Параметры, характеризующие эффективность передающих антенн

Лекция 2

Напряженность электрического поля

Плоские волны

Электромагнитные волны от точечного ис­точника распространяются с одинаковой скоростью во всех направлениях. Процесс можно представить себе как непрерывное образование расширяющихся сферичес­ких оболочек, центр которых совпадает с точечным источником энергии. Если бы оболочки удалось увидеть, то вблизи ис­точника, когда их радиус мал, они бы выг­лядели как сферы. Однако вдалеке от ис­точника (радиус велик) оболочка уже не кажется искривленной и воспринимается как плоскость - точно так же, как поверх­ность Земли. Поэтому электромагнитные волны на достаточном удалении от источ­ника считаются плоскими. Мгновенная картина плоской волны с линиями элект­рического и магнитного полей представле­на на рис. 2. Здесь стрелки указывают мгновенное направление поля волны, иду­щей из рисунка к наблюдателю в виде плос­кости. В таких случаях говорят о плоском волновом фронте. Направление линий электрического и магнитного полей изме­няется на 180° каждые полпериода колеба­ний (направление стрелок становится об­ратным), но волновой фронт распространя­ется в прежнем направлении, оставаясь перпендикулярным к нему.

В случае плоских волн напряженность электромагнитного поля соответствует на­пряженности электрической составляющей Е поля. Она выражается напряжением, действующим вдоль отрезка линии поля определенной длины в плоскости волнового фронта. На­пряженность электрического поля измеря­ется в вольтах на метр (В/м) и в свободном пространстве линейно убывает с расстоя­нием. Поскольку по мере удаления от по­стоянного источника одна и та же энергия должна распределяться по все большей площади поверхности сферы, ее плотность тоже убывает с расстоянием.

К примеру, если источник излучения в свободном про­странстве на расстоянии 1 км создает на­пряженность Е = 1000 мкВ/м, то на удалении 10 км она составит 100 мкВ/м, на 100 км -10 мкВ/м и на 1000 км - 1 мкВ/м. Так как условия распространения радиоволн в око­лоземном пространстве далеки от идеаль­ных характеристик свободного простран­ства, реальное ослабление напряженности с увеличением расстояния оказывается еще более быстрым.

Антенна передающей станции обеспечивает переход от распростра­нения электромагнитных колебаний в свободном пространстве к распро­странению по волноводам (фидерным линиям) и наоборот. При передаче антенна концентрирует излучаемую энергию в луче, имеющем требуемую форму и заданное направление в пространстве. При приеме антенна вос­принимает энергию, содержащуюся в отраженном сигнале, и передает ее в приемник. Антенна с большой эффективной площадью обладает и большим коэффициентом усиления при передаче.

Большие раскрывы антенн, требуемые для передачи на боль­шие растояния, обеспечивают получение узких лучей, характерных для радиолокаторов. Антенны с большими коэффи­циентами усиления и узкими лучами вполне осуществимы на частотах сан­тиметрового диапазона волн.

Коэффициент направленного действия. Мерой способности антенны концентрировать энергию в данном направлении является усиление антен­ны. Двумя различными, но связанными между собой критериями направлен­ности антенны являются коэффициент направленного действия и коэффи­циент усиления по мощности. Первый коэффициент часто сокращенно обозначают к. н. д., а второй просто называют усилением антенны. Оба критерия представляют известный интерес для конструкторов радио­локационных систем. Коэффициент направленного действия характеризует диаграмму направленности антенны, а коэффициент усиления по мощности более пригоден для использования в уравнении дальности передачи.

Коэффициент направленного действия G _D передающей антенны можно представить выражением 1 l= c/f)

, (2)

где интенсивность излучения представляет собой мощность на единицу телесного угла, излучаемую в направлении (q, j) и обозначаемую через Р (q, j). График интенсивности излучения в функции угловых координат называется диаграммой интенсивности излучения. Зависимость плотности потока мощности, или мощности на единицу площади, от угла называется диаграммой излучения мощности. Диаграмма излучения мощности и диа­грамма интенсивности излучения являются идентичными при построении в относительном масштабе, т. е. при нормировании максимального значе­ния к единице. При построении в относительном масштабе обе диаграммы носят название диаграммы направленности антенны.

На рис. 4 приведен пример построения диаграммы направленности для параболической антенны. Основной лепесток соответствует 0°. Первая неоднородность в данной диаграмме направленности представлена так называемым вырожденным лепестком или искажением основного лепестка. Вырожденный лепесток не всегда присутствует в диаграммах направлен­ности антенны. Во многих диаграммах вместо него возникает первый боко­вой лепесток. Последний переходит в вырожденный лепесток, если рас­пределение фазы по раскрыву антенны не является постоянным. За первым боковым лепестком следует ряд боковых лепестков, интенсивность которых уменьшается с увеличением угла отклонения от оси основного лепестка. В секторе бокового излучения (в данном примере 100—115°) вследствие «перелива» энергии облучателя уровень боковых лепестков увеличивается а). В диаграмме направленности имеется также заметный задний лепесток (в направлении 180°), возникающий за счет дифракции отражателя и непо­средственного просачивания энергии через его сетчатую поверхность.

Диаграмма направленности, изображенная на рис. 4, построена в функции одной угловой координаты, однако реальная диаграмма представляет собой график интенсивности излучения Р (q, j) в функции двух углов, а именно q и j. В наземных антеннах угловыми координатами обычно служат азимут и угол места, однако может быть использована и другая удобная комбинация углов. В теоретических исследованиях часто поль­зуются классической системой сферических координат.

1) Речь идет о максимальном значении коэффициента направленного действия. Коэффициент направленного действия в направлении (0, ф) равен

2) Под «переливом» энергии понимается явление, когда часть энергии, излучае­мой облучателем, не перехватывается отражателем и «переливается» через его края.

Не всегда требуется строить полную диаграмму направленности в трех­мерном пространстве. Так, например, симметричная игольчатая диаграмма направленности антенны может быть представлена графиком только по одной угловой координате. Диаграмма направленности для прямоуголь­ных раскрывов часто может быть описана произведением диаграмм в двух координатных плоскостях.

Так, например,

P (q,j) =P (q, 0)× P (0, j),

и полная диаграмма направленности может быть определена по двум диа­граммам направленности в плоскостях q и j.

Так как средняя интенсивность излучения в телесном угле 4 p рад равна общей излученной мощности, деленной на 4 p, то коэффициент напра­вленного действия, определяемый уравнением (2), может быть представ­лен в виде

(3)

Используя это уравнение, по диаграмме направленности можно опре­делить коэффициент направленного действия. Максимальная мощность, приходящаяся на единичный телесный угол, получается просто путем измерений, а общая излучаемая мощность определяется путем интегриро­вания по области, ограниченной диаграммой направленности. Уравне­ние (3) может быть представлено в виде

(4)

где В определяется как площадь диаграммы направленности (луча) антенны

(5)

В этой формулировке площадь луча представляет собой телесный угол, через который прошла бы вся излученная мощность, если мощность, при­ходящаяся на единицу телесного угла, была бы равна Р (0, j)_макс по всей площади луча. Она определяет в сущности эквивалентную диаграмму направленности антенны. Если q_В и j _В представляют собой значения ширины луча по точкам половинной мощности в двух ортогональных пло­скостях, то площадь луча В приблизительно равна q _в j _в. Подставляя это значение в уравнение (4), получим

(6а)

если значения ширины луча по точкам половинной мощности выражены в радианах, или

(6б)

если эти значения выражены в градусах.

Коэффициент усиления по мощности. В основе определения коэффи­циента направленного действия лежит учет формы диаграммы направлен­ности. Этот, коэффициент не учитывает потери, обусловленные омическим нагревом, нагревом токами высокой частоты или несогласованностью эле­ментов антенны. В выражении для коэффициента усиления по мощности, обозначаемого здесь буквой G, учитывается влияние потерь в антенне и других потерь, снижающих к. п. д. антенны:

G= (Максимальная мощность излучения данной антенны)/(Мощность излучения изотропного источника (без потерь) с такой же водной мощностью)

G=P _t /P ₀.

Это определение должно использоваться в уравнении дальности радиоло­кации, так как оно учитывает потери, вносимые антенной ¹). К. н. д., кото­рый всегда имеет величину большую, чем коэффициент усиления по мощ­ности, играет важную роль при расчете зоны действия, точности измерения координат или разрешающей способности и более тесно связан с шириной луча антенны. Разница между этими двумя коэффициентами обычно мала, и при отсутствии потерь их значения совпадают. Коэффициент усиления по мощности и к. н. д. могут быть связаны с помощью к. п. д. антенны r_r следующим соотношением:

G = r_r G _D. (8)

Приведенные выше определения коэффициента усиления по мощности и к. н. д. были отнесены к передающей антенне. Одной из фундаментальных теорем теории антенн является теорема взаимности. Она гласит, что при определенных условиях диаграммы направленности антенны при передаче и приеме одина­ковы.

Таким образом, определения степени направленного действия антенны одинаково справедливы как в случае использования антенны для передачи, так и в случае ее использования для приема. Единственное прак­тическое отличие, которое может существовать между передающей и прием­ной антеннами, заключается в том, что передающая антенна должна обла­дать способностью выдерживать большую мощность.

Эффективный раскрыв. Другим важным параметром антенны, свя­занным с усилением, является эффективный раскрыв, или эффективная площадь приемной антенны. Этот параметр можно рассматривать как меру эффективной площади антенны при приеме падающих волн. Коэффи­циент усиления G и эффективная площадь А_е антенны без потерь связаны между собой выражением

, (9)

A_e=r_aA, (10)

где l - длина волны; А -геометрическая площадь антенны; r_a - коэф­фициент использования площади раскрыва.

Поляризация. Характер поляризации антенны определяется напра­влением вектора электрического поля. Большинство передающих антенн имеет линейную поляризацию, при которой направле­ние вектора электрического поля либо вертикально, либо горизон­тально. Поляризация может быть также эллиптической или круговой. Эллиптическую поляризацию можно рассматривать как результат комби­нации двух линейно поляризованных волн одинаковой частоты, распро­страняющихся в одном и том же направлении, причем плоскости их поля­ризации в пространстве взаимно перпендикулярны. Относительные ампли­туды обеих волн и их фазовые соотношения могут принимать любые зна­чения. При равенстве амплитуд обеих волн и сдвиге фаз (по времени) на 90° поляризация получается круговой. Круговая и линейная поляризации являются частными случаями эллиптической поляризации.

В обычных антеннах чаще всего приме­няется линейная поляризация, так как ее легче всего реализовать. Выбор между горизонтальной и вертикальной линейными поляризациями обычно производится конструктором антенны, хотя разработчики антенных систем иногда стремятся задавать ту или другую поляризацию в зави­симости от степени влияния отражений от земли.

Боковые лепестки и паразитное излучение. На рис. 4 представлена диаграмма излучения типовой антенны с боковыми лепестками. Обычно желательно обеспечить низкий уровень боковых лепестков. Если по боко­вым лепесткам излучается значительная часть всей мощности, то происхо­дит уменьшение мощности, излучаемой по основному лучу антенны, что приводит к снижению максимального коэффициента усиления.

Для определения оптимального уровня боковых лепестков нельзя сформулировать какое-либо общее правило. Этот уровень зависит от назна­чения передатчика и от того, насколько сложной получается конструк­ция антенны с низким уровнем боковых лепестков. При слишком высоком уровне боковых лепестков в приемник могут поступать сильные отражен­ные сигналы, принимаемые по этим боковым лепесткам. Высокий уровень боковых лепестков облегчает также задачу создания умышленных помех радиолокатору. Кроме того, такой радиолокатор более подвержен помехам со стороны близлежащих «своих» передающих систем.

В реальных антеннах легко можно получить боковые лепестки, уро­вень которых на 20—30 дб ниже уровня основного лепестка. При особо тщательном конструировании уровень боковых лепестков может быть сделан на 35—40 дб ниже уровня основного лепестка. Однако еще более низкие уровни боковых лепестков на практике получить трудно, хотя теоретически это вполне возможно.

Дата добавления: 2014-01-07