Антенны и антенные комплексы

Антенна (от лат. antenna - мачта, рея) в традиционном понимании - это устройство, осуществляющее излучение волн, поступающих к ней от передатчика, или устройство, осуществляющее преобразование падающего излучения и передачу его ко входу приёмника. В более широком смысле антенной можно назвать любой преобразователь поля одного типа (например, моду линии передачи) в поле другого типа (например, моду, излученную в окружающее пространство). Антенна является непременной составной частью любой радиотехнической системы.

Приёмные и передающие антенны по принципу действия идентичны, ибо в любых линейных системах (кроме гиротроп- ных) коэффициенты преобразования полей взаимны. Однако различия предъявляемых к ним эксплуатационных требований (предельные мощности, полоса рабочих частот, шумы и т. п.) могут приводить к существенному техническому отличию приёмных и передающих антенн. Чаще всего приходится иметь дело с радиоантеннами, т. е. преобразователями электромагнитных полей с длиной волны от 1 мм до нескольких километров.

Естественные преобразователи полей (например, органы излучения и приёма звука у насекомых, животных, человека) - это, по существу, древнейшие антенны. Преобразователи оптического излучения, во многом стимулировали создание ряда типов радиоантенн - линзовых, зеркальных, перископических и т. п., а акустические - рупорных антенн. Эти преобразователи также имеют право называться антеннами, однако, в силу исторически сложившихся традиций, в большинстве своём их так не называют. С другой стороны с появление квантовых генераторов элементы теории радиоантенн стали проникать в оптический и ПК диапазон.

Первоначально функции передатчика (приёмника), линии передачи и собственно антенны были совмещены в одном узле, но в дальнейшем антенны выделились в самостоятельные устройства.

Появление радиоантенн относится к концу XIX века. В 1888 году Г. Герц, используя симметричную дипольную антенну (см. рис. 8.15, а), исследовал электромагнитные волны метрового диапазона.

В 1895-1896 годах А. С. Попов создал антенны, использовавшиеся для приёма электромагнитных волн. Антенна А. С. Попова, в отличие от симметричного вибратора Герца, была несимметричной, вторым проводником служила земля (см. рис. 8.15,6). В патенте Г. Маркони несимметричная антенна использовалась, и в искровом передатчике, и в приёмнике.

Антенна Г Герца (а) и А. С. Попова (б)

Рис. 8.15. Антенна Г Герца (а) и А. С. Попова (б)

До середины 20-х гг. XX в. антенны создавались в основном для диапазонов ДВ и СВ (длина волны от 200 м до 20 км). Поэтому само латинское слово «antenna» в начале XX в. было использовано радиоинженерами для обозначения преобразователей электромагнитных полей диапазона длинных волн, образованных из укрепленных на мачтах проводов. Эти антенны являются развитием и модификацией несимметричной заземленной антенны А. С. Попова.

На рис. 8.16 показана антенна длинноволнового диапазона.

Т-образная антенна длинных волн

Рис. 8.16. Т-образная антенна длинных волн:

1 - снижение (излучатель), 2 - горизонтальная часть, 3 - изоляторы, 4 - система заземления, 5 - клеммы, присоединяемые к передатчику

В конце 20-х начале 30-х гг. XX в. появляются антенны в диапазоне коротких волн для дальней связи. Развитием идеи

Г. Герца для этой цели является антенна, получившая название диполь С. И. Надененко[1]. Такая антенна показана на рис. 8.17.

Диполь Надененко

Рис. 8.17. Диполь Надененко:

1 - диполь; 2 - симметричная линия питания; 3 - изоляторы; 4 - мачта с секционированными оттяжками, 5 - поверхность земли

Проволочные и вибраторные антенны и их совокупности (антенные «поля») используются на длинных, средних и коротких волнах

Развитие в середине XX в. теории и техники УКВ, связанное с потребностями радиовещания, телевидения, радиолокации, а затем радиоастрономии и космической связи, привело к созданию общей теории антенны. Это позволило создать множество новых типов антенн, в том числе щелевых антенн, диэлектрических антенн, антенных решеток и зеркальных антенн, антенн переменного профиля, а также сложных антенных комплексов.

На рис .8.18 показана антенна, состоящая из нескольких вибраторов и отражателя, Такую антенну называют фазированной антенной решеткой (ФАР). Структура поля ФАР зависит от взаимного расположения её элементов, общей конфигурации системы, фазовых и амплитудных соотношений между токами в излучателях и в пассивных элементах и т. д.

Синфазная антенна коротких волн

Рис. 8.18. Синфазная антенна коротких волн:

  • 1 - излучающий элемент в виде диполя Надененко, 2 - рефлектор,
  • 3 - изоляторы, 4 - линия питания (снижение), стрелка показывает направление максимума излучения

Управляя токами в элементах, можно изменять характеристики подобной антенной системы, например, изменять направление излучения.

При приёме сигналов с помощью ФАР её используют для обработки сигналов (пространственно-временной, методами когерентной и некогерентной оптики и т. д.). Для этого сигнал, принятый каждым элементом, обрабатывает отдельно так, чтобы извлечь максимум информации из всего антенного комплекса в целом.

При конструировании антенн сантиметрового и миллиметрового диапазонов широко используются методы, хорошо известные в оптике. Излучение формируется в результате сложения не только полей от активных излучателей, но и полей, отраженных или рассеянных различными пассивными структурами - зеркалами, линзами, стержнями, щелями и отверстиями в металлических поверхностях и т. д. В качестве примера на рис. 8.19 показаны эскизы однозеркальной параболической антенны и антенны с диэлектрической линзой.

Антенны сантиметрового и миллиметрового диапазона

Рис. 8.19. Антенны сантиметрового и миллиметрового диапазона:

а - параболическая антенна с облучателем: 1 - плоский фронт волны, 2 - зеркало, 3 - питающий волновод, 4 - сферический фронт волны, 5 - облучатель;

б - линзовая антенна: 1 - сферический фронт волны, 2 - облучатель, 3 - линза,4 - плоский фронт волны; Р - фокус зеркала или линзы

Конструктивное выполнение антенн чрезвычайно разнообразно. Например, на летательных аппаратах требуется, чтобы антенны не выступали над его поверхностью. При конструировании космических антенн должны учитывать невесомость и глубокий вакуум, к тому же такие антенны должны автоматически развертываться.

На рис. 8.20 показаны вибраторные антенны, которые использовались на первом искусственном спутнике Земли. Они были разработаны под руководством Г. Т. Маркова[2].

Две антенны располагаются крест-накрест, каждая состоит из двух плеч-штырей длиной 2,4 м и 2,9 м, угол между плечами в паре - 70°. Такая антенна на рабочих длинах волн 15 и 7,5 м обеспечивала характеристику направленности близкую к равномерной.

Ряд антенн устанавливается под радиопрозрачными укрытиями, антенны бывают полноповоротными или неподвижными, стационарными или перевозимыми и т. д.

Вибраторная антенна первого спутника Земли

Рис. 8.20. Вибраторная антенна первого спутника Земли

Применение ЭВМ для обработки сигнала, принятого несколькими антеннами, позволяет получать информацию, эквивалентную той, которая доступна при использовании сплошной антенны, значительно превосходящей по площади отдельные антенны. При цифровой обработке можно осуществлять сканирование пространства узким лучом в пределах достаточно широкого конуса.

Наибольшее впечатление производят антенны радиотелескопов. Размеры этих сооружений могут быть от десятков метров до сотен или даже тысячи метров. На рис. 8.21 показана одна из антенн Серпуховского крестообразного радиотелескопа ДКР-1000.

Пара взаимно перпендикулярных антенн длиной 1 км ориентированы с Востока на Запад и с Севера на Юг. Каждая из антенн состоит из 37 матч с 40-метровыми параболическими фермами.

Радиотелескоп был принят в эксплуатацию в 1963 году. В настоящее время антенна Восток-Запад продолжает работать, но антенне Север-Юг повезло меньше. В 90-х гг. она была разграблена на металлолом и сейчас не работает.

Антенная система радиотелескопа-интерферометра в Нью- Мексико (США) показана на рис. 8.22. Все 27 антенн, работают как единая сложная ФАР. Каждая из антенн имеет диаметр 25 метров и может перемещаться по рельсовому пути.

Параболическая антенна длиной 1 км Серпуховского крестообразного радиотелескопа Физического института РАН

Рис. 8.21. Параболическая антенна длиной 1 км Серпуховского крестообразного радиотелескопа Физического института РАН

Антенная система радиотелескопа-интерферометра, расположенного в Нью-Мексико, США

Рис. 8.22. Антенная система радиотелескопа-интерферометра, расположенного в Нью-Мексико, США

Как вы видите, антенны и антенные системы могут быть очень сложными инженерно-техническими сооружениями. Поэтому при их создании приходится в совокупности решать как проблемы излучения электромагнитных волн, так и чисто технические проблемы выбора подходящих материалов, разработки механических конструкций, выбора места и методов сооружения и т. п. Как правило, сложные антенны и антенные комплексы являют уникальными сооружениями, существующими в единичных экземплярах.

Примеры уникальных антенн и антенных комплексов радиотелескопов приведены в разделе 9.6.

Разработка систем, проектирование аппаратуры и организация её производства являются венцом творчества инженера. Для того чтобы достичь вершин инженерного искусства, вы должны развивать свои творческие способности, умение ставить задачи, решать технические проблемы с использованием результатов фундаментальных научных исследований, достижений инженерной практики и современных технологий.

Поскольку любое техническое сооружение должно быть экономически целесообразным, инженер должен иметь достаточный объем экономических знаний.

Любую серьезную инженерно-техническую задачу решает коллектив исполнителей. Инженер должен уметь организовать работу тех людей, которые находятся в его непосредственном подчинении. Это означает, за время учебы вы должны овладеть азами науки управления коллективом (тем, что теперь называют модным словом - менеджмент).

  • [1] Сергей Иванович Надененко (1899-1968) - крупный советский ученый, талантливый радиоинженер, научные труды и изобретения которого нашли широкое применение, как в нашей стране, так и за рубежом. С 1932 г. вел педагогическую работу в Институте инженеров связи, возглавия кафедру антенн и распространения радиоволн МЭИС (теперешнее название МТУСИ).
  • [2] Григорий Тимофеевич Марков (1909-1981) профессор РТФ МЭИ, за большой вклад в создание оригинальных антенных устройств космических аппаратов был награжден орденом «Знак Почета» и ему было присвоено звание «Заслуженный деятель науки и техники РСФСР».
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >