Глоссарий по физике

Антенны

Далее рассматриваются только радиоантенны, то есть преобразователи электромагнитнитных 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 антенны. Появившиеся значительно раньше, чем радиоантенны, оптические преобразователи волновых полей, во многом стимулировавшие создание ряда типов радиоантенн - линзовых, зеркальных, перископических и т. п. (аналогично тому, как акустические преобразователи полей стимулировали появление рупорных антенн), также имеют право называться антеннами, однако, в силу исторически сложившихся традиций, в большинстве своём (кроме инфракрасного и субмиллиметрового диапазонов электромагнитн. волн) так не называются.

Само латинское слово antenna в начале 20 века было использовано радиоинженерами для обозначения ДВ-преобразователей электромагнитных полей - проводов, укреплённых на мачтах.

Появление радиоантенн относится к концу XIX в. В 1888 Г. Герц (Н. Herz), изобретя и фактически открыв принцип эдектромагнитных антенн, использовал свою дипольную антенну - вибратор ( Герца, рис. 1), получил электромагнитнве 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 антенны, использовавшиеся для практических 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 антенны были совмещены в одном узле, но в дальнейшем антенны выделились в самостоятельные устройства.

До 1924 года антенны создавались в основном для ДВ и CB ( от 200 м до 20 км). Эти антенны (рис. 3 и 4) являются развитием и модификацией несимметричной заземлённой антенны Попова. В 1924-31 годах появляются антенны 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 антенн и множества новых типов антенн, в т. ч. щелевых антенн, диэлектрических антенн, антенных решеток и зеркальных антенн, антенн переменного профиля, а также сложных антенных комплексов - радиоинтерферометров и систем апертурноео синтеза.

Излучение радиоволн

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

Поле излучения создаётся антенной благодаря возбуждённым в ней переменным токам. Это могут быть токи проводимости или поляризации, текущие по различным элементам антенн, или условные токи, вводимые в качестве эквивалентов сторонних (то есть 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 которых по любой замкнутой кривой (условному или реальному контуру) отличен от нуля .

Поэтому всегда можно ввести вспомогат. векторную величину , удовлетворяющую соотношению и проявляющую, себя как некоторый 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

которые 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 антенн.

Первый пример: идеально проводящий экран с отверстием (щелью), на котором задана тангенц. составляющая . Поле, создаваемое такой дифракционной или щелевой антенной совпадает с полем поверхностного магнитного 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-магнитное поле типа ТМ относительно радиального и аксиального направлений (в случае магнитного диполя возникает поперечно-электрическое 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 которого 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, то есть на такой сфере, по экватору которой 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 которой 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 антенн. (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 металлических антенн. 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 некотором нагрузочном сопротивлении R_и^е наз. сопротивлением излучения, то есть , откуда

(2)

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

Элементы теории антенн

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

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 которую поступает энергия от генератора, стремятся выбрать там, где поле можно достаточно уверенно считать заданным (сторонним), определяемым только параметрами источника. Поле вдали от антенны, как правило, нельзя найти без отыскания всего поля, то есть 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 металлической антенны произвольной формы входную поверхность можно выбрать совпадающей с поверхностью металла и, оценив возможные распределения токов на антенне, 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 антенны, формирующих излучение, напр. в свободном пространстве, в регулярной части волновода и т. п.

Применение современных ЭВМ расширило возможности расчётов антенн

Правильное (истинное) распределение эфф. источников должно удовлетворять некоторому 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 антенну 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 - функция 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) , то есть

.

Если выделить занятый антенной объём V₀, в котором 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 электромагнитн. 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 некоторого 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 антенны настраиваются в резонанс приблизительно как линии передачи с разомкнутыми концами при, ..., а замкнутые петлевые (рамочные) антенны при , ... . Распределение токов в антенне примерно повторяет распределение в соответствующей линии передачи.

В др. предельном случае систем, развитых в одном или неск. направлениях, говорят о протяжённых одномерных антеннах или об антеннах с большой апертурой (l_x, , при этом обычно распределения токов в таких антеннах 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 которых убывают как r^-1 (обычно пор волновой зоной понимают лишь дальнюю зону антенны; представляется, однако, более оправданным называть волновой зоной область излучения, то есть всю область, содержащую чисто бегущие волны, переносящие энергию). В непосредств. близости от антенны, при , распределение поля в известной мере воспроизводит структуру источника, тогда как при картина частично унифицируется; начиная с некоторых r, можно пренебречь различием амплитуд (но не фаз!) сферических волн, приходящих от разных участков антенны. 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 антенны), 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 антенны, 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 функцией только углов и определяет ДН излучения антенны:

(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 некоторые 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 антенна, помимо преобразования подводимых к ней электромагнитн. колебаний в поле излучения, ещё и формирует определ. характеристики этого излучения, гл. обр. заданную ДН - угловое распределение амплитуды поля излучения.

Это формирование основано на принципе суперпозиции полей, создаваемых разными, но когерентными источниками. Подбором излучателей (дипольных и мультипольных) и пассивных элементов-рассеивателей, на которых дифрагируют поля излучателей, можно создать любую физ. допустимую ДН, однако обычно предпочитают находить одтим. компромисс между точностью воспроизведения ДН и простотой изготовления и регулировки антенны, её стоимостью, кпд и т. п. Выбор излучателей и рассеивателей, а следовательно, и конструкции антенны, 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 антенн, 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.

Рассмотрим для простоты антенны, питаемые синфазно. На расстоянии нескольких 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 антеннs. Аналогичная картина имеет место и для синфазно питаемых антенн СВЧ-диапазона (=10^-3-10м), в частности для антенн так называемого оптического типа, в которых элементарный вибратор с (или его аналог в виде щели, рупора, открытого конца волновода и т. п.) помещается в фокус линзы (линзовая антенна) или отражателя (зеркальная антенна), формирующих практически синфазные поля на своём раскрыве (плоской поверхности, ограниченной, напр., кромкой зеркала) (рис. 11).

Дальнейшая эволюция, которую претерпевает поле т. н. волнового пучка, создаваемое широким синфазным раскрывом, показана условно на рис. 12 в параксиальном приближении, то есть 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.

Это зона геометрической оптики, или так называемый прожекторный луч, в котором сосредоточена практически вся мощность, излучаемая антенной. 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 которой на раскрыве антенны укладывается несколько 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 антенны, где размер первой зоны Френеля становится больше раскрыва антенны и где уже можно оперировать с обычным понятием ДН, то есть зависимости амплитуды поля только от угловых координат.

Параметры антенны

ДН в общем случае записывается как комплексная функция 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 антенны в дальней зоне.

Обе эти ДН сложных антенн имеют лепестковую структуру, обусловленную интерференцией волн, излучаемых и рассеиваемых различными элементами антенны. 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 антенной, сосредоточена в главном 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 антенны в измеряемом сечении ДН) для остронаправленных антенн с максимумом излучения, ориентированным перпендикулярно плоскости излучающего раскрыва (антенны с поперечным излучением).

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

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

Кроме главного, ДН содержит боковые и задние лепестки. Формирование этих лепестков удобно проследить на примере осесимметричной зеркальной антенны, 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 (то есть 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 антенны, то есть дальние боковые лепестки формируются ближе к антенне. Задние лепестки определяются излучением облучателя антенны, прошедшим мимо зеркала, и дифракцией этого излучения на краях зеркала. Обычно можно считать, что по мере удаления от антенны общая энергия, излучаемая в задние лепестки, остаётся неизменной и лишь перераспределяется по углам. Шероховатости поверхности зеркала и детали конструкции антенны, 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 антенны 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 антенне. Если можно найти такое положение начала координат, относительно которого фаза постоянна (не зависит от угла) или скачком меняется на при переходе от одного лепестка ДН к другому, то такое начало координат называется фазовым центром антенны. Обладающую фазовым центром антенну можно считать источником сферич. волн. В большинстве случаев антенны 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 антенны также являются: КНД , коэффициент усиления , где - кпд антенны, 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.

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

.

Для апертурных антенн , где 0,6-0,7 - коэффициент использования антенны, учитывающий, что часть мощности

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

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

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

Диапазон частот , в котором характеристики антенны можно считать практически неизменными, наз. её полосой частот. Например, ромбические и логопериодические антенны (рис. 16, 17) - весьма широкополосны. Это важно, напр., в условиях связи через отражения от ионосферы, свойства которой изменяются, что требует изменения .

Специфич. параметром передающей антенны является допустимая величина излучаемой мощности. Если токонесущие части передающей антенны 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 антенны.

Приёмные антенны 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 антенны от угла прихода плоской волны. Приёмную А характеризуют дополнит. параметры: эффективная площадь (для одномерных антенн - действующая длина или высота), шумовая температура Т_шт, помехозащищенность.

Если бы вся мощность, падающая на раскрыв антенны, поглощалась ею, то s_эфф равнялась бы геом. площади s_геом раскрыва антенны. 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 антенну всегда, кроме полезного сигнала, воздействуют шумы. Шумовая температура Т_тш приёмной антенны вводится соотношением , где -полоса частот приёмника, k - постоянная Больцмана, Р_вх - мощность шумов на входе приёмника. Величина Т_аш обусловлена как собственными шумами антенны (где Т₀-темп-pa материала антенны,-кпд), так и внеш. радиоизлучением: Земли, атмосферы и космического пространства.

Существенной для высокочувствительных приёмных антенн является помехозащищённость, которую можно обеспечить, снижая общий уровень боковых лепестков и используя т. н. адаптивные антенны, параметры которых автоматически изменяются в зависимости от условий работы.

Специфическим параметром приёмной антенны является чувствительность к пространственным вариациям падающего поля, или к пространственным частотам. Приёмную антенну можно рассматривать как линейный фильтр пространственных частот. Антенна 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 антенна "обрезает" высокие частоты, период которых меньше ширины ДН (антенна "не разрешает" детали меньше ). Для получения возможно более полного спектра пространственных частот, то есть детального радиоизображения, необходимо увеличивать разрешение, то есть увеличивать размеры антенны.

Методы измерения параметров антенн

В процессе разработки, производства и эксплуатации антенн необходимы измерения их параметров. Методы измерения параметров антенн можно разделить на две группы в зависимости от расположения передатчика (приёмника): в дальней зоне антенны; в зоне Френеля или в волновой зоне вблизи антенны, условно - в ближней зоне. Первая группа методов сравнительно просто реализуется при исследовании антенн с малыми геом. и электрич. размерами (малы D и ), для которых расстояние до дальней зоны составляет единицы или десятки м. Такие антенны исследуют в безэховых камерах с использованием методов двух и трёх антенн, расположенных взаимно в дальней зоне. Для ДВ-, СВ-, и КВ-антенн, а также антенн СВЧ с приходится располагать вспомогательную антенну (передающую или приёмную) на специальной 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 антенны таким образом, чтобы распределение поля в зоне Френеля повторяло его распределение в дальней зоне.

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

Типы антенн

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

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

Плоская синфазная ФАР относится к поперечным антеннам, излучающим главным образом в направлении, перпендикулярном плоскости расположения вибраторов. В этом направлении электромагнитн. 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 антенны в пространство (сканирования).

Другая разновидность вибраторных антенн - продольные (одномерные) антенны, 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 антеннах 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 антеннах 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 антенны: параболоиды вращения, сферические антенны, цилиндры, перископические антенны, антенны перем. профиля, рупорно-параболические антенны; антенны 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 антенн, незаполненные апертуры - кресты, Т-образные, компаунд-интерферометры и т. д.).

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

Весьма существенна форма ДН. Напр., в качестве бортовых антенн летательных аппаратов используются слабонаправленные антенны с широкой ДН. В антеннах радиолокационных 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.

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.

Малошумящие антенны

К особому классу относятся т. н. малошумящие А., примером которых 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 температура составляет неск. К.

Антенны с обработкой сигнала

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 которой 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 которой обрабатывается в процессе движения методом когерентного накопления.

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 электромагнитн. волн сантиметрового диапазона (эти волны слабо поглощаются в ионосфере и тропосфере Земли). Это излучение можно принимать на Земле ректеннами с размерами решётки ~7 км.

Литература по антеннам

1. Щелкунов С., Фриис Г., Антенны (Теория н практика), пер. с англ., М., 1955;
2. Фельд Я. Н., Бененсон Л. С., Антенны сантиметровых и дециметровых волн, ч. 1, М., 1955;
3. Вайнштейн Л. А., Электромагнитные волны, М., 1957;
4. Фрадин А. 3., Антенны сверхвысоких частот, М., 1957;
5. Марков Г. Т., Сазонов Д. М., Антенны, 2 изд., М., 1975;
6. 3елкин Е. Г., Построение излучающей системы по заданной диаграмме направленности, М.- Л., 1963;
7. Сканирующие антенные системы СВЧ, пер. с англ., т. 1-3, М., 1966-71;
8. Шифрин Я. С., Вопросы статистической теории антенн, М., 1970;
9. Бахрах Л. Д., Кременецкий С. Д., Синтез излучающих систем, М., 1974;
10. Цейтлин Н. М., Антенная техника и радиоастрономия, М., 1976;
11. Айзенберг Г. 3., Ямпольский В. Г., Терешин О. Н., Антенны УКВ. ч. 1-2, М., 1977;
12. Вычислительные методы в электродинамике, пер. с англ., М., 1977;
13. Антенны. Современное состояние и проблемы, под ред. л. Д. Бахраха и Д. И. Воскресенского, М., 1979;
14. Бахрах Л. Д., Курочкин А. П., Голография в микроволновой технике, М., 1979;
15. Кинг Р., Смит Г., Антенны в материальных средах, пер. с англ., [т. 1-2], М., 1984.

М. Л. Миллер, Н. М. Цейтлин

НОВОСТИ ФОРУМА Рыцари теории эфира

10.11.2021 - 12:37: ПЕРСОНАЛИИ - Personalias -> WHO IS WHO - КТО ЕСТЬ КТО - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:36: СОВЕСТЬ - Conscience -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:36: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от д.м.н. Александра Алексеевича Редько - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:35: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ПРАВОСУДИЯ.НЕТ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вадима Глогера, США - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:18: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> Волновая генетика Петра Гаряева, 5G-контроль и управление - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:18: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:16: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМЫ МЕДИЦИНЫ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:15: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Екатерины Коваленко - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:13: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вильгельма Варкентина - Карим_Хайдаров.