Антенны: параметры и основные типы

Введение

Антенна — ключевой элемент любой радиосистемы, обеспечивающий преобразование направляемых электромагнитных волн (в фидере) в свободные волны, распространяющиеся в пространстве (и обратно). От её параметров зависят дальность связи, зона покрытия, помехозащищённость и энергоэффективность системы.

В статье рассмотрены:

• основные параметры антенн (КНД, коэффициент усиления, диаграмма направленности);
• физические принципы формирования диаграммы;
• типовые конструкции: симметричный вибратор, антенна «волновой канал», логопериодическая антенна;
• области применения и критерии выбора.

1. Основные параметры антенн

1.1. Диаграмма направленности (ДН, Radiation Pattern)

Определение: графическое представление зависимости интенсивности излучения (или приёма) от направления в пространстве.

Формы представления:

• полярные координаты (классическая «цветочная» диаграмма);
• прямоугольные координаты (по углу и уровню);
• 3D‑графика.

Ключевые элементы ДН:

• главный лепесток (направление максимального излучения);
• боковые лепестки (паразитные направления);
• нули (направления минимального излучения);
• ширина главного лепестка (по уровню −3 дБ или −10 дБ).

Плоскости измерения:

• E‑плоскость (вектор E);
• H‑плоскость (вектор H).

1.2. Коэффициент направленного действия (КНД, D)

Определение: отношение плотности потока мощности, излучаемой антенной в заданном направлении, к плотности потока мощности, которую излучала бы изотропная антенна при той же подводимой мощности.

Формула:

D(θ,ϕ)=Sизотр​S(θ,ϕ)​,

где:

• S(θ,ϕ) — плотность потока мощности в направлении (θ,ϕ);
• Sизотр​ — плотность потока мощности изотропного излучателя.

Особенности:

• безразмерная величина;
• часто выражается в децибелах: DдБ​=10log10​D;
• максимален в направлении главного лепестка;
• не учитывает потери в антенне.

Типичные значения:

• диполь: D≈1,64 (2,15 дБ);
• рупорная антенна: D∼10…100 (10…20 дБ);
• параболический рефлектор: D∼103…104 (30…40 дБ).

1.3. Коэффициент усиления (G, Gain)

Определение: учитывает как направленность, так и КПД антенны:

G=D⋅η,

где η — коэффициент полезного действия (доля подведённой мощности, излучаемая в пространство).

Отличия от КНД:

• G≤D (так как η≤1);
• G отражает реальные потери (омические, диэлектрические, отражения);
• именно G используется в уравнении радиосвязи.

Измерение:

• методом сравнения с эталонной антенной;
• в безэховых камерах;
• расчётным путём (САПР).

1.4. Другие важные параметры

• Входное сопротивление (Zвх​): должно согласовываться с волновым сопротивлением фидера (обычно 50 или 75 Ом).
• Полоса пропускания (по КСВ < 2 или по ширине ДН).
• Поляризация (линейная, круговая, эллиптическая).
• Коэффициент стоячей волны (КСВ): мера согласования.
• Эффективная площадь (Ae​): связана с G через длину волны λ:G=λ24πAe​​.

2. Физические принципы формирования диаграммы направленности

2.1. Элементарный излучатель

• Элемент Гюйгенса (элемент поверхности): ДН в виде «восьмёрки».
• Электрический диполь (короткий вибратор): аналогичная ДН.

2.2. Линейная решётка излучателей

• Интерференция полей от отдельных элементов.
• Ширина лепестка уменьшается с ростом числа элементов и длины решётки.
• Направление главного максимума зависит от фазового сдвига между элементами.

2.3. Апертурные антенны

• Рупоры, зеркала: ДН определяется распределением поля в апертуре.
• Чем равномернее распределение, тем выше КНД.

2.4. Влияние экрана и окружающих объектов

• Металлические поверхности создают отражения и интерференцию.
• Земля (для наземных антенн) формирует «земную волну» и влияет на ДН.

3. Основные типы антенн

3.1. Симметричный вибратор

Конструкция:

• два проводника равной длины, разнесённые на малое расстояние;
• питание в центре (точка нулевого потенциала).

Параметры:

• длина каждого плеча: ≈λ/4 (полуволновой вибратор);
• входное сопротивление: ∼73 Ω (в свободном пространстве);
• ДН в E‑плоскости: «восьмёрка» с максимумами под углом 90° к оси;
• КНД: ∼1,64 (2,15 дБ);
• полоса: ∼5…10% от f0​.

Модификации:

• петлевой вибратор (Петровского): повышенное Zвх​;
• дисковый конус: широкая полоса;
• V‑образный: изменение ДН.

Применение:

• базовые антенны для КВ/УКВ;
• элементы многовибраторных систем (волновой канал);
• измерительные антенны.

3.2. Антенна «волновой канал» (Yagi‑Uda)

Конструкция:

• активный элемент (вибратор);
• рефлектор (один или несколько, позади вибратора);
• директоры (несколько, перед вибратором).

Принцип работы:

• рефлектор отражает энергию назад, создавая фазовую задержку;
• директоры «подхватывают» поле и переизлучают с опережением фазы;
• интерференция формирует узкий главный лепесток вперёд.

Параметры:

• КНД/усиление: ∼6…15 дБ (зависит от числа директоров);
• ширина ДН: ∼30…60∘ (по −3 дБ);
• полоса: ∼5…15%;
• КСВ: <2 в полосе.

Достоинства:

• простота и низкая стоимость;
• хорошее усиление при малых габаритах;
• направленность.

Недостатки:

• узкая полоса;
• чувствительность к точности изготовления.

Применение:

• ТВ‑приём (ДМВ);
• любительская радиосвязь (2 м, 70 см);
• беспроводные сенсоры.

3.3. Логопериодическая антенна

Конструкция:

• ряд вибраторов разной длины, расположенных вдоль линии питания;
• длины и расстояния между вибраторами меняются по логарифмическому закону:Ln​Ln+1​​=dn​dn+1​​=τ(постоянная периода).

Принцип работы:

• в любой полосе частот «активен» участок с вибраторами длиной ∼λ/2;
• энергия плавно передаётся от коротких к длинным вибраторам (или наоборот).

Параметры:

• полоса пропускания: до 10:1 (например, 300…3000 МГц);
• усиление: ∼6…10 дБ;
• ДН: узкая, стабильная в полосе;
• поляризация: линейная (по оси).

Достоинства:

• широкая полоса;
• стабильные параметры в диапазоне;
• симметричная ДН.

Недостатки:

• сложность изготовления;
• большие габариты на низких частотах.

Применение:

• широкополосные приёмные системы;
• пеленгация и РЭБ;
• испытания ЭМС (имитация источников помех).

4. Практические аспекты выбора антенны

4.1. Критерии выбора

• Диапазон частот → полоса антенны.
• Требуемое усиление → тип (диполь, Yagi, логопериодическая,