Лекция №2 Антенналардың тағайындалуы және оның жіктелуі.

Лекция жоспары:

· антенналардың құрылымы мен жұмыс істеу принципі туралы жалпы түсінік;

· антенналардың кластарға жіктеуі;

· антенналарды жұмыс диапазонының еніне қарай бөлінуі.

Антенна деп электромагнитті толқынды қабылдауға немесе сәулелендіруге арналған радиотехникалық құрылғыны айтамыз. Антенна радиотолқындарды қабылдайтын немесе сәулелендірумен байланысты кез келген радиотехникалық жүйелердің негізгі элементтері болып табылады. Бұндай жүйелерге мыналар жатады: радиобайланыс жүйелері, радиохабар, теледидар, радиобасқару, радиорелелік байланыс, радиолокациялар, радиоастрономиялар, радионавигациялар және т.б.

Антенна құрылымдық жағынан сымдар, металды сырттар, диэлектриктер, магнитті диэлектриктер болып табылады. Тиімді сигналмен модулденген жоғары жиілікті электромагнитті ауытқу таратушы антеннадан кеңістікке сәулеленетін электромагнитті толқынға түрленеді. Әдетте, электромагнитті ауытқулар таратқыштан (передатчик) антеннаға тікелей емес фидер арқылы өтеді. Қабылдағыш антенна таратылған радиотолқындарды қабылдап, оларды фидер арқылы қабылдағыш құрылғының кірісіне түсетін электромагнитті ауытқуларға түрлендіреді. Антенналардың айналғыштық қағидатына сәйкес тарату режимінде жұмыс істейтін антеннаның қасиеті қабылдау режимінде жұмыс істегенде өзгермейді.

Антеннаның электромагниттік толқынды бір түрден екінші түрге түрлендіру энергияны минималды жағалтумен орындалуы тиіс, яғни мына формуламен жүргізілетін мұнда P∑ - антеннадан сәулеленетін қуат, P₀ - антеннаға келістірілген қуат, таратқыш режимде анықталатын КПД-ның максималды мүмкіндігімен орындалуы тиіс.

Антеннаның әртүрлі бағыттарда әртүрлі интенсивтілігі бар электромагниттік толқындарды сәулелендіру мүмкіндігі оның бағытталған қасиеттерімен, яғни бағыттылық диаграммасымен (БД) сипатталады.

Қысқа БД бар антенналар таратқыштың (передатчик) қуатын ұлғайтпай-ақ қабылдау нүктесінде поляның кернеуін ұлғайтуға көмектеседі. Көптеген жағдайларда бұл таратқыштың қуатын ұлғайтқаннан гөрі экономикалық жағынан тиімді болып келеді. Бұдан басқа, талап етілген бағыттарда электромагниттік толқындардың концентрациясы әртүрлі радиотехника жүйелерінің өзара кедергілерін азайтуға мүмкіндік береді. Бағытталған қабылдағыш антенналардың болуы әртүрлі сыртқы кедергілердің қабылдалуының әлсіздеуіне алып келеді, яғни қабылдау құрылғысының кедергіден қорғалуының ұлғаюы және қабылдау сапасының көтерілуіне алып келеді. Үлкен бағытталған қасиеттермен ғарыштық радиобайланыс, радиоастрономия, радиолокация, радиорелелік линиялар үшін арналған антенналар ие болуы керек.

Сонымен қатар, радио мен телевидения үшін таратқыш антенналарда тік тегістікте бірдей сәулеленуі болуы керек.

Бағытталған қасиеттер, антеннамен атқарылатын екі функция да маңызды болып келеді. Олар:

· электромагниттік ауытқуларды бос электромагниттік толқындарға түрлендіру;

· осы толқындардың белгіленген бағыттарға сәулеленуі.

Антенналық құрылғының жұмысында маңызды рөлді электромагниттік энергияны генератордан анатеннаға беретін қоректендіру линиясы (фидерлік тракт) атқарады. Фидер электромагниттік толқындарды сәулелендірмеу керек және де минималды жоғалтулары болуы керек. Оны міндетті түрде таратқыштың шығыс тізбегімен (немесе қабылдағыштың кіріс тізбегімен) және антеннаның кіріс кедергісімен келістіру керек, яғни фидерде толқынның жүгіргіш режимі болуы тиіс.

Радиотолқындардың диапазонына қарай фидерлердің әртүрлі типтерін қолданады. Олар екі сымды немесе көп сымды әуелік фидерлер, симметриясыз коаксиалды линиялар, толқын арналарының әртүрлі типтері және т.б.

Антенналардың жіктелуін сәулелену полясын қалыптастыру тәсілі арқылы келесі антенналардың төрт классын көрсете отырып жіктеуге болады:

Орташа өлшемді сәуле шығарушы (λ ≤ λ, мұнда λ-толқын ұзындығы) 10кГц-1ГГц жиілік диапазоны үшін арналған. Бұл класстағы антенналар қатарына дара вибраторлы және щелдік сәуле шығарушы, жолақты және микрожолақты антенналар, рамалы антенналар, сондай-ақ жиілікті-тәуелсіз сәуле шығарушы жатады.

Жүгіргіш толқынды антенналар. Олар 3МГц-10ГГц жиілік диапазоны үшін λ-100 λ өлшемді болып келеді. Оған спиралді, диэлектрлік, директорлық, импедакстік антенналар, сондай-ақ «туындайтын» толқынды антенналар жатады.

Антенналық торлар. Олар 3МГц-30ГГц жиілік диапазоны үшін λ-100 λ және одан да көп өлшемді болып келеді. Бұл көп жеке сәуле шығарғыштардан тұратын антенналар. Антенналық тордың әр элементінің тәуелсіз қоздырғыш фазасының реттелуі бағытталу диаграммасын электрлік басқару мүмкіндігін қамтамасыз етеді. Онда сызықты, тегіс, сақиналы, дөңес және конформды антенналық торлар қолданылады. Антенналық торлар негізінде сигналды өңдеуі бар, сондай-ақ кедергі жағдайда өзгеретін бейімделген (адаптивный) жұмысын антенналық жүйелер атқарады.

Апертурлы антенналар. Олар 100МГц-100ГГц және одан жоғары жиілік диапазоны үшін λ-1000 λ өлшемді болып келеді. Ең көп тараған апертурлы антенналар – айналы, рупорлы және линзалы. Апертурлы антенналарға антенналық тор түріндегі сәулелену жүйесінің айнамен немесе линзамен үйлесетін «гибритті» антенналар жанасады. Апертурлы антенналар оптикалық принциппен құрастырылады және сәулеленудің жоғары бағытталуын қамтамасыз етеді.

Антеннаның бағытталу қасиетін бағытталу диаграммасымен суреттейді. Сандық жағынан бұл қасиеттер мынандай параметрлер арқылы бағаланады: ДН ені, бүйір желектердің деңгейі, бағытталған әрекеттің коэффициенті (БӘК) және т.б. Маңызды параметрі болып генераторға немесе фидерға салмақ ретінде сипатталатын антеннаның кіріс кедергісі болып табылады. Антеннаның кіріс кедергісі деп антеннаның қоректену нүктесінен осы нүктелердегі нүкте арасындағы кернеудің ара қатынасын айтамыз. Егер антенна толқын арнасымен қоректенсе, онда кіріс кедергісі толқын арналы тракта туатын шағылыстармен анықталады. Жалпы алғанда кіріс кедергісі Z_вх=R_вх+іХ_вх комплексті шама болып келеді. Ол жүгіргіш толқынды режиміне жақын соңғы режимді қамтамасыз ететіндей етіп, фидерлік трактың толқынды кедергісімен келісілген болуы тиіс.

P_∑ антеннасынан сәулеленетін қуат қатынасымен анықталатын антеннаның қоректену нүктесіндегі токпен байланысқан. Бұл қатынас сымды антенналарға жатады.

Антеннаның негізгі параметрі оның жұмыс жолағы жиілігінің ені болып табылады. Ол бойынша антеннаның параметрі белгілі техникалық талаптарды қанағаттандырады. Жұмыс жолағы бойынша антеннаның параметрлер тұрақтылығына талаптар әртүрлі болуы мүмкін, олар жұмыс шартына байланысты болып келеді. Әдетте, жұмыс жолағы жиілігі жиілік өзгергенде бәрінен бұрын белгіленген шектен шыққан параметр маңызымен анықталады. Көп жағдайда мұндай параметр антеннаның кіріс кедергісі болып табылады. Оның өзгеруі жиілік өзгергенде антенна мен фидердің келіспеушілігіне алып келеді. Көп жағдайларда жұмыс диапазонының ені параметрлердің біреуінің нашарлауымен анықталады, яғни бағыттайтын қасиеттерді сипаттайтын: максималды сәулелену бағытталуының өзгеруі, ДН-ның ұлғаюы, КНД-ның кемуі және т.б. Жұмыс диапазонының еніне байланысты антенналар шартты түрде мыналарға бөлінеді:

Қысқа жолақты (бағытталған), яғни номиналды жиілігі 10%-дан аз болып келетін салыстырмалы жұмыс жолағы;

Кең жолақты, яғни 10-50% дейінгі жұмыс жолағы жиілігі бар;

Диапазонды, яғни жиілікті жабу коэффициенті - 2-5 дейін болып келеді;

Жиілікті-тәуелсіз (өте кең жолақты), яғни жабу коэффициенті, теориялық жағынан жиілікке тәуелсіз 5.

Тағы бір параметрі шеткі қуат, оны антеннаға қирауына және қоршаған ортаның ойық болуына қауіптенбей-ақ көтеруге болады. Сондай-ақ антеннаның поляризацияланған қасиетін сипаттайтын параметрлері де бар. Бұл курста мынадай антенналар диапазоны қарастырылады: ми-риаметрлік немесе өте ұзын толқынды (λ=10-100км); километрлік немесе ұзын толқынды (λ=1-10км); гектометрлік немесе орташа толқынды (λ=100-1000м); декаметрлік немесе қысқа толқындар (λ=10-100м); метрлік толқындар (λ=1-10м); дециметрлік толқындар (λ=10см-1м); сантиметрлік толқындар (λ=1-10см); миллиметрлік толқындар (λ=1-10мм). Соңғы төрт диапазон «ультрақысқа толқынның» (УҚТ) жалпы аты болып табылады.

Бақылау сұрақтары:

1. Антенналық жүйелерге нені жатқызуға болады?

2. Антенналардың жіктелу кластарын атап беріңіз?

3. Антеннаның негізгі параметрлері қандай?