Устройства СВЧ и антенны

Министерство образования и науки Российской Федерации 

Сибирский федеральный университет 

УСТРОЙСТВА   
СВЧ  И  АНТЕННЫ 

Допущено Министерством обороны Российской Федерации  
в качестве учебника для студентов военных кафедр 
и курсантов учебных военных центров Военно-воздушных 
сил, обучающихся по военно-учетной специальности 
«Эксплуатация и ремонт радиолокационных комплексов 
противовоздушной обороны Военно-воздушных сил» 
(рег. № 491 от 11.12.2013) 

Под редакцией доктора технических наук доцента 
А. А. Филонова 

Красноярск 
СФУ 
2022

УДК 621.396.76(07) 
ББК 32.845я73 

У825 

Авторы:  
А. А. Филонов, А. Н. Фомин, Д. Д. Дмитриев, В. Н. Тяпкин, Ю. Л.Фатеев,  
Е. Н. Гарин, В. Н. Ратушняк, И. В. Лютиков, В. А. Леусенко  

У825       Устройства СВЧ и антенны : учебник / А. А. Филонов, А. Н. Фо
мин, Д. Д. Дмитриев [и др.] ; ред. А. А. Филонов. – Красноярск : Сиб. 
федер. ун-т, 2022. – 491 с. 

ISBN 978-5-16-016190-7

Учебник состоит из двух разделов: «Устройства сверхвысоких частот» и «Антенны». 
В первом изложены основные понятия, расчетные методы и принципы реализации 
современных антенных устройств СВЧ и трактов питания антенн. Приведены инженерные сведения о наиболее распространенных линиях передачи СВЧ, их параметрах 
и конструктивных элементах; рассмотрены основные способы выполнения волноводных, коаксиальных и полосковых разветвляющих схем, фазовращателей, управляющих 
устройств с ферритами и др. 
Во втором изложены вопросы общей теории приемных и передающих антенн, приведены основные их параметры и характеристики, схемы современных антенных устройств. Подробно рассмотрены апертурные антенны СВЧ и сканирующие антенные 
решетки.  
Предназначен для студентов военных кафедр и курсантов учебных военных центров 
Военно-воздушных сил, обучающихся по военно-учетной специальности «Эксплуатация 
и ремонт радиолокационных комплексов противовоздушной обороны Военно-воздушных 
сил», а также может быть использован студентами вузов укрупненной группы специальностей 210000 «Электронная техника, радиотехника и связь» (спец. 210304.65 «Радиоэлектронные системы и комплексы») и всеми интересующимися вопросами становления, 
развития и современного состояния устройств СВЧ и антенн. 

Электронный вариант издания см.: 
УДК  621.396.6(07) 

358.23:528.716.2(07) 
ББК  32.84я73 

ISBN 978-5-16-016190-7 
© Сибирский федеральный университет, 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
 

ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 10 
 

Раздел 1. УСТРОЙСТВА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ................................. 13 

Глава 1. ВЗАИМНЫЕ НЕРЕГУЛЯРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ  
И УСТРОЙСТВА ВОЛНОВОДНОГО ТРАКТА .............................. 14 

1.1. Типовой волноводный тракт. Типовые узлы и элементы .................................... 14 
1.1.1. Назначение трактов СВЧ и требования,  
предъявляемые к ним .................................................................................................. 14 
1.1.2. Типовой тракт импульсной РЛС ................................................................................. 15 
1.1.3. Особенности конструкций и эксплуатации трактов СВЧ ........................................ 18 

1.2. Взаимные нерегулярные элементы и устройства  
волноводного тракта .................................................................................................... 20 
1.2.1. Многополюсники СВЧ. Электрические модели  
и методы их описания ................................................................................................. 20 
1.2.2. Волноводные сочленения, разветвления и изгибы ................................................... 23 
1.2.3. Жесткие сочленения ..................................................................................................... 23 
1.2.4. Гибкие сочленения ....................................................................................................... 27 
1.2.5. Вращающиеся сочленения .......................................................................................... 29 
1.2.6. Волноводные изгибы ................................................................................................... 32 
1.2.7. Волноводные разветвления и тройники ..................................................................... 35 
1.2.8. Устройства связи волновода с генератором и нагрузкой ......................................... 37 

1.3. Взаимные нерегулярные многополюсники СВЧ, конструкции,  
принципы функционирования .................................................................................. 45 
1.3.1. Двойной волноводный тройник .................................................................................. 45 
1.3.2. Волноводно-щелевой мост .......................................................................................... 48 
1.3.3. Сравнительный анализ двойного волноводного тройника  
и волноводно-щелевого моста .................................................................................... 53 
1.3.4. Кольцевой волноводный мост .................................................................................... 54 

1.4. Частотные фильтры и фильтры типов волн ........................................................... 58 
1.4.1. Направленные ответвители ......................................................................................... 58 
1.4.1.1. Характеристики направленного ответвителя ......................................................... 59 
1.4.1.2. Направленный ответвитель с двумя отверстиями связи  
в узкой стенке волновода ......................................................................................... 59 
1.4.1.3. Направленный ответвитель крестообразной формы ............................................. 60 
1.4.1.4. Крестообразный направленный ответвитель  
с одним отверстием связи ........................................................................................ 62 
1.4.2. Фильтры типов волн .................................................................................................... 66 
1.4.2.1. Трансформаторы типов волн ................................................................................... 66 
1.4.2.2. Разновидности и особенности конструкции  
фильтров типа волн .................................................................................................. 69 

Оглавление 

4 

1.4.3. Частотные фильтры СВЧ, аналитические методы их расчета ................................. 76 
1.4.3.1. Полосовые частотные фильтры ............................................................................... 76 
1.4.3.2. Расчет многокамерных полосовых фильтров  
с непосредственной связью ..................................................................................... 86 
1.4.3.3. Фильтры в коаксиальном исполнении .................................................................... 89 
1.4.4. Заграждающие фильтры .............................................................................................. 91 

Глава 2. НЕВЗАИМНЫЕ И УПРАВЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА СВЧ ........ 94 

2.1. Элементы техники СВЧ на ферритах ....................................................................... 94 

2.2. Волноводные устройства с продольно-намагниченным ферритом.  
Конструкции, принципы функционирования ........................................................ 98 
2.2.1. Вращатель плоскости поляризации ............................................................................ 98 
2.2.2. Циркулятор поляризационного типа .......................................................................... 99 

2.3. Волноводные устройства с поперечно-намагниченным ферритом.  
Конструкции, принципы функционирования ...................................................... 103 
2.3.1. Невзаимный фазовращатель ...................................................................................... 103 
2.3.2. Фазовый циркулятор .................................................................................................. 106 
2.3.3. Вентили ....................................................................................................................... 110 
2.3.3.1. Резонансные вентили .............................................................................................. 111 
2.3.3.2. Вентили, построенные на смещении поля ............................................................ 113 
2.3.4. Y-циркулятор .............................................................................................................. 114 

2.4. Антенные переключатели ......................................................................................... 118 
2.4.1. Механические антенные переключатели ................................................................. 119 
2.4.2. Газоразрядные антенные переключатели ................................................................ 121 
2.4.3. Полупроводниковые переключатели ....................................................................... 126 
2.4.4. Полупроводниковые фазовращатели ....................................................................... 127 
2.4.5. Волноводные поглощающие нагрузки ..................................................................... 133 
2.4.6. Волноводные аттенюаторы ....................................................................................... 135 
2.4.7. Волноводные фазовые трансформаторы ................................................................. 139 
2.4.8. Механические фазовращатели .................................................................................. 141 
2.4.9. Диэлектрические фазовращатели ............................................................................. 142 
2.4.10. Фазовращатели с электронным управлением ........................................................ 143 

2.5. Колебательные системы сверхвысоких частот ..................................................... 152 
2.5.1. Колебательные системы резонансного типа ........................................................... 152 
2.5.2. Колебательные системы нерезонансного типа  
(замедляющие системы)............................................................................................ 155 
2.5.3. Разновидности и параметры замедляющих систем ................................................ 156 
2.5.4. Структура поля в зондирующих системах............................................................... 156 
2.5.5. Дисперсионные характеристики ............................................................................... 160 
 
 

Оглавление  

5 

Раздел 2. АНТЕННЫ ............................................................................................ 163 

Глава 3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ  
И ПАРАМЕТРЫ АНТЕНН ................................................................. 164 

3.1. Характеристики и параметры передающей антенны.......................................... 164 
3.1.1. Назначение передающей антенны ............................................................................ 164 
3.1.2. Классификация антенн. Краткие сведения об антеннах  
различных типов ........................................................................................................ 165 
3.1.3. Характеристики и параметры направленности передающей антенны ................. 169 
3.1.3.1. Характеристика (диаграмма) направленности по полю  
и мощности .............................................................................................................. 169 
3.1.3.2. Фазовая характеристика направленности ............................................................. 173 
3.1.3.3. Поляризационная характеристика направленности ............................................ 174 
3.1.3.4. Коэффициент направленного действия, коэффициент  
полезного действия и коэффициент усиления ..................................................... 175 
3.1.3.5. Сопротивление излучения, входное сопротивление,  
допустимая величина излучаемой мощности ...................................................... 178 
3.1.3.6. Рабочий диапазон частот ........................................................................................ 179 

3.2. Характеристики и параметры приемной антенны .............................................. 181 
3.2.1. Принцип взаимности в теории приемной антенны.  
Эквивалентная электрическая схема. Сочетание методов  
электродинамики и теории цепей СВЧ ................................................................... 181 

3.3. Характеристики и параметры направленности приемной антенны ............... 184 
3.3.1. Диаграмма направленности. Мощность, отдаваемая антенной  
в нагрузку. Эффективная площадь, коэффициент использования  
площади ...................................................................................................................... 184 
3.3.2. Коэффициент направленного действия,  
коэффициент полезного действия и коэффициент усиления ................................ 186 
3.3.3. Шумовая температура антенны ................................................................................ 187 

3.4. Влияние параметров антенн и устройств СВЧ  
на тактико-технические характеристики  
радиолокационных станций ..................................................................................... 188 

Глава 4. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ АНТЕНН  
КАК СИСТЕМЫ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ ................................................... 190 

4.1. Антенна как система излучателей ........................................................................... 190 
4.1.1. Понятие об антенне как системе излучателей ......................................................... 190 
4.1.2. Поле антенны как система излучателей в дальней зоне ......................................... 192 
4.1.3. Правило перемножения диаграмм направленности.  
Множитель системы .................................................................................................. 194 
4.1.4. Множитель линейной системы непрерывно расположенных  
излучателей ................................................................................................................ 197 

4.2. Линейные системы непрерывно расположенных излучателей ......................... 199 
4.2.1. Влияние амплитудного распределения  
на направленные свойства антенны ......................................................................... 199 

Оглавление 

6 

4.2.1.1. Система с равномерным амплитудным распределением .................................... 200 
4.2.1.2. Система с косинусоидальным амплитудным распределением .......................... 206 
4.2.1.3. Спадающие амплитудные распределения ............................................................ 209 
4.2.2. Влияние фазового распределения на направленные свойства антенны ............... 212 
4.2.2.1. Система с линейным фазовым распределением .................................................. 212 
4.2.2.2. Система с квадратичным фазовым распределением ........................................... 215 
4.2.2.3. Система с кубичным фазовым распределением................................................... 218 
4.2.3. Выбор амплитудно-фазового распределения для обеспечения  
заданных направленных свойств антенны .............................................................. 220 

4.3. Двумерные системы излучателей ............................................................................ 220 
4.3.1. Примеры двумерных систем.  
Общая формула для множителя системы ............................................................... 220 
4.3.2. Плоский прямоугольный раскрыв ............................................................................ 221 
4.3.3. Круглый синфазный раскрыв .................................................................................... 225 

4.4. Линейные решетки излучателей .............................................................................. 229 
4.4.1. Понятие о решетке излучателей ............................................................................... 229 
4.4.2. Эквидистантная синфазная линейная решетка  
с равномерным амплитудным распределением ..................................................... 230 

4.5. Решетка с линейным фазовым распределением.  
Принцип электрического качания диаграммы направленности.  
Способы обеспечения единственности главного максимума ............................ 236 

4.6. Способы уменьшения уровня боковых лепестков  
в системах излучателей ............................................................................................. 240 

Глава 5. ВИБРАТОРНЫЕ И ЩЕЛЕВЫЕ АНТЕННЫ ................................. 244 

5.1. Симметричный вибратор. Параметры и характеристики ................................. 244 
5.1.1. Симметричный вибратор и его диаграмма направленности .................................. 244 
5.1.2. Сопротивление излучения, коэффициент направленного действия  
и входное сопротивление симметричного вибратора ............................................ 248 

5.2. Согласование вибратора с фидерным трактом.  
Понятие о диапазонных и несимметричных вибраторах ................................... 250 
5.2.1. Подключение симметричного вибратора к фидерному тракту ............................. 250 
5.2.2. Понятие о несимметричных и диапазонных вибраторах ....................................... 253 

5.3. Многовибраторные антенны. Аналитические и численные методы  
расчета основных параметров направленности ................................................... 255 
5.3.1. Система из активных вибраторов ............................................................................. 255 
5.3.2. Система из активного и пассивного вибраторов ..................................................... 257 
5.3.3. Директорная антенна ................................................................................................. 261 
5.3.4. Турникетная антенна ................................................................................................. 265 

5.4. Микрополосковые антенны ...................................................................................... 270 

5.5. Щелевые антенны. Конструкция, принципы функционирования ................... 275 
5.5.1. Щелевые излучатели. Принцип двойственности Пистолькорса ........................... 275 

Оглавление  

7 

5.5.2. Характеристики и параметры полуволновой щели ................................................ 278 
5.5.3. Волноводно-щелевые антенны ................................................................................. 281 

Глава 6. АНТЕННЫ БЕГУЩЕЙ (поверхностной) ВОЛНЫ ....................... 287 

6.1. Устройство и принцип функционирования антенн бегущей волны.  
Общие свойства ........................................................................................................... 287 

6.2. Диэлектрические стержневые антенны бегущей волны.  
Аналитические и численные методы их расчета ................................................. 290 

6.3. Спиральные антенны ................................................................................................. 294 

6.4. Широкополосные антенны ....................................................................................... 300 
6.4.1. Принципы построения частотно-независимых антенн .......................................... 300 
6.4.2. Частотно-независимые спиральные антенны .......................................................... 302 
6.4.3. Логопериодические антенны .................................................................................... 307 

Глава 7. АПЕРТУРНЫЕ АНТЕННЫ ............................................................... 312 

7.1. Волноводные и рупорные антенны ......................................................................... 312 
7.1.1. Общие сведения. Апертурный метод расчета.  
Методы решения внутренней и внешней задачи теории антенн .......................... 312 

7.2. Излучатель в виде открытого конца прямоугольного волновода .................... 313 

7.3. Типы рупорных излучателей .................................................................................... 318 
7.3.1. Н-секториальный рупор ............................................................................................. 319 
7.3.2. Е-секториальный рупор ............................................................................................. 325 
7.3.3. Пирамидальный рупор ............................................................................................... 328 
7.3.4. Конический рупор ...................................................................................................... 330 

7.4. Способы создания остронаправленных рупорных антенн ................................. 331 

7.5. Волноводные антенны с ортогональной  
и вращающейся поляризацией ................................................................................ 334 
7.5.1. Области применения антенн с вращающейся поляризацией ................................. 334 
7.5.2. Рупорные антенны с ортогональной поляризацией ................................................ 335 
7.5.3. Рупорные антенны с вращающейся поляризацией ................................................. 337 
7.5.4. Поляризаторы ............................................................................................................. 342 

7.6. Согласование рупоров ................................................................................................ 345 

7.7. Линзовые антенны ...................................................................................................... 347 
7.7.1. Конструкции и принцип функционирования линзовых антенн ............................ 347 
7.7.2. Профиль и конструктивные параметры линзы. Зонирование линз.  
Аналитические методы расчета основных параметров ......................................... 350 
7.7.2.1. Профиль линзы ........................................................................................................ 350 
7.7.2.2. Толщина линзы ........................................................................................................ 351 
7.7.2.3. Зонирование линзы ................................................................................................. 353 

7.8. Амплитудно-фазовое распределение в раскрыве линзы. Численные методы 
расчета характеристик и параметров направленности линзовых антенн ...... 356 

7.9. Линзы с переменным коэффициентом преломления .......................................... 359 

Оглавление 

8 

7.10. Зеркальные антенны ................................................................................................ 361 
7.10.1. Конструкция, принцип функционирования  
и основные типы зеркальных антенн ...................................................................... 361 
7.10.2. Антенна с зеркалом в виде параболоида вращения .............................................. 363 
7.10.2.1. Конструктивные параметры и основные геометрические соотношения ......... 363 
7.10.2.2. Облучатели параболоида вращения и требования к ним .................................. 365 
7.10.2.3. Амплитудно-фазовое распределение в раскрыве зеркала.  
Методика расчета диаграмм направленности .................................................... 365 
7.10.2.4. Коэффициент направленного действия  
и коэффициент использования площади антенны ............................................. 368 
7.10.2.5. Теневой эффект облучателя.  
Реакция зеркала на облучатель ........................................................................... 370 
7.10.3. Зеркальные антенны с веерной диаграммой направленности ............................. 372 
7.10.3.1. Антенны с зеркалом в виде усеченного параболоида  
вращения .................................................................................................................. 372 
7.10.3.2. Антенны с зеркалом в виде параболического цилиндра ................................... 375 
7.10.4. Зеркальные антенны с диаграммой направленности  
специальной формы .................................................................................................. 378 
7.10.5. Двухзеркальные антенны ........................................................................................ 380 
7.10.6. Сканирующие антенные системы ........................................................................... 383 
7.10.6.1. Задачи и виды сканирования. Основные параметры сканирования ................ 383 
7.10.6.2. Электромеханические сканирующие устройства .............................................. 387 
7.10.6.3. Секторное сканирование смещением  
точечного облучателя .......................................................................................... 387 
7.10.6.4 . Секторное сканирование перемещением линейного облучателя .................... 393 

Глава 8. АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ И АНТЕННЫ  
С ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛА ............................................................. 396 

8.1. Антенные решетки с электрическим управлением  
диаграммой направленности .................................................................................... 396 
8.1.1. Способы электрического сканирования диаграммы направленности .................. 396 
8.1.2. Конструкции и принципы функционирования решетки  
с частотным управлением и оценка ее эффективности.  
Способы повышения углочастотной чувствительности ........................................ 398 
8.1.3. Система питания (распределения ВЧ-мощности)  
фазированной антенной решетки ............................................................................. 402 

8.2. Фазированные антенные решетки. Конструкции и принципы  
функционирования ..................................................................................................... 406 
8.2.1. Излучающие системы фазированных антенных решеток ...................................... 406 
8.2.1.1. Период и необходимое число излучателей плоской  
фазированной антенной решетки .......................................................................... 407 
8.2.1.2. Требования к излучателям фазированных антенных решеток ........................... 410 
8.2.1.3. Влияние взаимной связи излучателей на диаграмму  
сканирования фазированной антенной решетки ................................................. 411 
8.2.2. Система управления фазовым распределением ...................................................... 414 

Оглавление  

9 

8.2.2.1. Строчно-столбцевые системы фазирования ......................................................... 414 
8.2.2.2. Многоуровневые фазированные антенные решетки  
с матричным фазированием ................................................................................... 419 
8.2.3. Гибридные и конформные фазированные антенные решетки............................... 421 
8.2.4. Аналитические и численные методы расчета  
основных параметров фазированных антенных решеток ..................................... 423 

8.3. Антенны с обработкой сигнала ................................................................................ 429 
8.3.1. Устройство и классификация антенн с обработкой сигналов ............................... 429 
8.3.2. Антенны моноимпульсных РЛС ............................................................................... 430 
8.3.2.1. Антенны для амплитудной моноимпульсной пеленгации .................................. 433 
8.3.2.2. Антенны для фазовой моноимпульсной пеленгации .......................................... 441 
8.3.3. Адаптивные антенны ................................................................................................. 444 
8.3.3.1. Самофокусирующиеся и самофазирующиеся антенны....................................... 445 
8.3.3.2. Переизлучающие антенны ...................................................................................... 446 
8.3.3.3. Адаптивные антенные решетки с экстремальной настройкой ........................... 448 

Глава 9. ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ  
И ЭКСПЛУАТАЦИИ АНТЕННЫХ СИСТЕМ ............................... 452 

9.1. Влияние повреждений на характеристики  
и параметры зеркальных антенн ............................................................................ 452 
9.1.1. Влияние повреждений зеркала на диаграмму направленности ............................. 453 
9.1.2. Влияние повреждений облучателя на амплитудную  
диаграмму направленности зеркальной антенны ................................................... 457 
9.1.3. Влияние повреждений и отказов фазированной антенной решетки  
на характеристики и параметры антенн .................................................................. 460 
9.1.3.1. Отказы фазовращателей ......................................................................................... 461 
9.1.3.2. Отказы усилителей .................................................................................................. 462 
9.1.3.3. Характеристики и параметры фазированной антенной решетки  
при наличии отказов ............................................................................................... 462 

9.2. Проблемы электромагнитной совместимости и способы ее решения .............. 463 

9.3. Автоматизированное проектирование устройств СВЧ и антенн ...................... 466 
9.3.1. Общая характеристика процесса проектирования антенн ..................................... 466 
9.3.2. Основные принципы автоматизации проектирования ........................................... 469 
9.3.3. Средства автоматизации проектирования ............................................................... 472 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................................... 478 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .............................................................. 481 

ПРИЛОЖЕНИЯ .................................................................................................... 482 

Приложение 1. Контрольные вопросы по учебному курсу  
для проверки качества усвоения учебного материала ................................. 483 
Приложение 2. Список сокращений ................................................................. 488 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Учебная дисциплина «Устройства СВЧ и антенны» состоит из двух 
разделов: раздел 1 «Устройства СВЧ»; раздел 2 «Антенные системы радиоэлектронной техники». 
Дисциплина «Устройства СВЧ и антенны» входит в профессиональный цикл (базовая часть) специальности 210601.65 «Радиоэлектронные 
системы и комплексы» Федерального государственного образовательного 
стандарта высшего профессионального образования. 
Научную основу дисциплины составляют теория электромагнитного 
поля в волноводном тракте, методы синтеза и анализа излучающих систем. 
Целью преподавания дисциплины является обучение курсантов теории и технике сверхвысоких частот (СВЧ) и антенн применительно к системам радиотехнического вооружения, используемым в Военно-воздушных силах (ВВС), в соответствии с квалификационными требованиями к военно- 
профессиональной подготовке офицера-выпускника по специальности 
«Радиоэлектронные системы и комплексы» в объеме, необходимом для 
исполнения должностей предназначения. 
Изучение данной дисциплины способствует формированию и развитию у курсантов профессиональных качеств, ответственности и чувства 
долга защитника Отечества, готовности к военной службе в условиях мирного и военного времени, научного мировоззрения, творческого мышления, инженерной культуры, навыков обучения подчиненных, целеустремленности, самостоятельности и инициативы. 
Конечным результатом обучения считается готовность курсантов 
к изучению устройств СВЧ и антенн конкретных образцов радиотехнических систем вооружения, ознакомление курсантов с различными СВЧустройствами и антеннами, широко используемыми в радиотехнике, радиолокации и радионавигации. 
Дисциплина «Устройства СВЧ и антенны» основана на знании  
курсов: 
«Высшая математика» (дифференциальное и интегральное исчисление, линейная алгебра, дифференциальные и интегральные уравнения, 
теория функций комплексного переменного, операции с комплексными 
числами, ряды, преобразования Лапласа и Фурье, матричное исчисление, 
математическая статистика); 
«Физика» (основные законы электричества и магнетизма, свойства электромагнитного поля, основные законы оптики и принципы построения устройств оптического диапазона); 
«Информатика» (методы прикладной математики, методы и средства численных расчетов и программирования с использованием вычисли