Astronet > Antenna

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Antenna

Antenna (ot lat. antenna - machta, reya) - preobrazovatel' (obychno lineinyi) volnovyh polei; v tradicionnom ponimanii - ustroistvo, osushestvlyayushee izluchenie voln, postupayushih k antenne libo neposredstvenno ot peredatchika, libo cherez antenno-fidernyi trakt (antenna, rabotayushaya v rezhime peredachi, izlucheniya), ili ustroistvo, osushestvlyayushee preobrazovanie padayushego izlucheniya i posylku ego k priemniku (antenna, rabotayushaya v rezhime priema, poglosheniya). V bolee shirokom smysle antennoi mozhno nazvat' lyuboi preobrazovatel' volnovogo polya v neodnorodnoi srede (v volnovodah, rezonatorah i t. p.), t. e. antenna principial'no ne otlichaetsya ot transformatora mod, preobrazuyushego (po vozmozhnosti optimal'no, t. e. soglasovanno s okruzhayushim prostranstvom) pole odnogo tipa (naprimer, modu, begushuyu po linii peredachi) v pole drugogo tipa (naprimer, modu, izluchennuyu v okruzhayushee prostranstvo). Priemnye i peredayushie antenny po principu deistviya identichny, ibo v lyubyh lineinyh sistemah (krome girotropnyh) koefficienty preobrazovaniya polei vzaimny. Odnako tehnicheskie osobennosti priemnyh i peredayushih antenn mogut znachitel'no rashodit'sya iz-za razlichii v pred'yavlyaemyh k nim ekspluatacionnyh trebovaniyah (predel'nye moshnosti, polosa chastot, shumy i t. p.).

Dalee rassmatrivayutsya tol'ko radioantenny, t. e. preobrazovateli elektromagnitnyh voln radiodiapazona (s dlinoi volny ot 1 mm do neskol'kih km). Estestvennye i iskusstvennye akusticheskie i gidroakusticheskie preobrazovateli volnovyh polei (naprimer, organy izlucheniya i priema zvuka u nasekomyh, zhivotnyh, cheloveka) - eto, po sushestvu, drevneishie antenny. Poyavivshiesya znachitel'no ran'she, chem radioantenny, opticheskie preobrazovateli volnovyh polei, vo mnogom stimulirovavshie sozdanie ryada tipov radioantenn - linzovyh, zerkal'nyh, periskopicheskih i t. p. (analogichno tomu, kak akusticheskie preobrazovateli polei stimulirovali poyavlenie rupornyh antenn), takzhe imeyut pravo nazyvat'sya antennami, odnako, v silu istoricheski slozhivshihsya tradicii, v bol'shinstve svoem (krome infrakrasnogo i submillimetrovogo diapazonov elektromagnyh voln) tak ne nazyvayutsya. Samo latinskoe slovo antenna v nachale HH veka bylo ispol'zovano radioinzhenerami dlya oboznacheniya DV-preobrazovatelei elektromagnitnyh polei - provodov, ukreplennyh na machtah.

Poyavlenie radioantenn otnositsya k koncu HIH v. V 1888 G. Gerc (N. Herz), ispol'zovav dipol'nuyu antennu (vibrator Gerca, ris. 1), poluchil elektromagnye volny ( $\lambda=0,6-10$ m), podtverdiv vyvody teorii Maksvella (sm. uravneniya Maksvella, Elektrodinamika klassicheskaya). V 1895 - 96 A. S. Popov i nezavisimo G. Markoni (G. Marconi) sozdali antenny, ispol'zovavshiesya dlya prakticheskih celei. Antenna Popova, v otlichie ot simmetrichnogo vibratora Gerca, byla nesimmetrichnoi, vtorym provodnikom sluzhila Zemlya (ris. 2). Pervonachal'no funkcii peredatchika (priemnika), linii peredachi i sobstvenno antenny byli sovmesheny v odnom uzle, no v dal'neishem antenny vydelilis' v samostoyatel'nye ustroistva.

Do 1924 antenny sozdavalis' v osnovnom dlya DV i SV (dlina volny ot 200 m do 20 km). Eti antenny (ris. 3 i 4) yavlyayutsya razvitiem i modifikaciei nesimmetrichnoi zazemlennoi antenny Popova. V 1924-31 poyavlyayutsya antenny dlya KB (dlina volny 10-75 m), ispol'zuemye dlya dal'nei svyazi. Razvitie v 1940-50-h gg. teorii i tehniki UKV- i SVCh-radiovoln (metrovye, decimetrovye, santimetrovye, millimetrovye volny), svyazannoe s potrebnostyami radioveshaniya, televideniya, radiolokacii, a zatem radioastronomii i kosmicheskoi svyazi, privelo k sozdaniyu obshei teorii antenny i mnozhestva novyh tipov antenn, v t. ch. shelevyh antenn, dielektricheskih antenn, antennyh reshetok i zerkal'nyh antenn, antenn peremennogo profilya, a takzhe slozhnyh antennyh kompleksov - radiointerferometrov i sistem aperturnogo sinteza.

Izluchenie radiovoln. V sootvetstvii s principom vzaimnosti, kotoromu udovletvoryayut polya v lyubyh lineinyh sistemah i sredah (krome girotropnyh), mnogie harakteristiki peredayushih i priemnyh antenn vzaimno sopostavimy. V chastnosti, odnim iz sledstvii principa vzaimnosti yavlyaetsya sovpadenie diagrammy napravlennosti (DN) pri rabote antenny na peredachu i na priem. Rezhim raboty antenny na peredachu (izluchenie) bolee naglyaden, poetomu dalee obsuzhdayutsya peredayushie antenny.

Pole izlucheniya sozdaetsya antennoi blagodarya vozbuzhdennym v nei peremennym tokam. Eto mogut byt' toki provodimosti ili polyarizacii, tekushie po razlichnym elementam antenny, ili uslovnye toki, vvodimye v kachestve ekvivalentov storonnih (t. e. podderzhivaemyh kakim-libo vneshnim istochnikom) polei E i (ili) N. Lyuboe vektornoe pole sostoit iz vihrevyh i potencial'nyh chastei, poetomu ob'emnye plotnosti elektricheskih tokov $\vec j^e$ predstavlyayutsya v vide summy $\vec j^e=\vec j_v^e+\vec j_p^e$ , div $\vec j_v^e$ =0, rot $\vec j_p^e$ =0. Pole izlucheniya mogut sozdavat' tol'ko vihrevye chasti tokov $\vec j_v^e$ , integral ot kotoryh po lyuboi zamknutoi krivoi (uslovnomu ili real'nomu konturu) otlichen ot nulya $\oint\vec j_v^edl\neq0$ . Poetomu vsegda mozhno vvesti vspomogatel'nuyu vektornuyu velichinu $\vec j^m$ , udovletvoryayushuyu sootnosheniyu $\vec j^e = {\rm rot}\ \vec j^m$ i proyavlyayushuyu sebya kak nekotoryi fiktivnyi magnitnyi tok. Zdes' prinyaty sistema edinic Gaussa i kompleksnaya zapis' garmonicheskoi zavisimosti ot vremeni ( $\omega$ - uglovaya chastota, s - skorost' sveta v vakuume, faktor $e^{\displaystyle i\omega t}$ opushen).

V prosteishem sluchae odnorodnoi sredy s postoyannoi magnitnoi ( $\mu$ ) i dielektricheskoi ( $\varepsilon$ ) pronicaemostyami opredelenie polei $\vec E$ i $\vec H$ , sozdavaemyh elektricheskim i magnitnym tokami $\vec j^e$ i $\vec j^m$ , svoditsya k resheniyu dvuh neodnorodnyh uravnenii Maksvella
${\rm rot}\ \vec H-{\displaystyle i\omega\varepsilon\over\displaystyle c}\vec E={\displaystyle4\pi\over\displaystyle c}\vec j^e$ ,
${\rm rot}\ \vec E+{\displaystyle i\omega\mu\over\displaystyle c}\vec H=-{\displaystyle4\pi\over\displaystyle c}\vec j^m$ ,
kotorye invariantny otnositel'no zamen $\vec E\to\vec H, \vec H\to-\vec{E}, \vec j^e\to\vec j^m, \vec j^m\to-\vec{j}^e, \varepsilon\leftrightarrow\mu$ . Sledovatel'no, mozhno iskat' tol'ko odno reshenie ( $\vec j^e$ ), poluchaya vtoroe ( $\vec j^m$ ) s pomosh'yu ukazannyh zamen. Etot metod iznesten kak princip perestanovochnoi dvoistvennosti. Dva primera ispol'zovaniya principa dvoistvennosti osobo vydeleny v teorii antenn.

Pervyi primer: ideal'no provodyashii ekran s otverstiem (shel'yu), na kotorom zadana tangencial'naya sostavlyayushaya $\vec E_\tau$ . Pole, sozdavaemoe takoi difrakcionnoi, ili shelevoi, antennoi, sovpadaet s polem poverhnostnogo magnitnogo toka $\vec j^m_{pov}$ , tekushego po zatyagivayushei otverstie ideal'no provodyashei plenke i ravnogo
$\vec j^m_{pov}=-{\displaystyle c\over\displaystyle4\pi}\lbrack\vec n\times\vec E_\tau\rbrack$ ,
$\vec n$ - normal' k poverhnosti, napravlennaya v storonu iskomogo polya. Dlya ploskih ekranov nuzhno vvesti udvoennyi tok $\vec j^m_{pov}$ , tekushii v svobodnom prostranstve po ploshadi otverstiya.

Vtoroi primer: kol'cevoi elektricheskii tok $I^e=\int\vec j^ed\vec S$ ( $d\vec S$ - element secheniya provodnika), tekushii vdol' okruzhnosti radiusa $a\ll c/\omega=\lambda/2\pi=\Lambda=k^{-1}$ , ekvivalenten magnitnomu dipolyu, napravlennomu po osi ramki, obrazuyushemu s tokom $\vec j^e$ pravyi vint i obladayushemu magnitnym momentom $p^m=Q^ml=I^e\sigma/c$ , $\sigma=\pi a^2$ - ploshad' ramki, Q^m - effektivnyi magnitnyi zaryad, l - uslovnaya dlina. Etot dipol' dvoistven elektricheskomu dipolyu, obrazovannomu, naprimer, dvumya provolochnymi shtyryami s zaryadami $\pm Q^e$ (vibrator Gerca).

Vibrator Gerca (ris. 1) mozhno rassmatrivat' kak elementarnyi izluchatel', poskol'ku lyuboe raspredelenie toka $\vec j^e(\vec r)$ dopustimo raschlenit' na elementy s $l\ll\Lambda$ i lokal'no odnorodnymi tokami $I^e = \int \vec j^e d\vec S$ , tekushimi po tonkim ( $r\ll l,\Lambda$ ) "trubkam toka". Eti trubki toka, hotya i ne zamknuty, no obladayut otlichnymi ot nulya vihrevymi sostavlyayushimi. Formirovanie polya takim makrodipolem svyazano s izlucheniem kogerentno oscilliruyushih vnutri nego elektricheskih zaryadov. Dlya elektricheskogo dipolya, pomeshennogo v nachale koordinat, s dipol'nym momentom $p=I^el/i\omega$ , orientirovannym vdol' osi z, pole vne istochnika (pri $r\gg l$ ) v vakuume opredelyaetsya resheniem uravnenii Maksvella:
$E_r=({\displaystyle1\over\displaystyle r^3}+{\displaystyle ik\over\displaystyle r^2})2pe^{-\displaystyle ikr}\cos\theta$ ,

$E_\theta=({\displaystyle1\over\displaystyle r^3}+{\displaystyle ik\over\displaystyle r^2}-{\displaystyle k^2\over\displaystyle r})pe^{-\displaystyle ikr}\sin\theta$ , (1)

$H_\varphi=({\displaystyle1\over\displaystyle r^2}+{\displaystyle ik\over\displaystyle r})ikpe^{-\displaystyle ikr}\sin\theta.$
Eto poperechno-magnitnoe pole tipa TM otnositel'no radial'nogo i aksial'nogo napravlenii (v sluchae magnitnogo dipolya voznikaet poperechno-elektricheskoe pole tipa TE). Vblizi istochnika, v kvazistacionarnoi zone, $kr=r/\Lambda\ll1$ , pomimo komponent polya, unosyashih energiyu i, sledovatel'no, ubyvayushih s rasstoyaniem kak ^-1, prisutstvuyut eshe i t. n. polya indukcii, ubyvayushie proporcional'no r^-2 i r^-3. Eto reaktivnye polya, v nih E i H sdvinuty po faze na $\pi/2$ (kak v stoyachih volnah), poetomu plotnost' potoka moshnosti v nih (vektor Pointinga $\vec\Pi={\displaystyle c\over\displaystyle4\pi}\lbrack\vec E\times\vec H\rbrack$ ) oscilliruet s udvoennoi chastotoi i v srednem za period $2\pi/\omega=T$ tochno ravna nulyu. Odnako bez etoi chasti polya nevozmozhno vblizi elementarnyh istochnikov sformirovat' begushie sostavlyayushie polya, unosyashie energiyu. Na ris. 5 privedena kartina posledovatel'nogo "otpochkovaniya" polei, postroennaya v sootvetstvii s formulamn (1). V pervoi chetverti perioda ( $0\leq t\leq T/4$ ) formiruetsya kvazielektrostaticheskoe pole $E_\theta$ izmenenie kotorogo vo vremeni sozdaet azimutal'noe magnitnoe pole $H_\varphi$ , ortogonal'noe $E_\theta$ ; pri $t=T/2$ kvazistaticheskoe pole E ischezaet, no ot nego otryvayutsya zamknutye sami na sebya (i uzhe chisto vihrevye), vzaimno "sceplennye" linii $E_\theta$ i $H_\varphi$ , obrazuyushie avtonomnuyu toroidal'nuyu yacheiku sfericheski rashodyasheisya volny. Eto proishodit primerno na rasstoyaniyah $r\sim\Lambda$ ot dipolya, t. e. na takoi sfere, po ekvatoru kotoroi ukladyvaetsya celaya dlina volny v okruzhayushei dipol' srede. Eto obshee svoistvo lyubogo izluchatelya, harakterizuemogo proizvol'nym chislom variacii polya po uglu (cos $n\theta$ ); otryv polya izlucheniya proishodit s poverhnosti, nazyvaemoi kaustikoi, vdol' kotoroi ukladyvaetsya celoe chislo voln, $r=n\Lambda$ ; pri etom fazovaya skorost' "vrasheniya" takogo vozmusheniya po poverhnosti sravnivaetsya so skorost'yu sveta v okruzhayushei srede.

Real'nyi vibrator (a takzhe ramka s tokom) imeyut razryvy (ris. 6), kuda podklyuchayutsya idushie ot generatora fidernye (obychno dvuhprovodnye) linii peredachi. Sledovatel'no, postuplenie energii proishodit cherez mesto takogo razryva, gde $\vec\Pi\neq0$ , togda kak vsyudu na provodyashih poverhnostyah antenny (v otsutstvie omicheskih poter') $\Pi_n = 0$ ( $\vec n$ - normal' k poverhnosti). Odnako pri otyskanii vneshnego polya razryv mozhno zamenit' metallicheskoi poverhnost'yu i pustit' po nei poverhnostnyi magnitnyi tok $\vec j_{pov}^m=-{\displaystyle c\over\displaystyle4\pi}\lbrack\vec n\times\vec E_{stor}\rbrack$ , gde $\vec E_{stor}$ - zadannoe storonnee pole na razryve do zameny. Etot tok budet igrat' rol' istochnika, vozbuzhdayushego pole vo vneshnem po otnosheniyu k sploshnomu metallicheskomu telu prostranstve, poetomu sozdavaemoe im pole dolzhno vsyudu (krome oblasti, blizko primykayushei k mestu razryva) sovpadat' s polem elektricheskogo toka, fakticheski tekushego po metallu. Otyskanie raspredeleniya etogo toka sostavlyaet odin iz aspektov teorii metallicheskih antenn. V sluchae korotkogo ( $l\ll\Lambda$ ) vibratora tok po nemu raspredelen priblizhenno odnorodno, chto pozvolyaet vyrazit' polnuyu moshnost' izlucheniya cherez amplitudu I:
$P_i=\sqrt{\varepsilon\mu}(kl)^2I^2/3c$ .

Po otnosheniyu k fidernoi linii eta moshnost' kak by pogloshaetsya v nekotorom nagruzochnom soprotivlenii $R_p^e$ , nazyvaetsya soprotivleniem izlucheniya, t. e. $P_i = R^e_i I^2 /2$ , otkuda
$R_i^e=2\sqrt{\varepsilon\mu}(kl)^2/3c$ . (2)

V teh zhe uproshayushih predpolozheniyah soprotivlenie izlucheniya maloi ramochnoi antenny ( $\sigma\ll\lambda^2$ ) ravno $R_i^m=2(k\sigma)^2\sqrt{\varepsilon\mu}/3c$ . Eti formuly teryayut silu pri $l\gt\lambda/2$ , kogda stanovyatsya zametnymi effekty zapazdyvaniya elektromagnitnyh vozmushenii, rasprostranyayushihsya vdol' provodov.

Elementy teorii antenn. Pryamaya zadacha teorii antenn v obshem sluchae sostoit v opredelenii polya izlucheniya po zadannoi eds, prilozhennoi na "vhode" antenny. Pri etom "vhod" ili vhodnuyu poverhnost', cherez kotoruyu postupaet energiya ot generatora, stremyatsya vybrat' tam, gde pole mozhno dostatochno uverenno schitat' zadannym (storonnim), opredelyaemym tol'ko parametrami istochnika. Pole vdali ot antenny, kak pravilo, nel'zya naiti bez otyskaniya vsego polya, t. e. bez resheniya uravnenii Maksvella s sootvetstvuyushimi granichnymi usloviyami (v nestacionarnyh zadachah eshe i s nachal'nymi usloviyami) na granicah razdela sred s raznymi $\varepsilon$ , $\mu$ . (ili v obshem sluchae dlya neodnorodnyh $\varepsilon$ , $\mu$ ). Takie kraevye zadachi chrezvychaino slozhny, poetomu teoriya razvivaetsya v dvuh napravleniyah: 1) strogoe reshenie (ili reshenie so strogo kontroliruemoi tochnost'yu) uproshennyh model'nyh zadach; 2) priblizhennoe issledovanie real'nyh (ili blizkih k real'nym) ustroistv. K pervym mozhno otnesti resheniya dlya malyh po sravneniyu s dlinoi volny tel (ideal'no provodyashih ili dielektricheskih) prosteishei formy (shar, cilindr, ellipsoid). Pri proizvol'nyh razmerah strogoe reshenie, naprimer, dlya ideal'no provodyashego shara ili cilindra, poluchaetsya v razdelyayushihsya peremennyh, no dlya sferoida eto uzhe nevozmozhno. Odnako esli sferoid sil'no vytyanut (chto adekvatno tonkomu simmetrichnomu vibratoru), udaetsya postroit' shemu resheniya metodom logarifmicheski malogo parametra i t. p. Vazhnuyu rol' igrayut strogie resheniya, poluchennye dlya polubeskonechnyh metallicheskih sistem (metod faktorizacii) i primenennye k otyskaniyu polya izlucheniya otkrytyh koncov volnovodov. Reshena skalyarnaya zadacha o pole tochechnogo istochnika v fokuse beskonechnogo ideal'nogo parabolicheskogo otrazhatelya. Perechen' drugih takih zadach mozhno pozaimstvovat' v rukovodstvah po teorii difrakcii i uravneniyam matematicheskoi fiziki.

Priblizhennye issledovaniya obychno opirayutsya na udachnyi vybor vhodnoi poverhnosti (poverhnosti uslovnyh ili fakticheskih istochnikov) s tom, chtoby raspredelenie polei na nei mozhno bylo by ocenit' (ili izmerit'), minuya strogie resheniya. Naprimer, v sluchae metallicheskih antenn proizvol'noi formy vhodnuyu poverhnost' mozhno vybrat' sovpadayushei s poverhnost'yu metalla i, oceniv vozmozhnye raspredeleniya tokov na antennah, naiti sozdavaemoe imi pole vdali. Ili pole na raskryve rupora (zerkala, volnovoda i t. p.) mozhno schitat' (priblizhenno) raspredelennym v soglasii s padayushim polem ot istochnika (metod Kirhgofa). Inogda zadachu opredeleniya istochnikov (tokov) na uslovnyh vhodnyh poverhnostyah S nazyvaetsya vnutrennei, a zadachu opredeleniya polya izlucheniya po zadannym tokam (istochnikam) - vneshnei. Poslednyaya rassmatrivaetsya v prostranstve, ne soderzhashem elementov antenny, formiruyushih izluchenie, naprimer v svobodnom prostranstve, v regulyarnoi chasti volnovoda i t. p.

Primenenie sovremennyh EVM rasshirilo vozmozhnosti raschetov antenn. Pravil'noe (istinnoe) raspredelenie effektivnyh istochnikov dolzhno udovletvoryat' nekotoromu integral'nomu uravneniyu, poluchayushemusya v rezul'tate "sshivaniya" na S polei vnutri i vne S, Razlagaya iskomyi vektor $\vec j^e$ (ili $\vec j^m$ ) v ryad po udobnym bazisnym funkciyam i preobrazuya integral'noe uravnenie k matrichnomu, mozhno, vospol'zovavshis' special'no razrabotannymi metodami, sostavit' sootvetstvuyushie algoritmy i programmy. T. o., vozniknovenie "vychislitel'noi elektrodinamiki", ispol'zuyushei EVM, v kakoi-to mere ob'edinilo metod strogih reshenii etalonnyh zadach s metodom priblizhennyh issledovanii real'nyh ustroistv.

Nizhe my ostanovimsya tol'ko na reshenii vneshnei zadachi, razlichaya dve ee raznovidnosti: 1) sluchai zadannyh tokov; 2) sluchai polei, zadannyh na ohvatyvayushei antennu poverhnosti S. Reshenie uravnenii Maksvella udobno zapisat' cherez vektor Gerca $\vec\Gamma(P)$ , gde R - tochka nablyudeniya (tochka polya). Vektory $\vec E$ i $\vec H$ svyazany s $\vec\Gamma(P)$ formulamn $\vec E(P)=\varepsilon^{-1}(\vec\nabla{\rm div}+k^2)\vec\Gamma(P)$ , $\vec H(P)={\displaystyle i\omega\over\displaystyle c}\ {\rm rot}\vec\Gamma(P)$ , a sam vektor Gerca opredelyaetsya zadannymi tokami $\vec j^e$ :
$\vec\Gamma(P)={\displaystyle1\over\displaystyle i\omega}\int\limits_V \vec j^e\varphi dV+\int\limits_S(\varphi{\displaystyle\partial\vec\Gamma\over\displaystyle\partial n}-\vec\Gamma{\displaystyle\partial\varphi\over\displaystyle\partial n})dS$ , (3)

gde $\varphi$ - funkciya Grina dlya svobodnogo prostranstva, $\varphi=R^{-1}e^{-\displaystyle ikR}$ , ${\displaystyle\partial\over\displaystyle\partial n}$ --proizvodnaya v napravlenii orta n vneshnei po otnosheniyu k oblasti V normali k poverhnosti S (ris. 7, a). Zdes' R - rasstoyanie mezhdu tochkoi integrirovaniya (elementom toka) x, u, z i tochkoi nablyudeniya R (tochkoi polya) h', u', z', t. e. $R = \lbrack(x-x^\prime)^2+(y-y^\prime)^2+(z-z^\prime)^2\rbrack$ . Esli vydelit' zanyatyi antennoi ob'em V₀, v kotorom tekut toki $\vec j^e$ , a poverhnost' S udalit' v beskonechnost' (ris. 7, b), to iz (3) poluchim
$\Gamma(P)={\displaystyle1\over\displaystyle i\omega}\int\limits_{V_0} \vec j^e{\displaystyle e^{-\displaystyle ikR}\over\displaystyle R}dV$ . (*)

Kak vidno iz (4), kazhdyi element toka $\vec j^edV$ porozhdaet sfericheski rashodyashuyusya volnu vektora Gerca, chto sootvetstvuet formulam (1). Esli okruzhayushaya sreda lineina, odnorodna i izotropna, to kazhdaya iz etih voln ne budet iskazhat'sya i rasseivat'sya, a obshee pole vyrazhaetsya kak superpoziciya rashodyashihsya voln.

S pomosh'yu principa dvoistvennosti mozhno poluchit' vyrazhenie dlya magnitnogo vektora Gerca, sozdavaemogo magnitnymi tokami $\vec j^m$ . Proizvol'noe elektromagnitnoe pole vne istochnikov opisyvaetsya dvumya skalyarnymi velichinami, chasto v kachestve nih vybirayut dekartovy komponenty vektorov $\vec\Gamma^e$ i $\vec\Gamma^m$ , poluchaya sootvetstvenno polya tipa TM i TE.

Esli poverhnost' S ohvatyvaet vse toki, a tochka nablyudeniya R nahoditsya vne etoi poverhnosti (ris. 7, v), to iz (3) poluchim:

$\vec\Gamma(P)=\int\limits_S(\varphi{\displaystyle\partial\vec\Gamma\over\displaystyle\partial n}-\vec\Gamma{\displaystyle\partial\varphi\over\displaystyle\partial n})dS$ .

(5)

Pole izlucheniya antenny. Lyubaya sistema izluchayushih tokov harakterizuetsya tremya parametrami razmernosti dliny: 1) rasstoyaniem r ot nekotorogo uslovnogo centra antenny O do tochki R; 2) harakternym masshtabom raspredeleniya toka $\vec l$ ( $\vec l$ _x, $\vec l$ _y, $\vec l$ _z); 3) dlinoi volny $\lambda$ (ili $\Lambda$ ). Imenno sootnosheniya mezhdu etimi parametrami lezhat v osnove klassifikacii kak samih izluchatelei, tak i "raionirovaniya" sozdavaemyh imi polei. Parametr $l/\Lambda=kl$ pozvolyaet vydelit' sosredotochennye (elementarnye, "tochechnye") istochniki, razmeshayushiesya v oblasti $l\ll\Lambda$ . K nim prinadlezhat elementarnye elektricheskie i magnye dipoli, a takzhe lyubye ih "tochechnye" kombinacii, dayushie mul'tipoli proizvol'nogo poryadka. S uvelicheniem l sistema mozhet obnaruzhivat' rezonansnoe povedenie, naprimer pryamye provolochnye antenny nastraivayutsya v rezonans priblizitel'no kak linii peredachi s razomknutymi koncami pri $l_z=\lambda/2,3\lambda/2,...$ , a zamknutye petlevye (ramochnye) antenny pri $l_z=\lambda,2\lambda,...$ . Raspredelenie tokov v antenne primerno povtoryaet raspredelenie v sootvetstvuyushei linii peredachi.

V drugom predel'nom sluchae sistem, razvityh v odnom pli neskol'kih napravleniyah, govoryat o protyazhennyh odnomernyh antennah ( $l_z\gg\lambda$ ) ili ob antennah s bol'shoi aperturoi ( $l_x, l_y\gg\lambda$ ), pri etom obychno raspredeleniya tokov v takih antennah vossozdayut protyazhennye uchastki ploskih fazovyh frontov, tak chto uzhe v neposredstvennoi blizosti formiruetsya "chistoe" (bez kvazistacionarnyh dobavok) pole izlucheniya prozhektornogo tipa s ostroi napravlennost'yu v dal'nei zone (rupory, linzy, parabolicheskie zerkala i t. p.).

Parametr $r/\lambda$ , opredelyaet harakter polya v zavisimosti ot udaleniya ot oblasti istochnikov. Na rasstoyaniyah $r\lt\lambda$ , (kak eto vidno na primere dipolya) v zone indukcii pole predstavleno v osnovnom kvazistaticheskimi polyami, bystro ubyvayushimi kak $r^{-2}$ i $r^{-3}$ (polya indukcii).

Na rasstoyaniyah $r\gt\lambda$ , v zone izlucheniya, ili v t. n. volnovoi zone, prakticheski ostayutsya lish' begushie volny, polya kotoryh ubyvayut kak $r^{-1}$ (obychno pod volnovoi zonoi ponimayut lish' dal'nyuyu zonu antenny; predstavlyaetsya, odnako, bolee opravdannym nazyvat' volnovoi zonoi oblast' izlucheniya, t. e. vsyu oblast', soderzhashuyu chisto begushie volny, perenosyashie energiyu). V neposredstvennoi blizosti ot antenny, pri $\lambda\lt r\lesssim l$ , raspredelenie polya v izvestnoi mere vosproizvodit strukturu istochnika, togda kak pri $r\gg l$ kartina chastichno unificiruetsya; nachinaya s nekotoryh r, mozhno prenebrech' razlichiem amplitud (no ne faz!) sfericheskih voln, prihodyashih ot raznyh uchastkov antenny. Razlozhenie po stepenyam ${\displaystyle l\over\displaystyle r}\ll1$ v amplitude i po parametru $f=l^2/r\lambda\ll1$ v faze daet sleduyushee priblizhennoe vyrazhenie dlya $\vec\Gamma^e$ vdali ot istochnikov: $\vec\Gamma^e\approx{\displaystyle c\over\displaystyle i\omega\mu r}e^{-\displaystyle ikr}(r,\theta,\varphi)$ , gde $r,\theta,\varphi$ - sfericheskie koordinaty s centrom v tochke O (uslovnom centre antenny), a $\vec N^e$ - vektor izlucheniya, ravnyi
$\vec {N^e}=\int dV \vec {j^e} e^{\displaystyle{-ik\lbrack r^\prime \cos\psi-r^{\prime2}r^{-1}(1-\cos^2\psi/8)+...\rbrack}}$ ,
gde $\psi$ - ugol mezhdu radiusom-vektorom r tochki polya i radiusom-vektorom $r^\prime$ tochki istochnika. Otsyuda vidno, chto kachestvo, ili "chistota", polya izlucheniya zavisit eshe ot odnogo bezrazmernogo parametra, nazyvaemogo parametrom Frenelya, $f=l^2/r\lambda$ . Pri $f\simeq1$ volny, prishedshie ot raznyh uchastkov antenny, eshe razlichayutsya napravleniyami rasprostraneniya i poetomu, skladyvayas', sozdayut izrezannuyu kartinu raspredeleniya amplitud, lokal'no shodnuyu s raspredeleniem v volnovodnyh modah: pole yavlyaetsya begushim v radial'nom napravlenii i, voobshe govorya, stoyachim po uglovym koordinatam $\theta$ i $\varphi$ (isklyuchenie sostavlyayut osobye sluchai mod, vrashayushihsya po $\theta$ i $\varphi$ ). Eta oblast' nazyvaetsya zonoi Frenelya po analogii s yavleniyami difrakcii voln. Po mere umen'sheniya f amplitudnaya izrezannost' oslabevaet, i moda prevrashaetsya v lokal'nuyu ploskuyu volnu TEM-tima po otnosheniyu k radial'nomu napravleniyu. Eto - zona Fraungofera, ee nazyvayut takzhe dal'nei zonoi. V nei vektor izlucheniya $\vec N^e$ stanovitsya funkciei tol'ko uglov i opredelyaet DN izlucheniya antenny:
$\vec N^e(\theta,\varphi)=\int\limits_V\vec j^e e^{-\displaystyle ikr^\prime\cos\psi}dV$ ,

$E_\theta=-H_\varphi=-{\displaystyle i\omega\mu\over\displaystyle 4\pi r}e^{-\displaystyle ikr}N_\theta$ , (6)

$E_\varphi=H_\theta=-{\displaystyle i\omega\mu\over\displaystyle 4\pi r}e^{-\displaystyle ikr}N_\theta$ ,
Sledovatel'no, srednyaya za period kolebanii radial'naya komponenta vektora Pointinga $\vec\Pi$ ravna
$\Pi_r={\displaystyle\omega^2\mu^2\over\displaystyle128\pi^2r^2}$
V volnovoi zone amplitudy polei ubyvayut $\sim r^{-1}$ , a plotnost' potoka energii - kak $\sim r^{-2}$ , chto est' sledstvie zakona sohraneniya energii, ibo summarnyi potok energii cherez poverhnost', ohvatyvayushuyu istochnik, dolzhen (v sredah bez poglosheniya) ostavat'sya postoyannym: $\oint\Pi_rdS$ = const. Isklyuchenie sostavlyayut neodnorodnye sredy i nekotorye osobye napravleniya v odnorodnyh anizotropnyh sredah, v chastnosti volnovody i razlichnye linii peredachi, gde vektor Pointinga mozhet voobshe ne izmenyat'sya s udaleniem ot istochnika. Inogda i neodnorodnost', i anizotropiya voznikayut v rezul'tate nelineinogo vozdeistviya izlucheniya na pervonachal'no odnorodnuyu i izotropnuyu sredu (yavleniya samofokusirovki, samovozdeistviya i t. p.).

Lyubaya peredayushaya antenna, pomimo preobrazovaniya podvodimyh k nei elektromagnitnyh kolebanii v pole izlucheniya, eshe i formiruet opredelennye harakteristiki etogo izlucheniya, glavnym obrazom zadannuyu DN - uglovoe raspredelenie amplitudy polya izlucheniya. Eto formirovanie osnovano na principe superpozicii polei, sozdavaemyh raznymi, no kogerentnymi istochnikami. Podborom izluchatelei (dipol'nyh i mul'tipol'nyh) i passivnyh elementov-rasseivatelei, na kotoryh difragiruyut polya izluchatelei, mozhno sozdat' lyubuyu fizicheski dopustimuyu DN, odnako obychno predpochitayut nahodit' optimal'nyi kompromiss mezhdu tochnost'yu vosproizvedeniya DN i prostotoi izgotovleniya i regulirovki antenny, ee stoimost'yu, kpd i t. p. Vybor izluchatelei i rasseivatelei, a sledovatel'no, i konstrukcii antenny, sushestvenno zavisit ot diapazona voln. Tak, naprimer, dlya KV i DV (s dlinoi volny 10 - 75 m i $2\cdot10^2-2\cdot10^4$ m) estestvennym i tehnologichnym okazyvaetsya ispol'zovanie antenn, blizkih k dipolyam - vibratoram s $l\lesssim\lambda$ , (ris. 8 i 9) ili ih sochetaniyam v vide t. n. antennyh "polei" i reshetok s razmerami $D\gg\lambda$ .

Struktura polya sistemy izluchatelei zavisit ot ih vzaimnogo raspolozheniya, obshei konfiguracii sistemy, fazovyh i amplitudnyh sootnoshenii mezhdu tokami v izluchatelyah i v passivnyh elementah i t. d. Rassmotrim dlya prostoty antenny, pitaemye sinfazno. Na rasstoyanii neskol'ko dlin voln ot poverhnosti fazirovannoi antennoi reshetki (FAR) (ris. 10) formiruetsya sinfaznoe raspredelenie polya na shirokoi poverhnosti (lineinyi razmer $D\gg\lambda$ ). Eta poverhnost' nazyvaetsya izluchayushim raskryvom ili aperturoi antenny. Analogichnaya kartina imeet mesto i dlya sinfazno pitaemyh antenn SVCh-diapazona ( $\lambda=10^{-3}-10$ m), v chastnosti dlya antenn t. n. opticheskogo tipa, v kotoryh elementarnyi vibrator s $l\lt\lambda$ (ili ego analog v vide sheli, rupora, otkrytogo konca volnovoda i t. p.) pomeshaetsya v fokus linzy (linzovaya antenna) ili otrazhatelya (zerkal'naya antenna), formiruyushih prakticheski sinfaznye polya na svoem raskryve (ploskoi poverhnosti, ogranichennoi, naprimer, kromkoi zerkala) (ris. 11).

Dal'neishaya evolyuciya, kotoruyu preterpevaet pole t. n. volnovogo puchka, sozdavaemoe shirokim sinfaznym raskryvom, pokazana uslovno na ris. 32 v paraksial'nom priblizhenii, t. e. v predpolozhenii dostatochnoi uglovoi "uzosti" DN. Na blizkih rasstoyaniyah v volnovoi zone (prakticheski v predelah $\lambda\lt r\lt D^2/f\lambda$ , gde $f\sim10-20$ ) sinfaznost' fronta eshe ne narushaetsya i volna vedet sebya pochti kak ploskaya. Eto zona geometricheskoi optiki, ili t. n. prozhektornyi luch, v kotorom sosredotochena prakticheski vsya moshnost', izluchaemaya antennoi. Zatem v intervale rasstoyanii $r\sim D^2/\lambda$ , proishodit sushestvennoe narushenie sinfaznosti, soprovozhdaemoe rezkimi prostranstvennymi oscillyaciyami amplitud polya, v t. ch. i v napravlenii rasprostraneniya, nakladyvayushimisya na monotonnuyu zavisimost' $\sim r^{-1}$ . Eto, kak uzhe govorilos', promezhutochnaya frenelevskaya oblast', dlya kazhdoi tochki kotoroi na raskryve antenny ukladyvaetsya neskol'ko zon Frenelya.

I, nakonec, pri $r\gg D^2/\lambda$ volnovoi front stanovitsya sfericheskim, pole ubyvaet kak $r^{-1}$ i oscillyacii amplitud v napravlenii rasprostraneniya prakticheski ischezayut. Eto dal'nyaya zona antenny, gde razmer pervoi zony Frenelya stanovitsya bol'she raskryva antenny, i gde uzhe mozhno operirovat' s obychnym ponyatiem diagrammy napravlennosti, t. e. zavisimosti amplitudy polya tol'ko ot uglovyh koordinat.

Parametry antenny. DN v obshem sluchae zapisyvaetsya kak kompleksnaya funkciya polyarnogo $\theta$ i azimutal'nogo $\varphi$ uglov:
$\mathcal{F}(\theta,\varphi) = \mathcal{F}(\theta,\varphi) \vec {e}(\theta,\varphi) e^{\displaystyle\lbrack i\Phi(\theta,\varphi)\rbrack}$ ,

gde $\mathcal{F}(\theta,\varphi)$ - amplitudnaya DN, obychno ravnaya \ v napravlenii glavnogo maksimuma, $\vec e(\theta,\varphi)$ - edinichnaya vektornaya funkciya, polyarizacionnaya DN, $\Phi(\theta,\varphi)$ - fazovaya DN. Krome amplitudnoi, chasto ispol'zuyut DN po moshnosti $F(\theta,\varphi)=|\mathcal{F}(\theta,\varphi)|^2$ - uglovoe raspredelenie plotnosti potoka energii izlucheniya antenny v dal'nei zone.

Obe eti DN slozhnyh antenn imeyut lepestkovuyu strukturu, obuslovlennuyu interferenciei voln, izluchaemyh i rasseivaemyh razlichnymi elementami antenny. Tam, gde sinfazno skladyvayutsya polya vseh elementov, formiruetsya maksimum, nazyvaemyi glavnym. DN $\mathcal{F}(\theta,\varphi)$ i $F(\theta,\varphi)$ obychno izobrazhayut v vide "ob'emnoi", rel'efnoi kartiny, konturnoi karty s liniyami ravnyh urovnei libo s pomosh'yu otdel'nyh ploskih sechenii, chashe vsego dvuh ortogonal'nyh ploskih sechenii, prohodyashih cherez napravlenie glavnogo maksimuma i vektory $\vec E$ i $\vec N$ (ris. 13). T. k. osnovnaya chast' moshnosti, izluchaemoi antennoi, sosredotochena v glavnom lepestke, napravlennost' izlucheniya harakterizuetsya ego shirinoi, obychno po urovnyu polovinnoi moshnosti $\Delta\theta_{1/2}$ , inogda - uglom mezhdu blizhaishimi nulyami. Velichina $\Delta\theta_{1/2}$ opredelyaet uglovoe razreshenie antenny i mozhet byt' priblizhenno ocenena (v radianah) kak $\Delta\theta_{1/2}\simeq\lambda/D$ (D - razmer antenny v izmeryaemom sechenii DN) dlya ostronapravlennyh antenn s maksimumom izlucheniya, orientirovannym perpendikulyarno ploskosti izluchayushego raskryva (antenny s poperechnym izlucheniem). Eto sootnoshenie sovpadaet s kriteriem Releya, ispol'zuemym v optike dlya ocenki razreshayushei sposobnosti sistem. V t. n. sverhnapravlennyh antennah eto ogranichenie mozhno preodolet' za schet sozdaniya rezko oscilliruyushego fazovogo raspredeleniya (neustoichivogo k maleishim fluktuaciyam). Kpd takih antenn ves'ma mal, t. k. podavlyayushaya chast' energii zaklyuchena v reaktivnom pole.

Pri umen'shenii otnosheniya $D/\lambda$ DN rasshiryaetsya, odnako dazhe u predel'no maloi antenny DN ne yavlyaetsya polnost'yu izotropnoi iz-za vektornogo haraktera elektromagnitnogo polya (v akustike vozmozhny izotropnye DN). Naprimer, DN elektricheskogo i magnitnogo dipolei imeet vid toroida, os' kotorogo sovpadaet s os'yu dipolya (ris. 14). Dlya antenn, izluchayushie elementy kotoryh raspolozheny vdol' nekotoroi osi i pitayutsya so sdvigom faz, orientiruyushih maksimum izlucheniya vdol' etoi osi, $\Delta\theta_{1/2}\simeq\sqrt{\lambda/D}$ (antenny s prodol'nym izlucheniem).

Krome glavnogo, DN soderzhit bokovye i zadnie lepestki. Formirovanie etih lepestkov udobno prosledit' na primere osesimmetrichioi zerkal'noi antenny, gde kachestvenno bokovye lepestki mozhno predstavit' kak rezul'tat interferencii "kraevyh voln", otrazivshihsya ot protivopolozhnyh kraev raskryva. Na ris. 15 zashtrihovany perehodnye oblasti granic svet-ten', a krivye - giperboly, linii postoyannoi raznosti hoda $\lambda, 2\lambda, 3\lambda,...,n\lambda$ ot protivopolozhnyh kraev raskryva, sootvetstvuyushih maksimumam pervogo, vtorogo, ..., n-go bokovyh lepestkov (t. e. kraevye volny ot oboih kraev prihodyat v faze i ih amplitudy skladyvayutsya). Ochevidno, bokovoi lepestok mozhno kachestvenno schitat' sformirovavshimsya, esli sootvetstvuyushaya emu giperbola vyshla za predely zashtrihovannoi oblasti. Po mere uvelicheniya nomera lepestka giperboly priblizhayutsya k raskryvu antenny, t. e. dal'nie bokovye lepestki formiruyutsya blizhe k antenne. Zadnie lepestki opredelyayutsya izlucheniem obluchatelya antenny, proshedshim mimo zerkala, i difrakciei etogo izlucheniya na krayah zerkala. Obychno mozhno schitat', chto po mere udaleniya ot antenny obshaya energiya, izluchaemaya v zadnie lepestki, ostaetsya neizmennoi i lish' pereraspredelyaetsya po uglam. Sherohovatosti poverhnosti zerkala i detali konstrukcii antenny, rasseivaya pole obluchatelya, privodyat k poyavleniyu v DN "fona" bokovogo i zadnego izlucheniya.

Krome DN po amplitude i moshnosti chasto ispol'zuyut polyarizacionnye i fazovye DN. Polyarizaconnaya DN $\vec e(\theta,\varphi)$ - eto zavisimost' polyarizacii polya (orientacii vektora $\vec E$ ) ot napravleniya v dal'nei zone (vektory $\vec E$ i $\vec H$ v dal'nei zone lezhat v ploskosti, normal'noi k napravleniyu rasprostraneniya). Razlichayut lineinuyu i ellipticheskuyu (v chastnosti, krugovuyu) polyarizaciyu (sm. Polyarizaciya voln). Esli ploskost', prohodyashaya cherez $\vec e$ k $\vec n$ (napravlenie rasprostraneniya), s techeniem vremeni ne menyaet svoei orientacii, to polyarizaciya polya lineinaya, esli konec vektora $\vec e$ opisyvaet v ploskosti, perpendikulyarnoi $\vec n$ , ellips ili okruzhnost' (po chasovoi strelke otnositel'no $\vec n$ - pravoe vrashenie, protiv - levoe}, to polyarizaciya ellipticheskaya ili krugovaya. V obshem vide polyarizacionnye svoistva polei izlucheniya antenn udobno opisyvat' takimi energeticheskimi parametrami, kak matrica kogerentnosti ili parametry Stoksa. Poslednie imeyut razmernost' plotnosti potoka energii i mogut byt' neposredstvenno izmereny, chto pozvolyaet eksperimental'no issledovat' polyarizacionnuyu DN.

Fazovaya DN $\Phi(\theta,\varphi)$ , v otlichie ot amplitudnoi, zavisit ot raspolozheniya nachala koordinat na antenne. Esli mozhno naiti takoe polozhenie nachala koordinat, otnositel'no kotorogo faza postoyanna (ne zavisit ot ugla) ili skachkom menyaetsya na $\pm\pi$ pri perehode ot odnogo lepestka DN k drugomu, to takoe nachalo koordinat nazyvaetsya fazovym centrom antenny. Obladayushuyu fazovym centrom antennu mozhno schitat' istochnikom sfericheskih voln. V bol'shinstve sluchaev antenny ne imeyut fazovogo centra. Poetomu chasto vvodyat uslovnyi fazovyi centr - centr krivizny poverhnosti (ili linii) ravnyh faz v zadannom (obychno - glavnom) napravlenii.

Energeticheskie parametry izlucheniya antenny. Vazhnymi parametrami antenn takzhe yavlyayutsya: KND $D(\theta,\varphi)$ , koefficient usileniya $G = D\eta$ , gde $\eta$ - kpd antenny, koefficient rasseyaniya R - dolya moshnosti, izluchaemoi vne glavnogo lepestka (ili lyubogo telesnogo ugla) DN, srednii uroven' bokovyh lepestkov $\alpha$ , a takzhe diapazonnost' (polosa chastot). KND $D(\theta,\varphi)$ harakterizuet stepen' koncentracii (vyigrysh) po moshnosti v dannom napravlenii. On raven otnosheniyu moshnosti, izluchaemoi v edinicu telesnogo ugla v napravlenii $\theta,\varphi$ (v napravlenii maksimuma DN $D=D_{maks}$ ) k srednei moshnosti, izluchaemoi antennoi po vsem napravleniyam: $D(\theta,\varphi)={\displaystyle4\pi F(\theta,\varphi)\over\displaystyle \int\limits_{4\pi}F(\theta,\varphi)d\Omega}=D_{maks}F(\theta,\varphi)$ . Dlya aperturnyh antenn $D_{maks}=k\cdot4\pi/\Delta\theta_{1/2}\Delta\varphi_{1/2}$ , gde $k\simeq0,6-0,7$ - koefficient ispol'zovaniya antenny, uchityvayushii, chto chast' moshnosti $\beta$ ( $\beta={\displaystyle\int\limits_{\displaystyle\Omega_{bok}}Fd\Omega\over\displaystyle\int\limits_{\displaystyle4\pi}Fd\Omega}$ ) uhodit v bokovye i zadnie lepestki, a apertura antenny obluchaetsya neravnomerno. Obychno $D_{maks}\lt\alpha$ , t. e. KND antenny, vyrazhennyi v dB, ne mozhet prevyshat' po absolyutnoi velichine srednego urovnya (v dB) bokovyh lepestkov. Naprimer, esli $\alpha$ =10^-5 (t. e. -50 dB), to $D_{maks}\lt10^5$ (50 dB). Mozhno opredelit' KND takzhe putem sravneniya s gipoteticheskoi izotropnoi, nenapravlennoi antennoi; KND - velichina, pokazyvayushaya, vo skol'ko raz moshnost' R_i, izluchaemaya izotropnoi antennoi, dolzhna byt' bol'she moshnosti R_a, izluchaemoi dannoi antennoi, pri ravenstve polei, vozbuzhdaemyh imi v napravlenii $\theta,\varphi$ .

Znacheniya KND dlya raznyh antenn zaklyucheny v predelah ot 1,5 (elementarnyi vibrator) i 1,64 (poluvolnovoi vibrator) do 10⁸ (zerkal'nye antenny s bol'shim otnosheniem $D/\lambda$ ). Koefficient usileniya $G (\theta,\varphi)$ uchityvaet kpd antenny, t. e. otnoshenie izluchaemoi moshnosti R_i k moshnosti R_podv podvodimoi k antenne, $\eta=P_i/P_{podv}$ . Po opredeleniyu koefficient usileniya - velichina, pokazyvayushaya, vo skol'ko raz moshnost', podvodimaya k izotropnoi antenne bez poter', dolzhna byt' bol'she moshnosti, podvodimoi k rassmatrivaemoi antenne, chtoby byli ravny vozbuzhdaemye imi v napravlenii $\theta,\varphi$ polya.

T. o., pri opredelenii G sravnivayutsya moshnosti, podvodimye k izotropnoi i rassmatrivaemoi antennam, v to vremya kak pri opredelenii KND sravnivayutsya izluchaemye imi moshnosti. Izluchaemuyu antennoi moshnost' harakterizuyut soprotivleniem izlucheniya R_i, etu velichinu vvodyat soglasno (2). Soprotivlenie izlucheniya - sostavnaya chast' vhodnogo impedansa antenny (otnosheniya kompleksnyh amplitud napryazheniya i toka na vhode antenny) $Z=iX+R_p+R_i$ gde X - reaktivnaya chast' vhodnogo impedansa, R_p - soprotivlenie poter'.

Diapazon chastot $\Delta\omega$ , v kotorom harakteristiki antenny mozhno schitat' prakticheski neizmennymi, nazyvaetsya ee polosoi chastot. Naprimer, rombicheskie i logoperiodicheskie antenny (ris. 16, 17) - ves'ma shirokopolosny. Eto vazhno, naprimer, v usloviyah svyazi cherez otrazheniya ot ionosfery, svoistva kotoroi izmenyayutsya, chto trebuet izmeneniya dliny volny.

Specificheskim parametrom peredayushei antenny yavlyaetsya dopustimaya velichina izluchaemoi moshnosti. Esli tokonesushie chasti peredayushei antenny okruzheny vozduhom, to pri E>30 kV/sm (i normal'nom atmosfernom davlenii) nastupaet elektricheskii proboi. Poetomu predel'no dopustimaya moshnost' izlucheniya (v 2-3 raza bol'shaya rabochei) opredelyaetsya iz usloviya E<30 kV/sm v tochke maksimal'noi napryazhennosti polya vblizi antenny.

Priemnye antenny harakterizuyutsya v silu teoremy vzaimnosti temi zhe parametrami, chto i peredayushie. V chastnosti, DN antenny v rezhime izlucheniya i priema sovpadayut. Dlya priemnyh antenn DN - eto zavisimost' napryazheniya, toka ili moshnosti na klemmah antenny ot ugla prihoda ploskoi volny. Priemnuyu antennu harakterizuyut dopolnitel'nye parametry: effektivnaya ploshad' $\sigma_{eff}$ (dlya odnomernyh antenn - deistvuyushaya dlina ili vysota), shumovaya temperatura T_ash, pomehozashishennost'.

Esli by vsya moshnost', padayushaya na raskryv antenny, pogloshalas' eyu, to $\sigma_{eff}$ ravnyalas' by geometricheskoi ploshadi $\sigma_{geom}$ raskryva antenny. Poskol'ku, odnako, chast' moshnosti rasseivaetsya, a chast' teryaetsya iz-za dzhoulevyh poter', to $\sigma_{eff}\lt\sigma_{geom}$ . Teorema vzaimnosti ustanavlivaet odnoznachnuyu svyaz' mezhdu $\sigma_{eff}$ i D_maks: $\sigma_{eff}=\lambda^2D_{maks}/4\pi$ . Dlya elementarnyh istochnikov po etoi formule opredelyayut effektivnyi raskryv.

Na priemnuyu antennu vsegda, krome poleznogo signala, vozdeistvuyut shumy. Shumovaya temperatupa T_ash priemnoi antenny vvoditsya sootnosheniem $kT_{ash}\Delta\omega/2\pi$ , gde $\Delta\omega$ - polosa chastot priemnika, k - postoyannaya Bol'cmana, R_vh - moshnost' shumov na vhode priemnika. Velichina T_ash obuslovlena kak sobstvenno shumami antenny T_sh = ( $1-\eta$ )T₀ (gde T₀ - temperatupa materiala antenny, $\eta$ - kpd), tak i vneshnim radioizlucheniem: Zemli, atmosfery i kosmicheskogo prostranstva.

Sushestvennoi dlya vysokochuvstvitel'nyh priemnyh antenn yavlyaetsya pomehozashishennost', kotoruyu mozhno obespechit', snizhaya obshii uroven' bokovyh lepestkov i ispol'zuya t. n. adaptivnye antenny, parametry kotoryh avtomaticheski izmenyayutsya v zavisimosti ot uslovii raboty.

Specificheskim parametrom priemnoi antenny yavlyaetsya chuvstvitel'nost' k prostranstvennym variaciyam padayushego polya, ili k prostranstvennym chastotam. Priemnuyu antennu mozhno rassmatrivat' kak lineinyi fil'tr prostranstvennyh chastot. Antenny so sploshnoi aperturoi pri prieme radioizlucheniya raspredelennogo istochnika formiruet usrednennoe po DN radioizobrazhenie etogo istochnika. Esli razlozhit' eto radioizobrazhsnie v spektr po prostranstvennym chastotam, to antenna "obrezaet" vysokie chastoty, period kotoryh men'she shiriny DN (antenna "ne razreshaet" detali men'she $\lambda/D$ ). Dlya polucheniya vozmozhno bolee polnogo spektra prostranstvennyh chastot, t. e. detal'nogo radioizobrazheniya, neobhodimo uvelichivat' razreshenie, t. e. uvelichivat' razmery antenny.

V processe razrabotki, proizvodstva i ekspluatacii antenn neobhodimy izmereniya ih parametrov. Metody izmereniya parametrov antenn mozhno razdelit' na dve gruppy v zavisimosti ot raspolozheniya peredatchika (priemnika): v dal'nei zone antenny; v zone Frenelya ili v volnovoi zone vblizi antenny, uslovno - v blizhnei zone. Pervaya gruppa metodov sravnitel'no prosto realizuetsya pri issledovanii antenn s malymi geometricheskimi i elektricheskimi razmerami (maly D i $D/\lambda$ ), dlya kotoryh rasstoyanie do dal'nei zony sostavlyaet edinicy ili desyatki metrov. Takie antenny issleduyut v bezehovyh kamerah s ispol'zovaniem metodov dvuh i treh antenn, raspolozhennyh vzaimno v dal'nei zone. Dlya DV-, SV-, i KV-antenn, a takzhe antenn SVCh s $D/\lambda\gg1$ prihoditsya raspolagat' vspomogatel'nye antenny (peredayushuyu ili priemnuyu) na special'noi vyshke ili letatel'nom apparate, chto ves'ma slozhno i dorogo, no v ryade sluchaev edinstvenno vozmozhno. K pervoi gruppe otnositsya takzhe radioastronomicheskii metod, kogda v kachestve peredatchika ispol'zuyutsya kosmicheskie istochniki radioizlucheniya. Ko vtoroi gruppe otnosyatsya metod fokusirovki, kollimatornyi i amplifazometricheskii (radiogolograficheskii) metody. Metod fokusirovki svyazan s perestroikoi antenny takim obrazom, chtoby raspredelenie polya v zone Frenelya povtoryalo ego raspredelenie v dal'nei zone. V kollimatornom i amplifazometricheskom metodah realizuetsya takoi izluchatel', kotoryi, buduchi pomeshen vblizi ot antenny, sozdaet na ee raskryve ploskuyu volnu, chto ekvivalentno izlucheniyu iz dal'nei zony. Energeticheskie parametry antenny - KND, usilenie, koefficient rasseyaniya ves'ma tochno izmeryayutsya s ispol'zovaniem etalonnogo izlucheniya "chernogo" diska, ustanovlennogo v dal'nei libo blizhnei zone antenny.

Tipy antenn. Ogromnyi diapazon dlin voln, izluchaemyh ili prinimaemyh antennami, ot desyatkov km do dolei mm, i mnogoobrazie oblastei ispol'zovaniya antenn (ot svyazi, radiolokacii, radioastronomii do geologii i mediciny) obuslovili bol'shoe raznoobrazie tipov i konstrukcii antenn.

Dlya DV, SV i KB ispol'zuyutsya v osnovnom provolochnye i vibratornye antenny i ih sovokupnosti (v chastnosti, FAR i antennye "polya"). Primery takih antenn privedeny na ris. 3-5, 8-10, 16-18.

Ploskaya sinfaznaya FAR otnositsya k poperechnym antennam, izluchayushim glavnym obrazom v napravlenii, perpendikulyarnom ploskosti raspolozheniya vibratorov. V etom napravlenii elektromagnitnoi volny, izluchaemyi vibratorami, skladyvayutsya sinfazno, i syuda izluchaetsya maksimal'naya energiya. Esli raznost' faz tokov v sosednih vibratorah postepenno uvelichivat' vdol' kakoi-libo napravleniya v ploskosti reshetki, chto ekvivalentno sozdaniyu begushei volny toka, to napravlenie maksimuma DN budet povorachivat'sya. Etim pol'zuyutsya dlya t. n. kachaniya lucha antenny v prostranstve (skanirovaniya). Drugaya raznovidnost' vibratornyh antenn - prodol'nye (odnomernye) antenny, maksimal'no izluchayushie v ploskosti raspolozheniya vibratorov (ris. 17, 18). V DV- i SV-antennah obe funkcii (sozdanie polya izlucheniya i formirovanie DN) vypolnyayut odni i te zhe elementy - vibratory.

V antennah SVCh-diapazopa eti funkcii obychno razdelyayutsya mezhdu otdel'nymi elementami: polya izlucheniya po-prezhnemu sozdayut vibratory (v t. ch. i vozbuditeli shelei, volnovodov i t. p.), no DN formiruetsya v rezul'tate superpozicii ne tol'ko polei ot izluchatelei, no i polei, rasseyannyh na razlichnyh strukturah - zerkale, linze, sheli, otverstii rupora i t. d. V antennah SVCh-dnapazona mozhno vydelit' (uslovno) ryad tipov - rupornye, linzovye, sholsnye, dielektricheskie, zerkal'nye, poverhnostnyh voln (impedansnye), FAR, iskusstvennye apertury, interferometry, sistemy aperturnogo sinteza. Kazhdyi iz etih tipov soderzhit mnozhestvo raznovidnostei (rupory: sektorial'nye, piramidal'nye, bikonicheskie, konicheskie; linzy: dielektricheskie, metallicheskie, metallodielektricheskie; sheli na ploskoi i neploskoi poverhnostyah; zerkal'nye antenny: paraboloidy vrasheniya, sfericheskie antenny, cilindry, periskopicheskie antenny, antenny peremennogo profilya, ruporno-parabolicheskie antenny; antenny poverhnostnyh voln: s ploskimi, cilindricheskimi napravlyayushimi elementami; FAR: ekvidistantnye, neekvidistantnye, mnogoluchevye, s kachaniem lucha, ploskie, vypuklo-konformnye; interferometricheskie sistemy i sistemy aperturnogo sinteza iz nepodvizhnyh i podvizhnyh antenn, nezapolnennye apertury - kresty, T-obraznye, kompaund-interferometry i t. d.).

Konstruktivnoe vypolnenie antenn eshe bolee raznoobrazno: naprimer, na letatel'nyh apparatah zhelatel'ny nevystupayushie antenny, kosmicheskie antenny dolzhny uchityvat' nevesomost', avtomaticheski razvertyvat'sya i t. d., ryad antenn ustanavlivaetsya pod radioprozrachnymi ukrytiyami, antenny byvayut polnopovorotnymi ili nepodvizhnymi, stacionarnymi ili perevozimymi i t. d.

Ves'ma sushestvenna forma DN. Naprimer, v kachestve bortovyh antenn letatel'nyh apparatov ispol'zuyutsya slabonapravlennye antenny s shirokoi DN. V antennah radiolokacionnyh stancii, prednaznachennyh dlya obzora prostranstva i vrashayushihsya vokrug vertikal'noi osi, DN uzkaya v gorizontal'noi ploskosti i shirokaya v vertikal'noi libo sostoyashaya iz mnozhestva skaniruyushih uzkih luchei. Radioastronomicheskie antenny i antenny kosmicheskoi svyazi dolzhny obladat' chrezvychaino vysokoi napravlennost'yu dlya tochnogo opredeleniya koordinat ob'ekta, chto trebuet uvelicheniya otnosheniya $D/\lambda$ .

Odnako bespredel'noe narashivanie razmerov bespolezno, t. k. formirovanie uzkoi DN i realizaciya bol'shoi effektivnoi ploshadi priema pred'yavlyayut zhestkie trebovaniya k tochnosti izgotovleniya i sohraneniya vo vremeni poverhnosti antenny. Otklonenie poverhnosti ot zadannoi dolzhno byt' na poryadok men'she rabochei dliny volny. Dlya obespecheniya etogo usloviya ispol'zuyut, v chastnosti, t. n. gomologicheskii princip konstruirovaniya, kogda pri dvizhenii zerkala s pomosh'yu upravlyaemogo EVM pereraspredeleniya nagruzok sohranyaetsya zadannaya forma poverhnosti, no so smeshennym fokusom, kuda avtomaticheski peremeshaetsya obluchatel'. Drugimi radikal'nymi sposobami povysheniya razreshayushei sposobnosti antenn yavlyayutsya raschlenenie antenny na otdel'nye reguliruemye elementy [antenny peremennogo profilya, periskopicheskie antenny (ris. 19), FAR] i raznesenie antenn, ispol'zuemyh v kachestve elementov interferometricheskih sistem i sistem aperturnogo sinteza.

K osobomu klassu otnosyatsya t. n. maloshumyashie antenny, primerom kotoryh mozhet sluzhit' ruporno-parabolicheskaya antenna (ris. 20). Raspolozhennyi v fokuse izluchatel' obluchaet chast' paraboloida, i energiya izluchaetsya v prostranstvo cherez aperturu, ogranichennuyu metallicheskim zerkalom i konusom, tak chto energiya obluchatelya popadaet tol'ko na zerkalo. Uroven' bokovyh i zadnih lepestkov v DN takoi antenny ves'ma mal, a shumovaya temperatura sostavlyaet neskol'ko K.

Harakternaya osobennost' sovremennoi tehniki antenn - ispol'zovanie antenn s obrabotkoi signalov (cifrovoi, analogovoi, prostranstvenno-vremennoi, metodami kogerentnoi i nekogerentnoi optiki i t. d.). Esli izluchenie prinimaetsya antennoi, v kotoroi toki ot otdel'nyh izluchatelei ili uchastkov summiruyutsya v odnom trakte, to obrabotka takogo summarnogo signala svyazana s poterei informacii. V to zhe vremya v FAR, naprimer, mozhno obrabatyvat' otdel'no kazhdyi prinyatyi elementami ili ih sovokupnost'yu signal i zatem podvergat' poluchennye signaly dopolnitel'noi obrabotke, naprimer nelineinoi, izvlekaya maksimum informacii ili menyaya v zavisimosti ot vremeni ili ot signala parametry antenny (adaptivnye antenny, dinamicheskie antenny s vremennoi modulyaciei parametrov i t. d.). Drugim primerom antenny s obrabotkoi signala yavlyaetsya antenna s "iskusstvennym raskryvom", kogda ispol'zuetsya dvizhenie antenny, signal kotoroi obrabatyvaetsya v processe dvizheniya metodom kogerentnogo nakopleniya. Antenny s obrabotkoi signala primenyayut v radioastronomicheskih sistemah aperturnogo sinteza (sm. Aperturnyi sintez, Antenna radioteleskopa). Princip aperturnogo sinteza zaklyuchaetsya v ispol'zovanii ryada antenn, posledovatel'no vo vremeni ili stacionarno zanimayushih opredelennye polozheniya. Ih signaly summiruyutsya i peremnozhayutsya s razlichnymi vzaimnymi fazovymi sootnosheniyami. V rezul'tate obrabotki na EVM poluchaetsya informaciya, ekvivalentnaya takovoi pri ispol'zovanii sploshnoi apertury, znachitel'no prevoshodyashei apertury otdel'nyh antenn. Pri mashinnoi obrabotke mozhno osushestvlyat' skanirovanie v predelah dostatochno shirokogo lepestka otdel'noi antenny i drugie neobhodimye preobrazovaniya DN. Perspektivnymi yavlyayutsya global'nye nazemnye i kosmicheskie sistemy aperturnogo sinteza, ob'edinennye cherez ISZ. Chuvstvitel'nost' i razreshenie etih sistem pozvolyayut issledovat' otdalennye ob'ekty Vselennoi.

V 1970-h gg. voznik novyi tip antenn, sostoyashei iz reshetki obluchatelei so vstroennymi poluprovodnikovymi diodami i osushestvlyayushei odnovremennyi priem i vypryamlenie SVCh-kolebanii,- t. n. rektenna (ot angl. rectifier i antenna). Vozniknovenie rektenn svyazano s problemoi sozdaniya solnechnyh kosmicheskih elektrostancii: na geosinhronnoi orbite (~35800 km nad Zemlei) razmeshayutsya paneli solnechnyh batarei ploshad'yu ~10 km² kazhdaya, vyrabatyvayushie po 4-5 mln. kVt elektroenergii postoyannogo toka. Eta energiya dolzhna pitat' moshnye SVCh-generatory, podsoedinennye k peredayushim antennam (aktivnye FAR s diametrom ~1 km), posylayushim na Zemlyu moshnyi kogerentnyi puchok elektromagnyh voln santimetrovogo diapazona (eti volny slabo pogloshayutsya v ionosfere i troposfere Zemli). Eto izluchenie mozhno prinimat' na Zemle rektennami s razmerami reshetki ~7 km.

Publikacii s klyuchevymi slovami: antenna - generaciya radiovoln Publikacii so slovami: antenna - generaciya radiovoln
Sm. takzhe: Antenna radioteleskopa Antenna peremennogo profilya Antenna begushei volny Antenna s obrabotkoi signalov Antennaya reshetka Aktivnaya antenna Adaptivnaya antenna

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce