Двухдиапазонные антенны дипольного вида с концевым питанием

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
С.А. АЛЕКСЕЙЦЕВ, А.П. ГОРБАЧЕВ 
 
 
 
ДВУХДИАПАЗОННЫЕ 
АНТЕННЫ  
ДИПОЛЬНОГО ВИДА  
С КОНЦЕВЫМ ПИТАНИЕМ 
 
 
Утверждено 
Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2020 

УДК 621.396.677(075.8) 
   А 478 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор В.П. Разинкин, 
канд. техн. наук, доцент А.М. Сажнев 
 
 
 
 
Алексейцев С.А. 
А 478  
Двухдиапазонные антенны дипольного вида с концевым 
питанием: учебное пособие / С.А. Алексейцев, А.П. Горбачев. – 
Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. – 64 с. 

 
 
ISBN 978-5-7782-4155-8 

Рассматриваются этапы проектирования двухдиапазонных антенн дипольного вида с концевым питанием несимметричными источниками сверхвысокочастотного гармонического напряжения. Основное внимание сосредоточено на ключевых вопросах эскизного проектирования высокой степени 
готовности, не нашедших должного освещения в учебно-методической литературе последних лет. При этом широко используется модифицированный 
метод наводимых электродвижущих сил, позволяющий решать задачи как 
для вытянутых объёмных цилиндрических проводников, так и для печатной 
полосковой реализации последних. Представлены процедуры пошагового 
формирования алгоритмов оценивания излучательных характеристик спроектированных антенн, приводятся материалы для составления ФОРТРАНпрограмм или на других алгоритмических языках нелинейной параметрической оптимизации геометрических размеров излучательной части печатных 
топологий антенн. Подробно описываются особенности и конструктивнотехнологические ограничения, характерные для ключевых этапов эскизного 
проектирования упомянутых антенн для радиотехнических и инфокоммуникационных систем с линейной поляризацией излучаемых радиоволн. 
 
УДК 621.396.677(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-4155-8 
© Алексейцев С.А., Горбачев А.П., 2020 
 
© Новосибирский государственный 
 
    технический университет, 2020 

ВВЕДЕНИЕ 

Уединённые антенны дипольного вида и многоэлементные директорные антенны на их основе широко применяются в радиотехнических и инфокоммуникационных системах с линейной поляризацией 
излучаемых/принимаемых радиоволн. При этом в ряде отечественных работ директорные антенны называются «антенны – волновой 
канал», а в англоязычной литературе и в Интернете широко используется название “The Yagi-Uda antennas”, которое образовано по фамилиям хорошо известных в прошлом японских антенных специалистов Hidetsugu Yagi и Shintaro Uda, детально исследовавших этот тип 
антенн ещё в 20-х годах прошлого века. 
Не приходится сомневаться, что за истекшие десятилетия (почти 
столетие) методика проектирования антенн дипольного вида в связи с 
широчайшим их применением и относительной дешевизной (можно 
обратить внимание читателей хотя бы на тот факт, что над каждым 
подъездом каждого жилого дома установлены директорные антенны 
для коллективного приема телевизионных программ метрового, а зачастую и дециметрового диапазона) достигла высокой степени совершенства: имеются различные номограммы, обширные табулированные результаты, вычислительные программы, в том числе ресурсы 
Интернета, систематизирующие результаты исследований и проектирования. Кроме того, ныне широко применяются полноволновые (от 
английского выражения “full-wave”) системы автоматизированного 
проектирования (САПР) трёхмерных объектов, каковыми являются 

все типы антенн, в том числе и антенны дипольного вида. Применение САПР позволяет существенно экономить временны´ е и материальные ресурсы в трудоёмких и весьма дорогостоящих процессах 
разработки новых образцов техники. Использование САПР сводит к 
минимуму также и этап экспериментальной отработки антенных  
образцов, что весьма актуально при миниатюризации сверхвысокочастотных (СВЧ) узлов и антенн, реализуемых как по технологии полосковых печатных плат, так и по технологии гибридных интегральных схем. 
В результате всё внимание проектировщика сосредоточено на 
двух основных моментах: 
– формирование трёхмерного компьютерного облика стартового 
(начального) приближения проектируемой антенны за счёт выбора 
формы и адекватного (выработанного зачастую ещё в докомпьютерную эпоху 1920–1980-х годов) расчёта начальных значений размеров 
излучающей/принимающей радиоволны структуры; 
– оценивание полученных результатов полноволнового электродинамического моделирования на предмет их пригодности для последующей нелинейной параметрической оптимизации разработанными ФОРТРАН-программами, включая встроенный оптимизатор 
САПР, или для принятия итогового заключения о завершении процесса эскизного проектирования и придания его итогам статуса «высокой степени готовности». 
Неудачный (другими словами, неграмотно созданный) компьютерный облик начального приближения чаще всего не может быть 
компенсирован за счёт оптимизации размеров и расстояний. Поэтому 
квалифицированный, теоретически обоснованный (как принято говорить, – системный) подход к формированию адекватного облика 
начального приближения играет ключевую роль в процессе проектирования. 
Настоящее учебное пособие посвящено основам проектирования 
перспективных уединённых двухдиапазонных антенн дипольного вида и многоэлементных директорных антенн новой структуры, защи

щённых патентами Российской Федерации, полученными НГТУ в 
последние семь лет. Ключевой отличительной особенностью таких 
антенн является возможность формирования с одной-единственной 
печатной заготовки двух вполне остронаправленных диаграмм 
направленности (другими словами, двух лучей) в одном и том же 
направлении окружающего пространства полного телесного угла  
4  стерадиан на двух существенно разнесённых рабочих частотах, 
когда для питания антенн применяется несимметричный коаксиальный кабель стандартного волнового сопротивления 50 или 75 Ом. 
При проектировании антенны в САПР “CST Studio Suite” результатами будут выходные файлы программы, содержащие: 
– трёхмерный эскиз антенны; 
– частотную характеристику входного коэффициента отражения 
для обоих диапазонов частот в декартовой (другими словами, и Интернет-терминологии, картезианской; последнее объясняется тем, что 
известный математик и исследователь Рене Декарт известен в истории науки и культуры англоязычных стран под латинизированным 
именем «Картезий») системе координат, а также на круговой диаграмме Вольперта–Смита; 
– трёхмерные диаграммы направленности антенны на обеих частотах наилучшего согласования с сечениями в главных плоскостях 
электрического и магнитного вектора. 
Анализ этих файлов будет служить основанием для принятия решения об успешном завершении этапа эскизного проектирования вы-
сокой степени готовности и о переходе к последующим этапам разработки конструкторско-технологической документации. В их числе: 
сборочный чертеж изделия, рабочие чертежи его деталей, маршрутно-технологические карты для сборки и настройки, инструкции по 
монтажу и эксплуатации на объекте установки и ряд других документов, предусмотренных действующими российскими стандартами 
Единой системы конструкторской документации (ЕСКД) и Единой 
системы технологической подготовки производства (ЕСТПП). С течением времени важность строгого соблюдения требований этих 

стандартов только возрастает, ибо продолжает углубляться одна из 
ключевых современных тенденций совершенствования радиотехнических и инфокоммуникационных систем. А именно: комплексная 
микроминиатюризация на базе высокоинтегрированной аналоговой и 
цифровой элементной базы (большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) 
интегральные схемы), многофункциональных миниатюрных СВЧузлов и антенн, включая фазированные антенные решетки (ФАР),  
а также интегрально-групповых методов микроэлектронной технологии реализации высоконадёжных электрических соединений. 
 
 

1. КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА  
И ХАРАКТЕРИСТИКИ УЕДИНЁННОГО  
ИЗЛУЧАТЕЛЯ ДИПОЛЬНОГО ВИДА 

1.1. Краткая историческая справка 

Патент [1] для исследователей дипольных директорных антенн 
является отправной точкой, так как именно в нем заложен основополагающий принцип проектирования директорных дипольных антенн 
с целью направления электромагнитного поля возбуждающего диполя в определенный сектор пространства. Однако сама идея проволочных антенн зародилась гораздо раньше, и в конце XIX века основоположником радиотехники А. Поповым была сконструирована одна 
из первых проволочных антенн, представляющая собой заземленный 
провод. Аналитическое содержание теории вибраторов последовало 
позже и было разработано Халленом [2], Леонтовичем [3], Левиным 
[4] и другими исследователями. Ими был сделан ряд допущений, позволяющих упростить аналитическую модель, согласно которым сам 
проводник описывался проводом с радиусом a , много меньшим 1/k, 
где k  – волновое число. 
Позднее методика расчета вибраторных излучающих структур 
дополнилась техникой и методами вариационного исчисления. В работе Л. А. Вайнштейна [5] приведены методы вариационного исчисления применительно к исследованию приемных и передающих антенн. 
Дипольные антенны используются в качестве базовых излучателей во многих радиотехнических системах благодаря их простоте и 

компактности, как отмечено в работах Yagi, Пистолькорса и других 
зарубежных и советских исследователей, являющихся основоположниками развития теории этого вида излучателей. Пистолькорсом была предложена дипольная антенна петлевого типа для согласования с 
питающей линией. 

1.2. Излучатель дипольного вида  
с концевым питанием в свободном пространстве 

Излучатель дипольного вида с концевым питанием (ИДВКП) 
(рис. 1) содержит два коллинеарных идентичных цилиндрических 
проводника 1 и 2, питающий коаксиальный кабель 3 и симметрирующее устройство 4 с входным 5 и двумя противофазными выходными 6, 7 плечами. При этом смежные концы 8 и 9 коллинеарных проводников 1 и 2 расположены в непосредственной близости. Это 
означает, что расстояние между концами 8 и 9 не превышает 
с
0,01λ , 
где 
с
λ  – есть средняя длина волны рабочего диапазона частот 
...
l
h
f
f  
излучателя: 

 
8
с
с
λ
3 10
f
 
; 
с
(
) 2
l
h
f
f
f


.   
 (1) 

 

 

Рис. 1. Схема ИДВКП 

Упомянутое ограничение соответствует классификации расстояний, зазоров и диаметров цилиндрических проводников излучателей, 
принятой в области антенн и указанной в работе [6]. 
Питающий коаксиальный кабель 3 соединён с входным плечом 5 
симметрирующего устройства 4, противофазные выходные плечи 6  
и 7 которого соединены с удалёнными концами 10 и 11 коллинеарных 
проводников 1 и 2. Предполагается, что дипольный излучатель расположен в безграничном свободном пространстве с относительными 
диэлектрической и магнитной проницаемостями 

 
ε
1
r  , μ
1
r  . 
 (2) 

С этим излучателем связана декартова система координат, изображенная на рис. 1. Излучатель фиксируется в пространстве соответствующей системой крепления (на рис. 1 элементы крепления условно не показаны). Возможна также и печатная его реализация по 
технологии микроэлектроники (вакуумное осаждение меди на керамику) или полосковых печатных плат (травление медной фольги с 
«пробельных» участков изначально фольгированных заготовок). 
Пусть от генератора СВЧ-колебаний по питающему коаксиальному кабелю 3 на вход 5 симметрирующего устройства 4 поступает 
гармонический сигнал с частотой 
сf  

 
5
5
с
с
( )
cos(2
φ )
u
t
U
f t



,  
 (3) 

где 
с
φ  – начальная фаза сигнала. Поданный сигнал делится между 
противофазными выходами 6 и 7 симметрирующего устройства 4 в 
отношении 1:1, причем формирующиеся в симметрирующем устройстве фазовые набеги 
6
φ  и 
7
φ  обеспечивают на частоте 
сf  противо
фазность выходных сигналов 6( )
u
t и 7( )
u
t : 

5
6
с
с
6
( )
cos(2
φ
φ )
2

U
u
t
f t




,  

5
7
с
с
7
( )
cos(2
φ
φ )
2

U
u
t
f t




, 

 
6
7
    .  
(4) 

Под воздействием приложенных к концам 10 и 11 разнополярных 
напряжений (4) на проводящей поверхности проводников 1 и 2  
возникают электрические токи, которые распределяются по их поверхности так, что возбуждаемое ими в окружающем свободном  
пространстве электромагнитное поле удовлетворяет уравнениям 
Максвелла и граничным условиям на поверхности проводников 1 и 2 
(см. рис. 1). В соответствии с общепринятой методикой анализа любых излучателей вначале решается внутренняя задача, позволяющая 
найти распределение токов по излучающим элементам, а затем в 
процессе решения внешней задачи находятся все характеристики излучателя [16], в том числе сопротивление излучения, входное сопротивление, диаграмма направленности и т. д. 
В процессе решения внутренней задачи берутся проводники 1 и 2 
(рис. 1), удовлетворяющие «тонкоцилиндровым» требованиям: 

 
с
,
λ
a
l a


;  b
l
 ;  
с
λ
b 
.  
 (5) 

При выполнении этих условий, а также с учётом осевой симметрии проводников 1 и 2 допустимы следующие утверждения [6]. 
Во-первых, поверхностные электрические токи на проводниках 1 
и 2 характеризуются только продольной составляющей с комплекс
ной амплитудой плотности тока 
э( )
z
J
z . Торцевые токи проводников 1 
и 2 на смежных концах 8 и 9 при этом игнорируются. По известной 
плотности тока определяется комплексная амплитуда продольного 

электрического тока 
э
э
( )
2
( )
z
z
I
z
aJ
z
 
, который мыслится как бесконечно тонкая токовая нить, совпадающая с осью z в пределах 

l
z
l
 
 . В этих пределах ток 
э( )
zI
z считается непрерывной функцией координаты z и обращается в нуль на смежных концах 8 и 9. Если