Антенны — это устройства, предназначенные для излучения и приёма электромагнитных волн. Они играют ключевую роль в радиосвязи, радиолокации, телевидении, навигации и многих других сферах. Антенна преобразует переменный электрический ток в электромагнитную волну при передаче и выполняет обратное преобразование при приёме.
Физической основой работы антенн является тот факт, что переменное электрическое поле, существующее в проводниках, может возбуждать переменное магнитное поле, и наоборот, согласно уравнениям Максвелла. Это приводит к распространению электромагнитной волны от антенны в пространство.
Типичным примером элементарной антенны служит электрический диполь. Такой диполь состоит из двух проводников, по которым течёт переменный ток, возбуждающий радиоволны. Если длина диполя составляет половину длины волны, то такая антенна называется полуволновым диполем — это один из самых эффективных и распространённых типов антенн.
Диаграмма направленности. Отражает зависимость излучаемой или принимаемой мощности от направления. Она характеризует пространственное распределение мощности антенны и позволяет оценить, в каком направлении антенна излучает более интенсивно.
Коэффициент усиления (KU). Показывает, во сколько раз антенна усиливает сигнал по сравнению с эталонной (изотропной) антенной. Чем выше коэффициент усиления, тем более направленным является излучение.
Коэффициент направленности (KN). Это отношение мощности, излучаемой в главном направлении, к средней мощности, излучаемой во всех направлениях. Он связан с коэффициентом усиления, но не учитывает потери.
Поляризация. Определяется направлением вектора электрического поля волны. Поляризация может быть линейной, круговой или эллиптической. Для эффективного приёма сигнала поляризация передающей и приёмной антенны должны совпадать.
Импеданс антенны. Представляет собой комплексное сопротивление, характеризующее антенну на заданной частоте. Для согласования антенны с передающим или приёмным трактом требуется, чтобы её импеданс соответствовал импедансу линии передачи (обычно 50 или 75 Ом).
Элементарные антенны. Простейшими являются дипольные и петлевые антенны. Дипольные антенны ориентированы на приём и передачу в определённой полосе частот. Петлевая антенна представляет собой провод, замкнутый в кольцо, по которому течёт ток — она создаёт преимущественно магнитное поле.
Направленные антенны. К ним относятся рамочные, логопериодические и зеркальные антенны (например, параболические). Эти антенны фокусируют энергию в определённом направлении, обеспечивая высокий коэффициент усиления.
Решётчатые антенны. Состоят из массива одинаковых антенн, излучающих когерентно. Изменением фаз и амплитуд токов в отдельных элементах можно формировать и управлять диаграммой направленности.
Микрополосковые антенны. Представляют собой плоские конструкции на диэлектрических подложках и применяются в мобильных устройствах, радарах и спутниковой связи благодаря своей компактности и малой массе.
Волновод — это структура, предназначенная для направленного распространения электромагнитных волн. Он обеспечивает передачу энергии от источника к приёмнику с минимальными потерями, особенно на высоких частотах, где коаксиальные кабели становятся неэффективными.
Типы волноводов:
Критическая частота и отсечка. В волноводе не все частоты могут распространяться. Существует критическая частота для каждой моды, ниже которой волна не распространяется, а затухает. Это связано с тем, что волна должна удовлетворять граничным условиям на стенках волновода.
Дисперсия. Волноводы обладают дисперсионными свойствами — скорость фазы и скорость группы зависят от частоты. Это приводит к искажению сигнала, особенно широкополосного.
Коэффициент отражения и стоячие волны. Если волновод не согласован с нагрузкой, возникает отражение волны и образование стоячих волн. Для их минимизации применяются согласующие устройства и поглотители.
Волна в волноводе может распространяться в различных модах:
Каждая мода характеризуется своей конфигурацией полей и критической частотой. В большинстве случаев волноводы проектируются так, чтобы обеспечивать распространение только одной — основной — моды.
Для эффективной передачи мощности важно обеспечить согласование импедансов антенны, волновода и генератора. Несогласованность приводит к отражению энергии и образованию стоячих волн, что снижает эффективность системы и может повредить передающее оборудование.
Методы согласования:
Коэффициент стоячей волны (КСВ) — величина, характеризующая степень согласования. Идеальное значение КСВ равно 1, что означает полное согласование.
Излучаемая антенной электромагнитная волна представляет собой комбинацию переменных электрического и магнитного полей, взаимно перпендикулярных и распространяющихся в пространстве. На больших расстояниях от антенны (в зоне дальнего поля) волна приближается по характеристикам к плоской.
Приёмная антенна взаимодействует с проходящей через неё электромагнитной волной, индуцируя в проводниках ЭДС, которая затем усиливается и обрабатывается приёмником. Для повышения эффективности приёма необходимо соблюдение условий резонанса и поляризационного согласования.
Зона ближнего поля (реактивная зона): Область вблизи антенны, где структура поля сложна и не соответствует простым волновым решениям уравнений Максвелла. Здесь поле определяется как сумма полей, непосредственно связанных с токами в антенне.
Зона дальнего поля (радиационная зона): Область, в которой электромагнитные волны ведут себя как излучение — волновые фронты стремятся к сферическим, поля убывают как 1/r, и соотношение между E и H соответствует волне в свободном пространстве.
Граница между ближней и дальней зоной оценивается по формуле:
$$ R > \frac{2D^2}{\lambda}, $$
где D — наибольший размер антенны, λ — длина волны.
Антенны и волноводы являются неотъемлемой частью современного понимания электромагнитного взаимодействия и его практического применения. Их изучение требует уверенного владения электродинамикой и навыков работы с волновыми уравнениями, граничными условиями и резонансными явлениями.