Антенна

Антенна (лат. antenna — мачта, рея) — преобразователь (обычно линейный) волновых полей; в традиционном понимании — устройство, предназначенное для излучения или приёма радиоволн.

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.

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. 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.

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), ошибочно. 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.

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).

В 1876 году Т. Эдисон использовал несимметричную шаровидную антенну в сконструированном им приёмнике электромагнитных колебаний. 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.

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. 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.

Антенну в приёмнике (а также в передатчике) в виде отрезка проволоки использовал в своих экспериментах Э. Бранли в 1890—1891 годах.

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)».

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.

В советской, а затем в российской литературе 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:

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».

Исследователи относят начало применения в аппаратуре Маркони длинного провода для передатчика и приёмника к осени 1896 года, а по некоторым источникам — к лету 1895 года.

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
  • диаграмма направленности (ДН), её тип и возможность управления
  • 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
• 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
  • векторная импульсная характеристика, векторная передаточная характеристика
• шумовая температура антенны
• эффективная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) (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

• Вибраторная антенна
  • Симметричный вибратор (диполь)
    • Разрезной вибратор
    • Шунтовой вибратор
    • Петлевой вибратор («петлевой вибратор Пистолькорса», шлейф-вибратор)
    • Диполь Надененко
    • Уголковая вибраторная антенна
    • Антенна «Inverted V»
    • «Коаксиальная» антенна
    • CFR-антенна
  • Несимметричный вибратор
    • Антенна «Ground Plane»
    • Укороченная штыревая антенна
    • Коллинеарная антенна
    • J-образная антенна
    • Антенна зенитного излучения
    • Диэлектрическая резонаторная антенна
    • Вертикальная антенна верхнего питания
    • Антенна Александерсена
  • Турникетная антенна
  • Аэростатная антенна
  • Директорная антенна
    • Антенна типа «волновой канал» (антенна Уда — Яги)
  • Антенна СГД (синфазная горизонтальная диапазонная)
• Щелевая антенна
  • Щелевой вибратор
  • Пазовая антенна
  • Волноводно-щелевая антенна
• Апертурная антенна
  • Открытый конец металлического волновода
  • Рупорная антенна
  • Зеркальная антенна
    • Прямофокусная зеркальная антенна
    • Офсетная зеркальная антенна
    • Антенна Кассегрена
    • Антенна Грегори
    • Зеркальная антенна зонтичного типа
    • Рупорно-параболическая антенна
    • Перископическая антенна
    • Тороидальная антенна
  • Антенны со специальной формой диаграммы направленности
    • Антенна с косекансной диаграммой направленности
  • Линзовая антенна
    • Линза Люнеберга
    • Линза Ротмана
    • Линза Ван-Атта
• Антенна бегущей волны
  • Спиральная антенна
  • Диэлектрическая стержневая антенна
  • Импедансная антенна
  • Антенна вытекающей волны
  • Антенна с сосредоточенной емкостью
  • V-образная антенна
  • Ромбическая антенна
  • Антенна Бевереджа
    • V-образная антенна (вертикальная)
    • λ-образная антенна
  • Антенны БС, БЕ и БИ
• Слабонаправленные антенны диапазона СВЧ
  • Полосковая антенна (патч-антенна)
    • Микрополосковая печатная антенна
    • Антенна PIFA
  • Сингулярная антенна
  • Чип-антенна
• Сверхширокополосные антенны
  • Антенны на принципе электродинамического подобия
    • Биконическая антенна
    • Дискоконусная антенна
    • Излучатель типа «бабочка»
  • Логопериодическая антенна
    • Вибраторная логопериодическая антенна
    • Спиральная логопериодическая антенна
  • Фрактальные антенны
  • Т-рупор
  • Антенна Вивальди
• Антенная решетка
  • Фазированная антенная решётка (ФАР)
    • Пассивная ФАР
    • Активная ФАР
    • Цифровая антенная решётка
  • Многолучевая антенная решетка
  • MIMO-антенна
  • CTS-антенна
• Пеленгаторная антенна
  • Рамочная антенна
  • Двухрамочная антенна
  • Антенна Эдкока
  • Антенна Вулленвебера
• Антенна с обработкой сигнала
  • Радиоинтерферометр
  • Антенна с синтезированной апертурой
  • Радиооптическая антенная решетка
• Электрически малая антенна
  • Магнитная антенна
    • С ферритовым сердечником
    • Магнитная рамочная антенна
  • Наномеханическая магнитоэлектрическая антенна
• Распределённые антенны
  • Частично излучающий кабель
• 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
• Псевдо-антенны (антенны с мифическими техническими характеристиками)
  • Ртутная антенна
• Плазменная антенна
• Концептуальные антенны
  • Гравитационная антенна

Примеры выдающихся конструкций

• Антенна АДУ-1000
• Антенна РТ-70
• Антенна загоризонтной РЛС «Дуга»
• Антенна станции зондирования ионосферы HAARP
• Антенна радиообсерватории Аресибо
• Антенна радиотелескопа Грин-Бэнк
• Антенна СДВ-радиостанции «Голиаф»

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

• Funke Digital TV

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

• Директорная антенна "волновой канал" мобильной связной армейской радиостанции, Дрезден, Германия, 1955

• Решетка из четырех турникетных вибраторов панельного типа для нижнего диапазона метровых волн телевизионной станции, Германия

• Антенный сайт. На переднем плане - петлевой симметричный вибратор

• Трехдиапазонная совмещенная антенна типа волновой канал любительской радиостанции

• Антенна-мачта радиостанции диапазона средних волн, Чапел-Хилл, Северная Каролина

• АК-47 (группа)
• Духифат
• Лучшая ночь
• Челебиев, Джавид Намиг оглы
• Отрицаемое шифрование
• Секреты успешного бизнеса в Instagram
• Способы повышения продуктивности, чтобы выбраться из рутины дистанционной работы
• Сёстры Чан Ньыт
• Плюсы и минусы объединения кухни и гостиной
• Протасович, Ян