Podstawy teorii i techniki antenowej

Na rynku są dostępne liczne pozycje książkowe, zwłaszcza w języku angielskim, poświęcone różnym aspektom teorii i techniki antenowej. Istotnym bodźcem, który doprowadził do powstania niniejszego podręcznika, jest, zdaniem autora, brak pozycji książkowej w języku polskim, która w sposób w miarę przystępny, ale kompletny, pokazałaby związek pomiędzy zagadnieniami teoretycznymi i praktycznymi aspektami techniki antenowej. Zainteresowany Czytelnik lepiej wówczas zrozumie drogę od pewnych koncepcji teoretycznych do rozwiązań praktycznych stosowanych w technice antenowej.

Podręcznik jest przede wszystkim adresowany do studentów studiów pierwszego stopnia z zakresu elektroniki i telekomunikacji, gdzie z oczywistych powodów wykład nie powinien mieć charakteru czysto teoretycznego, lecz powinien zawierać również istotne elementy praktyczne. Z tego tez względu, jeśli tylko było to możliwe, autor starał się w formie komentarzy lub przykładów zilustrować znaczenie praktyczne prezentowanej teorii. Przy omawianiu metod analizy pola promieniowania anten zrezygnowano także ze szczegółowego prezentowania opisu kolejnych jej kroków, które często wykorzystują zaawansowane metody matematyczne. Założono bowiem, ze zainteresowany Czytelnik znajdzie bez trudu interesujące go dane w licznych, ogólnie dostępnych podręcznikach lub monografiach naukowych.

Inny ważny cel, który postawił sobie autor, to próba zebrania w jednym podręczniku szeregu narzędzi teoretycznych, o różnym stopniu złożoności, stosowanych w technice antenowej. […] Autor zdecydował się zebrać je w jednym rozdziale i omówić tylko w takim zakresie, w jakim jest to niezbędne do wykorzystania w analizie i przy projektowaniu anten.

Spis treści

Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Przedmowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1. Podstawy polowe techniki antenowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.1. Pojęcia i definicje podstawowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2. Dipol Hertza jako elementarna antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.2.1. Pole elektromagnetyczne daleko od dipola Hertza . . . . . . . . 24

1.2.2. Pole elektromagnetyczne w pobliżu dipola Hertza . . . . . . . . 25

1.3. Pole elektromagnetyczne w strefie dalekiej anteny . . . . . . . . . . . . 27

2. Parametry anten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.1. Charakterystyka promieniowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.1.1. Zysk kierunkowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.1.2. Zysk energetyczny – sprawność anteny . . . . . . . . . . . . . . 35

2.1.3. Przykładowe charakterystyki promieniowania i ich parametry . 37

2.2. Impedancja wejściowa – rezystancja promieniowania . . . . . . . . . . 41

2.3. Powierzchnia i długość skuteczna anteny . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.4. Parametry polaryzacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.4.1. Polaryzacja liniowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.4.2. Polaryzacja kołowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.4.3. Polaryzacja ortogonalna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.5. Parametry szumowe anteny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.6. Pasmo pracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.7. Środowisko pracy a parametry anteny . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3. Antena jako element systemu bezprzewodowego . . . . . . . . . . . . 57

3.1. Równanie zasięgu dla systemu komunikacji bezprzewodowej . . . . . . 57

3.2. Równanie zasięgu dla systemu radarowego . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4 Spis treści

4. Analiza i synteza pól elektromagnetycznych w strefie dalekiej . . . 62

4.1. Apertura z ciągłym rozkładem pola elektromagnetycznego . . . . . . . 63

4.1.1. Twierdzenie Love’a o równoważności . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.1.2. Potencjały wektorowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.1.3. Widmo kątowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.1.4. Twierdzenie o dualności . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.2. Apertura z dyskretnym rozkładem pola elektromagnetycznego . . . . . 74

4.2.1. Jednorodny szyk liniowy – mnożnik antenowy . . . . . . . . . . 76

4.2.2. Jednorodne szyki dwuwymiarowe . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.2.3. Szyk liniowy anten o nierównomiernym rozkładzie amplitud . . 84

4.3. Metody syntezy charakterystyki promieniowania . . . . . . . . . . . . 87

4.3.1. Metoda Fouriera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.3.2. Metoda Woodwarda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.4. Elektrodynamika obliczeniowa w analizie i syntezie anten . . . . . . . 99

4.4.1. Pełnofalowa analiza anteny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

4.4.2. Projektowanie anteny metodą pełnofalową . . . . . . . . . . . . 102

5. Przegląd wybranych typów anten bardzo wysokiej częstotliwości . 106

5.1. Anteny dipolowe i monopolowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

5.1.1. Dipol Hertza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

5.1.2. Dipol półfalowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

5.1.3. Planarne dipole szerokopasmowe . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

5.1.4. Zasilanie anteny dipolowej – symetryzatory . . . . . . . . . . . 114

5.1.5. Anteny monopolowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

5.2. Anteny pętlowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

5.2.1. Mała pętla z prądem – dipol magnetyczny . . . . . . . . . . . . 123

5.2.2. Pętla z prądem jako źródło fali o polaryzacji kołowej . . . . . . 125

5.3. Anteny tubowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

5.3.1. Apertura prostokątna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

5.3.2. Apertura kołowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

5.3.3. Tuby sektorowe E i H oraz tuba piramidalna . . . . . . . . . . 140

5.3.4. Tuba stożkowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

5.3.5. Zmodyfikowane anteny tubowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

5.4. Anteny reflektorowe i soczewkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

5.4.1. Zwierciadła anten reflektorowych . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

5.4.2. Antena reflektorowa ze zwierciadłem parabolicznym . . . . . . 159

5.4.3. Anteny wieloreflektorowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

5.4.4. Anteny soczewkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

5.5. Anteny planarne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

5.5.1. Anteny mikropaskowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

5.5.2. Anteny szczelinowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

5.6. Szyki anten falowodowych oraz planarnych . . . . . . . . . . . . . . . 189

5.6.1. Szyki anten tubowych oraz falowodowych anten

szczelinowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

5.6.2. Szyki anten mikropaskowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

Spis treści 5

5.7. Anteny niezależne od częstotliwości . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

5.7.1. Antena dwustożkowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

5.7.2. Antena spiralna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

5.7.3. Anteny logarytmiczno-periodyczne . . . . . . . . . . . . . . . . 205

5.8. Anteny z falą bieżącą . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

5.8.1. Antena Yagi–Uda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

5.8.2. Antena śrubowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

5.8.3. Anteny szczelinowe o promieniowaniu wzdłużnym –

antena Vivaldiego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

6. Miernictwo antenowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

6.1. Pomiar charakterystyki promieniowania . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

6.1.1. Pomiar w polu dalekim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

6.1.2. Pomiar w polu bliskim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

6.2. Pomiar zysku energetycznego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

6.2.1. Pomiar w strefie dalekiej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

6.2.2. Pomiar w strefie bliskiej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

6.3. Pomiar parametrów polaryzacyjnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

6.3.1. Anteny z polaryzacją liniową . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

6.3.2. Anteny z polaryzacją kołową . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

Dodatek 1. Układ współrzędnych sferycznych . . . . . . . . . . . . . 246

Dodatek 2. Opis efektu dopasowania w zakresie

bardzo wysokich częstotliwości . . . . . . . . . . . . . . . 247

Dodatek 3. Polaryzacja podstawowa i ortogonalna . . . . . . . . . . 251

Dodatek 4. Zależności określające stan polaryzacji . . . . . . . . . . 252

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

Skorowidz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257