Akademik

АНТЕННА

АНТЕННА: (от лат. antenna — мачта, рей), устройство для излучения или приёма радиоволн. А. оптимально преобразует подводимые к ней эл.-магн. колебания в излучаемые эл.-магн. волны (передающая А.) или, наоборот, преобразует падающие на неё эл.-магн. волны в эл.-магн. колебания, к-рые затем воздействуют на приёмник (приёмная А.).

Появление А. относится к кон. 19 в. В 1887 нем. физик Г. Герц, использовав дипольную А. (Герца диполь)

Рис. 1. Вибратор Герца.

Рис. 2. Антенна Попова.

получил эл.-магн. волны с длиной волны l=0,6—10 м, тем самым подтвердив выводы теории Максвелла (см. МАКСВЕЛЛА УРАВНЕНИЯ, ЭЛЕКТРОДИНАМИКА). В 1895—96 А. С. Попов и независимо от него итал. инженер Г. Маркони создали А., впервые 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. Излучение радиоволн. Простейшие излучатели. Излучение эл.-магн. волн связано с процессом излучения осциллирующими электрич. зарядами. В классич. представлении поле такого осциллятора аналогично полю элем. электрич. диполя длиной lизлучение энергии. Поток энергии, протекающей через единичную площадку в ед. времени, выражается составляющей Пойнтинга вектора: П=(ЕН), перпендикулярной этой площадке. В квазистатич. полях Е и Н сдвинуты по фазе на ?/2 (как в стоячих волнах), поэтому вектор Пойнтинга, осциллируя с удвоенной частотой, в ср. за период точно равен 0. Отличие П от 0 может быть обусловлено лишь полями E и Н, колеблющимися с одинаковой фазой (как в бегущих волнах) и убывающими пропорц. 1lr (П=1/r2). Это непосредственно следует из закона сохранения энергии, т. к. при отсутствии потерь в среде полный поток энергии в пр-во не должен изменяться с расстоянием, а поскольку площадь охватывающих диполь замкнутых поверхностей растёт как r2, то необходимо, чтобы П было пропорц. r-2.

Т. о., поле в ближней зоне диполя (зоне индукции) служит для формирования бегущих составляющих полей, ответственных за излучение. На рис. 3 приведена картина последовательного «отпочковывания» силовых линий электрич. поля Е, создаваемых колеблющимся электрич. диполем. В 1-й четверти периода Т колебания (t=T/4) возникает квазистатич. часть поля (рис. 3, а), к-рая при t=T/2 обращается в 0, но от поля «отрываются»

Рис. 3. а — электрич. силовые линии около электрич. диполя (при условии постоянства заряда); б — г — силовые линии, отделившиеся от диполя: б — через 1/2, периода (T/2) после подсоединения генератора (заряд на диполе отсутствует); в — через 3/2Т (масштаб изменён); г — через 7/4T (масштаб изменён).

замкнутые сами на себя силовые линии поля Е и «сцепленные» с ними кольцевые ортогональные магн. линии (рис. 3, б). Вместе они образуют автономную полуволновую тороидальную (в силу аксиальной симметрии) ячейку сферически расходящейся волны, уносящей эл.-магн. энергию (рис. 3, в, г.)

Реальный вибратор можно представить как два отрезка проводника (рис. 4),

подсоединённых к генератору эл.-магн. колебаний с помощью двухпроводной линии передачи так, что фактически излучение происходит через место разрыва вибратора, где П?0. Однако на больших расстояниях от разрыва квазистатич. часть поля и формируемое ею излучение совпадают с полем сплошного перем. тока с амплитудой I0, равномерно распределённого по всей линии длиной l, затягивающей разрыв. Полная ср. мощность, излучаемая отрезком проводника с током (короткая А.), равна:

Здесь Z0=120p=376,6 Ом — волновое сопротивление вакуума, k — волн. число.

Мощность РS можно представить как мощность, поглощаемую в нек-ром активном сопротивлении RS, наз. сопротивлением излучения: РS= 1/2RSI20, где

Сопротивление излучения — одна из составляющих комплексного входного сопротивления A.: Zвх=RS+Rn+Za, где Rn— активное сопротивление джоулевых потерь в А., Za— реактивный импеданс, обусловленный запасённой энергией. Для повышения эффективности работы А. обычно стремятся к «согласованию» линии передачи с А., т. е. к равенству волн. сопротивления линии и Zвх Согласование, а также уменьшение джоулевых потерь в А. увеличивает её кпд: h=РS/Рподв, где Рподв — мощность, подводимая к А. В случае магн. диполя картина формирования полей такая же, как и для электрич. диполя с заменой Е на Н и Н на -Е. Элем. излучатель в этом случае имеет вид замкнутого проводника с током, обтекающим площадку размером s

Магн. диполь реализуется в виде рамки с током (рамочная А.); стержня из проводника с высокой магн. проницаемостью, на к-рый намотана катушка (магнитная А.); щели, прорезанной в экране, обтекаемой перем. током (щелевая антенна, рис. 5). Замкнутые и незамкнутые проводники с током, возбуждаемые непосредственно генератором или эквивалентным ему источником эдс, широко используются и как самостоятельные

Рис. 5. Сопоставление полей электрического (а) и магнитных диполей — катушки с сердечником (б) и щелевого излучателя (в, г): 1 — проводник с током; 2 — стержень с высокой магн. проницаемостью; ,3 — металлич. экран со щелью; 4 — проводники от генератора; 6 — силовые линии электрич. поля; 6 — линии магн. поля.

А., и как элементы сложных антенных систем практически во всех диапазонах радиоволн (см. ниже).

Диаграмма направленности. Важная функция А. состоит в формировании излучения с определ. хар-ками, гл. обр. с заданной диаграммой направленности — угл. распределением амплитуды поля излучения. Кроме амплитудной диаграммы, часто используют диаграмму направленности по мощности — угл. распределение плотности потока энергии излучения А. в дальней зоне. Обе эти диаграммы направленности у сложных А. имеют лепестковую структуру, обусловленную интерференцией волн, излучаемых и рассеиваемых разл. элементами А. Если синфазно складываются

Рис. 6. Слева — диаграмма направленности; справа — ее сечение.

поля всех элементов, то соответствующий им максимум наз. главным. Диаграмму направленности изображают в виде объёмной, рельефной картины, контурной карты с линиями равных уровней либо с помощью отд. плоских сечений, чаще двух ортогональных сечений, проходящих через направление гл. максимума и векторы Е и Н (рис. 6).

Т. к. осн. часть мощности, излучаемой или принимаемой А., локализуется в гл. лепестке, направленность излучения А. характеризуют шириной гл. лепестка на уровне половинной мощности Dq0,5 или нулевом уровне: Dq0-2Dq0,5. Величина Dtq0,5 определяет угловое разрешение А. и может быть приближённо оценена по ф-ле (в радианах): Dq0,5-l/D, D — размер А. в данном сечении диаграммы направленности. Это соотношение совпадает с Рэлея критерием, используемым в оптике для оценки разрешающей способности оптич. систем. В т. н. сверхнаправленных А. это ограничение преодолевают за счёт создания резко осциллирующего фазового распределения (неустойчивого к малейшим флуктуациям).

При уменьшении D/l диаграмма направленности А. расширяется, однако даже у предельно малой А. диаграмма не явл. полностью изотропной. Напр., диаграмма направленности электрич. и магн. диполей имеет вид тороида, ось к-рого совпадает с осью диполя (рис. 7). Различают диаграммы направленности: игольчатые (остронаправленные в двух гл. плоскостях); веерные (остронаправленные в одной гл. плоскости); спец. формы в одной или двух гл. плоскостях, напр. типа cosecj (j — угол места) или П-образная (с максимально крутыми скатами гл. лепестка и подавленными боковыми лепестками); слабонаправленные (с Dq0,5 порядка неск. десятков градусов в гл. плоскостях); «всенаправленные» в одной плоскости в виде тела вращения вокруг оси, перпендикулярной направлению гл. максимума .

Рис. 7. Диаграммы направленности электрич. и магн. диполей.

Подбором излучателей (дипольных и мультипольных) можно создать А. с любой диаграммой направленности, однако обычно предпочитают находить оптим. компромисс между точностью воспроизведения диаграммы и простотой изготовления и регулировки А., её стоимостью, кпд и т. п. Выбор излучателей, а следовательно, и конструкции А. существенно зависит от диапазона длин волн.

Рис. 8. Схема ДВ передающей антенны: 1 — горизонт. часть; 2 — снижение; 3 — изоляторы; 4 — мачты с оттяжками; 5 — передатчик; 6 — заземление.

Так, на коротких, средних и длинных радиоволнах (l=10 — 75 м и l=2•102—2•104 м) в ряде случаев естественным и технологичным оказывается использование А., близких к электрич. диполям-вибраторам с l?l (рис. 8, 9) или к их сочетаниям в виде т. н. антенных полей и решёток с размерами l>l.

Рис. 9. Схема антенны — мачты Айзенберга.

При этом приходится учитывать, что зоны индукции в этом случае могут простираться на многие км, а на хар-ки излучения А. существ. влияние оказывают ионосфера и Земля (см. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН).

Структура поля системы излучателей зависит от их взаимного расположения, общей конфигурации системы, фазовых и амплитудных соотношений между токами в излучателях, наличия и расположения неизлучающих (пассивных) элементов и т. д. Однако общим явл. то обстоятельство, что на расстоянии от А., равном неск. l (в волн. зоне), быстро спадающие поля индукции становятся несущественными, а поле излучения определяется суперпозицией полей, возбуждаемых излучателями.

Рассмотрим для простоты А., питаемые синфазно. На расстоянии неск. l от поверхности синфазной фазированной антенной решётки (рис. 10)

формируется синфазное распределение поля на поверхности диаметром D>l. Эта поверхность наз. излучающим раскрывом или апертурой А. Аналогичная картина имеет место и для А. так называемого оптич. типа, в к-рых элем. вибратор с lфокус линзы (линзовая антенна) или отражателя (зеркальная антенна), к-рые формируют практически синфазные поля на своём раскрыве: плоской поверхности, ограниченной, напр., кромкой зеркала (рис. 11).

Дальнейшая эволюция, к-рую претерпевает поле «волн. пучка», создаваемого широким синфазным раскрывом, условно показана на рис. 12 в предположении достаточной угл. ‘узости’ диаграммы направленности (угл. спектр плоских волн, на к-рые можно разложить поле излучения, характеризуется волн. векторами k, мало отклоняющимися от направления, перпендикулярного раскрыву). На близких расстояниях (практически в пределах l10 —20 — целое число) синфазность фронта ещё не нарушается, и волна ведёт себя почти как плоская.

Рис. 11. Схема однозеркальной параболич. антенны.

Это — зона геометрической оптики или т. н. прожекторного луча, в к-ром сосредоточена практически вся мощность, излучаемая А. (для оптич. прожектора почти вся атмосфера находится в области геом. оптики, т. к. l=5 •10-5 см, D-50 см, D2/20l=25 км).

Затем в интервале расстояний гr-D2/nl (10>n>1) происходит существ. нарушение синфазности, сопровождаемое осцилляциями амплитуд поля, в т. ч. в направлении распространения. Это — зона дифракции Френеля (см. ДИФРАКЦИЯ ВОЛН, ДИФРАКЦИЯ СВЕТА). И наконец, при r>D2/l (условно принято при r>2D2/l) волн. фронт становится сферическим, поле убывает как 1/r, и осцилляции амплитуд в направлении распространения практически исчезают. Это — дальняя зона А., где уже можно оперировать с понятием диаграммы направленности (зависимости амплитуды поля только от угл. координат).

Другие характеристики антенны.

Кроме диаграмм направленности по амплитуде и мощности, часто пользуются поляризационными и фазовыми диаграммами направленности. Поляризац. диаграмма — зависимость поляризации поля (ориентации вектора Е) от направления в дальней зоне А. Различают линейную и эллиптическую (в частности, круговую) поляризации. Угл. зависимость фазы поля А.— фазовая диаграмма, 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 ±p при переходе от одного лепестка диаграммы 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 гл. направлении.

Параметрами А. также явл.: коэфф. направленного действия Д, коэфф. усиления G=Дh (h — кпд А.), коэфф. рассеяния b (доля мощности, излучаемой вне гл. лепестка диаграмм направленности), а также диапазонность (полоса частот). Коэфф. направленного действия Д характеризует выигрыш по мощности в данном направлении (обычно в направлении максимума) вследствие направленности А. Он равен отношению мощности, излучаемой в ед. телесного угла (q, j) в направлении максимума (Дмакс) диаграммы направленности, к ср. мощности, излучаемой А. по всем направлениям. Для апертурных А. Дмакс-k•4p/Dq0,5Dj0,5, где k=0,6-0,7 — коэфф. использования А., учитывающий, что часть мощности (b) уходит в боковые лепестки, а апертура А. облучается неравномерно.

Хар-ки А. зависят от частоты. Диапазон частот Dw, в к-ром хар-ки А. можно считать неизменёнными, наз. её полосой частот. У нек-рых А. параметры незначительно меняются в широком диапазоне частот. Напр., ромбическая антенна и логопериодич. А. весьма широкополосны.

Приёмные антенны характеризуются теми же параметрами, что и передающие. Взаимности принцип связывает хар-ки передающих и приёмных А. Одно из следствий теоремы взаимности — совпадение диаграмм направленности А. при её работе в режимах передачи и приёма. Для приёмных А. диаграмма направленности — зависимость напряжения, тока или мощности на клеммах А. от угла прихода (q, j) на А. плоской волны. Приёмную А. характеризуют дополнит. параметры: эфф. площадь sэфф (для линейных А.— действующая длина или высота), шумовая темп-pa Та, помехозащищённость. Бели бы вся мощность, попадающая на раскрыв А., поглощалась ею, то эфф. поверхность А.sэфф равнялась бы геом. площади sгеом её раскрыва. Поскольку, однако, часть мощности рассеивается, а часть теряется (джоулевы потери), то sэфф

На приёмную А. всегда, кроме «полезного» сигнала, воздействуют шумы. Шумовая температура приёмной А. Тa вводится соотношением: (k/2p)Ta Dw=Рвх, где Dw — полоса частот приёмника, Рвх — мощность на входе приёмника. Величина Та обусловлена как собств. шумами самой А.: Tша=(l-h)Т0 (Т0 — темп-pa материала А.), так и внеш. радиоизлучением Земли Tза, атмосферы Tатма и косм. пр-ва TкосмаT3а= (0,6-0,8)T0bh, где Т0 — темп-pa почвы, b — доля мощности, излучаемой в направлении на Землю. При b»0,2 и T0=300 К величина Tза=(30—40)К. Для миллиметровых волн Татма»Т0, а в сантиметровом и метровом диапазонах Та меняется в безоблачную погоду от единиц до десятков К при направлении соотв. в зенит и на горизонт; во время облачности и осадков Га существенно увеличивается. Темп-pa Tакосм, связанная с распределением косм. радиоизлучения, растёт от 1 — 2К на сантиметровых волнах до десятков тысяч К на метровых и декаметровых волнах. Существенно повышается Tкосма при попадании в диаграмму направленности А. радиоизлучения Солнца и мощности дискретных косм. источников.

Существенной для высокочувствительных приёмных А. явл. помехозащищённость, достигаемая как за счёт снижения общего уровня боковых лепестков, так и за счёт создания т. н.

Рис. 13а. Антенна типа «волновой канал».

Рис. 136. Логопериодическая антенна.

адаптивных А., параметры к-рых автоматически изменяются в зависимости от условий работы и ‘помеховой’ обстановки.

Типы антенн. Огромный диапазон длин волн, излучаемых или принимаемых А. (от десятков км до долей мм). и многообразие областей использования А. (связь, радиолокация, радиоастрономия, геология, медицина и др.) обусловили большое число типов и конструкций А. На длинных, средних и коротких волнах используются в осн. проволочные и вибраторные А. и их совокупности, в частности фазированные антенные решётки (рис. 10) и «антенные поля», А. типа волновой канал (рис. 13а),логопериодич. А. (рис. 13б), ромбич. А. и т. п. Плоская синфазная фазированная антенная решётка относится к поперечным А., излучающим в направлении, перпендикулярном плоскости расположения вибраторов. В этом направлении волны, излучаемые вибраторами, питаемыми токами с одинаковыми амплитудами и фазами, складываются синфазно, и туда 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 диаграммы направленности будет поворачиваться. Этим пользуются для т. н. качания (сканирования) антенного луча в пр-ве. Другая разновидность вибраторных А.— продольные (линейные) А., максимально излучающие в плоскости расположения вибраторов (ромбич. А., логопериодич. А., А. типа волновой канал).

В ДВ и СВ А. обе ф-ции А.— создание поля излучения и формирование диаграммы направленности, выполняют одни и те же элементы — вибраторы. В А. СВЧ диапазона поле излучения по-прежнему создают вибраторы, но диаграмма направленности формируется в результате суперпозиции не только непосредственно полей вибраторов, 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 А., линзовые А., щелевые А., диэлектрич. А., зеркальные А., А. поверхностных волн, фазированные антенные решётки, А. с искусств. апертурой, интерферометры, системы апертурного синтеза. Каждый из этих типов содержит множество разновидностей.

Весьма существенна форма диаграммы направленности. Напр., в кач-ве бортовых А. летат. аппаратов используются слабонаправленные А. с широкой диаграммой. В А. радиолокац. систем, предназначенных для обзора пр-ва и вращающихся (вокруг вертик. оси), диаграмма узкая в горизонт. плоскости и широкая в вертикальной, либо состоящая из множества узких лучей, сканирующих в пр-ве. Радиоастр. А. и А. косм. связи должны обладать чрезвычайно высокой направленностью для точного определения координат объекта, что требует увеличения отношения D/l, и, следовательно, при данной К увеличения размеров А. Однако беспредельное наращивание размеров А. бесполезно, т. к. формирование узкой диаграммы и реализация большой эфф. площади приёма предъявляют жёсткие требования к точности изготовления и сохранения во времени поверхности А. Дисперсия А отклонений поверхности от заданной должна быть на порядок

Рис. 14а. Радиотелескоп с антенной переменного профиля РАТАН-600.

Рис. 14б. Антенна 100-м радиотелескопа в Бонне (ФРГ).

меньше X. Напр., А. 100 м полноповоротного радиотелескопа в Бонне (рис. 14б) для эфф. работы на волне l=3 см (l/D-3•10-4) имеет погрешность изготовления и сохранения поверхности зеркала D/D-10-5 в условиях ветровых, тепловых и весовых деформаций. Для обеспечения этого используют т. н. гомологич. принцип конструирования, когда при движении зеркала с помощью управляемого ЭВМ перераспределения нагрузок сохраняется заданная форма поверхности, но со смещённым фокусом, в к-рый автоматически перемещается облучатель. Другими наиб. радикальными способами повышения разрешающей способности приёмной А. явл. расчленение А. на отд. регулируемые элементы. Это имеет место в А. перем. профиля (см. РАДИОТЕЛЕСКОП), перископич. А. (см. ЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ), в фазиров. антенных решётках и при разнесении А., используемых в кач-ве элементов интерферометрич. систем и систем апертурного синтеза (см. ниже).

К особому классу относятся т. н. малошумящие А., примером к-рых может служить рупорно-параболич. А. (рис. 15). Расположенный в фокусе излучатель-рупор облучает часть параболоида, и энергия излучается в пр-во через апертуру, ограниченную металлич. зеркалом и конусом, так что энергия облучателя попадает только на зеркало. Уровень боковых и задних лепестков диаграммы направленности такой А. весьма мал, а шумовая темп-pa порядка неск. К.

Характерная особенность совр. антенной техники — использование А. с обработкой сигнала (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 фазированных антенных решётках можно обрабатывать отдельно каждый принятый элементами или их совокупностью сигнал и затем подвергать получ. сигналы дополнит. обработке.

А. с обработкой сигнала являются радиоастр. системы апертурного синтеза. 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 соответствующей обработки на ЭВМ получается информация, эквивалентная такой, как при использовании сплошной апертуры, значительно превосходящей апертуры отдельных А. При машинной обработке можно осуществлять сканирование луча в пределах достаточно широкого лепестка отдельной А. и др. преобразования диаграммы.

Наиболее крупная система апертурного синтеза, расположенная в Шарлотсвилле (США), состоит из 27 подвижных полноповоротных 25-м параболич. А., перемещаемых по рельсовым путям на расстоянии до 21 км

Рис. 15. Схема рупорно-параболической антенны.

в трёх направлениях, ориентированных в виде буквы Y. Разрешение этой системы на волне l=11 см порядка 1". Перспективны глобальные наземные и косм. системы апертурного синтеза, объединённые через искусств. спутники Земли. Чувствительность и разрешение этих систем позволяют исследовать самые отдалённые объекты Вселенной.