Дипольная антенна это: Справочник по антеннам для радаров / Хабр

Справочник по антеннам для радаров / Хабр

Статья на перевод предложена alessandro893. Материал взят с обширного справочного сайта, описывающего, в частности, принципы работы и устройство радаров.

Антенна – это электрическое устройство, преобразующее электроэнергию в радиоволны и наоборот. Антенна используется не только в радарах, но и в глушилках, системах предупреждения об облучении и в системах коммуникаций. При передаче антенна концентрирует энергию передатчика радара и формирует луч, направляемый в нужную сторону. При приёме антенна собирает возвращающуюся энергию радара, содержащуюся в отражённых сигналах, и передаёт их на приёмник. Антенны часто различаются по форме луча и эффективности.

Слева – изотропная антенна, справа – направленная

Дипольная антенна, или диполь – самый простой и популярный класс антенн. Состоит из двух одинаковых проводников, проводов или стержней, обычно с двусторонней симметрией. У передающих устройств к ней подаётся ток, а у принимающих – принимается сигнал между двумя половинами антенны. Обе стороны фидера у передатчика или приёмника соединены с одним из проводников. Диполи – резонирующие антенны, то есть их элементы служат резонаторами, в которых стоячие волны переходят от одного конца к другому. Так что длина элементов диполя определяется длиной радиоволны.

Диаграмма направленности

Диполи – это ненаправленные антенны. В связи с этим их часто используют в системах связи.

Несимметричная антенна представляет собой половину дипольной, и монтируется перпендикулярно проводящей поверхности, горизонтальному отражающему элементу. Коэффициент направленного действия монопольной антенны вдвое больше, чем у дипольной антенны удвоенной длины, поскольку под горизонтальным отражающим элементом нет никакого излучения. В связи с этим КНД такой антенны в два раза выше, и она способна передавать волны дальше, используя ту же самую мощность передачи.

Диаграмма направленности

Антенна «волновой канал», антенна Яги-Уда, антенна Яги

Антенна Яги – направленная антенна, состоящая из нескольких параллельных элементов, расположенных на одной линии. Часто состоят из одного элемента-облучателя, обычно диполя или петлевого вибратора. Только этот элемент испытывает возбуждение. Остальные элементы паразитные – они отражают или помогают передавать энергию в нужном направлении. Облучатель (активный вибратор) обычно находится вторым с конца, как на картинке ниже. Её размер подбирается с целью достижения резонанса при наличии паразитных элементов (для диполя это обычно 0,45 – 0,48 от длины волны). Элемент слева от облучателя – отражатель (рефлектор). Он обычно длиннее облучателя. Отражатель обычно один, поскольку добавление дополнительных отражателей мало влияет на эффективность. Он влияет на отношение мощностей сигналов антенны, излучаемых в направлениях назад/вперед (усиление в максимальном направлении по отношению к противоположному). Справа от облучателя находятся элементы-директоры, которые обычно короче облучателя. У антенны Яги очень узкий диапазон рабочих частот, а максимальное усиление составляет примерно 17 дБ.

Диаграмма направленности

Тип антенны, часто используемой на УКВ и УВЧ-передатчиках. Состоит из облучателя (это может быть диполь или массив Яги), укреплённого перед двумя плоскими прямоугольными отражающими экранами, соединёнными под углом, обычно в 90°. В качестве отражателя может выступать лист металла или решётка (для низкочастотных радаров), уменьшающая вес и уменьшающая сопротивление ветру. У уголковых антенн широкий диапазон, а усиление составляет порядка 10-15 дБ.

Диаграмма направленности

Вибраторная логопериодическая (логарифмическая периодическая) антенна, или логопериодическая решетка из симметричных вибраторов

Логопериодическая антенна (ЛПА) состоит из нескольких полуволновых дипольных излучателей постепенно увеличивающейся длины. Каждый состоит из пары металлических стержней. Диполи крепятся близко, один за другим, и подключаются к фидеру параллельно, с противоположными фазами. По виду такая антенна похожа на антенну Яги, но работает она по-другому. Добавление элементов к антенне Яги увеличивает её направленность (усиление), а добавление элементов к ЛПА увеличивает её полосу частот. Её главное преимущество перед другими антеннами – чрезвычайно широкий диапазон рабочих частот. Длины элементов антенны относятся друг к другу по логарифмическому закону. Длина самого длинного из элементов составляет 1/2 от длины волны самой низкой из частот, а самого короткого – 1/2 от длины волны самой высокой частоты.

Диаграмма направленности

Спиральная антенна состоит из проводника, закрученного в виде спирали. Обычно они монтируются над горизонтальным отражающим элементом. Фидер соединяется с нижней частью спирали и горизонтальной плоскостью. Они могут работать в двух режимах – нормальном и осевом.

Нормальный (поперечный) режим: размеры спирали (диаметр и наклон) малы по сравнению с длиной волны передаваемой частоты. Антенна работает так же, как закороченный диполь или монополь, с такой же схемой излучения. Излучение линейно поляризуется параллельно оси спирали. Такой режим используется в компактных антеннах у портативных и мобильных раций.

Осевой режим: размеры спирали сравнимы с длиной волны. Антенна работает как направленная, передавая луч с конца спирали вдоль её оси. Излучает радиоволны круговой поляризации. Часто используется для спутниковой связи.

Диаграмма направленности

Ромбическая антенна – широкополосная направленная антенна, состоящего из одного-трёх параллельных проводов, закреплённых над землёй в виде ромба, поддерживаемого в каждой вершине вышками или столбами, к которым провода крепятся при помощи изоляторов. Все четыре стороны антенны одинаковой длины, обычно не менее одной длины волны, или длиннее. Часто используются для связи и работы в диапазоне декаметровых волн.

Диаграмма направленности

Двумерная антенная решётка

Многоэлементный массив диполей, используемых в КВ диапазонах (1,6 – 30 МГц), состоящий из рядов и столбцов диполей. Количество рядов может быть 1, 2, 3, 4 или 6. Количество столбцов – 2 или 4. Диполи горизонтально поляризованы, а отражающий экран располагается за массивом диполей для обеспечения усиленного луча. Количество столбцов диполей определяет ширину азимутального луча. Для 2 столбцов ширина диаграммы направленности составляет около 50°, для 4 столбцов — 30°. Главный луч можно отклонять на 15° или 30° для получения максимального охвата в 90°.

Количество рядов и высота самого нижнего элемента над землёй определяет угол возвышения и размер обслуживаемой территории. Массив из двух рядов обладает углом в 20°, а из четырёх – в 10°. Излучение двумерной решётки обычно подходит к ионосфере под небольшим углом, и из-за низкой частоты часто отражается обратно к поверхности земли. Поскольку излучение может многократно отражаться между ионосферой и землёй, действие антенны не ограничено горизонтом. В результате такая антенна часто используется для связи на дальние расстояния.

Диаграмма направленности

Рупорная антенна состоит из расширяющегося металлического волновода в форме рупора, собирающего радиоволны в луч. У рупорных антенн очень широкий диапазон рабочих частот, они могут работать с 20-кратным разрывом его границ – к примеру, от 1 до 20 ГГц. Усиление варьируется от 10 до 25 дБ, и часто они используются в качестве облучателей более крупных антенн.

Диаграмма направленности

Одна из самых популярных антенн для радаров – параболический отражатель. Облучатель располагается в фокусе параболы, и энергия радара направляется на поверхность отражателя. Чаще всего в качестве облучателя используется рупорная антенна, но можно использовать и дипольную, и спиральную.

Поскольку точечный источник энергии находится в фокусе, он преобразуется в волновой фронт постоянной фазы, что делает параболу хорошо приспособленной для использования в радарах. Изменяя размер и форму отражающей поверхности, можно создавать лучи и схемы излучения различной формы. Направленность параболических антенн гораздо лучше, чем у Яги или дипольной, усиление может достигать 30-35 дБ. Главный их недостаток – неприспособленность к низким частотам из-за размера. Ещё один – облучатель может блокировать часть сигнала.

Диаграмма направленности

Антенна Кассегрена очень похожа на обычную параболическую, но использует систему из двух отражателей для создания и фокусировки луча радара. Основной отражатель параболический, а вспомогательный – гиперболический. Облучатель находится в одном из двух фокусов гиперболы. Энергия радара из передатчика отражается от вспомогательного отражателя на основной и фокусируется. Возвращающаяся от цели энергия собирается основным отражателем и отражается в виде сходящегося в одной точке луча на вспомогательный. Затем она отражается вспомогательным отражателем и собирается в точке, где расположен облучатель. Чем больше вспомогательный отражатель, тем ближе он может быть к основному. Такая конструкция уменьшает осевые размеры радара, но увеличивает затенение раскрыва. Небольшой вспомогательный отражатель, наоборот, уменьшает затенение раскрыва, но его нужно располагать подальше от основного. Преимущества по сравнению с параболической антенной: компактность (несмотря на наличие второго отражателя, общее расстояние между двумя отражателями меньше, чем расстояние от облучателя до рефлектора параболической антенны), уменьшение потерь (приёмник можно разместить близко от рупорного излучателя), уменьшение интерференции по боковому лепестку для наземных радаров. Основные недостатки: сильнее блокируется луч (размер вспомогательного отражателя и облучателя больше, чем размер облучателя обычной параболической антенны), плохо работает с широким диапазоном волн.

Диаграмма направленности

Слева – антенна Грегори, справа — Кассегрена

Параболическая антенна Грегори очень похожа по структуре на антенну Кассегрена. Отличие в том, что вспомогательный отражатель искривлён в противоположную сторону. Конструкция Грегори может использовать меньший по размерам вспомогательный отражатель по сравнению с антенной Кассегрена, в результате чего перекрывается меньшая часть луча.

Как следует из названия, излучатель и вспомогательный отражатель (если это антенна Грегори) у офсетной антенны смещены от центра основного отражателя, чтобы не блокировать луч. Такая схема часто используется на параболических антеннах и антеннах Грегори для увеличения эффективности.

Антенна Кассегрена с плоской фазовой пластиной

Ещё одна схема, предназначенная для борьбы с блокированием луча вспомогательным отражателем,- это антенна Кассегрена с плоской пластиной. Она работает с учётом поляризации волн. У электромагнитной волны есть 2 компоненты, магнитная и электрическая, всегда находящиеся перпендикулярно друг другу и направлению движения. Поляризация волны определяется ориентацией электрического поля, она бывает линейной (вертикальной/горизонтальной) или круговой (круговой или эллиптической, закрученной по или против часовой стрелки). Самое интересное в поляризации – это поляризатор, или процесс фильтрации волн, оставляющий только волны, поляризованные в одном направлении или в одной плоскости. Обычно поляризатор изготавливают из материала с параллельным расположением атомов, или это может быть решётка из параллельных проводов, расстояние между которыми меньше, чем длина волны. Часто принимается, что расстояние должно быть примерно в половину длины волны.

Распространённое заблуждение состоит в том, что электромагнитная волна и поляризатор работают схожим образом с колеблющимся тросом и дощатым забором – то есть, к примеру, горизонтально поляризованная волна должна блокироваться экраном с вертикальными щелями.

На самом деле, электромагнитные волны ведут себя не так, как механические. Решётка из параллельных горизонтальных проводов полностью блокирует и отражает горизонтально поляризованную радиоволну и пропускает вертикально поляризованную – и на оборот. Причина следующая: когда электрическое поле, или волна, параллельны проводу, они возбуждают электроны по длина провода, и поскольку длина провода многократно превышает его толщину, электроны могут легко двигаться и поглощают большую часть энергии волны. Движение электронов приведёт к появлению тока, а ток создаст свои волны. Эти волны погасят волны передачи и будут вести себя как отражённые. С другой стороны, когда электрическое поле волны перпендикулярно проводам, оно будет возбуждать электроны по ширине провода. Поскольку электроны не смогут активно двигаться таким образом, отражаться будет очень малая часть энергии.

Важно отметить, что, хотя на большинстве иллюстраций у радиоволн всего 1 магнитное и 1 электрическое поле, это не значит, что они осциллируют строго в одной плоскости. На самом деле можно представлять, что электрические и магнитные поля состоят из нескольких подполей, складывающихся векторно. К примеру, у вертикально поляризованной волны из двух подполей результат сложения их векторов вертикальный. Когда два подполя совпадают по фазе, результирующее электрическое поле всегда будет стационарным в одной плоскости. Но если одно из подполей медленнее другого, тогда результирующее поле начнёт вращаться вокруг направления движения волны (это часто называют эллиптической поляризацией). Если одно подполе медленнее других ровно на четверть длины волны (фаза отличается на 90 градусов), то мы получим круговую поляризацию:

Для преобразования линейной поляризации волны в круговую поляризацию и обратно необходимо замедлить одно из подполей относительно других ровно на четверть длины волны. Для этого чаще всего используется решётка (четвертьволновая фазовая пластина) из параллельных проводов с расстоянием между ними в 1/4 длины волны, расположенных под углом в 45 градусов к горизонтали.

У проходящей через устройство волны линейная поляризация превращается в круговую, а круговая – в линейную.

Работающая по этому принципу антенна Кассегрена с плоской фазовой пластиной состоит из двух отражателей равного размера. Вспомогательный отражает только волны с горизонтальной поляризацией и пропускает волны с вертикальной поляризацией. Основной отражает все волны. Пластина вспомогательного отражателя располагается перед основным. Он состоит из двух частей – это пластина со щелями, идущими под углом в 45°, и пластина с горизонтальными щелями шириной менее 1/4 длины волны.

Допустим, облучатель передаёт волну с круговой поляризацией против часовой стрелки. Волна проходит через четвертьволновую пластину и превращается в волну с горизонтальной поляризацией. Она отражается от горизонтальных проводов. Она опять проходит через четвертьволновую пластину, уже с другой стороны, и для неё провода пластины ориентированы уже зеркально, то есть, будто бы повёрнуты на 90°. Предыдущее изменение поляризации отменяется, так что волна снова приобретает круговую поляризацию против часовой стрелки и идёт обратно к основному отражателю. Отражатель меняет поляризацию с идущей против часовой стрелки на идущую по часовой. Она проходит через горизонтальные щели вспомогательного отражателя без сопротивления и уходит в направлении целей вертикально поляризованной. В режиме приёма всё происходит наоборот.

Хотя у описанных антенн довольно большое усиление по отношению к размеру апертуры, у всех них есть общие недостатки: большая восприимчивость по боковым лепесткам (подверженность мешающим отражениям от земной поверхности и чувствительность к целям с низкой эффективной площадью рассеяния), уменьшение эффективности из-за блокирования луча (проблема с блокированием есть у малых радаров, которые можно использовать на летающих аппаратах; большие радары, где проблема с блокированием меньше, нельзя использовать в воздухе). В результате была придумана новая схема антенны – щелевая. Она выполнена в виде металлической поверхности, обычно плоской, в котором прорезаны отверстия или щели. Когда её облучают на нужной частоте, электромагнитные волны испускаются из каждого слота – то есть, слоты выступают в роли отдельных антенн и формируют массив. Поскольку луч, идущий из каждого слота, слабый, их боковые лепестки также очень малы. Щелевые антенны характеризуются высоким усилением, малыми боковыми лепестками и малым весом. В них могут отсутствовать выступающие части, что в ряде случаев является их важным преимуществом (например, при установке на летательных аппаратах).

Диаграмма направленности

Пассивная фазированная антенная решётка (ПФАР) [passive electronically scanned array, PESA]

Радар с МИГ-31

С ранних времён создания радаров разработчиков преследовала одна проблема: баланс между точностью, дальностью и временем сканирования радара. Она возникает оттого, что у радаров с более узкой шириной пучка повышается точность (увеличивается разрешение) и дальность при той же мощности (концентрация мощности). Но чем меньше ширина пучка, тем дольше радар сканирует всё поле зрения. Более того, радару с большим усилением потребуются антенны большего размера, что неудобно для быстрого сканирования. Для достижения практичной точности на низких частотах радару потребовались бы настолько громадные антенны, что их было бы затруднительно поворачивать с механической точки зрения. Для решения этой проблемы была создана пассивная фазированная антенная решётка. Она полагается не на механику, а на интерференцию волн для управления лучом. Если две или более волн одного типа осциллируют и встречаются в одной точке пространства, суммарная амплитуда волн складывается примерно так же, как складываются волны на воде. В зависимости от фаз этих волн интерференция может усиливать или ослаблять их.

Луч можно формировать и управлять им электронным способом, контролируя разность фаз группы передающих элементов – таким образом можно контролировать, в каких местах происходит усиливающая или ослабляющая интерференция. Из этого следует, что в радаре самолёта для управления лучом из стороны в сторону должно быть не менее двух передающих элементов.

Обычно радар с ПФАР состоит из 1 облучателя, одного МШУ (малошумящего усилителя), одного распределителя мощности, 1000-2000 передающих элементов и равного количества фазовращателей.

Передающими элементами могут быть изотропные или направленные антенны. Некоторые типичные виды передающих элементов:

На первых поколениях истребителей чаще всего использовались патч-антенны (полосковые антенны), поскольку их проще всего разрабатывать.

Современные массивы с активной фазой используют желобковые излучатели из-за их широкополосных возможностей и улучшенного усиления:

Вне зависимости от типа используемой антенны увеличение количества излучающих элементов улучшает характеристики направленности радара.

Как мы знаем, при одинаковой частоте радара увеличение апертуры приводит к уменьшению ширины пучка, что увеличивает дальность и точность. Но у фазированных решёток не стоит увеличивать расстояние между излучающими элементами в попытке увеличения апертуры и уменьшения стоимости радара. Поскольку если расстояние между элементами больше, чем рабочая частота, могут появляться побочные лепестки, заметно ухудшающие эффективность радара.

Самая важная и дорогая часть ПФАР – фазовращатели. Без них невозможно управлять фазой сигнала и направлением луча.

Они бывают разных видов, но в целом их можно разделить на четыре типа.

Фазовращатели с временной задержкой

Простейший тип фазовращателей. Сигналу на прохождение линии передачи нужно время. Эта задержка, равная фазовому сдвигу сигнала, зависит от длины линии передачи, частоты сигнала и фазовой скорости сигнала в передающем материале. Переключая сигнал между двумя или более линиями передач заданной длины, можно управлять фазовым сдвигом. Переключающие элементы – это механические реле, pin-диоды, полевые транзисторы или микроэлектромеханические системы. pin-диоды часто используются из-за высокой скорости, низких потерь и простых цепей смещения, обеспечивающих изменение сопротивления от 10 кОм до 1 Ом.

Задержка, сек = фазовый сдвиг ° / (360 * частота, Гц)

Их недостаток в увеличении фазовой ошибки с увеличением частоты и увеличении размера с уменьшением частоты. Также изменение фазы изменяется в зависимости от частоты, поэтому для слишком малых и больших частот они неприменимы.

Отражательный/квадратурный фазовращатель

Обычно это квадратурное устройство связи, разделяющее входной сигнал на два сигнала, различающихся по фазе на 90°, которые затем отражаются. Затем они комбинируются по фазе на выходе. Эта схема работает благодаря тому, что отражение сигнала от проводящих линий могут быть смещены по фазе по отношению к падавшему сигналу. Сдвиг по фазе изменяется от 0° (открытая цепь, нулевая ёмкость варактора) до -180° (цепь закорочена, ёмкость варактора бесконечна). Такие фазовращателя обладают широким диапазоном работы. Однако физические ограничения варакторов приводят к тому, что на практике сдвиг по фазе может достигать только 160°. Но для большего сдвига возможно комбинировать несколько таких цепей.

Векторный IQ-модулятор

Так же, как и у отражательного фазовращателя, здесь сигнал разделяется на два выхода с 90-градусным смещением фазы. Входящая фаза без смещения называется I-каналом, а квадратура с 90-градусным смещением называется Q-каналом. Затем каждый сигнал проходит через двухфазный модулятор, способный сдвигать фазу сигнала. Каждый сигнал подвергается сдвигу фазы на 0° или 180°, что позволяет выбрать любую пару квадратурных векторов. Затем два сигнала рекомбинируются. Поскольку затухание обоих сигналов можно контролировать, у выходящего сигнала контролируется не только фаза, но и амплитуда.

Фазовращатель на фильтрах верхних/нижних частот

Был изготовлен для решения проблемы фазовращателей с временной задержкой, не способных работать на большом диапазоне частот. Работает путём переключения пути сигнала между фильтрами верхних и нижних частот. Похож на фазовращатель с временной задержкой, только вместо линий передачи используются фильтры. Фильтр верхних частот состоит из последовательности индукторов и конденсаторов, обеспечивающих опережение по фазе. Такой фазовращатель обеспечивает постоянный сдвиг фазы в диапазоне рабочих частот. Также его размер гораздо меньше, чем у предыдущих перечисленных фазовращателей, поэтому он чаще всего используется в радарах.

Если подытожить, то по сравнению с обычной отражающей антенной, основными преимуществами ПФАР будут: высокая скорость сканирования (увеличение количества отслеживаемых целей, уменьшение вероятности обнаружения станцией предупреждения об облучении), оптимизация времени нахождения на цели, высокое усиление и малые боковые лепестки (тяжелее заглушить и обнаружить), случайная последовательность сканирования (сложнее заглушить), возможность использовать особые техники модуляции и обнаружения для извлечения сигнала из шума. Основные недостатки – высокая стоимость, невозможность сканирования шире 60 градусов в ширину (поле зрения стационарного фазового массива – 120 градусов, механический радар может расширить его до 360).

Активная фазированная антенная решётка [Active Electronically Scanned Array, AESA]

Снаружи АФАР (AESA) и ПФАР (PESA) отличить сложно, но внутри они кардинально различаются. ПФАР использует один или два высокомощных усилителя, передающего один сигнал, который затем делится на тысячи путей для тысяч фазовращателей и элементов. Радар с АФАР состоит из тысячи модулей приёма/передачи. Поскольку передатчики находятся непосредственно в самих элементах, у него нет отдельных приёмника и передатчика. Различия в архитектуре представлены на картинке.

У АФАР большинство компонентов, таких, как усилитель слабых сигналов, усилитель большой мощности, дуплексор, фазовращатель уменьшены и собраны в одном корпусе под названием модуля приёма/передачи. Каждый из модулей представляет собой небольшой радар. Архитектура их следующая:

Хотя АФАР (AESA) и ПФАР (PESA) используют интерференцию волн для формирования и отклонения луча, уникальный дизайн АФАР даёт много преимуществ по сравнению с ПФАР. К примеру, усилитель слабого сигнала находится рядом с приёмником, до компонентов, где теряется часть сигнала, поэтому у него отношение сигнал/шум лучше, чем у ПФАР.

Во-вторых, у обычного радара возможность уменьшения паразитной интерференции ограничена ошибками нестабильности аппаратуры. Больше всего в эти ошибки вносят вклад аналого-цифровой преобразователь, преобразователь с понижением частоты, усилителей высокой мощности, усилители слабых сигналов и генератор волн. У АФАР с распределённой группой усилителей высокой мощности и усилителей слабых сигналов такие ошибки можно уменьшать. В результате у АФАР повышается чувствительность в шумных условиях.

Более того, при равных возможностях обнаружения у АФАР меньше рабочий цикл и пиковая мощность. Также, поскольку отдельные модули АФАР не полагаются на один усилитель, они могут одновременно передавать сигналы с разными частотами. В результате АФАР может создавать несколько отдельных лучей, разделяя массив на подмассивы. Возможность работать на нескольких частотах приносит многозадачность и способность развёртывать системы радиоэлектронного подавления в любом месте по отношению к радару. Но формирование слишком большого количества одновременных лучей уменьшает дальность действия радара.

Два главных недостатка АФАР – высокая стоимость и ограниченность поля зрения 60 градусами.

Гибридные электронно-механические фазированная антенные решётки

Очень высокая скорость сканирования ФАР сочетается с ограничением поля зрения. Для решения этой проблемы на современных радарах ФАР располагаются на подвижном диске, что увеличивает поле зрения. Не стоит путать поле зрения с шириной пучка. Ширина пучка относится к лучу радара, а поле зрения – общий размер сканируемого пространства. Узкие пучки часто нужны для улучшения точности и дальности действия, а узкое поле зрения обычно не нужно.

Основы радиолокации — Полуволновая антенна

Полуволновая антенна

Полуволновая дипольная антенна представляет собой простейшую резонансную структуру среди антенных технологий.
Такие антенны используются в качестве основного элемента в антеннах почти всех форм,
а также иногода рассматриваются в качестве эталонной антенны наряду с
изотропным всенаправленным излучателем.

Большинство излучателей в заданном направлении излучают сильнее, чем в любом другом направлении.
Излучатели такого типа называют анизотропными.

Полуволновая антенна (называемая также дипольной антенной, антенной Герца, диполем Герца, полуволновым вибратором)
состоит из двух отрезков проволоки или трубки, каждый из которых имеет длину, равную ¼ длины рабочей волны антенны.
Такая антенна является базовым элементом, из которого конструируются много более сложных антенн.
Для полуволнового диполя протекающий по нему ток имеет максимальное значение в центре, а минимальные — по краям диполя.
Напряжение, напротив, минимально в центре диполя и максимально на его краях.

Энергию к такой антенне можно подавать, подключив линию передачи от выходного каскада передатчика к отрезкам, из которых состоит антенна.
При использовании двухпроводной линии передачи, например, коаксиального кабеля, центральная его жила подключается к одному плечу, а оплетка — к другому.
Поскольку в этом случае точка питания антенны находится в ее центре (точке минимума напряжения и максимума тока),
такой тип питания называют центральным питанием или токовым питанием.
Выбор точки питания дипольной антенны важен с точки зрения типа используемой линии питания.

Стоячие волны тока и напряжения возникают так же, как и в параллельном колебательном контуре.
В отличие от изотропного излучателя, коэффициент усиления которого равен 1, полуволновая антенна имееет
коэффициент усиления уже около 1,5,
при этом максимум излучения приходится в направлении, перепендикулярном ее оси.

Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости

ширина луча

Рисунок 2. Диаграмма направленности полуволновой дипольной антенны

ширина луча

Рисунок 2. Диаграмма направленности полуволновой дипольной антенны

ширина луча

уровень боковых
лепестков

уровень заднего
лепестка

Рисунок 3. Диаграмма антенны Яги

ширина луча

уровень боковых
лепестков

уровень заднего
лепестка

Рисунок 3. Диаграмма антенны Яги

Bild 5: Das Antennendiagramm eines vertikalen Dipols in einer 3D-Simulation

Возникновение полуволновой антенны

Рисунок 4. Возникновение полуволновой антенны

Полуволновый диполь также возникает из простого колебательного контура.
Для простоты предположим, что пластины конденсатора колебательного контура понемногу наклоняются и расходятся в стороны (Рисунок 4).
Емкость конденсатора в этом случае уменьшается, но он при этом все еще остается конденсатором.
По мере расхождения пластин конденсатора силовые линии линии электрического поля
(которые начинаются на одной пластине и заканчиваются на другой) должны охватывать все большее и большее пространство.
Наступает момент когда конденсатор перестает существовать как таковой,
а а силовые линии электрического поля теперь замыкаются через свободное пространство.
Возникший в результате полуволновый диполь имеет центральное питание.

Полуволновый диполь также возникает из простого колебательного контура.
Для простоты предположим, что пластины конденсатора колебательного контура понемногу наклоняются и расходятся в стороны. Емкость конденсатора в этом случае уменьшается, но он при этом все еще остается конденсатором.
По мере расхождения пластин конденсатора силовые линии линии электрического поля (которые начинаются на одной пластине и заканчиваются на другой) должны охватывать все большее и большее пространство.
Наступает момент когда конденсатор перестает существовать как таковой, а а силовые линии электрического поля теперь замыкаются через свободное пространство.
Возникший в результате полуволновый диполь имеет центральное питание.

Рисунок 5. Диаграмма направленности вертикального диполя, построенная по результатам трехмерного моделирования.

Что такое дипольная антенна или антенна » Electronics Notes

Дипольная антенна или дипольная антенна является одним из основных элементов антенн, используемых для радиовещания, радиоприема, двусторонней радиосвязи и многого другого.

---

Дипольные антенны Включает:
Основы дипольной антенны
Ток и напряжение
Полуволновой диполь
Сложенный диполь
Короткий диполь

Дублет
Длина диполя
Дипольные каналы
Диаграмма направленности
Построить ВЧ диполь
Перевернутый V-диполь
ВЧ многодиапазонный веерный диполь
ВЧ многодиапазонный диполь-ловушка
Антенна G5RV
FM-дипольный дизайн

---

Дипольная антенна или дипольная антенна является одной из наиболее важных форм радиочастотной антенны. Диполь можно использовать отдельно или в составе более сложной антенной решетки.

Дипольная антенна или антенна широко используется для различных типов радиосвязи сама по себе или в составе многих других конструкций РЧ-антенн, где она образует излучающий или ведомый элемент всей антенны.

Диполь относительно прост в своей базовой реализации, и многие основные расчеты довольно просты. Несложно разработать базовую дипольную антенну, которая будет работать в диапазонах ВЧ, ОВЧ и УВЧ радиочастотного спектра.

Базовая дипольная антенна

Дипольная антенна используется не только сама по себе, но и является основным «приводным» элементом других антенн, таких как направленная антенна Yagi, которая повсеместно используется в виде телевизионных антенн и многих других. Он также используется в качестве ведомого элемента для многих параболических рефлекторных антенн, а также во многих других антенных системах.

Основы дипольной антенны

Название «диполь» указывает на то, что дипольная антенна состоит из двух полюсов или предметов – двух токопроводящих элементов.

В этих двух проводящих элементах протекает ток, и ток и связанное с ним напряжение вызывают излучение электромагнитной волны или радиосигнала наружу от антенны.

Как видно, базовая антенна состоит из излучающего элемента, разделенного на два отдельных проводника. Обычно они расположены на одной оси, а дипольная антенна обычно разделена по центру.

Мощность передатчика может использоваться для излучения, или мощность, принимаемая антенной, может подаваться на приемник. Обычно приемник или передатчик подключается к дипольной антенне через промежуточный фидер, который позволяет передавать мощность из одной точки в другую.

Длина излучающих элементов определяет многие свойства дипольной антенны: импеданс ее облучателя, центральную рабочую частоту, является ли антенна резонансной и т. д. Таким образом, длина диполя является важным аспектом параметров дипольной антенны.

Базовая полуволновая дипольная антенна

Типы диполей

Наиболее распространенной формой дипольной антенны является полуволновой диполь, который получил свое название, потому что его длина соответствует половине электрической длины волны. Однако также доступны многие другие типы дипольных антенн.

Различные типы или варианты дипольной антенны, как правило, используются в различных приложениях — соответственно видно, что дипольная антенна является очень гибкой и полезной антенной.

• Полуволновая дипольная антенна: Полуволновая дипольная антенна является наиболее широко используемой. Этот тип дипольной антенны является резонансным и работает в точке, где длина волны равна половине электрической длины волны.

  Электрическая половина длины волны в антенне немного короче, чем половина длины волны в свободном пространстве из-за влияния провода, по которому распространяется волна.

  Полуволновой диполь обычно питается от центра. Это дает точку питания с низким импедансом, которой легко управлять. Поскольку антенна симметрична, т. е. ни одна из сторон не соединена с землей, необходимо использовать либо симметричный фидер, либо, если используется несимметричный фидер, такой как коаксиальный кабель, то следует использовать симметрирующий преобразователь симметричного в несимметричный.

  Диаграмма направленности основного полуволнового диполя относительно проста. Она находится максимум под прямым углом к ​​оси провода, а минимум вдоль оси провода. Если он построен, он образует график типа восьмерки.

  Подробнее о . . . . Полуволновой диполь.

• Многополуволновая дипольная антенна:   Хотя полуволновая дипольная антенна является наиболее популярной, можно использовать дипольную антенну, длина которой нечетно кратна половине длины волны. Диаграмма излучения сильно отличается, но все равно эффективно работает в этом режиме.

  Опять же, этот тип антенны обычно питается от центра, что опять же обеспечивает низкий импеданс облучателя. Стоит отметить, что только при наличии нечетного числа полуволн точки максимума тока и минимума напряжения находятся в центре, чтобы обеспечить точку питания с низким импедансом, которая позволяет легко питать антенну.

  Этот тип антенны может быть полезен, когда вы хотите использовать антенну на ее основной резонансной частоте, а затем на частоте, в три или более раз превышающей эту цифру, создавая многодиапазонный дипольный вариант.

• Складная дипольная антенна:   Как видно из названия, эта форма дипольной антенны или дипольной антенны складывается сама по себе. Другой полуволновой проводник добавляется параллельно исходным дипольным элементам, так что один конец соединяется с другим, создавая короткое замыкание по постоянному току. При сохранении расстояния между концами в половину длины волны дополнительный проводник позволяет сложенному диполю обеспечивать более высокое полное сопротивление питания и более широкую полосу пропускания, что может быть выгодно во многих случаях.

  Подробнее о . . . . Сложенный диполь.

• Короткий диполь:   Как следует из названия, короткая дипольная антенна — это антенна, длина которой намного меньше половины длины волны. Если дипольная антенна короче половины длины волны, сопротивление облучателя начинает расти, и ее отклик меньше зависит от изменений частоты. Его длина также становится меньше, и в этом есть много преимуществ.

  Для короткого диполя потребуются специальные устройства питания, чтобы обеспечить гораздо более высокое полное сопротивление питания. Однако антенна имеет тенденцию иметь аналогичные характеристики в широкой полосе пропускания. На фоне этого уровень эффективности может быть намного ниже, чем у дипольной антенны, которая больше по длине в длинах волн.

  Подробнее о . . . . Короткий диполь.

• Нерезонансный диполь:   Дипольная антенна может работать вдали от своей резонансной частоты и питаться от фидера с высоким импедансом. Это позволяет ему работать в гораздо более широкой полосе пропускания.

Дипольное питание и сопротивление питания

Одной из важных характеристик любой антенны является сопротивление ее облучателя, то же самое относится и к дипольной антенне.

Первое, на что следует обратить внимание, это то, что диполь представляет собой симметричную антенну, т. е. ни одна из двух частей или сторон антенны не соединена с землей. Это означает, что его необходимо кормить с помощью сбалансированной кормушки или системы кормления.

Это может быть использование сбалансированного фидера, такого как разомкнутая проволока или двойная фидерная линия, т. е., по существу, двух проволок, проложенных параллельно. Эти фидеры иногда используются на КВ и имеют очень низкий уровень потерь, хотя ими сложно управлять при входе в здания и т.п., так как близлежащие объекты могут нарушить баланс и увеличить потери.

Именно по этой причине широко используется коаксиальный кабель. Однако это несбалансированный фидер, и для этого требуется использование симметрирующего трансформатора — Bal , объединенного с и симметричным трансформатором. Это может принимать разные формы, и, по сути, это предотвращает распространение радиочастот по внешней части кабеля и создание помех для приемников или помех для находящихся поблизости пользователей при использовании с передатчиком.

Другим важным фактором является импеданс диполя. Стандартный входной импеданс диполя обычно принимается равным 73 Ом, но это значение встречается редко, так как импеданс зависит от ряда различных факторов, включая высоту над землей, толщину провода и многие другие факторы. Значение 73 Ом — это импеданс в свободном пространстве.

Питание диполя с использованием системы питания с правильным импедансом позволяет обеспечить передачу максимальной мощности, поэтому важно понимать значение импеданса питания.

Подробнее о . . . . дипольные каналы, импеданс канала и согласование.

Применение дипольных антенн

Дипольные антенны

используются во многих областях как самостоятельно, так и в составе более сложных антенн, где они могут образовывать основной излучающий элемент. Они используются во многих формах радиосистем, от двухсторонних линий радиосвязи до приема широковещательного вещания, общего радиоприема и во многих других областях.

Конструкция диполя будет зависеть от частоты, а также от того, как он будет использоваться.

• ВЧ проволочный диполь:  Диполь широко использовался в качестве проволочной антенны на СЧ и ВЧ, где его характеристики позволяли передавать и принимать сигналы на этих частотах. Даже сегодня проволочный диполь часто используется для ВЧ-передачи, например, в случае любительского радио и т. д.
  Типичный пример диполя ВЧ-диапазона, используемого для любительского радио.
  Обычно диполь использовался как полуволновой диполь, но на некоторых частотах также была удобна версия 3λ/2, поскольку она позволяла использовать диполь на основной частоте, а также на частоте, в три раза превышающей эту.

• Часть антенны Yagi:  Дипольная антенна образует управляемый элемент внутри антенны Yagi. Часто используется складчатый диполь, потому что «паразитные» элементы внутри Yagi вызывают падение импеданса питания диполя. Использование изогнутого диполя обычно обеспечивает улучшение согласования импеданса.

  Антенна Yagi используется не только для приема наземного телевидения, но также для многих форм двусторонней радиосвязи, обычного радиоприема и т. д.

• В качестве всенаправленного вертикального диполя:  Дипольная антенна часто используется сама по себе в качестве вертикально поляризованной антенны (в этом случае сам диполь является вертикальным, а не более обычным горизонтальным форматом), чтобы обеспечить всенаправленное покрытие.
  Вертикально сложенная дипольная антенна

  Часто может использоваться таким образом для частной мобильной радиосвязи: это системы двусторонней радиосвязи, используемые предприятиями и другими организациями, включая службы экстренной помощи, для поддержания связи.

  Иногда для различных форм профессиональной двусторонней радиосвязи ряд вертикальных диполей может быть размещен один над другим, чтобы улучшить диаграмму направленности всей антенной системы, чтобы обеспечить дополнительное усиление под прямым углом к ​​антенне, тем самым обеспечивая улучшенное покрытие.

• Ведомый элемент внутри параболического отражателя:   Антеннам с параболическим отражателем требуется какой-либо вид ведомого элемента для излучения антенны, чтобы отражатель направлял ее в требуемом направлении. Хотя можно использовать различные типы излучающих антенн, одним из вариантов является дипольная антенна.

  Эти антенны часто используются для спутниковой связи, радиоастрономии, а также для линий радиосвязи различных типов. Эти параболические рефлекторные антенны часто можно увидеть на антеннах мобильных телефонов, где они обеспечивают канал радиосвязи с базовой сетью. Антенны с параболическим отражателем также используются для приема спутникового телевидения.

Дипольная антенна представляет собой особенно важную форму радиочастотной антенны, которая очень широко используется для приложений радиопередачи и приема. Диполь часто используется сам по себе в качестве РЧ-антенны, но он также является важным элементом многих других типов РЧ-антенн. Таким образом, это, возможно, самая важная форма радиочастотной антенны.

Другие темы об антеннах и распространении:
ЭМ волны
Распространение радио
Ионосферное распространение
Грунтовая волна
Разброс метеоров
Тропосферное распространение

Основы антенны
Кубический четырехугольник
Диполь
Отключить
Ферритовый стержень
Логопериодическая антенна
Антенна с параболическим отражателем
Антенны с фазированной решеткой
Вертикальные антенны
Яги

Заземление антенны
телевизионные антенны
Коаксиальный кабель
Волновод
КСВ
Антенные балуны
MIMO

    Вернитесь в меню «Антенны и распространение». . .

Диполи: самая простая и самая распространенная антенна

← Анатомия антенны Вивальди

Узкополосные антенны против. Широкополосные антенны →

Как следует из названия, в своей базовой форме дипольная антенна состоит из двух проводящих элементов, в отличие от несимметричной антенны, которая имеет один проводящий элемент.

Идентичные проводящие элементы диполя (обычно стержни или металлическая проволока) располагаются на обоих концах антенны. Несмотря на то, что они разделены изолятором деформации, обращенные к центру концы этих двух секций антенны подключены к фидерной линии или коаксиальному (ВЧ) кабелю, по которому протекает ток в обоих проводниках. Эти токи равны по величине, но противоположны по направлению, связывая излучающие поля внутри кабеля и заставляя поля компенсировать друг друга.

Максимальный ток и минимальное напряжение в центре дипольной антенны. Напротив, ток минимален, а напряжение максимально на концах дипольной антенны.

Диаграмма направленности перпендикулярна проводнику антенны. Это означает, что дипольная антенна излучает энергию в космос перпендикулярно своей оси.

Существует много видов диполей, но в этом посте мы опишем только два варианта. Полуволновой диполь, также известный как дублет или антенна Герца, является наиболее часто используемым типом дипольной антенны. Длина его проводящих элементов составляет примерно половину максимальной длины волны (λ/2, расстояние между двумя последовательными максимальными или минимальными точками) в свободном пространстве на рабочей частоте. Распределение тока полуволнового диполя представляет собой распределение тока стоячей волны, приблизительно синусоидальное (имеющее форму математической синусоиды) по его длине.

Короткий диполь — это диполь, образованный двумя проводниками, общая длина которых значительно меньше половины длины волны. Для приложений, где полный полуволновой диполь был бы слишком большим, более подходящими являются короткие диполи. В короткой дипольной антенне импеданс облучателя увеличивается, и ее отклик меньше зависит от изменений частоты. Распределение тока в короткой дипольной антенне почти треугольное. Диаграмма направленности антенны с коротким диполем круглая, тогда как распределение тока полуволнового диполя по сравнению с ним более овальное.

Хотя диполи можно использовать как автономные антенны с низким коэффициентом усиления, они также могут быть включены в качестве управляемых элементов в антенные конструкции, такие как антенна Яги и управляемые решетки.

Их можно использовать для питания более сложных направленных антенн, таких как рупорная антенна, параболический отражатель или уголковый отражатель. Кроме того, инженеры анализируют вертикальные (или другие несимметричные) антенны на основе дипольных антенн, частью которых они являются.

Компания JEM Engineering имеет опыт проектирования диполей, подходящих для ВЧ, ОВЧ и УВЧ.

Например, BCA-620 представляет собой широкополосный дипольный модуль, оптимизированный для разведки, наблюдения и рекогносцировки (ISR), а также разведки сигналов (SIGINT), работающий в диапазоне частот от 600 до 2000 МГц.

Последние сообщения

апрель 2023 г.

Радарные системы имеют широкий спектр применений, включая прогнозирование погоды, управление дорожным движением, навигацию, автомобильные системы и авиацию. В военных и оборонных операциях радиолокационная система может использоваться для обнаружения, отслеживания и идентификации объектов в воздухе, на суше и на море.