Антенна — устройство, предназначенное для излучения или приёма радиоволн.
Антенны в зависимости от назначения подразделяются на приёмные, передающие и приёмопередающие. Антенна в режиме передачи преобразует энергию поступающую от радиопередатчика электромагнитного колебания в распространяющуюся в пространстве электромагнитную волну. Антенна в режиме приёма преобразует энергию падающей на антенну электромагнитной волны в электромагнитное колебание, поступающее в радиоприёмник. Таким образом, антенна является преобразователем подводимого к ней по фидеру электромагнитного колебания (переменного электрического тока, канализированной в волноводе электромагнитной волны) в электромагнитное излучение и наоборот.
Первые антенны были созданы в 1888 году Генрихом Герцем в ходе его экспериментов по доказательству существования электромагнитной волны (Вибратор Герца). Форма, размеры и конструкция созданных впоследствии антенн чрезвычайно разнообразны и зависят от рабочей длины волны и назначения антенны. Нашли широкое применение антенны, выполненные в виде отрезка провода, системы проводников, металлического рупора, металлических и диэлектрических волноводов, волноводов с металлическими стенками с системой прорезанных щелей, а также многие другие типы. Для улучшения направленных свойств первичный излучатель может снабжаться рефлекторами — отражающими элементами различной конфигурации или их системами, а также линзами.
Излучающая часть антенн, как правило, изготавливается с применением проводящих электрический ток материалов, но может изготовляться из изоляционных (диэлектрик) материалов, могут применяться полупроводники и метаматериалы.
С точки зрения теории электрических цепей антенна представляет собой двухполюсник (или многополюсник), и мощность источника, выделяемая на активной составляющей полного входного сопротивления антенны, расходуется на создание электромагнитного излучения. В системах управления антенна рассматривается как угловой дискриминатор — датчик угла рассогласования между направлением на источник радиосигнала или отражатель и направлением антенны (например, антенна с суммарно-разностной диаграммой направленности в составе радиолокационной головки самонаведения). В системах пространственно-временной обработки сигнала антенна (антенная решётка) рассматривается как средство дискретизации электромагнитного поля по пространству.
В особый класс принято выделить антенны с обработкой сигнала. В частности, одним из таких устройств являются антенны с виртуальной (синтезированной) апертурой, применяемые в авиационной и космической технике для задач картографирования и увеличения разрешающей способности за счёт использования когерентного накопления и обработки сигнала.
Принцип действия
Упрощённо принцип действия антенны состоит в следующем. Как правило, конструкция антенны содержит металлические (токопроводящие) элементы, соединённые электрически (непосредственно или через линию питания — фидер) с радиопередатчиком или с радиоприёмником. В режиме передачи переменный электрический ток, создаваемый источником (например, радиопередатчиком), протекающий по токопроводящим элементам такой антенны, в соответствии с законом Ампера порождает в пространстве вокруг себя переменное магнитное поле. Это меняющееся во времени магнитное поле, в свою очередь, не только воздействует на породивший его электрический ток в соответствии с законом Фарадея, но и создаёт вокруг себя меняющееся во времени вихревое электрическое поле. Это переменное электрическое поле создаёт вокруг себя переменное магнитное поле и так далее — возникает взаимосвязанное переменное электромагнитное поле, образующее электромагнитную волну, распространяющуюся от антенны в пространство. Энергия источника электрического тока преобразуется антенной в энергию электромагнитной волны и переносится электромагнитной волной в пространстве. В режиме приёма переменное электромагнитное поле падающей на антенну волны наводит токи на токопроводящих элементах конструкции антенны, которые поступают в нагрузку (фидер, радиоприёмник). Наведённые токи порождают напряжения на входном импедансе приёмника.
Характеристики антенн
Электромагнитное излучение, создаваемое антенной, обладает свойствами направленности и поляризации. Антенна как двухполюсник обладает входным сопротивлением (импедансом). Реальная антенна преобразует в электромагнитную волну лишь часть энергии источника; остальная энергия расходуется в виде тепловых потерь. Для количественной оценки перечисленных и ряда других свойств антенна описывается набором радиотехнических и конструктивных характеристик и параметров, в частности:
- Полевые характеристики
- характеристика направленности
- диаграмма направленности (ДН), её тип и возможность управления
- ширина ДН по заданному уровню
- уровень боковых лепестков (УБЛ), коэффициент рассеяния
- фазовая диаграмма, местоположение фазового центра и частотная стабильность его координат
- тип поляризации, поляризационная диаграмма, максимальное значение уровня излучения на кроссполяризации в заданном направлении, число поляризационных каналов и межполяризационная развязка (переходное затухание)
- коэффициент направленного действия (КНД)
- коэффициент усиления (КУ)
- коэффициент использования поверхности (КИП) апертуры антенны
- эффективная площадь рассеяния (ЭПР) антенны
- Характеристики со стороны линии питания
- тип линии передачи, номинальное входное сопротивление антенны
- резонансная частота, рабочая полоса частот (по качеству согласования)
- входной импеданс антенны и коэффициент стоячей волны (КСВ) в линии передачи
- максимальная допустимая мощность на входе антенны (средняя, импульсная)
- Передаточные характеристики
- коэффициент полезного действия (КПД)
- действующая высота
- векторная импульсная характеристика, векторная передаточная характеристика
- шумовая температура антенны
- эффективная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) (характеристика системы антенна + радиопередатчик)
- Конструктивные характеристики
- масса, координаты центра масс, момент инерции
- габаритные размеры, максимальный радиус разворота
- тип радиочастотного соединителя или присоединительные размеры
- парусность (ветровая нагрузка)
- объект установки, способ крепления
- применённые материалы
- устойчивость к внешним воздействиям (климатическим, механическим и др.)
- надежность, долговечность (срок службы, назначенный ресурс и др.)
Ряд электрических характеристик антенн как взаимных устройств (пассивных линейных многополюсников) в режиме передачи и в режиме приёма совпадает, в том числе: ДН (КНД, КУ, УБЛ) и входной импеданс. Например, диаграммы направленности антенны в режиме приёма и в режиме передачи совпадают.
Основные типы антенн
Содержание этого раздела является скорее не классификацией, а простым перечислением типов антенн со ссылками на их более подробное описание.
- Телескопическая антенна
- Вибраторная антенна
- Симметричный вибратор (диполь)
- Разрезной вибратор
- Шунтовой вибратор
- Петлевой вибратор («петлевой вибратор Пистолькорса», шлейф-вибратор)
- Диполь Надененко
- Уголковая вибраторная антенна
- Антенна «Inverted V»
- «Коаксиальная» антенна
- CFR-антенна
- Несимметричный вибратор
- Антенна «Ground Plane»
- Укороченная штыревая антенна
- Коллинеарная антенна
- J-образная антенна
- Антенна зенитного излучения
- Диэлектрическая резонаторная антенна
- Вертикальная антенна верхнего питания
- Антенна Александерсена
- Турникетная антенна
- Аэростатная антенна
- Директорная антенна
- Антенна типа «волновой канал» (антенна Уда — Яги)
- Антенна СГД (синфазная горизонтальная диапазонная)
- Симметричный вибратор (диполь)
- Щелевая антенна
- Щелевой вибратор
- Пазовая антенна
- Волноводно-щелевая антенна
- Апертурная антенна
- Открытый конец металлического волновода
- Рупорная антенна
- Зеркальная антенна
- Прямофокусная зеркальная антенна
- Офсетная зеркальная антенна
- Антенна Кассегрена
- Антенна Грегори
- Зеркальная антенна зонтичного типа
- Рупорно-параболическая антенна
- Перископическая антенна
- Тороидальная антенна
- Антенны со специальной формой диаграммы направленности
- Антенна с косекансной диаграммой направленности
- Линзовая антенна
- Линза Люнеберга
- Линза Ротмана
- Линза Ван-Атта
- Антенна бегущей волны
- Спиральная антенна
- Диэлектрическая стержневая антенна
- Импедансная антенна
- Антенна вытекающей волны
- Антенна с сосредоточенной емкостью
- V-образная антенна
- Ромбическая антенна
- Антенна Бевереджа
- V-образная антенна (вертикальная)
- λ-образная антенна
- Антенны БС, БЕ и БИ
- Слабонаправленные антенны диапазона СВЧ
- Полосковая антенна (патч-антенна)
- Микрополосковая печатная антенна
- Антенна PIFA
- Сингулярная антенна
- Чип-антенна
- Полосковая антенна (патч-антенна)
- Сверхширокополосные антенны
- Антенны на принципе электродинамического подобия
- Биконическая антенна
- Дискоконусная антенна
- Излучатель типа «бабочка»
- Логопериодическая антенна
- Вибраторная логопериодическая антенна
- Спиральная логопериодическая антенна
- Фрактальные антенны
- Т-рупор
- Антенна Вивальди
- Антенны на принципе электродинамического подобия
- Антенная решетка
- Фазированная антенная решётка (ФАР)
- Пассивная ФАР
- Активная ФАР
- Цифровая антенная решётка
- Многолучевая антенная решетка
- MIMO-антенна
- CTS-антенна
- Фазированная антенная решётка (ФАР)
- Пеленгаторная антенна
- Рамочная антенна
- Двухрамочная антенна
- Антенна Эдкока
- Антенна Вулленвебера
- Антенна с обработкой сигнала
- Радиоинтерферометр
- Антенна с синтезированной апертурой
- Радиооптическая антенная решетка
- Электрически малая антенна
- Магнитная антенна
- С ферритовым сердечником
- Магнитная рамочная антенна
- Наномеханическая магнитоэлектрическая антенна
- Магнитная антенна
- Распределённые антенны
- Частично излучающий кабель
- Антенны для преобразования энергии электромагнитной волны в электрическую энергию и для средств RFID
- Ректенна = антенна + выпрямитель
- Наноантенна — антенна для резонансного преобразования оптического излучения в электрическую энергию
- Псевдо-антенны (антенны с мифическими техническими характеристиками)
- Ртутная антенна
- CFA-антенна
- EH-антенна (шутливо называемая «НЕ-антенна» из-за ошибочного обоснования механизма работы)
- Плазменная антенна
- Концептуальные антенны
- Гравитационная антенна
Примеры выдающихся конструкций
- Антенна АДУ-1000
- Антенна РТ-70
- Антенна загоризонтной РЛС «Дуга»
- Антенна станции зондирования ионосферы HAARP
- Антенна радиообсерватории Аресибо
- Антенна радиотелескопа Грин-Бэнк
- Антенна СДВ-радиостанции «Голиаф»
Средства защиты от внешних воздействий
- Радиопрозрачные укрытия и обтекатели
- Краска
- Противообледенительные системы
- Защита от птиц
Интересные сведения
- Электрические параметры антенны (ДН, входное сопротивление) не изменятся, если изменить все её размеры и длину волны в одинаковое число раз (принцип электродинамического подобия).
- Амплитудно-фазовое распределение (распределение комплексной амплитуды тока как функции координат по апертуре антенны) и диаграмма направленности антенны в дальней зоне как функция угловых координат (пространственных частот) связаны преобразованием Фурье. При нахождении формы ДН удобно использовать теоремы связанные с преобразованием Фурье.
- Эффективные размеры антенн с синтезированной апертурой могут составлять десятки и сотни километров.
- Параметры пассивных антенн в линейных негиротропных средах не зависят от того, работает ли антенна на приём или на передачу, что вытекает из теоремы взаимности.
Программы для анализа параметров и синтеза антенн
Разработка хорошей антенны является неоднозначной, нетривиальной и часто сложной задачей. Поэтому при проектировании антенн идут на компромисс, так как антенна должна не только обеспечить требуемую диаграмму направленности и заданные электрические параметры, её конструкция должна быть ещё и прочной, недорогой, технологичной, стойкой к воздействию окружающей среды, ремонтопригодной, а в последнее время — часто выдвигается требование экологичности — минимизации возможного вреда от излучения и затрат на утилизацию.
С другой стороны, задача анализа (определения электромагнитных параметров антенны известной конструкции) с появлением компьютеров в большинстве случаев может быть успешно решена. Для этого создано и продолжает разрабатываться программное обеспечение ЭВМ, использующее численные методы решения задач электродинамики для анализа электрических параметров антенн. Многие из таких программ являются достаточно сложными в освоении коммерческими САПР, что существенно ограничивает их применение радиолюбителями и DIY-сообществом. Вот некоторые из них:
- MININEC
- NEC2
- NEC4 — дальнейшее развитие NEC2.
- MMANA-GAL
- SuperNEC
- UA6HJQ-VHF8
- Antenna Magus
- CST Microwave Studio
- Ansoft HFSS
- FEKO
- Microwave Office
Специализирующиеся производители
- Funke Digital TV