Стартовая Предметный указатель Новости науки и техники
Новости науки и техники
Бозон Хиггса – найден ли?
На «Теватроне» получены новые данные.
Ученый мир обсуждает неофициальное сообщение о возможном открытии бозона Хиггса. Предполагалось, что о его существовании можно будет говорить после нескольких лет исследований на Большом адронном коллайдере. Но 8 июля Томмазо Дориго итальянский физик-ядерщик всколыхнул научную общественность. Далее...

В поисках бозона Хиггса

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 волны111995-274.jpgот 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 (111995-275.jpg=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.

111995-277.jpg

Рис. 1. Вибратор Герца.

111995-278.jpg

Рис. 2. Антенна А. С. Попова.

111995-279.jpg

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 (111995-276.jpg 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 (111995-280.jpg10- 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.


111995-281.jpg

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 111995-282.jpg и (или) 111995-283.jpg. Любое векторное поле состоит из вихревых и потенциальных
частей, поэтому объёмные плотности электрич. токов111995-284.jpg представляются в виде суммы111995-285.jpg , 111995-286.jpg . Поле излучения могут создавать только вихревые части токов111995-287.jpg, интеграл от к-рых по любой замкнутой кривой (условному или реальному контуру) отличен от нуля 111995-288.jpg .

Поэтому всегда можно ввести вспомогат. векторную величину 111995-289.jpg, удовлетворяющую соотношению 111995-290.jpg и проявляющую, себя как нек-рый фиктивный магн. ток. Здесь приняты Гаусса система единиц и комплексная запись гармонич. зависимости от времени (111995-291.jpg-угловая частота, с - скорость света в вакууме, фактор 111995-292.jpg опущен). В простейшем случае однородной среды с пост. магн. 111995-293.jpg и диэлектрич. 111995-294.jpgпроницаемостями определение полей 111995-295.jpg и 111995-296.jpg, создаваемых электрич. и магн. токами111995-297.jpg и 111995-298.jpg, сводится к решению двух неоднородных ур-ний Максвелла

111995-299.jpg

111995-300.jpg

к-рые инвариантны относительно замен 111995-301.jpg , 111995-302.jpg , 111995-303.jpg, 111995-304.jpg, 111995-305.jpg Следовательно, можно искать только одно решение 111995-306.jpg, получая второе 111995-307.jpg 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 111995-308.jpg. Поле, создаваемое такой дифракц., или щелевой, А., совпадает с полем поверхностного магн. тока 111995-309.jpg, текущего по затягивающей отверстие идеально проводящей плёнке и равного 111995-310.jpg , п - нормаль к поверхности, направленная в сторону искомого поля. Для плоских экранов нужно ввести удвоенный ток 111995-311.jpg, текущий в свободном пространстве по площади отверстия.

Второй пример: кольцевой электрич. ток 111995-312.jpg (dS- элемент сечения проводника), текущий вдоль окружности радиуса111995-313.jpg , эквивалентен магн. диполю, направленному по оси рамки, образующему с током111995-314.jpg правый винт и обладающему магн. моментом 111995-315.jpg, 111995-316.jpg- площадь рамки, 111995-317.jpg-эфф. магн. заряд, l - условная длина. Этот диполь двойствен электрич. диполю, образованному, напр., двумя проволочными штырями с зарядами 111995-318.jpg (вибратор Герца).

Вибратор Герца (рис. 1) можно рассматривать как элементарный излучатель, поскольку любое распределение тока 111995-319.jpg допустимо расчленить на элементы с 111995-320.jpg и локально однородными токами 111995-321.jpg, текущими по тонким 111995-322.jpg "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 111995-323.jpg, ориентированным вдоль оси z, поле вне источника (при 111995-324.jpg) в вакууме определяется решением ур-ний Максвелла:

111995-325.jpg 111995-326.jpg 111995-327.jpg

(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, 111995-328.jpg , помимо компонент поля, уносящих энергию и, следовательно, убывающих с расстоянием как 111995-329.jpg , присутствуют ещё и т. н. поля индукции, убывающие пропорционально111995-330.jpgи111995-331.jpg. Это реактивные поля, в них 111995-332.jpg сдвинуты по фазе на 111995-333.jpg (как в стоячих волнах), поэтому плотность потока мощности в них (Пойнтинга вектор 111995-334.jpg осциллирует с удвоенной частотой и в ср. за период111995-335.jpgточно 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 111995-336.jpg формируется квазиэлектростатич. поле 111995-337.jpg, изменение к-рого во времени создаёт азимутальное магн. поле 111995-338.jpg , ортогональное111995-339.jpg; при111995-340.jpg квазистатич. поле Е исчезает, но от него отрываются замкнутые сами на себя (и уже чисто вихревые), взаимно "сцепленные" линии 111995-341.jpg и 111995-342.jpg, образующие автономную тороидальную ячейку сферически расходящейся волны.

Это происходит примерно на расстояниях 111995-343.jpg 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 111995-344.jpg; отрыв поля излучения происходит с поверхности, наз. каустикой, вдоль к-рой укладывается целое число волн, 111995-345.jpg; 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 111995-346.jpg , тогда как всюду на проводящих поверхностях А. (в отсутствие омических потерь) 111995-348.jpg (п - нормаль к поверхности).

111995-347.jpg

Однако при отыскании внеш. поля разрыв можно заменить металлич. поверхностью и пустить по ней поверхностный магн. ток 111995-349.jpg, где 111995-350.jpgстор - 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 короткого111995-351.jpgвибратора ток по нему распределён приближённо однородно, что позволяет выразить полную мощность 111995-352.jpg излучения через амплитуду I:

По отношению к фидерной линии эта мощность как бы поглощается в нек-ром нагрузочном сопротивлении Rие наз. сопротивлением излучения, т. е. 111995-353.jpg , откуда

111995-354.jpg (2)

В тех же упрощающих предположениях сопротивление излучения малой рамочной А. 111995-355.jpg равно111995-356.jpg =111995-357.jpg. Эти ф-лы теряют силу при 111995-358.jpg, 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.

111995-359.jpg

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 разными111995-360.jpg (или в общем случае для неоднородных111995-361.jpg). 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 вектор111995-362.jpg (или111995-363.jpg) 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 111995-364.jpg , где Р - точка наблюдения (точка поля). Векторы 111995-365.jpg связаны с 111995-366.jpg ф-лами111995-367.jpg111995-368.jpg , 111995-369.jpg ,а сам вектор Терца определяется заданными токами 111995-370.jpg:

111995-371.jpg (3)

где 111995-372.jpg - ф-ция Грина для свободного пространства, 111995-373.jpg - производная в направлении орта п внешней по отношению к области V нормали к поверхности S (рис. 7, а).

111995-374.jpg

Здесь R - расстояние между точкой интегрирования (элементом тока) х, у, z и точкой наблюдения Р (точкой поля) 111995-375.jpg , т. е.

111995-376.jpg.

Если выделить занятый А. объём V0, в к-ром текут токи111995-377.jpg, а поверхность S удалить в бесконечность (рис. 7, б), то из (3) получим

111995-378.jpg (4)

Как видно из (4), каждый элемент тока111995-379.jpg 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. токами111995-380.jpg. Произвольное эл--магн. поле вне источников описывается двумя скалярными величинами, часто в качестве них выбирают декартовы компоненты векторов 111995-381.jpg , 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:

111995-382.jpg (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 (lx, lу, lz); 3) длиной волны111995-383.jpg (или111995-384.jpg). Именно соотношения между этими параметрами лежат в основе классификации как самих излучателей, так и "районирования" создаваемых ими полей. Параметр 111995-385.jpg позволяет выделить сосредоточенные (элементарные, "точечные") источники, размещающиеся в области 111995-386.jpg. 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 при111995-387.jpg, ..., а замкнутые петлевые (рамочные) А. при 111995-388.jpg 111995-389.jpg , ... . 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. 111995-390.jpg или об А. с большой апертурой (lx, 111995-391.jpg , 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 111995-392.jpg определяет характер поля в зависимости от удаления от области источников. На расстояниях 111995-393.jpg (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 111995-394.jpg 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 111995-395.jpg, распределение поля в известной мере воспроизводит структуру источника, тогда как при 111995-396.jpg 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 111995-397.jpgв амплитуде и по параметру111995-398.jpg в фазе даёт следующее приближённое выражение для 111995-399.jpg вдали от источников:111995-400.jpg111995-401.jpg , где111995-402.jpg - сферич. координаты с центром в точке О (условном центре А.), а 111995-403.jpg - вектор излучения, равный

111995-404.jpg

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, 111995-405.jpg . При 111995-406.jpg 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 111995-407.jpg (исключение составляют особые случаи мод, вращающихся но 111995-408.jpg).

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 111995-409.jpg становится ф-цией только углов и определяет ДН излучения А.: 111995-410.jpg

111995-411.jpg111995-412.jpg(6)

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

111995-413.jpg.

В волновой зоне амплитуды полей убывают 111995-414.jpg , 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: 111995-415.jpg = 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.

111995-416.jpg

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 (111995-417.jpg=10-75 м и 111995-418.jpg=2*102-2*104 м) естественным и технологичным оказывается использование А., близких к диполям - вибраторам с 111995-419.jpg (рис. 8 и 9) или их сочетаниям в виде т. н. антенных "полей" и решёток с размерами 111995-420.jpg.

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.

111995-421.jpg

Рис. 9. Антенна-мачта Айзенберга.

111995-422.jpg

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 111995-423.jpg ). Эта поверхность наз. излучающим раскрывом или апертурой А. Аналогичная картина имеет место и для синфазно питаемых А. СВЧ-диапазона (111995-424.jpg=10-3-10м), в частности для А. т.н. оптич. типа, в к-рых элементарный вибратор с111995-425.jpg (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 111995-426.jpg , где f~10-20) синфазность фронта ещё не нарушается и волна ведёт себя почти как плоская.

111995-427.jpg

Рис. 11. Однозеркальная параболическая антенна.

111995-428.jpg

Рис. 12.

Это зона геом. оптики, или т. н. прожекторный луч, в к-ром сосредоточена практически вся мощность, излучаемая А. Затем в интервале расстояний 111995-429.jpg происходит существ. нарушение синфазности, сопровождаемое резкими пространственными осцилляциями амплитуд поля, в т. ч. и в направлении распространения, накладывающимися на монотонную зависимость 111995-430.jpg. Это, как уже говорилось, промежуточная френелевская область, для каждой точки к-рой на раскрыве А. укладывается неск. зон Френеля.

И, наконец, при 111995-431.jpg 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 111995-432.jpg и азимутального 111995-433.jpg углов:

111995-434.jpg

где 111995-435.jpg - амплитудная ДН, обычно равная 1 в направлении главного максимума,111995-436.jpg - единичная векторная функция, поляризационная ДН,111995-437.jpg - фазовая ДН. Кроме амплитудной, часто используют ДН по мощности 111995-438.jpg- 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 111995-439.jpg и 111995-440.jpg 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 111995-441.jpg и 111995-442.jpg (рис. 13). Т. к. осн. часть мощности, излучаемой А., сосредоточена в гл. лепестке, направленность излучения характеризуется его шириной, обычно по уровню половинной мощности 111995-443.jpg, иногда - углом между ближайшими нулями. Величина111995-444.jpgопределяет угловое разрешение А и может быть приближённо оценена (в радианах) как 111995-445.jpg (D - размер А. в измеряемом сечении ДН) для остронаправленных А. с максимумом излучения, ориентированным перпендикулярно плоскости излучающего раскрыва (А. с поперечным излучением).

111995-446.jpg

Рис. 13.

111995-447.jpg

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 111995-448.jpg 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,111995-449.jpg (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 хода111995-450.jpg, 111995-451.jpg 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 111995-452.jpg - это зависимость поляризации поля (ориентации вектора Е)от направления в дальней зоне (векторы 111995-453.jpg 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 111995-454.jpg (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 111995-455.jpg , 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 111995-456.jpg 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 111995-457.jpg , коэффициент усиления 111995-458.jpg, где 111995-459.jpg- кпд А., коэффициент рассеяния 111995-460.jpg-доля мощности, излучаемой вне гл. лепестка (или любого телесного угла) ДН, ср. уровень боковых лепестков 111995-461.jpg, а также диапазонность (полоса частот). КНД D111995-462.jpg характеризует степень концентрации (выигрыш) по мощности в данном направлении.

111995-463.jpg

Рис. 15. Формирование боковых лепестков диаграммы направленности.

Он равен отношению мощности, излучаемой в единицу телесного угла в направлении111995-464.jpg (в направлении максимума ДН D = DМАКС)к ср. мощности, излучаемой А. по всем направлениям:

111995-465.jpg .
Для апертурных А. 111995-466.jpg , где 111995-467.jpg0,6-0,7 - коэффициент использования А., учитывающий, что часть мощности

111995-468.jpg) уходит в боковые и задние лепестки, а апертура А. облучается неравномерно. Обычно 111995-469.jpg , т. е. КНД антенны, выраженный в дБ, не может превышать по абс. величине ср. уровня (в дБ) боковых лепестков. Напр., если111995-470.jpg=10-5 (т. е.- 50 дБ), то111995-471.jpg105 (50 дБ). Можно определить КНД также путём сравнения с гипотетич. изотропной, ненаправленной А.: КНД - величина, показывающая, во сколько раз мощность Ри0, излучаемая изотропной А., должна быть больше мощности Ри, излучаемой данной А., при равенстве полей, возбуждаемых ими в направлении 111995-472.jpg.

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 111995-473.jpg ). Коэф. усиления 111995-474.jpg учитывает кпд антенны, т. е. отношение излучаемой мощности Ри к мощности Рподв, подводимой к А.,111995-475.jpg. 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 111995-476.jpg 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 Rи, эту величину вводят согласно (2). Сопротивление излучения - составная часть входного импеданса А. (отношения комплексных амплитуд напряжения и тока на входе А.) 111995-478.jpg где X - реактивная часть входного импеданса, Rп - сопротивление потерь.

111995-477.jpg

Рис. 16. Ромбическая антенна.

Диапазон частот 111995-479.jpg, 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 111995-480.jpg.

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 111995-481.jpg (для одномерных А.- действующая длина или высота), шумовая температура Тшт, помехозащищенность.

Если бы вся мощность, падающая на раскрыв А., поглощалась ею, то sэфф равнялась бы геом. площади sгеом раскрыва А. Поскольку, однако, часть мощности рассеивается, а часть теряется из-за джоулевых потерь, то111995-482.jpg 111995-483.jpg. Теорема взаимности устанавливает однозначную связь между 111995-484.jpg и Dмакс:111995-485.jpg Для элементарных источников по этой ф-ле определяют эфф. раскрыв.

На приёмную А. всегда, кроме полезного сигнала, воздействуют шумы. Шумовая темп-ра Ттш приёмной А. вводится соотношением 111995-486.jpg , где 111995-487.jpg-полоса частот приёмника, k - постоянная Больцмана, Рвх - мощность шумов на входе приёмника. Величина Таш обусловлена как собств. шумами А.111995-488.jpg (где Т0-темп-pa материала А.,111995-489.jpg-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 111995-490.jpg). 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 111995-491.jpg), 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 111995-492.jpg 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.

111995-493.jpg

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).

111995-494.jpg

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 111995-495.jpg.

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.

111995-496.jpg

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.

111995-497.jpg

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