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

Подождите немного. Документ загружается.

Входное сопротивление антенны. Мощность, созда-

ваемая генератором высокой частоты, реализуется в ан-

тенне, к которой она подводится с помощью линии пе-

редачи. Полная мощность, поглощаемая в антенне,

складывается из мощности излучения Р

изя

и мощности

потерь Р

которая является следствием конечной про-

водимости проводников антенны, несовершенства приме-

няемых диэлектрических материалов, а также потерь

мощности в земле и окружающих антенну предметах.

Мощность излучения определяют как мощность, из-

лучаемую антенной через окружающую ее замкнутую

поверхность, непосредственно примыкающую к поверх-

ности антенны. Мощность излучения состоит из актив-

ной и реактивной мощностей, т. е.

Яивл = /\ +

»Яр,

(1-22)

где P

— активная мощность излучения, которую часто

называют мощностью излучения;

—

реактивная мощность излучения.

Необходимо отметить, чго, строго говоря, реактив-

ная мощность Р

не является излученной мощностью.

Эта мощность локализована в ближней зоне антенны

(зоне индукции). Однако знание этой мощности необ-

ходимо, так как она определяет реактивную часть вход-

ного сопротивления антенны.

Полная мощность в антенне, таким образом, пред-

ставляет собой сумму:

Рд^

+ Яи +

'-Яр-

(1-23)

В гех случаях, когда удается ввести понятие тока на

входе (клеммах или зажимах) антенны, т. е. в месте

соединения антенны с линией передачи, можно отнести

каждое слагаемое соотношения (1-18) к квадрату дей-

ствующего значения тока /

и получить:

= R,-\-Ru-\-iX

, (1-24)

где Z

—

Pjf

—

полное входное сопротивление антенны;

~PJI

—сопротивление излучения антенны, отне-

сенное к току /

;

= P

//f — реактивное сопротивление ашенны;

= Р

— сопротивление потерь.

Сопротивление излучения R^ является важным па-

раметром антенны, характеризующим ее излучающие

свойства. Необходимо обратить внимание па то, что со-

противление излучения определяется по отношению

к некоторому, вообще говоря произвольно выбранному,

значению тока в антенне /

. Наиболее часто сопротивле-

ние излучения относят к току в пучности R

, а вне-

симметричных антеннах — к току у основания антенны

l()

Если отнести сопротивление излучения к току на

клеммах антенны, как это было сделано выше, то при

настройке антенны в резонанс

(Х

и в пренебреже-

нии потерями (R

= 0)

сопротивление излучения будет

являться входным сопротивлением антенны.

Как следует из сказанного выше, полное сопротивле-

ние антенны является характеристикой не только самой

антенны, оно зависит также от влияния различных эле-

ментов конструкции и окружающих предметов. Для од-

ной и той же антенны ее входное сопротивление будет

отличаться при различном конструктивном выполнении.

Из приведенных выше соотношений следует, что

к. п. д. антенны можно записать в следующем виде:

В антеннах сверхвысоких частот не всегда удается

ввести понятия тока, напряжения и входных клемм ан-

тенны. В таких случаях под входным сопротивлением

антенны понимают сопротивление на конце линии, где

подключена антенна. Это сопротивление определяют по

результатам измерения распределения электромагнитно-

го поля в линии передачи. Следует заметить, что к экс-

периментальному определению входного сопротивления

антенны прибегают очень часто, так как теоретический

расчет полного входного сопротивления встречает обыч-

но значительные трудности и даже для многих простых

типов антенн дает весьма приближенные результаты.

Действующая высота антенны. Диаграмма направ-

ленности антенны дает представление об изменении от-

носительной интенсивности электромагнитного поля

в пространстве, окружающем антенну. Однако абсолют-

ная величина напряженности электрического поля при

этом оказывается неизвестной. Если была бы известна

величина напряженности поля в максимуме ДН, то

в других направлениях величину напряженности поля

можно было бы найти с помощью очевидного соотноше-

ния:

\E(b,

= \E

Mahc

\F(b,

). (1-25)

Для определения наиболее простым способом ]£

МЯ

кс|

проволочных антенн поступают следующим образом.

Определяют длину прямолинейного провода с равномер-

ным по ею длине распределением амплитуды тока, рав-

ной амплитуде тока на входе реальной исследуемой ан-

тенны, исходя из равенства напряженностей полей в ма-

ксимумах ДН провода

антенны. Напряженность поля

в максимуме ДН провода

равномерным распределе-

нием амплитуды по его длине равна:

|£.

«.с|

= ^.

(1-26)

где

k =

2лД;

/ — длина провода;

—

амплитуда тока в проводе;

—

расстояние до точки наблюдения.

При определении длины провода, как указывалось,

считается, что

|-Сомите ]провода

]-Со^лкс |аптенны (1-27)

и для расчета величины напряженности поля антенны

в максимуме ДН можно воспользоваться соотношением

(1-26),

если известна соответствующая длина провода/,

которая для каждой антенны является вполне опреде-

ленной величиной. Длина такого провода и называется

действующей высотой антенны Н

, причем для

каждой антенны она вычисляется один раз. Таким обра-

зом, действующая высота антенны равна длине прямо-

линейною провода

равномерным распределением ам-

плитуды тока, который создает

максимуме ДН такую

же интенсивность поля, как антенна

максимуме своей

ДН. Напряженность создаваемого антенной поля

лю-

бой точке пространства можно вычислить по формуле

((i,

,R)\^^^F(l^.

(1-28)

Действующая (эффективная) площадь антенны. Для

антенн

излучающим раскрывом (рупоры, зеркальные

антенны и т. д.) понятие действующей высоты теряет

физический смысл. Для антенн этого типа вводят поня-

тие действующей (эффективной) площади антенны.

В теории антенн доказывается, что наиболее высо-

кий КНД среди антенн с излучающим раскрытом имеет

антенна, поле в раскрыве которой распределено равно-

мерно и синфазно. В этом случае максимальный КНД

фмакс) и геометрическая площадь раскрыва антенны

(5) связаны соотношением

^макс =

р"

^- \l"^J)

Для антенн с другим распределением (но с тем же раз-

мером раскрыва и при той же длине волны)

MaKC

бу-

дет меньше, и его можно выразить следующим образом:

£>

ыа

кс = ^Д (1-30)

где Л — некоторая площадь, называемая действующей

или эффективной площадью антенны, причем

A^S. (1-31)

Знак равенства в (1-31) имеет место только при рав-

номерном и синфазном распределении поля в раскрыве.

Отношение

= £ (1-32)

называется коэффициентом использования

площади антенны (КИП), причем очевидно, что

Понятию действующей площади антенны можно дать

следующее определение. Действующая (эффективная)

площадь антенны — это площадь раскрыва некоторой

антенны с равномерным и синфазным распределением

поля, которая создает в максимуме ДН такую же интен-

сивность поля, что и рассматриваемая антенна в макси-

муме своей ДН, при условии равенства подводимой

к антеннам мощности и к. п. д.

Необходимо также иметь в виду, что наличие в рас-

крыве антенны различного рода препятствий (например,

облучателя и элементов его крепления в зеркальных ан-

теннах) ведет к уменьшению действующей площади ан-

тенны, чго должно быть учтено при ее проектировании.

По известному значению КИП и размерам раскры-

ва можно определить КНД антенны, а по нему, зная

мощность излучения, найш напряженность поля £

в максимуме ДН:

„

/ЗОЛО ,.

= 1—5-^-

•

(1-33)

Так как коэффициент усиления связан с КНД и ко-

эффициентом полезною действия антенны (1-20), то КУ

можно выразить через геометрическую площадь антен-

ны 5 следующим образом:

= -4D

„c=£VS. (1-34)

Произведение n_v иногда называют эффективно-

стью антенны:

£ =

r]v.

(1-35)

Уровень боковых лепестков. Величину бокового из-

лучения антенны оценивают при помощи нескольких па-

раметров. Одним из таких параметров является отно-

сительный уровень боковых лепестков,

под которым понимают отношение напряженности поля

в направлении максимума какого-либо бокового лепест-

ка к напряженности поля в направлении главного ма-

ксимума:

С |£бон]ма1С

/1 оа\

?0ок—•

—Г5—|

•

^i-oo;

^гл

|маи (

Обычно |бок определяют для самого большого по вели-

чине бокового лепестка. Величину |д

ц выражают либо

в процентах, либо в децибелах. Если ДН нормирована

еДИНИЦе, ТО ОЧеВИДНО, ЧТО £бш,= |^ (б, ф)бок|макс

Параметр |бок характеризует только максимальную

величину боковых лепестков. Для оценки всего боково-

го излучения используют либо средний уровень

боковых лепестков:

*«Р =

;ЙП=^Г

\ -ПО, ?)sineded?, (1-37)

либо среднеквадратичный уровень боковых

лепестков (средний по мощности)

^.„.

= 5^ j F*(fi

i)»n9d9dr, (1-38)

4,с

гя

здесь О

гл

— телесный угол, занимаемый основным лепест-

ком.

Удобной характеристикой бокового излучения антенны

является также коэффициент рассеяния

Г Р

(9,

sin

9 d9

= l-^ —, (1-39)

I Р(в, <f)sin9d9uff

показывающий, какая часть мощности излучается в боко-

вые лепестки.

В обычных антеннах величина

имеет порядок 0,3—0,4.

Однако в специально выполненных антеннах возможно

достичь значений

= 0,15

—

0,1 и даже меньше.

Поляризационная характеристика антенны. Поле

излучения антенны определяется, как уже указывалось,

двумя комплексными функциями N

и N,

, которые опреде-

ляют в пространстве положение векторов поля. В зависи-

мости от величины модулей и аргументов этих функций

различают несколько случаев.

Если между функциями N

и N имеет место одно из

следующих соотношений: N

ЛГ 7^0 либо N\ф®

W = 0 или arg

= arg N , то векторы' поля колеблются

во времени вдоль^одного^направления.

Такое электромагнитное поле называют полем с ли-

нейной поляризацией, а антенну, создающую это поле,

антенной с линейной поляризацией. В случае электро-

магнитного поля с линейной поляризацией плоскость,

проходящую через вектор напряженности электрическо-

го поля и направление распространения волны, называ-

ют плоскостью поляризации этой волны. Положение

плоскости поляризации в пространстве определяется по-

ложением антенны с линейной поляризацией, причем

в зависимости от того, как расположена плоскость поля-

ризации относительно поверхности земли, различают го-

ризонтальную, вертикальную и наклонную поляризации

поля.

Если N

=£0, М

ФО и arg

=^=argiV

, то векторы

поля не имеют во времени постоянного направления

в пространстве. В этом случае векторы поля будут вра-

щаться в пространстве, причем концы их в общем слу-

чае будут описывать в некоторой плоскости эллипс.

В соответствии с этим такую электромагнитную волну

называют волной с эллиптической или вращающейся по-

ляризацией, а эллипс, который описывает конец вектора

поля

—

эллипсом поляризации. Волну с эллип-

тической поляризацией характеризуют коэффициен-

том равномерности поляризации (коэффици-

ентом эллиптичности) [КРП], который представляет со-

бой отношение малой оси эллипса поляризации к боль-

шоп. В зависимости от того, какую систему

—

правую

или левую

—

образует направление вращения вектора

напряженности электрического поля с направлением рас-

пространения волны, различают правовращающуюся или

левовращающуюся поляризацию.

При равенстве амплитуд компонент поля, соответст-

вующих N и N

, эллипс поляризации превращается

в окружность, а поляризация волны называется круго-

вой. Легко видеть, что случай линейной поляризации яв-

ляется частным случаем эллиптической, когда эллипс

поляризации вырождается в прямую линию.

Необходимо отметить, что соотношения амплитуд и

фаз компонент поля изменяются в пространстве, и по-

этому каждому направлению будет соответствовать свой

эллипс поляризации. Чтобы однозначно характеризовать

поляризационные свойства поля, создаваемого антенной

с вращающейся поляризацией, КРП определяют в на-

правлении максимума ДН антенны и в направлениях,

соответствующих уровням 0,5 (или 0,1) по мощности.

Поляризацию поля излучения антенны обычно иссле-

дуют с помощью индикаторной антенны с линейной по-

ляризацией, которая ориентируется в направлении при-

ходящего сигнала. Изображенная графически зависи-

мость интенсивности принимаемого сигнала от угла по-

ворота индикаторной антенны вокруг ее продольной оси

называется поляризационной диаграммой.

Поляризационные диаграммы для различных случаев по-

ляризации поля показаны на рис. 1-9.

Рабочий диапазон волн антенны (частотная харак-

теристика антенны). Рабочий диапазон волн антенны

определяется допустимой величиной изменения длины

в)

Рис 1-9 Поляризационные диаграм-

мы антенн, получаемые при следую-

щей поляризации поля излучения

—

линейной, б

—

круговой, в

—

эллиш и-

ческой

волны (частоты), при котором основные параметры ан-

тенны, зависящие от частоты, не выходят за заданные

пределы.

Таким образом, рабочий диапазон волн определяется

предъявленными требованиями для каждой системы,

в которой используется

данная антенна. Обыч-

но производят опреде-

ление рабочего диапа-

зона по изменению од-

ного или нескольких

параметров антенны:

изменению формы ДН

или ее положения в про-

странстве, уменьшению

КУ, увеличению вели-

чины боковых лепест-

ков,

изменению поля-

ризационной характе-

ристики, изменению входного сопротивления антенны

т. д.

Часть этих параметров, таких, например, как КУ, можег

ограничить диапазон волн со стороны низких частот,

а другие, например форма ДН,— со стороны высоких ча-

стот. Очень часто диапазон рабочих волн ограничивается

изменением входного сопротивления антенны, так как это

ведет к падению коэффициента бегущей волны в питаю-

щей антенну линии. В таких случаях диапазон рабочих

волн определяется по допустимому минимальному значе-

нию коэффициента бегущей волны. Такое ограничение по

входному сопротивлению, как правило, имеет место, если

антенна обладает ярко выраженными резонансными свой-

ствами (системы из тонких полуволновых вибраторов).

В антеннах с вращающейся поляризацией наиболее

вероятно, что параметром, ограничивающим диапазон

рабочих волн, будет являться допустимое изменение

КРП. В линейных решетках излучателей, запитызаемых

с конца (например, волноводно-щелевые антенны), наи-

более сильно с изменением частоты проявляется эффект

отклонения максимума ДН. Если такое изменение поло-

жения ДН не предусмотрено специально, то оно навер-

няка будет служить ограничением диапазона рабочих

волн. Однако полностью судить о частотной характери-

стике антенны можно только после расчета всех основ-

ных ее параметров и выявления их зависимости от из-

менения частоты,

Если ширина рабочего диапазона волн антенны со-

ставляет единицы процентов по отношению к средней

длине волны, то такую антенну называют узкополосной.

Широкополосной антенной называют антенну с рабочим

диапазоном свыше 10%.

Максимально допустимая мощность в антенне. Мощ-

ность, которая может быть подведена к антенне, ограни-

чивается возможностью пробоя. Пробой наступает при

напряженности электрического поля у поверхности эле-

ментов антенны, превышающей некоторое значение, ко-

торое определяется параметрами окружающей антенну

среды (воздуха).

1-2. ПАРАМЕТРЫ ПРИЕМНЫХ АНТЕНН

Большинство параметров, характеризующих антенну

в режиме передачи, сохраняется и при работе ее в ре-

жиме приема. Однако смысл некоторых параметров не-

сколько изменяется.

Диаграмма направленности антенны в режиме прие-

ма полностью совпадает с ДН в режиме передачи, при-

чем под ДН в режиме приема понимают зависимость

наводимой на клеммах антенны э. д. с. от направления

прихода плоской электромагнитной волны. Для антенн

с излучающим раскрытом ДН определяет зависимость

выделяемой в согласованной нагрузке мощности от на-

правления прихода плоской электромагнитной волны,

причем определенная таким образом ДН является ДН

по мощности.

Коэффициент направленного действия приемной ан-

тенны равен ее КНД в режиме передачи и показывает,

во сколько раз нужно увеличить мощность передатчика,

чтобы при приеме на ненаправленную антенну получить

то же отношение мощности сигнала к мощности поме-

хи,

что и при приеме на исследуемую антенну, причем

предполагается, что плотность мощности помех равно-

мерна во всех направлениях.

Коэффициент полезного действия и коэффициент уси-

ления антенны в режиме приема совпадают с этими же

величинами антенны в режиме передачи. К- п. д.

приемной антенны имеет следующий смысл. Он показы-

вает, во сколько раз мощность, передаваемая в согласо-

ванную нагрузку реальной антенной, меньше мощности,

которую могла бы передать в такую нагрузку антенна

без потерь (потери в линии передачи при этом не учи-

тываются) .

Полное внутреннее сопротивление антенны в режиме

приема равно полному входному сопротивлению в режи-

ме передачи.

Действующая высота антенны в режиме приема рав-

на действующей высоте этой антенны в режиме переда-

чи,

причем смысл ее заключается в том, что она пред-

ставляет собой коэффициент, связывающий э. д. с, на-

водимую в приемной антенне &

. с напряженностью по-

ля в точке приема Е при условии, что антенна ориенти-

рована максимумом ДН в направлении прихода волны

и поляризационная характеристика приемной антенны

соответствует поляризации поля. Таким образом,

(1-40)

Эффективная (действующая) площадь антенны А

в режиме приема определяется как отношение мощно-

сти,

передаваемой приемной антенной в согласованную

нагрузку, к мощности, приходящейся на единицу площа-

ди в падающей на антенну плоской волне (поле пло-

ской волны при этом считается не искаженным антен-

ной).

Эффективная площадь .антенны в режимах приема

и передачи одна и та же. Следовательно, КИП и эффек-

тивность антенны в этих режимах имеют одно и то же

значение.

Мощность, поступающая в согласованную с антенной

нагрузку, равна:

Рщ,

АП, (1-41)

где Я—модуль вектора Пойнтинга у антенны, величи-

на которого определяется при известных параметрах

передающей антенны (КНД, излученной мощности Р

)

и расстоянии между антеннами R:

/7 = —

(1-42)

В (1-41) считается, что поляризация антенны соответст-

вует поляризации падающей волны.

Шумовая температура антенны. Если даже антенна

не принимает какого-либо полезного сигнала или искус-

ственной помехи, то на ее нагрузке все же выделяется