Мини-лекции. Хитрые антенны

   Вы правы, всякие антенны не могут быть хитрыми, а вот разработчики, да! Мы с Вами рассмотрим лишь шесть «хитрых» антенн. Надеюсь, что Вы откроете для себя что-то новое?!

      ТУРНИКЕТНЫЕ АНТЕННЫ

   Что такое турникет Вы наверняка знаете и даже может быть с ним знакомы? Ну это когда Вы хотите проникнуть куда-то, а он (турникет) Вас не пускает! Такое вот крестообразное устройство. А причём здесь антенна? Ну, вот Вам прямо так сразу и скажи?.. Антенна о которой мы сейчас и поговорим, так или иначе участвовала в Вашей жизни, косвенно конечно. Это антенна передающего центра, а точнее телевизионного центра. Вот её Вы и видите на рис1. Вот и обещанные турникеты, нанизанные на мачту? Это и есть турникетная антенна!

   Для передачи телевизионных сигналов и не только используются радиоволны. По науке их называют электромагнитные. Значит есть магнитная и электрическая составляющие. А они в свою очередь в пространстве ориентированы так, что всегда перпендикулярны друг другу. Как бы строго соблюдают свою поляризованность. Чтобы в будущем не ломать долго голову, отвечающую за поляризацию назначили электрическую составляющую. И если это так, то по отношению к плоскости земли они могут иметь как горизонтальную поляризацию, так и вертикальную.

   Кто, когда и как определил, что горизонтальная поляризация для телевидения лучше чем вертикальная мне не известно? Но сколько я себя помню так оно и было! И лишь в последнее время начало что-то в этом деле меняться. Конечно сейчас, особенно в городах внедряется так называемое кабельное телевидение, но? Но пройдитесь по городу или деревне и Вы наверняка увидите на крышах домов летящие «самолёты», антенны с элементами расположенными параллельно плоскости земли.

   Значит наша передающая антенна по определению, тоже должна излучать волны с горизонтальной поляризацией. Второе условие чему должна отвечать антенна, это круговая диаграмма направленности. И где бы Вы не находились, Вы должны устойчиво принимать телевизионный сигнал и всю ночь напролёт таращиться на экран! Вот таким условиям и соответствует антенна в виде турникета, но? Но почему их столько много этих самых турникетов? Дело в том, что антенна должна быть расположена высоко над поверхностью земли. Ну, чтобы охватить как можно большую площадь вещания. Вон останкинская башня в Москве, аж на 500 метров возвысилась! У нас же в городе старая вышка только на 150 метров. Новая, за городом, более 300 метров! Только вот этот чёртов турникет (один), в вертикальной плоскости имеет диаграмму направленности не совсем хорошую. Большая часть мощности сигнала идёт мимо кассы или псу под хвост! И?

   И вот, чтобы всем, всё было хорошо нам нужно диаграмму прижать к земле, а не пулять энергию в космос! А для этого нужно создать линейную решётку из турникетов и уже из этой решётки делать нужную нам диаграмму! Не сомневаюсь, что Вы спросите, а почему мол это все эти финтифлюшки в виде каких-то там бабочек? Потому, что как оказалось в таком виде турникеты позволяют излучать широкую полосу частот. Для тех кто не в курсе, напоминаю, что на FM полоса частот радиостанций где-то 150 кГц., а вот телевизионный канал занимает аж 9 мГц.

   Не смотря на всякие доводы иногда приходится применять антенны с вертикальной поляризацией. С виду они не менее сложны чем с горизонтальной. Всё та же полоса частот и прижим диаграммы к земле. Так зачем же тогда с вертикальной? Покажу на примере нашей области. Кто, когда распределял каналы и зоны обслуживания, но вот у нас начались неприятности! В одном районе граничащим с другой областью вынуждены смотреть один и тот же канал как со стороны нашей вышки, так и из соседней области. А это как бы слушать двух человек одновременно! Одним словом пришлось ставить вблизи города вторую вышку, но уже с вертикальной поляризацией. Это чтобы развязать сигналы если уж не по частотам, так хотя бы по поляризации! Как уж там сейчас чувствуют себя телезрители?

      ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ

   По глазам вижу, что Вы готовы спросить, мол радио, телевидение это понятно! А причём здесь какая-то гидроакустика? И причём здесь антенны? А при том, что и в гидроакустике тоже есть устройства-антенны! И подходы к проблемам примерно такие же... На рис2 Вы видите подводную дизельную лодку, хотя для нашей лекции всё равно какая лодка и величина роли не играет?.. А на рис3 гидроакустическая антенна этой лодки (в больших, антенны несколько другой конструкции). На рис2d жёлтой стрелочкой показана та же антенна. Это нос распатроненный лодки стоящей на ремонте в плавучем доке. В рабочем состоянии антенна закрыта блестящими обтекателями рис2a. На рис2b Вы видите антенну обнаружения чужих гидроакустических сигналов (гидролокаторов), а на рис2с антенна станции опознавания и связи. Ну это так для общего развития. Мы же рассмотрим только ту, что на рис3. Это антенна шумопеленгаторной станции. Ведь лодке под водой приходится идти вслепую и шумопеленгаторная станция это глаза и уши подводников.

   Вся антенна представляет собой цилиндр по окружности которого расположены звуковые приёмники, длинные вертикальные трубки. Каждый приёмник представляет собой преобразователь звука в электрический сигнал. Своего рода микрофон. Если в радиоразведке не ограничиваются определением направления на источник, то в лодке только определение и всё! То есть нужно определить направление на источник шума (работающие двигатели и шумы винтов кораблей). Как всё это работает? Посмотрите на рис4, это упрощённая схема нашей антенны (вид сверху или снизу, как Вам удобнее). Для примера, мы взяли всего лишь 16 приёмников. А определение направления на источник определяется на слух акустиком, по максимуму шума. Хотя существуют и другие принципы...

   Если бы приёмники располагались на плоскости, то максимум шума был бы тогда, когда плоскость была перпендикулярна направлению на шум. Но у нас же все приёмники на окружности и? Правильно, нужно искусственно разместить их на плоскости. Но как? Возьмём 7 приёмников рис4, серый сегмент. Если бы приёмники располагались на плоскости, то при направление на максимум шума звук приходил бы на приёмники 1 и 7 одновременно, то есть в фазе. Вот в нашем случае должно так и быть, звук на все приёмники должен приходить одновременно. Но как если они расположены физически на разных расстояниях от источника звука?

   Можно создать плоскость с приёмниками искусственно! Как? Очень просто. Электрический сигнал с приёмника 4 задержать так, чтобы его сигнал и сигналы с приёмников 1 и 7 пришли одновременно (были в фазе). А заодно и остальные сигналы с приёмников 2,3,5 и 6. Да там задержка должна быть меньше и естественно пропорционально расстояниям... В итоге получим виртуальную плоскость (чёрный отрезок как бы нашей плоскости?.). Можно взять меньшее число приёмников и вообще другие, скажем 8-11 или 13-16 и подключить к задерживающим устройствам (компенсаторам). Тогда виртуальные плоскости будут ориентированы в пространстве так как и показано (синие и зелёные сегменты). Делая соответствующие переключения можно поворачивать плоскость антенны в определённом секторе. Вот такая «хитрая» система получилась! Ну, а уж далее,- дело техники. Если Вы встретите какую-нибудь литературу по теме, то там (как правило) всё объяснения делают на примере двух приёмников. Для нашего же случая нужно лишь мысленно между теми двумя вставить наши остальные.

      АНТЕННЫ РЛС НАДГОРИЗОНТНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ

   Если прежняя антенна похожа более на штакетник, то вот эти антенны рис5 настоящие двумерные решётки, где все манипуляции можно проводить не только по горизонтали (как на лодке), но и по вертикали. Это и применяют на РЛС, радиолокационной станции надгоризонтального обнаружения. Они должны отслеживать запуски баллистических ракет супостатов, желающих нашей смерти! Как же в этом случае применяют метод искусственной плоскости. На рис5 РЛС «Печора». Слева передатчик, а справа приёмник. Сооружение большие и естественно неповоротные. Красными стрелочками показаны чёрные плоскости наклонных стен. На них расположены как плитки на полу в ванной, излучающие и приёмные антенны, — двумерные решётки. А как же можно видеть какой-либо сектор (около 110°) если стены-антенны неповоротные? Очень просто!

   На рис5a схематично показано как это сделать. Сверху-вниз на каждую плитку-антенну приходит излучаемый сигнал. И если ничего не делать то направление излучения будет перпендикулярно нашей стены, синяя стрелочка. А если включить задержки и тогда сигнал на крайний слева излучатель будет подаваться с самой большой задержкой. Зато на крайний справа вообще без задержки. На остальные же в соответствующей пропорции. Тогда на момент начала излучения крайним слева излучателем уже будут находиться в пространстве волны других излучателей. Фронт суммарной волны будет такой (отрезок линии фронта красного цвета), а направление излучения показано красной стрелочкой (вектором). Нам теперь можно сканировать пространство не поворачивая Всю станцию! Нужно лишь подключать к нужному излучателю нужную задержку (фазовращатель) и всё! Этот принцип применяется и в других случаях, особенно там где нужно определять цели на больших скоростях!

      АНТЕННЫ ЛУНОХОДА

   Что значит для нас луноход? Ну, да это обеспечение связи его с землёй, а точнее со станцией слежения и управления этой железякой. И? Конечно, же проблемы! Земля вертится, луна крутится. Сам луноход движется как ему вздумается? Мощность передатчиков так себе и стало быть? Ну правильно, максимально использовать антенны этого самого лунохода. А если точнее применить (сконструировать) такие максимальные антенны! На рис6a,b Вы и видите их. Когда мы рассматривали турникеты, то говорили о поляризации. Но это когда всё неподвижно, а здесь... Как нам быть, когда всё вертится, никак не остановится! Для таких случаев и применяют антенны с вращающейся поляризацией. То есть в любом (почти) положении прием-передача будет происходить по максимуму.

   Что же это за такие «хитрые» антенны? Это спирали с правой или левой навивкой (как договоритесь на земле?). При определённых геометрических размерах антенны диаграмма направленности представляет собой один лепесток. То, что мы видим на рис6a на мой взгляд это комбинированная антенна. Точнее спиральная антенна плюс стержневая ребристая поверхностных волн с замедляющей системой в виде шампура с дисками-шашлыками! На рис6d,e показаны по отдельности стержневая рис6d и спиральная рис6e. На луноходе их объединили и? И получили вращающую поляризацию плюс узкую диаграмму направленности. За поляризацию отвечает спиралька, а за очень узкую диаграмму «шампур»!

   Вторая антенна рис6с тоже спиральная антенна, точнее конусная, логопериодическая спиральная. Она на рисунке направлена в зенит. У неё довольно широкая диаграмма направленности. Я думаю, что она использовалась для связи с лунной станцией, находящейся на орбите?.. А вот спирально-шампурная прямо на землю пялится.

      ЩЕЛЕВЫЕ АНТЕННЫ

   Уже по названию Вы догадались, что здесь, что-то не так? Да! Такая антенна рис7 представляет собой щель в металлическом экране. На рис7a показан вид как бы сверху и силовые линии электрического поля. Так же всё выглядит и у простого вибратора. То есть они как бы аналоги друг друга?! Вы конечно можете спросить, мол для чего всё это, такие сложности? Вот Вам пример рис7b,c. Это как раз пример использования щелевой антенны для самолёта и запрятанную щелевую антенну в киль. На рис7b видны линии электрической составляющей поля. Антенна есть и никому не мешают! Аэродромические показатели железяки конечно же от присутствия антенны не пострадали... Наряду с продольными щелями применяют и в виде кольца со своими характеристиками. Кроме самолётных применений щелевые антенны применяют на подтанцовках, в качестве элементарного облучателя, скажем параболических антенн (тарелок).

   И уж совсем необычное применение щелевых антенн расположенных в земле. Роется траншея. Обкладывается металлическими листами и вперёд! Дёшево и сердито! Где это может быть? А догадайтесь?

      ПОДЗЕМНЫЕ АНТЕННЫ

   Судя по названию, это ещё более прикольно! Да такое может быть! На рис7e один из вариантов. Жёлтым цветом показано пространство в керамической трубе. Сама антенна в виде чёрного отрезка линии. Конечно большие потери как распространении радиоволн в земле так и проникновении на поверхность, но? Но раз такое существует, значит это кому-нибудь да и нужно. Учитывая сильнейшее затухание, для связи применяют в основном длинные волны да и то на небольшие расстояния.


Рецензии
Очень интерестно

Евгений Сафоненко   21.04.2018 16:17     Заявить о нарушении
Спасибо Евгений за добрые слова!
Всего Вам доброго! С уважением!

Владимир Сысолятин   25.04.2018 08:12   Заявить о нарушении