Антенные системы (антенны) классифицируют по разным признакам, которые связаны с конструкцией, принципом действия, поляризацией или диапазоном частот. Ниже приведены примеры таких классификаций.
Типы конструкций антенных систем
- Линейные токи протекают по каналам, узким по сравнению с продольными размерами и длиной волны. Делятся на проволочные и щелевые.
- Апертурные излучение происходит через раскрыв (апертуру), например, рупорные, линзовые, зеркальные.
- Антенны поверхностных волн возбуждаются бегущими электромагнитными волнами, распространяющимися вдоль антенны, и излучают в направлении распространения (например, стержневая диэлектрическая антенна).
- Многоэлементные антенные решётки совокупность идентичных излучающих (приёмных) элементов, расположенных в определённом порядке.
По принципу действия
- Излучающие передают энергию в пространство, создавая электромагнитные волны.
- Приёмные воспринимают эти волны и преобразуют их в электрический сигнал. Существуют антенны двойного назначения, способные работать в обоих режимах.
- По направленности бывают всенаправленными и направленными:
- Всенаправленные равномерно излучают или принимают сигнал во всех направлениях в горизонтальной плоскости.
- Направленные концентрируют энергию в одном или нескольких направлениях, что увеличивает дальность и чувствительность системы. Характерная форма излучения диаграмма направленности в виде лепестка с максимумом в определённом направлении.
По поляризации
- С линейной поляризацией положение плоскости поляризации в пространстве остаётся неизменным. Если плоскость поляризации нормальна поверхности земли, говорят о нормальной (вертикальной) поляризации, если параллельна о параллельной (горизонтальной).
- С круговой поляризацией вектор поляризации в течение периода колебания совершает полный оборот вокруг направления распространения волны, сохраняя свою длину. В зависимости от направления вращения различают волны с правой и с левой круговой поляризацией.
По диапазону частот
- Узкополосные диапазон рабочих частот антенны меньше 10% от средней частоты диапазона.
- Широкополосные диапазон рабочих частот антенны от 10% до 100%.
- Широкодиапазонные диапазон рабочих частот антенны больше 100%.
Многие современные антенны охватывают несколько диапазонов, особенно в мобильных устройствах и мультимодульных системах.
Преимущества линейных антенн
Линейные антенны имеют преимущества, связанные с конструкцией, принципом работы и характеристиками. Эти преимущества проявляются в разных аспектах: в виде антенн, в принципе работы, в характеристиках и в применении.
Конструкция: размеры поперечного сечения линейных антенн малы по сравнению с длиной волны, направление протекания тока совпадает с осью системы. В простейшем случае тонкий металлический проводник, по которому протекает переменный во времени электрический ток, или узкая щель в металлическом экране, между краями которой приложено переменное напряжение.
Виды
К линейным антеннам относят не только прямолинейные, но и искривлённые или изогнутые проводники и щели, если их поперечные размеры много меньше длины волны. В более широком смысле к линейным можно отнести некоторые типы антенн, поперечные размеры которых сравнимы с длиной волны (например, утолщённые вибраторные, спиральные, диэлектрические стержневые).
Принцип работы
Отличительная особенность линейных антенн последовательная схема питания (возбуждения) элементов. Это позволяет:
- Формировать требуемую характеристику направленности за счёт закона размещения центров излучателей вдоль оси и закона распределения комплексных амплитуд возбуждения по отдельным элементам (амплитудно-фазового распределения возбуждения).
- Учитывать зависимость характеристик излучения от длины антенны или от её частоты из-за последовательной схемы питания.
Характеристики
- Слабая зависимость распределения тока от геометрии проводника поскольку поперечные размеры малы, распределение тока слабо зависит от геометрии проводника.
- Возможность создания активной зоны из элементов, волновые размеры которых близки к заданным, это позволяет антенне работать в таком диапазоне длин волн, в котором на антенне при изменении длины волны найдётся элемент с заданными волновыми размерами.
Применение
Линейные антенны используются в различных радиотехнических устройствах, например:
- Для метровых и более длинных волн антенны из проводников, диаметр которых много меньше длины волны.
- В портативных радиостанциях например, маленькие штыревые монополи используются в качестве компактных антенн с низким коэффициентом усиления в диапазонах КВ, УКВ и УВЧ.
Преимущества апертурных антенн
Апертурные антенны работают через воображаемую поверхность (апертуру), размеры которой обычно много больше длины волны. Эта поверхность может быть в виде плоской поверхности, ограниченной замкнутой кривой (чаще всего прямоугольником или окружностью).
Виды
К апертурным антеннам относятся, например:
- Рупорные имеют большую апертуру, сужающуюся на одном конце. Виды: пирамидальная, коническая, секторная, скалярная (экспоненциальная), гофрированная.
- Волноводные выполнены в виде открытых концов волноводов различного типа. Наиболее широко используются излучатели на базе прямоугольных и круглых волноводов.
- Зеркальные излучающая система выполнена в виде плоской поверхности, ограниченной зеркалом.
Принцип работы
Возбуждение антенны осуществляют так, чтобы поле в апертуре оказалось синфазным. Это обеспечивает остронаправленное излучение, максимум которого совпадает с нормалью к апертуре.
Отличительная особенность апертурных антенн параллельная схема возбуждения элементов апертуры посредством системы независимых лучей. Это приводит к независимости формы диаграммы направленности от размеров апертуры или от частоты.
Методы расчета
Для расчёта характеристик апертурных антенн используют, например:
- Апертурный метод основан на принципе Гюйгенса–Френеля: поле в раскрыве, являясь источником излучения, полностью определяет характеристики поля в дальней зоне.
- Метод поверхностных токов поле излучения определяется в два этапа: на первом этапе по известному типу антенны, её геометрическим параметрам и способу возбуждения находится распределение поверхностных токов на поверхностях, на втором по найденному распределению токов интегрируются эти токи.
Применение
Апертурные антенны используются в различных областях, например:
- Радиолокация основной тип радиолокационных антенн.
- Радионавигация, радиоастрономия, радиосвязь апертурные антенны создают остронаправленное излучение, что позволяет концентрировать энергию в нужном направлении.
Однако апертурные антенны имеют большие габариты и используются главным образом в стационарных установках.
Какие материалы используются для изготовления антенн?
Для изготовления антенн используют различные материалы, выбор зависит от условий эксплуатации и задач. В производстве применяют металлы, полимеры, керамику и диэлектрики.
Металлы
- Медь распространённый материал для антенн, особенно в радиотехнике. Высокая электропроводность и механические свойства, устойчивость к коррозии.
- Алюминий применяется, когда вес конструкции критичен, например, для спутниковых антенн. Лёгкость и устойчивость к коррозии.
- Латунь и бронза медные сплавы, используются для антенн, требующих дополнительной прочности. Применяются реже из-за более низкой проводимости по сравнению с чистой медью, но обладают высокой устойчивостью к износу.
Непригодны для антенн ферромагнетики (железо, никель и сплавы на их основе, например, сталь).
Полимеры
- Полимеры с металлическими добавками например, политетрафторэтилен (PTFE) с добавлением меди или серебра. Имеют хорошую электропроводность, устойчивы к воздействию влаги и ультрафиолетового излучения, что делает их подходящими для уличных и мобильных антенн.
- Углеродные композиты используются благодаря высокой прочности и лёгкости, но из-за высокой стоимости и относительно низкой проводимости по сравнению с металлами обычно применяются в сочетании с другими материалами, например, покрываются металлическими плёнками.
Керамика
- Сегнетоэлектрическая керамика используется для создания антенн сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Обладает высокой относительной диэлектрической проницаемостью, что позволяет сокращать линейные размеры антенн за счёт формирования эффективной зоны возбуждения в теле керамического элемента.
- Оксидная керамика (в частности оксиды алюминия и магния) и композиционные материалы на её основе обладают высокой стойкостью к термоудару, химической стойкостью и стабильными диэлектрическими свойствами.
Диэлектрики
- Диэлектрические материалы используются для изоляции токоведущих проводников и частей антенн. Например, плексиглас, полистирол, гетинакс, текстолит, стеклотекстолит.
- Композиционные диэлектрики смеси различных материалов, изменение соотношения и состава которых позволяет достичь требуемых характеристик, в том числе электрических.
