Антенны

Антенны – это устройства, согласующие искусственную систему канализации электромагнитных волн (ЭМВ) с окружающей естественной средой их распространения.

Антенны являются неотъемлемой составной частью любой системы радиосвязи, которую используют электромагнитные волны в технологических целях. Помимо согласования между собой искусственных и естественных сред распространения ЭМВ, антенны могут выполнять ряд других функций, важнейшей из которых является пространственная и поляризационная селекция принимаемых и излучаемых ЭМВ.

Справка:

Согласованные системы – это системы, которые передают друг другу максимум предназначенной для передачи электромагнитной мощности.

Различают приемные и передающие антенны.

Передающие антенны

Структурная схема

1 – вход антенны, к которому подключен питающий волновод от передатчика;

2 – согласующее устройство, которое обеспечивает режим бегущих волн в питающем волноводе;

3 – распределительная система, которая обеспечивает требуемое пространственное амплитудно-фазовое распределение излучающих полей;

4 – излучающая система (излучатель), обеспечивает заданные поляризационные и направленные излучения ЭМВ.

Приемные антенны

Структурная схема

1 – выход антенны, к которому подключен волновод, соединяющий антенну с приемником;

2 – согласующее устройство;

3 – интегратор – устройство, обеспечивающее взвешенное когерентно-синфазное суммирование пространственных электромагнитных полей;

4 – принимающая система, обеспечивает поляризационную и пространственную селекцию ЭМВ, поступающих в антенну из окружающей ее естественной среды.

Справка:

1. Элементы структуры передающей и приемной антенн, обозначенные одинаковыми цифрами, могут иметь идентичные конструкции, в следствии чего в отрыве от системы, в которой антенны функционируют, отличить передающую антенну от приемной и наоборот невозможно.

2. Существуют приемно-передающие антенны.

Классификация антенн

Для систематизации разнообразных типов антенн их объединяют по ряду общих признаков. Классификационные признаки могут быть:

• рабочий диапазон волн;

• общность конструкции;

• принцип роботы;

• назначение.

Классы могут быть разбиты на подклассы и т. д.

По назначению все антенны делятся на два больших класса:

• передающие;

• приемные.

В эти два класса входят подтипы:

1. антенны стоячей волны;

2. антенны бегущей волны;

3. апертурные антенны;

4. антенны с обработкой сигналов;

5. активные антенные решетки;

6. сканирующие антенные решетки.

Основные задачи теории антенн

Существует две задачи:

• задача анализа свойств конкретных антенн;

• задача проектирования антенн по заданным исходным требованиям к ним.

Задачу анализа следует решать исходя из условий: искомые ЭМВ должны удовлетворять уравнения Максвелла, граничным условиям на поверхности раздела сред и условиям излучения Зоммерфельда.

В таких жестких условиях постановки решения задач проведение анализа возможно только для некоторых частных случаев (например для симметрического электрического вибратора).

Распространены приближенные методы решения задач анализа, по которым эти задачи разделяют на две части:

- внутреннюю задачу;

- внешнюю задачу.

Внутренняя задача призвана определить распределение токов в антенне реальных или эквивалентных. Внешняя задача состоит в определении поля излучения антенны по известному распределению токов ней. При решении внешней задачи широко используется метод суперпозиции, заключающийся в разбиении антенны на элементарные излучатели и последующее суммирование полей.

Задача проектирования антенны состоит в нахождении геометрической формы и размеров конструкции, обеспечивающие ее требуемые функциональные свойства. Решение задач проектирования (синтеза) антенн возможно:

• посредством применения результатов анализа конкретных типов антенн и метода последовательных приближений, то есть путем изменения параметров (этап параметрической оптимизации) с последующим сравнением электрических характеристик, полученных таким образом новых вариантов известных антенн;

• посредством прямого синтеза, то есть минуя этап параметрической оптимизации. В этом случае задачи проектирования антенн разделяют на две подзадачи:

1. классическая задача синтеза;

2. задача конструктивного синтеза.

Первая состоит в описании амплитудно-фазового распределения тока (или поля) на излучателе антенны, которая обеспечивает заданные функциональные свойства антенн. Решение данной подзадачи еще не определяет конструкцию антенны, оно определяет только требования к ее распределению.

Вторая направлена на отыскание полной геометрии антенны по заданному амплитудно-фазовому распределению тока (или поля) на излучателе антенны. Эта задача значительно сложнее первой и конструктивно не однозначна, часто ее решают приближенно.

Однако для некоторых типов антенн разработана строга теория конструктивного синтеза.

Передающие антенны

Их характеристики и параметры

Структура электромагнитного поля (ЭМП) антенны

Каждую антенну можно рассматривать как систему элементарных излучателей, сосредоточенных в некотором ограниченном объеме линейного пространства ( ), ее ЭМ поле как суперпозицию ЭМ полей, составляющих ее элементарных излучателей. Для выявления структуры ЭМП антенны рассмотрим структуру ЭМП элемента прямолинейного гармонически изменяющегося с угловой частотой , тока с постоянной амплитудой и длиной этого элемента в линейной неограниченной изотропной среде с постоянными параметрами , , .

– абсолютная диэлектрическая проницаемость среды;

ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды;

- электрическая постоянная;

– абсолютная магнитная проницаемость среды;

- относительная магнитная проницаемость среды;

- магнитная постоянная;

– удельная электрическая проводимость среды;

λ – длина волны.

(1.1)

М – точка наблюдения ЭМП;

r – радиальная координата точки М (расстояние от центра сферической системы координат до точки М);

– азимутальная координата точки М;

- меридиональная координата точки М.

Для рассматривания вибратора Герца, расположенного вдоль оси z, середина которого совмещена с центром сферической системы координат, решение уравнения Максвелла имеют вид (1.1), где

, , - единичные вектора;

– момент электрического тока;

, , - ортогональные комплексные амплитудные составляющие по сферическим координатам , , вектора напряженности электрического поля;

, , - ортогональные комплексные амплитудные составляющие по сферическим координатам , , вектора напряженности магнитного поля;

-волновое число;

- длина волны в безграничном пространстве.

Из выражений следует, что ЭМП линейного элемента тока представляет собой ортогональные в пространстве волны напряженности электрического и магнитного полей. При этом скорость изменения амплитуды каждой волны определяется относительным удалением точки от центра вибратора.

Различают три области поля:

1. Область дальнего поля .

2. Область промежуточного поля .

3. Область ближнего поля .

Для области дальнего поля выражения принимают вид:

В дальней области ЭМП обладает следующими свойствами:

1. ЭМП представляет собой сферическую систему – поперечную ЭМВ (Т-волна).

2. Составляющие волны и ортогональны и синфазные.

3. Амплитуды поперечных составляющих волны изменяются обратно пропорционально расстоянию.

4. Угловое распределение составляющих волн и не зависит от расстояния r.

5. Поток энергии (мощность) излучения всегда направлен радиально.

6. Отношение составляющих волн и в каждой точки пространства равно константе (так называемому характеристическому сопротивлению):

Для воздуха: .

В областях промежуточного и ближнего полей помимо сферической поперечной волны существуют локальные реактивные поля, интенсивность которых очень быстро увеличивается с уменьшением r. Эти поля содержат некоторый запас ЭМ энергии, которой они периодически обмениваются с антенной (с периодом . Данные поля обусловливают реактивную составляющую входного сопротивления антенны.

Свойства ЭМП определяют функциональные свойства антенны, а свойства ближнего и промежуточного ЭМП определяют стабильность функциональных свойств и широкополосность антенн.

Область дальнего ЭМП часто называют областью излучения, а область ближнего ЭМП – областью индукции.

Для реальных антенн границы областей дальнего, промежуточного и ближнего полей определяют с учетом разности фаз волн, пришедших в точку наблюдения от краев антенны и ее центра.

При допустимой разности фаз в области дальнего поля , равной :

- область дальнего ЭМП будет при ;

- область промежуточного поля ;

- область ближнего поля , где

- расстояние от центра антенны до точки наблюдения;

- максимальный поперечный размер излучающей системы антенны.

Основные характеристики и параметры прередающей антенны

Свойства антенны подразделяются на:

• Радиотехнические;

• Конструктивные;

• Эксплуатационные;

• Экономические;

Функциональные свойства целиком определяются сигнальными параметрами.

Характеристики и параметры передающей антенны:

• Комплексная векторная характеристика направленности (ХНА) ;

• Амплитудная ХНА ;

• Фазовая ХНА ;

• Поляризационная ХНА ;

• Сопротивление излучения антенны ;

• Входное сопротивление антенны ;

• Коэффициент направленного действия антенны ;

• Коэффициент полезного действия (КПД) антенны ;

• Коэффициент усиления антенны ;

• Коэффициент рассеивания антенны ;

• Действующая длина антенны ;

• Диапазон рабочих частот антенны ;

• Эквивалентная изотропно-излучаемая мощность ;

• Электрическая прочность антенны.