаграммы направленности имеют вид восьмерки, т. е. в направлении оси вибратора расположен нуль диаграммы направленности.

Расчеты показывают, что по отношению к ненаправлен­ной антенне коэффициент усиления полуволнового вибра­тора равен G λ/2 = 1,64.

Заметим, забегая несколько вперед, что коэффициенты усиления многих антенн, применяемых на сверхвысоких ча­стотах, доходят до тысячи и даже нескольких тысяч.

У антенн с незначительными побочными лепестками при­ближенное значение величины коэффициента усиления ан­тенны может быть вычислено по известным углам раствора главного лепестка диаграммы направленности в вертикаль­ной и горизонтальной плоскостях:

G @ 35000/θ 0 · Ф 0 (5)

где θ 0 и Ф 0 - ширина главного лепестка в градусах между точками половинного значения мощности, измеренная соот­ветственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Из формулы (5) видно, что К антенны обратно пропор­ционален произведению углов раствора главного лепестка и, следовательно, равноценные по усилению антенны будут иметь одинаковые произведения углов раствора. Так, напри­мер, две антенны, у одной из которых θ 0 = 1,5° и Ф 0 = 20°, а у другой θ 0 = 5° и Ф 0 = 6°, будут иметь одинаковое уси­ление, несмотря на сильное различие их пространственных характеристик направленности.

Приведенный пример показывает, что знания только одной величины К еще недостаточно для того, чтобы оха­рактеризовать направленные свойства той или иной антенны.

Коэффициент усиления G антенны и ее диаграммы на­правленности зависят от геометрических размеров излучаю­щего отверстия, а именно:

G = 4p·S эфф /λ 2 (6)

где S эфф - эффективная площадь излучающего отверстия антенны;

λ 2 - квадрат длины волны в тех же единицах, что и S,

В литературе, особенно иностранной, часто коэффициет усиления выражают в децибелах, т. е. вместо значения G. даваемого формулой (6), приводят его удесятеренный лога­рифм:

G|db| = 10 lg(4p·S эфф /λ 2)(7)

На рис. 9 зависимости (6) и (7) представлены графиком, на котором по горизонтали отложена величина эффективной площади излучающего отверстия в квадратных длинах волн S эфф /λ 2 , а по вертикали слева даны величины коэффи­циента усиления G.

Дополнительная шкала справа на рис. 9 дает соответ­ствующие значения коэффициентов усиления в децибелах.

У приемных антенн величину коэффициента усиления иногда выражают через так называемую поверхность погло­щения Q эфф.

G = 4p· Q эфф /λ 2 (8)

В силу «обратимости» антенны ее коэффициент усиления остается одним и тем же как при работе на передачу, так и при работе на прием, поэтому Q эфф = S эфф

Отношение эффективной площади излучающего отвер­стия S эфф к геометрической S r называется коэффициентом использования поверхности (сокращенно КИП) излучающего отверстия или раскрыва антенны и обозначается буквой γ.

γ = S эфф / S r = Q эфф /Q г (9)

Максимальное значение γ равно единице, что достигается лишь в том случае, когда в раскрыве антенны образуется плоская электромагнитная волна с одинаковым (однородным) распределением амплитуд.

Рис.9. График зависимости коэффициента усиления антенны

от размеров ее излучающего отверстия.

У реальных антенн либо из-за отклонения волны от пло­ской, либо вследствие трудностей получения однородного распределения амплитуд поля в раскрыве антенны коэффи­циент γ оказывается меньше единицы.

Приемная антенна улавливает свободные радиоволны и пре­образует их в связанные волны, подводимые с помощью фидера к приемнику. В соответствии с принципом обратимости антенн свойства антенны, работающей в режиме передачи, не изме­няются при работе этой антенны в приемном режиме.

Передающая антенна преобразует энергию токов вы­сокой частоты, вырабатываемых передатчиком, в энергию свободных радиоволн и распределяет ее определенным образом о пространстве. Приемная антенна преобразует энергию свободных радиоволн, приходящих с определенных по отношению к ней направлений, в энергию токов высокой частоты на входных элементах приемного устройства.

Радиопередатчик с антенной, среда распространения радиоволн и радио­приемник с антенной образуют систему радиосвязи (радиолинию). Связующим элементом здесь является среда, область пространства (радиотрасса), в которой происходит распространение радиоволн.

Наряду с полезным сигналом на приемную антенну могут воздействовать посторонние сигналы - помехи. Надежность прохождения радиоволн, несущих полезный сигнал, «а пути от передающей до приемной антенн определяет устой­чивость работы радиолинии.

Радиоволны могут распространяться в атмосфере, вдоль поверхности земли, в толще Земли и космосе. В однородной (или слабо неоднородной) среде радиоволны распространяются по прямолинейным (или почти по прямолиней­ным) траекториям. Это прямые радиоволны. С их помощью можно осущест­вить радиосвязь лишь при наличии прямой геометрической видимости между антеннами корреспондентов.

Дальность прямой видимости ограничена сферичностью земли и неровно­стями ее рельефа. В отсутствие прямой видимости радиоволны попадают в пункт приема вследствие дифракции, отражения и рассеяния радиоволн. Эти «явления обусловлены влиянием поверхности земли, неоднородностями тропо­сферы и ионосферы.

На пути движения волны происходит поглощение ее энергии в полупрово­дящей земле. К этому добавляется ослабление волны за счет дифракции, вы­званной наличием препятствий на пути ее распространения.

В диапазоне УКВ для уменьшения потерь в земле и увеличения" дальности прямой видимости антенны устанавливают на опорах (мачтах). На дальность распространения УКВ оказывает влияние тропосфера. При некоторых метеоро­логических условиях возникают области, обеспечивающие распространение УКВ на значительные расстояния.

Условия "распространения радиоволн, наличие помех, мощность передатчика, эффективность антенн, качество фидеров и т. п. определяют надежность работы радиолинии и делают задачу многопараметрической.