Типи антен та їх види

Конструкції та властивості антен визначаються діапазонами частот, для роботи в яких вони призначені, і тими специфічними завданнями, які за допомогою їх вирішують. Наприклад, розміри антен кіло- та гектометрових хвиль завжди менші за довжину хвилі, а в діапазонах декаметрових і метрових хвиль розміри антен сумірні з довжиною хвилі або значно її перевищують. Антени для радіомовлення мають кругову діаграму спрямованості, а для радіолокації – плоску або голкоподібну тощо. Різняться антени також зовнішнім виглядом. Будують антени стрижневі і дротяні, дзеркальні й рупорні, лінзові та щілинні, діелектричні і спіральні тощо.

Різноманітні типи антен можна класифікувати за різними ознаками. Наприклад, існує класифікація антен за діапазонами радіохвиль: міріаметрові, кілометрові, гектометрові, декаметрові, метрові, дециметрові сантиметрові та міліметрові. Така класифікація застосовується при проектуванні антен, вона дає змогу виділити перш за все конструктивні ознаки антен різних діапазонів, їхні особливості, зумовлені характером поширення радіохвиль. Можна класифікувати антени за призначенням: антени для радіозв'язку, радіомовлення, телевізійні, радіолокаційні, радіоастрономічні тощо. Це буде класифікація з позиції інженера-експлуатаційника.

З позиції фізиків зручніше класифікувати антени за принципом конструктивної побудови, тобто за розташуванням в антені джерел випромінювання і характером їх збудження. Отже, за цими ознаками будемо розрізняти елементарні (точкові), лінійні, поверхневі й об'ємні антени. На рис. 1 показано деякі антени, які є представниками цих типів.

Найпростішими є елементарні антени, які можуть розглядатися як електричні або магнітні диполі Герца – нерезонансні антени, довжина яких , та як симетричні пївхвильові вібратори – резонансні антени, довжина яких .

Як відомо, електричним диполем Герца є малий (завдовжки h) порівняно з довжиною хвилі λ елемент струму з різнойменними коливальними зарядами на кінцях. Отже, серед реальних антен такими наближеннями до електричного диполя Герца є: штирова антена над електропровідною поверхнею (рис. 1, а) (найчастіше використовується як збуджувач хвилеводів), штирова приймальна антена (рис. 1, б), яка може застосовуватися, наприклад, як телескопічна антена на автомобілях або у переносних радіоприймачах; Т-подібна антена (рис. 1, в) передавальної станції, що працює в кілометровому діапазоні хвиль. Загальною для всіх цих антен є умова   при наявності близько розташованої відбивної провідної поверхні. Завдяки цьому всі вони випромінюють фактично лише вертикальну складову струму й антена поводить себе як вертикальний електричний диполь Герца з круговою діаграмою спрямованості.

Магнітний диполь Герца – це малий порівняно з довжиною хвилі замкнений контур струму провідності з площею S. Аналогом такої антени є магнітний збуджувач хвилеводів (рис. 1, г), рамкова антена (рис. 1, д) і магнітна стрижнева антена (рис. 1, е).
                                                     

Рисунок 1. Приклади конструктивної побудови антен деяких типів

Рамкові антени можуть бути прямокутними та круглими. У поєднанні зі штировими антенами їх можна використовувати для радіопеленгування. У шкільній практиці такі антени застосовуються на радіозмаганнях які дістали назву «полювання на лисиць». Магнітні антени виготовляють намотуванням на циліндричні або прямокутні феритові стрижні і застосовують у побутових радіоприймачах.

Симетричний півхвильовий вібратор (рис. 1, е) може одночасно розглядатись і як елементарна антена, і як лінійна антена з неперервним розподілом джерел випромінювання. Це резонансна передавальна антена. При горизонтальному розташуванні максимум її діаграми спрямованості перпендикулярний до площини вібратора.

Електричні вібратори як самостійно, так і в складі різноманітних поверхневих ліній та дзеркальних антен, використовуються в усьому діапазоні радіохвиль. На кіло- і гектометрових хвилях у зв'язку з їхньою великою довжиною найчастіше застосовують несиметричні вібратори, тобто такі, в яких використовуються відбивні електричні властивості поверхні Землі. На рис. 1, ж показано випромінювальну антену-щоглу, що спирається на ізолятор і є несиметричним ненавантаженим вібратором над відбивною поверхнею.

На декаметрових хвилях застосовуються горизонтальні симетричні вібратори з мідного дроту, закріплені на опорах за допомогою ізоляторів Однак, на відміну від гектометрових, декаметрові вібратори в різні періоди доби працюють на різних хвилях, тобто є діапазонними. Для доброго узгодження з радіопередавачем у всьому діапазоні такі вібратори виготовляють у вигляді кількох паралельних дротів, що утворюють у просторі: циліндр (рис. 1, з). Ці вібратори називають вібраторами Надєнєнко.

В антенах метрових, дециметрових та сантиметрових хвиль вібратори виконують у вигляді жорстких стрижнів, іноді трубчастих. Для доброго узгодження з коаксіальним кабелем живлення зручно застосовувати шлейф-вібратор Пістолькорса (рис. 1, и), який складається з двох з'єднаних кінцями півхвильових вібраторів.

Для значного підвищення КСД з симетричних півхвильових вібраторі утворюють поверхневі антени з дискретно-неперервним розподілом випромінювачів (рис. 1, і) та лінійні антени типу «хвильовий канал», що працюють переважно в діапазонах метрових і дециметрових хвиль (рис. 1, ї). Останні антени належать до антен біжної хвилі.

Уперше таку антену запропонували японські інженери Уда та Ягі, ім’ям яких її і названо. Її ще називають директорною, тому що вона складається з активного симетричного вібратора 2, відбивача (рефлектора) 1 і кількох напрямних (директорів) випромінювання 3. Під впливом випромінювання активного вібратора в директорах наводяться високочастотні струми, які утворюють власні випромінювання. Якщо відстані між активним вібратором та директорами такі, що всі випромінювання в них синфазні то вони додаються в напрямку осі антени, створюючи досить вузьку діаграму спрямованості. Для того щоб уникнути заднього випромінюваная в напрямку мінімуму діаграми спрямованості на відстані приблизно λ/4 від випромінювача встановлюють рефлектор, в якому під дією первинного випромінювання теж індукуються струми, але їхні поля протифазні тим, які створюються первинним випромінюванням, і компенсують останні. З урахуванням взаємодії та внесених взаємних реактивних провідностей довжини директорів і рефлекторів трохи відрізняються від резонансних.

Директорні антени широко застосовуються як для приймання телевізійних програм, так і для побудови складних радіолокаційних антен метрового та дециметрового діапазонів.

До поверхневих антен з неперервним розподілом випромінювачів можна віднести рупорні, лінзові, дзеркальні антени (рис. 1, й, к, л). У розкриві всіх цих типів антен утворюється плоска синфазна однорідна хвиля (в разі формування голкоподібної діаграми спрямованості) або хвиля із заданим законом розподілу фаз. Властивості таких антен розглядаються на підставі властивостей елемента Гюйгенса. Основною їхньою властивістю є те, що спрямованість антен у кожній з площин тим більша, чим більшим є лінійний розмір розкриву в цій площині відносно довжини хвилі. Такі антени використовують переважно в дециметровому, сантиметровому і міліметровому діапазонах.

Представниками антен з неперервним об'ємним розподілом випромінювачів є спіральна (рис. 1, м) і діелектрична (рис. 1, н) антени. Це антени біжної хвилі, але, на відміну від розглянутої вище директорної антени, в цих антенах випромінювання поляризоване по колу. Такі антени знаходять переважне застосування в літальних апаратах (літаки, ракети), які під час виконання маневру змінюють своє положення у просторі.