Приемно-передающие антенны

Антенной называется радиотехническое устройство, служащее для излучения электромагнитных волн в пространство или для приема электромагнитных волниз пространства. Одной из наиболее важных характеристик антенны является диаграмма направленности – графическое изображение зависимости интенсивности электромагнитных волн от углов и (угол измеряется в горизонтальной плоскости, угол – в вертикальной плоскости, и оба угла, как правило, отсчитываются от направления главного максимума диаграммы направленности).

Традиционно все антенны делятся на передающие и приемные. Передающей называется антенна, излучающая электромагнитное поле в пространство (закон изменения данного поля во времени задается законом изменения радиочастотного возбуждающего тока, подводимого ко входу антенны). В этом случае под диаграммой направленности понимается зависимость мощности электромагнитного поля, излучаемого антенной в данном (т.е. для конкретных значений углов и ) направлении, от величин углов и из диапазона 0...360º.

Приемной называется антенна, принимающая электромагнитное поле из пространства (закон изменения этого поля во времени обуславливает собой закон изменения выходного наведенного в антенне тока). В этом случае под диаграммой направленности понимается зависимость мощности электромагнитного поля, принятого антенной с данного (т.е. при конкретном значении углов и ) направления, от величин углов и из диапазона 0...360º. При условии, что источник, обладающий постоянной мощностью излучения (), при всех значениях и располагается на одном и том же расстоянии (). Во многих современных авиационных радиосистемах одна и та же антенна выполняет функции как излучения, так и приема электромагнитного поля, т.е. является приемо-передающей антенной. При этом в подавляющем большинстве случаев передающая и приемная диаграммы направленности совпадают. Другим важным фактором, определяющим форму диаграммы направленности антенн для радиосистем связи, является практическое соображение, что самолет, находящийся в полете, может быть ориентирован относительно наземного пункта (и тем более относительно второго самолета) произвольным образом. Поэтому для приема радиосигналов с любого направления антенна радиосистемы связи должна быть (по крайней мере, в горизонтальной плоскости) всенаправленной.

Рис. 2.14. Сечения диаграммы направленности штыревой антенны: а – в вертикальной плоскости; б – в горизонтальной плоскости

Наиболее простой антенной, удовлетворяющей требованию всенаправленности, является штыревая антенна. Она представляет собой металлический прут сравнительно небольшой (0,5...2,5 м) длины. Пространственная диаграмма направленности штыревой антенны представляет собой (в идеальном случае) вырожденный (с нулевым внутренним диаметром) тор. Это означает, что сечения (рис. 2.3.1) такого тора имеют форму «восьмерки». В вертикальной плоскости (в плоскости расположения штыря) и окружности – в горизонтальной плоскости (в плоскости, перпендикулярной штырю).

В реальных случаях диаграмма направленности излучающей системы, в составе которой имеется штыревая антенна, может сильно отличаться от тороидальной. Это объясняется тем, что вблизи штыревой антенны могут оказаться иные объекты, которые отражают, а затем переизлучают свои (вторичные) электромагнитные поля, и те, интерферируя с первичным (созданным штыревой антенной) электромагнитным полем, формируют итоговое электромагнитное поле достаточно сложной формы. Именно так, в частности, обстоит дело со штыревой антенной, устанавливаемой на самолете – под влиянием первичного (со штыревой антенны) излучения в металлической обшивке корпуса самолета начинают возникать токи проводимости, которые создают вторичное излучение, накладывающееся на первичное, и в этом случае следует говорить уже не о диаграмме направленности штыревой антенны, а о диаграмме направленности излучающей системы «штыревая антенна-самолет».

Рассмотрим, в качестве примера, ситуацию, когда штыревая антенна установлена на передней кромке самолетного киля. Тогда:

- в идеальном случае.(рис. 2.15, а), когда самолет отсутствует, итоговая диаграмма направленности имеет форму тора («восьмерка» в сечении вертикальной плоскостью);

- в случае (рис. 2.15, б), когда излучение ведется на средних волнах, длины (0,1...1 км) которых значительно превышают размеры самолета, то наведенные в металлической обшивке корпуса токи практически совпадают по фазе с токами, протекающими в штыревой антенне, и поэтому интерференционные явления практически не наблюдаются (система «штыревая антенна-самолет» имеет практически единый центр излучения); искажения тороидальной диаграммы направленности здесь минимальны;

- в случае (рис. 2.15, в), когда излучение ведется на коротких волнах, чьи длины (10...100 м) соизмеримы с размерами самолета, то протекающие по антенне и по корпусу токи имеют разные фазы (корпус с токами и антенну можно рассматривать как два разнесенных в пространстве источника излучения), и создаваемые ими электромагнитные поля начинают интерферировать; тороидальная диаграмма направленности здесь искажается (иногда – довольно существенно);

Рис. 2.15. Сечение вертикальной плоскостью итоговой («штыревая антенна – самолет») диаграммы направленности в случаях отсутствия (а) самолета (идеализированная ситуация) и наличия (б, в, г) самолета: б – излучение на средних волнах; в – излучение на коротких волнах; г – излучение на ультракоротких волнах

- в случае (рис. 2.15, г), когда излучение ведется в ультракоротковолновом диапазоне, и длины (менее 10 м) волн не превышают размеров самолета и его элементов, то итоговая диаграмма направленности оказывается достаточно изрезанной (обладает многолепестковой структурой с глубокими провалами). Учитывая тот факт, что подача излучаемого радиочастотного радиосигнала производится именно в антенну, а не на корпус самолета, антенну нередко называют возбудителем электромагнитного излучения, исходящего от системы «антенна – самолет».

Сказанное означает, что для эффективного ведения бортовой радиосвязи следует, помимо выбора длины волны, еще и отыскивать оптимальное местонахождение антенны на самолете. Поиск места установки антенны оказывается тем более важным, что итоговую интенсивность излучаемого электромагнитного поля, определяет не первичное излучение антенны, а именно вторичное излучение корпуса, и антенна должна быть расположена в таком месте корпуса, где ее возбуждающее действие окажется максимальным. В качестве отдельных рекомендаций по выбору места установки самолетной антенны могут быть указаны следующие соображения:

- установку антенн следует производить в местах наибольшей концентрации токов (например, на верхушке киля);

- если требуется получить направленное излучение, антенну необходимо устанавливать в местах с максимально возможным радиусом кривизны (в частности, для излучения вертикально вниз антенну следует расположить на днище фюзеляжа);

- чтобы отсутствовал эффект затенения (в случае излучения электромагнитных волн с длинами короче нескольких дециметров), надо располагать антенны в местах, где отсутствуют резко выступающие элементы корпуса самолета (которые могут загородить наземную приемо-передающую антенну от самолетной);

- на вертолете, когда рабочая зона ограничена сверху (вращающимися лопастями) и снизу (близкой земной поверхностью), антенны дальней радиосвязи следует устанавливать на боковых сторонах (на обшивке) фюзеляжа. Рассмотрим наиболее типичные самолетные антенны, используемые в радиосистемах дальней и близкой связи.