Juostelinės antenos

JUOSTELINĖS ANTENOS

Juostelinės (plokščiosios) antenos naudojamos mikrobangų diapazone, todėl dažniausiai taikomos ryšiams su kosmosu, nes mikrobangos gerai sklinda per atmosferos sluoksnį. Daugiausia perspektyvos palydovinėje televizijoje turi plokščiosios antenos, kurios susideda iš rinkinio tarp savęs sujungtų paralelinių juostelinių spinduolių, taip sukuriančių plokščiąjį anteninį tinklelį.

Juostelinės antenos turi nemažai pranašumų prieš kitas:

· didelis atsparumas išorės veiksniams(sniegui, lietui, vėjui.);

· aukšta gamybos technologija;

· galima reguliuoti kryptingumo diagramą;

· lengva įrengti;

· nedidelis svoris.

Šios antenos dažniausiai susideda iš dielektriko plokštės ir laidžių takelių. Juostelinės antenos pagrindu yra sluoksniuotas dielektrikas su vienu ar kkeliais laidžiais ekranais. Ant dielektriko plokštės spausdinimo būdu yra įvairiomis formomis užnešami laidūs takeliai (dažniausiai variniai, nes varis pasižymi geru laidumu ir pakankamai reaktyvus aplinkoje). Perėjimai iš paprastų elementarių spinduolių formų į sudėtingas sukuria reikiamo tipo poliarizaciją ir t.t. Dielektriko įvedimas į super aukštų dažnių įrenginius patobulino jų technologiją bei panaudojimo ribas, tačiau naudojant dielektrikus magnetinių laikų struktūra ėmė sudėtingėti. Didelę įtaką plokščiųjų antenų populiarėjimui turėjo naujų tipų dielektrikų atsiradimas, kurie buvo didelio grynumo ir turėjo mažus nuostolių koeficientus. Dielektrikų ggrynumas leido kurti mažus spinduliuojančius elementus ir taip sukurti itin mažas antenų sistemas. Tačiau atsiradusios paviršinės bangos apsunkina kryptingumo charakteristikos nustatymą.

Mikrojuosteliniai spinduliuojantys elementai

Plačiai naudojamos antenos, kurių pagrindą sudaro mikrojuostelinės linijos. Spinduliavimo funkcijos išsidėstymas ir energijos pasiskirstymas antenos tinklelyje tarp spinduolio iir maitinimo schemos palengvina tokių antenų gamybą.

Metalinis spinduliuojantis takelis turi būti labai plonas, kampuotas arba apvalus, jo linijinis dydis apie λ/2, jis turi būti išdėstytas ant plono(<<λ) dielektriko pokštelės, kurios kita pusė yra pilnai metalizuota, iš tokių elementų galima sudaryti mikrojuostelinę liniją. Nuo takelio formos ir maitinimo pajungimo priklauso poliarizacijos rūšis (1 pav.).

Mikrojuostelinių antenų konstrukcijoje svarbus maitinimo būdas. Maitinimui naudojamos koaksialinės ir juostelinės linijos, koaksialines linijas patartina naudoti žemesnioje super aukštų dažnių srityje, o taip pat kai antena susideda iš pavienių elementų, kai antena susideda iš daug elementų (tinklelis) patartina naudoti juostelines linijas. Tačiau juostelinės linijos turi daug nuostolių, jie siekia iki 6 dB/m, o tai apsunkina didesnių plokščių maitinimą.

Yra keli juostelinės linijos prijungimo prie spinduolio būdai:

Kai kvadratiniame spinduolyje ddaroma išpjova išilgai jo ašies ir prijungiama linija (2 pav.);

Kai prie kvadratinio spinduolio vieno iš kampų yra prijungiama juostelinė linija (3 pav.).

Parodytų elementariųjų spinduolių kryptiškumas nedidelis (4 pav.), norint gerinti antenos kryptiškumą elementarūs spinduoliai jungiami į sistemas (tinklelius) (5 pav.), kurių pagrindinio lapelio plotį apsprendžia sistemos matmenys.

Juostelinių antenų dažnių diapazonas nėra labai platus, norint jį praplatinti galima storinti dielektriką arba daryti sudėtingesnę antenos konstrukciją. Dielektriko storinimas nėra labai geras sumanymas, nes atsiranda daugiau paviršinių bangų, o tai žymiai sumažina antenos eefektyvumą. Norint antru būdu plėsti diapazoną galime spinduolio paviršiaus išdėstyti impedansinius elementus (6 pav.)

Plokščios antenos veikimui neigiamą įtaką turi ir juostelių negrynumas bei maitinimo linijos. Norint to išvengti stengiamasi juostelines linijas visiškai ar dalinai ekranuoti (7 pav). Tokios antenos turi geresnes kryptines savybes, tačiau dėl konstrukcijos sudėtingumo tampa nebe tokios atsparios aplinkos veiksniam.

Yra nemažai konstrukcinių pakeitimų norint gauti daugiadažnį rėžimą. Vienas iš jų yra paprasčiausias kvadratinis juostelinis spinduolis, kuris yra maitinamas iš dviejų pusių skirtingo ilgio juostelinėmis perdavimo linijomis, tų ilgių skirtumas ir apsprendžia spinduliuojamo dažnio juostų išsidėstymą. Viena linija anteną sužadina o kita reguliuoja, reguliacija vyksta trumpiklių pagalba, kurie yra išilgai reguliuojančiosios juostelinės linijos (8 pav.).

Juosteliniai-plyšiniai spinduoliai ir antenų tinkleliai

Tai pirmieji juosteliniai elementai kurie buvo panaudoti praktikoje. Pagal konstrukciją šias antenas galima suskirstyti į:

· Dvisluoksnės, kuriose spinduliuojantis plyšys yra viename iš ekranų, kuris yra λ/4 atstumu nuo įžeminto ekrano.

· Dvisluoksnės plokščios, su viena ant kitos uždėtomis juostelėmis.

· Kombinuotos (vieno ar daugiau sluoksnių plyšinės antenos su mikrojuosteliniais spinduoliais)

Juosteliniai-plyšiniai antenų tinkleliai turi geras kryptines charakteristikas, nes dauguma perdavimo linijų būna ekranuotos. Tačiau šios antenos būna didesnės už kitas juostelines, taip pat nėra mechaniškai tvirtos ir mažiau atsparios klimatinėms sąlygoms.

Panagrinėsime vieną elementarią juostelinę-plyšinę anteną. Ji sudaryta iš trijų metalizuotų dielektriko plokštelių, viršutinėje, iš vienos pusės mmetalizuotoje plokštelėje yra plyšys, antros plokštelės metalizuota “T” formos dalis yra didesnė už plyšį ir perdengia jį, o trečioji plokštelė atlieka ekrano vaidmenį. Plokštelės yra sujungiamos per plyšelius kurie išsidėstę aplink didelį plyšį(9 pav.).

Antenų tinkleliai juostelinių spinduoliu pagrindu

Šios antenos yra pakankamai mažos ir pigios lyginant jas su kitomis super aukštų dažnių antenomis. Šios antenos iš kitų juostelinių išsiskiria perdavimo linijų išnaudojimu, spinduoliu išvaizda ir geometrija, spinduolių išdėstymų ant dielektriko plokštelės, spinduliuojančių elementų ryšiu su maitinimo schema, kuri savo ruožtu gali būti galvaninė arba induktyvinė ir t.t. Maitinimo schemos gali būti paralelinio arba mišraus tipo.

Prie šių antenų minusų galima priskirti:

· Dideli nuostoliai juostelinėse perdavimo linijose.

· Reikšmingas tarpusavio ryšys tarp spinduolių, o taip pat ir tarp juostelinių perdavimo linijų ir spinduolių.

· Didelis atvirų linijų parazitinis spinduliavimas, o taip pat ir didelis šoninis spinduliavimas atsirandantis dėl paviršinių bangų, sklindančių dielektriko paviršiumi.

Panagrinėsime vieną pavyzdį (10,a pav.). Antenos tinklelis sudarytas taip kad spinduoliai išsidėstę išilgai pagal juostelines perdavimo linijas, kuri galai yra apkrauti suderintomis apkrovomis. Spinduliuojančių elementų atstumas nuo maitinimo linijų yra atvirkščiai proporcingas ryšiui, ir einant tolyn nuo galios paskirstytojų vis mažėja. Poliarizacijos kryptis priklauso nuo spinduolių padėties mikrojuostelinių perdavimo linijų atžvilgiu, tam tikru būdu išdėsčius spinduolius galima gauti ir apskritiminę poliarizaciją.

Kitas pavyzdys yra sudarytas iiš skirtingo pločio mikrojuostelinių linijų atraižų, jos sujungtos nuosekliu maitinimu, platesnės dalys yra spinduliuojantys elementai, o siauresnės yra perdavimo linijos (10,b pav.). Visa ši grandinėlė tęsiasi elektrinio lauko vektoriaus kryptimi.

Sekantis pavyzdys (11 pav.) pagal elektrines charakteristikas yra kaip rezonatorius su nuostoliais. Čia susikuria sinfazinis srovės paskirstymas į periodiškai išsirikiavusius vienodus juostelinės linijos plotelius. Ši antena sudaryta iš periodiškai besikartojančių λ/2 bangos ilgio mikrojuostelinės linijos gabalėlių, ir zigzaginių linijų, kurios yra išspausdintos ant plonos dielektrinės plokštelės paviršiaus, kurios kita pusė yra įžemintas metalizuotas ekranas. Tokios antenos kiekvienai linijai dirbant su suderinta apkrova, ji spinduliuoja tam tikra kryptimi, pavyzdžiui normalės kryptimi pagal antenos paviršių. Stovinčios bangos atveju krintanti ir atsispindėjusi banga sukuria du spindulius, kurių išsidėstymas simetriškas antenos paviršiaus normalės atžvilgiu.

Bėgančios bangos antenos tinklelis sudarytas šiek tiek kitaip (12 pav.), jis sudarytas iš fiderinės linijos ir kelių spinduliuojančių elementų, nutolusių vienas nuo kito išilgai linijos per tam tikrą atstumą, linija baigiasi suderinta apkrova.

Juosteliniai faziniai antenų tinkleliai

Kaip jau ankščiau minėjau, vienas juostelinių antenų tinklelių privalumų yra tas, jog galime keisti kryptiškumo diagramą. Tai pasiekiama keičiant fazinį postūmį tarp sujungtų spinduolių srovių, vienu ir tuo pačiu dydžiu.

Šių antenų konstrukcijų būna :

· Daugiaelemenčiai faziniai antenų tinkleliai, surenkami iš juostelinių spinduolių modulių, kurių spinduliavimo fazė valdoma vidine

maitinimo grandine.

· Faziniai antenų tinkleliai,. Kuriuose diskretiškai kinta pačių spinduolių spinduliavimo fazė.

· Atspindžio juostelinių elementų tinkleliai, jie priskiriami prie pasyviųjų fazinių antenų tinklelių, jų atspindžio fazė priklauso nuo elektrinio reguliavimo signalo pasyviuose atspindžio elementuose.

Antenos spindulio formavimui dviejose tarpusavyje statmenose plokštumose ir jo valdymo tam tikrame erdvės sektoriuje užtikrinimui, reikalinga naudoti dvimatį spinduliavimo tinklelį (13 pav.). Kol kas šios technologijos televizijoje taikyti ekonomiškai neapsimoka, todėl yra ieškoma kitu sprendimų šioje srityje.

Yra keli schemų jungimo būdai. Nuoseklaus jungimo schemose (14,a pav.) naudojami identiški fazės ssukikliai, kurių pagalba ir sukuriami vienodi srovės fazės postūmiai tarp sujungtų spinduolių. Prie nuoseklios jungimo schemos trūkumų priskirtini dideli reikalavimai valdymo sistemai, stabilumui fazės sukiklių, taip pat dideli nuostoliai.

Paralelinės schemos (14,b pav.) naudingumo koeficientas mažai skiriasi nuo vienos šakos naudingumo koeficiento, tačiau yra gerokai didesnis nei nuoseklios schemos. Jai nereikia aukšto stabilumo fazės sukiklių, prie minusų priskiriama valdymo sistemos sudėtingumas. Čia fazės postūmiai jau nėra lygūs, o yra pirmojo kartotiniai.

Kombinuotoje schemoje (14,c pav) fazės sukikliai sujungti paraleliškai, galios dalijimas vyksta pper pataisytis atšakotuvus. Šios schemos privalumas- galimybė ryšio koeficientų tarp nukreiptų atšakotuvų keitimu nepriklausomai reguliuoti amplitudinį pasiskirstymą.

Mikrojuostelinių antenų technologija leidžia elementarius juostelinius spinduolius montuoti kartu su fazės su sukikliais. Šiuolaikiniai fazės sukikliai gaminami iš puslaidininkinių diodų arba integralinių mikroschemų.

Plokštuminės logoperiodinės aantenos

Plokščia dviguba trikampė pasipildančių struktūrų geometrijos antena yra viena (15 pav.) iš pretendentų į superdiapazonės antenos vietą, tačiau jos diapazoniškumas irgi yra ribotas, nes jos ilgyje per mažai silpsta srovė. Tam tikslui buvo nuspręsta į jos konstrukciją dar įjungti ir papildomus vibratorius (dantelius), kad padidinti spinduliavimą.

Gretimų dantelių spindulių santykis buvo parinktas:

Ri+1/Ri=τ

Jis buvo pavadintas bedimensiu struktūros periodu, o santykinis vieno dantelio plotis yra lygus: σ=ri/Ri=√ τ ir vadinamas formos koeficientu

Kadangi danteliai parinkti diskretiškai, tai ir antenos parametrai kartojasi diskretiškai:

lgf1=lgf1 – (i –1 )lg τ

Taigi matome jog 6ios antenos parametrai yra dažnio logoritmo periodinės funkcijos, todėl jos ir vadinamos logoperiodinėmis.

Dirbant su antena jos vidutiniuose darbo dažniuose, pastebėta jog didžiausia srovės vertė būna dantelyje kurio l=λ/4, t.y. rezonansinis.

Kraštinius darbo dažnių diapazonus apibrėžia antenos ilgiausias ir ttrumpiausias danteliai. Antena spinduliuoja z ašies kryptimi, į abi puses nuo antenos, o išspinduliuota banga yra tiesiškai poliarizuota x ašies atžvilgiu. Spinduliavimo diagramos pagr. Lapelio plotis priklauso nuo antenos geometrinės formos. Norint padidinti antenos kryptiškumą fiksuotame dažnių diapazone reikia parinkti nedidelį struktūros periodą ir didinti antenos išorinį spindulį. Išmatuotas antenos įėjimo impedansas yra Zin=Rin=150 ohm. Ši antena yra maitinama per koaksialųjį fiderį, kuris yra vedamas į antenos centrą vienu jos petimi, visą laiką fiderio išorinis laidininkas yra lituojamas kad antena lliktų gerai simetrinta. Centrinis fiderio laidininkas jungiamas prie kito antenos peties įėjimo.

Norint išvengti pagrindinio plokštuminės antenos trūkumo- spinduliavimo į abi puses, buvo nutarta sistemą šiek tiek sulenkti per x ašį (16 pav.), optimalus kampas 30-60 laipsnių. Ši antena spinduliuoja jau nebe į abi puses o savo viršūnės kryptimi. Jos kryptiškumo koeficientas yra D=8-10dB, atbulinio spinduliavimo lygis katb=15 dB, pagrindinio lapelio plotis plokštumoje H yra apie 80 laipsnių, o E plokštumoje 60 laipsnių, įėjimo impedansas priklauso nuo žadinimo fiderio varžos ir lygus 100-150 ohm.

RADIOBANGŲ ATSPINDYS NUO ŠIURKŠČIŲ PAVIRŠIŲ

Radiobangų atspindžiai būna dviejų tipų:

· Veidrodinis atspindys.

· Difuzinis atspindys

Atspindžio pobūdis nustatomas pagal Relėjaus kriterijų:

h= λ/(8 sin α) , kur α yra spindulių atspindžio kampas

Jei paviršiaus nelygumai< h, paviršius tam bangos ilgiui yra veidrodinis(17,a pav.);

Jei paviršiaus nelygumai > h, tai atspindys difuzinis, kai paviršiaus nelygumai yra λ eilės tai difuzinio atspindžio paviršius duotam bangos ilgiui yra šiurkštus (17,b pav.). Nuo šiurkštaus paviršiaus banga atsispindi ne kaip nuo veidrodinio vienu kampu, o yra išsklaidoma, jos dalis atsispindi ir kritusios bangos kryptimi.

Tai yra pritaikoma radiolokacijoje. Radiobanga atsispindi atgal tik nuo statmenų jos kritimo krypčiai paviršių. Kai radiolokatorius dirba su decimetrinėm, centimetrinėm ir milimetrinėm bangom, tai daugumos objektų paviršiai yra šiurkštūs. Radiolokacijoje manoma jog jos stebimas objektas susideda iš daugybės aatšvaitų, kurie yra nevienodai nutolę nuo lokacinės sistemos, ir skirtingai orientuoti erdvėje, nuo to priklauso ir atsispindėjusios bangos intensyvumas, be to atsispindėjusios bangos dar veikia viena kitą, tai slopindamos, tai sustiprindamos. O nuo bangos intensyvumo savo ruožtu priklauso radiolokatoriaus veikimo nuotolis.

Šiurkštus paviršius yra pritaikomas ir apsaugant objektus nuo radiolokacijos priemonių, tai realizuojama apsauginėmis dangomis, kurios silpnina radiobangų atspindį nuo paviršiaus jas sugerdamos arba išsklaidydamos. Jeigu danga sudaryta iš mažų kūgio ar piramidės pavidalo iškyšių tai atsispindėjusi banga sudaro apie 1-5% kritusios bangos energijos. Dar būna interferencinės plėvelės, kurios parenkamos, kad atsispindėjusių bangų nuo paviršiaus fazės būtų priešingos, viena kitą slopintų.

Naudota literatūra:

1. A.Nemecas, V.Fedotovas Radiolokacijos ir televizijos pagrindai.- Vilnius: Mokslas, 1987.

2. K.Paulauskas Antenos ir mikrobangų įtaisai.- Vilnius: Mokslas, 1985.

3. Д.И. Воскресенский Антенны и устройства СВЧ.- Москва: Радио и связъ, 1981.

4. йцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбю Спутниковая