Антенна

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Анте́нна — устройство[1], предназначенное для излучения или приёма радиоволн[2][3].

Антенна радиотелескопа РТ 7.5 МГТУ им. Баумана, расположенная в Московской области. Диаметр зеркала 7,5 м, рабочий диапазон длин волн — 1…4 мм

Антенны в зависимости от назначения подразделяются на приёмные, передающие и приёмопередающие. Антенна в режиме передачи преобразует энергию поступающего от радиопередатчика электромагнитного колебания в распространяющуюся в пространстве электромагнитную волну. Антенна в режиме приёма преобразует энергию падающей на антенну электромагнитной волны в электромагнитное колебание, поступающее в радиоприёмник. Таким образом, антенна является преобразователем подводимого к ней по фидеру электромагнитного колебания (переменного электрического тока, канализированной в волноводе электромагнитной волны) в электромагнитное излучение и наоборот.

Первые антенны были созданы в 1888 году Генрихом Герцем в ходе его экспериментов по доказательству существования электромагнитной волны (Вибратор Герца)[4]. Форма, размеры и конструкция созданных впоследствии антенн чрезвычайно разнообразны и зависят от рабочей длины волны и назначения антенны. Нашли широкое применение антенны, выполненные в виде отрезка провода, системы проводников, металлического рупора, металлических и диэлектрических волноводов, волноводов с металлическими стенками с системой прорезанных щелей, а также многие другие типы. Для улучшения направленных свойств первичный излучатель может снабжаться рефлекторами — отражающими зеркалами различной конфигурации и системами зеркал, а также линзами. Излучающая часть антенн, как правило, изготавливается с применением проводящих электрический ток материалов, но может изготовляться из изоляционных (диэлектрик) материалов, могут применяться полупроводники и метаматериалы.

С точки зрения теории электрических цепей антенна представляет собой двухполюсник (или многополюсник), и мощность источника, выделяемая на активной составляющей полного входного сопротивления антенны, расходуется на создание электромагнитного излучения. В системах автоматического регулирования антенна рассматривается как дискриминатор — датчик угла рассогласования между направлением на источник сигнала или отражатель и ориентацией носителя (например, антенна с суммарно-разностной диаграммой направленности в составе радиолокационной головки самонаведения). В системах пространственно-временной обработки сигнала антенна (антенная решётка) рассматривается как средство дискретизации электромагнитного поля по пространству. В особый класс принято выделить антенны с обработкой сигнала. В частности, одним из таких устройств являются антенны с виртуальной (синтезированной) апертурой, применяемые в авиационной и космической технике для задач картографирования и увеличения разрешающей способности за счёт использования когерентного накопления и обработки сигнала.

Принцип действия[править | править вики-текст]

Иллюстрация трансформации параллельного контура в дипольную антенну. Синие линии — силовые линии электрического поля, красные — магнитного.

Упрощённо принцип действия антенны состоит в следующем. Как правило, конструкция антенны содержит металлические (токопроводящие) элементы, соединённые электрически (непосредственно или через линию питания — фидер) с радиопередатчиком или с радиоприёмником. В режиме передачи переменный электрический ток, создаваемый источником (например, радиопередатчиком), протекающий по токопроводящим элементам такой антенны, в соответствии с законом Ампера порождает в пространстве вокруг себя переменное магнитное поле. Это меняющееся во времени магнитное поле, в свою очередь, не только воздействует на породивший его электрический ток в соответствии с законом Фарадея, но и создаёт вокруг себя меняющееся во времени вихревое электрическое поле. Это переменное электрическое поле создаёт вокруг себя переменное магнитное поле и так далее — возникает взаимосвязанное переменное электромагнитное поле, образующее электромагнитную волну, распространяющуюся от антенны в пространство. Энергия источника электрического тока преобразуется антенной в энергию электромагнитной волны и переносится электромагнитной волной в пространстве. В режиме приёма переменное электромагнитное поле падающей на антенну волны наводит токи на токопроводящих элементах конструкции антенны, которые поступают в нагрузку (фидер, радиоприёмник). Наведённые токи порождают напряжения на входном импедансе приёмника.

Характеристики антенн[править | править вики-текст]

Электромагнитное излучение, создаваемое антенной, обладает свойствами направленности и поляризации. Антенна как двухполюсник обладает входным сопротивлением (импедансом). Лишь часть энергии источника антенна преобразует в электромагнитную волну, остальная расходуется в виде тепловых потерь. Для количественной оценки перечисленных и ряда других свойств антенна описывается набором электрических характеристик и параметров, в частности:

Пример диаграммы направленности антенны и параметры: ширина ДН, КНД, УБЛ, коэффициент подавления обратного излучения

Ряд электрических характеристик антенн как взаимных устройств (пассивных линейных многополюсников) в режиме передачи и в режиме приёма совпадает, в том числе: ДН (КНД, КУ, УБЛ) и входной импеданс. Например, ДН антенны в режиме приёма и в режиме передачи совпадают.

Основные типы антенн[править | править вики-текст]

Телевизионные антенны типа «волновой канал» метрового и дециметрового диапазонов.
Вибраторные уголковые антенны на первом искусственном спутнике Земли разработаны профессором РТФ МЭИ Г. Т. Марковым.
Волноводно-щелевая ФАР в составе головки самонаведения противокорабельной ракеты Х-35Э. МАКС-2005.

Содержание этого раздела является, скорее, не классификацией, а простым перечислением типов антенн со ссылками на их более подробное описание.

Телевизионная комнатная антенна дециметрового диапазона в виде рамки.

Примеры выдающихся конструкций[править | править вики-текст]

Средства защиты от внешних воздействий[править | править вики-текст]

  • Радиопрозрачные укрытия и обтекатели (см. радом)
  • Краска
  • Противообледенительные системы
  • Защита от птиц

Интересные сведения[править | править вики-текст]

  • Электрические параметры антенны (ДН, входное сопротивление) не изменятся, если изменить все её размеры и длину волны в одинаковое число раз (принцип электродинамического подобия).
  • Амплитудно-фазовое распределение (распределение комплексной амплитуды тока как функции координат по апертуре антенны) и диаграмма направленности антенны в дальней зоне как функция угловых координат (пространственных частот) связаны преобразованием Фурье. При нахождении формы ДН удобно использовать теоремы связанные с преобразованием Фурье.
  • Размеры антенн с синтезированной апертурой могут составлять десятки и сотни километров.
  • Параметры пассивных антенн в линейных негиротропных средах не зависят от того, работает ли антенна на приём или на передачу, что вытекает из теорема взаимности.

Программы для анализа параметров и синтеза антенн[править | править вики-текст]

Разработка (синтез) хорошей антенны является неоднозначной, нетривиальной и часто сложной задачей. Ведь антенна не только должна обеспечить требуемую диаграмму направленности; её конструкция должна быть ещё и прочной, недорогой, технологичной, стойкой к воздействию окружающей среды, ремонтопригодной, а в последнее время часто выдвигается требование экологичности — возможности вреда от излучения и затрат на утилизацию.

С другой стороны, задача анализа (определения электромагнитных параметров антенны известной конструкции) с появлением компьютеров в большинстве случаев может быть успешно решена. Для этого создано и продолжает разрабатываться программное обеспечение ЭВМ, использующее численные методы решения задач электродинамики для анализа электрических параметров антенн. Многие из таких программ являются достаточно сложными в освоении коммерческими САПР, что сильно ограничивает их применение радиолюбителями и DIY-сообществом. Вот некоторые из них:

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Устройство — совокупность элементов, то есть составных частей, представляющая единую конструкцию. ГОСТ 2.701-84. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению.
  2. ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения. ГОСТ даёт определение: «Антенна — устройство для излучения и приёма радиоволн»
  3. Традиционно при определении термина «антенна» используют термин «радиоволны» (ГОСТ 24375-80 и др.), подчеркивая тем самым, что антенны применяются в радиочастотном диапазоне. Однако с появлением опытных образцов наноантенн, способных принимать электромагнитное излучение оптического диапазона (инфракрасного и видимого участков спектра) традиционное определение термина «антенна» нуждается в корректировке.
  4. Антенна — статья из Физической энциклопедии
  5. слабонаправленная, карандашная, суммарно-разностная, специальной формы и др.
  6. фиксированная в пространстве или сканирующая (по способу: с механическим, электрическим, частотным и др. сканированием); с постоянной или изменяемой формой (например, адаптируемая).
  7. Действующая высота антенны — коэффициент, равный отношению амплитуд ЭДС на клеммах антенны и напряженности электрического поля в месте расположения антенны. Действующая высота антенны — электрический параметр, применяемый для проволочных антенн и аналогичный эффективной площади антенны, применяемой для апертурных антенн. Действующая высота антенны не тождественна ни длине антенны, ни высоте расположения антенны над поверхностью грунта, название обусловлено размерностью (м).
  8. Векторная импульсная характеристика (ВИХ) антенны (от англ. Vector Effective Height — векторная эффективная высота) — обобщение параметра действующая высота антенны на случай нестационарного электромагнитного поля и произвольной ориентации антенны относительно вектора напряженности электрического поля. ВИХ позволяет рассчитать отклик антенны на электромагнитный импульс с произвольной пространственно-временной зависимостью.
  9. Векторная передаточная характеристика — фурье-пара векторной импульсной характеристики антенны.
  10. В некоторых источниках используется термин энергетический потенциал; в радиолокации энергетический потенциал имеет другое значение.
  11. Симметричный вибратор — проволочная (то есть состоящая из проводника, размеры поперечного сечения которого много меньше длины проводника) антенна, состоящая из двух проводников (плеч) одинаково длины, расположенных симметрично относительно некоторой плоскости.
  12. Разрезной вибратор — вибраторная антенна, в которой плечи являются отдельными проводниками и в которой возбуждение осуществляется путем создания ЭДС между ближайшими концами плеч.
  13. Шунтовой вибратор — вибраторная антенна, в которой плечи являются единым проводником, а возбуждение осуществляется с помощью шунта или двух шунтов — проводников, расположенных параллельно плечам и подключенных к ним на некотором расстоянии от центра симметрии. Шунтовое питание позволяет увеличить входное сопротивление вибратора, выполнить вибратор в виде единого проводника (например, металлической трубки) и тем самым повысить его механическую прочность, а также заземлить точку нулевого потенциала вибратора и тем самым исключить необходимость в разделительном изоляторе в точке питания и обеспечить молниезащиту.
  14. Петлевой вибратор — предельный случай шунтового вибратора, в котором длина шунта совпадает с длиной вибратора.
  15. Диполь Надененко — вибраторная антенна декаметрового диапазона с увеличенным диаметром плеч (до нескольких метров) для расширения рабочей полосы частот. Плечи выполнены из набора параллельных проводников, разделенных металлическими обручами. На концах плеч проводники образуют конус — сходятся в одну точку и соединяются концевым изолятором и изолятором точки питания. Возбуждение — двухпроводной линией. Применяются варианты в виде петлевого вибратора и несимметричного вибратора (штырь).
  16. от англ. Inverted «V» — перевернутая «V», симметричный вибратор с наклоненными к плоскости симметрии плечами
  17. CFR (от англ. Controlled Fider Radiation, антенна с управляемым излучением фидера) — вибраторная антенна, в которой одним из плеч (четвертьволновым противовесом) служит внешняя поверхность экрана коаксиального кабеля (фидера). Электрическую длину этого плеча ограничивают, создавая в требуемом месте большое реактивное сопротивление (индуктивная катушка из фидера, феррит, фильтр-пробка).
  18. Несимметричный вибратор — вибраторная антенна, не имеющая плоскости симметрии. Под несимметричным вибратором понимают вибраторную антенну с разной длиной или формой плеч, с различным числом проводников, образующих плечи, с другой асимметрией. К несимметричным вибраторам относят штыревые антенны, в которых одним из плеч служит реальный прямолинейный проводник, расположенный перпендикулярно проводящей поверхности (металлическому диску, поверхности грунта и др.), причем эта поверхность используется в качестве второго проводника.
  19. от англ. Ground Plane — земляная плоскость, штыревая антенна с проволочными противовесами
  20. Укороченная штыревая антенна — штыревая антенна, физическая длина излучающей части которой меньше электрической (резонансной) длины.
  21. Коллинеарная антенна (от англ. colliear — на одной прямой) — многоэлементая штыревая антенна диапазона УВЧ, в которой трубчатые вибраторы расположены вдоль одной прямой и соединены через LC-цепи, обеспечивающие синфазное возбуждение токов в вибраторах.
  22. J-образная антенна — несимметричный вариант шунтового вибратора для диапазонов ВЧ и УВЧ. Штырь с шунтовым питанием и проволочными противовесами, по форме напоминающий букву «J», с заземленным (не требующим изолятора) «длинным» элементом.
  23. Расчет элементов J-образной антенны
  24. Слюсар, Вадим. Диэлектрические резонаторные антенны. Малые размеры, большие возможности.. Электроника: наука, технология, бизнес. — 2007. — № 2. С. 28—37. (2007).
  25. Слюсар, Вадим. Диэлектрические резонаторные антенны. Малые размеры, большие возможности (продолжение).. Электроника: наука, технология, бизнес. — 2007. — № 4. С. 89—95. (2007).
  26. Антенна Александерсена — несимметричный вариант шлейф-вибратора Пистолькорса с несколькими шлейфами и удлинением индуктивностями в местах соединения с заземлением. Антенна предназначена для диапазонов ДВ и СДВ. Шлейфы позволяют поднять сопротивление излучения в точке питания.
  27. Директорная антенна — многоэлементная антенна продольного излучения, содержащая один или несколько активных (т.е. электрически соединенных с источником возбуждения) элементов и один или нескольких пассивных (возбуждаемых за счет электродинамической связи с другими элементами) элементов-директоров, определяющих форму диаграммы направленности и размещенных в направлении ее максимума относительно активных элементов.
  28. Щелевой вибратор — антенна в форме тонкой щели, прорезанной в металлической поверхности.
  29. Пазовая антенна — несимметричный вариант щелевой антенны, то есть щель, прорезанная в кромке металлической поверхности и возбуждаемая в зазоре щели вблизи кромки.
  30. Класс антенн, у которых излучение происходит через раскрыв (плоское отверстие — апертуру). Наибольшее распространение получили в СВЧ-диапазоне
  31. Зеркальная антенна с вынесенным (от англ. offset — смещение) из фокуса параболического рефлектора облучателем. Рефлектор практически не затеняется облучателем, и негативное влияние рассеяния на облучателе на характеристики антенны снижено
  32. Двухзеркальная антенна, оснащенная вспомогательным рефлектором выпуклой формы
  33. Двухзеркальная антенна, оснащенная вспомогательным рефлектором вогнутой формы
  34. Антенна, применяемая в радиолокации воздушных целей, с диаграммой направленности специальной формы, позволяющей скомпенсировать зависимость мощности радиолокационного отклика от дальности до цели. Выполняется как зеркальная антенна с рефлектором сложной формы либо как антенная решетка со специально подобранным амплитудно-фазовым распределением. Косекансная диаграмма направленности выгодна и для передающих радио- и телевещательных антенн, чтобы уменьшить ненужную высокую напряженность эл.поля на территории вблизи передающей антенны, и сосредоточить её на более отдалённых территориях.
  35. Диаграммообразующее устройство для антенной решётки (АР), содержащее набор облучателей, вспомогательную антенную решётку и систему фидеров (на основе коаксиальных кабелей, металлических волноводов) различной длины, соединяющую вспомогательную АР с основной АР и выполняющую функцию линзы (преобразующую сферический фронт волны облучателя в плоский фронт волн на входах излучающих элементов основной АР, причём наклон плоского фронта определяется местоположением облучателя относительно вспомогательной АР).
  36. Позволяет излучать электромагнитную волну с круговой поляризацией. Наибольшее распространение получили в дециметровом диапазоне. Часто применяется на борту космических аппаратов, размещённых не на геостационарной орбите, и в облучателях зеркальных антенн наземных станций спутниковой связи
  37. Приёмная антенна направленного действия в виде прямолинейного проводника, расположенного на небольшой высоте над поверхностью грунта. Применяется в диапазонах средних и коротких волн
  38. По форме напоминает букву V. Симметричная проволочная антенна направленного действия, прямолинейные плечи которой исходят из точки питания и направленны в сторону корреспондента. Применяется в диапазоне коротких волн
  39. По форме напоминает ромб. Симметричная проволочная антенна направленного действия. Применяется в диапазоне коротких волн
  40. Разновидность полосковой антенны, изготавливаемая по печатной технологии на диэлектрическом основании, что позволяет снизить её стоимость и сократить габаритные размеры.
  41. от англ. Planar inverted «F» — планарная перевернутая «F»
  42. Слюсар, Вадим. Антенны PIFA для мобильных средств связи: многообразие конструкций.. Электроника: наука, технология, бизнес. — 2007. — № 1. С. 64—74. (2007).
  43. Тип антенн с сингулярными функциями, описывающими их характеристики
  44. Антненна, монтируемая по технологии SMD
  45. Сокращение от логарифмическая периодическая антенна — класс антенн с периодической зависимостью геометрических параметров и электрических характеристик от логарифма частоты
  46. Слюсар, Вадим. Фрактальные антенны. Принципиально новый тип “ломаных” антенн.. Электроника: наука, технология, бизнес. — 2007. — № 5. С. 78—83. (2007).
  47. Слюсар, Вадим. Фрактальные антенны. Принципиально новый тип “ломаных” антенн. Часть 2.. Электроника: наука, технология, бизнес. — 2007. — № 6. С. 82—89. (2007).
  48. 1 2 Слюсар, Вадим. Основные понятия теории и техники антенн. Антенные системы евклидовой геометрии. Фрактальные антенны. SMART-антенны. Цифровые антенные решетки (ЦАР). MIMO–системы на базе ЦАР.. Разделы 9.3—9.8 в книге «Широкополосные беспроводные сети передачи информации». / Вишневский В. М., Ляхов А. И., Портной С. Л., Шахнович И. В. — М.: Техносфера. — 2005. C. 498—569 (2005).
  49. Антенная решетка — совокупность излучающих элементов, расположенных в определенном порядке, ориентированных и возбуждаемых так, чтобы получить заданную диаграмму направленности.
  50. Пассивная или активная антенная система, представляющая собой совокупность аналого-цифровых (цифро-аналоговых) каналов с общим фазовым центром, в которой формирование диаграммы направленности осуществляется в цифровом виде, без использования фазовращателей
  51. CTS —- Continuous Transverse Stub
  52. Рамка с периметром λmin и диаграммой направленности типа восьмерка. Пеленгация осуществляется вращением антенны. Для устранения неоднозначности пеленга и формирования диаграммы направленности типа кардиоида антенна дополняется ненаправленным штыревым элементом и схемой сложения сигналов.
  53. Модификация рамочной пеленгаторной антенны для автоматизации пеленгации, содержащая две рамочные антенны, плоскости которых взаимно перпендикулярны. Выходы рамочных антенн подключаются к гониометру.
  54. Антенна Эдкока (по фамилиии изобретателя, 1919 г.) – четырехэлементная пеленгаторная антенная решетка диапазонов КВ и УКВ. Вертикальные ненаправленные элементы антенны расположены на плоскости в углах квадрата с длиной диагонали λmin, причем диагонально-противоположные элементы соединены линией передачи параллельно-встречно. Выходами каждой из двух пар элементов являются средние точки соединяющей линии передачи. Таким образом, антенна имеет две пары клемм и действует аналогично пеленгаторной антенне в виде пары перпендикулярных друг другу рамочных антенн с периметром λmin: если диагональ квадрата параллельна фронту падающей волны (направление минимума диаграммы направленности), то расположенные на этой диагонали вибраторы возбуждаются синфазно, и на выходе этой пары напряжение равно нулю; если фронт набегает вдоль диагонали (направление максимума диаграммы направленности), то фазы токов вибраторов различны, и полной компенсации напряжений на выходе этой пары не происходит. В качестве элементов антенны используются несимметричные (штыри) или симметричные вибраторы. Выходы антенны подключается к гониометру, XY-каналам осциллографа или иному средству определения пеленга. Для устранения неоднозначности пеленга антенна снабжается пятым элементом.
  55. Антенна Вулленвебера (от нем. Wullenweber) — пеленгаторная кольцевая фазированная антенная решетка декаметрового диапазона дальнего действия, состоящая из цилиндрического экрана-сетки, расположенных с внешней стороны нескольких десятков-сотен вертикальных вибраторных элементов (два концентрических кольца — два диапазона), системы фидеров и аппаратного центра. Антенна и принципы ее использования разработаны в конце 1930-х годов в Германии, с 1950-х десятки антенн по всему миру использовались США и СССР.
  56. Антенны с синтезированной апертурой
  57. Антенная решетка, излучающие элементы которой подключены к многоканальному гибридному оптоэлектронному процессору, осуществляющему формирование характеристики направленности
  58. Коаксиальный кабель с намеренно ухудшенной экранировкой. Используется для организации радиосвязи в тоннелях, шахтах
  59. Дмитрий Сафин. Реализована оптическая «наноантенна» (21 августа 2010). — Компьюлента. Проверено 27 ноября 2012.
  60. Слюсар, Вадим. Наноантенны: подходы и перспективы. — C. 58—65.. Электроника: наука, технология, бизнес. — 2009. — № 2. C. 58—65 (2009).
  61. И. Гончаренко. EH-антенна / В кн.: Антенны КВ и УКВ. Часть 2. Основы и практика
  62. Васильков В. Н., Виноградов А. Д., Мозговой П. А., Николаев В. И. EH-антенна. Мнение по статье М. М. Башкирова и др. «Результаты экспериментальных исследований ЕН-антенны» // Антенны, 2013, № 4 (191), с. 71—75.

Галерея[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]