Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова
Т.К. Артёмова, Н.И. Фомичёв
Антенны
Учебное пособие
Рекомендовано
Научно-методическим советом университета
для студентов, обучающихся по специальности
Радиофизика и электроника
Ярославль 2007
Стр.1
Артёмова Т.К., Фомичёв Н.И. Антенны
УДК 621.396.67
ББК З 845я73
А 86
Рекомендовано
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного издания. План 2007 года
Рецензенты:
начальник отдела ОАО "Кари", канд. физ.-мат. наук, доц. А.С. Захаров;
кафедра физики Ярославского государственного технического университета
А 86
Артёмова, Т.К. Антенны: Учеб. пособие / Т.К. Артёмова, Н.И. Фомичёв.
– Яросл. гос. ун-т. – Ярославль: ЯрГУ, 2007. – 128 с.
ISBN 978-5-8397-0588-3
В пособии обобщен материал публикаций многих авторов по вопросам
конструкций, функционирования, характеристик, анализа и измерения
параметров антенн различных классов.
Представлены основные понятия теории антенн, их радиотехнические
характеристики и параметры (первая глава); классификация антенн, параметры
и принципы функционирования антенн различных классов
(вибраторные, рупорные, линзовые, спиральные, диэлектрические
стержневые, антенны поверхностных волн). Большое внимание уделено
теории анализа и синтеза антенных решёток. Рассмотрены вопросы измерения
характеристик и параметров антенн. Пособие содержит как
фундаментальный, необходимый для понимания работы антенных устройств
материал, так и практически важные формулы и числовые рекомендации,
позволяющие читателю самостоятельно овладеть методами
анализа различных антенн, синтеза антенн с заданными параметрами.
Материал также будет полезным при выполнении курсовых и дипломных
проектов, связанных с расчетами антенно-фидерных устройств.
Данное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности
010801 Радиофизика и электроника (дисциплина "Антенны",
блок ДС), очной и заочной форм обучения.
Ил.: 39. Библиогр.: 13 назв.
УДК 621.396.67
ББК З 845я73
© Ярославский государственный
университет, 2007
ISBN 978-5-8397-0588-3
© Артёмова Т.К., Фомичёв Н.И., 2007
2
Стр.2
Содержание
Введение .............................................................................................................. 5
Глава 1. Радиотехнические характеристики и параметры передающих
и приемных антенн ........................................................................... 7
1.1. Структурная схема антенны .............................................................. 7
1.2. Векторная комплексная диаграмма направленности антенны ....... 9
1.3. Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления 17
1.4. Сопротивление антенны .................................................................... 18
1.5. Действующая длина и эффективная площадь ................................. 20
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 21
Глава 2. Вибраторные антенны ................................................................... 23
2.1. Симметричные вибраторы ................................................................ 23
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 30
Глава 3. Спиральные антенны ..................................................................... 32
3.1. Характеристики однозаходной цилиндрической спирали ............... 35
3.2. Конические спиральные антенны ...................................................... 40
3.3. Плоские спиральные антенны ............................................................ 42
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 43
Глава 4. Рупорные антенны .......................................................................... 45
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 50
Глава 5. Линзовые антенны .......................................................................... 52
5.1. Диэлектрические линзы ....................................................................... 57
5.2. Металлические линзы .......................................................................... 58
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 61
Глава 6. Щелевые антенны ........................................................................... 62
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 64
3
Стр.3
Артёмова Т.К., Фомичёв Н.И. Антенны
Глава 7. Антенны поверхностных волн ..................................................... 65
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 67
Глава 8. Диэлектрические антенны ............................................................ 68
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 72
Глава 9. Принципы формирования направленных характеристик
излучения .......................................................................................... 73
9.1. Поле системы излучателей, одинаково ориентированных
в пространстве .................................................................................... 73
9.2. Равномерная линейная решетка излучателей .................................. 76
9.3. Анализ множителя комбинирования ................................................. 79
9.4. Различные режимы излучения линейной решетки ........................... 89
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 93
Глава 10. Антенные решетки ........................................................................ 96
10.1. Способы сканирования и задачи, решаемые с помощью
антенных решеток ............................................................................. 96
10.2. Фазированные антенные решетки .................................................. 98
10.3. Многолучевые антенные решетки ................................................ 104
Вопросы для самоконтроля ..................................................................... 112
Глава 11. Измерение параметров антенн ................................................. 114
11.1. Измерение диаграмм направленности антенн ........................... 114
11.2. Фазовые характеристики ............................................................. 119
11.3. Поляризационные характеристики ............................................... 121
11.4. Коэффициент усиления ................................................................... 123
Вопросы для самоконтроля ..................................................................... 124
Литература ...................................................................................................... 126
4
Стр.4
Введение
Введение
Введение
Основное назначение антенн – излучение или прием электромагнитных
волн.
Антенной называется устройство, осуществляющее преобразование
направляемых электромагнитных волн в радиоволны, и
наоборот, радиоволн в направляемые электромагнитные волны.
Антенны относятся к пассивным компонентам радиосистем,
и в конструктивном отношении они представляют собой сочетание
проводников и магнитодиэлектриков. Наряду с излучением и
приемом радиоволн антенны выполняют функции пространственной
фильтрации радиосигналов, обеспечивая направленность
действия радиосистем и осуществляя пеленгацию источников радиоизлучения.
Качество
функционирования антенн оценивается рядом радиотехнических,
конструктивных и других характеристик и параметров.
Конструктивное выполнение антенн и достижимые
значения параметров существенно зависят от диапазона применяемых
радиоволн. Различают антенны длинных волн (10 000 –
1 000 м), средних волн (1 000 – 100 м), коротковолновые антенны
(100 – 10 м), антенны УКВ, СВЧ-антенны (300 МГц – 300 ГГц),
антенны оптических волн.
Классификацию антенн можно производить по различным
признакам.
Во-первых, антенны можно разделить на передающие и приемные,
однако, согласно теореме взаимности, свойства антенны
на передачу и на прием не отличаются.
Во-вторых, это деление по используемому диапазону частот
на широкополосные и узкополосные.
В-третьих, среди антенн по их направленным свойствам
можно выделить остронаправленные, слабонаправленные и ненаправленные.
5
Стр.5
Артёмова Т.К., Фомичёв Н.И. Антенны
Самое крупное деление по устройству антенн представляет
собой разделение на три группы: антенны с линейными токами –
линейные антенны, апертурные антенны, антенны поверхностных
волн.
Линейные антенны – это антенны, у которых токи протекают
по каналам, узким по сравнению с продольными размерами и
длиной волны. Они делятся на проволочные и щелевые. Проволочные
антенны бывают как открытые (система проводов, изолированных
на конце, например вибраторные антенны), так и закрытые
(замкнутые контуры, например петлевые антенны). Открытые
антенны широко применяются в радиосвязи, в радиовещании,
закрытые – главным образом в радионавигации. Антенны
можно также подразделить на симметричные (потенциалы зажимов
антенны одинаковы по величине и противоположны по знаку;
такая антенна состоит из двух одинаковых половин) и несимметричные
(один из зажимов антенны соединяется с заземлением
или противовесом и имеет нулевой потенциал).
Апертурные антенны – антенны, излучение которых происходит
через раскрыв, называемый апертурой (например, рупорные,
линзовые, зеркальные). В раскрывах таких антенн обычно
создается поле, близкое к синфазному, поэтому максимальное излучение
происходит в направлении, перпендикулярном плоскости
раскрыва, то есть апертурные антенны – высоконаправленные.
Они являются основным типом радиолокационных антенн,
используются в радионавигации, радиоастрономии, радиосвязи.
Антенны поверхностных волн возбуждаются бегущими
электромагнитными волнами, распространяющимися вдоль антенны,
и излучают в направлении распространения (например,
стержневая диэлектрическая антенна, являющаяся продолжением
открытого на конце круглого волновода). Это относительно компактные
антенны, поэтому применяются в радиооборудовании
летательных аппаратов.
Антенны всех типов могут группироваться в многоэлементные
антенные решетки, что позволяет получать управляемые
характеристики.
6
Стр.6
Глава 1. Радиотехнические характеристики и параметры антенн
Глава 1. Радиотехнические характеристики и параметры антенн
Глава 1
Радиотехнические
характеристики и параметры
передающих и приемных антенн
1.1. Структурная схема антенны
В схеме конкретной антенны можно выделить следующие
элементы: вход, согласующее устройство, распределитель и излучающую
систему (см. рис. 1.1).
Согласующее
устройство
излучатель
вход
распределитель
Рис. 1.1. Структурная схема антенны
Под входом антенны обычно понимают сечение линии передачи
с волной заданного типа. Положение этого сечения должно
быть точно указано, что необходимо для однозначного электрического
расчета тракта. Современные антенны могут иметь сотни,
а иногда тысячи входов. Эти входы используются для одновременной
работы антенны на различных частотах, или незави7
Стр.7