УЗБЕКСКОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

 

 

ЛИКОНЦЕВ Д.Н

 

 

АНТЕННО - ФИДЕРНЫЕ

УСТРОЙСТВА

 

 

Конспект лекций

 

Часть 1

 

Ташкент 2004

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий курс лекций составлен в соответствии с действующей типовой программой дисциплины для подготовки бакалавров по направлению "Телевидение, радиосвязь и радиовещание". Он также очень близок по содержанию к дисциплине "Антенны и устройства СВЧ" для направления "Радиотехника". Отдельные разделы пособия также используются при подготовке магистрантов по дисциплинам кафедры и будут полезны для слушателей курсов повышения квалификации.

В первой части курса лекций рассмотрены теоретические основы формирования полей линейных, апертурных и других типов излучателей. Во второй части курса лекций рассматриваются особенности конструкций и работы конкретных типов антенн разных диапазонов.

Приведенный объем материала в первой и второй частях пособия ориентирован на курс лекций в 36 часов с учетом раздела "Распространение радиоволн" и выделения части материала для самообразования студентов.

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ЧАСТЬ 1

Стр.

ЛЕКЦИЯ 1.ВВЕДЕНИЕ……................................................................... …….5

1.1Краткий очерк развития теории и техники антенных   устройств ………5

1.1.     Назначение антенн и их классификация……………………......................10

1.2.     Основные задачи теории антенн………………………….......................13

ЛЕКЦИЯ 2. ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ    НАПРАВЛЕННЫЕ И ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА АНТЕНН............................................................................................................16

2.1.       Характеристика (диаграмма) направленности  антенны ……………..16

2.2.       Коэффициент направленного действия (КНД), коэффициент

     уси­ления антенны (КУ) и параметры, связанные с КНД .......................20

2.3.       Поляризационные параметры антенн. Турникетный излучатель ...........22

ЛЕКЦИЯ 3. СИММЕТРИЧНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВИБРАТОР

В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ...........................................................26

3.1.   Распределение тока и заряда по вибратору……………….......................26

3.2.   Направленные свойства симметричного  вибратора …………………..33

3.3.   Мощность излучения, сопротивление излучения и КНД симметрич-                      

      ного вибратора..............................................................................................33

3.4.   Входное сопротивление симметричного вибратора. Инженерный

       расчет входного сопротивления…….......................................................34

3.5.      Основные результаты, даваемые строгой теорией симметричного вибратора…….....39

3.6.      Симметричный щелевой вибратор………………………………….......41

3.7.      Способы расширения рабочего диапазона вибраторных антенн……...45

ЛЕКЦИЯ 4. ИЗЛУЧЕНЕНИЕ ДВУХ СВЯЗАННЫХ ВИБРАТОРОВ………........47

4.1.  Направленные свойства системы из двух связанных вибраторов ........47

4.2.  Расчет сопротивления излучения и входного сопротивления

      связанных вибраторов методом наведенных ЭДС………………….......51

4.2.1.        Сущность метода наведенных  ЭДС .......………………………………..51

4.2.2. Расчет взаимных и собственных сопротивлений связанных виб­раторов……….….53

4.2.3. Расчет наведенного и полного сопротивлений излучения .……........54

4.3.  Расчет тока в пассивных вибраторах .......................................................56

4.4.  Методы получения узких диаграмм направленности .............................58

ЛЕКЦИЯ 5. АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ С ПОПЕРЕЧНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ………........61

5.1.      Плоская антенная решетка. Равномерная линейная антенная

      решетка ……......…………………………………………………………..61

5.2 Синфазная решетка ………………………………………………….........63

5.3 Управление диаграммой направленности равномерной линейной      

       решетки........................................................................................................66

 

ЛЕКЦИЯ 6. АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ С ОСЕВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ (АНТЕННЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ).......……..69

6.1.       Излучение равномерного линейного ряда вибраторов,

      перпендикулярных оси решетки…………………………………...…69

6.2.  Излучение провода, ток в котором изменяется по закону   

      бегущей волны…………………..………………………………………76

 

 

ЛЕКЦИЯ 7. ИЗЛУЧЕНИЕ ВОЗБУЖДЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ……………………………………………………….78

7.1.      Напряженность поля излучающей поверхности в дальней зоне. Характеристики направленности идеальной плоской  антенны .......78

7.2.      Влияние неравномерного амплитудного распределения поля на диаграмму направленности излучающей  поверхности …………....82

7.3.      КНД излучающей поверхности…………………………………….....84

7.4.      Влияние фазовых искажений на направленные свойства излуча­ющей поверхности…………………………………….85

ЛЕКЦИЯ 8. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ПРИЕМНЫХ АНТЕНН……………………………………..92

8.1 Применение принципа взаимности для изучения

     приемных антенн ……...……………………………………………….92

8.2Мощность, выделяемая в нагрузке приёмной антенны……………..96

8.3Влияние параметров приёмной антенны на качество  радиоприёма .…98

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………….................101

 

 

 

ЛЕКЦИЯ 1. ВВЕДЕНИЕ

 

 1.1. Краткий очерк развития теории и техники антенных устройств

 

Развитие антенной техники на всем протяжении эволюции радио сопровождалось и было тесно связано с развитием теории антенных устройств. Уже первая работа Генриха Герца по экспериментальному доказательству существования электромагнитных волн была им дополнена теоретическими изысканиями по излучению диполя. Одним из основных элементов изобре­тения радио Александром Степановичем Поповым (1859...1906 гг.) явилась приемная антенна. Именно соединение антенны с вибратором Герца и при­емным контуром позволило А.С. Попову увеличить протяженность линии радиосвязи, перешагнуть стены лаборатории и тем самым положить начало радиотелеграфии и радиотехнике, как новой области техники.

Техника антенных устройств с момента открытия радио прошла боль­шой и сложный путь. Освоение новых диапазонов волн, новые применения радиотехники всегда вызывали усовершенствования старых и появление принципиально новых антенных устройств.

Рассматривая историю развития антенных устройств, можно разбить ее на отдельные периоды, каждый из которых характеризуется некоторым ос­новным направлением развития радиотехники и в том числе антенной тех­ники. Конечно, такая разбивка, а тем более хронологические рамки каждого этапа, могут носить лишь сугубо ориентировочный характер.

1 период - подготовительный (XIX столетие). Исследования в области электромагнетизма, предшествующие изобретению радио, многим обязаны гениальным работам Майкла Фарадея (1791...1867 гг.), Джемса Кларка Мак­свелла (1851... 1879 гг.) и Генриха Герца (1857...1894 гг.). Их мы вправе на­звать основоположниками электродинамики, одной из частей которой в на­стоящее время является теория и техника антенн.

Из работ М. Фарадея, охватывающих различные области физики и хи­мии, отметим открытие закона электромагнитной индукции (1851 г.), введе­ние "диэлектрической проницаемости", открытие парамагнетизма и диамаг­нетизма, введение представления об электрических и магнитных силовых линиях.

Знаменитый "Трактат об электричестве и магнетизме" Д. Максвелла (1875 г.) вместе с несколькими более ранними его работами позволили выра­зить картину силовых линий Фарадея в математической форме и установили связь между оптикой и электродинамикой. Уравнения Максвелла, в несколь­ко преобразованной впоследствии форме, до сих пор являются теоретиче­ской основой электродинамики.

Основное направление научной деятельности Г. Герца - проверка тео­рии Максвелла. В работе "Силы электрических колебаний, рассматриваемые согласно   теории   Максвелла"    (1888 г.)   применяется харак­терный метод решения, который в настоящее время называют методом век­тора Герца, и приводятся картины силовых линий диполя Герца. Его экспе­риментальные работы по изучению электромагнитных волн являются пред­дверием открытия радио.

2 период - начало развития радиотехники, развитие антенн для длин­ных и средних волн (1895... 1924 гг.). Как уже указывалось, одним из эле­ментов изобретения А.С. Попова явилась открытая заземленная антенна, ко­торая входила в схемы его первых приемных и передающих устройств.

Если в опытах Герца колебательный контур являлся одновременно из­лучателем электромагнитных волн, то в схемах Попова антенна стала от­дельным элементом радиоустройства. Скачок от УКВ колебаний, генерируе­мых искровыми разрядниками, к весьма длинным волнам, создаваемым ма­шинными генераторами, поставил антенную технику в весьма невыгодное положение, так как эффективность излучения на этих волнах была очень низка. В первые годы применения радиотелеграфа было обнаружено, что для повы­шения эффективности антенны следует, возможно, больше увеличить ее вы­соту. Антенны в то время поднимали на высоких мачтах, иногда подвешива­ли к змею или воздушному шару. Увеличение мощности передатчика и, свя­занное с этим увеличение токов в антенне и напряжения, приводящего к об­разованию короны, заставило заменить одиночный провод системой парал­лельных или расходящихся проводов. Так, например, антенна мощной ра­диостанции Маркони, которая дала в 1901 г. связь через Атлантический оке­ан, имела вид опрокинутой четырехгранной пирамиды, составленной из вее­рообразно расходящихся проводов, поддерживаемых четырьмя мачтами. Для увеличения эффективности антенн и уменьшения числа вертикальных про­водов к ним стали добавлять горизонтальные провода, которые, не излучая сами, улучшали распределение тока по вертикальной части антенны. Это позволило увеличить мощность передающих устройств. К антеннам с гори­зонтальной частью относятся Т - и Г- образные, а также зонтичная, сохра­нившиеся до настоящего времени. В этот же период стала широко приме­няться рамочная антенна, состоящая из многих витков, которая позволила осуществить направленный прием.

Из-за малой эффективности излучения (малого сопротивления излуче­ния) длинноволновых антенн мощность потерь в заземлении во много раз превышала мощность излучения, что приводило к крайне низкому значению коэффи­циента полезного действия (КПД) антенного сооружения. Поэтому, начиная с 20-х годов, велись интенсивные работы по уменьшению потерь в заземле­нии. Применение заземления, распределенного по большой площади, или широко развитого противовеса, расположенного над землей, позволило уменьшить сопротивление потерь до единиц и долей Ома и увеличить КПД антенны до 10...30%. Значительное увеличение КПД дала антенна, предло­женная американским радиоинженером Александерсеном и построенная в 1920 г. Она состоит из длинной горизонтальной части и нескольких вертикальных снижений, каждое из которых имеет свое заземление. Взаим­ное влияние вертикальных частей антенны  приводит к увеличению общего

сопротивления излучения почти в  раз при снижениях.

После А.С. Попова в нашей стране теорией и конструированием ан­тенн занимались Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси. Абрагам применил теорию излучающего диполя к несимметричной антенне, заменив влияние хорошо отражающей земли второй половиной вибратора. Формула для оп­ределения сопротивления излучения антенны, короткой по сравнению с дли­ной волны, была получена Рюденбергом. Ван-дер-Поль нашел величину со­противления излучения для антенны с произвольной нагрузкой на конце при синусоидальном распределении тока в ней.

В СНГ бурное развитие антенной техники, как и радиотехники в це­лом, началось только после 1917 года. В сентябре 1918 г. вышел первый но­мер научно-технического журнала "Телеграфия и телефония без проводов", в котором печатались оригинальные статьи по теории и расчету антенн.

Блестящим завершением этого этапа развития антенн явилось создание в 1922...1924гг. М.В.Шулейкиным (1884...1939гг.) вузовского курса радио­сетей, как тогда назывались антенные сооружения. В этом курсе, задолго до зарубежных ученых, были даны основные формулы и методика инженерного расчета антенн и заземлений.

3 период - развитие коротковолновых антенн (1925...1935 гг.). В сере­дине 20-х годов выяснилось, что короткие волны перекрывают большие рас­стояния лучше, чем длинные волны. Постройка мощных коротковолновых радиостанций с направленными антеннами явилась переворотом в радиосвя­зи, так как, помимо практически неограниченной дальности действия на ко­ротких волнах, можно получить значительную полосу частот, обеспечиваю­щую передачу нескольких каналов быстродействующей телеграфии. Корот­кие волны открыли большие возможности и для антенной техники. Если на длинных волнах высота антенн составляла только доли длины волны и ан­тенны принадлежали к одному типу - несимметричный вибратор с емкост­ной нагрузкой на конце, то на коротких волнах стали вполне достижимыми сложные антенные системы с размерами в несколько длин волн. Основным элементом KB антенны стал полуволновый вибратор; из таких вибраторов строились большие антенные полотна, обеспечивающие высокую направ­ленность.

Вскоре была выявлена периодичность в изменении состояния ионо­сферы и необходимость, в связи с этим, смены волн на KB магистралях. Это дало толчок к конструированию направленных антенн, работающих на не­скольких частотах или перекрывающих значительный диапазон; наибольшее распространение среди последних получила ромбическая антенна.

Теоретической основой для расчета сложных антенных систем, со­стоящих из многих вибраторов, явился метод наведенных ЭДС. Этот метод был предложен в 1922 г. независимо друг от друга Д.А. Рожанским и Л. Бриллуэном, однако, свое практическое применение он получил, лишь на­чиная с 1928 г., после работ И.Г. Кляцкина и А.А. Пистолькорса. Этот метод, в сущности, позволил распространить хорошо известную теорию связанных контуров и длинных линий на многовибраторные антенны.

К 1955 г. техника коротковолновых антенн завершает первый цикл своего развития. Сложные приемо-передающие антенны, используемые во всех странах мира, дают направленность, близкую к предельно-допустимой.

Этот же период характеризуется широким развитием радиовещания на средних волнах. Хотя при построении вещательных антенн основные идеи были заимствованы в технике связных антенн ДВ и СВ, здесь пришлось ре­шить ряд специфичных задач, связанных с увеличением мощности и полосы частот, а также приданием антенне антифединговых свойств. Широкое рас­пространение получили антенны в виде высоких мачт и башен с электриче­ской длиной, превышающей половину длины волны.

4 период - развитие антенн ультракоротких волн (с 1935 г.). Внедрение в практику метровых волн для целей связи и телевизионного вещания не вы­звало вначале существенных изменений в технике антенных устройств: при­менялись те же комбинации полуволновых диполей, что и на коротких вол­нах. Однако специфические требования к диаграмме направленности и ши-рокополосности телевизионных антенн привели к созданию специальных ан­тенн, не имеющих аналогов на коротких волнах.

В предвоенные годы в обстановке строгой секретности готовилось но­вое применение радиотехники - радиолокация, потребовавшая совершенно новых антенных устройств и способствовавшая быстрому освоению деци­метрового и сантиметрового диапазонов волн. К концу второй мировой вой­ны техника сантиметровых волн оказалась уже широко развитой. В этом диапазоне волн стали применяться полые волноводы, зеркальные, линзовые, рупорные и щелевые антенны, принципы действия которых были заимст­вованы из оптики или акустики.

Послевоенные годы ознаменовались появлением нового вида связи -радиорелейных линий. Они потребовали от антенны и волноводного тракта неискаженной передачи широкополосного сигнала и остронаправленного излучения с низким уровнем лепестков. Это привело к осуществлению ряда новых идей в конструкциях антенно-волноводного тракта.

Новые виды связи, использующие рассеяние радиоволн дециметрового и метрового диапазонов в тропосфере и ионосфере, а также развитие радио­астрономии и возникновение радиосвязи с космическими объектами, спо­собствовали проникновению принципов построения антенн сантиметровых волн в более длинноволновые диапазоны.

Освоение УКВ диапазона потребовало коренного пересмотра теории антенн. До сих пор теория излучения сводилась к нескольким каноническим формам, а определение параметров антенн производилось приближенными методами с привлечением теории длинных линий, которая в принципе ис­ключает возможность излучения.

С переходом к метровым и дециметровым волнам, когда диаметр виб­раторов стал соизмерим с длиной волны, даже решение задачи о симметрич­ном вибраторе потребовало привлечения строгих методов электродинамики. Хотя в оптике существуют прототипы многих антенн и волноводов УКВ, оп­тические методы не могли быть непосредственно перенесены в теорию ан­тенных устройств. Дело в том, что в оптике размеры объектов считаются не­измеримо большими длины волны. В антенно-волноводной технике эти ве­личины соизмеримы, что требует применения более строгих методов реше­ния. Теория антенн стала к настоящему времени чрезвычайно развитой обла­стью электродинамики, оперирующей уравнениями электромагнитного поля без внесения каких-либо приближений. Другой новой чертой в современной теории антенн является переход от задач анализа характеристик направлен­ности и других параметров антенны к синтезу антенн с оптимальными ха­рактеристиками. С переходом к УКВ практически отпали ограничения в размерах антенн и в то же время стали предъявляться более жесткие требо­вания к ряду их параметров. Значительно увеличилось и число типов антен­ных устройств с самыми разнообразными характеристиками. Все это заста­вило, помимо анализа новых типов антенн, решать задачи о построении ан­тенных устройств, обладающих наилучшими из возможных характеристика­ми.

В настоящее время стали все шире применяться антенны поверхност­ной волны стержневого и плоскостного типа, использующие явление "при­липания" электромагнитной волны к среде или структуре, замедляющей ее скорость.

Существенную роль в современной антенно-волноводной технике также играют высокочастотные магнитодиэлектрики - ферриты, которые по­зволили создать антенны с электрическим управлением излучения и ряд но­вых элементов волноводного тракта: вентили (пропускающие волну только одного направления), фазовращатели, вращатели плоскости поляризации, циркуляторы и т.д.

Сложность явлений, происходящих в современных антеннах поверх­ностного излучения, ферритовых элементах и других устройствах антенно-волноводного тракта, способствовала увеличению значения теории для даль­нейшего развития антенной техники.

1.2. Назначение антенн и их классификация

Антенной называется радиотехническое устройство, предназначен­ное для излучения или приема электромагнитных волн. Антенна является од­ним из важнейших элементов любой радиотехнической системы, связанной с излучением или приемом радиоволн. К таким системам относят: системы ра­диосвязи, радиовещания, телевидения, радиоуправления, радиорелейной свя­зи, радиолокации, радиоастрономии, радионавигации и др.

В конструктивном отношении антенна представляет собой провода, металлические поверхности, диэлектрики, магнитодиэлектрики.

Электромагнитные колебания высокой частоты, модулированные по­лезным сигналом, преобразуются передающей антенной в электромагнитные волны, которые излучаются в пространство. Обычно электромагнитные ко­лебания подводят от передатчика к антенне не непосредственно, а с помо­щью фидера.

Приемная антенна улавливает распространяющиеся радиоволны пре­образует их в электромагнитные колебания, которые через фидер поступают на вход приёмного устройства. В соответствии с принципам обратимости антенн свойства антенны, работающей в режиме передачи не изменятся при работе этой антенны в приемном режиме.

Преобразование антенной одного вида электромагнитных волн в дру­гой должно происходить с минимальными потерями энергии, т.е. с макси­мально возможным КПД, определяемым в передающем режиме по формуле = P/ Р0, где P - мощность излучаемая антенной, Р0 - мощность подводи­мая к антенне.

Способность антенны излучать электромагнитные волны с различной интенсивностью в разных направлениях характеризуется её направленными свойствами, т.е. диаграммой направленности (ДН).

Антенны, обладающие узкой ДН, позволяют увеличивать напряжен­ность поля в точке приёма без увеличения мощности передатчика. В боль­шинстве случаев это экономически более выгодно, чем увеличения мощно­сти передатчика. Кроме того, концентрация электромагнитных волн в тре­буемом направлении приводит к уменьшению взаимных помех различных радиотехнических систем. Наличие направленных приемных антенн ведёт к ослаблению приема различных внешних помех, т.е. к повышению качества приёма и улучшению помехозащищенности приемного устройства. Больши­ми направленными свойствами должны обладать антенны для космической радиосвязи, радиоастрономии, радиолокации, радиорелейных линий.

В тоже время для радио и телевидения передающие антенны должны иметь одинаковое излучение в горизонтальной плоскости (за исключением отдельных случаев - гор и т.д.).

Направленные свойства являются настолько важными, что принято го­ворить о двух функциях, выполняемых антенной:

- преобразование электромагнитных колебаний в свободные

 электромагнитные волны;                                                           

- излучение этих волн в определенных направлениях.

Важную роль в работе антенного устройства играет линия питания (фидерный тракт), которая передаёт (каналирует) электромагнитную энер­гию от генератора к антенне (или от антенны к приёмнику). Фидер не дол­жен излучать электромагнитные волны и должен иметь минимальные поте­ри. Его необходимо согласовывать с  выходной  цепью  передатчика  ( или  с входной цепью приемника) и с входным сопротивлением антенны, т.е. в фидере должен быть режим бегущей волны или близкий к нему.

В зависимости от диапазона радиоволн применяют различные типы фидеров: двухпроводные или многопроводные воздушные фидеры, несим­метричные экранированные (коаксиальные) линии, различные типы волно­водов и др.

Классификацию антенн можно, например проводить по способу фор­мирования излучаемого поля, выделяя следующие четыре класса антенн:

Излучатели небольших размеров (,где - длина волны) для диа­пазона частот 10кГц...1ГГц. К числу антенн этого класса относятся одиноч­ные вибраторные и щелевые излучатели, полосковые и микрополосковые антенны, рамочные антенны, а также частотно-независимые излучатели.

Антенны бегущей волны размерами от до 100 для диапазона частот 3МГц...10ГГц. Сюда относятся спиральные, диэлектрические,директорные, импедаксные антенны, а также антенны «вытекающей» волны.

Антенные решетки размерами отдо 100 и более для диапазона час­тот 3МГц...30ГГц. Это антенны, состоящие из большого числа отдельных излучателей. Независимая регулировка фаз (а иногда и амплитуд) возбужде­ния каждого элемента антенной решетки обеспечивает возможность электри­ческого управления диаграммой направленности. Применяются линейные, плоские, кольцевые, выпуклые и конформные (совпадающие с формой объ­екта установки) антенные решетки. На основе антенных решеток выполняют антенные системы с обработкой сигнала, в том числе адаптивные к изме­няющейся помеховой обстановке.

Апертурные антенны размерами от до 1000 для диапазона частот 100МГц... 100ГГц и выше. Наиболее распространены зеркальные, рупорные и линзовые апертурные антенны. К апертурным антеннам примыкают, так называемые, «гибридные» антенны, представляющие сочетание зеркал или линз с облучающей системой в виде антенной решетки. Апертурные антенны строятся по оптическим принципам и обеспечивают наиболее высокую на­правленность излучения.

Свойства направленности антенны описывают характеристикой (диа­граммой) направленности. Количественно эти свойства оцениваются с по­мощью таких параметров, как ширина ДН, уровень боковых лепестков, ко­эффициент направленного действия (КНД) и других.

Важным параметром является входное сопротивление антенны, харак­теризующее её как нагрузку для генератора или фидера. Входным сопротив­лением антенны называется отношение напряжения между точками питания антенны (зажимы антенны) к току в этих точках. Если антенна питается вол­новодом, то входное сопротивление определяется отражениями, возникаю­щими в волноводном тракте. В общем случае входное сопротивление - вели­чина комплексная Zвх= Rвх+ iXвх. Оно должно быть согласовано с волно­вым сопротивлением фидерного тракта

 (или с выходным сопротивлением генератора) так, чтобы обеспечить в по­следнем режим, близкий к режиму бегущей волны.

Мощность, излучаемая антенной РΣ, связана с током в точках питания

антенны соотношением P = I02 R0 / 2, где RΣ0 – сопротивление излучения антенны (при отсутствии потерь в антенне это активная составляющая входного сопротивления антенны). Данное определение относится к проволочным ан­теннам.

Одним из основных параметров антенны является ширина её рабочей полосы частот, в пределах которой параметры антенны (характеристика направленности, входное сопротивление, КПД и др.) удовлетворяют опреде­ленным техническим требованиям. Требования к постоянству параметров антенны в пределах рабочей полосы могут быть различными; они зависят от условий работы. Обычно рабочая полоса частот определяется тем парамет­ром, значение которого при изменении частоты раньше других выходит из допустимых пределов. Очень часто таким параметром является входное со­противление антенны. Изменение его при изменении частоты приводит к рассогласованию антенны с фидером. В ряде случаев ширина рабочего диа­пазона определяется ухудшением одного из параметров, характеризующих направленные свойства: изменением направления максимального излучения, расширением ДН, уменьшением КНД и др. В зависимости от ширины рабо­чего диапазона антенны условно разбивают на:

узкополосные (настроенные), относительная рабочая полоса которых менее 10% номинальной частоты;

широкополосные, с рабочей полосой частот 10...50%;

диапазонные, коэффициент перекрытия частот которых(fMAX/fMIN) составляет примерно 2...5;

частотно-независимые (сверхширокополосные), с коэффициентом перекрытия, теоретически не зависящим от частоты (практически fMAX/fMIN таких антенн > 5).

Еще одним параметром является предельная мощность, которую мож­но подвести к антенне без опасности её разрушения и не вызывая пробоя ок­ружающей среды. Существуют также параметры, характеризующие поляри­зационные свойства антенны.

В данном курсе рассматриваются антенны следующих диапазонов: ми-риаметровые или сверхдлинные волны ( =  10...100 км); километровые или длинные волны ( = 1...10 км); гектометровые или средние волны ( = =100...1000 м); декаметровые или короткие волны ( = 10...100 м); метровые волны ( = 1...10м); дециметровые волны ( = 10 см...1 м); сантиметровые волны ( = 1...10 см); миллиметровые волны ( = 1...10 мм). Последние четы­ре диапазона объединяются общим названием "ультракороткие волны" (УКВ).

 

1.3. Основные задачи теории антенн

Основные задачи теории антенн: задача анализа и задача синтеза. За­дача анализа состоит в определении электромагнитного поля в любой точке окружающего антенну пространства (в том числе и на самой антенне). Ис­точниками поля являются токи и заряды, распределенные по антенне. Закон этого распределения (зависимость амплитуды и фазы тока от координаты точки на поверхности антенны) обычно неизвестен. Задача анализа при за­данной приложенной к антенне ЭДС (сторонняя ЭДС) может быть решена строго исходя из следующих условий: искомое поле должно удовлетворять уравнениям Максвелла; удовлетворять граничным условиям на поверхности раздела при переходе из одной среды в другую (воздух - металл, воздух -диэлектрик и т.д.); должно выполняться условие излучения. Последнее озна­чает, что на большом расстоянии от антенны поле должно представлять бе­гущую волну, амплитуда которой с увеличением расстояния r убывает как 1/r. Строгое решение данной задачи встречает обычно большие математиче­ские трудности: антенны, в основном, имеют сложные конфигурации; по­верхности, на которых заданы граничные условия, как правило, не совпада­ют с координатными поверхностями каких-либо ортогональных систем ко­ординат. В связи с этим строгое решение задачи анализа получено только для некоторых частных случаев.

Задачу анализа можно упростить, разделив ее на две части: внутрен­нюю и внешнюю. Внутренняя задача состоит в определении распределения возбуждающего тока по самой антенне или распределения поля на произ­вольно выбранной замкнутой поверхности S, ограничивающей объем V, в котором находятся источники поля. Эта задача решается приближенными методами, выбираемыми в зависимости от конкретных данных антенны. На­пример, часто задаются синусоидальным распределением тока вдоль линей­ных вибраторов исходя из некоторой аналогии между вибратором и разомк­нутой на конце длинной двухпроводной линией. В качестве примера антен­ны с синусоидальным распределением тока является симметричный вибратор, ис­пользуемый в диапазонах декаметровых, метровых и дециметровых волн. Эта антенна представляет собой цилиндрический провод, длина которого соизмерима с длиной волны (часто длина провода составляет половину дли­ны волны). Между двумя половинами этого провода ("плечами") включается источник ЭДС. Для проволочных антенн, например, вибраторного типа, поле можно рассчитать, мысленно разбивая антенну на ряд элементарных элек­трических вибраторов (ЭЭВ).

В тех случаях, когда распределение тока по антенне либо неизвестно, либо является слишком сложным, внешнее поле целесообразно находить за­данием векторов Е и Н на замкнутой поверхности S, охватывающей источ­ники (при этом часто используют методы геометрической оптики). Этот спо­соб широко применяется при анализе  апертурных  антенн ( рупорных,  линзовых, параболических и др.). Если известны тангенциальные составляющие векторов Е и Н на поверхности S, то эти составляющие на основании известного из электродинамики принципа эквивалентности могут быть заменены фиктивными эквивалентными поверхностными электриче­скими и магнитными токами. Разбивая поверхность S на элементарные пло­щадки dS и рассматривая каждую площадку как элемент Гюйгенса, можно найти полное поле во внешней области Vs, суммируя поля, созданные от­дельными элементами. Такой метод решения внешней задачи называется приближением Гюйгенса-Кирхгофа. Таким образом, излучающая система (пространство, заполненное токами, возбуждающими электромагнитные волны) представляет собой не только реальные электрические токи, текущие по металлическим поверхностям, но и эквивалентные электрические и маг­нитные токи, распределенные на замкнутых поверхностях, окружающих ан­тенну, а также поляризационные электрические и магнитные токи в объемах, занимаемых диэлектриками и магнитодиэлектриками.

Задача синтеза антенн состоит в определении размеров и формы ан­тенны и нахождении распределения источников поля на ней по заданным требованиям к электрическим параметрам антенны (в основном - по диа­грамме направленности). Эта задача возникает в связи с тем, что в ряде слу­чаев параметры антенны, получающиеся при известном распределении тока на ней, не отвечают предъявляемым требованиям.

Решение задач анализа и синтеза, особенно в строгой постановке, тре­бует, как правило, применения ЭВМ. При этом ЭВМ используются не только в качестве расчетного инструмента для быстрого получения характеристик исследуемых антенн, но и для ускорения и повышения качества проектиро­вания антенно-фидерных устройств, что достигается применением системы автоматизированного проектирования (САПР).