Статья опубликована в №31 (март) 2016
Разделы: Электротехника, Телекоммуникации, Техника, Электроника
Размещена 30.03.2016. Последняя правка: 03.04.2016.
Просмотров - 9031

Эволюция развития и основные характеристики антенно-фидерных устройств

Степанова Таисия Александровна

Магистр

Севастопольский государственный университет

Институт радиоэлектроники и информационной безопасности, кафедра «Физика»

Симченко Сергей Владимирович, ассистент кафедры физики Бердянского государственного педагогического университета.

УДК 621.396.67

В настоящее время происходит бурное развитие электромагнитной радиосвязи всех видов. Мы живём в то время, когда информация распространяется с небывалой ранее скоростью. Немногим более ста лет назад передача информации с одного континента на другой в режиме реального времени считалась не более чем фантастикой. На сегодняшний день новости передаются с космической скоростью. Наверняка многие забыли, что отправной точкой в революции передачи данных стало изобретение радиосвязи великим русским учёным Александром Степановиче Поповым в 1859-1906 гг. (рис.1).

 

 

Рис.1 Первый в мире радиоприёмник

 

Изобретение радио позволило сделать прорыв в решении проблемы скорости передачи информации. Однако современный человек не только передаёт информацию на громадные расстояния в звуковом формате, но и в формате видеоизображения. Среди всех видов связи наиболее стремительное развитие получила мобильная сотовая связь. Эта максимально удобная и наиболее широко востребованная возможность для передачи информации. Именно здесь активнее всего используются высокие и сверхвысокие  частотные диапазоны, лежащие в области от сотен мегагерц до десятков гигагерц. Современные тенденции востребованности средств связи как в быту, так и в промышленном, военном спектре предполагают эргономичность используемых устройств. Таким образом, определяющим является размер приёмо-передающей аппаратуры. В настоящее время возникло стремление максимально уменьшать устройства связи, миниатюризировать аппаратуру, которая используется в радиосвязи и антенных устройств к ней. В настоящее время актуальной является разработка всевозможных видов линий передач гигагерцевого диапазона. В связи с бурным развитием мобильной сотовой связи число пользователей неуклонно растёт, растёт нагрузка на передатчики, требуется разработка новых, более совершенных приёмо-передающих устройств: антенны с обработкой сигнала, цифровые антенные решётки, многолучевые антенны, фазированные и плоские (печатные) антенны на микрополосных линиях передач.

Антенно-фидерное устройство — это система состоящая из антенны и фидерного тракта, входящее в радиоэлектронное изделие или приёмо-передающий комплекс в качестве составной части. Назначение антенны состоит в излучении или приеме электромагнитных волн. Электрическое подключение антенны к потребителю или источнику возможно непосредственное либо при помощи линий передач, оснащённых радиочастотными соединителями, другими словами при помощи фидера. Функция фидера состоит в том, что бы передавать электромагнитные колебания от радиопередатчика к входу антенны и в обратном порядке.

Энергия свободных колебаний, которые распространяются в окружающем пространстве, преобразована передающей антенной. Она захватывает  энергию волн, которые по фидеру поступают от передатчика к антенне. Кроме излучения электромагнитных волн одной из основных функций антенны является обеспечение наиболее рационального распределения  энергии в пространстве. Диаграмма направленности – вот одна из основных характеристик передающих антенн. Данная диаграмма показывает зависимость излучаемого поля от положения точки наблюдения, неизменно находящейся на постоянно большом расстоянии от антенны. Требования к направленности антенны колеблются в очень широких пределах. В большинстве случаев на практике используют антенны с умеренной направленностью (радиовещательные системы, системы эфирного телевидения) и антенны с резко выраженной направленностью (системы ультродальней космической радиосвязи, системы радиолокации, радиоастрономии и пр.). Направленность антенны даёт возможность без увеличения мощности передающего устройства увеличить мощность поля, излучаемого в данном направлении, и одновременно уменьшить распространение поля и, кроме того радиоэлектронные  помехи соседним радиотехническим приборам и системам. Кроме того она решает проблему  электромагнитной совместимости. Направленность возможна только в том случае, когда размеры антенны значительно превышают длину волны колебаний.

Принимающая антенна улавливает энергию свободных колебаний и преобразует её в волновую энергию, поступающую по фидеру на вход приемника. Для приемных антенн диаграммой направленности является зависимость тока в нагрузке антенны или электродвижущей силы наводимой на входе приемника, от направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Наличие направленных свойств у приемных антенн даёт возможность не только увеличивать мощность выделяемую током в нагрузке, но и значительно уменьшать приём всевозможных помех, другими словами существенно улучшается качество приёма.

Любую передающую антенну можно использовать для приёма электромагнитных волн и наоборот, приёмную антенну можно использовать для передачи, однако из этого не следует, что они одинаковы по конструкции (рис.2).

 

 

Рис. 2 Конструкция, используемая для передачи или приема радиоволн

 

Ведущее значение в эксплуатации антенных устройств имеет фидер - линия передач, передающая энергию от генератора к антенне в режиме передачи или от антенны к приёмнику в принимающем режиме.

Важнейшим требованием к фидеру является его электрогерметичность, другими словами отсутствие излучения энергии из фидера и малые тепловые потери. В режиме передачи волновое сопротивление фидера должно быть согласовано с входным сопротивлением антенны, таким образом обеспечивается в фидере режим бегущей волны, с выходом передатчика – максимальная отдача мощности в нагрузку приёмника. В зависимости от диапазона радиоволн применяют различные типы фидеров. К ним относятся линии с поверхностной волной, волноводы прямоугольного, круглого или эллиптического сечений, двух или многопроводные воздушные фидеры и пр.

На всех этапах эволюции радио развитие антенной техники было тесно связано с развитием теории антенных устройств. Свою первую работу по экспериментальному доказательству существования электромагнитных волн Генрих Герц дополнил теоретическими изысканиями по излучению диполя. В процессе изобретения Александром Степановичем Поповым (1859-1906 гг.)  радио, приемная антенна была одним из основных элементов. Увеличить протяженность линии радиосвязи А. С. Попову помогло соединение антенны с вибратором Герца и приемным контуром. Это позволило не просто выйти радиосигналу за стены лаборатории учённого, но и основать новые физические науки: радиотелеграфию и радиотехнику.

Вся техника антенных устройств, начиная с открытия радио, прошла долгий и трудный путь. Со временем осваивались всё новые диапазоны волн,  появлялись новые антенные устройства, а старые всё более совершенствовались.

Для более точного понимания эволюции антенных устройств, можно разбить ее историю на 4 отдельных периода. Каждый из них будет характерен определёнными направлениями развития антенной и радиотехники.

1 период – подготовительный (начальный) развернулся в девятнадцатом веке. Яркими его представителями являлись такие светила физики мирового масштаба, как Майкл Фарадей (1791-1867 гг.), Джемс Кларк Максвелл (1851-1879 гг.) и Генрих Герц (1857-1894 гг.). Эти великие учённые поводили обширные, фундаментальные исследования в области электромагнетизма, которые являлись непосредственными предшественниками радио. Их научные труды позволяют считать этих гениальных учённых основоположниками электродинамики. Шли годы и на основании этой части науки со временем развилась теория и техника антенн.

Работы Майкла Фарадея охватывают различные области физики и химии. Среди них можно выделить открытие закона электромагнитной индукции (1851 г.), введение "диэлектрической проницаемости", открытие парамагнетизма и диамагнетизма, введение представления об электрических и магнитных силовых линиях.

Даже на данный момент теоретической основой электродинамики является уравнение Максвелла, хоть и в преобразованной, по сравнению с изначальной форме. Представление силовых линий Фарадея в математической форме позволил выразить "Трактат об электричестве и магнетизме" написанный Джеймсом Максвеллом в 1875 г. Вместе с несколькими более ранними его работами они так же установили связь между оптикой и электродинамикой.

Свою научную деятельность Генрих Герц посветил проверке теории Максвелла. Учённый применил характерный для себя метод решения, впоследствии названный методом вектора Герца, в работе "Силы электрических колебаний, рассматриваемые согласно теории Максвелла", написанной им в 1888 г. Там же показаны картины силовых линий диполя Герца (рис.3). Именно его экспериментальные работы по изучению электромагнитных волн явились предпосылкой к открытию радио.

 

 

Рис.3 Возникнове­ние электромагнит­ной волны, излучае­мой диполем Герца

 

2 период - начало развития радиотехники, развитие антенн для длинных и средних волн (1895-1924 гг.). Открытая заземленная антенна входящая в первые схемы приёмо-передающих устройств так же является  одним из элементов изобретения А.С. Попова.

В своих опытах Генрих Герц использовал колебательный контур для излучения электромагнитных волн. Попов же в своих исследованиях отделил антенну, сделав её отдельным элементом радиоустройства.  Длинные волны, создаваемые машинными генераторами, которые пришли на замену ультракоротким волновым колебаниям, генерируемые искровыми разрядниками снизили эффективность излучения, что привело к понижению актуальности антенной техники. Эффективность антенны повысили с помощью увеличения её высоты. Это открытие было сделано ещё в первые годы применения радиотелеграфа. Достигалась высота с помощью крепежа антенны к воздушному змею или шару, а также с помощью высоких мачт. Однако такие способы были далеко не идеальны. Увеличение мощности передатчика влекло за собой и увеличение токов в антенне, а также напряжения. В свою очередь это способствовало созданию коронных разрядов. Решили данную проблему заменой одиночного провода на систему параллельных или расходящихся проводов. Примером может служить  антенна мощной радиостанции Маркони. В 1901 г. она дала связь через Атлантический океан. Окончательный вид её был похож на опрокинутую четырёхгранную пирамиду, составленную из веерообразно расходящихся проводов, поддерживаемых четырьмя мачтами. Следующим шагом увеличения эффективности стало добавление горизонтальных проводов и уменьшения числа вертикальных. Горизонтальные добавленные провода не излучали сами, но способствовали лучшему распределению токов по вертикальной части антенны, что, в свою очередь, дало возможность увеличения мощности передатчиков. К антеннам с горизонтальной частью относятся Г-образная (рис. 4а), Т-образная (рис. 4б), с верхней емкостной нагрузкой (рис. 4в), а также зонтичная (рис. 4г), сохранившиеся до настоящего времени. Кроме того в то же время получила широкое применение рамочная антенна. Такая антенна состояла  из многих витков и делала реальностью направленный прием.

 

 

Рис.4  Наружные проволочные антенны: а – Г-образная, б – Т-образная, в – с верхней ёмкостной нагрузкой, г – зонтичная

 

Однако  у длинноволновых антенн мощность потерь в заземлении значительно превышала мощность излучения. Это случалось вследствие небольшой эффективности излучения, что приводило к тому, что длинноволновые антенные сооружения имели очень низкий коэффициент полезного действия. С целью решения этой проблемой велись интенсивные работы по уменьшению потерь в заземлении. Увеличения коэффициента полезного действия антенны до 10-30% и уменьшение сопротивление потерь до единиц и долей Ома смогли достигнуть, с помощью применения заземления, распределенного по большой площади, или широко развитого противовеса, расположенного над землей.

В 1920 г. американским радиоинженером Александерсеном была предложена и построена антенна (рис. 5), которая дала значительное увеличение коэффициента полезного действия. Строение антенны было следующим: длинная горизонтальная часть и несколько  вертикальных снижений, при чём  каждое из них со своим заземлением. Взаимное влияние вертикальных частей антенны приводит к увеличению общего сопротивления излучения.

 

Рис.5 Схема антенны Александерсена

 

Неоценимый вклад в развитие радиоэлектроники внесли советские учёные-физики: академики Академии наук СССР Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси. Они продолжили разрабатывать теорию и конструировать  антенны после А. С. Попова. Теорию излучающего диполя к несимметричной антенне смог применить Абрагам, тем самым заменив влияние хорошо отражающей земли второй половиной вибратора. Рюденберг смог получить формулу для определения волнового сопротивления излучения антенны, геометрические размеры которой меньше по сравнению с длиной излучаемой волны. Величину сопротивления излучения для антенны с произвольной нагрузкой на конце при синусоидальном распределении тока в ней нашел Ван-дер-Поль.

Развитие антенной радиотехники в СССР было неразрывно связанно и индустриализацией. Не только велись научные исследования и работы, но и выпускались научно-технические журналы. Один из них увидел свет в сентябре 1918 г. и назывался "Телеграфия и телефония без проводов". Это было значительным событием в научном мире того времени.  В журнале печатали различные авторские разработки, в том числе, по теории и расчету волновых антенн.

Логичным и весьма ярким окончанием этого этапа развития антенн стало открытие  в 1922-1924 гг. М. В. Шулейкина (1884-1939 гг.). Он смог создать вузовский курс радиосетей, как на то время именовались антенные сооружения. Этот научный труд задолго до зарубежных современников дал основные выкладки, формулы, методики инженерного расчета заземлений и антенн.

3 период - развитие коротковолновых антенн (1925-1935 гг.). В середине 20-х годов учёнными было открыто, что короткие волны  преодолевают большие расстояния на много лучше длинных. Дальнейшим прорывом в радиосвязи стало сооружение мощных коротковолновых радиостанций с направленными антеннами. При последующем изучении коротких волн была установлена не только возможность получить почти неограниченную дальность действия, но и значительные полосы частот, которые могут обеспечить передачу нескольких каналов быстродействующей телеграфии. Обширные возможности для антенной техники были открыты именно во время изучения и применения разработок базирующихся на использовании излучения коротких волн. Сложные антенные системы, размеры которых теперь могли варьироваться до несколько длин излучаемых ими волн, стали возможны теперь благодаря использованию коротковолновых адаптаций, в то время как раньше было возможно использование только длинноволновых антенн. Их геометрические характеристики могли достигать лишь доли длинны волны и принадлежали к одному типу - несимметричный вибратор с ёмкостной нагрузкой на конце. Для коротких волн основным элементом антенны стал полуволновый вибратор (рис. 6). Именно из таких вибраторов стали строиться ёщё большие антенные полотна, которые смогли обеспечивать высокую направленность.

 

Рис.6 Полуволновой вибратор

 

Через некоторое время был открыт факт периодичности в изменении состояния ионосферы, что повлекло за собой потребность смены длин волн на коротковолновых магистралях. В последствии, эта смена дала импульс в конструировании направленных антенн, которые бы смогли работать на нескольких частотах или перекрывающих значительный диапазон. Через некоторое время наибольшей популярностью пользовались ромбические антенны.

Далее стала проблема разработки сложных антенных систем, которые бы состояли  из многих вибраторов. Метод наведенных электродвижущих сил стал теоретическим базисом для их расчета. Данный метод был разработан, предложен, и внедрён в 1922 г. независимо друг от друга Д.А. Рожанским и Л. Бриллуэном. Однако он не был введён тогда же. Лишь  с 1928 г. он смог получить свое реальное применение. Этому предшествовали работы И. Г. Кляцкина и А. А. Пистолькорса. Теорию связанных контуров и длинных линий на многовибраторные антенны, которая, впоследствии, стала широко известной,  позволил распространить именно этот метод.

Первый этап развития коротковолновая техника завершила к 1955 г. На грани к предельно-допустимой направленность начинают давать  сложные приемо-передающие антенны, которые получили широкое распространение и применение во всём мире.

Широкое развитие радиовещания на средних волнах так же было характерно для рассматриваемого нами периода. Для результативного построения вещательных решались специфические задачи, возникшие не смотря на то, что основы идей были взяты в технике связных антенн длинных и средних частот. Эти задачи были связанные с приданием антенне антифединговых свойств и увеличением мощности и полосы частот. В то время особенную популярность смогли приобрести антенны сконструированные в виде высоких мачт и башен с электрической длиной, которая смогла превысить половину длины волны.

4 период - развитие антенн ультракоротких волн с 1935 г. Это время подготовки второй мировой войны послужило толчком к бурному развитию многих направлений науки, связанных с военно-промышленным комплексом. Технологическое превосходство в радиопередаче имело неоспоримое значение для достижения поставленных военных целей.  Кроме того в те времена происходило бурное развитие авиации, которое требовало наладки наилучшей связи между пилотами и наземными службами. И только радиосвязь могла быть использована в данной ситуации. Кроме авиации в преддверии войны главными заказчиками каналов качественной радиосвязи были структуры разведки и контрразведки. В рассматриваемый нами период началось введение в практику метровых волн. Сначала данное внедрение в связь и телевизионное вещание не вызвало существенных изменений в технике антенных устройств. В тот момент использовались такие же комбинации полуволновых диполей, что и на коротких волнах. И всё же требования к диаграмме направленности и широкополосности телевизионных антенн были весьма узконаправленные. Они  привели к созданию специальных антенн, которые не имели аналогов на коротких волнах.

Радиолокация, которая являлась на тот момент абсолютно новым применением радиотехники, разрабатывалась в условиях строжайшей секретности. Предвоенное время требовало абсолютно новых антенных устройств, что способствовало молниеносному освоению дециметрового и сантиметрового диапазона. К концу второй мировой войны техника сантиметровых волн была уже широко развита. Впоследствии в освоенном диапазоне волн стали применяться полые волноводы, зеркальные (рис. 7а), линзовые (рис. 7б), рупорные (рис. 7в) и щелевые (рис. 7г) антенны. Принцип действия этих антенн был взят из оптики или акустики.

 

 

Рис.7 Типы антенн: а - зеркальные, б - линзовые, в – рупорные, г – щелевые

 

Радиорелейные линии – это абсолютно новый вид связи, появлением которой были ознаменованы послевоенные годы. В связи с этим требовались антенны и волноводные тракты с неискаженной передачей  широкополосного сигнала и остронаправленного излучения с низким уровнем лепестков диаграммы направленности. Данное открытие спровоцировало дальнейшие аналитические разработки теоретических идей и новых конструкций антенно-волноводного тракта.

В дальнейших разработках было произведено построение антенн сантиметровых волн в более длинноволновых диапазонах. Этому в большой степени способствовало возникновение радиосвязи с космическими объектами и развитию радиоастрономии. Кроме того развивались новые виды связи, которые использовали рассеяние радиоволн дециметрового и метрового диапазонов в тропосфере и ионосфере.

Теория антенн была пересмотрена в связи с освоением ультракоротковолновых диапазонов.  До этого времени теория излучения сводилась к нескольким каноническим формам, в то время как параметры антенн определялись приближенными методами с использованием теории длинных линий, исключающей возможность излучения.

Строгие методы электродинамики потребовались для решения задач о симметричном вибраторе. Такое положение вещей стало необходимо после перехода к метровым и дециметровым волнам, в то время как вибратор становится соизмеримым с длинами излучаемых волн. На тот момент существующие оптические методы не могли быть непосредственно перенесены в теорию антенных устройств, не смотря на факт существования прототипов многих антенн и ультракоротких волноводов. Более строгие методы решения были введены из-за размеров объектов: в то время как в оптике  размеры объектов считаются неизмеримо большими длины волны,  в то время как в антенно-волновой технике размер излучающей части  антенны или вибратора соизмерим с длинной излучаемой волны. Хорошо развитой  областью электродинамики стала теория антенн. Она свободно оперирует  уравнениями электромагнитного поля без внесения каких-либо приближений. Так же изменением в современной теории антенн является переход от задач анализа характеристик направленности и других параметров антенны к взаимосвязи антенн с оптимальными характеристиками. Появление более жестких требований к ряду параметров антенн во время практически полного отсутствия ограничений  отпавших ограничений их размера произошло с переходом к ультракоротким волнам. Кроме того стало разрабатываться и намного больший объём новых типов антенных устройств с самыми разнообразными характеристиками. Вся сложившаяся ситуация того времени позволяла  анализировать новые типы предающих и принимающих устройств, способствовала конструированию антенных устройств с превосходящими предыдущие разработки, улучшенными характеристиками.

Сейчас разрабатывается и создаётся множество новых типов приёмо-передающих, антенно-фидерных устройств. Большую роль в настоящее время играют ферриты  - высокочастотные магнитодиэлектрики, с началом их использования стала возможна конструкция  антенны с электрическим управлением излучения, так же были созданы новые элементы  волноводного тракта: вентили (пропускающие волну только одного направления), фазовращатели, вращатели плоскости поляризации, циркуляторы и т.д. Кроме того широкое применение получили антенны поверхностной волны (рис. 8) стержневого и плоскостного типа. На практике используется  явление "прилипания" электромагнитной волны к среде или структуре, замедляющей ее скорость.

 

 

Рис.8 Схема антенны поверхностной волны с диэлектрическим направителем

 

В современном мире антенная техника играет очень большую роль. Сложность конструирования современных антенно-фидерных устройств, ферритовых элементов, и других устройствах антенно-волноводного тракта, сейчас наилучшим образом способствуют увеличению значения теории для дальнейшего развития антенной техники.

Анализируя, изучая и систематизируя этапы развития антенной техники можно создать фундаментальный базис для дальнейших современных научных разработок. Их необходимость основывается на громадном сегменте, который в наше время занимает связь, как в бытовой жизни каждого человека, так и в промышленном производстве или военной деятельности. Обзор и анализ приведённых выше фактов позволит спрогнозировать в будущем пути и возможности развития антенно-фидерных устройств. 

1. Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны. — М.: Советское радио, 1969. — 432 с.
2. Бова Н.Т., Резников Г.Б. Антенны и устройства СВЧ. — Киев: Вища школа, 1982. — 272 с.
3. Г. А. Ерохин, О. В. Чернов, Н. Д. Козырев, В. Д. Кочержевский «Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн» — Учебник для высших учебных заведений, 3-е издание
4. Геннадиева Е. Г., Дождиков В. Г., Кульба А. В. и др. Краткий энциклопедический словарь по радиоэлектронике и радиопромышленности / Под ред. В. Н. Саблина. М.: Диво, 2006
5. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебн. пособие для приборостроит. спец. вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк. 1991.- 622 с.
6. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1988. –304 с.
7. Денисов Н.П. Электроника. Элементы электроники, цифровая электроника. Часть 1: Учебное пособие. Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2001.- 131 с.
8. Должиков В.В., Цыбаев Б.Г. Активные передающие антенны. — М.: Радио и связь, 1984. — 144 с.
9. Драбкин А. Л. Антенно-фидерные устройства — М.: Сов. радио, 1974
10. Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники: Учебное пособие для студентов вузов по спец. «Констр. и производство радиоаппаратуры». М.: Высш. шк., 1988.- 464 с.
11. Китаев В.Е. и др. Расчет источников электропитания устройств связи: Учеб. пособие для вузов. Под ред. А.А. Бокуняева. М.: Радио и связь, 1993.- 232 с.
12. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1990. - 512 с.

Рецензии:

30.03.2016, 11:36 Алейников Юрий Георгиевич
Рецензия: Статья интересная и дает представление о развитии антенн. Статья будет полезна студентам и старшеклассникам. Жаль, нет картинок самих антенн и фидерных устройств. С изображениями статья бы смотрелась куда более интереснее. Рекомендую к публикации.

30.03.2016, 13:17 Лобанов Игорь Евгеньевич
Рецензия: 1. Считаю, что нужно привести иллюстративный материал. 2. Необходимо сделать выводы. 3. На мой взгляд, статья обзорная, поэтому следует этот аспект отразить в названии и в атрибутах статьи. После доработки статья может быть рекомендована к публикации.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий