Структурная схема антенны. Основные задачи теории антенн.

Расширение круга задач, решаемых современной радиоэлектроникой, а также их усложнение стимулировало в последнее время интенсивное развитие теории и техники антенн. Основные области использования радиоэлектроники – связь, телевидение, радиолокация, радиоуправление, радиоастрономия и т.д. невозможны без применения антенн с различными характеристиками.

По определению антенной называется устройство, осуществляющее преобразование (трансформацию) направляемых электромагнитных волн в радиоволны и, наоборот, радиоволн - в направляемые электромагнитные волны. Из этого определения следует, что преобразование волн является основным назначением антенн. Кроме собственно излучения и приема радиоволн, другим назначением антенн является пространственное распределение электромагнитной энергии при излучении и пространственная избирательность при приеме. Структурная схема антенны приведена на рисунке 5.1.

В ней можно выделить следующие элементы:

‑ вход;

‑ согласующее устройство;

‑ распределитель;

‑ излучающее устройство.

Под входом антенны обычно понимают сечение линии передачи с волной заданного типа. Современные антенны могут иметь несколько, а иногда сотни и тысячи входов.

Согласующее устройство предназначено для обеспечения режима питающей линии, как можно более близкого к бегущей волне.

Распределитель антенны представляет конструкцию из проводников и диэлектриков и предназначен для создания нужного закона распределения излучающих токов, обеспечивающего формирование требуемой характеристики направленности.

Излучающая система представляет собой область, в которой протекают токи, возбуждающие электромагнитные волны. В качестве излучающей системы могут фигурировать как реальные электрические токи, текущие по металлическим поверхностям, так и эквивалентные фиктивные электрические и магнитные токи на замкнутых поверхностях, окружающих антенну, а также токи электрической и магнитной поляризации в объемах, занимаемых магнитодиэлектриками.

Антенны классифицируются помногим признакам. Основнымииз них являются:

1. Направленность излучения и приема. По этому признаку антенны подразделяются на:

‑ слабонаправленные антенны (линейные размеры которых меньше длины волны или соизмеримы с ней);

‑ умеренно направленные антенны ( порядка единиц );

‑ остронаправленные антенны ( > 10 ).

2. Принцип действия и конструктивное выполнение. Любая антенна содержит вполне определенные конструктивные элементы (проводники, отверстия, щели, замедляющие структуры и т.п.), которые излучают электромагнитные волны при условии, что эти элементы обтекаются токами проводимости или смещения. В связи сэтим различают:

‑ линейные антенны, к которым можно отнести проволочные, штыревые, щелевые антенны и антенны поверхностных волн;

‑ апертурные антенны, к которым можно отнести рупорные, линзовые и зеркальные антенны;

‑ многоэлементные антенны (антенные решетки), в которых излучателями являются слабонаправленные антенны.

3. Характер сканирования. В несканирующих антеннах луч занимает фиксированное положение, а в сканирующих можно управлять его пространственным положением. В связи с этим различают:

‑механическое сканирование ‑ вращение всей антенны;

‑ электромеханическое сканирование ‑ перемещение какой-то части (менее массивной) антенны;

‑ электрическое сканирование ‑ вся антенна неподвижна, а луч перемещается в результате изменения амплитудно-фазового распределения токовили полей, возбуждающих излучатели антенны.

Помимо перечисленных выше основных признаков классификации, существуют второстепенные признаки классификации антенн:

‑ область применения: связные, радиовещательные, телевизионные, радиолокационные и т.п.;

‑ место размещения: стационарный наземный объект, мобильный наземный объект, борт морского корабля, летательные аппараты (самолет, ракета, космический аппарат);

‑ диапазон волн: антенны СДВ, ДВ, СВ, КВ, УКВ;

‑ диапазонность: узкополосные ( ), широкополосные ( ), сверхширокополосные ( );

- режим работы антенны: передающие, приемные, приемопередающие.

В процессе развития антенн они усложнялись, появлялись принципиально новые их классы, расширялись выполняемые ими функции. Зачастую антенны из простых взаимных устройств в сложные динамические системы, содержащие в большинстве случаев сотни, тысячи различных элементов.

Конструктивно антенны в процессе развития также существенно видоизменялись. Наряду с проволочными вибраторными антеннами, созданными на первых этапах развития, широко распространены антенны апертурные, бегущей волны, фазированные антенные решетки (ФАР), активные ФАР (АФАР), антенны с обработкой сигнала и др. Разработаны щелевые, импедансные, диэлектрические, ферритовые, печатные и другие типы конструкторского исполнения антенн.

С развитием техники антенн возросла их роль в радиотехнических системах, увеличилась их стоимость и к настоящему времени в ряде областей радиоэлектроники антенны играют решающую роль. В наибольшей степени это относится к ФАР, АФАР, антенным решеткам с обработкой сигнала, радиотелескопам. Реализуемые в настоящее время характеристики антенн предопределяют основные параметры радиосистем. Так, в радиолокационных станциях с ФАР разрешающую способность, точность определения угловых координат объектов, время обзора и установки луча в заданную точку пространства, помехозащищенность и другие параметры определяются в основном характеристиками антенн. Многие антенные характеристики являются исходными при построении новых радиосистем, например, комплексов для дальнего космоса, в которых реализуемое усиление антенны определяет дальность действия.

Направления развития антенной техники:

‑ уменьшение массогабаритных размеров антенн за счет применения микроэлектроники (печатные излучатели, интегральные полосковые узлы, различные устройства СВЧ в интегральном исполнении, создание новой элементной базы на основе твердотельных микроэлектронных модулей СВЧ АР дает возможность отказа от обтекателей на носителях, и строить выпуклые электрически сканирующие антенные решетки, размещаемые на наружной поверхности носителя);

‑ обеспечение электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем (антенны с диаграммами специальной формы, поляризационная, пространственная и временная фильтрация сигналов в антенной системе, применение многофункциональных антенн);

‑ снижение стоимости вновь разрабатываемых антенн, более эффективное использование уже созданных радиосистем (применение автоматизированных пакетов проектирования антенн, разработка новых методов решения краевых задач электродинамики, алгоритмов и программ решения систем интегральных уравнений или операторных уравнений с векторными или тензорными функциями Грина);

‑ улучшение параметров антенн (увеличение скорости сканирования, улучшение характеристик антенн, обеспечение многофункциональности – применение ФАР);

‑ развитие теоретической базы построения антенн (рассмотрение существующих и развивающихся направлений с единых позиций).