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 линии питания 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).[3] 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.
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 питающую линию — 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 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).
Характеристики антенн
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
Телевизионные директорные антенны метрового и дециметрового диапазонов горизонтальной поляризации
Уголковые антенны на первом искусственном спутнике Земли разработаны профессором РТФ МЭИ Марковым Г.Т.
Электрические параметры антенны (ДН, входное сопротивление) не изменятся, если изменить все ее 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 относительно преобразования 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 (теорема взаимности).
Программы для анализа параметров и синтеза антенн
Разработка (синтез) хорошей антенны является неоднозначной, нетривиальной и подчас нелёгкой 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, ещё и экологичной с точек зрения потенциального вреда от излучения и затрат на утилизацию. Напротив, задача анализа (определения электромагнитных параметров антенны известной конструкции) в последнее время 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.
↑ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения. ГОСТ даёт определение: «Антенна — устройство для излучения и приёма радиоволн»
↑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.
Диэлектрические резонаторные антенны. Малые размеры, большие возможности (продолжение).. Электроника: наука, технология, бизнес. – 2007. - № 4. С. 89 - 95. (2007).
Антенны PIFA для мобильных средств связи: многообразие конструкций.. Электроника: наука, технология, бизнес. – 2007. - № 1. С. 64 - 74. (2007).
↑Класс антенн, у которых излучение происходит через раскрыв (плоское отверстие - апертуру). Наибольшее распространение получили в СВЧ-диапазоне
↑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
↑Двухзеркальная антенна, оснащенная вспомогательным рефлектором выпуклой формы
↑Двухзеркальная антенна, оснащенная вспомогательным рефлектором вогнутой формы
↑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
↑Диаграммообразующее устройство для антенной решётки (АР), содержащее набор облучателей, вспомогательную антенную решётку и систему линий передачи (кабели, волноводы) переменной длины, соединяющую вспомогательную АР и основную 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)
Антенны с синтезированной апертурой
↑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
↑Приёмная антенна направленного действия в виде прямолинейного проводника, расположенного на небольшой высоте над поверхностью грунта. Применяется в диапазонах средних и коротких волн
↑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
↑По форме напоминает ромб. Симметричная проволочная антенна направленного действия. Применяется в диапазоне коротких волн
↑Изготавливаются по печатной технологии на подложке с высоким значением диэлектрической проницаемости (>10), что существенно уменьшает габариты антенны. Обладают широкополосностью. Зачастую нестабильно местоположение фазового центра
↑Сокращение от логарифмическая периодическая антенна — класс антенн с периодической зависимостью геометрических параметров и электрических характеристик от логарифма частоты
Фрактальные антенны. Принципиально новый тип “ломаных” антенн.. Электроника: наука, технология, бизнес. – 2007. - № 5. С. 78 - 83. (2007).
Фрактальные антенны. Принципиально новый тип “ломаных” антенн. Часть 2.. Электроника: наука, технология, бизнес. – 2007. - № 6. С. 82 - 89. (2007).
↑ 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).
↑Класс антенн, представляющих собой систему излучения, образованную множеством излучающих элементов
↑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
↑Коаксиальный кабель с намеренно ухудшенной экранировкой. Используется для организации радиосвязи в тоннелях, шахтах
Реализована оптическая «наноантенна» (21 августа 2010). — Компьюлента. Проверено 27 ноября 2012.
Наноантенны: подходы и перспективы. - C. 58 - 65.. Электроника: наука, технология, бизнес. – 2009. - № 2. C. 58 – 65 (2009).
И. Гончаренко. EH-антенна / В кн.: Антенны КВ и УКВ. Часть 2. Основы и практика
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
Комнатная телевизионная антенна диапазонов метровых волн (вибратор с регулируемой длиной плеч) и дециметровых волн (рамка у основания антенны)
Панельные секторные антенны на мачте базовой станции сотовой связи
Параболическая антенна телевизионного канала "Himalaya TV" для передачи данных на спутник. Катманду, Непал
Антенна-мачта радиостанции диапазона средних волн, Чапел-Хилл, Северная Каролина
Литература
Пистолькорс А. А. Антенны. — М.: Связьиздат, 1947. — С. 478.
Панченко Б. А., Нефёдов Е. И. Микрополосковые антенны. — М.: Радио и связь, 1986. — С. 144. — 9400 экз.
Белоцерковский Г. Б. Основы радиотехники и антенны. — М.: Советское радио, 1969. — 432 с.
Под ред. Д. И. Воскресенского. Антенны и устройства СВЧ. — М.: Радио и связь, 1981. — 432 с.
В. С. Филиппов, Л. И. Пономарев, А. Ю. Гринев и др. Под ред. Д. И. Воскресенского Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазованных антенных решеток. — Радио и связь, 1994. — 592 с.
Под ред. Д. И. Воскресенского Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток. Изд. 4-е, доп. и перераб.. — М.: Радиотехника, 2003. — 632 с.
Должиков В. В., Цыбаев Б. Г. Активные передающие антенны. — М., 1984. — 144 с.
Бова Н. Т., Резников Г. Б Антенны и устройства СВЧ. — К.: Вища школа, 1982. — 272 с.
Долуханов М. П. Распространение радиоволн. — М.: Связь, 1965. — 399 с.
Под ред. Айзенберга Коротковолновые антенны. — М.: Радио и связь, 1985. — 536 с.
Ротхаммель К. Антенны = перевод с немецкого. — СПб.: «Бояныч», 1998. — 656 с.
Г. А. Ерохин, О. В. Чернов, Н. Д. Козырев, В. Д. Кочержевский Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. — М.: Горячая линия — Телеком, 2007. — 496 с.
Слюсар В.И. Об авторстве радиотехнического термина “антенна”. // 21-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2011). Материалы конференции. Том 1. - Севастополь, 12 - 16 сентября 2011 г. - C. 87 - 88.
Слюсар В. И. Антенна: история радиотехнического термина.// Первая миля. Last mile (Приложение к журналу "Электроника: наука, технология, бизнес"). – 2011. - № 6. - C. 52 - 64.
Слюсар В.И. Основные понятия теории и техники антенн. Антенные системы евклидовой геометрии. Фрактальные антенны. SMART-антенны. Цифровые антенные решетки (ЦАР). MIMO–системы на базе ЦАР. Особенности построения суперлинейных усилителей.// Разделы 9.3 - 9.9 в книге «Широкополосные беспроводные сети передачи информации». / Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. – М.: Техносфера. – 2005. – С. 498 - 569
Слюсар В.И. 60 лет теории электрически малых антенн. Некоторые итоги. //Электроника: наука, технология, бизнес. – 2006. - № 7. – С. 10 - 19.
Драбкин А. Л., Коренберг Е. Б. Антенны. — М.: Радио и связь, 1992.
Кисмерешкин В. П. Телевизионные антенны для индивидуального приема. — М.: Связь, 1976.
Журнал «Антенны». Международный научно-технический и теоретический журнал, издаваемый редакцией «Радиотехника» (Москва)
Периодические издания «IEEE Transactions on Antennas and Propagation»
Ссылки
Библиотека по антеннам различных диапазонов, статьи, обзоры
Расчет и изготовление антенн своими руками, теория, практика
