Теория радиоволн: антенны

    image

    Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
    Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.


    Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.

    Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.

    Антенны

    Симметричный вибратор

    image

    В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.

    Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
    Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
    Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.

    Диаграмма направленности симметричного вибратора

    image

    В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
    В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
    Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.

    В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:

    image

    Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.

    Несимметричный вибратор

    image

    Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
    В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.

    Диаграмма направленности следующая:

    image

    Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
    Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.

    Наклонная V-образная

    image

    Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
    Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V

    image

    Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.

    Антенна бегущей волны

    Также имеет название — антенна наклонный луч.

    image

    Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
    Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.

    image

    Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
    В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:

    image

    image

    Антенна волновой канал

    image
    Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.

    Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.

    За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:

    image

    Рамочная антенна

    image

    Направленность — двулепестковая

    image

    Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.

    Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:

    image

    Логопериодическая антенна

    Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.

    image

    Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
    Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
    Диаграмма направленности следующая:

    image

    Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.

    image

    Поляризация

    Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
    Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.

    image
    image

    Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
    К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.

    Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
    Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
    При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.

    При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.

    Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.

    PS:

    Данная статья обрисовывает лишь небольшую часть антенн и не претендует на замену учебнику антенно-фидерных устройств.
    Поделиться публикацией

    Комментарии 45

      +3
      Ждем статью изготовление и упрощенный расчет антенн дома.

      Интересная статья, но хотелось бы по больше практических знаний скажем для радио любителей и скажем готовые расчеты для типовых антенн для свободных(без лицензионных) частот 433/868/2400 МГц.
        +1
        статья обзорная, постарался охватить определенный диапазон устройств. изготовление антенн — это все же тема немного другого обсуждения. Спасибо за мнение.
          +2
          Я согласен с HunterSpy. Было бы неплохо увидеть какой-нибудь DIY расчет и сборку антенны. А еще, какой-нибудь цикл статей, где вы собираете приемник-передатчик, связываете это с каким-нибудь девайсом или компьютером :)
          Но это, как говорится, up to you :)
          +1
          Еще, пжалста, примите нижайший реквест на рассчет антенн 1700,1800-2200МГц(GPS, GSM/UMTS). Неплохо было бы раскрыть тему кантенн на 1800-2200.
            0
            Погугли на тему cantenna.
            0
            Так есть же софт вроде LabView, и этого добра пруд пруди. Сконструировал антенну, он тебе все частотные характеристики покажет, вроде там и оптимизация есть.
              0
              Тогда уж, скорее, что-то вроде Microwave Office. Но, наличие софта требует еще и понимание предмета, иначе невозможно пользоваться САПРом, насколько бы хорош он ни был.
                0
                скорее уж microwave studio, office для цепей
              0
              на 433 поищите на радиосканнер.ру материалы, там их полно, да mmana можно скачать и подобрать нужную антенну
              0
              Спасибо за статью, для обзора и общего понимания — вполне достаточно.
              Я в данный момент занимаюсь робототехникой с параллельным управлением через радио, Wi-Fi, 2G/3G/LTE, разместить много антен — всегда проблема. Статья помогла освежить и дополнить знания, и возможно, поможет решить существующие проблемы теперь более эффективно.
                0
                Спасибо вам за интерес.
                +2
                Ошиблись в волновом канале:
                Здесь: 1 — рифлектор, 2 — активный вибратор, 3 — директоры
                Правильно так:
                1- фидер, 2-рефлектор, 3 — активный вибратор, 4- директоры.
                  0
                  Тьфю, сам проглядел:
                  1- фидер, 2-рефлектор, 4 — активный вибратор, 3- директоры.

                  Странная нумерация на картинке :)
                    +1
                    Еще вернее так: 1 — кабель питания; 2 — рефлектор; 3 — директоры; 4 — активный вибратор. Спасибо исправил.
                      +2
                      Думаю ваш следующий шаг — это антенные решетки, ФАР, АФАР и MIMO
                        +1
                        надеюсь на серию статей.
                    +3
                    Стоит отметить, что антенна круговой поляризации принимает сигнал линейной поляризации (как вертикальной, так и горизонтальной) с потерей 3dB (т.е. вдвое хуже сигнал), но за то мы теперь не зависим от ориентации антенны — т.е. это не бесплатная фича.
                      0
                      конечно в википедии я бы этого не нашел! но расскажите пожалуйста о? преимуществах? ртутных антенн? какие антенны используются для работы на субмиллиметровых волнах?
                        0
                        Помнится один товарищ собирал у нас на кафедре нанометровую фару.
                        +1
                        Никогда не мог понять природы поляризации. Да что уж там, корпускулярно-волновую теорию можно только принять, не понять :(
                          +2
                          Вот в этом видео есть наглядное представление (Во второй половине)
                          www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=PYojUagEBhA
                          Собственно суть в движении вектора электрического поля Е в пространстве.
                            +1
                            Черт возьми, какие качественные в плане восприятия делали раньше фильмы.
                            Ещё в старших классах средней школы нам, помню, этот фильм показывали. В свое время это сильно помогло при изучении курса электроники в университете.
                          0
                          А для наглядности можно на пальцах объяснить как рассчитываются Wi-Fi антены из банки из под кофе?
                          P.S.: для особо тупых, если можно:)
                            –1
                            Я первый! уже просил выше, но про GSM/UMTS.
                            +3
                            А расскажите нам ещё о фазированных антенных решётках
                              +3
                              Я разочарован. Под таким заголовком рассчитывал найти не куцую перепечатку из учебника, а «доходчивый расклад на пальцах» сложных вещей. Где ж тут теория радиоволн?
                              Просто перечислены типы антенн почти без попыток объяснения принципа действия.
                              Исправьте заголовок на что-то вроде «какие бывают антенны».
                                +1
                                Не могу плюсовать, присоединяюсь голосом. Явно не хватает объяснения понятия коэффициента усиления антенны for dummies, и информации, что полезного можно почерпнуть из диаграммы направленности. Нужные живые примеры: как могут наушники быть антенной для приема FM-радиостанций (как-то подбирается длина шнура?), как делают антенны WiFi из банок для кофе и т.п.
                                «Лучшее — враг хорошего»
                                  0
                                  информации, что полезного можно почерпнуть из диаграммы направленности
                                  Куда самый узкий лепесток вытянут — туда основная мощща передатчика и бьёт

                                  как могут наушники быть антенной для приема FM-радиостанций (как-то подбирается длина шнура?)
                                  вопрос непонятен, потому и ответ такой: длина никак не подбирается, для fm-диапазон (88-108 МГц) достаточно длины проводника около 1м. А наушники служат антенной, т.к. просто заведены на УВЧ приёмника.

                                  как делают антенны WiFi из банок для кофе
                                  Хм, руками и инструментом?
                                    0
                                    «Он долго думал, его ответ абсолютно точен и абсолютно бесполезен, значит он — математик»
                                    Суть моего сообщения — указание на несоответствие заголовка и содержимого поста. А точнее на несоответствие поста моим ожиданиям, основанным на заголовке этого поста и содержимом первого поста из цикла.
                                      0
                                      ясно, я статью не читал, т.к. многие моменты из неё мне известны :)
                                +2
                                Симметричный вибратор
                                В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен длине волны(1/2 или 1/4)
                                Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
                                Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 1,5 метра.

                                Когда-то интересовался телевизионными и УКВ-радиовещательными антеннами. Что-то не припомню, чтобы где-либо рекомендовались симметричные вибраторы общей длинной отличной от половины длинны волны. На картинке в статье изображен полуволновой разрезной вибратор, где четко указана его длина — λ/2, где λ-это длина волны.

                                Точно помню, как сам делал радиоантенну для УКВ радио на 88-107МГц, то брал за середину 100МГц, (с усилителем и приемником Т-7111 слушал рижские FM-радиостанции на удалении 150Км «в яме») общая длина вибратора получалась 1,5м (длина волны(м)=300/частота(МГц))

                                Нынче термин«Волновой канал» редко встречается, чаще такие антенны называют «яги» или Yagi.
                                  +1
                                  Диаграммы симетричного вибратора, в зависимости от длины уса

                                  image
                                    0
                                    Согласен с замечанием, при длине 2 лямда, диаграмма будет не оптимальная. Исправил.
                                      0
                                      Яна — по имени изобретателя, принято во всем мире, а волновой канал — больше в нашей стране принято.
                                        0
                                        Яна — по имени изобретателя

                                        Яги (Yagi) или (Uda-Yagi) Уда-Яги по имени изобретателей Shintaro Uda и Hidetsugu Yagi (японцы).
                                          0
                                          Ошибся я в одной букве :)
                                      +2
                                      Очень полезной была бы статья по расчету основных типов антенн.
                                        0
                                        Расчет каждой антенны уникален и потянет на отдельную статью. Прост привести сухие формулы без пояснения принципа действия данной антенны будет очень и очень нецелесообразно.
                                        Так что реквестирую список антенн которые вы хотите рассчитывать.
                                          0
                                          Я не гуру антенной техники, но интересуюсь вопросами принципов работы и изготовления антенн.
                                          Для начала было бы интересно послушать как можно получить КУ штыря (который идет к роутерам) порядка 15 dBi.
                                          А так же интересна лекция по поводу выбора того или иного типа антенны.
                                            0
                                            КУ вы уже написали — 15 dBi
                                            dBi — коэффициент усиления в децибелах по отношению к не направленной антенне (изотропной).
                                            А выбирать готовую антенну нужно по следующим параметрам
                                            1) Коэффициент усиления — чем больше тем лучше
                                            2) Раскрыв главного лепестка в горизонтальной и вертикальной плоскости (указывается в градусах, направление максимально излучения). Тут выбирать исходя из задач и размещения, так же следует помнить, что чем уже луч — тем больше КУ.
                                            3) Рабочая полоса частот (должна соответствовать полосе частот сигнала)
                                            4) входное сопротивление антенны (должно быть точно равно выходному сопротивлению передатчика). В случае рассогласования входного и выходного сопротивлений, в лучшем случае снизится эффективность антенны, в худшем можно повредить выходные каскады передатчика.

                                            Для Wi-Fi бытовых антенн последние два параметра по умолчанию согласованы с сетевыми картами (разве что диапазон придется выбрать 2,4 или 5 ГГц, но последний в Украине запрещен, не знаю как у вас). Так же следует помнить, что Wi-FI карта — это приемопередатчик и кроме антенны обращать внимание на мощность передатчика и чувствительность приемника (обычно задаются в dBm (дБм), чем больше первое и чем меньше второе — тем выше качество сигнала получится в итоге.
                                              0
                                              Это основы. Я их знаю.
                                              Мне больше интересно как получить КУ Wi-Fi антенны в виде длинного штырька (длинной порядка 40-50 см) равным 15 dBi. Я понимаю что там внутри не один цельный штырь. Ведь у диполя КУ 2.1 dBi, емнип.
                                                +1
                                                Думаю это больше вопрос к ТС, а для удовлетворения вашего любопытства могу сказать, что Wi-Fi штырь — это не совсем штырь и не диполь — это коллинеарная антенна, КУ у такой антенны может достигать 16dBi. Если объяснять на пальцах — это несколько последовательных штырей разделенных индуктивными кольцами таким образом, чтобы питание каждого штырька было синфазным. Вот неплохая картинка по поводу.
                                                image
                                                Также в виде штырей могут быть спиральные антенны (правда размеры у них другие 100-150 мм диаметр и 2-3 м длина) — это уже направленная антенна точка точка, с очень узким лучем. «Бьет» такая антенна километров на 5-10.
                                                  0
                                                  Благодарю! А их какой это книжки?
                                                    0
                                                    это с сайта: ссылка
                                                    вот здесь описана самодельная антенна на этом принципе. КУ 5-6 dBi
                                        +1
                                        По расчетам антенн, могу добавить вот что:
                                        Наш замдекана (человек всю жизнь посвятивший антеннам, их расчету и преподаванию соответствующей специальности в ВУЗе, недавно вышедший на пенсию) потратил на расчет относительно несложной логопериодической антенны для телевизионного диапазона большую половину своей карьеры. Это о чем-то да говорит.
                                        Просто в этом деле (как в прочем и везде «просто было на бумаге, да забыли про овраги, а по ним ходить» (с). Первый его образец рассыпался в суровом приморском климате (тогда еще братской нам) Кубы за 2 дня, потом прошли годы поисков и усовершенствований и так далее и т. п. проблемы.
                                        Посчитать что-нибудь эдакое для себя конечно интересно, и сделать то-же, но возлагать на этот расчет (выполнены по академическим формулам, и проверенный в САПР) большие надежды я не рекомендую, так как существует еще куча параметров вообще никак не относящихся к ЭМ волнам и радиоэлектронике, учесть которые без опыта в этой области практически невозможно. Для примера: конструктивная прочность, конструкция крепления, изоляция антенны от несущей конструкции, противостояние агрессивному климату, парусность, нагревание и уход параметров излучателя (для параболических антенн) под воздействием солнечного света, и еще десятки и сотни таких вот нюансов.

                                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                        Самое читаемое