Антенна

АНТЕННА (от латинского antenna - мачта, рея), преобразователь волновых полей; в традиционном понимании - устройство, осуществляющее излучение (передающая антенна) и (или) приём (приёмная антенна) радиоволн. Передающая антенна преобразует энергию электромагнитных ВЧ-колебаний, поступающих от радиопередатчика непосредственно или через антенно-фидерный тракт, в энергию излучаемых радиоволн. Приёмная антенна выполняет обратную функцию - преобразует энергию распространяющихся радиоволн в энергию, сосредоточенную во входных цепях радиоприёмника. Свойство переменного электрического тока излучать электромагнитные волны впервые обнаружено Генрихом Герцем в конце 1880-х годов с помощью изобретённого им вибратора (смотри Герца вибратор). Идея создания и использования приёмной антенны принадлежит А.С. Попову (1895), установившему, что подсоединение к приёмнику вертикального металлического провода приводит к увеличению дальности и повышению качества радиоприёма. В отличие от симметричного вибратора Герца, антенна Попова была несимметричной, вторым проводником служила земля.

Основные характеристики и параметры антенн. Для большинства антенн плотность излучаемого (принимаемого) потока энергии зависит от направления, то есть антенна обладает направленностью. Это свойство характеризуют диаграммой направленности (ДН), показывающей угловое распределение в пространстве интенсивности (мощности) излучения (передающая антенна) или зависимость мощности принимаемого сигнала от направления прихода радиоволн (приёмная антенна). По виду ДН антенны разделяют на ненаправленные (или слабонаправленные), у которых мощность распределена в большом телесном угле, и остронаправленные, у которых основная доля мощности сконцентрирована в узком телесном угле — так называемом главном лепестке ДН (рис.1). Степень концентрации излучения оценивают по коэффициенту направленного действия (КНД), показывающему, во сколько раз мощность излучения в направлении максимума ДН рассматриваемой антенны превышает мощность, излучаемую в том же направлении ненаправленной антенной (изотропным излучателем), при условии равенства полных излучаемых мощностей. КНД приёмной антенны характеризует её пространственную избирательность, определяющую возможность выделения принимаемого сигнала на фоне помех, порождаемых различными источниками (смотри Помехи радиоприёму). Произведение КНД на коэффициент полезного действия антенны (отношение излучаемой мощности к подводимой) называется коэффициентом усиления; показывает полный выигрыш по мощности, получаемый в результате применения данной антенны по сравнению с изотропной. Форма диаграммы направленности, КНД и коэффициент усиления любой антенны одинаковы в режимах передачи и приёма (смотри Взаимности принцип). К другим важным параметрам антенны относятся: коэффициент рассеяния (доля мощности, излучаемая вне главного лепестка ДН); рабочий диапазон (полоса частот, в которой значения параметров не выходят за пределы заданного интервала), а также сопротивление излучения, предельно допустимая излучаемая мощность, эффективная площадь (так называемый раскрыв), шумовая температура и помехозащищённость.

Типы и особенности антенн. Широкий диапазон длин радиоволн, излучаемых (принимаемых) антенной (от десятков километров до долей миллиметра), и многообразие областей применения антенны (радиосвязь, телевидение, радиолокация, радиоастрономия, метеорология, медицина и др.) обусловили большое число типов и конструкций антенн (рис. 2). На длинных, средних и коротких волнах используют в основном симметричные и несимметричные вибраторы, антенны типа «волновой канал», фазированные антенные решётки, логопериодические и рамочные антенны (последние для повышения эффективности часто снабжают магнитным сердечником, смотри Магнитная антенна). Для приёма и передачи радиоволн в диапазоне СВЧ наибольшее распространение получили рупорные, линзовые, щелевые, диэлектрические и зеркальные антенны.

Различают так называемые пассивные (не содержащие усилительных элементов) и активные антенны. Пассивные антенны обратимы (могут работать как в режиме излучения, так и приёма), широко применяются в различных маломощных приёмопередающих устройствах. Рост мощности радиопередающих устройств требует повышения электрической прочности узлов антенны, а повышение чувствительности радиоприёмных устройств - уменьшения тепловых шумов и миниатюризации конструкции; кроме того, антенны для передачи и приёма зачастую должны иметь разные ДН. Невозможность совмещения этих требований в одном типе антенн обусловила необходимость разработки и применения отдельных передающих и приёмных антенн. Например, телевизионная передающая антенна имеет круговую ДН в горизонтальной плоскости, то есть относится к ненаправленным антеннам, в то время как телевизионная приёмная антенна должна быть направленной (кроме автомобильной антенны) во избежание приёма возможных помех, в том числе передач с других телецентров, а также сигналов принимаемой программы, отражённых от различных препятствий, создающих многоконтурность изображения на экране телевизора.

Весьма существенна форма ДН. Например, в качестве бортовых антенн летательных аппаратов используются слабонаправленные антенны с широкой ДН. Антенны радиолокационных систем, предназначенные для обзора пространства и вращающиеся вокруг вертикальной оси, имеют узкую ДН в горизонтальной плоскости и широкую в вертикальной либо состоящую из множества узких лучей, сканирующих пространство. Радиоастрономические антенны и антенны систем космической связи должны обладать чрезвычайно высокой направленностью (игольчатая ДН) для точного определения местоположения объекта.

Конструктивное исполнение антенн определяется главным образом их назначением и рабочим диапазоном частот. Так, антенны длинных и средних волн обычно представляют собой башни-опоры (высотой 200-400 м), несущие разветвлённое проволочное полотно; в сочетании со сверхмощными (свыше 1 МВт) радиопередатчиками они обеспечивают связь по всему земному шару, в том числе с подводными лодками, находящимися на глубине до нескольких сотен метров. В диапазоне УКВ широкое распространение получили параболические антенны, состоящие из металлического зеркала в форме параболоида, в фокусе которого помещён облучатель. Такие антенны применяются в радиотелескопах, системах спутникового телевидения и др. В качестве подземных антенн в основном используют закопанные в траншеи проволочные системы. Особой сложностью и точностью изготовления отличаются антенны спутниковой радиосвязи (например, раскрывающиеся при выводе на орбиту зонтики, параболические зеркала земных станций связи), а также радиоастрономические антенные системы, предназначенные для приёма радиосигналов из других галактик, радиолокации небесных тел и измерения космических расстояний.

Характерная особенность развития современной антенной техники — использование антенн с обработкой сигнала (цифровой, аналоговой, пространственно-временной, методами когерентной и некогерентной оптики и др.). К таким антеннам относятся фазированные антенные решётки с управлением ДН от ЭВМ, радиоастрономическая система апертурного синтеза. Перспективны глобальные наземные и космические системы апертурного синтеза, объединённые через искусственные спутники Земли. Современные методы анализа и синтеза антенн позволяют с большой точностью выбирать их геометрию, моделировать электромагнитные поля в дальней зоне, соответствующей классическим применениям систем радиосвязи и радиолокации.

Лит.: Цейтлин Н. М. Антенная техника и радиоастрономия. М., 1976; Айзенберг Г. З., Ямпольский В. Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. М., 1977. Ч. 1-2; Гостюхин В. Л., Гринева К. И., Трусов В. Н. Вопросы проектирования активных ФАР с использованием ЭВМ. М., 1983; Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах: В 2 кн. М., 1984.