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 ( 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 представляются в виде суммы , div =0, rot=0. 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 вспомогательную векторную величину , удовлетворяющую соотношению и проявляющую себя как некоторый фиктивный магнитный ток. Здесь приняты система единиц Гаусса и комплексная запись гармонической зависимости от времени ( - угловая частота, с - скорость света в вакууме, фактор опущен).
В простейшем случае однородной среды с постоянной магнитной () и диэлектрической
() проницаемостями определение полей и , создаваемых электрическим и магнитным
токами и , сводится к решению двух неоднородных уравнений Максвелла
,
,
которые инвариантны относительно замен . Следовательно,
можно искать только одно решение (), получая второе () 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 . Поле, создаваемое такой дифракционной,
или щелевой, антенной, совпадает с полем поверхностного магнитного
тока , текущего по затягивающей отверстие идеально проводящей пленке и равного
,
- 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 электрический ток ( - элемент сечения проводника), текущий вдоль окружности радиуса , эквивалентен магнитному диполю, направленному по оси рамки, образующему с током правый винт и обладающему магнитным моментом , - площадь рамки, Qm - эффективный магнитный заряд, l - условная длина. Этот диполь двойствен электрическому диполю, образованному, например, 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 электрических зарядов. Для электрического диполя, помещенного в начале координат, с дипольным моментом , ориентированным
вдоль оси z, поле вне источника (при ) в вакууме определяется решением уравнений 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 -1, присутствуют еще и т. н.