Антенна
Анте́нна (лат. antenna — мачта[1], рея) — преобразователь (обычно линейный) волновых полей[2]; в традиционном понимании — устройство, предназначенное для излучения или приёма радиоволн[3][1].
Передающая антенна преобразует направляемые электромагнитные волны, движущиеся от радиопередатчика по фидерной линии к входу антенны, в свободные расходящиеся в пространстве электромагнитные волны. Приёмная антенна преобразует падающие на неё свободные волны в направляемые волны фидера, подводящие принятую энергию к входу радиоприёмника[4]:5.
Первая передающая антенна была создана Генрихом Герцем в 1886—1888 годах в ходе его экспериментов по доказательству существования электромагнитных волн (вибратор Герца, дипольная антенна).
Конструкция и размеры 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 отражающими элементами (рефлекторами), а также линзами.
Излучающая часть антенн, как правило, изготавливается из проводящих электрический ток материалов, но могут применяться изоляционные материалы (диэлектрики), а также полупроводники и метаматериалы.
Терминология
Происхождение слова «антенна» по отношению к аппаратуре беспроводной связи приписывают итальянцу Г. Маркони. Летом 1895 года Маркони начал опыты со своими приборами в поместье отца и вскоре стал экспериментировать с длинной проволокой, подвешенной к шесту[5]. По-итальянски шест для палатки известен как l’antenna centrale, а шест с проводом был назван просто l’antenna. До этого излучающий передающий и приёмный элементы беспроводного устройства были известны просто как «терминалы» (выводы). Благодаря приобретённой известности Маркони его использование слова «антенна» распространилось среди исследователей и энтузиастов беспроводной связи, а затем и среди широкой публики[6][7].
Условная дата официального происхождения радиотехнического термина «антенна» — 30 января 1898 года. Это дата публикации статьи Люсьена Пуанкаре, подтверждающей приоритет Маркони в использовании термина «антенна» для нужд беспроводной телеграфии. Утверждение советских авторов, что термин «антенна» был предложен А. Блонделем в его письме к А. С. Попову (от 20 ноября 1898 года[8]:323), ошибочно[6][9]. Попов и после 1898 года не применял термин «антенна», а ряд физиков в конце XIX века, в том числе Блондель, не называли антенной вибратор Герца[10][8]:324[6][* 1].
Термин «антенна» в широком смысле может относиться ко всему сооружению, включая опорную конструкцию, корпус (если есть) и т. д., в дополнение к фактическим токонесущим радиочастотным компонентам. Приёмная антенна может включать в себя не только пассивные металлические приёмные элементы, но и встроенный предусилитель или смеситель, особенно в диапазоне микроволновых частот и выше.
История
Устройства, с помощью которых возможен приём электромагнитных колебаний, появились в середине XVIII века. В радиотехническом смысле металлический провод молниеотвода, изобретённого в 1751 году Б. Франклином, можно вполне корректно рассматривать как заземлённую приёмную антенну. Длинным проводом, поднятым над землёй пользовались в своих экспериментах Г. Рихман (1752) и Л. Гальвани (1791)[11]:36—37.
В 1876 году Т. Эдисон использовал несимметричную шаровидную антенну в сконструированном им приёмнике электромагнитных колебаний[11]:40—41. Предложенный Эдисоном в 1885—1886 годах способ беспроводной телеграфной связи между кораблями при помощи электрических волн предусматривал установку на береговых станциях вертикальной антенны, а на кораблях — Г-образной[12].
Первая передающая антенна — так называемый вибратор Герца, или симметричный вибратор — была создана Г. Герцем в 1886—1888 годах в ходе его экспериментов по обнаружению электромагнитных волн[13]. Для обнаружения волн Герц использовал простейший приёмник в виде металлической рамки с малым искровым промежутком. Другим вариантом приёмника был также вибратор, но с малым искровым промежутком[14].
Антенну в приёмнике (а также в передатчике[15]) в виде отрезка проволоки использовал в своих экспериментах Э. Бранли в 1890—1891 годах[11]:43—47.
Передающую и приёмную антенны в виде вертикального провода использовал Я. Наркевич-Иодко, который в начале 1890-х годов «произвёл в Вене весьма интересные передачи с катушкой Румкорфа, соединённой с землёй и с антенной, и с приёмником, образованным из антенны и телефона, также заземлённого (правда, может быть, без ясного представления о роли электромагнитных волн в этих опытах)»[16]:185—186.
В 1893 году вертикальные антенны в передатчике и приёмнике применял Н. Тесла при демонстрации своего устройства для получения электромагнитных колебаний и передаче электрической энергии приёмнику через пространство[11]:47—50.
В советской[17], а затем в российской литературе[18] идея создания и использования приёмной антенны в виде вертикального провода часто приписывалась А. С. Попову (1895). Однако сам Попов, описывая в 1899 году поднятые на мачте провод передатчика и провод приёмника Маркони, отмечал[19]:218:
Употребление мачты на станции отправления и на станции приёма для передачи сигналов помощью электрических колебаний не было, впрочем, новостью: в 1893 г. в Америке была сделана подобная попытка передачи сигналов известным электротехником Николаем Тесла. На станции отправления на высокой мачте был поднят изолированный проводник, снабжённый на верхнем конце некоторой ёмкостью в виде металлического листа; нижний конец этой проволоки соединялся с полюсом трансформатора Тесла высокого напряжения и большой частоты. Другой полюс трансформатора был соединён с землёю. Разряды трансформатора были слышны на станции приёма в телефоне, соединённом с высоко поднятым проводом и землёй.
В примечании к его высказыванию от составителей сборника документов говорится: «А. С. Попов никогда не ставил себе в заслугу использование антенн, хотя много работал над их конструкцией»[19]:226.
Исследователи относят начало применения в аппаратуре Маркони длинного провода для передатчика и приёмника к осени 1896 года[20], а по некоторым источникам — к лету 1895 года[21].
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[* 2]
- диаграмма направленности (ДН), её тип[* 3] и возможность управления[* 4]
- 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[* 5]
- 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[* 6]
- векторная импульсная характеристика[* 7], векторная передаточная характеристика[* 8]
- шумовая температура антенны
- эффективная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ)[* 9] (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[22]
- Вибраторная антенна
- Симметричный вибратор (диполь)[* 10]
- Несимметричный вибратор[* 19]
- Антенна «Ground Plane»[* 20]
- Укороченная штыревая антенна[* 21]
- Коллинеарная антенна[* 22]
- J-образная антенна[* 23][23]
- Антенна зенитного излучения
- Диэлектрическая резонаторная антенна
- Вертикальная антенна верхнего питания
- Антенна Александерсена[* 24]
- Турникетная антенна
- Аэростатная антенна
- Директорная антенна[* 25]
- Антенна типа «волновой канал» (антенна Уда — Яги)
- Антенна СГД (синфазная горизонтальная диапазонная)[24]:224—263, 312—343
- Щелевая антенна
- Апертурная антенна[* 28]
- Открытый конец металлического волновода
- Рупорная антенна
- Зеркальная антенна
- Прямофокусная зеркальная антенна
- Офсетная зеркальная антенна[* 29]
- Антенна Кассегрена[* 30]
- Антенна Грегори[* 31]
- Зеркальная антенна зонтичного типа
- Рупорно-параболическая антенна
- Перископическая антенна
- Тороидальная антенна
- Антенны со специальной формой диаграммы направленности
- Антенна с косекансной диаграммой направленности[* 32]
- Линзовая антенна
- Линза Люнеберга
- Линза Ротмана[* 33]
- Линза Ван-Атта
- Антенна бегущей волны
- Спиральная антенна[* 34]
- Диэлектрическая стержневая антенна
- Импедансная антенна
- Антенна вытекающей волны
- Антенна с сосредоточенной емкостью
- V-образная антенна[* 35]
- Ромбическая антенна[* 36]
- Антенна Бевереджа[* 37]
- V-образная антенна (вертикальная)[* 38]
- λ-образная антенна[* 39]
- Антенны БС, БЕ и БИ[* 40]
- Слабонаправленные антенны диапазона СВЧ
- Полосковая антенна (патч-антенна)
- Сингулярная антенна[* 43]
- Чип-антенна[* 44]
- Сверхширокополосные антенны
- Антенны на принципе электродинамического подобия
- Биконическая антенна
- Дискоконусная антенна
- Излучатель типа «бабочка»
- Логопериодическая антенна[* 45]
- Вибраторная логопериодическая антенна
- Спиральная логопериодическая антенна
- Фрактальные антенны
- Т-рупор
- Антенна Вивальди
- Антенны на принципе электродинамического подобия
- Антенная решетка[* 46]
- Пеленгаторная антенна
- Антенна с обработкой сигнала
- Радиоинтерферометр
- Антенна с синтезированной апертурой[26]
- Радиооптическая антенная решетка[* 53]
- Электрически малая антенна[* 54]
- Магнитная антенна
- С ферритовым сердечником
- Магнитная рамочная антенна
- Наномеханическая магнитоэлектрическая антенна[27]
- Магнитная антенна
- Распределённые антенны
- Частично излучающий кабель[* 55]
- 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[28]
- Псевдо-антенны (антенны с мифическими техническими характеристиками)
- Ртутная антенна
- Плазменная антенна
- Концептуальные антенны
Примеры выдающихся конструкций
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
Галерея
- Комнатная телевизионная антенна диапазонов метровых волн (вибратор с регулируемой длиной плеч) и дециметровых волн (рамка у основания антенны)
- Панельные секторные антенны на мачте базовой станции сотовой связи
- Параболическая антенна телевизионного канала «Himalaya TV» для передачи данных на спутник. Катманду, Непал
- Решётка из четырех турникетных вибраторов панельного типа для нижнего диапазона метровых волн телевизионной станции, Германия
- Антенный сайт. На переднем плане — петлевой симметричный вибратор
- Трёхдиапазонная совмещённая антенна типа волновой канал любительской радиостанции
- Антенна-мачта радиостанции диапазона средних волн, Чапел-Хилл, Северная Каролина
См. также
- Спутниковая антенна
- Эквивалент антенны
- Антенное согласующее устройство
- Антенна-банка — забавная конструкция антенны для увеличения дальности действия радиоканала Wi-Fi
- Антенна Харченко
- Радиофобия
- Металлический изолятор
Примечания
- Комментарии
- Источники
Литература
- Антенна // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
- Антенны и устройства СВЧ / Под ред. Д. И. Воскресенского.. — М.: Радио и связь, 1981. — 432 с.
- Белоцерковский Г. Б. Основы радиотехники и антенны. — М.: Советское радио, 1969. — 432 с.
- Бова Н. Т., Резников Г. Б. Антенны и устройства СВЧ. — К.: Вища школа, 1982. — 272 с.
- Должиков В. В., Цыбаев Б. Г. Активные передающие антенны. — М., 1984. — 144 с.
- Долуханов М. П. Распространение радиоволн. — М.: Связь, 1965. — 399 с.
- Драбкин А. Л., Коренберг Е. Б. Антенны. — М.: Радио и связь, 1992.
- Ерохин Г. А., Чернов О. В., Козырев Н. Д., Кочержевский В. Д. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. — М.: Горячая линия — Телеком, 2007. — 496 с.
- Кисмерешкин В. П. Телевизионные антенны для индивидуального приема. — М.: Связь, 1976.
- Коротковолновые антенны / Под ред. Айзенберга. — М.: Радио и связь, 1985. — 536 с.
- Панченко Б. А., Нефёдов Е. И. Микрополосковые антенны. — М.: Радио и связь, 1986. — С. 144. — 9400 экз.
- Пистолькорс А. А. Антенны. — М.: Связьиздат, 1947. — С. 478.
- Ротхаммель К. Антенны = перевод с немецкого. — СПб.: «Бояныч», 1998. — 656 с.
- Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток. Изд. 4-е, доп. и перераб. / Под ред. Д. И. Воскресенского. — М.: Радиотехника, 2003. — 632 с.
- Филиппов В. С. и др. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток / Под ред. Д. И. Воскресенского.. — Радио и связь, 1994. — 592 с.
Ссылки
- Библиотека по антеннам различных диапазонов, статьи, обзоры . Архивировано из оригинала 10 апреля 2015 года.
- Расчёт и изготовление антенн своими руками, теория, практика
- Журнал «Антенны» . Архивировано из оригинала 1 июня 2013 года.. Международный научно-технический и теоретический журнал, издаваемый редакцией «Радиотехника» (Москва)
- Периодические издания IEEE: «IEEE Antennas and Propagation Magazine», «IEEE Transactions on Antennas and Propagation»
- Львович Р. В. Об антеннах // Друг Радио. — 1925. — № 9—10 (сентябрь — октябрь). — С. 7—13.