Типы антенн

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 23:10, 17 ноября 2016.

Огромный диапазон длин волн, излучаемых или принимаемых антеннами, от десятков км до долей мм, и многообразие областей использования антенн (от связи, радиолокации, радиоастрономии до геологии и медицины) обусловили большое разнообразие типов и конструкций антенн.

Для ДВ, СВ и KB используются в основном проволочные и вибраторные антенны и их совокупности (в частности, ФАР и антенные "поля"). Примеры таких антенн приведены на рис. 3-5, 8-10, 16-18.

Плоская синфазная ФАР относится к поперечным антеннам, излучающим главным образом в направлении, перпендикулярном плоскости расположения вибраторов. В этом направлении электромагнитные волны, излучаемые вибраторами, складываются синфазно, и сюда излучается максимальная энергия. Если разность фаз токов в соседних вибраторах постепенно увеличивать вдоль какого-либо направления в плоскости решетки, что эквивалентно созданию бегущей волны тока, то направление максимума ДН будет поворачиваться. Этим пользуются для т. н. качания луча антенны в пространстве (сканирования). Другая разновидность вибраторных антенн - продольные (одномерные) антенны, максимально излучающие в плоскости расположения вибраторов (рис. 17, 18). В ДВ- и СВ-антеннах обе функции (создание поля излучения и формирование ДН) выполняют одни и те же элементы - вибраторы.

Рис. 18. Антенна "волновой канал".

В антеннах СВЧ-диапазопа эти функции обычно разделяются между отдельными элементами: поля излучения по-прежнему создают вибраторы (в т. ч. и возбудители щелей, волноводов и т. п.), но ДН формируется в результате суперпозиции не только полей от излучателей, но и полей, рассеянных на различных структурах - зеркале, линзе, щели, отверстии рупора и т. д. В антеннах СВЧ-днапазона можно выделить (условно) ряд типов - рупорные, линзовые, щелевые, диэлектрические, зеркальные, поверхностных волн (импедансные), ФАР, искусственные апертуры, интерферометры, системы апертурного синтеза. Каждый из этих типов содержит множество разновидностей (рупоры: секториальные, пирамидальные, биконические, конические; линзы: диэлектрические, металлические, металлодиэлектрические; щели на плоской и неплоской поверхностях; зеркальные антенны: параболоиды вращения, сферические антенны, цилиндры, перископические антенны, антенны переменного профиля, рупорно-параболические антенны; антенны поверхностных волн: с плоскими, цилиндрическими направляющими элементами; ФАР: эквидистантные, неэквидистантные, многолучевые, с качанием луча, плоские, выпукло-конформные; интерферометрические системы и системы апертурного синтеза из неподвижных и подвижных антенн, незаполненные апертуры - кресты, Т-образные, компаунд-интерферометры и т. д.).

Конструктивное выполнение антенн еще более разнообразно: например, на летательных аппаратах желательны невыступающие антенны, космические антенны должны учитывать невесомость, автоматически развертываться и т. д., ряд антенн устанавливается под радиопрозрачными укрытиями, антенны бывают полноповоротными или неподвижными, стационарными или перевозимыми и т. д.

Весьма существенна форма ДН. Например, в качестве бортовых антенн летательных аппаратов используются слабонаправленные антенны с широкой ДН. В антеннах радиолокационных станций, предназначенных для обзора пространства и вращающихся вокруг вертикальной оси, ДН узкая в горизонтальной плоскости и широкая в вертикальной либо состоящая из множества сканирующих узких лучей. Радиоастрономические антенны и антенны космической связи должны обладать чрезвычайно высокой направленностью для точного определения координат объекта, что требует увеличения отношения .

Однако беспредельное наращивание размеров бесполезно, т.к. формирование узкой ДН и реализация большой эффективной площади приема предъявляют жесткие требования к точности изготовления и сохранения во времени поверхности антенны. Отклонение поверхности от заданной должно быть на порядок меньше рабочей длины волны. Для обеспечения этого условия используют, в частности, т. н. гомологический принцип конструирования, когда при движении зеркала с помощью управляемого ЭВМ перераспределения нагрузок сохраняется заданная форма поверхности, но со смещенным фокусом, куда автоматически перемещается облучатель. Другими радикальными способами повышения разрешающей способности антенн являются расчленение антенны на отдельные регулируемые элементы [антенны переменного профиля, перископические антенны (рис. 19), ФАР] и разнесение антенн, используемых в качестве элементов интерферометрических систем и систем апертурного синтеза.

К особому классу относятся т. н. малошумящие антенны, примером которых может служить рупорно-параболическая антенна (рис. 20). Расположенный в фокусе излучатель облучает часть параболоида, и энергия излучается в пространство через апертуру, ограниченную металлическим зеркалом и конусом, так что энергия облучателя попадает только на зеркало. Уровень боковых и задних лепестков в ДН такой антенны весьма мал, а шумовая температура составляет несколько К.

Характерная особенность современной техники антенн - использование антенн с обработкой сигналов (цифровой, аналоговой, пространственно-временной, методами когерентной и некогерентной оптики и т. д.). Если излучение принимается антенной, в которой токи от отдельных излучателей или участков суммируются в одном тракте, то обработка такого суммарного сигнала связана с потерей информации. В то же время в ФАР, например, можно обрабатывать отдельно каждый принятый элементами или их совокупностью сигнал и затем подвергать полученные сигналы дополнительной обработке, например, нелинейной, извлекая максимум информации или меняя в зависимости от времени или от сигнала параметры антенны (адаптивные антенны, динамические антенны с временной модуляцией параметров и т. д.). Другим примером антенны с обработкой сигнала является антенна с "искусственным раскрывом", когда используется движение антенны, сигнал которой обрабатывается в процессе движения методом когерентного накопления.

Антенны с обработкой сигнала применяют в радиоастрономических системах апертурного синтеза (см. Апертурный синтез, Антенна радиотелескопа). Принцип апертурного синтеза заключается в использовании ряда антенн, последовательно во времени или стационарно занимающих определенные положения. Их сигналы суммируются и перемножаются с различными взаимными фазовыми соотношениями. В результате обработки на ЭВМ получается информация, эквивалентная таковой при использовании сплошной апертуры, значительно превосходящей апертуры отдельных антенн. При машинной обработке можно осуществлять сканирование в пределах достаточно широкого лепестка отдельной антенны и другие необходимые преобразования ДН. Перспективными являются глобальные наземные и космические системы апертурного синтеза, объединенные через ИСЗ. Чувствительность и разрешение этих систем позволяют исследовать отдаленные объекты Вселенной.

В 1970-х гг. возник новый тип антенн, состоящей из решетки облучателей со встроенными полупроводниковыми диодами и осуществляющей одновременный прием и выпрямление СВЧ-колебаний, — так называемая ректенна (от англ. rectifier и antenna). Возникновение ректенн связано с проблемой создания солнечных космических электростанций: на геосинхронной орбите (~35800 км над Землей) размещаются панели солнечных батарей площадью ~10 км² каждая, вырабатывающие по 4-5 млн. кВт электроэнергии постоянного тока. Эта энергия должна питать мощные СВЧ-генераторы, подсоединенные к передающим антеннам (активные ФАР с диаметром ~1 км), посылающим на Землю мощный когерентный пучок электромагных волн сантиметрового диапазона (эти волны слабо поглощаются в ионосфере и тропосфере Земли). Это излучение можно принимать на Земле ректеннами с размерами решетки ~7 км.