1. Основы теории антенн

1.1. Общие сведения об антеннах

Антенной называется радиотехническое устройство, предназначенное для излучения и/или приема электромагнитных волн (ЭМВ). Антенны являются важными составными элементами всех без исключения радиотехнических систем, т.е. систем, использующих свободное распространение ЭМВ.

В режиме излучения (передачи) антенна преобразует направляемые ЭМВ, распространяющиеся по линии передачи от источника (радиопередатчика), в радиоволны (РВ) — свободные ЭМВ, распространяющиеся в окружающем антенну пространстве.

В режиме приема антенна преобразует достигающие ее радиоволны в направляемые ЭМВ, поступающие на вход радиоприемника.

Таким образом, антенны можно разделить на передающие и приемные. В то же время, в соответствии с известным в электродинамике принципом взаимности, любая антенна, находящаяся в однородной изотропной среде и не содержащая в своей конструкции невзаимных элементов, обладает одинаковыми электрическими характеристиками как в режиме излучения, так и в режиме приема. Поэтому любая антенна в принципе является приемопередающей и может поочередно или одновременно работать в режиме излучения и в режиме приема.

Одним из главных свойств антенн является их направленное действие (направленность) — способность в режиме передачи концентрировать излучение в заданном направлении (или нескольких направлениях) в пространстве или, в режиме приема, избирательно реагировать на радиоволны, приходящие с различных направлений или имеющих разную поляризацию. Требования к направленности антенн зависят от задач, решаемых той или иной РТС. Например, в наземных системах радиосвязи с подвижными объектами ВЧ и ОВЧ диапазонов обычно используются сравнительно слабонаправленные антенны, которые в горизонтальной плоскости в режиме передачи равномерно излучают в различных направлениях, а в режиме приема в той же горизонтальной плоскости обеспечивают на выходе одинаковое напряжение (мощность) сигнала независимо от направления его прихода (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Система радиосвязи со слабонаправленными антеннами

Другой пример иллюстрирует возможные положительные эффекты, достигаемые при увеличении направленного действия антенн.

Так, увеличение направленности излучения антенны в режиме передачи позволяет, в частности, за счет концентрации потока П₀ излучаемой мощности Р_Σ в направлении на приемную антенну увеличить дальность действия системы радиосвязи R при заданной мощности сигнала на выходе приемной антенны без повышения мощности радиопередатчика и уменьшить помехи другим РТС, что способствует решению проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) РТС (рис. 1.2). Увеличение направленного действия антенны в режиме приема позволяет при неизменном расстоянии R увеличить мощность полезного электрического сигнала Р_п, поступающего на вход радиоприемника и ослабить влияние помех, что, в конечном счете, обеспечивает повышение входного отношения сигнал/шум и, следовательно, качества радиоприема.

Рис. 1.2. Система радиосвязи с остронаправленными антеннами

В общем случае направленность антенны тем выше, чем больше размеры излучающей части (поверхности) антенны по сравнению с рабочей длиной волны.

Однако не только направленное действие антенны определяет тактико-технические характеристики РТС. Поскольку антенна в режиме излучения преобразует подаваемые на ее вход электромагнитные колебания в излучаемые волны, важно, чтобы этот процесс был эффективным, т.е. чтобы тепловые потери мощности в антенне были бы минимальными, а мощность излучения — максимальной. Иными словами, антенна должна обладать высоким коэффициентом полезного действия (КПД). В конечном счете, полезный эффект от использования антенны зависит от ее коэффициента усиления, представляющего собой произведение КПД и коэффициента направленного действия (развернутые определения названных параметров будут рассмотрены далее). В подтверждение сказанного приведем основное уравнение радиолинии связи, используя рис. 1.1. Пусть используемые на передающей и приемной стороне линии передачи согласованы с антеннами и не ослабляют мощность передаваемых колебаний, а передающая и приемная антенны имеют КПД η=1. Пусть радиоволны на прямолинейной трассе их распространения испытывают только ослабление, обусловленное естественным уменьшением плотности потока мощности обратно пропорционально квадрату расстояния. Тогда мощность принятого сигнала на выходе приемной антенны и, соответственно, на входе приемника определяется известным выражением [1, 2]

P_п=P_ΣD_прдD_прмR/)², (1.1)

где D_прд и D_прм — коэффициенты направленного действия антенн.

Учтем далее, что реальные антенны имеют КПД η<1, тогда выражение (1.1) запишется в виде

P_п=P_вх_прдD_прд_прмD_прмR/)²= P_вхG_прдG_прмR/)², (1.2)

где P_вх — мощность на входе передающей антенны, G_прд=_прдD_прд, G_прм=_прмD_прм — коэффициенты усиления передающей и приемной антенн.

Не затрагивая пока детального описания направленного действия антенны, отметим, что в большинстве случаев особый интерес вызывает ее амплитудная характеристика направленности (АХН). АХН антенны в режиме излучения представляет собой зависимость амплитуды напряженности электрического поля излучения антенны (или плотности потока мощности излучения) от угловых координат точек наблюдения, удаленных от антенны на одинаковое расстояние, много большее рабочей длины волны (иначе говоря, находящихся в дальней зоне). АХН антенны в режиме приема — это зависимость электродвижущей силы (ЭДС), наводимой в антенне (или мощности принятых колебаний, поступающих с выхода антенны в согласованную нагрузку), от угловых координат, определяющих направление прихода принимаемых РВ. При этом также полагают, что источник РВ находится в дальней зоне.