Антенна

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Ошибка скрипта: Модуля «hatnote» не существует.{{#if: | }}

Файл:Radiotelescope MGTU.PNG
Антенна радиотелескопа РТ 7.5. Диаметр зеркала 7,5 м, рабочий диапазон длин волн 1—4 мм
Файл:Dipole xmting antenna animation 4 408x318x150ms.gif
Дипольная антенна, излучающая радиоволны. Условно показаны петли электрического поля
Файл:Dipole receiving antenna animation 6 800x394x150ms.gif
Электрическое поле (E) приходящей волны возбуждает в приёмной антенне переменный ток, протекающий через входное сопротивление приёмника

Анте́нна (Шаблон:Lang-lat — мачта<ref name="Зенович">Словарь иностранных слов и выражений / Автор-составитель Е. С. Зенович.— М.: Олимп; ООО «Фирма «Издательство АСТ», 1998. — 608 с. ISBN 5-7390-0457-8 (Олимп) ISBN 5-237-00161-0 (АСТ)</ref>, рея) — преобразователь (обычно линейный) волновых полей<ref>Антенна / Шаблон:Cite web</ref>; в традиционном понимании — устройство, предназначенное для излучения или приёма радиоволн<ref name="ГОСТ">Шаблон:Cite web</ref><ref name="Зенович"/>.

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<ref name="Марков"/>Шаблон:Rp.

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

Привнесение термина «антенна» в технику беспроводной связи приписывают итальянцу Г. Маркони, но как решающий фактор в становление термина отмечается участие представителей французской науки, в частности физика А. Блонделя<ref name="Слюсар"/>. Летом 1895 года Маркони начал опыты со своими приборами в поместье отца и вскоре стал экспериментировать с длинной проволокой, подвешенной к шесту<ref>Шаблон:Cite web
Шаблон:Cite book</ref>. 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 упоминались как «терминалы» (выводы). Приобретённая известность Маркони способствовала распространению термина «антенна» среди исследователей и энтузиастов беспроводной связи, а затем и среди широкой публики<ref name="Слюсар">Слюсар В. И. Антенна: история радиотехнического термина Шаблон:Wayback // Первая миля. — 2011. — № 6. — С. 52—64.</ref><ref>Шаблон:Cite conference</ref>. Однако ряд физиков в конце XIX века, в том числе Блондель, не называли антенной вибратор Герца<ref>Бренев И. В. Начало радиотехники в России / Под ред. С. И. Зилитенкевича. — М.: Сов. Радио, 1970. — 256 с. — С. 79.</ref><ref name="Летопись"/>Шаблон:Rp.

Условная дата официального происхождения радиотехнического термина «антенна» — 30 января 1898 года, дата публикации статьи Шаблон:Iw, подтверждающей приоритет Маркони в использовании термина в беспроводной телеграфии. В статье указывается, что Маркони называет вертикальный провод антенной («M. Marconi appelle ce fil une antenne»). В одной из более ранних публикаций по опытам Маркони (в итальянском издании от 20 июля 1897 года) слово antenne употреблено в смысле «мачта, шест, столб». Утверждение советских авторов, что термин «антенна» был предложен А. Блонделем в его письме к А. С. Попову (от 20 ноября 1898 года<ref name="Летопись">Золотинкина Л. И., Партала М. А., Урвалов В. А. Летопись жизни и деятельности Александра Степановича Попова Шаблон:Wayback / Под ред. акад. РАН Ю. В. Гуляева. — СПб.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), 2008. — 560 с.</ref>Шаблон:Rp), ошибочно<ref name="Слюсар"/><ref>Шаблон:Cite conference</ref>. Попов и после 1898 года не применял термин «антенна», а использовал словосочетания «приёмный проводник»<ref name="Слюсар"/> или «вертикальная проволока».

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

Шаблон:Также 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)<ref name="Шапкин">Шаблон:Книга</ref>Шаблон:Rp.

В 1876 году Т. Эдисон использовал несимметричную шаровидную антенну в сконструированном им приёмнике электромагнитных колебаний<ref name="Шапкин"/>Шаблон:Rp. 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<ref name="Самохин">Самохин В. П., Тихомирова Е. А. На заре радиосвязи Шаблон:Wayback // Наука и образование: электронное научно-техническое издание, 2017, вып. 6.</ref>.

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<ref>Шаблон:БРЭ</ref>. 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<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Антенну в приёмнике (а также в передатчике<ref>177. Доклад Комиссии, избранной Физическим отделом Русского физико-химического общества по вопросу о научном значении работ А. С. Попова с приложением писем Э. Бранли и О. Лоджа. 1908 // Шаблон:Книга</ref>) в виде отрезка проволоки использовал в своих экспериментах Э. Бранли в 1890—1891 годах<ref name="Шапкин"/>Шаблон:Rp.

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)»<ref>62. Из журнала заседаний Французского физического общества в Париже в связи с работами А. С. Попова. Декабрь 1898 г. // Шаблон:Книга</ref>Шаблон:Rp.

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<ref name="Шапкин"/>Шаблон:Rp.

В советской<ref>Шаблон:БСЭ3</ref>, а затем в российской литературе<ref>Шаблон:БРЭ</ref> 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<ref name="Документы"/>Шаблон:Rp: <templatestyles src="Шаблон:Начало_цитаты/styles.css" />{{#ifexpr: 0 mod 2 = 0 and 0 != 4 and 0 != 104 |

}}{{#if: |

:

}}

{{#ifexpr: 0 mod 2 = 0 and 0 != 4 and 0 != 104 |

}}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.{{#if:

| <templatestyles src="Шаблон:Конец цитаты/styles.css" />

—

}}

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»<ref name="Документы">71. Доклад А. С. Попова «Телеграфирование без проводов» на соединённом заседании VI отдела Русского технического общества и Первого Всероссийского электротехнического съезда. 29 декабря 1899 г. // Шаблон:Книга</ref>Шаблон:Rp.

Исследователи относят начало применения в аппаратуре Маркони длинного провода для передатчика и приёмника к осени 1896 года<ref>Шаблон:Cite web</ref>, а по некоторым источникам — к лету 1895 года<ref>Charles Süsskind. Popov and the beginnings of radiotelegraphy. Proc. IRE. — 1962. — V. 50. — P. 2036—2047.</ref>.

Принцип действия

Файл:Dipolentstehung.gif
От колебательного контура к дипольной антенне. Силовые линии электрического (синие) и магнитного (красные) полей

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:

Файл:15el-yagi-dn800.PNG
Параметры и пример диаграммы направленности (ДН) антенны:
КНД — коэффициент направленного действия,
КУ — коэффициент усиления,
УБЛ — уровень боковых лепестков,
F/B — коэффициент подавления обратного излучения

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

Шаблон:ЛП

Файл:Главная антенна питерской телебашни.jpg
Мощная антенна телебашни (высота над землёй 326 метров, снято суперзумом)
Файл:Антенно-мачтовое сооружение.jpg
Антенно-мачтовое сооружение с установленными на нём антеннами
Файл:Antenna.jpg
Телевизионные антенны типа «волновой канал» метрового и дециметрового диапазонов
Файл:Антенна Дельта Н-1381 на мачте.jpg
Телевизионная антенна на мачте. Такая установка весьма характерна в сельской местности
Файл:Sputnik asm.jpg
Вибраторные уголковые антенны на первом искусственном спутнике Земли разработаны профессором РТФ МЭИ Г. Т. Марковым. Две антенны<ref name="Марков">Марков Г. Т., Сазонов Д. М. Антенны. Учебник для студентов радиотехнических специальностей вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.: Энергия, 1975. — 528 с.</ref>Шаблон:Rp располагаются крест-накрест, каждая состоит из двух плеч-штырей длиной по 2,4 м и по 2,9 м, угол между плечами в паре — 70°. Такая антенна на рабочих длинах волн 15 и 7,5 м обеспечивала близкую к равномерной характеристику направленности (требовалось в связи с тем, что спутник был неориентирован) и хорошие входные импедансы с учетом влияния металлического корпуса спутника.
Файл:Seeker Kh-35E maks2005.jpg
Волноводно-щелевая ФАР в составе головки самонаведения противокорабельной ракеты Х-35Э. МАКС-2005

Содержание этого раздела является скорее не классификацией, а простым перечислением типов антенн со ссылками на их более подробное описание.

Файл:Рамочная комнатная антенна.JPG
Телевизионная комнатная антенна дециметрового диапазона в виде рамки

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

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:

Специализирующиеся производители

Галерея

См. также

Примечания

Комментарии Шаблон:Примечания

Источники Шаблон:Примечания

Литература

Ссылки

Шаблон:ВС

Источник — https://camokathomelab.servebeer.com/mediawiki/index.php?title=Антенна&oldid=34214