антенна

АНТЕННА (от лат. antenna - мачта, рея) - преобразователь (обычно линейный) волновых полей; в традиц. понимании - устройство, осуществляющее излучение волн, поступающих к А. либо непосредственно от передатчика, либо через антенно-фидерный тракт (А., работающая в режиме передачи, излучения), или устройство, осуществляющее преобразование падающего излучения и посылку его к приёмнику (А., работающая в режиме приёма, поглощения). В более широком смысле А. можно назвать любой преобразователь волнового поля в неоднородной среде (в волноводах, резонаторах и т. п.), т. е. А. принципиально не отличается от трансформатора мод, преобразующего (по возможности оптимально, т. е. согласованно с окружающим пространством) поле одного типа (напр., моду, бегущую по линии передачи) в поле др. типа (напр., моду, излучённую в окружающее пространство). Приёмные и передающие А. по принципу действия идентичны, ибо в любых линейных системах (кроме гиротронных) коэф. преобразования полей взаимны. Однако техн. особенности приёмных и передающих А. могут значительно расходиться из-за различий в предъявляемых к ним эксплуатац. требованиях (предельные мощности, полоса частот, шумы и т. п.).

Далее рассматриваются только радиоантенны, т. е. преобразователи эл--магн. волн радиодиапазона (с длиной волныот 1 мм до неск. км). Естественные и искусственные акустич. и гидроакустич. преобразователи волновых полей (напр., органы излучения и приёма звука у насекомых, животных, человека) - это, по существу, древнейшие А. Появившиеся значительно раньше, чем радиоантенны, оптич. преобразователи волновых полей, во многом стимулировавшие создание ряда типов радиоантенн - линзовых, зеркальных, перископических и т. п. (аналогично тому, как акустич. преобразователи полей стимулировали появление рупорных А.), также имеют право наз. А., однако, в силу исторически сложившихся традиций, в большинстве своём (кроме инфракрасного и субмиллиметрового диапазонов эл--магн. волн) так не называются.

Само лат. слово antenna в нач. 20 в. было использовано радиоинженерами для обозначения ДВ-преобразо-вателей эл--магн. полей - проводов, укреплённых на мачтах.

Появление радиоантенн относится к кон. 19 в. В 1888 Г. Герц (Н. Herz), использовав дипольную А. (Герца вибратор, рис. 1), получил эл--магн. волны (=0,6- 10 м), подтвердив выводы теории Максвелла (см. Максвелла уравнения, Электродинамика классическая). В 1895-96 А. С. Попов и независимо Г. Маркони (G. Marconi) создали А., использовавшиеся для практич. целей. Антенна Попова, в отличие от симметричного вибратора Герца, была несимметричной, вторым проводником служила Земля (рис. 2). Первоначально функции передатчика (приёмника), линии передачи и собственно А. были совмещены в одном узле, но в дальнейшем А. выделились в самостоят. устройства.

Рис. 1. Вибратор Герца.

Рис. 2. Антенна А. С. Попова.

Рис. 3. Схема ДВ-антенны: 1 - горизонтальная часть; 2 - снижение; 3 - изоляторы, 4 - мачты с оттяжками; 5 - передатчик; 6 - заземление.

До 1924 А. создавались в осн. для ДВ и CB ( от 200 м до 20 км). Эти А. (рис. 3 и 4) являются развитием и модификацией несимметричной заземлённой антенны Попова. В 1924-31 появляются А. для KB (10- 75 м), используемые для дальней связи Развитие в 1940-50-х гг. теории и техники УКВ- и СВЧ-радиоволн (метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые волны), связанное с потребностями радиовещания, телевидения, радиолокации, а затем радиоастрономии и космич. связи, привело к созданию общей теории А. и множества новых типов А., в т. ч. щелевых антенн, диэлектрич. А., антенных решеток и зеркальных антенн, антенн переменного профиля, а также сложных антенных комплексов - радиоинтерферометров и систем апертурноео синтеза.

Рис. 4. Схема антенны СВ и ДВ: 1 - активный вибратор (мачта или башня); 2 - пассивный вибратор (мачта или башня); 3 - клеммы передатчика, 4 - элемент настройки.

Излучение радиоволн. В соответствии с взаимности принципом ,к-рому удовлетворяют поля в любых линейных системах и средах (кроме гиротропных), мн. характеристики передающих и приёмных А. взаимно сопоставимы. В частности, одним из следствий принципа взаимности является совпадение диаграммы, направленности (ДН) при работе А. на передачу и на приём. Режим работы А. на передачу (излучение) более нагляден, поэтому далее обсуждаются передающие А.

Поле излучения создаётся А. благодаря возбуждённым в ней перем. токам. Это могут быть токи проводимости или поляризации, текущие по разл. элементам А., или условные токи, вводимые в качестве эквивалентов сторонних (т. е. поддерживаемых к--л. внешним источником) полей и (или) . Любое векторное поле состоит из вихревых и потенциальных
частей, поэтому объёмные плотности электрич. токов представляются в виде суммы , . Поле излучения могут создавать только вихревые части токов, интеграл от к-рых по любой замкнутой кривой (условному или реальному контуру) отличен от нуля .

Поэтому всегда можно ввести вспомогат. векторную величину , удовлетворяющую соотношению и проявляющую, себя как нек-рый фиктивный магн. ток. Здесь приняты Гаусса система единиц и комплексная запись гармонич. зависимости от времени (-угловая частота, с - скорость света в вакууме, фактор опущен). В простейшем случае однородной среды с пост. магн. и диэлектрич. проницаемостями определение полей и , создаваемых электрич. и магн. токами и , сводится к решению двух неоднородных ур-ний Максвелла

к-рые инвариантны относительно замен , , , , Следовательно, можно искать только одно решение , получая второе с помощью указанных замен. Этот метод известен как двойственности перестановочной принцип. Два примера использования принципа двойственности особо выделены в теории А.

Первый пример: идеально проводящий экран с отверстием (щелью), на к-ром задана тангенц. составляющая . Поле, создаваемое такой дифракц., или щелевой, А., совпадает с полем поверхностного магн. тока , текущего по затягивающей отверстие идеально проводящей плёнке и равного , п - нормаль к поверхности, направленная в сторону искомого поля. Для плоских экранов нужно ввести удвоенный ток , текущий в свободном пространстве по площади отверстия.

Второй пример: кольцевой электрич. ток (dS- элемент сечения проводника), текущий вдоль окружности радиуса , эквивалентен магн. диполю, направленному по оси рамки, образующему с током правый винт и обладающему магн. моментом , - площадь рамки, -эфф. магн. заряд, l - условная длина. Этот диполь двойствен электрич. диполю, образованному, напр., двумя проволочными штырями с зарядами (вибратор Герца).

Вибратор Герца (рис. 1) можно рассматривать как элементарный излучатель, поскольку любое распределение тока допустимо расчленить на элементы с и локально однородными токами , текущими по тонким "трубкам тока". Эти трубки тока, хотя и не замкнуты, но обладают отличными от нуля вихревыми составляющими. Формирование поля таким макродиполем связано с излучением когерентно осциллирующих внутри него электрич. зарядов. Для электрич. диполя, помещённого в начале координат, с дипольным моментом , ориентированным вдоль оси z, поле вне источника (при ) в вакууме определяется решением ур-ний Максвелла:

(1)

Это поперечно-магн. поле типа ТМ относительно радиального и аксиального направлений (в случае магн. диполя возникает поперечно-электрич. поле типа ТЕ). Вблизи источника, в квазистационарной зоне, , помимо компонент поля, уносящих энергию и, следовательно, убывающих с расстоянием как , присутствуют ещё и т. н. поля индукции, убывающие пропорциональнои. Это реактивные поля, в них сдвинуты по фазе на (как в стоячих волнах), поэтому плотность потока мощности в них (Пойнтинга вектор осциллирует с удвоенной частотой и в ср. за периодточно равна нулю.

Однако без этой части поля невозможно вблизи элементарных источников сформировать бегущие составляющие поля, уносящие энергию. На рис. 5 приведена картина последовательного "отпочкования" полей, построенная в соответствии с ф-лами (1). В первой четверти периода формируется квазиэлектростатич. поле , изменение к-рого во времени создаёт азимутальное магн. поле , ортогональное; при квазистатич. поле Е исчезает, но от него отрываются замкнутые сами на себя (и уже чисто вихревые), взаимно "сцепленные" линии и , образующие автономную тороидальную ячейку сферически расходящейся волны.

Это происходит примерно на расстояниях от диполя, т. е. на такой сфере, по экватору к-рой укладывается целая длина волны в окружающей диполь среде. Это общее свойство любого излучателя, характеризуемого произвольным числом вариаций поля по углу ; отрыв поля излучения происходит с поверхности, наз. каустикой, вдоль к-рой укладывается целое число волн, ; при этом фазовая скорость "вращения" такого возмущения по поверхности сравнивается со скоростью света в окружающей среде.

Реальный вибратор (а также рамка с током) имеют разрывы (рис. 6), куда подключаются идущие от генератора фидерные (обычно двухпроводные) линии передачи. Следовательно, поступление энергии происходит через место такого разрыва, где , тогда как всюду на проводящих поверхностях А. (в отсутствие омических потерь) (п - нормаль к поверхности).

Однако при отыскании внеш. поля разрыв можно заменить металлич. поверхностью и пустить по ней поверхностный магн. ток , где _стор - заданное стороннее поле на разрыве до замены. Этот ток будет играть роль источника, возбуждающего поле во внешнем по отношению к сплошному металлич. телу пространстве, поэтому создаваемое им поле должно всюду (кроме области, близко примыкающей к месту разрыва) совпадать с полем электрич. тока, фактически текущего по металлу. Отыскание распределения этого тока составляет один из аспектов теории металлич. А. В случае короткоговибратора ток по нему распределён приближённо однородно, что позволяет выразить полную мощность излучения через амплитуду I:

По отношению к фидерной линии эта мощность как бы поглощается в нек-ром нагрузочном сопротивлении R_и^е наз. сопротивлением излучения, т. е. , откуда

(2)

В тех же упрощающих предположениях сопротивление излучения малой рамочной А. равно =. Эти ф-лы теряют силу при , когда становятся заметными эффекты запаздывания эл--магн. возмущений, распространяющихся вдоль проводов.

Элементы теории антенн. Прямая задача теории А. в общем случае состоит в определении поля излучения по заданной эдс, приложенной на "входе" А.

Рис. 5. Электрические силовые линии: а - около электрического диполя (при условии постоянства наряда); б - г - отделившиеся от диполя: б - через ¹/₂ периода колебаний (¹/₂) Т после подсоединения генератора (заряд на диполе отсутствует); в - через (³/₂) Т
(масштаб изменён); г - через (⁷/₄) Т (масштаб изменён).

При этом "вход" или входную поверхность, через к-рую поступает энергия от генератора, стремятся выбрать там, где поле можно достаточно уверенно считать заданным (сторонним), определяемым только параметрами источника. Поле вдали от А., как правило, нельзя найти без отыскания всего поля, т. е. без решения ур-ний Максвелла с соответствующими граничными условиями (в нестационарных задачах ещё и с нач. условиями) на границах раздела сред с разными (или в общем случае для неоднородных). Такие краевые задачи чрезвычайно сложны, поэтому теория развивается в двух направлениях: 1) строгое решение (или решение со строго контролируемой точностью) упрощённых модельных задач; 2) приближённое исследование реальных (или близких к реальным) устройств. К первым можно отнести решения для малых по сравнению с длиной волны тел (идеально проводящих или диэлектрических) простейшей формы (шар, цилиндр, эллипсоид).

При произвольных размерах строгое решение, напр. для идеально проводящего шара или цилиндра, получается в разделяющихся переменных, но для сфероида это уже невозможно. Однако если сфероид сильно вытянут (что адекватно тонкому симметричному вибратору), удаётся построить схему решения методом логарифмически малого параметра и т. п. Важную роль играют строгие решения, полученные для полубесконечных металлич. систем (метод факторизации) и применённые к отысканию поля излучения открытых концов волноводов. Решена скалярная задача о поле точечного источника в фокусе бесконечного идеального параболич. отражателя. Перечень других таких задач можно позаимствовать в руководствах по теории дифракции и ур-ниям матем. физики.

Приближённые исследования обычно опираются на удачный выбор входной поверхности (поверхности условных или фактич. источников) с тем, чтобы распределение полей на ней можно было бы оценить (или измерить), минуя строгие решения. Напр., в случае металлич. А. произвольной формы входную поверхность можно выбрать совпадающей с поверхностью металла и, оценив возможные распределения токов на А., найти создаваемое ими поле вдали. Или поле на раскрыве рупора (зеркала, волновода и т. п.) можно считать (приближённо) распределённым в согласии с падающим полем от источника (Кирхгофа метод ).Иногда задачу определения источников (токов) на условных входных поверхностях S наз. внутренней, а задачу определения поля излучения по заданным токам (источникам) - внешней. Последняя рассматривается в пространстве, не содержащем элементов А., формирующих излучение, напр. в свободном пространстве, в регулярной части волновода и т. п.

Применение совр. ЭВМ расширило возможности расчётов А. Правильное (истинное) распределение эфф. источников должно удовлетворять нек-рому интегр. ур-нию, получающемуся в результате "сшивания" на S полей внутри и вне S. Разлагая искомый вектор (или) в ряд по удобным базисным функциям и преобразуя интегр. ур-ние к матричному, можно, воспользовавшись специально разработанными методами, составить соответствующие алгоритмы и программы. Т. о., возникновение "вычислительной электродинамики", использующей ЭВМ, в какой-то мере объединило метод строгих решений эталонных задач с методом приближённых исследований реальных устройств.

Ниже мы остановимся только на решении внеш. задачи, различая две её разновидности: 1) случай заданных токов; 2) случай полей, заданных на охватывающей А. поверхности S.

Решение ур-ний Максвелла удобно записать через Герца вектор , где Р - точка наблюдения (точка поля). Векторы связаны с ф-лами , ,а сам вектор Терца определяется заданными токами :

(3)

где - ф-ция Грина для свободного пространства, - производная в направлении орта п внешней по отношению к области V нормали к поверхности S (рис. 7, а).

Здесь R - расстояние между точкой интегрирования (элементом тока) х, у, z и точкой наблюдения Р (точкой поля) , т. е.

.

Если выделить занятый А. объём V₀, в к-ром текут токи, а поверхность S удалить в бесконечность (рис. 7, б), то из (3) получим

(4)

Как видно из (4), каждый элемент тока порождает сферически расходящуюся волну вектора Герца, что соответствует ф-лам (1). Если окружающая среда линейна, однородна и изотропна, то каждая из этих волн не будет искажаться и рассеиваться, а общее поле выражается как суперпозиция расходящихся волн.

С помощью принципа двойственности можно получить выражение для магн. вектора Герца, создаваемого магн. токами. Произвольное эл--магн. поле вне источников описывается двумя скалярными величинами, часто в качестве них выбирают декартовы компоненты векторов , получая соответственно поля типа ТМ и ТЕ.

Если поверхность S охватывает все токи, а точка наблюдения Р находится вне этой поверхности (рис. 7, в), то из (3) получим:

(5)

Поле излучения антенны. Любая система излучающих токов характеризуется тремя параметрами размерности длины: 1) расстоянием r от нек-рого условного центра антенны О до точки Р; 2) характерным масштабом распределения тока l (l_x, l_у, l_z); 3) длиной волны (или). Именно соотношения между этими параметрами лежат в основе классификации как самих излучателей, так и "районирования" создаваемых ими полей. Параметр позволяет выделить сосредоточенные (элементарные, "точечные") источники, размещающиеся в области . К ним принадлежат элементарные электрич. и магн. диполи, а также любые их "точечные" комбинации, дающие мультиполи произвольного порядка. С увеличением l система может обнаруживать резонансное поведение, напр. прямые проволочные А. настраиваются в резонанс приблизительно как линии передачи с разомкнутыми концами при, ..., а замкнутые петлевые (рамочные) А. при , ... . Распределение токов в А. примерно повторяет распределение в соответствующей линии передачи.

В др. предельном случае систем, развитых в одном или неск. направлениях, говорят о протяжённых одномерных А. или об А. с большой апертурой (l_x, , при этом обычно распределения токов в таких А. воссоздают протяжённые участки плоских фазовых фронтов, так что уже в непосредственной близости формируется "чистое" (без квазистационарных добавок) поле излучения прожекторного типа с острой направленностью в дальней зоне (рупоры, линзы, параболич. зеркала и г. п.).

Параметр определяет характер поля в зависимости от удаления от области источников. На расстояниях (как это видно на примере диполя) в зоне индукции поле представлено в осн. квазистатич. полями, быстро убывающими как r^-2 и r^-3 (поля индукции).

На расстояниях в зоне излучения, или в т. н. волновой зоне, практически остаются лишь бегущие волны, поля к-рых убывают как r^-1 (обычно пор волновой зоной понимают лишь дальнюю зону А.; представляется, однако, более оправданным называть волновой зоной область излучения, т. е. всю область, содержащую чисто бегущие волны, переносящие энергию). В непосредств. близости от А., при , распределение поля в известной мере воспроизводит структуру источника, тогда как при картина частично унифицируется; начиная с нек-рых r, можно пренебречь различием амплитуд (но не фаз!) сферич. волн, приходящих от разных участков А. Разложение по степеням в амплитуде и по параметру в фазе даёт следующее приближённое выражение для вдали от источников: , где - сферич. координаты с центром в точке О (условном центре А.), а - вектор излучения, равный

где y - угол между радиусом-вектором r точки поля и радиусом-вектором r' точки источника. Отсюда видно, что качество, или "чистота", поля излучения зависит ещё от одного безразмерного параметра, наз. параметром Френеля, . При волны, пришедшие от разных участков А., ещё различаются направлениями распространения и поэтому, складываясь, создают изрезанную картину распределения амплитуд, локально сходную с распределением в волноводных модах: поле является бегущим в радиальном направлении и, вообще говоря, стоячим по угловым координатам (исключение составляют особые случаи мод, вращающихся но ).

Эта область наз. зоной Френеля по аналогии с явлениями дифракции волн. По мере уменьшения f амплитудная изрезанность ослабевает, и мода превращается в локальную плоскую волну ТЕМ-типа по отношению к радиальному направлению. Это - зона Фраунгофера, её наз. также дальней зоной. В ней вектор излучения становится ф-цией только углов и определяет ДН излучения А.:

(6)

Следовательно, средняя за период колебаний радиальная компонента вектора Пойнтинга П равна

.

В волновой зоне амплитуды полей убывают , а плотность потока энергии -как r^-2, что есть следствие закона сохранения энергии, ибо суммарный поток энергии через поверхность, охватывающую источник, должен (в средах без поглощения) оставаться постоянным: = const. Исключение составляют неоднородные среды и нек-рые особые направления в однородных анизотропных средах, в частности волноводы и разл. линии передачи, где вектор Пойнтинга может вообще не изменяться с удалением от источника. Иногда и неоднородность, и анизотропия возникают в результате нелинейного воздействия излучения на первоначально однородную и изотропную среду (явления самофокусировки, самовоздействия и т. п.).

Любая передающая А., помимо преобразования подводимых к ней эл--магн. колебаний в поле излучения, ещё и формирует определ. характеристики этого излучения, гл. обр. заданную ДН - угловое распределение амплитуды поля излучения.

Рис. 8. Диполь Надененко: 1 - диполь; 2 - линия питания; 3 - мачта с оттяжками.

Это формирование основано на принципе суперпозиции полей, создаваемых разными, но когерентными источниками. Подбором излучателей (дипольных и мультипольных) и пассивных элементов-рассеивателей, на к-рых дифрагируют поля излучателей, можно создать любую физ. допустимую ДН, однако обычно предпочитают находить одтим. компромисс между точностью воспроизведения ДН и простотой изготовления и регулировки А., её стоимостью, кпд и т. п. Выбор излучателей и рассеивателей, а следовательно, и конструкции А., существенно зависит от диапазона волн. Так, напр., для KB и ДВ (=10-75 м и =2*10²-2*10⁴ м) естественным и технологичным оказывается использование А., близких к диполям - вибраторам с (рис. 8 и 9) или их сочетаниям в виде т. н. антенных "полей" и решёток с размерами .

Структура поля системы излучателей зависит от их взаимного расположения, общей конфигурации системы, фазовых и амплитудных соотношений между токами в излучателях и в пассивных элементах и т. д.

Рис. 9. Антенна-мачта Айзенберга.

Рис. 10. Фазированная антенная решётка.

Рассмотрим для простоты А., питаемые синфазно. На расстоянии неск. l от поверхности фазированной антенной решётки (ФАР) (рис. 10) формируется синфазное распределение поля на широкой поверхности (линейный размер ). Эта поверхность наз. излучающим раскрывом или апертурой А. Аналогичная картина имеет место и для синфазно питаемых А. СВЧ-диапазона (=10^-3-10м), в частности для А. т.н. оптич. типа, в к-рых элементарный вибратор с (или его аналог в виде щели, рупора, открытого конца волновода и т. п.) помещается в фокус линзы (линзовая А.) или отражателя (зеркальная А.), формирующих практически синфазные поля на своём раскрыве (плоской поверхности, ограниченной, напр., кромкой зеркала) (рис. 11).

Дальнейшая эволюция, к-рую претерпевает поле т. н. волнового пучка, создаваемое широким синфазным раскрывом, показана условно на рис. 12 в параксиальном приближении, т. е. в предположении достаточной угловой "узости" ДН. На близких расстояниях в волновой зоне (практически в пределах , где f~10-20) синфазность фронта ещё не нарушается и волна ведёт себя почти как плоская.

Рис. 11. Однозеркальная параболическая антенна.

Рис. 12.

Это зона геом. оптики, или т. н. прожекторный луч, в к-ром сосредоточена практически вся мощность, излучаемая А. Затем в интервале расстояний происходит существ. нарушение синфазности, сопровождаемое резкими пространственными осцилляциями амплитуд поля, в т. ч. и в направлении распространения, накладывающимися на монотонную зависимость . Это, как уже говорилось, промежуточная френелевская область, для каждой точки к-рой на раскрыве А. укладывается неск. зон Френеля.

И, наконец, при волновой фронт становится сферическим, поле убывает как r^-1 и осцилляции амплитуд в направлении распространения практически исчезают. Это дальняя зона А., где размер первой зоны Френеля становится больше раскрыва А. и где уже можно оперировать с обычным понятием ДН, т. е. зависимости амплитуды поля только от угловых координат.

Параметры антенны. ДН в общем случае записывается как комплексная ф-ция полярного и азимутального углов:

где - амплитудная ДН, обычно равная 1 в направлении главного максимума, - единичная векторная функция, поляризационная ДН, - фазовая ДН. Кроме амплитудной, часто используют ДН по мощности - угл. распределение плотности потока энергии излучения А. в дальней зоне.

Обе эти ДН сложных А. имеют лепестковую структуру, обусловленную интерференцией волн, излучаемых и рассеиваемых разл. элементами А. Там, где синфазно складываются поля всех элементов, формируется максимум, наз. главным. ДН и обычно изображают в виде "объёмной", рельефной картины, контурной карты с линиями равных уровней либо с помощью отдельных плоских сечений, чаще всего двух ортогональных плоских сечений, проходящих через направление гл. максимума и векторы и (рис. 13). Т. к. осн. часть мощности, излучаемой А., сосредоточена в гл. лепестке, направленность излучения характеризуется его шириной, обычно по уровню половинной мощности , иногда - углом между ближайшими нулями. Величинаопределяет угловое разрешение А и может быть приближённо оценена (в радианах) как (D - размер А. в измеряемом сечении ДН) для остронаправленных А. с максимумом излучения, ориентированным перпендикулярно плоскости излучающего раскрыва (А. с поперечным излучением).

Рис. 13.

Рис. 14. Диаграммы направленности электрического и магнитного диполей.

Это соотношение совпадает с Рэлея критерием, используемым в оптике для оценки разрешающей способности систем. В т. н. сверхнаправленных А. это ограничение можно преодолеть за счёт создания резко осциллирующего фазового распределения (неустойчивого к малейшим флуктуациям). Кпд таких А. весьма мал, т. к. подавляющая часть энергии заключена в реактивном поле.

При уменьшении отношения ДН расширяется, однако даже у предельно малой А. ДН не является полностью изотропной из-за векторного характера эл--магн. поля (в акустике возможны изотропные ДН). Напр., ДН электрич. и магн. диполей имеет вид тороида, ось к-рого совпадает с осью диполя (рис. 14). Для А., излучающие элементы к-рых расположены вдоль нек-рой оси и питаются со сдвигом фаз, ориентирующих максимум излучения вдоль этой оси, (А. с продольным излучением).

Кроме главного, ДН содержит боковые и задние лепестки. Формирование этих лепестков удобно проследить на примере осесимметричной зеркальной А., где качественно боковые лепестки можно представить как результат интерференции "краевых волн", отразившихся от противоположных краев раскрыва. На рис. 15 заштрихованы переходные области границ свет-тень, а кривые - гиперболы, линии пост. разности хода, от противоположных краёв раскрыва, соотв. максимумам первого, второго..., n-го боковых лепестков (т. е. краевые волны от обоих краёв приходят в фазе и их амплитуды складываются).

Очевидно, боковой лепесток можно качественно считать сформировавшимся, если соответствующая ему гипербола вышла за пределы заштрихованной области. По мере увеличения номера лепестка гиперболы приближаются к раскрыву А., т. е. дальние боковые лепестки формируются ближе к А. Задние лепестки определяются излучением облучателя А., прошедшим мимо зеркала, и дифракцией этого излучения на краях зеркала. Обычно можно считать, что по мере удаления от А. общая энергия, излучаемая в задние лепестки, остаётся неизменной и лишь перераспределяется по углам. Шероховатости поверхности зеркала и детали конструкции А., рассеивая поле облучателя, приводят к появлению в ДН "фона" бокового и заднего излучения.

Кроме ДН по амплитуде и мощности часто используют поляризационные и фазовые ДН. Поляризац. ДН - это зависимость поляризации поля (ориентации вектора Е)от направления в дальней зоне (векторы в дальней зоне лежат в плоскости, нормальной к направлению распространения). Различают линейную и эллиптич. (в частности, круговую) поляризацию (см. Поляризация волн). Если плоскость, проходящая через (направление распространения), с течением времени не меняет своей ориентации, то поляризация поля линейная, если конец вектора е описывает в плоскости, перпендикулярной п, эллипс или окружность (по часовой стрелке относительно п - правое вращение, против - левое), то поляризация эллиптическая или круговая. В общем виде поляризац. свойства полей излучения А. удобно описывать такими энер-гетич. параметрами, как матрица когерентности или Стокса параметры. Последние имеют размерность плотности потока энергии и могут быть непосредственно измерены, что позволяет экспериментально исследовать поляризац. ДН.

Фазовая ДН , в отличие от амплитудной, зависит от расположения начала координат на А. Если можно найти такое положение начала координат, относительно к-рого фаза постоянна (не зависит от угла) или скачком меняется на при переходе от одного лепестка ДН к другому, то такое начало координат наз, фазовым центром А. Обладающую фазовым центром А. можно считать источником сферич. волн. В большинстве случаев А. не имеют фазового центра. Поэтому часто вводят условный фазовый центр - центр кривизны поверхности (или линии) равных фаз в заданном (обычно - главном) направлении.

Энергетические параметры излучения антенны. Важными параметрами А. также являются: КНД , коэффициент усиления , где - кпд А., коэффициент рассеяния -доля мощности, излучаемой вне гл. лепестка (или любого телесного угла) ДН, ср. уровень боковых лепестков , а также диапазонность (полоса частот). КНД D характеризует степень концентрации (выигрыш) по мощности в данном направлении.

Рис. 15. Формирование боковых лепестков диаграммы направленности.

Он равен отношению мощности, излучаемой в единицу телесного угла в направлении (в направлении максимума ДН D = D_МАКС)к ср. мощности, излучаемой А. по всем направлениям:

.
Для апертурных А. , где 0,6-0,7 - коэффициент использования А., учитывающий, что часть мощности

) уходит в боковые и задние лепестки, а апертура А. облучается неравномерно. Обычно , т. е. КНД антенны, выраженный в дБ, не может превышать по абс. величине ср. уровня (в дБ) боковых лепестков. Напр., если=10^-5 (т. е.- 50 дБ), то10⁵ (50 дБ). Можно определить КНД также путём сравнения с гипотетич. изотропной, ненаправленной А.: КНД - величина, показывающая, во сколько раз мощность Р_и⁰, излучаемая изотропной А., должна быть больше мощности Р_и, излучаемой данной А., при равенстве полей, возбуждаемых ими в направлении .

Значения КНД для разных А. заключены в пределах от 1,5 (элементарный вибратор) и 1,64 (полуволновой вибратор) до 10⁸ (зеркальные А. с большим отношением ). Коэф. усиления учитывает кпд антенны, т. е. отношение излучаемой мощности Р_и к мощности Р_подв, подводимой к А.,. По определению коэф. усиления - величина, показывающая, во сколько раз мощность, подводимая к изотропной А. без потерь, должна быть больше мощности, подводимой к рассматриваемой А., чтобы были равны возбуждаемые ими в направлении поля.

Т. о., при определении G сравниваются мощности, подводимые к изотропной и рассматриваемой А., в то время как при определении КНД сравниваются излучаемые ими мощности. Излучаемую А. мощность характеризуют сопротивлением излучения R_и, эту величину вводят согласно (2). Сопротивление излучения - составная часть входного импеданса А. (отношения комплексных амплитуд напряжения и тока на входе А.) где X - реактивная часть входного импеданса, R_п - сопротивление потерь.

Рис. 16. Ромбическая антенна.

Диапазон частот , в к-ром характеристики А. можно считать практически неизменными, наз. её полосой частот. Напр., ромбич. и логопериодич. А. (рис. 16, 17) - весьма широкополосны. Это важно, напр., в условиях связи через отражения от ионосферы, свойства которой изменяются, что требует изменения .

Специфич. параметром передающей А. является допустимая величина излучаемой мощности. Если токонесущие части передающей А. окружены воздухом, то при Е>30 кВ/см (и нормальном атм. давлении) наступает электрич. пробой. Поэтому предельно допустимая мощность излучения (в 2-3 раза большая рабочей) определяется из условия Е<30кВ/см в точке макс, напряжённости поля вблизи А.

Приёмные А. характеризуются в силу теоремы взаимности теми же параметрами, что и передающие. В частности, ДН антенны в режиме излучения и приёма совпадают. Для приёмных антенн ДН - это зависимость напряжения, тока или мощности на клеммах А. от угла прихода плоской волны. Приёмную А характеризуют дополнит. параметры: эффективная площадь (для одномерных А.- действующая длина или высота), шумовая температура Т_шт, помехозащищенность.

Если бы вся мощность, падающая на раскрыв А., поглощалась ею, то s_эфф равнялась бы геом. площади s_геом раскрыва А. Поскольку, однако, часть мощности рассеивается, а часть теряется из-за джоулевых потерь, то . Теорема взаимности устанавливает однозначную связь между и D_макс: Для элементарных источников по этой ф-ле определяют эфф. раскрыв.

На приёмную А. всегда, кроме полезного сигнала, воздействуют шумы. Шумовая темп-ра Т_тш приёмной А. вводится соотношением , где -полоса частот приёмника, k - постоянная Больцмана, Р_вх - мощность шумов на входе приёмника. Величина Т_аш обусловлена как собств. шумами А. (где Т₀-темп-pa материала А.,-кпд), так и внеш. радиоизлучением: Земли, атмосферы и космич. пространства.

Существенной для высокочувствит. приёмных А. является помехозащищённость, к-рую можно обеспечить, снижая общий уровень боковых лепестков и используя т. н. адаптивные антенны, параметры к-рых автоматически изменяются в зависимости от условий работы.

Специфич. параметром приёмной А. является чувствительность к пространств. вариациям падающего поля, или к пространственным частотам. Приёмную А. можно рассматривать как линейный фильтр пространственных частот. А. со сплошной апертурой при приёме радиоизлучения распределённого источника формирует усреднённое по ДН радиоизображение этого источника. Если разложить это радиоизображение в спектр по пространственным частотам, то А. "обрезает" высокие частоты, период к-рых меньше ширины ДН (А. "не разрешает" детали меньше ). Для получения возможно более полного спектра пространственных частот, т. е. детального радиоизображения, необходимо увеличивать разрешение, т. е. увеличивать размеры А.

В процессе разработки, производства и эксплуатации А. необходимы измерения их параметров. Методы измерения параметров А. можно разделить на две группы в зависимости от расположения передатчика (приёмника): в дальней зоне А.; в зоне Френеля или в волновой зоне вблизи А., условно - в ближней зоне. Первая группа методов сравнительно просто реализуется при исследовании А. с малыми геом. и электрич. размерами (малы D и ), для к-рых расстояние до дальней зоны составляет единицы или десятки м. Такие А. исследуют в безэховых камерах с использованием методов двух и трёх А., расположенных взаимно в дальней зоне. Для ДВ-, СВ-, и КВ-антенн, а также антенн СВЧ с приходится располагать вспомогат. А. (передающую или приёмную) на спец. вышке или летат. аппарате, что весьма сложно и дорого, но в ряде случаев единственно возможно. К первой группе относится также радиоастр. метод, когда в качестве передатчика используются космич. источники радиоизлучения. Ко второй группе относятся метод фокусировки, коллиматорный и амплифазометрич. (радиоголографич.) методы. Метод фокусировки связан с перестройкой А. таким образом, чтобы распределение поля в зоне Френеля повторяло его распределение в дальней зоне.

Рис. 17. Логопериодическая антенна.

В коллиматорном и амплифазометрич. методах реализуется такой излучатель, к-рый, будучи помещён вблизи от А., создаёт на её раскрыве плоскую волну, что эквивалентно излучению из дальней зоны. Энергетич. параметры А.- КНД, усиление, коэфф. рассеяния весьма точно измеряются с использованием эталонного излучения "чёрного" диска, установленного в дальней либо ближней зоне А.

Типы антенн. Огромный диапазон длин волн, излучаемых или принимаемых А., от десятков км до долей мм, и многообразие областей использования А. (от связи, радиолокации, радиоастрономии до геологии и медицины) обусловили большое разнообразие типов и конструкций А.

Для ДВ, СВ и KB используются в осн. проволочные и вибраторные А. и их совокупности (в частности, ФАР и антенные "поля"). Примеры таких А. приведены на рис. 3-5, 8-10, 16-18.

Плоская синфазная ФАР относится к поперечным А., излучающим гл. обр. в направлении, перпендикулярном плоскости расположения вибраторов. В этом направлении эл--магн. волны, излучаемые вибраторами, складываются синфазно, и сюда излучается макс. энергия. Если разность фаз токов в соседних вибраторах постепенно увеличивать вдоль к--л. направления в плоскости решётки, что эквивалентно созданию бегущей волны тока, то направление максимума ДН будет поворачиваться. Этим пользуются для т. н. качания луча А. в пространство (сканирования).

Рис. 18. Антенна "волновой канал".

Др. разновидность вибраторных А.- продольные (одномерные) А., максимально излучающие в плоскости расположения вибраторов (рис. 17, 18). В ДВ- и СВ-антеннах обе функции (создание поля излучения и формирование ДН) выполняют одни и те же элементы - вибраторы.

В А. СВЧ-диапазона эти функции обычно разделяются между отд. элементами: поля излучения по-прежнему создают вибраторы (в т. ч. и возбудители щелей, волноводов и т. п.), но ДН формируется в результате суперпозиции не только полей от излучателей, но и полей, рассеянных на разл. структурах - зеркале, линзе, щели, отверстии рупора и т. д. В А. СВЧ-диапазона можно выделить (условно) ряд типов - рупорные, линзовые, щелевые, диэлектрич., зеркальные, поверхностных волн (импедансные), ФАР, искусств. апертуры, интерферометры, системы апертурного синтеза. Каждый из этих типов содержит множество разновидностей (рупоры: секториальные, пирамидальные, биконич., конич.; линзы: диэлектрич., металлич., металлодиэлектрич.; щели на плоской и неплоской поверхностях; зеркальные А.: параболоиды вращения, сферич А., цилиндры, перископич. А., А. перем. профиля, рупорно-параболич. А.; А. поверхностных волн: с плоскими, цилиндрич. направляющими элементами; ФАР: эквидистантные, неэквидистантные, многолучевые, с качанием луча, плоские, выпукло-конформные; интерферометрич. системы и системы апертурного синтеза из неподвижных и подвижных А., незаполненные апертуры - кресты, Т-образные, компаунд-интерферометры и т. д.).

Конструктивное выполнение А. ещё более разнообразно: напр., на летательных аппаратах желательны невыступающие А., космич. А. должны учитывать невесомость, автоматически развёртываться и т. д., ряд А. устанавливается под радиопрозрачными укрытиями, А бывают полноповоротными или неподвижными, стационарными или перевозимыми и т. д.

Весьма существенна форма ДН. Напр., в качестве бортовых А. летательных аппаратов используются слабонаправленные А. с широкой ДН. В А. радиолокац. станций, предназначенных для обзора пространства и вращающихся вокруг вертикальной оси, ДН узкая в горизонтальной плоскости и широкая в вертикальной либо состоящая из множества сканирующих узких лучей. Радиоастр. А. и А. космич. связи должны обладать чрезвычайно высокой направленностью для точного определения координат объекта, что требует увеличения отношения .

Однако беспредельное наращивание размеров бесполезно, т. к. формирование узкой ДН и реализация большой эфф. площади приёма предъявляют жёсткие требования к точности изготовления и сохранения во времени поверхности А. Отклонение поверхности от заданной должно быть на порядок меньше рабочей длины волны. Для обеспечения этого условия используют, в частности, т н. гомологич. принцип конструирования, когда при движении зеркала с помощью управляемого ЭВМ перераспределения нагрузок сохраняется заданная форма поверхности, но со смещённым фокусом, куда автоматически перемещается облучатель.

Рис. 19. Перископическая антенна.

Др. радикальными способами повышения разрешающей способности А. являются расчленение А. на отдельные регулируемые элементы [А. перем. профиля, перископические А. (рис. 19), ФАР] и разнесение А., используемых в качестве элементов интерферометрич. систем и систем апертурного синтеза.

К особому классу относятся т. н. малошумящие А., примером к-рых может служить рупорно-параболич. А. (рис. 20). Расположенный в фокусе излучатель облучает часть параболоида, и энергия излучается в пространство через апертуру, ограниченную металлич. зеркалом и конусом, так что энергия облучателя попадает только на зеркало. Уровень боковых и задних лепестков в ДН такой А. весьма мал, а шумовая темп-ра составляет неск. К.

Характерная особенность совр. техники А.- использование антенн с обработкой сигналов (цифровой, аналоговой, пространственно-временной, методами когерентной и некогерентной оптики и т. д.). Если излучение принимается А., в к-рой токи от отд. излучателей или участков суммируются в одном тракте, то обработка такого суммарного сигнала связана с потерей информации. В то же время в ФАР, напр., можно обрабатывать отдельно каждый принятый элементами или их совокупностью сигнал и затем подвергать полученные сигналы дополнит. обработке, напр. нелинейной, извлекая максимум информации или меняя в зависимости от времени или от сигнала параметры А. (адаптивные А., динамич. А. с временной модуляцией параметров и т. д.). Др. примером А. с обработкой сигнала является А. с "искусств. раскрывом", когда используется движение А., сигнал к-рой обрабатывается в процессе движения методом когерентного накопления.

Рис. 20. Рупорно-параболическая антенна.

А. с обработкой сигнала применяют в радиоастр. системах апертурного синтеза (см. Апертурный синтез. Антенна радиотелескопа). Принцип апертурного синтеза заключается в использовании ряда А., последовательно во времени или стационарно занимающих определ. положения. Их сигналы суммируются и перемножаются с разл. взаимными фазовыми соотношениями. В результате обработки на ЭВМ получается информация, эквивалентная таковой при использовании сплошной апертуры, значительно превосходящей апертуры отдельных А. При машинной обработке можно осуществлять сканирование в пределах достаточно широкого лепестка отдельной А. и другие необходимые преобразования ДН.

Перспективными являются глобальные наземные и космич. системы апертурного синтеза, объединённые через ИСЗ. Чувствительность и разрешение этих систем позволяют исследовать отдаленные объекты Вселенной. В 1970-х гг. возник новый тип А., состоящей из решётки облучателей со встроенными полупроводниковыми диодами и осуществляющей одноврем. приём и выпрямление СВЧ-колебаний,- т. н. ректенна (от англ. rectifier и antenna). Возникновение ректенн связано с проблемой создания солнечных космич. электростанций: на геосинхронной орбите (~35800 км над Землёй) размещаются панели солнечных батарей площадью ~10 км² каждая, вырабатывающие по 4-5 млн. кВт электроэнергии пост. тока. Эта энергия должна питать мощные СВЧ-генераторы, подсоединённые к передающим А. (активные ФАР с диаметром ~1 км), посылающим на Землю мощный когерентный пучок эл--магн. волн сантиметрового диапазона (эти волны слабо поглощаются в ионосфере и тропосфере Земли). Это излучение можно принимать на Земле ректеннами с размерами решётки ~7 км.

Лит. Щелкунов С., Фриис Г., Антенны (Теория н практика), пер. с англ., М., 1955; Фельд Я. Н., Бененсон Л. С., Антенны сантиметровых и дециметровых волн, ч. 1, М., 1955; Вайнштейн Л. А., Электромагнитные волны, М., 1957; Фрадин А. 3., Антенны сверхвысоких частот, М., 1957; Марков Г. Т., Сазонов Д. М., Антенны, 2 изд., М., 1975; 3елкин Е. Г., Построение излучающей системы по заданной диаграмме направленности, М.- Л., 1963; Сканирующие антенные системы СВЧ, пер. с англ., т. 1-3, М., 1966-71; Шифрин Я. С., Вопросы статистической теории антенн, М., 1970; Бахрах Л. Д., Кременецкий С. Д., Синтез излучающих систем, М., 1974; Цейтлин Н. М., Антенная техника и радиоастрономия, М., 1976; Айзенберг Г. 3., Ямпольский В. Г., Терешин О. Н., Антенны УКВ. ч. 1-2, М., 1977; Вычислительные методы в электродинамике, пер. с англ., М., 1977; Антенны. Современное состояние и проблемы, под ред. л. Д. Бахраха и Д. И. Воскресенского, М., 1979; Бахрах Л. Д., Курочкин А. П., Голография в микроволновой технике, М., 1979; Кинг Р., Смит Г., Антенны в материальных средах, пер. с англ., [т. 1-2], М., 1984. М. Л. Миллер, Н. М. Цейтлин.

   <<      Предметный указатель      >>