Rambler's Top100Astronet    
  по текстам   по ключевым словам   в глоссарии   по сайтам   перевод   по каталогу
 

Антенна

Антенна (от лат. antenna - мачта, рея) - преобразователь (обычно линейный) волновых полей; в традиционном понимании - устройство, осуществляющее излучение волн, поступающих к антенне либо непосредственно от передатчика, либо через антенно-фидерный тракт (антенна, работающая в режиме передачи, излучения), или устройство, осуществляющее преобразование падающего излучения и посылку его к приемнику (антенна, работающая в режиме приема, поглощения). В более широком смысле антенной можно назвать любой преобразователь волнового поля в неоднородной среде (в волноводах, резонаторах и т. п.), т. е. антенна принципиально не отличается от трансформатора мод, преобразующего (по возможности оптимально, т. е. согласованно с окружающим пространством) поле одного типа (например, моду, бегущую по линии передачи) в поле другого типа (например, моду, излученную в окружающее пространство). Приемные и передающие антенны по принципу действия идентичны, ибо в любых линейных системах (кроме гиротропных) коэффициенты преобразования полей взаимны. Однако технические особенности приемных и передающих антенн могут значительно расходиться из-за различий в предъявляемых к ним эксплуатационных требованиях (предельные мощности, полоса частот, шумы и т. п.).

Далее рассматриваются только радиоантенны, т. е. преобразователи электромагнитных волн радиодиапазона (с длиной волны от 1 мм до нескольких км). Естественные и искусственные акустические и гидроакустические преобразователи волновых полей (например, органы излучения и приема 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 своем (кроме инфракрасного и субмиллиметрового диапазонов электромагных волн) так не называются. Само латинское слово antenna в начале ХХ века было использовано радиоинженерами для обозначения ДВ-преобразователей электромагнитных полей - проводов, укрепленных на мачтах.

Появление радиоантенн относится к концу ХIХ в. В 1888 Г. Герц (Н. Herz), использовав дипольную антенну (вибратор Герца, рис. 1), получил электромагные волны ($\lambda=0,6-10$ м), подтвердив выводы теории Максвелла (см. уравнения Максвелла, 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 (приемника), линии передачи и собственно антенны были совмещены в одном узле, но в дальнейшем антенны выделились в самостоятельные устройства.

До 1924 антенны создавались в основном для ДВ и СВ (длина волны от 200 м до 20 км). Эти антенны (рис. 3 и 4) являются развитием и модификацией несимметричной заземленной антенны Попова. В 1924-31 появляются антенны для KB (длина волны 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 космической связи, привело к созданию общей теории антенны 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 апертурного синтеза.

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

Поле излучения создается антенной благодаря возбужденным в ней переменным токам. Это могут быть токи проводимости или поляризации, текущие по различным элементам антенны, или условные токи, вводимые в качестве эквивалентов сторонних (т. е. поддерживаемых каким-либо внешним источником) полей Е и (или) Н. Любое векторное поле состоит из вихревых и потенциальных частей, поэтому объемные плотности электрических токов $\vec j^e$ представляются в виде суммы $\vec j^e=\vec j_в^e+\vec j_п^e$, div $\vec j_в^e$=0, rot$\vec j_п^e$=0. Поле излучения могут создавать только вихревые части токов $\vec j_в^e$, интеграл от которых по любой замкнутой кривой (условному или реальному контуру) отличен от нуля $\oint\vec j_в^edl\neq0$. Поэтому всегда можно ввести вспомогательную векторную величину $\vec j^m$, удовлетворяющую соотношению $\vec j^e = {\rm rot}\ \vec j^m$ и проявляющую себя как некоторый фиктивный магнитный ток. Здесь приняты система единиц Гаусса и комплексная запись гармонической зависимости от времени ($\omega$ - угловая частота, с - скорость света в вакууме, фактор $e^{\displaystyle i\omega t}$ опущен).

В простейшем случае однородной среды с постоянной магнитной ($\mu$) и диэлектрической ($\varepsilon$) проницаемостями определение полей $\vec E$ и $\vec H$, создаваемых электрическим и магнитным токами $\vec j^e$ и $\vec j^m$, сводится к решению двух неоднородных уравнений Максвелла
${\rm rot}\ \vec H-{\displaystyle i\omega\varepsilon\over\displaystyle c}\vec E={\displaystyle4\pi\over\displaystyle c}\vec j^e$,
${\rm rot}\ \vec E+{\displaystyle i\omega\mu\over\displaystyle c}\vec H=-{\displaystyle4\pi\over\displaystyle c}\vec j^m$,
которые инвариантны относительно замен $\vec E\to\vec H, \vec H\to-\vec{E}, \vec j^e\to\vec j^m, \vec j^m\to-\vec{j}^e, \varepsilon\leftrightarrow\mu$. Следовательно, можно искать только одно решение ($\vec j^e$), получая второе ($\vec j^m$) с помощью указанных замен. Этот метод изнестен как принцип перестановочной двойственности. Два примера использования принципа двойственности особо выделены в теории антенн.

Первый пример: идеально проводящий экран с отверстием (щелью), на котором задана тангенциальная составляющая $\vec E_\tau$. Поле, создаваемое такой дифракционной, или щелевой, антенной, совпадает с полем поверхностного магнитного тока $\vec j^m_{пов}$, текущего по затягивающей отверстие идеально проводящей пленке и равного
$\vec j^m_{пов}=-{\displaystyle c\over\displaystyle4\pi}\lbrack\vec n\times\vec E_\tau\rbrack$,
$\vec n$ - нормаль к поверхности, направленная в сторону искомого поля. Для плоских экранов нужно ввести удвоенный ток $\vec j^m_{пов}$, текущий в свободном пространстве по площади отверстия.

Второй пример: кольцевой электрический ток $I^e=\int\vec j^ed\vec S$ ($d\vec S$ - элемент сечения проводника), текущий вдоль окружности радиуса $a\ll c/\omega=\lambda/2\pi=\Lambda=k^{-1}$, эквивалентен магнитному диполю, направленному по оси рамки, образующему с током $\vec j^e$ правый винт и обладающему магнитным моментом $p^m=Q^ml=I^e\sigma/c$, $\sigma=\pi a^2$ - площадь рамки, Qm - эффективный магнитный заряд, l - условная длина. Этот диполь двойствен электрическому диполю, образованному, например, двумя проволочными штырями с зарядами $\pm Q^e$ (вибратор Герца).

Вибратор Герца (рис. 1) можно рассматривать как элементарный излучатель, поскольку любое распределение тока $\vec j^e(\vec r)$ допустимо расчленить на элементы с $l\ll\Lambda$ и локально однородными токами $I^е = \int \vec j^e d\vec S$, текущими по тонким ($r\ll l,\Lambda$) "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 электрических зарядов. Для электрического диполя, помещенного в начале координат, с дипольным моментом $p=I^el/i\omega$, ориентированным вдоль оси z, поле вне источника (при $r\gg l$) в вакууме определяется решением уравнений Максвелла:
$E_r=({\displaystyle1\over\displaystyle r^3}+{\displaystyle ik\over\displaystyle r^2})2pe^{-\displaystyle ikr}\cos\theta$,
$E_\theta=({\displaystyle1\over\displaystyle r^3}+{\displaystyle ik\over\displaystyle r^2}-{\displaystyle k^2\over\displaystyle r})pe^{-\displaystyle ikr}\sin\theta$,(1)

$H_\varphi=({\displaystyle1\over\displaystyle r^2}+{\displaystyle ik\over\displaystyle r})ikpe^{-\displaystyle ikr}\sin\theta.$
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, $kr=r/\Lambda\ll1$, помимо компонент поля, уносящих энергию и, следовательно, убывающих с расстоянием как -1, присутствуют еще и т. н.