АНТЕННА

Антенна (от лат. antenna - мачта, рея) - преобразователь (обычно линейный) волновых полей; в традиционном понимании - устройство, осуществляющее излучение волн, поступающих к антенне либо непосредственно от передатчика, либо через антенно-фидерный тракт (антенна, работающая в режиме передачи, излучения), или устройство, осуществляющее преобразование падающего излучения и посылку его к приемнику (антенна, работающая в режиме приема, поглощения). В более широком смысле антенной можно назвать любой преобразователь волнового поля в неоднородной среде (в волноводах, резонаторах и т. п.), т. е. антенна принципиально не отличается от трансформатора мод, преобразующего (по возможности оптимально, т. е. согласованно с окружающим пространством) поле одного типа (например, моду, бегущую по линии передачи) в поле другого типа (например, моду, излученную в окружающее пространство). Приемные и передающие антенны по принципу действия идентичны, ибо в любых линейных системах (кроме гиротропных) коэффициенты преобразования полей взаимны. Однако технические особенности приемных и передающих антенн могут значительно расходиться из-за различий в предъявляемых к ним эксплуатационных требованиях (предельные мощности, полоса частот, шумы и т. п.). Далее рассматриваются только радиоантенны, т. е. преобразователи электромагнитных волн радиодиапазона (с длиной волны от 1 мм до нескольких км). Естественные и искусственные акустические и гидроакустические преобразователи волновых полей (например, органы излучения и приема звука у насекомых, животных, человека) - это, по существу, древнейшие антенны. Появившиеся значительно раньше, чем радиоантенны, оптические преобразователи волновых полей, во многом стимулировавшие создание ряда типов радиоантенн - линзовых, зеркальных, перископических и т. п. (аналогично тому, как акустические преобразователи полей стимулировали появление рупорных антенн), также имеют право называться антеннами, однако, в силу исторически сложившихся традиций, в большинстве своем (кроме инфракрасного и субмиллиметрового диапазонов электромагных волн) так не называются. Само латинское слово antenna в начале ХХ века было использовано радиоинженерами для обозначения ДВ-преобразователей электромагнитных полей - проводов, укрепленных на мачтах. Появление радиоантенн относится к концу ХIХ в. В 1888 Г. Герц (Н. Herz), использовав дипольную антенну (вибратор Герца, рис. 1), получил электромагные волны ( м), подтвердив выводы теории Максвелла (см. уравнения Максвелла, Электродинамика классическая). В 1895 - 96 А. С. Попов и независимо Г. Маркони (G. Marconi) создали антенны, использовавшиеся для практических целей. Антенна Попова, в отличие от симметричного вибратора Герца, была несимметричной, вторым проводником служила Земля (рис. 2). Первоначально функции передатчика (приемника), линии передачи и собственно антенны были совмещены в одном узле, но в дальнейшем антенны выделились в самостоятельные устройства. До 1924 антенны создавались в основном для ДВ и СВ (длина волны от 200 м до 20 км). Эти антенны (рис. 3 и 4) являются развитием и модификацией несимметричной заземленной антенны Попова. В 1924-31 появляются антенны для KB (длина волны 10-75 м), используемые для дальней связи. Развитие в 1940-50-х гг. теории и техники УКВ- и СВЧ-радиоволн (метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые волны), связанное с потребностями радиовещания, телевидения, радиолокации, а затем радиоастрономии и космической связи, привело к созданию общей теории антенны и множества новых типов антенн, в т. ч. щелевых антенн, диэлектрических антенн, антенных решеток и зеркальных антенн, антенн переменного профиля, а также сложных антенных комплексов - радиоинтерферометров и систем апертурного синтеза. Излучение радиоволн. В соответствии с принципом взаимности, которому удовлетворяют поля в любых линейных системах и средах (кроме гиротропных), многие характеристики передающих и приемных антенн взаимно сопоставимы. В частности, одним из следствий принципа взаимности является совпадение диаграммы направленности (ДН) при работе антенны на передачу и на прием. Режим работы антенны на передачу (излучение) более нагляден, поэтому далее обсуждаются передающие антенны. Поле излучения создается антенной благодаря возбужденным в ней переменным токам. Это могут быть токи проводимости или поляризации, текущие по различным элементам антенны, или условные токи, вводимые в качестве эквивалентов сторонних (т. е. поддерживаемых каким-либо внешним источником) полей Е и (или) Н. Любое векторное поле состоит из вихревых и потенциальных частей, поэтому объемные плотности электрических токов представляются в виде суммы , div =0, rot=0. Поле излучения могут создавать только вихревые части токов , интеграл от которых по любой замкнутой кривой (условному или реальному контуру) отличен от нуля . Поэтому всегда можно ввести вспомогательную векторную величину , удовлетворяющую соотношению и проявляющую себя как некоторый фиктивный магнитный ток. Здесь приняты система единиц Гаусса и комплексная запись гармонической зависимости от времени ( - угловая частота, с - скорость света в вакууме, фактор опущен). В простейшем случае однородной среды с постоянной магнитной () и диэлектрической () проницаемостями определение полей и , создаваемых электрическим и магнитным токами и , сводится к решению двух неоднородных уравнений Максвелла , , которые инвариантны относительно замен . Следовательно, можно искать только одно решение (), получая второе () с помощью указанных замен. Этот метод изнестен как принцип перестановочной двойственности. Два примера использования принципа двойственности особо выделены в теории антенн. Первый пример: идеально проводящий экран с отверстием (щелью), на котором задана тангенциальная составляющая . Поле, создаваемое такой дифракционной, или щелевой, антенной, совпадает с полем поверхностного магнитного тока , текущего по затягивающей отверстие идеально проводящей пленке и равного , - нормаль к поверхности, направленная в сторону искомого поля. Для плоских экранов нужно ввести удвоенный ток , текущий в свободном пространстве по площади отверстия. Второй пример: кольцевой электрический ток ( - элемент сечения проводника), текущий вдоль окружности радиуса , эквивалентен магнитному диполю, направленному по оси рамки, образующему с током правый винт и обладающему магнитным моментом , - площадь рамки, Qm - эффективный магнитный заряд, l - условная длина. Этот диполь двойствен электрическому диполю, образованному, например, двумя проволочными штырями с зарядами (вибратор Герца). Вибратор Герца (рис. 1) можно рассматривать как элементарный излучатель, поскольку любое распределение тока допустимо расчленить на элементы с и локально однородными токами , текущими по тонким () "трубкам тока". Эти трубки тока, хотя и не замкнуты, но обладают отличными от нуля вихревыми составляющими. Формирование поля таким макродиполем связано с излучением когерентно осциллирующих внутри него электрических зарядов. Для электрического диполя, помещенного в начале координат, с дипольным моментом , ориентированным вдоль оси z, поле вне источника (при ) в вакууме определяется решением уравнений Максвелла: , ,(1) Это поперечно-магнитное поле типа ТМ относительно радиального и аксиального направлений (в случае магнитного диполя возникает поперечно-электрическое поле типа ТЕ). Вблизи источника, в квазистационарной зоне, , помимо компонент поля, уносящих энергию и, следовательно, убывающих с расстоянием как -1, присутствуют еще и т. н. поля индукции, убывающие пропорционально r-2 и r-3. Это реактивные поля, в них E и H сдвинуты по фазе на (как в стоячих волнах), поэтому плотность потока мощности в них (вектор Пойнтинга ) осциллирует с удвоенной частотой и в среднем за период точно равна нулю. Однако без этой части поля невозможно вблизи элементарных источников сформировать бегущие составляющие поля, уносящие энергию. На рис. 5 приведена картина последовательного "отпочкования" полей, построенная в соответствии с формуламн (1). В первой четверти периода () формируется квазиэлектростатическое поле изменение которого во времени создает азимутальное магнитное поле , ортогональное ; при квазистатическое поле Е исчезает, но от него отрываются замкнутые сами на себя (и уже чисто вихревые), взаимно "сцепленные" линии и , образующие автономную тороидальную ячейку сферически расходящейся волны. Это происходит примерно на расстояниях от диполя, т. е. на такой сфере, по экватору которой укладывается целая длина волны в окружающей диполь среде. Это общее свойство любого излучателя, характеризуемого произвольным числом вариаций поля по углу (cos ); отрыв поля излучения происходит с поверхности, называемой каустикой, вдоль которой укладывается целое число волн, ; при этом фазовая скорость "вращения" такого возмущения по поверхности сравнивается со скоростью света в окружающей среде. Реальный вибратор (а также рамка с током) имеют разрывы (рис. 6), куда подключаются идущие от генератора фидерные (обычно двухпроводные) линии передачи. Следовательно, поступление энергии происходит через место такого разрыва, где , тогда как всюду на проводящих поверхностях антенны (в отсутствие омических потерь) ( - нормаль к поверхности). Однако при отыскании внешнего поля разрыв можно заменить металлической поверхностью и пустить по ней поверхностный магнитный ток , где - заданное стороннее поле на разрыве до замены. Этот ток будет играть роль источника, возбуждающего поле во внешнем по отношению к сплошному металлическому телу пространстве, поэтому создаваемое им поле должно всюду (кроме области, близко примыкающей к месту разрыва) совпадать с полем электрического тока, фактически текущего по металлу. Отыскание распределения этого тока составляет один из аспектов теории металлических антенн. В случае короткого () вибратора ток по нему распределен приближенно однородно, что позволяет выразить полную мощность излучения через амплитуду I: . По отношению к фидерной линии эта мощность как бы поглощается в некотором нагрузочном сопротивлении , называется сопротивлением излучения, т. е. , откуда .(2) В тех же упрощающих предположениях сопротивление излучения малой рамочной антенны () равно . Эти формулы теряют силу при , когда становятся заметными эффекты запаздывания электромагнитных возмущений, распространяющихся вдоль проводов. Элементы теории антенн. Прямая задача теории антенн в общем случае состоит в определении поля излучения по заданной эдс, приложенной на "входе" антенны. При этом "вход" или входную поверхность, через которую поступает энергия от генератора, стремятся выбрать там, где поле можно достаточно уверенно считать заданным (сторонним), определяемым только параметрами источника. Поле вдали от антенны, как правило, нельзя найти без отыскания всего поля, т. е. без решения уравнений Максвелла с соответствующими граничными условиями (в нестационарных задачах еще и с начальными условиями) на границах раздела сред с разными , . (или в общем случае для неоднородных , ). Такие краевые задачи чрезвычайно сложны, поэтому теория развивается в двух направлениях: 1) строгое решение (или решение со строго контролируемой точностью) упрощенных модельных задач; 2) приближенное исследование реальных (или близких к реальным) устройств. К первым можно отнести решения для малых по сравнению с длиной волны тел (идеально проводящих или диэлектрических) простейшей формы (шар, цилиндр, эллипсоид). При произвольных размерах строгое решение, например, для идеально проводящего шара или цилиндра, получается в разделяющихся переменных, но для сфероида это уже невозможно. Однако если сфероид сильно вытянут (что адекватно тонкому симметричному вибратору), удается построить схему решения методом логарифмически малого параметра и т. п. Важную роль играют строгие решения, полученные для полубесконечных металлических систем (метод факторизации) и примененные к отысканию поля излучения открытых концов волноводов. Решена скалярная задача о поле точечного источника в фокусе бесконечного идеального параболического отражателя. Перечень других таких задач можно позаимствовать в руководствах по теории дифракции и уравнениям математической физики. Приближенные исследования обычно опираются на удачный выбор входной поверхности (поверхности условных или фактических источников) с том, чтобы распределение полей на ней можно было бы оценить (или измерить), минуя строгие решения. Например, в случае металлических антенн произвольной формы входную поверхность можно выбрать совпадающей с поверхностью металла и, оценив возможные распределения токов на антеннах, найти создаваемое ими поле вдали. Или поле на раскрыве рупора (зеркала, волновода и т. п.) можно считать (приближенно) распределенным в согласии с падающим полем от источника (метод Кирхгофа). Иногда задачу определения источников (токов) на условных входных поверхностях S называется внутренней, а задачу определения поля излучения по заданным токам (источникам) - внешней. Последняя рассматривается в пространстве, не содержащем элементов антенны, формирующих излучение, например в свободном пространстве, в регулярной части волновода и т. п. Применение современных ЭВМ расширило возможности расчетов антенн. Правильное (истинное) распределение эффективных источников должно удовлетворять некоторому интегральному уравнению, получающемуся в результате "сшивания" на S полей внутри и вне S, Разлагая искомый вектор (или ) в ряд по удобным базисным функциям и преобразуя интегральное уравнение к матричному, можно, воспользовавшись специально разработанными методами, составить соответствующие алгоритмы и программы. Т. о., возникновение "вычислительной электродинамики", использующей ЭВМ, в какой-то мере объединило метод строгих решений эталонных задач с методом приближенных исследований реальных устройств. Ниже мы остановимся только на решении внешней задачи, различая две ее разновидности: 1) случай заданных токов; 2) случай полей, заданных на охватывающей антенну поверхности S. Решение уравнений Максвелла удобно записать через вектор Герца , где Р - точка наблюдения (точка поля). Векторы и связаны с формуламн , , а сам вектор Герца определяется заданными токами : ,(3) где - функция Грина для свободного пространства, , --производная в направлении орта n внешней по отношению к области V нормали к поверхности S (рис. 7, а). Здесь R - расстояние между точкой интегрирования (элементом тока) x, у, z и точкой наблюдения Р (точкой поля) х', у', z', т. е. . Если выделить занятый антенной объем V0, в котором текут токи , а поверхность S удалить в бесконечность (рис. 7, б), то из (3) получим .(*) Как видно из (4), каждый элемент тока порождает сферически расходящуюся волну вектора Герца, что соответствует формулам (1). Если окружающая среда линейна, однородна и изотропна, то каждая из этих волн не будет искажаться и рассеиваться, а общее поле выражается как суперпозиция расходящихся волн. С помощью принципа двойственности можно получить выражение для магнитного вектора Герца, создаваемого магнитными токами . Произвольное электромагнитное поле вне источников описывается двумя скалярными величинами, часто в качестве них выбирают декартовы компоненты векторов и , получая соответственно поля типа ТМ и ТЕ. Если поверхность S охватывает все токи, а точка наблюдения Р находится вне этой поверхности (рис. 7, в), то из (3) получим: .(5) Поле излучения антенны. Любая система излучающих токов характеризуется тремя параметрами размерности длины: 1) расстоянием r от некоторого условного центра антенны О до точки Р; 2) характерным масштабом распределения тока (x, y, z); 3) длиной волны (или ). Именно соотношения между этими параметрами лежат в основе классификации как самих излучателей, так и "районирования" создаваемых ими полей. Параметр позволяет выделить сосредоточенные (элементарные, "точечные") источники, размещающиеся в области . К ним принадлежат элементарные электрические и магные диполи, а также любые их "точечные" комбинации, дающие мультиполи произвольного порядка. С увеличением l система может обнаруживать резонансное поведение, например прямые проволочные антенны настраиваются в резонанс приблизительно как линии передачи с разомкнутыми концами при , а замкнутые петлевые (рамочные) антенны при . Распределение токов в антенне примерно повторяет распределение в соответствующей линии передачи. В другом предельном случае систем, развитых в одном пли нескольких направлениях, говорят о протяженных одномерных антеннах () или об антеннах с большой апертурой (), при этом обычно распределения токов в таких антеннах воссоздают протяженные участки плоских фазовых фронтов, так что уже в непосредственной близости формируется "чистое" (без квазистационарных добавок) поле излучения прожекторного типа с острой направленностью в дальней зоне (рупоры, линзы, параболические зеркала и т. п.). Параметр , определяет характер поля в зависимости от удаления от области источников. На расстояниях , (как это видно на примере диполя) в зоне индукции поле представлено в основном квазистатическими полями, быстро убывающими как и (поля индукции). На расстояниях , в зоне излучения, или в т. н. волновой зоне, практически остаются лишь бегущие волны, поля которых убывают как (обычно под волновой зоной понимают лишь дальнюю зону антенны; представляется, однако, более оправданным называть волновой зоной область излучения, т. е. всю область, содержащую чисто бегущие волны, переносящие энергию). В непосредственной близости от антенны, при , распределение поля в известной мере воспроизводит структуру источника, тогда как при картина частично унифицируется; начиная с некоторых r, можно пренебречь различием амплитуд (но не фаз!) сферических волн, приходящих от разных участков антенны. Разложение по степеням в амплитуде и по параметру в фазе дает следующее приближенное выражение для вдали от источников: , где - сферические координаты с центром в точке О (условном центре антенны), a - вектор излучения, равный , где - угол между радиусом-вектором r точки поля и радиусом-вектором точки источника. Отсюда видно, что качество, или "чистота", поля излучения зависит еще от одного безразмерного параметра, называемого параметром Френеля, . При волны, пришедшие от разных участков антенны, еще различаются направлениями распространения и поэтому, складываясь, создают изрезанную картину распределения амплитуд, локально сходную с распределением в волноводных модах: поле является бегущим в радиальном направлении и, вообще говоря, стоячим по угловым координатам и (исключение составляют особые случаи мод, вращающихся по и ). Эта область называется зоной Френеля по аналогии с явлениями дифракции волн. По мере уменьшения f амплитудная изрезанность ослабевает, и мода превращается в локальную плоскую волну ТEМ-тима по отношению к радиальному направлению. Это - зона Фраунгофера, ее называют также дальней зоной. В ней вектор излучения становится функцией только углов и определяет ДН излучения антенны: , , (6) , Следовательно, средняя за период колебаний радиальная компонента вектора Пойнтинга равна В волновой зоне амплитуды полей убывают , а плотность потока энергии - как , что есть следствие закона сохранения энергии, ибо суммарный поток энергии через поверхность, охватывающую источник, должен (в средах без поглощения) оставаться постоянным: = const. Исключение составляют неоднородные среды и некоторые особые направления в однородных анизотропных средах, в частности волноводы и различные линии передачи, где вектор Пойнтинга может вообще не изменяться с удалением от источника. Иногда и неоднородность, и анизотропия возникают в результате нелинейного воздействия излучения на первоначально однородную и изотропную среду (явления самофокусировки, самовоздействия и т. п.). Любая передающая антенна, помимо преобразования подводимых к ней электромагнитных колебаний в поле излучения, еще и формирует определенные характеристики этого излучения, главным образом заданную ДН - угловое распределение амплитуды поля излучения. Это формирование основано на принципе суперпозиции полей, создаваемых разными, но когерентными источниками. Подбором излучателей (дипольных и мультипольных) и пассивных элементов-рассеивателей, на которых дифрагируют поля излучателей, можно создать любую физически допустимую ДН, однако обычно предпочитают находить оптимальный компромисс между точностью воспроизведения ДН и простотой изготовления и регулировки антенны, ее стоимостью, кпд и т. п. Выбор излучателей и рассеивателей, а следовательно, и конструкции антенны, существенно зависит от диапазона волн. Так, например, для КВ и ДВ (с длиной волны 10 - 75 м и м) естественным и технологичным оказывается использование антенн, близких к диполям - вибраторам с , (рис. 8 и 9) или их сочетаниям в виде т. н. антенных "полей" и решеток с размерами . Структура поля системы излучателей зависит от их взаимного расположения, общей конфигурации системы, фазовых и амплитудных соотношений между токами в излучателях и в пассивных элементах и т. д. Рассмотрим для простоты антенны, питаемые синфазно. На расстоянии несколько длин волн от поверхности фазированной антенной решетки (ФАР) (рис. 10) формируется синфазное распределение поля на широкой поверхности (линейный размер ). Эта поверхность называется излучающим раскрывом или апертурой антенны. Аналогичная картина имеет место и для синфазно питаемых антенн СВЧ-диапазона ( м), в частности для антенн т. н. оптического типа, в которых элементарный вибратор с (или его аналог в виде щели, рупора, открытого конца волновода и т. п.) помещается в фокус линзы (линзовая антенна) или отражателя (зеркальная антенна), формирующих практически синфазные поля на своем раскрыве (плоской поверхности, ограниченной, например, кромкой зеркала) (рис. 11). Дальнейшая эволюция, которую претерпевает поле т. н. волнового пучка, создаваемое широким синфазным раскрывом, показана условно на рис. 32 в параксиальном приближении, т. е. в предположении достаточной угловой "узости" ДН. На близких расстояниях в волновой зоне (практически в пределах , где ) синфазность фронта еще не нарушается и волна ведет себя почти как плоская. Это зона геометрической оптики, или т. н. прожекторный луч, в котором сосредоточена практически вся мощность, излучаемая антенной. Затем в интервале расстояний , происходит существенное нарушение синфазности, сопровождаемое резкими пространственными осцилляциями амплитуд поля, в т. ч. и в направлении распространения, накладывающимися на монотонную зависимость . Это, как уже говорилось, промежуточная френелевская область, для каждой точки которой на раскрыве антенны укладывается несколько зон Френеля. И, наконец, при волновой фронт становится сферическим, поле убывает как и осцилляции амплитуд в направлении распространения практически исчезают. Это дальняя зона антенны, где размер первой зоны Френеля становится больше раскрыва антенны, и где уже можно оперировать с обычным понятием диаграммы направленности, т. е. зависимости амплитуды поля только от угловых координат. Параметры антенны. ДН в общем случае записывается как комплексная функция полярного и азимутального углов: , где - амплитудная ДН, обычно равная \ в направлении главного максимума, - единичная векторная функция, поляризационная ДН, - фазовая ДН. Кроме амплитудной, часто используют ДН по мощности - угловое распределение плотности потока энергии излучения антенны в дальней зоне. Обе эти ДН сложных антенн имеют лепестковую структуру, обусловленную интерференцией волн, излучаемых и рассеиваемых различными элементами антенны. Там, где синфазно складываются поля всех элементов, формируется максимум, называемый главным. ДН и обычно изображают в виде "объемной", рельефной картины, контурной карты с линиями равных уровней либо с помощью отдельных плоских сечений, чаще всего двух ортогональных плоских сечений, проходящих через направление главного максимума и векторы и (рис. 13). Т. к. основная часть мощности, излучаемой антенной, сосредоточена в главном лепестке, направленность излучения характеризуется его шириной, обычно по уровню половинной мощности , иногда - углом между ближайшими нулями. Величина определяет угловое разрешение антенны и может быть приближенно оценена (в радианах) как (D - размер антенны в измеряемом сечении ДН) для остронаправленных антенн с максимумом излучения, ориентированным перпендикулярно плоскости излучающего раскрыва (антенны с поперечным излучением). Это соотношение совпадает с критерием Рэлея, используемым в оптике для оценки разрешающей способности систем. В т. н. сверхнаправленных антеннах это ограничение можно преодолеть за счет создания резко осциллирующего фазового распределения (неустойчивого к малейшим флуктуациям). Кпд таких антенн весьма мал, т. к. подавляющая часть энергии заключена в реактивном поле. При уменьшении отношения ДН расширяется, однако даже у предельно малой антенны ДН не является полностью изотропной из-за векторного характера электромагнитного поля (в акустике возможны изотропные ДН). Например, ДН электрического и магнитного диполей имеет вид тороида, ось которого совпадает с осью диполя (рис. 14). Для антенн, излучающие элементы которых расположены вдоль некоторой оси и питаются со сдвигом фаз, ориентирующих максимум излучения вдоль этой оси, (антенны с продольным излучением). Кроме главного, ДН содержит боковые и задние лепестки. Формирование этих лепестков удобно проследить на примере осесимметричиой зеркальной антенны, где качественно боковые лепестки можно представить как результат интерференции "краевых волн", отразившихся от противоположных краев раскрыва. На рис. 15 заштрихованы переходные области границ свет-тень, а кривые - гиперболы, линии постоянной разности хода от противоположных краев раскрыва, соответствующих максимумам первого, второго, ..., n-го боковых лепестков (т. е. краевые волны от обоих краев приходят в фазе и их амплитуды складываются). Очевидно, боковой лепесток можно качественно считать сформировавшимся, если соответствующая ему гипербола вышла за пределы заштрихованной области. По мере увеличения номера лепестка гиперболы приближаются к раскрыву антенны, т. е. дальние боковые лепестки формируются ближе к антенне. Задние лепестки определяются излучением облучателя антенны, прошедшим мимо зеркала, и дифракцией этого излучения на краях зеркала. Обычно можно считать, что по мере удаления от антенны общая энергия, излучаемая в задние лепестки, остается неизменной и лишь перераспределяется по углам. Шероховатости поверхности зеркала и детали конструкции антенны, рассеивая поле облучателя, приводят к появлению в ДН "фона" бокового и заднего излучения. Кроме ДН по амплитуде и мощности часто используют поляризационные и фазовые ДН. Поляризацонная ДН - это зависимость поляризации поля (ориентации вектора ) от направления в дальней зоне (векторы и в дальней зоне лежат в плоскости, нормальной к направлению распространения). Различают линейную и эллиптическую (в частности, круговую) поляризацию (см. Поляризация волн). Если плоскость, проходящая через к (направление распространения), с течением времени не меняет своей ориентации, то поляризация поля линейная, если конец вектора описывает в плоскости, перпендикулярной , эллипс или окружность (по часовой стрелке относительно - правое вращение, против - левое), то поляризация эллиптическая или круговая. В общем виде поляризационные свойства полей излучения антенн удобно описывать такими энергетическими параметрами, как матрица когерентности или параметры Стокса. Последние имеют размерность плотности потока энергии и могут быть непосредственно измерены, что позволяет экспериментально исследовать поляризационную ДН. Фазовая ДН , в отличие от амплитудной, зависит от расположения начала координат на антенне. Если можно найти такое положение начала координат, относительно которого фаза постоянна (не зависит от угла) или скачком меняется на при переходе от одного лепестка ДН к другому, то такое начало координат называется фазовым центром антенны. Обладающую фазовым центром антенну можно считать источником сферических волн. В большинстве случаев антенны не имеют фазового центра. Поэтому часто вводят условный фазовый центр - центр кривизны поверхности (или линии) равных фаз в заданном (обычно - главном) направлении. Энергетические параметры излучения антенны. Важными параметрами антенн также являются: КНД , коэффициент усиления , где - кпд антенны, коэффициент рассеяния Р - доля мощности, излучаемой вне главного лепестка (или любого телесного угла) ДН, средний уровень боковых лепестков , а также диапазонность (полоса частот). КНД характеризует степень концентрации (выигрыш) по мощности в данном направлении. Он равен отношению мощности, излучаемой в единицу телесного угла в направлении (в направлении максимума ДН ) к средней мощности, излучаемой антенной по всем направлениям: . Для апертурных антенн , где - коэффициент использования антенны, учитывающий, что часть мощности () уходит в боковые и задние лепестки, а апертура антенны облучается неравномерно. Обычно , т. е. КНД антенны, выраженный в дБ, не может превышать по абсолютной величине среднего уровня (в дБ) боковых лепестков. Например, если =10-5 (т. е. -50 дБ), то (50 дБ). Можно определить КНД также путем сравнения с гипотетической изотропной, ненаправленной антенной; КНД - величина, показывающая, во сколько раз мощность Ри, излучаемая изотропной антенной, должна быть больше мощности Ра, излучаемой данной антенной, при равенстве полей, возбуждаемых ими в направлении . Значения КНД для разных антенн заключены в пределах от 1,5 (элементарный вибратор) и 1,64 (полуволновой вибратор) до 108 (зеркальные антенны с большим отношением ). Коэффициент усиления учитывает кпд антенны, т. е. отношение излучаемой мощности Ри к мощности Рподв подводимой к антенне, . По определению коэффициент усиления - величина, показывающая, во сколько раз мощность, подводимая к изотропной антенне без потерь, должна быть больше мощности, подводимой к рассматриваемой антенне, чтобы были равны возбуждаемые ими в направлении поля. Т. о., при определении G сравниваются мощности, подводимые к изотропной и рассматриваемой антеннам, в то время как при определении КНД сравниваются излучаемые ими мощности. Излучаемую антенной мощность характеризуют сопротивлением излучения Rи, эту величину вводят согласно (2). Сопротивление излучения - составная часть входного импеданса антенны (отношения комплексных амплитуд напряжения и тока на входе антенны) где X - реактивная часть входного импеданса, Rп - сопротивление потерь. Диапазон частот , в котором характеристики антенны можно считать практически неизменными, называется ее полосой частот. Например, ромбические и логопериодические антенны (рис. 16, 17) - весьма широкополосны. Это важно, например, в условиях связи через отражения от ионосферы, свойства которой изменяются, что требует изменения длины волны. Специфическим параметром передающей антенны является допустимая величина излучаемой мощности. Если токонесущие части передающей антенны окружены воздухом, то при E>30 кВ/см (и нормальном атмосферном давлении) наступает электрический пробой. Поэтому предельно допустимая мощность излучения (в 2-3 раза большая рабочей) определяется из условия E<30 кВ/см в точке максимальной напряженности поля вблизи антенны. Приемные антенны характеризуются в силу теоремы взаимности теми же параметрами, что и передающие. В частности, ДН антенны в режиме излучения и приема совпадают. Для приемных антенн ДН - это зависимость напряжения, тока или мощности на клеммах антенны от угла прихода плоской волны. Приемную антенну характеризуют дополнительные параметры: эффективная площадь (для одномерных антенн - действующая длина или высота), шумовая температура Таш, помехозащищенность. Если бы вся мощность, падающая на раскрыв антенны, поглощалась ею, то равнялась бы геометрической площади раскрыва антенны. Поскольку, однако, часть мощности рассеивается, а часть теряется из-за джоулевых потерь, то . Теорема взаимности устанавливает однозначную связь между и Dмакс: . Для элементарных источников по этой формуле определяют эффективный раскрыв. На приемную антенну всегда, кроме полезного сигнала, воздействуют шумы. Шумовая температуpa Таш приемной антенны вводится соотношением , где - полоса частот приемника, k - постоянная Больцмана, Рвх - мощность шумов на входе приемника. Величина Таш обусловлена как собственно шумами антенны Tш = ()Т0 (где Т0 - температуpa материала антенны, - кпд), так и внешним радиоизлучением: Земли, атмосферы и космического пространства. Существенной для высокочувствительных приемных антенн является помехозащищенность, которую можно обеспечить, снижая общий уровень боковых лепестков и используя т. н. адаптивные антенны, параметры которых автоматически изменяются в зависимости от условий работы. Специфическим параметром приемной антенны является чувствительность к пространственным вариациям падающего поля, или к пространственным частотам. Приемную антенну можно рассматривать как линейный фильтр пространственных частот. Антенны со сплошной апертурой при приеме радиоизлучения распределенного источника формирует усредненное по ДН радиоизображение этого источника. Если разложить это радиоизображсние в спектр по пространственным частотам, то антенна "обрезает" высокие частоты, период которых меньше ширины ДН (антенна "не разрешает" детали меньше ). Для получения возможно более полного спектра пространственных частот, т. е. детального радиоизображения, необходимо увеличивать разрешение, т. е. увеличивать размеры антенны. В процессе разработки, производства и эксплуатации антенн необходимы измерения их параметров. Методы измерения параметров антенн можно разделить на две группы в зависимости от расположения передатчика (приемника): в дальней зоне антенны; в зоне Френеля или в волновой зоне вблизи антенны, условно - в ближней зоне. Первая группа методов сравнительно просто реализуется при исследовании антенн с малыми геометрическими и электрическими размерами (малы D и ), для которых расстояние до дальней зоны составляет единицы или десятки метров. Такие антенны исследуют в безэховых камерах с использованием методов двух и трех антенн, расположенных взаимно в дальней зоне. Для ДВ-, СВ-, и КВ-антенн, а также антенн СВЧ с приходится располагать вспомогательные антенны (передающую или приемную) на специальной вышке или летательном аппарате, что весьма сложно и дорого, но в ряде случаев единственно возможно. К первой группе относится также радиоастрономический метод, когда в качестве передатчика используются космические источники радиоизлучения. Ко второй группе относятся метод фокусировки, коллиматорный и амплифазометрический (радиоголографический) методы. Метод фокусировки связан с перестройкой антенны таким образом, чтобы распределение поля в зоне Френеля повторяло его распределение в дальней зоне. В коллиматорном и амплифазометрическом методах реализуется такой излучатель, который, будучи помещен вблизи от антенны, создает на ее раскрыве плоскую волну, что эквивалентно излучению из дальней зоны. Энергетические параметры антенны - КНД, усиление, коэффициент рассеяния весьма точно измеряются с использованием эталонного излучения "черного" диска, установленного в дальней либо ближней зоне антенны. Типы антенн. Огромный диапазон длин волн, излучаемых или принимаемых антеннами, от десятков км до долей мм, и многообразие областей использования антенн (от связи, радиолокации, радиоастрономии до геологии и медицины) обусловили большое разнообразие типов и конструкций антенн. Для ДВ, СВ и KB используются в основном проволочные и вибраторные антенны и их совокупности (в частности, ФАР и антенные "поля"). Примеры таких антенн приведены на рис. 3-5, 8-10, 16-18. Плоская синфазная ФАР относится к поперечным антеннам, излучающим главным образом в направлении, перпендикулярном плоскости расположения вибраторов. В этом направлении электромагнитной волны, излучаемый вибраторами, складываются синфазно, и сюда излучается максимальная энергия. Если разность фаз токов в соседних вибраторах постепенно увеличивать вдоль какой-либо направления в плоскости решетки, что эквивалентно созданию бегущей волны тока, то направление максимума ДН будет поворачиваться. Этим пользуются для т. н. качания луча антенны в пространстве (сканирования). Другая разновидность вибраторных антенн - продольные (одномерные) антенны, максимально излучающие в плоскости расположения вибраторов (рис. 17, 18). В ДВ- и СВ-антеннах обе функции (создание поля излучения и формирование ДН) выполняют одни и те же элементы - вибраторы. В антеннах СВЧ-диапазопа эти функции обычно разделяются между отдельными элементами: поля излучения по-прежнему создают вибраторы (в т. ч. и возбудители щелей, волноводов и т. п.), но ДН формируется в результате суперпозиции не только полей от излучателей, но и полей, рассеянных на различных структурах - зеркале, линзе, щели, отверстии рупора и т. д. В антеннах СВЧ-днапазона можно выделить (условно) ряд типов - рупорные, линзовые, щолсные, диэлектрические, зеркальные, поверхностных волн (импедансные), ФАР, искусственные апертуры, интерферометры, системы апертурного синтеза. Каждый из этих типов содержит множество разновидностей (рупоры: секториальные, пирамидальные, биконические, конические; линзы: диэлектрические, металлические, металлодиэлектрические; щели на плоской и неплоской поверхностях; зеркальные антенны: параболоиды вращения, сферические антенны, цилиндры, перископические антенны, антенны переменного профиля, рупорно-параболические антенны; антенны поверхностных волн: с плоскими, цилиндрическими направляющими элементами; ФАР: эквидистантные, неэквидистантные, многолучевые, с качанием луча, плоские, выпукло-конформные; интерферометрические системы и системы апертурного синтеза из неподвижных и подвижных антенн, незаполненные апертуры - кресты, Т-образные, компаунд-интерферометры и т. д.). Конструктивное выполнение антенн еще более разнообразно: например, на летательных аппаратах желательны невыступающие антенны, космические антенны должны учитывать невесомость, автоматически развертываться и т. д., ряд антенн устанавливается под радиопрозрачными укрытиями, антенны бывают полноповоротными или неподвижными, стационарными или перевозимыми и т. д. Весьма существенна форма ДН. Например, в качестве бортовых антенн летательных аппаратов используются слабонаправленные антенны с широкой ДН. В антеннах радиолокационных станций, предназначенных для обзора пространства и вращающихся вокруг вертикальной оси, ДН узкая в горизонтальной плоскости и широкая в вертикальной либо состоящая из множества сканирующих узких лучей. Радиоастрономические антенны и антенны космической связи должны обладать чрезвычайно высокой направленностью для точного определения координат объекта, что требует увеличения отношения . Однако беспредельное наращивание размеров бесполезно, т. к. формирование узкой ДН и реализация большой эффективной площади приема предъявляют жесткие требования к точности изготовления и сохранения во времени поверхности антенны. Отклонение поверхности от заданной должно быть на порядок меньше рабочей длины волны. Для обеспечения этого условия используют, в частности, т. н. гомологический принцип конструирования, когда при движении зеркала с помощью управляемого ЭВМ перераспределения нагрузок сохраняется заданная форма поверхности, но со смещенным фокусом, куда автоматически перемещается облучатель. Другими радикальными способами повышения разрешающей способности антенн являются расчленение антенны на отдельные регулируемые элементы [антенны переменного профиля, перископические антенны (рис. 19), ФАР] и разнесение антенн, используемых в качестве элементов интерферометрических систем и систем апертурного синтеза. К особому классу относятся т. н. малошумящие антенны, примером которых может служить рупорно-параболическая антенна (рис. 20). Расположенный в фокусе излучатель облучает часть параболоида, и энергия излучается в пространство через апертуру, ограниченную металлическим зеркалом и конусом, так что энергия облучателя попадает только на зеркало. Уровень боковых и задних лепестков в ДН такой антенны весьма мал, а шумовая температура составляет несколько К. Характерная особенность современной техники антенн - использование антенн с обработкой сигналов (цифровой, аналоговой, пространственно-временной, методами когерентной и некогерентной оптики и т. д.). Если излучение принимается антенной, в которой токи от отдельных излучателей или участков суммируются в одном тракте, то обработка такого суммарного сигнала связана с потерей информации. В то же время в ФАР, например, можно обрабатывать отдельно каждый принятый элементами или их совокупностью сигнал и затем подвергать полученные сигналы дополнительной обработке, например нелинейной, извлекая максимум информации или меняя в зависимости от времени или от сигнала параметры антенны (адаптивные антенны, динамические антенны с временной модуляцией параметров и т. д.). Другим примером антенны с обработкой сигнала является антенна с "искусственным раскрывом", когда используется движение антенны, сигнал которой обрабатывается в процессе движения методом когерентного накопления. Антенны с обработкой сигнала применяют в радиоастрономических системах апертурного синтеза (см. Апертурный синтез, Антенна радиотелескопа). Принцип апертурного синтеза заключается в использовании ряда антенн, последовательно во времени или стационарно занимающих определенные положения. Их сигналы суммируются и перемножаются с различными взаимными фазовыми соотношениями. В результате обработки на ЭВМ получается информация, эквивалентная таковой при использовании сплошной апертуры, значительно превосходящей апертуры отдельных антенн. При машинной обработке можно осуществлять сканирование в пределах достаточно широкого лепестка отдельной антенны и другие необходимые преобразования ДН. Перспективными являются глобальные наземные и космические системы апертурного синтеза, объединенные через ИСЗ. Чувствительность и разрешение этих систем позволяют исследовать отдаленные объекты Вселенной. В 1970-х гг. возник новый тип антенн, состоящей из решетки облучателей со встроенными полупроводниковыми диодами и осуществляющей одновременный прием и выпрямление СВЧ-колебаний,- т. н. ректенна (от англ. rectifier и antenna). Возникновение ректенн связано с проблемой создания солнечных космических электростанций: на геосинхронной орбите (~35800 км над Землей) размещаются панели солнечных батарей площадью ~10 км2 каждая, вырабатывающие по 4-5 млн. кВт электроэнергии постоянного тока. Эта энергия должна питать мощные СВЧ-генераторы, подсоединенные к передающим антеннам (активные ФАР с диаметром ~1 км), посылающим на Землю мощный когерентный пучок электромагных волн сантиметрового диапазона (эти волны слабо поглощаются в ионосфере и тропосфере Земли). Это излучение можно принимать на Земле ректеннами с размерами решетки ~7 км.