Антенно-фидерные устройства

УДК 621.396.67
ББК 32.845
С61

Р е ц е н з е н т ы : доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой
систем радиосвязи МТУСИ, лауреат премии Правительства РФ в области
науки и техники М. А. Быховский; доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой радиоприемных устройств МИРЭА А. А. Парамонов

. ., . ., . .
61 Антенно-фидерные устройства: Учебное пособие / Под ред.
А. М. Сомова. — М.: Горячая линия—Телеком, 2011. — 404 с., ил.
ISBN 978-5-9912-0152-0.

Книга представляет собой классический курс антенно-фидерных устройств. В учебном пособии на современном уровне изложены общие вопросы
теории приемных и передающих антенн, теории антенных решеток, рассмотрены многочисленные антенны, начиная с простейшего диполя и щелевой антенны и заканчивая сложными зеркальными антеннами, указаны особенности антенн для линий связи различных диапазонов частот. Особое внимание
уделено вопросам высокочастотного питания антенн и элементам волноводной техники.
Для студентов, обучающихся по специальностям 090106 — «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», 090107 — «Противодействие техническим разведкам», направлению подготовки 090900 — «Информационная безопасность» (профиль «Безопасность телекоммуникационных систем»), будет полезна студентам телекоммуникационных и радиотехнических
специальностей, аспирантам и специалистам в области инфокоммуникаций.
32.845
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU

Учебное издание

Анатолий Михайлович
Владимир Васильевич
Роман Владимирович

-Учебное пособие

Учебное пособие подготовлено при поддержке
грантов Президента Российской Федерации
НШ-5.2008.10 и НШ-24.2010.10
Редактор Ю. Н. Чернышов
Компьютерная верстка Ю. Н. Чернышова
Обложка художника В. Г. Ситникова

Подписано в печать 20.09.2010. Формат 60×90 1/16.
Уч. изд. л. 8,0. Тираж 500 экз.

Подписано в печать 20.08.2010. Печать офсетная. Формат 60x88/16. Уч. изд. л. 25,25. Тираж 500 экз.
ISBN 978-5-9912-0152-0 c⃝ А.М. Сомов, В.В. Старостин, Р.В. Кабетов, 2011
c⃝ Издательство «Горячая линия—Телеком», 2011

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемое Вашему вниманию учебное пособие направлено на
обеспечение учебными материалами дисциплин «Антенно-фидерные
устройства» и «Антенны и распространение радиоволн» федеральных
государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования (ФГОС ВПО) по специальностям «Информационная безопасность телекоммуникационных систем» и «Противодействие техническим разведкам».
В рамках ФГОС ВПО пособие реализует достижение следующих
компетенций:
• способность выявлять естественнонаучную сущность проблем,
возникающих в ходе профессиональной деятельности, и применять соответствующий физико-математический аппарат для их
формализации, анализа и выработки решения;
• способность применять методологии научно-исследовательской и
практической деятельности;
• способность проводить исследования с целью нахождения и выбора наиболее целесообразных практических решений в пределах
поставленной задачи;
• способность формулировать задачи и проводить исследования телекоммуникационных систем и оценивать их эффективность;
• способность оценивать технические возможности и вырабатывать
рекомендации по построению систем и сетей передачи информации;
• способность осуществлять рациональный выбор элементной базы
обеспечения информационной безопасности телекоммуникационных систем и их устройств;
• способность производить оценку технических характеристик телекоммуникационных систем;
• способность разрабатывать модели технических средств защиты
информации;
• способность разрабатывать технические средства защиты информации, в том числе с использованием систем автоматизированного проектирования;
• способность осуществлять разработку технического обеспечения
системы защиты информации, принимать участие в составлении

Предисловие

рекомендаций и предложений по совершенствованию и повышению эффективности защиты информации, в написании и оформлении разделов научно-технических отчетов;
• способность составлять методики расчетов и программы экспериментальных исследований, выполнять расчеты в соответствии с
разработанными методиками и программами.
В результате успешного освоения учебного пособия читатель должен знать принципы функционирования элементов СВЧ тракта и
антенн различных диапазонов частот, аналитические и численные методы их расчета; уметь определять характеристики антенных систем,
разрабатывать высокочастотные тракты; владеть методами расчетов
антенно-фидерных устройств и устройств СВЧ.
Пособие может быть использовано при подготовке студентов по
направлению «Информационная безопасность» (профиль «Безопасность телекоммуникационных систем»). Также пособие может быть
полезно аспирантам и специалистам в области защиты информации,
студентам других радиотехнических специальностей.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время прикладные области радиотехники переживают бурное развитие. Во многие отрасли техники, культуру и быт
вошли телевидение, радиовещание, Интернет, спутниковая и сотовая
связь, спутниковая навигация, радиолокация, радиоуправления и другие применения радиотехнических устройств. Всё это требует участия большого количества высококвалифицированных специалистов
радиотехнического направления и специалистов по защите информации. B последние годы особенный дефицит квалифицированных специалистов ощущается в области антенн различного применения. «Старые кадры» отошли от дел, а подготовка смены для них требует достаточно продолжительного времени. Следует учесть при этом, что сама
по себе дисциплина «Антенно-фидерные устройства» является достаточно сложной, поскольку требует хорошей физико-математической
подготовки. Необходимо глубокое знание смежных непростых дисциплин, таких как «Электродинамика», «Распространение радиоволн»,
«Системы связи» и ряда других прикладных не менее сложных дисциплин. B этом отношении было упущено время для подготовки необходимого количества специалистов, поскольку на других направлениях технической деятельности можно было быстрее достигнуть необходимых результатов.
Предлагаемое учебное пособие представляет собой, согласно программе, классический курс антенно-фидерных устройств. Без его освоения практически невозможно овладеть специальной техникой этого
технического направления, которая хотя и базируется на классических представлениях, однако в каждой из отраслей радиотехники имеет свою определенную специфику и может существенно отличаться от
классических форм конструктивным оформлением и электрическими
параметрами. Курс по антенно-фидерной технике в классическом виде даёт понимание принципов действия антенн в их многообразном
воплощении и позволяет быстро освоить всё разнообразие антенной
техники, используемой в различных диапазонах частот.
Диапазоны частот [1], применяемые в радиотехнике, согласно их
разделению по длинам волн, приведены в табл. В.1.
Как следует из данных, приведённых в табл. В.1, длины радиоволн, используемых в радиотехнике, простираются от десятков километров до миллиметров и менее того. Поскольку направленные свойс

Введение

Т а б л и ц а В.1
Номер
Название
Диапазон
Название диаДиапазон

диапазона
длин волн
длин волн
пазона частот
частот

4
Сверхдлинные (СДВ)
Мириаметровые

100. . . 10 км Очень низкие
(ОНЧ)

3. . . 30 кГц

5
Длинные (ДВ)
Километровые

10. . . 1 км
Низкие (НЧ)
30. . . 300 кГц

6
Средние (СВ)
Гектометровые

1 км. . . 100 м Средние (СЧ)
300 кГц. . . 3 МГц

7
Короткие (КВ)
Декаметровые

100. . . 10 м
Высокие (ВЧ)
3. . . 30 МГц

8
Ультракороткие
(УКВ) Метровые

10. . . 1 м
Очень высокие
(ОВЧ)

30. . . 300 МГц

9
Дециметровые
1 м. . . 10 см
Ультравысокие
(УВЧ)

300 МГц. . . 3 ГГц

10
Сантиметровые
10. . . 1 см
Сверхвысокие
(СВЧ)

3. . . 30 ГГц

11
Миллиметровые
10. . . 1 мм
Крайне высокие (КВЧ)

30. . . 300 ГГц

12
Децимиллиметровые
1. . . 0,1 мм
Гипервысокие
(ГВЧ)

300 ГГц. . . 3 ТГц

Оптические
< 0,1 мм
> 3 ТГц

тва при этом определяются размерами антенны, выраженными в длинах рабочей радиоволны, имеется большое разнообразие в конструктивном оформлении и физических размерах антенн различных диапазонов.
Условно антенны могут быть разделены на следующие типы:
1) проволочные антенны в режиме стоячих волн тока;
2) проволочные антенны в режиме бегущих волн тока;
3) щелевые антенны;
4) антенны акустического типа (рупорные);
5) антенны оптического типа (линзовые, зеркальные);
6) антенны осевого излучения (диэлектрические, волновой канал);
7) антенны бегущей волны;
8) решётки однотипных излучателей;
9) рамочные антенны;
10) микрополосковые антенны.
Можно различить и отдельные группы антенн, такие как:
• антенны с управляемой диаграммой направленности;
• антенны вращающейся поляризации;
• сверхширокополосные антенны;
• гибридные антенны;
• компенсаторные антенны и др.

Введение
7

. .1. Схема системы связи

Антенной называется устройство, преобразующее высокочастотные токи в электромагнитное поле (радиоволну) при передаче и электромагнитную волну в высокочастотные токи при приёме.
Место антенн А1 и А2 в системе связи видно из рис. В.1. Важным свойством антенны является направленность действия, позволяющая направлять радиоволны частоты f1 в сторону корреспондента
при передаче и принимать на частоте f2 — частоте приёма. Другим не
менее важным свойством является обратимость антенн, позволяющая
одновременно работать в режимах приёма и передачи. При этом для
передачи высокочастотной энергии от выхода передатчика к антенне
и от антенны ко входу приёмника, а также для исключения помех от
передатчика для собственного приёмника служит фидерное устройство, или фидер.
Антенны прошли в последние десятилетия огромный путь от
простого провода в грозоотметчике А.С. Попова, диполя Герца,
шлейф-вибратора А.А. Пистолькорса и диполя С.И. Надененко до
сложнейших многозеркальных многолучевых и многодиапазонных антенн спутниковой связи и крупногабаритных антенных решёток для
загоризонтной радиолокации. Большой вклад в развитие теории и техники антенн внесли отечественные учёные. Среди них д.т.н., профессор Г.З. Айзенберг, продвинувший развитие антенной техники для
связи и радиовещания, д.т.н. В.Д. Кузнецов — в области техники
телевизионных антенн, академик АН СССР А.Ф. Богомолов, членкорреспондент РАН Л.Д. Бахрах, профессор В.Г. Ямпольский и к.т.н.
А.М. Покрас — в области развития антенн для радиорелейной и спутниковой связи. Под руководством выдающегося учёного профессора
А.А. Пистолькорса получили развитие новые научные направления
в области волноводно-ферритовой техники и многозеркальные антенны, применяемые в системах радиолокации и связи.
Антенны предназначены для работы в определённой полосе частот 2∆f = fmax − fmin. B зависимости от соотношения максимальной
fmax и минимальной fmin рабочих частот антенны по полосе пропускания делятся на:

Введение

• узкополосные: fmax/fmin ⩽ 1,1;
• широкополосные: fmax/fmin = 1,2...1,5;
• широкодиапазонные: fmax/fmin = 1,6...5,0;
• частотно-независимые: fmax/fmin ⩾ 5,0;
• многодиапазонные: позволяют одновременно работать в нескольких полосах частот 2∆f1, 2∆f2, 2∆f3.
Наряду с понятием линейной частоты f, измеряемой в герцах, в
антенной технике часто применяется понятие круговой частоты радиоволны ω = 2πf.
Если учесть, что скорость распространения радиоволны в свободном пространстве равна скорости света c ≈ 3 · 108 м/c, длина волны в
метрах при этом определяется как λ = c/f.
В основе математического анализа электрических характеристик
антенной техники, также как и законов распространения радиоволн,
лежат известные уравнения Дж.К. Максвелла [2]:

rot H = ∂D

∂t + J,
rot E = −∂B

∂t ;
div B = 0;
div D = ρ,

где E и H — векторы напряжённости электрического и магнитного
полей, измеряемой в В/м и А/м соответственно; D и B — векторы
электрической и магнитной индукции, измеряемой в Кл/м2 и Вб/м2

соответственно; J — вектор плотности тока проводимости, измеряемой
в А/м2; ρ — объёмная плотность зарядов, измеряемая в Кл/м3.
В предлагаемом учебном пособии рассматриваются монохроматические поля, которые гармонически изменяются во времени с круговой частотой ω. Для их описания используется комплексная форма
записи векторов напряжённости поля, зарядов и токов, обозначаемых
в общем случае через A. При этом мгновенное значение величины A
определяется выражением вида

˙A = Aωejωt,

где Aω — комплексная амплитуда исследуемой величины; ω — круговая частота, на которой исследуются её свойства. Реальному мгновенному значению будет соответствовать действительная часть этого
выражения, т. е.

A = Re{Aωejωt}.

Таким образом, при известной комплексной амплитуде параметра
Aω переход к её мгновенным значениям осуществляется умножением
амплитуды на оператор вращения ejωt с последующим выделением
действительной части этого выражения.

Г Л А В А
1
ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ПЕРЕДАЮЩИХ АНТЕНН

1.1. Поле системы токов в свободном
пространстве

Общая задача определения составляющих напряжённостей электромагнитного поля, создаваемого высокочастотными токами, которые
возбуждаются сторонними источниками, расположенными в известном ограниченном объёме пространства V (рис. 1.1), сводится к решению неоднородного волнового уравнения для электрического вектора
Герца ω вида [2]

∇2ω + k2ω =
j

ωε0
Jст
ω ,
(1.1)

где Jст
ω — вектор плотности токов сторонних источников; k = 2π/λ —
волновое число; ε0 = 8,854 · 10−12 Ф/м — электрическая постоянная.
Затем амплитуды искомых векторов Eω и Hω находятся диффе
. 1.1. К определению напряженности поля

Г л а в а 1

ренцированием вектора Герца ω по пространственным координатам:

Eω = grad div ω + k2ω;

Hω = jωε0 rot ω.
(1.2)

Решение уравнения (1.1) при выполнении ограничений на законы
излучения имеет следующий вид [2]:

ω(M) =
−j

4πωε0

V
Jст
ω
e−jkR

R
dV.
(1.3)

Соотношение (1.3) выражает принцип суперпозиции (наложения полей в точке приёма или наблюдения от отдельных источников)
при вычислении поля от отдельных высокочастотных токов плотностью Jст
ω .
В подавляющем большинстве случаев практический интерес
представляет поле в точке приёма (или наблюдения) M, достаточно
удалённой от источников так, что выполняются условия

ρ ≪ r
и
ρ ≪ R.

При таких условиях интеграл (1.3) можно значительно упростить, если в амплитудном множителе принять

1
r ≈ 1

R.
(1.4)

Разность этих величин невелика, поскольку имеет порядок
ρ/R ≪ 1 и мало влияет на величину амплитуды поля.
Для оценки возможности упрощений фазового множителя, стоящего под интегралом (1.3) и зависящего от расстояния, необходимо
определить связь между реальным расстоянием до каждого источника R и средним расстоянием r, которая может быть получена из
треугольника ONM:

R2 = r2 + ρ2 − 2ρr cos ϑ = r2
(
1 + ρ2

r2 − 2ρ

r cos ϑ
)
.
(1.5)

Используя разложение в степенной ряд функции вида √1 + x, где
x ≪ 1, можно получить [3]

√

1 + x = 1 + 1

2x − 1

8x2 + . . .
(1.6)

и тогда

R = r − ρ cos ϑ + ρ2

2r sin2 ϑ + . . .
(1.7)