Основные виды антенн их история и применение

Что такое антенна?

Антенна - устройство, преобразующее электроэнергию в излучаемые ею радиоволны и наоборот, принимаемые электромагнитные волны в ток.

Антенны чрезвычайно разнообразны, имеют самую разную форму. Простейшие антенны в виде натянутого отрезка провода, системы проводников, волноводы, они могут иметь рефлекторы и линзы, могут быть абсолютно разного размера. Последнее, кстати говоря, напрямую зависит от длины волны на работу с которой антенна предназначена, чтобы эффективно излучать энергию её размер должен быть близок к рабочему диапазону, соответственно большая длинна волны = большая длинна антенны. Рабочий диапазон частот, при котором антенна эффективно работает, называется полосой пропускания.

Первые устройства, с помощью которых, теоретически, можно принимать электромагнитные колебания, появились в середине восемнадцатого века. Хотя в первое время никто и думал об их использовании в таком ключе, это - обыкновенный молниеотвод, изобретённый в 1751 году Б. Франклином, ведь по сути длинный, вертикально расположенный, высоко поднятый над поверхностью заземлённый провод можно назвать антенной. В 1876 году Т. Эдисон использовал принимающую антенну в своём приёмнике электромагнитных колебаний, в 1885 году он уже предложил способ беспроводной телеграфной связи с использованием электромагнитных волн и получил на него патент. Ему удалось успешно провести связи между кораблями, и движущимися поездами. Его изобретения стали началом длинноволновому машинному телеграфу, который применялся вплоть до второй половины 1930-х годов.

Томас Алва Эдисон (1847 г. - 1931 г.)

Изначально передающие элементы были известны как "терминалы" или "выводы". Происхождение же слова "антенна" приписывается Гульельмо Маркони, который во время своих экспериментов 1895 года использовал шест с прикреплённым к нему проводом, будучи итальянский исследователь назвал шест с проводом l`antenna, а после приобретения Маркони известности слово получило распространение сначала среди других исследователей, а позже и у широкой публики.

В наше время данный термин может относиться ко всему сооружению, включая опорную конструкцию, корпус и т.д.

Гульельмо Маркони(1874 г. - 1937 г.)

Колебательный контур и первые передающие антенны

Большое количество антенн выполнено в виде колебательного контура. Колебательный контур - устройство, простейший вариант которого состоит из катушки индуктивности, конденсатора и источника электроэнергии, представляющее из себя электрическую цепь, работа которой порождает электромагнитные колебания. Он может быть замкнутым и открытым.

Замкнутый контур практически не излучает свои колебания в окружающее пространство и создаёт локализированное электромагнитное поле в основном вокруг катушки индуктивности.

Если раздвигать пластины конденсатора, интенсивность излучения электромагнитных волн в окружающее пространство будет возрастать, таким образом мы получим открытый колебательный контур, также называемый вибратором, т.е. излучающей (передающей) антенной.

Первую передающую антенну, сам того не осознавая, создал в 1886 г. не безызвестный Генрих Герц, во время своих экспериментов по доказательству существования электромагнитных волн. 

Генрих Рудольф Герц (1857 г. - 1894 г.)

Так называемый симметричный вибратор Герца представляет из себя прямолинейный электрический проводник (например медный провод) с малого размера разрывом по середине, питаемый в точках разрыва генератором тока высокой частоты. После исследований Герца многие физики неоднократно повторяли эксперимент, воспроизводя вибратор с некоторыми изменениями, так Аугустино Риги модифицировал устройство, чтобы получать более короткой длинны волны, чем у Герца, но это уже другая история. Нас же интересует то, что это по сути дипольная антенна - простейшая и крайне распространённая ненаправленная вибраторная антенна, состоящая из 2 одинаковых проводников, между которыми принимается сигнал.

Пример современной дипольной антенны

Если есть симметричные вибраторы, то должны быть и несимметричные вибраторы. Т.е. антенны, которые так или иначе, не имеют плоскости симметрии. Такие действительно существуют. У них бывает разная форма или длинна плеч, разное число проводников, к такому типу относятся J-образные антенны.

Пример J-образной антенны

Также в некоторых ситуациях в симметричности плеч антенны нет необходимости, например, если вибратор расположен на Н-ном расстоянии от идеально проводящей плоскости, то в соответствии с принципом зеркальных изображений он эквивалентен двум вибраторам на вдвое большем расстоянии.  Однако, поскольку такие антенны подвержены влиянию свойств земли, обычно для улучшения к. п. д. на них ставят заземление или противовес. Изобрел такие антенны уже упоминавшийся выше Маркони, в 1896 году он запатентовал монопольную антенну.

Монопольная антенна - это простейший среди несимметричных вибраторов класс антенн, состоящий из прямого проводника в форме стержня, обычно устанавливаемого перпендикулярно плоскости заземления. 

Антенны использующие отражение радиоволн

Другим особо важным изобретением Герца являются параболические рефлекторы (отражатели). Продолжая свои эксперименты, в 1887 году он предположил, что электромагнитные волны могут отражаться от объектов также как и свет. При помощи пары цинкованных стальных рефлекторов апертурой в 1.2 метра ему удалось добиться искрового возбуждения дипольных антенн. С помощью такой конструкции Герц и продемонстрировал общественности существование электромагнитных волн.

Важность рефлектора в том, что он позволяет увеличить коэффициент усиления. Это характеристика означающая возможность антенны концентрировать сигнал в определённом направлении. Он измеряется в децибелах (дБ). Также его можно охарактеризовать как соотношение энергии на входе и выходе антенны.

Пример использования рефлектора, всем известные телевизионные спутниковые антенны (тарелки), которые широко используются для организации связи между дальними объектами, например в спутниковом телевидении.

Сама "тарелка" это и есть рефлектор, она путём отражения фокусирует волны на облучатель, который и принимает сфокусированный сигнал. Отражатель и облучатель должны иметь одинаковую диаграмму направленности, чтобы антенна имела максимальный показатель усиления, а энергия не уходила вхолостую.

На самом деле рефлектор не обязательно должен быть сплошным, он может быть сетчатыми, что во-первых облегчает вес общий вес, а во-вторых способствуют большему самоочищению от дождя и снега, способствуя тем самым большей стабильности сигнала в неблагоприятных погодных условиях.

Пример современных антенн с отражателями

Другой тип рефлектора волноводный. Волновод - это направляющий канал с специально подобранными параметрами, в котором волна может распространяться, отражаясь от его стенок в одном направлении. Первая конструкция для передачи волн была предложена физиком Джозефом Джоном Томсоном в 1893 году, а через год Оливер Лодж экспериментально проверил этот принцип. Волноводы могут быть акустическими (для передачи звуковых волн) и электромагнитными, нас интересуют последние.

Волноводные рупорные антенны, в свою очередь, это антенны использующие тот же метод для фокусировки или излучения из открытого конца волновода, по сути являются тем же волноводом, только расширяющимся к концу, поскольку параллельный волновод сам по себе является неэффективным излучателем. Путём расширения волновода в форме раструба удаётся значительно улучшить его характеристики, тем самым добиться усиления и направленности излучения. Форма рупора определяет то, к какому типу антенна будет относиться, например: пирамидальный, конический, гофрированный. Последние, кстати, имеют более широкую полосу пропускания.

Они применяются как самостоятельно, обычно в качестве измерительных, так и в качестве отражающих облучателей других антенн.  Также существуют антенны, конструктивно совмещающие рупорный и параболический отражатель, в таком случае антенна называется рупорно-параболической.

Пример современной рупорной антенны

Антенна Уда - Яги

Другой, более эффективный тип антенн направленного действия, это изобретённая в 1926 году японцем Синтаро Уда, совместно с коллегой Хидэцугу Яги, антенна "волновой канал", которая, в последствии, в западных странах стала ассоциироваться с именами исследователей.

Хидэцугу Яги (1886 г. - 1976 г.) и Синтаро Уда (1896 г. - 1976 г.) 

Антенна типа волновой канал (антенна Яги или Уда - Яги) - система из нескольких вибраторов, имеющих длину близкую к половине длины принимаемой волны и расположенных перпендикулярно линии, вдоль которой проходит излучение. Среди вибраторов первый является активным, остальные пассивные (директоры), их количество может быть разным, с противоположной от директоров стороны расположен рефлектор. Все элементы могут иметь несколько отличающийся внешний вид, но всегда имеют схожую структуру построения, которая делится только на 2 вида однородную и неоднородную.

У однородной структуры расстояние между всеми директорами одинаково, у неоднородной расстояние может иметь иной паттерн, где среднее расстояние на дальнем от рефлектора конце антенны больше, что позволяет добиться в некоторой степени большего усиления, но требует отдельных вычислений при расположении директоров.

Пример современной антенны - волнового канала

Благодаря компактности, хорошей направленности и высокому усилению они крайне широко распространены и очень часто применяются, например, в качестве телевизионных антенн. Используются в метровых и дециметровых диапазонах, а также чуть реже на более высоких частотах. 

Теоретически такая антенна может работать и без директоров, но от них зависит степень усиления антенны и её диаграмму направленности, иными словами излучение антенны является суммой всех составляющих её вибраторов.

Диаграмма направленности антенны - графическое изображение распределения излучаемой антенной мощности на одинаковом от неё расстоянии в разных направлениях в одной из плоскостей. Также её можно назвать изображением электромагнитного поля антенны, наглядно показывающим её слепые зоны.

Пример диаграммы направленности

Антенные мачты

Поскольку сила сигнала зависит от того на какую высоту антенна поднята, чтобы установить её на большую высоту тем самым обойти искусственные и природные препятствия, улучшив качество работы в эфире применяются специальные опорные конструкции, именуемые как мачты. Из-за конструкционных особенностей они обычно изготавливаются из алюминия, если антенна обладает малым весом, или стали, соответственно, чем больше вес, тем логичнее использовать стальные мачты. Они условно делятся на переносные и непереносные. Чем они отличаются должно быть понятно исходя из названия:

К переносным относятся различные складные или телескопические мачты, которые можно в краткие сроки временно установить на определённой локации и также сложить и перенести.

Пример переносной телескопической мачты

К непереносным, соответственно, устанавливаемые на продолжительный срок, не предназначенные для частых переносок, более крупные и массивные мачты. Понятным для подавляющего большинства примером будут мачты сотовой связи.

Пример непереносного мачтового сооружения с установленными не нём антеннами