1.3. Основные задачи теории антенн

В теории антенн принято выделять два класса задач — задачи анализа и задачи синтеза (проектирования). Обычно эти задачи решают применительно к антеннам в режиме излучения (передачи).

Задача анализа состоит в том, чтобы при известных геометрии и электрофизических параметрах материалов конструкции антенны определить ее электрические характеристики [1—3]. Эта задача сводится к определению электромагнитного поля излучения антенны во всех точках окружающего ее пространства. Задача анализа решается с учетом следующих условий: решения для полей излучения должны удовлетворять уравнениям Максвелла, граничным условиям на поверхностях раздела сред, а также принципу Зоммерфельда — условию излучения (поле излучения в дальней зоне должно представлять собой расходящуюся бегущую волну, амплитуда которой убывает обратно пропорционально расстоянию).

В данной строгой постановке решение задачи анализа сопряжено обычно с серьезными математическими трудностями и получено на данный момент лишь для ограниченного числа относительно простых антенн.

Чаще прибегают к приближенному решению задачи анализа, разделяя ее на внутреннюю и внешнюю задачи. Внутренняя задача состоит в определении реальных или эквивалентных токов в антенне. Внешняя задача заключается в определении поля излучения антенны по известному распределению токов. При этом широко используется принцип суперпозиции полей, согласно которому антенна разбивается на элементарные излучатели (свойства излучения которых известны) с последующим векторным суммированием напряженностей создаваемых ими полей в точках наблюдения в дальней зоне.

Задача синтеза состоит в нахождении геометрических параметров конструкции антенны, при которых она обеспечила бы требуемые электрические характеристики [1—3]. Сначала проводится структурный синтез, который часто заключается в выборе подходящего типа антенны из множества известных. Затем выполняется параметрическая оптимизация — расчет конструктивных параметров методом последовательных приближений до получения требуемых электрических характеристик.

Задача синтеза также обычно разделяется на две: классическую задачу и задачу конструктивного синтеза. Классическая задача состоит в определении необходимого амплитудно-фазового распределения (АФР) тока (электрического поля) на излучающей части антенны, соответствующего требуемым электрическим характеристикам. При этом, как правило, достаточно располагать информацией о форме излучающей части. Затем решается задача конструктивного синтеза — определения полной геометрии антенны с заданным АФР, обеспечивающим требуемые электрические характеристики. Эта задача обычно намного сложнее классической и чаще всего решается приближенно.

Основные задачи теории антенн, особенно в строгой постановке, решаются с применением ЭВМ и специализированных компьютерных программ, а также систем автоматизированного проектирования антенн (САПР) [4]. Это позволяет существенно сократить сроки и повысить качество проектирования антенн.