2. Назначение передающей и приемной антенн

Антенна является необходимой частью любого радиопередаю­щего и радиоприемного устройства. При помощи фидеров, (линий передачи) передающая антенна соединяется с радиопередатчиком, а приемная антенна — с радиоприемником. В фидерах распростра­няются связанные (направляемые) электромагнитные волны, т. е. переменные электромагнитные поля, которые связаны с зарядами и токами. Между антеннами (в линии радиосвязи) распространяют­ся свободные электромагнитные волны. И связанные, и свободные волны являются радиосигналом. Значит, антенно-фидерное устрой­ство должно быть рассчитано на экономичное преобразование энер­гии связанных волн в энергию свободных волн (и наоборот), а также на неискаженное воспроизведение передаваемой информации.

Этим не исчерпывается назначение антенны. Радиоволны в про­цессе распространения рассеиваются за пределами линии радиосвязи и поглощаются окружающей средой. Если направление радиосвязи известно и ограничено, то потери можно сократить, концент­рируя излучаемые волны в определенных направлениях.

Таким образом, передающая антенна предназначена для пре­образования энергии радиосигнала, имеющего форму связанных электромагнитных волн, в энергию радиосигнала, принимающего форму свободных электромагнитных волн, причем последние должны излучиться в заданных направлениях.

Приемная антенна предназначена для преобразования энергии радиосигнала, заключенной в свободных электромагнитных волнах, которые приходят с заданных направлений, в энергию радиосигнала, принимающего форму связанных электромагнитных волн.

Характер процессов, происходящих в передающей и приемной антеннах, свидетельствует об их обратимости. Здесь можно провести аналогию с динамо-машиной и электрическим двигателем: динамо-машина преобразует механическую энергию в электрическую, а электрический двигатель — электрическую энергию в механичес­кую, и поэтому динамо-машина и электрический двигатель обратимы.

Обратимость антенн находит выражение в принципиальной возможности использования одной и той же антенны в качестве передающей и приемной и в сохранении основных параметров антенны неизменными при переходе от режима передачи к режиму приема и обратно.

Этот принцип имеет большое практическое значение. В частности, все импульсные радиолокационные станции, а также предназначенные для связи самолетные и другие передвижные радиостанции имеют, как правило, общую антенну для передачи и приема.

3. Структурная схема антенны

В схеме конкретной антенны можно выделить следующие элементы: вход, согласующее устройство, распределитель и излучаю­щую систему (рис. 16). Под входом антенны обычно понимают се­чение линии передачи с волной заданного типа. Положение этого сечения должно быть указано точно, что необходимо для однознач­ного электрического расчета тракта. Современные антенны могут иметь несколько, а иногда сот­ни и тысячи входов. Эти входы могут использоваться для од­новременной работы антенны на различных частотах или же для независимого формирова­ния нескольких различающих­ся характеристик направленно­сти.

Рис. 16. Структурная схема антенны

Согласующее устройство предназначается для обеспечения режима питающей линии, как можно более близкого к бегущей волне. Наряду с обычными схемами узкополосного и широкополос­ного согласования в антеннах часто используются возможности со­гласования входа путем рационального выбора ряда конструктив­ных размеров в распределителе.

Распределитель антенны представляет конструкцию из провод­чиков и диэлектриков и предназначен для создания нужного за­кона распределения излучающих токов, обеспечивающего форми­рование требуемой характеристики направленности.

И наконец, излучающая система представляет собой область пространства, в которой протекают токи, возбуждающие электро­магнитные волны. В силу принципа обратимости антенн такое же название может быть сохранено и для приемных антенн. В каче­стве излучающей системы могут фигурировать как реальные электрические токи, текущие по металлическим поверхностям, так и эквивалентные фиктивные электрические и магнитные токи на замкнутых поверхностях окружающих антенну, а также токи электрической и магнитной поляризации в объемах, занимаемых магнитодиэлектриками. Выделение распределителя и излучающей системы связано с традиционным подходом, согласно которому расчет антенны разделяется на две части: внутреннюю задачу и внешнюю задачу. Внутренняя задача состоит в нахождении функций распределения высокочастотных токов в излучающей системе. Во внешней задаче по известному распределению токов определяются электромагнитное поле антенны и характеризующие его параметры (ширина луча, уровень бокового излучения, коэффициент направленного действия и др.).

Разделение расчета антенны на внешнюю и внутреннюю задачи целесообразно в двух случаях: 1) при создании приближенных методов анализа характеристик антенн известной конструкции, основанных на угадывании предполагаемого решения более сложной внутренней задачи; 2) при по­строении методов синтеза ан­тенн с заданными характерис­тиками поля излучения. В этом случае предварительное опре­деление требуемого распреде­ления токов в излучающей сис­теме облегчает конструирова­ние соответствующего распре­делителя.

Пример. Двухзеркальная парабо­лическая антенна (рис. 17). Излучаю­щей системой этой антенны является раскрыв (или апертура), т. е. плоская воображаемая поверхность, затягива­ющая выходное отверстие главного параболического зеркала. Предполага­ется, что эта поверхность обтекается эквивалентными электрическими и магнитными токами. Главное и ма­лое зеркала совместно с рупорным облучателем образуют конструкцию распределителя.

Рис. 17. Двухзеркальная параболическая антенна:

а — схема хода лучей; б — распределение из­лучающих токов по радиусу

Отдельное согласующее устройство размещается в месте перехода входного волновода в рупорный облучатель.

Размеры раскрыва параболической антенны в десятки и сотни раз превышают рабочую длину волны, поэтому расчет распределителя может производиться ме­тодами геометрической оптики (ход лучей в такой антенне подобен ходу лучей в оптическом прожекторе). Иногда при более точном расчете параболической ан­тенны в качестве излучающей системы вместо эквивалентных электрических магнитных токов в раскрыве используются реальные электрические токи, наводимые полем вспомогательного зеркала и облучателя на поверхности главного зеркала. Таким образом, в зависимости от применяемого подхода излучающая система одной и той же антенны может определяться различным образом.