Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства

Министерство образования и науки Российской Федерации 

ТОМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ  СИСТЕМ 

УПРАВЛЕНИЯ  И  РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ  (ТУСУР) 
 

 

 

Буянов Ю.И., Гошин Г.Г. 

 
РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН И 

АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА  

 
Учебное пособие 

 

  

Рекомендовано Сибирским региональным отделением учебно-методического 

объединения высших учебных заведений РФ по образованию в области ра
диотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации для 

межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов,  

обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 210400.62 «Радиотех
ника» и 210700.62  « Инфокоммуникационные технологии и  

системы связи» 

 

 

 

 

2013 

УДК 621.396.67 

 

 

Рецензенты: 

кафедра радиофизики НИ Томского государственного университета,  

зав. кафедрой, профессор д-р физ.-мат. наук Якубов В.П., 

Сибирский физико-технический институт, 

профессор доктор физ.-мат. наук Фисанов В.В. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Буянов Ю.И., Гошин Г.Г.  

Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства: Учеб
ное пособие. – Томск, ТУСУР, 2013. – 300 с.  

 

 

 

 

 

 

                            Томск. гос. ун-т систем управления 

                                      и радиоэлектроники, 2013   

                           Буянов Ю.И., 2013 

                             Гошин Г.Г., 2013 

Содержание 

Список основных сокращений и обозначений…………………………………6 

Введение…………………………………………………………………………10      

1. Основы теории антенно-фидерных устройств……………………………...15 

1.1. Принципы и теоремы электродинамики, используемые в теории  

антенн……………………………………………………………………….…15 

1.2. Характеристики поля, возбуждаемого излучателями конечных 

размеров……………………………………………………………………......23 

1.3. Основные электрические параметры антенн………………………...…26 

1.4. Элементы общей теории линейных антенн………………………….…46 

1.5. Элементы общей теории апертурных антенн…………………………..63 

    Вопросы для самоконтроля………………………………………………….67 

2. Элементы и узлы фидерного тракта………………………………………....68 

2.1. Основы общей теории распространения радиоволн в линиях  

передачи…………………………………………………………………….....68 

2.2. Характеристики отрезков линий передачи с неоднородностями……..91 

2.3. Согласование линии передачи с нагрузкой…………………………… 94 

2.4. Волновые матрицы для описания устройств СВЧ…………………..…99 

2.5. Соединители и переходы между линиями передачи………………….104 

2.6. Делители мощности…………………………………………………......107 

2.7. Управляющие устройства……………………………………………....115 

    Вопросы для самоконтроля……………………………………………….....119  

3. Линейные антенны…………………………………………………………..120 

3.1. Антенны стоячей волны………………………………………………...120  

3.2. Конструкции вибраторных антенн  и способы их возбуждения….....129 

3.3. Щелевые антенны……………………………………………………….138  

3.4. Цилиндрическая и коническая спиральные антенны……………..…..141 

3.5. Диэлектрические стержневые антенны………………………………..145  

3.6. Директорные антенны………………………………………………..…148 

Вопросы для самоконтроля………………………………………….……...152 

4. Апертурные антенны………………………………………………………...153 

4.1. Волноводные излучатели……………………………………………....154 

4.2. Рупорные антенны……………………………………………………...156 

4.3. Зеркальные антенны…………………………………………………....163  

4.4. Линзовые антенны……………………………………………………...172 

Вопросы для самоконтроля………………………………………………..…..179  

5. Антенные решетки…………………………………………………………..180 

5.1. Волноводно-щелевые антенны………………………………………..180 

5.2. Фазированные антенные решетки…………………………………….186 

5.3. Многолучевые антенные решетки…………………………………….198 

     Вопросы для самоконтроля………………………………………………...203  

6. Вопросы электромагнитной совместимости………………………………204 

6.1. Параметры антенн, определяющие электромагнитную  

совместимость……………………………………………………………….204 

6.2. Методы снижения бокового излучения апертурных антенн………...207 

6.3. Активные методы борьбы с помехами………………………………...213 

7.  Распространение радиоволн. Основные понятия и определения………216 

7.1. Классификация радиоволн по диапазонам…………………………....216 

7.2. Состав и строение атмосферы Земли………………………………….215 

7.3. Распространение радиоволн в свободном пространстве………..222 

7.4. Факторы, влияющие на распространение радиоволн………………..226 

7.5. Электрические параметры земной поверхности……………………...230 

Вопросы для самоконтроля……………………………………………………232 

8. Распространение земных радиоволн при поднятых антеннах…….…….234  

8.1. Расстояние прямой видимости………………………………………....234 

8.2. Распространение радиоволн при поднятых антеннах над плоской Зем
лёй…………………………………………………………...………..………234 

8.3. Отражение радиоволн от неровной земной поверхности……………246 

8.4. Учёт сферичности Земли в интерференционных формулах………...248 

8.5. Распространение радиоволн в зоне тени и полутени………………...250 

Вопросы для самоконтроля…………………………………………………...252 

9. Распространение земных радиоволн при низко  расположенных  

антеннах………………………………………………………………………..254 

9.1. Формула  идеальной радиопередачи………………………………….254 

9.2. Структура поля над поглощающей поверхностью Земли………….256 

9.3. Расчет вертикальной составляющей напряжённости электрического  

поля. Формула Шулейкина – Ван-дер-Поля………………………………261 

9.4. Распространение радиоволн при низко  расположенных антеннах  

над неоднородной трассой………………………………………………….265 

Вопросы для самоконтроля……………………………………………………269 

10. Тропосфера и её влияние на распространение радиоволн………………270 

10.1. Рефракция радиоволн………………………………………………….270 

10.2. Распространение радиоволн за счёт рассеяния на неоднородностях  

тропосферы…………………………………………………………………..278 

10.3. Ослабление радиоволн в тропосфере………………………………...281 

Вопросы для самоконтроля……………………………………………………283          

11. Ионосфера и её влияние на распространение радиоволн……………….284 

11.1. Электрические параметры однородной ионосферы………………...284 

11.2. Отражение и преломление радиоволн в ионосфере…………………285 

11.3. Поглощение радиоволн в ионосфере…………………………………292 

11.4. Влияние постоянного магнитного поля Земли на распространение  

радиоволн в ионосфере……………………………………………………...293 

Вопросы для самоконтроля……………………………………………………297 

Список литературы…………………………………………………………….298  

Список основных сокращений и обозначений 

АА    –   апертурная антенна; 

АБВ  –   антенна бегущей волны; 

АР     –   антенная решетка; 

АСВ  –   антенна стоячей волны; 

АФР  –   амплитудно-фазовое распределение; 

АФУ  –   антенно-фидерное устройство; 

ВЩАР–  волноводная щелевая антенная решетка; 

ДН     –   диаграмма направленности; 

ДТР   –   дальнее тропосферное распространение; 

КБВ  –   коэффициент бегущей волны; 

КИП  –   коэффициент использования поверхности антенны; 

КНД  –   коэффициент направленного действия антенны; 

КПД  –   коэффициент полезного действия; 

КСВ  –   коэффициент стоячей волны; 

КУ     –  коэффициент усиления антенны; 

ЛА     –  линейная антенна; 

ЛДС  –   линейная дискретная система; 

ЛНС  –   линейная непрерывная система; 

ЛП     –   линия передачи; 

МН    –  множитель направленности; 

ПД     –  поляризационная диаграмма; 

ПЗА   –  параболическая зеркальная антенна; 

РТС   –   радиотехническая система; 

УБЛ   –   уровень боковых лепестков; 

УКВ   –  ультракороткие волны; 

ФАР   –  фазированная антенная решетка; 

ФД     –  фазовая  диаграмма; 

ЭДС   –  электродвижущая сила; 

ЭМС  –  электромагнитная совместимость; 

a –   размер широкой стенки прямоугольного волновода, радиус круглого  

        волновода, радиус проводника, большая полуось эллипса поляризации; 

А –  векторный потенциал; 

b  – размер узкой стенки прямоугольного волновода, малая полуось эллипса 

поляризации, ширина щели; 

aр – размер прямоугольной апертуры, радиус круглой апертуры; 

bр  – размер прямоугольной апертуры; 

c   – скорость света; 

C  – емкость; 

dр – диаметр раскрыва круглой апертуры, зеркальной или линзовой антенны; 

D0– коэффициент направленного действия антенны в направлении максиму
ма ДН; 

Е –  вектор напряженности электрического поля; 

f   –  частота, фокусное расстояние зеркальной или линзовой антенны; 

F(θ,ϕ) – нормированная диаграмма направленности антенны; 

G0   – коэффициент усиления антенны в направлении максимума ДН; 

h – высота несимметричного вибратора, толщина линзы;  

hэф – эффективная (действующая) высота несимметричного вибратора; 

Н –  вектор напряженности магнитного поля; 

i  –  мнимая единица; 

I  –  ток; 

j  –  объемная плотность тока; 

J –  поверхностная плотность тока; 

k  –  волновое число; 

KП – коэффициент перекрытия диапазона по частоте; 

l   –  длина плеча симметричного вибратора; 

lэф – эффективная (действующая) длина антенны; 

L –  индуктивность, длина; 

Lопт – длина оптимальной линейной антенны; 

m  – целое число, отношение компонент напряженности поля или токов; 

n   – целое число, коэффициент преломления линзы; 

P  – мощность; 

R  – активное сопротивление; 

Sэф – эффективная поверхность антенны; 

TА  – шумовая температура антенны; 

U  –  напряжение; 

W0 –  волновое сопротивление среды; 

W0л  – волновое сопротивление линии передачи; 

X  – реактивное сопротивление; 

Y  – проводимость; 

Z  – комплексное сопротивление (импеданс); 

α –  коэффициент затухания волны; 

β –  коэффициент фазы; 

γ   – постоянная распространения волны, коэффициент согласования; 

γэ  – угол наклона большой оси эллипса поляризации; 

Γ  – коэффициент отражения; 

δ  – неравномерная составляющая распределения; 

ε   – диэлектрическая проницаемость среды; 

ε  –  электродвижущая сила; 

η   – коэффициент полезного действия; 

θ   – меридиональный угол в сферической системе координат; 

∆θ0,5  или  2θ0,5   – ширина ДН по уровню половины мощности; 

λ   – длина волны; 

µ   – магнитная проницаемость среды; 

ν   – коэффициент использования поверхности антенны; 

ξ   – коэффициент замедления (ускорения) волны; 

ϕ   – азимутальный угол в сферической системе координат;  

χ   – угол между плоскостями поляризации передающей и приемной антенн; 

2θр или 2ψр  – угол раскрыва зеркальной  или линзовой антенн; 

ω   – круговая частота. 

ВВЕДЕНИЕ 

В наше время преобладающая доля информации передается с использо
ванием беспроводных средств связи, в которых выход источника сигнала и 

вход приемника соединены между собой посредством радиолинии. Ра
диолиния содержит передающее антенно-фидерное устройство (АФУ), 

радиотрассу (некоторую область пространства, в которой распространяются 

свободные электромагнитные волны) и приемное АФУ. Каждое АФУ вклю
чает в себя антенну и все элементы между выходом передатчика и входом 

антенны или выходом антенны и входом передатчика. Схематичное пред
ставление системы беспроводной радиосвязи  приведено на рис. 1. Таким об
разом, антенна является областью перехода от линии передачи (фидера) к 

свободному пространству.   

Линия передачи (фидер) служит для передачи сигнала от передатчи
ка к антенне или от антенны к приемнику и может включать в себя согласу
ющие и симметрирующие устройства, делители или сумматоры мощности, 

фазовращатели и другие элементы фидерного тракта.   

Передающая антенна преобразует энергию подвижных зарядов (пе
ременных токов и напряжений) в энергию свободных волн. Основное назна
чение передающей антенны состоит в том, чтобы в заданной точке простран
ства (например, в месте расположения приемной антенны) обеспечить мак
симальное значение напряженности электромагнитного поля, т.е. коэффици
                                                                    Радиолиния (радиоканал) 
 
                                    Передающая                                                       Приемная 
                                      антенна                                                                   антенна 
Передат-                                                                                                                                             Приемник  
чик 
                            Фидер                                 Радиотрасса                                  Фидер 
                            
                              Передающее АФУ                                                Приемное АФУ 
 
 Рис. В.1. Радиотехническая система, использующая радиолинию для передачи   
             информации  

ент передачи от выхода передатчика до точки приема должен быть макси
мальным.  

Приемная антенна преобразует энергию радиоволн в энергию токов, 

возбуждающих направляемые волны в фидере, которые поступают на вход 

приемника. Основное назначение приемной антенны заключается в обеспе
чении минимальных искажений принимаемого сигнала. 

 Передающая антенна должна не просто излучать электромагнитные 

волны, а обеспечивать наиболее рациональное распределение излучаемой 

энергии в пространстве. В соответствии с этим одной из основных 

характеристик передающих антенн является характеристика направленности 

– зависимость излучаемого поля от положения точки наблюдения. 

Требования к направленным свойствам антенн на практике колеблются в 

очень широких пределах – oт близких к ненаправленным (например, для 

систем радиовещания и эфирного телевидения) до резко выраженной 

направленности в определенном направлении, что позволяет без увеличения 

мощности передатчика увеличивать напряженность поля, излучаемого в дан
ном направлении, в тысячи раз по сравнению с ненаправленными излучате
лями. Подобные антенны используются для целей дальней космической свя
зи, в радиолокации, радиоастрономии и др. Кроме того, направленность из
лучения позволяет уменьшать помехи соседним радиотехническим системам, 

т.е. способствует решению проблемы электромагнитной совместимости. От
метим, что высокая направленность достигается только тогда, когда размеры 

антенны существенно превосходят длину волны.  

Для приемных антенн характеристика направленности – это зависимость 

тока в нагрузке антенны или ЭДС, наводимой на входе приемника, от 

направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Нали
чие направленных свойств у приемных антенн позволяет не только увеличи
вать мощность сигнала, выделяемую в нагрузке, но и существенно ослаблять 

прием различного рода помех, т.е. повышает качество приема.  

Основные характеристики приемной антенны, в том числе характери

стика направленности, совпадают с аналогичными характеристиками этой 

антенны, работающей в передающем режиме. Это означает, что антенна мо
жет быть приемо-передающей, т.е. одна и та же  антенна может использо
ваться для приема и передачи сигнала. Поэтому нет необходимости изучать 

отдельно теории передающих и приемных антенн. Обычно изучать свойства 

антенн и рассчитывать их характеристики более просто в передающем режи
ме. По этой причине всюду ниже, если не будет oгoвopeнo особо, подразуме
вается, что антенна работает в передающем режиме.  

Отметим, что из возможности использовать любую передающую антен
ну для приема электромагнитных волн и наоборот не следует, что передаю
щие и приемные антенны всегда идентичны по конструкции. Даже для одно
го и того же типа антенны в передающем режиме в отличие от приемного 

необходимо решать специфические проблемы, связанные, например, с высо
ким уровнем поступающей от передатчика мощности, что может вызвать 

электрический пробой антенны.  

При изучении свойств антенн принято считать (кроме случаев, когда из
лучатели расположены непосредственно у поверхности Земли или вблизи ка
кого-либо объекта), что антенна находится в свободном пространстве, т.е. в 

неограниченной однородной среде без потерь. Влияние факторов, связанных 

с особенностями влияния среды на процесс передачи энергии от передающей 

к приемной антенне, изучается в теории распространения радиоволн (РРВ).  

На работу любой радиолинии существенное влияние оказывает среда 

распространения, являющаяся связующим звеном между передающей и 

приемной антеннами. В простейшем случае, когда распространение 

происходит в свободном пространстве, это влияние заключается только в 

ослаблении поля за счет расходимости волны. В случае реальных сред оно 

гораздо сложнее и многообразнее.  

Поглощающие свойства земли приводят к утечке энергии поля в Землю. 

Из-за сферичности Земли возникает дифракция, т.е. огибание волной земного 

шара. Различного рода неровности земной поверхности рассеивают и 

отражают радиоволны, изменяют их поляризацию, создают затенение пункта 

приема. Земля изменяет также свойства  антенн, расположенных вблизи ее 

поверхности.  

Атмосфера Земли также является поглощающей неоднородной средой, 

поэтому возникают ослабление сигнала и изменение траектории движения 

волны. Кроме общей плавной неоднородности в атмосфере всегда 

присутствуют локальные (местные) неоднородности, которые pрассеивают 

электромагнитные волны. Такое рассеяние, с одной стороны, ослабляет поле 

прямой волны, а с другой – способствует распространению рассеянной 

волны далеко за линию горизонта, что и используется в некоторых системах 

дальний связи,  

Верхние слои атмосферы (ионосфера) содержат газ в ионизированном 

состоянии, что приводит к появлению таких свойств, как дисперсия и 

анизотропия. Свойство дисперсии означает, что условия распространения 

волн разных частот различны и это приводит к искажению сигналов. Волны с 

частотами ниже 30 МГц испытывают сильное преломление в ионосфере и, 

отражаясь от нее, обеспечивают дальнюю связь. На прохождение радиоволн 

с более высокими частотами ионосфера влияет слабо и они могут быть 

использованы в системах космической связи. Анизотропия ионосферы 

проявляется в виде эффекта Фарадея (поворота плоскости поляризации вол
ны) и эффекта Коттона-Мутона (изменения вида поляризации). 

Обычно поле в точке приема формируется несколькими волнами, в 

результате чего возникают интерференционные замирания и искажения 

сигналов. Для ослабления замираний необходимо уменьшить число 

интерферирующих волн с помощью правильного выбора частоты, формы и 

ориентации ДН антенн. Чтобы искажения сигналов не превышали некоторой 

нормы, приходится ограничивать полосу сигнала или скорость передачи 

информации,  

Параметры реальной среды распространения, как правило, не могут 

быть изменены человеком, что приводит к взаимосвязи вопросов