Фазовые диаграммы антенны

Фазовые диаграммы антенны - зависимость фазы поля от углов в пространстве при фиксированном расстоянии от начала координат.

Удобной характеристикой фазовых свойств поля излучения антенны является связанный с фазовой диаграммой фронт волны. Полное описание фазы для фиксированного момента времени дается множителем , в котором учтена зависимость фазы от расстояния. Фронт волны есть поверхность в пространстве, во всех точках которой в данный момент времени фаза поля одинакова. Эта поверхность определяется из уравнения , где - некоторая постоянная величина.

Уравнение поверхности равных фаз в сферической системе координат:

- волновое число.

Поверхностей с одинаковый значением бесконечное множест­во, они отстоят друг от друга на расстояниях, равных длине волны .

Если является поверхностью сферы, то антенна является источником сферических волн. Центр этой сферы называется фазовым цент­ром антенны. В случае совпадения фазового центра с началом координат и .

Закон сохранения энергии электромагнитного поля в применении к передающим антеннам записывается в виде:

где - мощность излучения; - мощность потерь в антенне; - мощность реактивных полей, связанных с антенной; - мощность, отдаваемая генератором в антенну.

Мощность излучения антенн.

Если известны комплексные амплитуды напряжения и тока на входе антенны, то: .

Метод интегрирования вектора Пойтинга:

- известны. Необходимо знать нормированную ДН и напряжённость поля в макс. ДН на заданном расстоянии.

Входное сопротивление

Входное сопротивление передающей антенны определяется отношением напряжения к току на ее входных клеммах и характеризует антенну как нагрузку для генератора. Этот параметр используется главным образом для линейных антенн, у которых эти параметры могут быть непосредственно измерены. В диапазоне СВЧ, когда понятия напряжения и тока становятся неопределенными, пользуются эквивалентными схемами, параметры которых определяются относительно эквивалентных параметров питающего волновода.

В общем случае входное сопротивление антенны комплексное и может быть представлено эквивалентной схемой.

- активное входное сопротивление; - реактивное входное сопротивление. Иногда удобно пользоваться входной проводимостью антенны: .

Эквивалентная схема антенны по входному сопротивлению строится обычно на основе равенства мощностей, поступающих в антенну и в эквивалент­ный
ей двухполюсник:

;- модуль тока на входе антенны.

Отсюда получаем:

,

где каждый член справа является сопротивлением, отнесенным к току на входе антенны.

; ,

где - сопротивление излучения; - сопротивление потерь.

Реактивное сопротивление характеризует ту часть электромагнитного поля, которая сосредоточена вблизи антенны и не излучается.

Расчет полного входного сопротивления затруднителен, особенно сложно определение сопротивления потерь и реактивного сопротивления.

Если напряжение и ток на входе антенны могут быть измерены, то входное сопротивление может быть определено как отношение этих величин.

Входное сопротивление зависит от частоты, причем активная и реактивная составляющие по-разному изменяются с частотой.

Зависимость сопротивления от частоты в разных координатах для одной из антенн.

Коэффициент согласования передающей антенны.

Если генератор нагружен на согласованную с ним линию без потерь, то при включении на конце линии нагрузки с сопротивлением, равным волновому, вся мощность от генератора будет поглощена этим сопротивлением. На практике ни генератор, ни антенна не согласованы полностью с соединяющей их линией передачи, т.е. в антенну поступает только часть мощности генератора, другая отражается от входа линии и антенны. Поэтому, коэффициент согласования называют отношение активной мощности , поступающей в антенну, к мощности , которая поступит в согласованную нагрузку, включенную вместо рассматриваемой антенны, при одном и том же генераторе:

Коэффициент может определяться через коэффициент отражения в линии передачи от входной антенны, или через известное входное coпротивление антенны.

КПД антенны.

Потери электромагнитной энергии в передающей антенне в процессе излучения определяются ее превращением в тепло в металлических конструкциях антенны, в диэлектрике антенны, в том числе в изоляторах, в земле, в окружающих предметах и строениях. В антеннах с большим высокочастотным напряжением специфичными являются потери на ионизацию воздуха в коронном и факельном разрядах.

КПД определяет эффективность антенны, как преобразователя направляемых волн в радиоволны и выражается отношением:

или

где - мощность потерь.

С понижением частоты, КПД обычно понижается за счет уменьшения .

КПД антенно-фидерного устройства.

Он определяется как отношение, излученной /полезной/ мощности ко всей мощности, поступившей от генератора на вход линии передачи, т.е. зависит как от потерь в антенне, так и от потерь в линии передачи:

где - мощность потерь в линии передачи. КПД линии передачи
определяется отношением мощности на выходе линии к
мощности на входе линии:

.

Отсюда:

.

КПД АФУ равен произведению КПД линии передачи на КПД антенны.

Электрическая прочность и высотность антенн.

Электрическая прочность антенны характеризуется наибольшей мощностью или наибольшим напряжением в антенне, при которых еще не происходит электрический пробой диэлектриков конструкции антенны или окружающего антенну воздуха. Правильным выбором конструкции можно добиться того, чтобы пробой в воздухе начинался раньше пробоя диэлектриков антенны. Напряжённость электрического поля, при которой начинается пробой, называется критической напряжённостью поля, а соответствующая ей мощность на входе антенны - предельно допустимой мощностью. Рабочую мощность выбирают в 2-3 раза меньшей предельно допустимой.

Электрический пробой воздуха заключается в том, что под действием ВЧ электрического поля воздух в некотором объеме сильно ионизируется и из диэлектрика превращается в проводник или полупроводник с заметной проводимостью. Энергия ионизации и нагревания воздуха при протекании тока через ионизирующую область является энергией потерь. ВЧ разряд через ионизирующую область образует добавочные проводники, замыкающие различные участки антенны, - антенна расстраивается, про­исходит резкое снижение мощности излучения. При возникновении дугового разряда выделяется большое количество тепла, что опасно в пожарном отношении, особенно на летательных аппаратах.

Высотность АФУ определяется высотами в атмосфере, при которых это устройство может работать без пробоя при заданной мощности передатчика. С увеличением высоты электрическая прочность воздуха сначала падает, достигая минимума на высотах 40-100 км., затем снова воз­растает, /для ЛА ракетного типа иногда устанавливают зону высот запрещения работы на передачу/.

Действующая длина передающей антенны.

Выражение для напряжённости электрического поля в дальней зоне антенны с любым распределением тока вдоль ее оси может быть записано в таком же виде, как и для диполя Герца, имеющего равномерное распределение тока:

где - комплексная амплитуда тока в некотором сечении антенны; - действующая длина антенны.

Таким образом, действительная длина любой антенны есть длина прямолинейной антенны с равномерный распределением тока, которая при одинаковых токах в отсчетных течениях создает в свободном пространстве такую же напряжённость поля в направлении максимального излучения, что и рассматриваемая антенна.

Отсюда находим макс. значение амплитуды напряженности электрического поля и действующую длину:

,

Как видно, действующая длина антенны с неравномерным распр. тока зависит от того, в каком сечении отсчитывается расчетный ток. Например, для действующей длины, отнесенной ко входу антенны, имеем:

При известной напряженности электрического поля расчет действ. длины производится непосредственно с помощью формулы. Для прямолинейных антенн с синфазным распределением тока действ. длину можно определить с помощью понятия «площади тока». Как для диполя Герца, так и для любой антенны направленного поля пропорциональна произведению некоторой длины на ток, которое может быть использовано как площадь под графиком равномерного распределения тока с амплитудой I на длине Lg. Т.к. при синфазном распределении тока поля от всех участков провода в точке наблюдения, находящейся в дальней зоне, сложатся в фазе в направлении, перпендикулярном оси провода, то, считая каждый элементарный участок провода диполем Г. длиной dz с амплитудой тока (z), для этого направления получаем:

Интеграл в этом выражении представляет собой «площадь тока»

При условии равенства полей в направлении макс. излучения данной ант. и антенны с равномерным распределением тока на длине их «площади тока» должны быть равны, т.е. . Отсюда находим:

На рисунке показано определение действующей длины, отнесенной к току на входе антенны.

Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления передающей антенны.

КНД передающей антенны определяется сравнением данной ант. с некоторой эталонной ант., направленные свойства которой хорошо известны. В качестве эталонных широко используются: совершенно ненаправленный (изотропный) излучатель, диполь Герца, полуволновой вибратор. Предлагается, что КПД эталонных антенн равен 100%

КНД антенны в направлении называется отношение угловой плотности , создаваемой в этом направлении данной антенной, к угловой плотности мощности , создаваемой в этом же направлении эталонной антенны, при условии равенства полных мощ­ностей излучения рассматриваемой и эталонных антенн:

при

Другое определение, введенное А.А. Пистолькорсом: КНД антенны назы­вается число, показывающее, во сколько раз нужно увеличить мощность излучения эталонной антенны для того, чтобы в заданном направлении получить одинаковые угловые плотности мощности, а следовательно, при оди­наковых расстояниях - одинаковые напряженности поля:

при или и

Из определения ДН по мощности следует, что

где – угловая плотность мощности в направлении максимума излучения,

- нормированная ДН по мощности.

Учитывая это, получаем:

где - КНД в направлении излучения данной антенны. Таким об­разом, КНД зависит от угловых координат и эта зависимость опреде­ляется ДН антенны по мощности. Сравнивая антенны, сравни­вают их КНД, то обычно имеют в виду - макс, значения КНД.

Коэффициент усиления антенны / КУ / определяется так же, как и КНД, только сравниваются не мощности излучения, а мощности, подво­димые к антеннам. Для эталона антенны мощность излучения и подводимая мощ­ность равны, т.к. ее КПД принят равным 100%. Реальные антенны имеют потери и их мощность излучения меньше подводимой мощности, на величину потерь.

Выражение для применительно к КУ имеет вид:

при

Т.к. то

Для направления максимума ДН:

Пересчет КНД при переходе от одной этад. антенны к другой часто требуется на практике и выглядит как:

где - КНД антенны по отношению к первому эталону, - ко второму эталону, - КНД второго эталона по отношению к пер­вому. Т.к. для эт. антенна используется отсчет КНД только в максимуме их ДН, то величина не зависит от угловых координат.

Расчет КНД часто выполняется по известному полю ант. в даль­ней зоне, хотя могут быть использованы и другие методы.

Положим, что антенна помещена в начале сферической системы координат и находится в свободном пространстве. Антенна излучает поле линейной поляризации и амплитуда этого поля известна во всех точках поверх­ности сферы радиуса , т.е. известна ДН по полю
. В качестве эталона возьмем изотропную антенну. Угловая плотность мощности для нее: /телесный угол для сферы равен /

Из условия , воспользовавшись формулой для мощности излучения антенн:

т.к. , а , получим

В направлении максим. излучения , поэтому:

Отсюда следует, что. КНД однозначно определяется нормированной ДН, что существенно упрощает многие расчеты.

КНД элемент, излучателей по отношению к изотропному излуча­телю. Нормированная ДН диполя Г. имеет вид . Подставля я это выражение в предыдущую формулу имеем: .

Поляризационные характеристики передающей антенны.

Поляризация перед, антенной определяется по поляризации ее поля излучения, как правило, по электрическому вектору, который, в общем случае, с течением времени изменяет как свою величину, так и направление в каждой точке пространства.

При изучении поляризации характеристик удобно ввести две плоскости – плоскость поляризации π и картинную плоскость К.

Плоскость поляризации содержит в себе вектор и направление распространения в точку наблюдения М. Если вектор вращается вокруг направления раcпространения, то вместе с ним вращается и плоскость по­ляризации. Поляризация называется линейной, если плоскость поляризации с течением времени не меняет своего положения в пространстве. При этом различают: горизонтальную поляризацию – векторе параллелен по­верхности земли; вертикальную поляризацию - плоскость поляризации перпендикулярна поверх, земли; наклонную поляризацию.

Поляризация называется,если плоскость поляризации вращается, делая один оборот за период ВЧ колебаний поля.

Картинная плоскость перпендикулярна направлению распростра­нения и проходит через точку наблюдения - вектор находится в картинной плоскости. Здесь используется прямоугольную систему координат с началом наблюдения в точке наблюдения М - оси совмещены с ортами сферической систему координат в точке М.

Эллиптическая поляризация является наиболее общим случаем поляризации, когда конец электронного вектора описывает в картинной плоскости эллипс, вращаясь со средней угловой скоростью ω.

Поляризационные характеристики поля и, словно, антенны полностью оп­ределяются следующими параметрами эллипса:

- углом наклона γ большой осиэллипса к оси θ выбранной системы координат - угол наклона поляризационного эллипса; коэффициент равномерности эллиптической поляризации:

- направлением вращения электронного вектора: эллиптическая поляризация правого и левого вращения.

Поляризационная характеристика - это зависимость э.д.с. в приемной антенне линейной поляризации, принимающей электромагнитной волны от рассматриваемой передающей антенны, от угла поворота Δ этой антенны в картинной плоскости. Для каждого положения приемной антенны ан­тенны амплитуда наведенной э.д.с пропорциональна наибольшей ве­личине проекции вращающегося электронного вектора на ось диполя. Если для всех углов Δ найти эту наибольшую проекцию и изобразить ее в виде радиуса-вектора в полярной системе координат на картинной плоскости, то концы векторов дадут кривую, которая является поля­ризационной характеристикой.

В общем случае для каждого направления в пространстве θ, φ будет своя поляризационная характеристика. Например: вырожденный эллипс поляризации и поляризационная характеристика: для случая линейной наклон­ной поляризации, а так же, для круговой поляризации.

Направленные cвойства антенн вращающейся поляризации характеризуют обычно парциальными ДН для взаимно перпендикулярных компо­нент. Эти парциальные ДН в нормированном виде записываются как для составляющей и для составляющей .

Так же вводится понятие полной амплитуды волны:

которая связана с угловой плотностью мощности соотношением:

Мы рассматривали поляризационные характеристики антенны с неизменяемыми во времени параметрами при излучении ею монохроматических волн. Поле такой антенны называется полностью поляризованным. Если преднамеренно или случайно изменяются во времени величины и γ, но вектор совершает вращательное движение с некоторой средней частотой ω, то поле называется частично поляризованным. Если же положение самого вектора для каждого момента времени является случайным, то поле является неполяризованным /деполяризован­ным/. Характерным примером неполяризованного электромагнитного поля является поле, излучаемое нагретыми телами.

Диапазон рабочих частот антенны - интервал от до в котором все параметры антенны не выходят из заданных пределов. Очевидно, этот диапазон: будет определятся тем параметром, который быстрее других выходит из заданных пределов при изменении частоты, чаще всего это входное сопротивление /коэффициент согласования/. При /≤1,7–2,0обычно говорят о полосе рабочих частот антенны . Ширину полосы рабочих частот определяют в единицах частоты или в процентах к средней частоте диапазона.

При - узкополосная /резонансная/ антенна

>10% - широкополосная

> 100% - широкодиапазонная и ее свойства характеризуют коэффициентом перекрытия диапазона

Теорема подобия: антенна, работающая при частоте колебаний не изменит свои параметры, если при новой частоте колебаний ее геометрические размеры будут уменьшены в n раз (), электрическая проводимость будет увеличена в n раз(), а электрическая и магнитная проницаемости материалов и среды останутся без изменения. Величина n – коэффициент масштабного пересчета или коэффициент подобия антенн.

На основании этой теоремы производится моделирование при разработке и исследований, антенн. Строится модель антенны уменьшен­ная в n - раз и производится измерение ДН, КНД, входное сопротивления и т.п. на частоте в n - раз большей рабочей частоты натуральной антенны, при соблюдении всех прочих условий.

ПРИЕМНЫЕ АНТЕННЫ.

Процесс приема - преобразование радиоволн, пришедших в пункт расположения приемной антенны, в направляемые электромагнитной волны, воздейс­твующие на входное устройство приемника.

Пусть картина электрического поля приходящей электромагнитной волны имеет в месте приема вид. изображенного на рисунке. Поместим в это поле металлическое тело, в каждой точке его поверхности должно выполняться условие . Полученное поле можно истолковать как результат наложения первичного поля и вторичного , созданного токами, наведенными на поверхности металлического тела первичным полем.

Токи на поверхности металлического тела будут такими, что условие выполняется везде на поверхности тел.

Вторичное поле распространено во все стороны от возбудившего его металл. тела - происходит процесс переизлучения электромагнитных волн, если в проводнике нет потерь, то энергия возбуждения токов полностью пе­реходит в энергию переизлученного /вторичного/ электромагнитного ноля.

Если к рассмотренному телу присоединить волновод иди другой фидер, то наведенные токи возбудят электромагнитного волны в фидерной линии металлическое тело становится приемной антенной. Как бы тщательно ни конструировалась антенна, фидерная линия и приемник, энергия воз­бужденных токов в реальных условиях не может быть полностью пере­дана в приемник. Часть энергии этих токов неизбежно рассеивается на переизлучение, т.к. процесс приема обязательно связан с искаже­нием поля, т.е. с возникновением вторичного поля.

Способ отбора энергии зависит от диапазона волн, назначения антенны и других обстоятельств: электрический /включение фидера в раз­рыв проводов антенны/, магнитным /применение рамок/, электромагнит­ным /волноводы/, комбинированным.

Эквивалентная схема приемной антенны.

Для цепи, подключаемой к приемной антенне, антенна является генератором, имеющим ЭДС (ξ) и внутреннее /собственное/ комплексное сопротивление:

Сопротивление не зависит от подключаемой нагрузки и характеризует собственно антенну. Х_А - характеризует реактивные поля стоячих волн, R_A- характеризует переизлученную мощность и мощность потерь в короткозамкнутой антенне - R_A=R_∑+R_П. Амплитуда ЭДС ε в эквивалентной схеме определяется напряжен­ностью поля приходящей волны, поляризацией поля и конструкцией приемной антенны, а внутреннее сопротивление - только конструкцией антенны.

Относительно приемника: Z_пр=R_пр+iX_пр

Комплексная амплитуда тока в цепи антенны: İ= ε/(Z_A+ Z_пр)

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРИЁМНОЙ АНТЕННЫ.

1. Внутреннее сопротивление приемной антенны.

2. ДН приемной антенны по напряжению - зависимость амплитуды ЭДС (тока) на клеммах антенны от направления прихода плоской электромагнитной волны при прочих равных условиях (зависит только от свойств самой антенны).

ε(θ,φ); I(θ,φ); F(θ,φ)= ε(θ,φ)/ ε_макс= I(θ,φ)/ I_макс – нормированный ДН.

ДН по мощности - зависимость мощности, выделяющейся на активной части входного сопротивления приемника R_пр от направления прихода электромагнитной волны – F²(θ,φ)

3. КНД приемной антенны - также характеризует направленные свойства антенны и определяется сравнением с эталонной антенной: КНД приемной антенны D(θ,φ) показывает, во сколько раз нужно увеличить мощность передатчика, чтобы при приеме на ненаправленную антенну получить то же отношение мощности сигнала к мощности помехи, что и при приеме с направления θ,φ на направленную антенну, причем полагается, что плотность мощности помехи равномерна во всех направлениях.

4. КПД - отношение мощности, отдаваемой в нагрузку, к мощности, которую антенна отдавала бы в ту же нагрузку, если бы не имела потерь.

η= R _∑ /(R _∑ +R_П),

где R_П - потери в металле, диэлектрике, в окружающих предметах, земле.

5. Коэффициент усиления - определяется как и КНД с учетом потерь энергии в антенне. Если приемник подключается к клеммам антенны без промежуточного фидера, то КУ равен: G₀=ηD₀

Если используется фидер с потерями: G₀=η_АФУD₀

6. Действующая длина антенны - коэффициент с размерностью длины:

ε(θ,φ)=l_д(θ,φ)∙Е, где ε(θ,φ) – ЭДС на клеммах антенны,

Е – напряженность электрического поля приходящей волны.

Вводя нормированную ДН по напряжению:

ε_макс∙F(θ,φ)= Е∙l_д∙ F(θ,φ)

Где l_д - значение действующей длины для направления максимального приема. ε_макс= Е∙l_д , l_д = ε_макс /Е.

7. Эффективная площадь приемной антенны – коэффициент, имеющий размерность площади и связывающий между собой величину вектора Пойнтинга приходящей волны и мощность, выделяющуюся в согласованной нагрузке:

Р_{пр 0}(θ,φ)=П∙А_э(θ,φ)

Где Р_{пр 0}(θ,φ) - мощность в согласованной нагрузке при приеме с направления θ,φ; П=Е² / 240π; А_э(θ,φ) - эффективная площадь для направления θ,φ.

Вводя нормированную ДН по мощности, имеем:

Р_{пр 0}(θ,φ)= Р_{пр 0}∙F²(θ,φ); А_э(θ,φ)= А_э F²(θ,φ); Р_{пр 0}=П∙А_э,

А_э = Р_{пр 0} / П=240πР_пр0/Е² – для направления максимального приёма.

Для апертурных антенн вводят коэффициент использования площади антенны, равный отношению эффективной площади к геометрической площади раскрыва.

q=А_э/S

8. Шумовая температура антенны T_a или АФУ T_АФУ

9. Рабочий диапазон волн (частот) - полоса частот, в которой все параметры антенны не выходят из заданных пределов.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ В ЦЕПИ ПРИЕМНОЙ

АНТЕННЫ.

Целесообразно различать в режиме приема собственно приемник и приемное устройство - приемник, антенна, фидер. Соответственно нужно различать чувствительность приемника и чувствительность приемного устройства.

Целесообразно также различать два режима работы приемного уст­ройства: режим сильного сигнала - сигнал много больше внешних помех и внутренних шумов, (последними можно пренебречь) и режим слабого сигнала - интенсивность внешних помех или внутренних шумов соизмерима с ин­тенсивностью принимаемого сигнала.

Дата добавления: 2014-01-05