Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств

Подождите немного. Документ загружается.

где

в=т/}Ь+±А)'--

—

коэффициент, определяемый из соотношения

(2-54);

—

касательная составляющая вектора напряженно-

сти электрического поля в раскрыве;

—

площадь раскрыва.

В случае остронаправленных антенн величину дей-

ствующей площади антенны можно определить по более

простой формуле:

If- I

sds

= С-^ . (2-160)

USfds

где _

V (X

Для синфазных раскрывов, когда а.= у ~, обе фор-

мулы совпадают и

с— I*

А =

А^—- ' (2-161)

Если направление вектора Q совпадает с одной из коор-

динатных осей \, то, например, (2-161) можно записать в

более простом виде:

S^ds\

(2-162)

или

[Yds

Л = -^ , (2-163)

\\V\

где /'

—

функция распределения поля по раскрыву,

Зная геометрическую площадь раскрыва и эффективную

площадь антенны, можно определить коэффициент ис-

пользования площади раскрыва по формуле (1-32). Зна-

чения КИП для некоторых законов распределения поля

по раскрыву даны в табл. 2-1 и 2-4.

Коэффициент направленного действия, эффективную

площадь и действующую высоту антенны можно свя-

зать,

как это легко усмотреть из приведенных выше фор-

мул, друг с другом следующими соотношениями:

l/w-

(2-

165

)

которые могут оказаться полезными при практических

расчетах.

2-11.

ОБ УЧЕТЕ ВЛИЯНИЯ ЗЕМЛИ НА ПАРАМЕТРЫ

АНТЕННЫ

Характеристики антенны, установленной вблизи по-

верхности земли, будут отличаться от характеристик

этой антенны, расположенной в свободном пространст-

ве.

Это отличие обусловлено отражением излучаемой

антенной волны от поверхности земли. Влияние земли

главным образом сказывается на ДН, которая становит-

ся изрезанной, и входном сопротивлении антенн, распо-

ложенных на относительно небольшой высоте от поверх-

ности земли (менее одной-двух длин волн) и работаю-

щих на длинах ВОЛИ более 10 м. Для ультракоротковол-

новых антенн, имеющих обычно большие относительные

размеры раскрыва и, следовательно, узкую ДН, влия-

ние земли или корпуса объекта, на котором установле-

на антенна, проявляется слабо, особенно если максимум

ДН ориентирован под углом к поверхности земли или

объекта, большим, чем ширина ДН по нулям, и поэтому

часто не учитывается.

Наиболее просто учесть влияние земли в предполо-

жении, что земля является идеально проводящей пло-

скостью. В этом случае применяют метод зеркальных

изображений и получаемые результаты оказываются,

как правило, достаточно точными. Точность расчета тем

лучше, чем больше длина волны, так как при этом

с меньшей погрешностью можно считать землю идеаль-

но проводящей.

Сущность метода зеркальных изображений заключа-

ется в том, что влияние идеально проводящей земли за-

меняется действием антенны, являющейся зеркальным

изображением реальной антенны относительно плоско-

сти земли. При этом возбуждение антенны изобра-

жения оказывается синфазным с возбуждением реаль-

ной антенны, если линия тока (или вектор Е в антеннах

с излучающим раскрывом) направлена в реальной ан-

тенне перпендикулярно поверхности земли. В случае,

когда токи реальной антенны текут параллельно по-

верхности земли, реальная антенна и ее изображение

противофазны.

ДН системы, состоящей из реальной антенны и ее

изображения, находится с помощью теоремы умножения

ДН, причем расстояние между элементами решетки рав-

но удвоенной высоте подъема антенны. Множитель ре-

шетки в случае изображения, синфазного с антенной,

равен:

= cos(&# cos6), (2-166)

а для противофазного

—

/v=sin(£#cos6). (2-167)

В этих выражениях Я

—

высота подъема, а

— угол,

отсчитываемый от вертикали. Таким образом, ДН антен-

ны,

расположенной на высоте Н от поверхности идеаль-

но проводящей плоской земли, равна:

F=F,F\ или F=F

{

, (2-168)

где F\—ДН антенны в свободном пространстве. При

этом следует помнить, что реальна только та часть ДН,

которая расположена над плоскостью земли.

В общем случае напряженность поля в точке прие-

ма будет представлять собой векторную сумму напря-

женностей полей, создаваемых прямым лучом, лучом,

отраженным от земли по законам геометрической опти-

ки и поверхностной волны, распространяющейся вдоль

земной поверхности. Сумма первых двух слагаемых

в случае, когда земля имеет конечную проводимость,

может быть легко определена методом зеркальных изо-

бражений с той лишь особенностью, что величину тока

антенны и ее изображения нужно умножить на ком-

плексный коэффициент Френеля, соответствующий па-

раметрам почвы и углу падения на землю отраженного

на нее луча.

Величину комплексных коэффициентов Френеля мож-

но вычислить по следующим формулам.

Для волны с вертикальной (параллельной) поляриза-

цией

in I —'Фи

s.fcSinS

— Y*rh —

COS

Ян=

#i,

ГТ~ГА===--

(2-169)

" e

sin о -f- у e

k — COS

v ;

Для волны с горизонтальной (перпендикулярной пло-

скости падения) поляризацией

R ^Iflje-'*!^

-*^!^

!*:. (2-170)

± 1!

SlttS

-f

Y*th

—

cos

В этих формулах

6 —

угол наклона (скольжения) луча,

отраженного от земли, т. е. угол, образованный направ-

лением луча с горизонтальной плоскостью, а

8rk=e

—i

• бОХсг

(2-171)

—

относительная комплексная электрическая проницае-

мость почвы. В последней формуле г

—

относительная

электрическая проницаемость; а

—

удельная электриче-

ская проводимость почвы.

На рис. 2-12 и 2-13 приведены графики для опреде-

ления \R\ и Ф в зависимости от угла наклона луча и

параметров почвы.

Вертикальная составляющая электрического поля

в месте приема при вертикальной поляризации волны

может быть определена по формуле

*•*=

^|/

cos2

"+*

cos2

(да) К +

2 cos

«со, 8/?^) j/j^cos^+^r)

V^KBTDX

[мв/м]. (2-172)

ргУ

025^.

0,3

0,35

ПриО<р<1

Ф180°-

90°

~ПриО<1/рИ

Ф 0°~ 90°

S.C

\ N \

010

K\\N

\рил

а!/р

б) 0 01 02 03 04 05 05 07 08 09 10

ton

wjk.

/л

ЯЛ

inif

ад

•<^д 0

И>

010^

135

005

~~0^5:

pan

OoO

гз|ж

$>c

01 02 03 04 05 ОБ 07 08 09 10

Рис 2 12 Графики для стремления моцуля и аргумента комплекс

ного коэффициента отражения для волны с вертикальной гголяризе!

цией, бдо—угол скольжения при котором аргумент равен 90°

а — график для определения /?

и бэо по известным Я о и е

—

график для

определения аргумента Ф коэффициента отражения в

—

график для опреде

ления модуля R коэффициента отражения

Напряженность поля в месте приема при горизонтальной

поляризации волны находят с помощью следующего выра-

жения

173

£тф

'"и

^/^1^^+^4^У^Ы>)

^Дг X

X \

/Г

Р«вт0

[мв/м];

(2-173)

здесь £

ф —эффективная величина напряженности поля

в месте приема;

да

Kit.

181;

182

189

184

18S\

ПО

196

200

205\

— расстояние по прямой между передающей и

приемной антеннами;

Лг— геометрическая разность хода между пря-

мым и отраженным от земли лучами;

— КНД антенны для прямого луча;

—

КНД антенны для отраженного луча;

—

угол между вертикалью и вектором напря-

женности электрического поля прямого луча

в месте приема.

п=В/С

0Д)

<р

<S>

^к

k* \

0,4

0,3

0 2

0,1

го

зо

чо so 60

град

20 30 «О 50

103090

'.рад

Рис.

2-13. Графики для определения модуля и аргумента комплекс-

ного коэффициента отражения для волны с горизонтальной

поляризацией.

С = /(

Ег

—l)

+ (60b)

; А = j/*0,5(C + e

— 1);

В=У0,5(С + е

+1);

—

график для определения аргумента Ф коэффициента отражения; б

—

график для определения модуля коэффициента отражения R.

Зная высоты подъема антенн h\ и h%, расстояние

между точками расположения антенн вдоль поверхности

земли г, можно найти:

(2-174)

(2-175)

tga:

—

/г

(2-176)

Величину Дг вычисляют по формуле

(2-177)

На практике часто формулы (2-172) и (2-173) упрощают,

полагая В

В,

•

' я^ 1,

в знаменателе формул

и считая углы а и 8 малыми. В результате для волн

с вертикальной и горизонтальной поляризациями полу-

чается одна формула:

X l/"

+ Я

+ 2/? cos f

+ у Дг ) /Л^ [мв/м].

(2-178)

Приведенные выше интерференционные формулы,

строго говоря, справедливы лишь для плоской земли и

прямой видимости между точками приема и передачи.

Способ учета сферичности земли, а также методы опре-

деления поля в области полутени и тени можно найти

в курсах по распространению радиоволн. Весьма по-

дробно эти вопросы рассмотрены в книге М. П. Долуха-

нова [Л. 24].

Как уже указывалось, отражения от земли сказыва-

ются и на входном сопротивлении антенны. В случаях,

когда землю можно считать идеально проводящей, ве-

личину входного сопротивления антенны можно полу-

чить,

учитывая взаимное сопротивление между реаль-

ной антенной и ее изображением. Таким образом, вход-

ное сопротивление антенны, расположенной над иде-

ально проводящей землей, равно ее входному сопро-

тивлению, когда она расположена в свободном прост-

ранстве, плюс взаимное сопротивление антенны и ее изо-

бражения.

В случае конечной проводимости земли учет ее вли-

яния можно произвести таким же путем, но умножая

величину взаимного сопротивления на комплексный ко-

эффициент Френеля для нормального падения. Более

подробно этот вопрос рассмотрен в {ЛО. 14, Л. 25, 26].

7-2541 97

2-12.

РАСЧЕТ ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ АНТЕННЫ

Собственная шумовая температура антенны, вызван-

ная излучением электромагнитной энергии элементами

конструкции антенны, может быть рассчитана электро-

динамическим путем [Л. 17—20]. Собственная шумовая

температура антенны Т

ао

определяется только темпера-

турой материала Т, из которого она изготовлена, и по-

терями в ней:

ао=(1-т]а)7'

)

(2-179)

где

г]

—

к. п. д. антенны.

Так как Г известна, то следует рассчитать либо ц

либо Гас- Расчеты показали [Л. 21], что за счет потерь

в стальном зеркале с температурой 300° К Т

а с

не пре-

вышает 0,3° К при

0,5

см; Г

а с

стального полуволно-

вого вибратора с 7=

300°

К равна

1,2°К.

На более длин-

ных волнах Га

уменьшается.

Значительно больший вклад вносят внешние по от-

ношению к антенне источники шума. Шумовая темпера-

тура антенны без потерь, вызванная внешними источни-

ками, вычисляется по формуле

=±^Т(9,

)D(8, <p)dQ; (2-180)

здесь Г

(6,

<р)

—функция распределения шумовой темпе-

ратуры в окружающей антенну среде;

D(Q,

<?)

— КНД антенны;

dO.

= sin

б db

dy— элемент телесного угла.

Функция распределения Т{Ь, <р) представляет собой

сумму функций распределения космических шумов, шумов

атмосферы, шумов земли и окружающих антенну предме-

тов.

Оценку функций распределения космических шумов

и шумов атмосферы можно произвести с помощью

рис.

2-14.

Шумовая температура атмосферы зависит от ее со-

стояния и может быть оценена по формуле

= ^a(r)T(r)e '° dr, (2-181)

где a(r)—суммарный коэффициент поглощения (рассе-

яние на частицах не должно учитываться)

на расстоянии г от антенны;

—

действительная температура атмосферы.

Шумовая температура земли и окружающих антенну

хорошо поглощающих предметов зависит от их электри-

ческих свойств и при расчетах ее можно полагать рав-

ной 290° К.

100 ги,

Рис.

2-14 Зависимость космических шу-

мов и шумов атмосферы от частоты и

угла места Ф

—

максимальный.

малыши уровни космических шумов

Полную шумовую температуру антенны с учетом шу-

мов фидера и различного рода устройств можно опре-

делить по формуле

= (Т

ас

1аТ

)пфГ]у + Т

}

ф+

(1-т1ф)Тф, (2-182)

где

Гас

—

собственная температура антенны;

—

шумовая температура раокрыва антенны, вы-

числяемая по формуле (2-180);

—

шумовая температура устройств, включенных

между антенной и фидером;

Тф

— физическая температура фидера;

ЦФ —

- Д- устройств и фидера.

Расчеты и измерения показали, что наибольший

вклад в шумовую температуру антенны вносят шумы,

принятые по боковым лепесткам. В то время как прием

шумов в секторе, занимаемом основным лепестком ДН,

неизбежен, прием шумов по боковым лепесткам можно

снизить путем уменьшения уровня бокового излучения,

т. е. за счет правильного выбора величины поля на краю

раскрыва антенны. При этом

распределение поля по рас-

крыву оценивается по ма-

ксимальному отношению

сигнал/шум. Например, ког-

да антенна работает при

больших углах места, мож-

но показать, что максимум

отношения сигнал/шум до-

стигается при максимуме

функции [Л. 22]:

(2-183)

где v

—

КИП антенны;

—

часть мощности об-

лучателя, падаю-

щая на зеркало;

•ожидаемая шумо-

температура

Рис.

2-15. Зависимость у от ве-

личины поля на краю раскрыва

на частоте 1 Ггц и 7^ =

25°

для различных значений Г„

вая

неба;

—шумовая температу-

ра на входе прием-

ника;

= 290° К-

Первое слагаемое в зна-

менателе определяет мощ-

ность шумов, принятых по

главному и боковым лепест-

кам, а второе

—

мощность шумов, принимаемую задни-

ми лепестками. Результаты расчетов по этой формуле

даны на рис. 2-15. Из рисунка видно, что при

<100°

максимум у достигается при спадении поля на краю ан-

тенны, большем, чем 0,2, а при больших Т

краевое об-

лучение должно падать примерно до 0,3 (примерно

—

10 дб), при котором достигается максимум КУ.

Следует также иметь в виду, что наличие в антенне

кроссполяризации, затенений в раскрыве от облучателя,

100