Бундай тизимларга радиоалоқа, радиоэшиттириш, радиобошқариш, радиореле

2.1. Антенналарнинг вазифа ва таснифлари

Антенна деб электромагнит тўлқинни тарқатиш ёки қабул қилиш учун мўлжалланган радиотехника қурилмасига айтилади. Антенна радиотўлқиннинг тарқалиши ёки қабул қилиниши билан боғлиқ бўлган исталган радиотехника тизимининг муҳим элементларидан бири ҳисобланади. Бундай тизимларга радиоалоқа, радиоэшиттириш, радиобошқариш, радиорелели алоқа, радиолокация, радиоастрономия, радионавигация тизимлари киради.
Антенна конструктив жиҳатдан симлар, металл юза, диэлектриклар, магнитодиэлектрикларни ўз ичига олади.
Фойдали сигнал билан модуляцияланадиган юқори частота электромагнит тебранишлари маконда тарқаладиган электромагнит тўлқинга узатувчи антенна ёрдамида ўзгартирилади. Одатда, электромагнит тебранишлар антеннага узаткичдан билвосита эмас, балки фидер ёрдамида келтирилади.
Қабул қилиш антеннаси тарқаладиган радиотўлқинларни тутиб олади, уларни фидер ёрдамида қабул қилиш қурилмаси киришига келиб тушадиган электромагнит тўлқинга ўзгартиради. Антенналарнинг қайтарувчанлик принципига мувофиқ – узатиш режимида ишлайдиган антенналар хусусияти ушбу антеннанинг қабул қилиш режимида ишлаганда ўзгармайди.
Антеннанинг электромагнит тўлқиннинг бир турини бошқа турига ўзгартириши кам энергиянинг йўқотишлари билан, яъни узатувчи режимда = P / Р₀ формула билан аниқланадиган максимал мумкин бўлган ФИК билан юз бериши керак, бу ерда P – нурлантирувчи антенна қуввати, Р₀ – антеннага келтирилган қувват.
Антеннанинг электромагнит тўлқинларни турли интенсивлик билан турли йўналишларга тарқатиш имконияти, унинг йўналганлик хусусиятлари билан, яъни формула кўринишида йўналганалик характеристикаси (ЙХ) ёки расм (чизма) кўринишида йўналганлик диаграммаси (ЙД) билан тавсифланади.
Тор ЙДга эга антенналар узаткич қувватини оширмасдан қабул қилиш нуқтасида майдон кучланганлигини ошириш имконини беради. Кўп ҳолларда бу иқтисодий жиҳатдан узаткичнинг қувватини оширишга нисбатан қулайроқ ҳисобланади. Бундан ташқари, талаб этиладиган йўналишда электромагнит тўлқин концентрацияси турли радиотехника тизимларининг ўзаро таъсир этувчи халақитларининг камайишига олиб келади. Йўналтирилган қабул қилиш антенналарининг мавжудлиги турли ташқи халақитлар қабул қилинишининг сусайишига, яъни қабул қилиш сифатининг ошиши ва қабул қилиш қурилмасининг халақитдан ҳимояланганлигини яхшилашга олиб келади. Космик радиоалоқа, радиоастрономия, радиолокация, радиорелели линиялар антенналари катта йўналган хусусиятларга эга бўлиши керак.
Шу билан бир вақтда радио ва телевидение учун узатувчи антенналар горизонтал юзада бир хил нурланишга эга бўлиши керак. (айрим ҳолатлар – тоғ ва шу кабилардан ташқари).
Йўналганлик хусусиятлари муҳим ҳисобланганидан, антенна томонидан бажарадиган қуйидаги иккита функция тўғрисида гапириб ўтиш зарур бўлади:
– электромагнит тебранишларни эркин электромагнит тўлқинларга ўзгартириш;
– бу тўлқинларни аниқ йўналишларда тарқатиш.
Антенна қурилмаси ишлашида генератордан антеннага (ёки антеннадан қабул қилгичга) электромагнит энергияни узатадиган (каналлаштирадиган) таъминот линияси (фидерли тракт) муҳим рол ўйнайди. Фидер электромагнит тўлқинлар нурлантирмаслиги ва кам йўқотишларга эга бўлиши керак. Уни узаткичнинг чиқиш занжири билан (ёки қабул қилгичнинг кириш занжири билан) ва антеннанинг кириш қаршилиги билан мослаш зарур, яъни фидерда югурувчи тўлқин режими ёки унга яқин режим бўлиши керак.
Радиотўлқинлар диапазонига боғлиқ ҳолда фидернинг турли типлари қўлланилади: икки симли ёки кўп симли ҳаво фидерлари, носимметрик экранланган (коаксиал) линиялар, тўлқин ўтказгичларнинг турли типлари ва бошқалар.
Антеннани таснифлаш, мисол учун антеннанинг қуйидаги тўртта классга ажратиб тарқалувчи майдонни шакллантириш усули бўйича ўтказилиши мумкин:
10kHz...1GHz частоталар диапазони учун катта бўлмаган ўлчамли нурлатгичлар , бу ерда - тўлқин узунлиги). Бу классдаги антенналар қаторига битта тебратгичли ва тирқишли нурлатгичлар, полосали ва микрополосали антенналар, рамкасимон антенналар, шунингдек частота-боғлиқ бўлмаган нурлатгичлар киради.
3MHz...10GHz частоталар диапазони учун дан 100 гача ўлчамли югурувчи тўлқин антенналари. Бунга спираль, диэлектрик, директорли, импедансли антенналар, шунингдек «сизиб чиққан» тўлқин антенналари киради.
3 MHz … 30 GHz частоталар диапазони учун дан 100 гача ва ундан ортиқ ўлчамдаги антенна панжаралари.
Кўплаб алоҳида нурлатгичлардан иборат антенналардир. Антенна панжараларининг ҳар бир элементининг қўзғатиш фазасини (айрим ҳолларда амплитуда) мустақил тартибга солиш йўналганлик диаграммасини электр бошқариш имкониятини таъминлайди. Линияли, текис, ҳалқали, қавариқ ва конформ (қурилма объектининг шаклига мос келадиган) антенна панжаралари қўлланилади. Антенна панжаралари асосида сигнални қайта ишловчи антенна тизимлари, шу жумладан, ўзгарадиган халақит ҳолатига ўзгарадиган адаптив тизимлари яратилади.
100 MHz … 100 GHz частоталар диапазони учун дан 1000 гача ва ундан ортиқ ўлчамдаги апертур антенналар.
Кўзгули, рупорли ва линзали апертур антенналар кенг тарқалган. Апертур антенналарга антенна панжараси кўринишидаги нурланувчи тизим билан кўзгу ёки линзанинг бирга қўшилишини ўз ичига олган «гибрид» антенналар туташади. Апертур антенналар оптик принциплар бўйича қурилади ва нурланишнинг энг юқори йўналганлигини таъминлайди.
Антеннанинг йўналганлик хоссалари йўналганлик характеристикаси (диаграммаси) билан тавсифланади. Бу миқдор жиҳатдан бу хоссалар ЙД кенглиги, ён япроқлар даражаси, йўналтирилган таъсир коэффициенти (ЙК) ва бошқа параметрлар ёрдамида баҳоланади.
Генератор ёки фидер учун юклама сифатида тавсифланадиган антеннанинг кириш қаршилиги муҳим параметр ҳисобланади, қаршилик. Антеннанинг кириш қаршилиги деб антенна таъминоти нуқталари (антенна қисқичлари) ўртасидаги кучланишнинг бу нуқталардаги токка нисбатига айтилади. Антенна тўлқин ўтказгичдан таъминот олса, кириш қаршилиги тўлқин ўтказгич трактида юзага келадиган қайтишлар билан аниқланади. Умуман кириш қаршилиги Z_кир= R_кир+ iX_кир комплекс катталик. У фидерли трактда югурувчи тўлқин режимига яқин бўлган режимни таъминлаш учун фидер трактининг тўлқин қаршилиги билан мос бўлиши керак.
Антенна томонидан тарқаладиган қувват Р_Σ, антенна таъминоти нуқталаридаги ток билан P = I₀²R ₀/ 2 нисбат билан боғланган, бу ерда R_Σ0 – антенна тарқалишининг қаршилиги (бу антеннада йўқотишлар бўлмаганда антенна кириш қаршилигининг актив ташкил этувчиси). Бундай таъриф симли антенналарга таалуқли.
Антеннанинг асосий параметрларидан бири частоталар ишчи полосасининг кенглиги ҳисобланади, унинг чегарасида антенна параметрлари (йўналганлик характеристикаси, кириш қаршилиги, ЙДК ва бошқалар) аниқ техник талабларни қаноатлантиради. Ишчи полосалар чегараларида антенна параметрларининг доимийлигига қўйиладиган талаблар турлича бўлиши мумкин, улар ишлаш шароитларига боғлиқ. Одатда, частоталарнинг ишчи полосаси, қиймати бошқалардан олдин частоталар ўзгарганда йўл қўйиладиган чегаралардан чиқадиган параметр билан аниқланади. Кўп ҳолларда антеннанинг кириш қаршилиги шундай параметр ҳисобланади. Частота ўзгарганда унинг ўзгариши фидерли антенна билан номувофиқликга олиб келади. Қатор ҳолларда ишчи диапазоннинг кенглиги йўналтирилган хоссаларни тавсифлайдиган параметрлардан бирининг ёмонлашуви: максимал нурланиш йўналишининг ўзгариши, ЙД кенгайиши, ЙДК камайиши билан белгиланади. Ишчи диапазон кенглигига боғлиқ ҳолда антенналар шартли равишда қуйидагиларга бўлинади:
нисбий ишчи полоса номинал частотадан 10% га кам бўлган тор полосали (созланган);
10...50% частоталарнинг нисбий ишчи полосаси бўлган кенг полосали;
частоталарнинг тўсиб қўйиш коэффициенти (f_MAX/f_MIN) тахминан 2...5 ни ташкил этадиган диапазонли;
частотага боғлиқ бўлмаган (ўта кенг полосали), назарий жиҳатдан частотага боғлиқ бўлмаган коэффициенти (амалда f_MAX/f_MIN бундай антенналар > 5).
Яна бир параметр, антеннага, уни бузиб қўймасдан ва атроф-муҳит тешилмасдан ҳавфсиз келтирилиши мумкин бўлган чегаравий қувват ҳисобланади. Шунингдек, антеннанинг қутбланиш хоссаларини тавсифлайдиган параметрлар ҳам мавжуд.
Антенна назариясининг асосий вазифалари. Анализ ва синтез вазифалари антенна назариясининг асосий вазифаларидир. Анализ вазифаси антеннани (шу жумладан, антеннанинг ўзида) қамраб олувчи маконнинг исталган нуқтасидаги электромагнит майдонни аниқлашдан иборат. Майдон манбалари бўлиб антенна бўйича тақсимланган ток ва зарядлар ҳисобланади. Бундай тақсимлаш қонуни (ток амплитудаси ва фазасининг антенна юзасидаги нуқта координаталарига боғлиқлиги) одатда номаълум. Антеннага келтирилган ЭҲК (ташқи ЭҲК) берилганда, анализ вазифаси қуйидагича ҳал қилиниши мумкин: изланаётган майдон Максвелл тенгламаларини қаноатлантириши; бир муҳитдан бошқа муҳитга ўтишда (ҳаво – металл, ҳаво – диэлектрик ва бошқалар) бўлиниши юзасидаги чегаравий шартлани қаноатлантириши; нурланиш шарти бажарилиши керак. Охиргиси, антеннадан катта масофада майдон амплитудаси масофа r ошгани сари 1/r каби камаядиган югурувчи тўлқинни ифодалаши кераклигини билдиради.
Бу масаланинг қатъий ечими йўлида антенналар асосан мураккаб конфигурацияга эга бўлиши; чегаравий шартлар берилган юза, қоидага кўра, координаталар қандайдир ортогонал тизимларининг координатали юзаларига мос келмаслиги каби катта математик қийинчиликлар учраб туради.
Анализ вазифасини икки: ички ва ташқи қисмга бўлиб соддалаштириш мумкин. Ички вазифа антеннанинг ўзида қўзғатувчи ток тақсимланишини ёки майдон манбаи бўлган V ҳажмни чегараловчи ихтиёрий танлаб олинган берк S юзада майдон тақсимланишини аниқлашдан иборат. Бу вазифа антеннанинг аниқ маълумотларига боғлиқ ҳолда танланадиган тақрибий методлар билан ечилади. Масалан, кўп ҳолларда вибратор ва учида узилган узун икки симли линия ўртасидаги айрим аналогиялардан келиб чиқиб, линия тебратгичлари бўйлаб токни синусоидал тақсимлаш билан берилади. Мисол сифатида декаметрли, метрли ва дециметрли тўлқин диапазонларида фойдаланиладиган симметрик тебратгич ток синусоидал тақсимланган антенналар бўлиб ҳисобланади. Бу антенна узунлиги тўлқин узунлигига тенг бўлган цилиндрик ўтказгич кўринишида (одатда ўтказгич узунлиги ярим тўлқин узунлигига тенг олинади). Бу ўтказгичнинг ўртасига (“елкаси”) ЭЮК манбаси уланади. Симли антенналар, масалан тебратгичли антенналар учун, майдонни антеннани ҳаёлан бир нечта элементар электр тебратгичларга бўлиб ҳисоблаш мумкин.
Антеннада токнинг тақсимланиши номаълум ёки мураккаб бўлса, ташқи майдонни манбаларни ўз ичига олувчи берк S текисликда магнит Н ва электр Е майдон кучланганлиги векторини белгилаган ҳолда аниқлаш мақсадга мувофиқ (бунда кўпгина геометрик оптика методлари фойдаланилади). Бу усул апертур антенна (рупорли, линзали, параболик ва бошқа) ларни анализ қилишда кенг қўлланилади.
Агар S текисликда Е ва Н векторларнинг тангенциал ташкил этувчилари маълум бўлса, у ҳолда электродинамикада аниқ бўлган эквивалентлик принципига асосан бу ташкил этувчилар электрик ва магнит юза токлари эквивалентлари билан алмаштирилиши мумкин. S текисликни dS элементар юзаларга бўлиб ва ҳар бирини Гюйгенс элементи сифатида қараб, алоҳида элементларда юзага келган майдонларни қўшиб, V_s ташқи соҳадаги тўлиқ майдонни аниқлаш мумкин. Қўйилган масалани ечишнинг бу усули Гюйгенс-Кирхгоф яқинлашуви деб айтилади. Шу билан нурлатувчи тизим (электромагнит тўлқинларни қўзғатувчи токлар билан тўла фазо) ўзи билан фақат металл юзалар орқали оқувчи реал электр токлардан эмас, балки антеннани ўраб турувчи ёпиқ текисликларда тақсимланган эквивалент магнит ва электр токлари ҳамда диэлектрик ва магнитодиэлектриклар хажмидаги қутбланиш электр ва магнит токларини ифода этади.
Антеннани синтез қилиш масаласи антенна параметрларига (асосан йўналганлик диаграммасига) қўйилган талабларни инобатга олган ҳолда антенна шакли ва ўлчамларини ҳамда ундаги майдон манбаларининг тақсимланишини аниқлашдан иборат. Бу масала, антеннадаги токнинг тақсимланиши маълум бўлганда, ҳосил бўлган антенна параметрлари қўйиладиган талабларга жавоб бермай қолганда юзага келади.
Анализ ва синтез масаласини ечиш одатда ЭҲМни қўллашни талаб қилади.