Устройства сверхвысоких частот и антенны

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Устройства сверхвысоких частот  
и антенны 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

Красноярск 
СФУ 
2020 

УДК 621.3.029.6(07)+621.396.67(07) 
ББК 32.850.4я73+32.845я73 
У825 
 
А в т о р ы: 
Ю. П. Саломатов, В. С. Панько, К. В. Лемберг, Е. Р. Гафаров, А. С. Волошин, Р. О. Рязанцев 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
В. Е. Чеботарев, доктор технических наук, профессор, ведущий инженер-конструктор АО «Информационные спутниковые системы им. акад. 
М. Ф. Решетнёва»; 
М. И. Сугак, кандидат технических наук, доцент кафедры ТОР 
ФГАОУ ВО СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
У825 
 
Устройства сверхвысоких частот и антенны : учеб. пособие / Ю. П. Саломатов, В. С. Панько, К. В. Лемберг [и др.]. – 
Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2020. – 180 с. 
 
 
ISBN 978-5-7638-4223-4 
 
 
Даны сведения об устройствах СВЧ-диапазона и антеннах, непрерывных 
и дискретных линейных излучающих системах. Рассмотрены вопросы теории 
антенных устройств, линий передачи СВЧ, а также многополюсников СВЧ. 
Приведено описание методов измерения характеристик антенн и СВЧ-устройств.  
Предназначено для студентов технических вузов всех форм обучения, 
обучающихся по направлению подготовки 11.03.01 «Радиотехника». 
 
 

Электронный вариант издания см.:

http://catalog.sfu-kras.ru

УДК 621.3.029.6(07)+621.396.67(07)
ББК 32.850.4я73+32.845я73

 
 
ISBN 978-5-7638-4223-4 
© Сибирский федеральный университет, 2020 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...................................................................................................... 5
Глава 1. Общая теория антенных устройств...................................... 6

1.1. Классификация антенн.................................................................... 9
1.2. Диапазоны радиочастот ................................................................ 13
1.3. Необходимые понятия из электродинамики............................... 14
1.4. Определение поля излучения антенны........................................ 19
1.5. Векторная комплексная характеристика  направленности....... 24
1.6. Амплитудная характеристика  направленности (ХН) ............... 26
1.7. Диаграмма направленности.......................................................... 28
1.8. Фазовая характеристика направленности................................... 32
1.9. Поляризационная характеристика  направленности.................. 33
1.10. Коэффициент направленного действия..................................... 34
1.11. Коэффициент полезного действия  и коэффициент 
усиления................................................................................................. 37
1.12. Излучаемая мощность................................................................. 38
1.13. Сопротивление излучения .......................................................... 38
1.14. Входное сопротивление .............................................................. 38
1.15. Рабочий диапазон частот антенны............................................. 39
1.16. Теорема перемножения............................................................... 40
1.17. Принцип электродинамического подобия ................................ 41
1.18. Измерение характеристик антенн.............................................. 42

Глава 2. Теория приемных антенн ..................................................... 48

2.1. Уравнение идеальной радиопередачи ......................................... 52

Глава 3. Линейные излучающие системы......................................... 54

3.1. Множитель направленности  линейного излучателя................. 55
3.2. Влияние амплитудного распределения  на параметры ДН....... 62
3.3. Влияние фазовых искажений  на параметры ДН ....................... 64
3.4. Линейная дискретная система...................................................... 70

Глава 4. Апертурные антенны............................................................. 75

4.1. Плоские излучающие раскрывы и решетки................................ 75
4.2. Рупорные антенны......................................................................... 81
4.3. Линзовые антенны......................................................................... 87
4.4. Зеркальные антенны...................................................................... 91

Глава 5. Сканирующие антенны......................................................... 99
Глава 6. Линии передачи СВЧ........................................................... 104

6.1. Волновое сопротивление ............................................................ 107
6.2. Дисперсия, критическая длина волны....................................... 108

6.3. Двухпроводная линия передачи................................................. 109
6.4. Коаксиальная линия передачи.................................................... 110
6.5. Коаксиальные соединители (разъемы)...................................... 113
6.6. Полосковые линии передачи...................................................... 116
6.7. Волноводные линии передачи,  типы, использование ............ 117
6.8. Прямоугольный волновод........................................................... 120
6.9. Режимы работы линий передачи................................................ 122
6.10. Входное сопротивление нагруженного отрезка  
линии передачи ................................................................................... 125
6.11. Круговая диаграмма полных сопротивлений ......................... 128

Глава 7. Матричная теория  многополюсников СВЧ................... 132

7.1. Матрица рассеяния ...................................................................... 134
7.2. Свойства матрицы рассеяния ..................................................... 136

Глава 8. Элементы и узлы СВЧ-устройств..................................... 138

8.1. Классификация............................................................................. 138
8.2. Общие принципы согласования нагрузки  
с линией передачи............................................................................... 141

Глава 9. Фильтры СВЧ ....................................................................... 157

9.1. Нормализация сопротивлений фильтра .................................... 162
9.2. Нормализация частоты................................................................ 163
9.3. Нормализация полосы пропускания.......................................... 163
9.4. Фильтр-прототип ......................................................................... 165

Заключение ............................................................................................ 173
Задачи  для самостоятельного решения .......................................... 174
Библиографический список ............................................................... 178

Введение

Настоящее учебное пособие предназначено для изучения теоре
тического материала по дисциплине «Устройства сверхвысокой частоты (СВЧ) и антенны» студентами радиотехнического направления. 
Изложение материала ведется с учетом того, что студент владеет необходимым материалом из высшей математики и физики в объеме 
курсов технических университетов, изучил такие дисциплины, как 
основы теории цепей, радиотехнические цепи и сигналы, электродинамика и распространение радиоволн.

Разделы пособия основаны на знаниях, полученных студентом

в курсе «Электродинамика и распространение радиоволн» или подобном.

Пособие посвящено изучению антенн и устройств СВЧ-диапа
зона, т. е. предназначенных для частот выше 300 МГц и ниже 3 ТГц. 
Поскольку курс рассчитан на радиоинженеров различных специализаций, в курсе рассмотрены расчет и измерение основных характеристик антенн, формы их представления. Теория приемных антенн описана в объеме, позволяющем также понять основные параметры антенн в режиме приема, связать между собой параметры антенн в режимах передачи и приема.

Основное внимание в теории расчета параметров антенн уделя
ется непрерывным и дискретным линейным излучающим системам. 
Предполагается, что знание этого раздела позволит студенту при необходимости самостоятельно изучить разделы, связанные с особенностями расчета конкретного типа антенны.

Рассматриваются различные типы линий передачи, являющихся 

основой для создания устройств СВЧ, большое внимание уделяется 
волновой матрице рассеяния, ее свойствам, физическому смыслу ее 
элементов, методам измерения параметров. Матрица рассеяния позволяет с единых позиций подходить к изучению свойств устройств 
СВЧ различного назначения.

Глава 1 

Общая теория антенных устройств

К радиоволнам относят электромагнитные колебания от частот 

3 Гц до 3·1012 Гц. Условно их разделяют на диапазоны по десятичному 
принципу от декаметровых до субмиллиметровых волн. Диапазон
от 3·107 Гц до 3·1012 Гц относят к ультракоротким волнам. Внутри 
этого диапазона область от 300 МГц до 3 ТГц относят к СВЧ-диапазону. Этот участок диапазона радиоволн и рассматривается в курсе 
«Устройства СВЧ и антенны».

При определении характеристик антенн и устройств СВЧ необхо
димо знать структуру электромагнитного поля в рассматриваемом объеме 
пространства. Для расчета электромагнитного поля в каждом конкретном 
случае решается соответствующая электродинамическая задача.

Можно выделить два класса задач электродинамики, которые 

называются прямыми и обратными. Прямые задачи электродинамики, 
называемые задачами анализа, состоят в определении электромагнитного поля, которое создается в рассматриваемом объеме под воздействием известных (заданных) источников. Обратные задачи электродинамики, называемые задачами синтеза, состоят в определении 
источников поля, которые создают заданное электромагнитное поле, 
имеющее необходимую структуру.

Любую задачу электродинамики можно решить, задав граничные 

условия на поверхностях структур, входящих в рассматриваемую 
систему (включая граничные условия на бесконечности), используя 
уравнения Максвелла в той или иной форме. Однако найти такое решение достаточно сложно. Строгие аналитические решения известны 
только для нескольких достаточно простых структур (тонкий симметричный вибратор, излучение круглых волноводов, поле бесконечного параболоида вращения). С другой стороны, результаты, осно

ванные на численных методах решения уравнений Максвелла, могут 
использоваться на практике уже достаточно образованным специалистом в этой области, поскольку связь между особенностями решаемой 
задачи и результатами расчетов, как правило, не очевидна.

В связи с тем, что строгое аналитическое решение найти трудно, 

порой и невозможно, а численные решения, особенно при изучении 
антенн и устройств СВЧ, мало информативны, задача о нахождении 
поля излучения антенны разбивается на две самостоятельные задачи –
внутреннюю и внешнюю задачи электродинамики. Причем это относится как к прямым, так и обратным задачам электродинамики, т. е.
к задачам анализа и синтеза.

Внутренняя задача электродинамики состоит в определении ам
плитуд и фаз токов в антенне либо амплитуд и фаз поля на замкнутой 
поверхности, охватывающей антенну (объем, в котором находятся 
источники поля).

Внешняя задача электродинамики состоит в определении поля 

излучения антенны по заданному амплитудно-фазовому распределению токов или полей в антенне (найденных в результате решения 
внутренней задачи электродинамики).

Возможность разбиения общей задачи электродинамики на две 

самостоятельные (внутреннюю и внешнюю) основана на том, что 
влияние излучаемого антенной электромагнитного поля на распределение токов и полей в самой антенне невелико. Это и дает возможность 
пренебречь указанным влиянием и разбить единую задачу на две.
В строгом же смысле необходимо решать так называемую самосопряженную задачу, в которой учитывается влияние поля, создаваемого
антенной, на ток или поле в ней самой.

Как правило, внутренняя задача электродинамики решается 

приближенно, для каждого класса антенн по-своему на основании 
достаточно большого опыта, существующего в настоящее время. 
Единого подхода к решению этого класса задач нет. Даже численные 
методы зависят от типа (формы) анализируемых антенн, поскольку
в них используются различные системы координат и координатных 
поверхностей для упрощения получающихся уравнений, что, в конечном счете, приводит к увеличению скорости вычислений, а значит 
и к возможности рассмотрения более сложных антенн.

Радиолиния любого назначения состоит, как правило, из двух 

устройств – передающего и приёмного, связь между которыми осуществляется при помощи электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве.

Структурная схема простейшей радиолинии показана на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема линии радиосвязи: Пер. – передатчик, 

Ф – фидерный тракт, А1 – передающая антенна, А2 – приёмная антенна, 

Пр. – приёмник

Передатчик генерирует электромагнитные колебания, распро
страняющиеся в фидерном тракте, при помощи которого они передаются в устройство А1, называемое передающей антенной. Антенна 
преобразует токи, протекающие в ней, в энергию электромагнитных 
колебаний, распространяющихся в свободном пространстве. Эти 
электромагнитные колебания достигают устройства А2, называемого
приёмной антенной, в которой происходит обратное преобразование 
энергии свободно распространяющихся электромагнитных колебаний 
в энергию токов, протекающих в фидерном тракте (линии передачи), 
при помощи которого они поступают в приёмное устройство.

Таким образом, антенну можно рассматривать как некий транс
форматор, либо преобразующий направляемые линией передачи 
электромагнитные колебания в свободно распространяющиеся электромагнитные волны, либо выполняющий обратное преобразование 
свободно распространяющихся электромагнитных колебаний в волны 
(токи), передаваемые линией передачи.

В большинстве антенн эти функции обратимы, т. е. одна антенна 

может работать как на приём, так и на передачу. Такие антенны называют приёмно-передающими.

Преобразование энергии токов высокой или сверхвысокой час
тоты в режиме передачи или обратное преобразование в режиме 
приёма является первой функцией антенны.

В настоящее время существует множество различных типов ан
тенн. Каждая антенна может характеризоваться определенным набором параметров. Значение этих параметров определяется при элек
A1

Пер.
Ф

A2

Ф
Пр.

тродинамическом анализе антенны либо при экспериментальном её 
исследовании. Эти параметры должны позволять качественно и количественно оценивать свойства антенн, сопоставлять различные типы 
антенн между собой, производить выбор необходимой антенны
из множества существующих.

1.1. Классификация антенн

Классификация антенн возможна:
• по функциональному назначению. Например, приемные, пере
дающие, связные, телевизионные, радиолокационные, бортовые и т. д; 

• по конструкторско-технологическим признакам. Например, 

рупорные, спиральные, печатные, зеркальные, щелевые, линзовые, 
вибраторные и т. д.; 

• по электродинамическим или электрическим свойствам и па
раметрам.

Здесь также возможны различные классификации. Например,

по диапазону длин волн: антенны ДВ, СВ, КВ, УКВ, СВЧ; по относительной ширине полосы пропускания – широкополосные, сверхширокополосные, диапазонные, узкополосные, резонансные. Антенны 
могут различаться своими направленными свойствами (направленные, 
слабонаправленные, ненаправленные) или по поляризационному 
признаку (антенны круговой, эллиптической, линейной, вертикальной, 
горизонтальной поляризаций). Это перечисление можно было бы 
продолжать, настолько богат мир антенн. 

Однако, несмотря на такое многообразие, все антенны по прин
ципу формирования диаграммы направленности можно разделить
на три больших класса:

• линейные, 
• апертурные, 
• антенные решетки.

Линейные антенны
К линейным антеннам (ЛА) относят любые излучающие системы, 

малых по сравнению с длиной волны поперечных размеров, в которых 
направление протекания тока совпадает с осью системы (рис. 2). 
В простейшем случае представляют собой тонкий металлический 
проводник, по которому протекает переменный во времени электрический ток, или узкую щель в металлическом экране, между краями 

которой приложено переменное напряжение. К линейным антеннам 
относят не только прямолинейные, но также искривленные или изогнутые проводники и щели, если их поперечные размеры много 
меньше длины волны. В более широком смысле к линейным можно 
отнести некоторые типы антенн, поперечные размеры которых сравнимы с длиной волны (например, утолщенные вибраторные, спиральные, диэлектрические стержневые). 

Линейные антенны могут быть антеннами стоячих волн (АСВ)

и бегущих волн (АБВ) с различными амплитудно-фазовыми распределениями (АФР) вдоль них. В АБВ режим бегущей волны реализуется 
посредством возбуждения антенны с одного конца и включением поглощающей нагрузки на противоположном конце или за счет спадающего амплитудного распределения, например вследствие непрерывного излучения бегущей волны тока. К АСВ относятся симметричные и несимметричные вибраторы, щелевые антенны, рамочные 
антенны. К АБВ можно отнести спиральные, диэлектрические стержневые, антенны поверхностных волн. Отличительной особенностью 
линейных антенн является последовательная схема питания (возбуждения) элементов антенны и, как следствие, возможность зависимости 
характеристик излучения от длины антенны или от её частоты.

Рис. 2. Линейные антенны: штыревая, петлевой вибратор, директорная, 

логопериодическая

Апертурные антенны
Характеризуются тем, что у них можно выделить некоторую ог
раниченную поверхность, как правило плоскую, через которую проходит весь поток излучаемой или принимаемой мощности. Эта поверхность называется апертурой или раскрывом, размеры которых 
обычно много больше длины волны. К апертурным антеннам (АА) 
относятся рупорные, зеркальные, линзовые антенны, открытые концы