электрические параметры передающих антенн

Передающие и приёмные антенны

По способу использования антенны разделяются на передающие и приемные. Передающие антенны служат для преобразования энергии тока высокой частоты в энергию электромагнитного поля излучения а приемные — для преобразования электромагнитной энергии ЭМП в энергию тока высокой частоты.

Основные параметры антенн

Диаграмма направленности — это зависимость мощности, излучаемой (принимаемой) антенной от направления излучения (приема), характеризуемого углом.

Коэффициент полезного действия антенны характеризует потери мощности в антенне и представляет собой отношение мощности излучения к сумме мощностей излучения и потерь, т. е. к полной мощности, которая подводится к антенне радиопередающей станции от передатчика.

Коэффициент усиления антенны характеризует реальный выигрыш по мощности в нагрузке, даваемый данной антенной по сравнению с ненаправленным излучателем, с учетом направленных свойств антенны и потерь в ней. Коэффициент усиления антенны может выражаться в децибелах. Коэффициент усиления антенны тем больше, чем меньше ширина диаграммы направленности и величина заднего и боковых лепестков. Между коэффициентом усиления антенны и КНД существует прямая зависимость.

Согласование входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением фидера характеризуется коэффициентом бегущей волны в фидере, который может принимать значения от 0 (полное рассогласование) до 1 (полное согласование). Мощность, излучаемая антенной, связана с мощностью, отдаваемой передатчиком в фидер и коэффициентом бегущей волны.

Действующая высота приемной антенны — это отношение э. д. с. в антенне UA к напряженности электрического поля в точке приема. Действующая длина антенны — это параметр, используемый для уточнения свойств простейших антенн; например, антенны типа «линейный вибратор», «петлевой вибратор», «полуволновой вибратор».

Умножая действующую высоту на напряженность поля в месте приема, можно получить значение ЭДС на зажимах антенны в случае, когда сигнал приходит с направления максимального приема.

Источник

Основные электрические параметры передающих антенн

Как уже отмечалось, в дальней зоне каждый из векторов Е и Н в общем случае можно представить в виде сумы двух пространственных компонент. Комплексную диаграмму направленности можно вводить по отношению как к результирующему полю, так и к его отдельным компонентам.

Комплексная ДН характеризует зависимость амплитуды и фазы излучаемого поля от угловых координат при неизменном расстоянии до точки наблюдения. Различают амплитудную и фазовую ДН. Для точного описания фазовой ДН следует указывать, относительно какой конкретной точки, выбранной за начало координат, осуществляется расчет или измерение ДН.

Согласно определению амплитудная ДН представляет собой пространственную фигуру, поверхность которой описывается концом радиуса-вектора, исходящего из начала координат, длина которого в каждом направлении равна функции F(Θ, φ).

На практике используются как слабо направленные ДН, например, в форме тороида, соответствующие ДН элементарного электрического вибра­тора (рис. 1.4,а),так и остронаправленные (игольчатой формы), изоб­раженные на рис. 1.4, б,где показаны так называемый главный лепес­ток и боковые лепестки, всегда присущие остронаправленной ДН, фор­мируемой реальной антенной ввиду интерференционного характера поля.

Уровень боковых лепестков, характеризуют величиной макси­мума наибольшего бокового лепестка (обычно ближайшего к главно­му) по отношению к величине главного максимума. Численно УБЛ равен значению нормированной амплитудной ДН (в относительных единицах или децибелах) в точках, соответствующих направлению максимума наибольшего бокового лепестка. Иногда важно знать оги­бающую уровня боковых лепестков.

Линейная поляризация излучения обычно используется в системах, когда положение передающей и приемной антенн в пространстве не меняется и среда не оказывает существенного влияния на поляризацию поля. Такая ситуация имеет место, например, в наземном телевизионном вещании. При осуществлении связи с подвижными объектами целесообразно использовать круговую поляризацию. В этом случае применяют специальные конструкции антенн, например, турникетные или спиральные.

Для одной и той же антенны вид поляризации излученного поля зависит от направления в точку наблюдения. Зависимость поляриза­ции от направления особенно существенна, если амплитудная ДН не имеет нулей. Доказано, что в этом случае всегда найдется такое направление, где коэффициент эллиптичности s принимает любое на­перед заданное значение (от нуля до единицы).

Иногда в антеннах, предназначенных для излучения линейной поляризации поля, возникает паразитное излучение с ортогональной поляризацией за счет неточности изготовления или в силу некоторых конструктивных особенностей. В этом случае различают основную или главную составляющую поляризации поля излучения и кроссполяризационную (вредную) составляющую.

Существуют также системы радиосвязи, в которых каждая из ортогональных поляризаций используется для независимой передачи информации. Для таких систем весьма важен вопрос реализации очень низкого уровня кроссполяризационной составляющей.

Коэффициент полезного действия, коэффициент направлен­ного действия, коэффициент усиления. В передающих антеннах не­избежны потери мощности Р₀, подводимой к антенне от генератора, на тепловой нагрев проводников и изоляторов. Эти потери учитыва­ются введением коэффициента полезного действия (КПД) по формуле (предполагается, что окружающая среда потерь не имеет)

(11)

Коэффициент направленного действия (КНД) характеризует способность антенны концентрировать излученную мощность в опре­деленном направлении. Это понятие было введено в 1929 г. отечествен­ным ученым А. А. Пистолькорсом. По определению КНД (обозначим его D) есть отношение среднего (во времени) значения плотности потока мощности, излучаемой данной антенной в данном направлении, характеризуемом углами Θ₀, φ₀, к плотности потока мощности, излу­чаемой воображаемой абсолютно ненаправленной (изотропной) антен­ной, при равенстве мощностей, излучаемых обеими антеннами. При этом предполагается, что точка наблюдения находится на одинаковом расстоянии от обеих антенн.

В дальнейшем наряду с уже полученными формулами будет удоб­но использовать выражения для КНД в виде

(12)

Коэффициент направленного действия не учитывает потерь под­водимой энергии в антенне, в связи с чем вводится параметр G, учиты­вающий эти потери и называемый коэффициентом усиления (КУ) ан­тенны:

Смысл этого коэффициента, учитывая данное выше определе­ние КНД, заключается в следующем. Коэффициент усиления пред­ставляет отношение среднего (во времени) значения плотности потока мощности, излучаемой данной антенной в данном направлении Θ₀, φ₀, к плотности потока мощности, излучаемой изотропной антенной, при равенстве мощностей, подводимых к обеим антеннам. При этом пред­полагается, что η изотропной антенны равен 1 и обе антенны идеаль­но согласованы с фидером.

Существует и другое определение КУ, согласно которому этот коэффициент показывает, во сколько раз следует увеличить подводи­мую мощность при замене данной антенны изотропной антенной с КПД, равным единице, чтобы напряженность поля в данном направ­лении (при неизменном расстоянии до точки наблюдения) осталась неизменной.

Входное сопротивление антенны. Передающая антенна пред­ставляет для генератора некоторую нагрузку; для количественной ха­рактеристики этой нагрузки необходимо знать входное сопротивление антенны. Под входным сопротивлением антенны понимается отноше­ние напряжения U₀, приложенного к входным точкам антенны, к току I₀ на входе:

(14)

В строгой теории антенн токи (в том числе и ток I₀ на входе ан­тенны) и создаваемые ими поля определяются как решение соответ­ствующей граничной задачи электродинамики при заданном значении напряжения U₀ на входе антенны. В этом случае само нахождение Z_BX по формуле (14) представляется после решения указанной задачи тривиальными, поскольку вся трудность сосредоточена в нахождении тока в антенне. В приближенной теории антенн задача нахождения тока (внутренняя задача) решается приближенно, на основе знания каких-либо общих закономерностей или результатов многочисленных экспе­риментов. В этом случае, например для вибраторных антенн, даже зна­ние закона распределения тока не позволяет найти абсолютное значе­ние тока I₀, так как остается невыясненным вопрос, какому значению U₀ он соответствует. Возможность использования формулы (14) при этом исключается; более плодотворным в приближенной теории ан­тенн является подход к нахождению Z_BX на основе энергетических со­ображений, основанных на представлении антенны в виде двухполюс­ника и сопоставлении известных соотношений из теории электричес­ких цепей и электродинамики.

Из теории цепей известно, что входное сопротивление двухпо­люсника можно рассчитать по формуле

(15)

(16)

Учитывая, что распределение тока в общем случае переменно по длине антенны, при определении Z_BX следует в (15) под током по­нимать ток I₀ на входе антенны.

Для нахождения активной и реактивной частей Z_BX лучше всего комплексную мощность сторонних источников определять непосредственно через параметры самих источников. В частности, если рас­пределение тока в антенне известно, то именно этот ток можно счи­тать первопричиной возникновения поля, исключив для простоты все, происходящее в генераторе, линии передачи, соединяющей генератор и антенну, и др. Из теоремы Пойнтинга следует, что комплексная мощ­ность сторонних источников, заданных в виде тока с объемной плот­ностью J.

(17)

(18)

Применительно к вибраторным антеннам последняя формула является выражением метода, получившего в свое время название ме­тода наведенных ЭДС.

Энергетический подход лежит и в основе приближенного мето­да нахождения Z_BX на основе эквивалентных схем, например эквива­лентной длинной линии для вибраторных антенн. Здесь, приравнивая мощность, излучаемую антенной, к мощности потерь в эквивалент­ной схеме, получаем погонные параметры эквивалентной линии и, как следствие, входное сопротивление антенны.

Отметим, что наличие отражения сопровождается целым рядом негативных последствий, в том числе снижением КПД питающего фидера, нарушением устойчивости работы генератора, искажением передаваемой информации, снижением уровня допустимой мощности.

Одним из основных параметров антенн является также рабочая полоса частот, в пределах которой основные электрические парамет­ры удовлетворяют определенным техническим требованиям. Обычно рабочая полоса частот определяется тем параметром, значение кото­рого при изменении частоты раньше других выходит из допустимых пределов. Чаще всего таким параметром является входное сопротив­ление антенны. В ряде случаев рабочая полоса частот определяется изменением направления максимального излучения, расширением ДН, уменьшением КНД и др.

Условно принято к узкополосным антеннам относить антенны, относительная рабочая полоса частот которых не превышает 10 %. Антенны с полосой частот свыше 10 % считаются широкополосными. Если отношение максимальной частоты к минимальной (перекрытие частот) составляет 5:1 и более, такие антенны называют сверхширо­кополосными или частотно-независимыми. Широкополосные антен­ны применяют для излучения широкополосных сигналов; в случае уз­кополосных сигналов такие антенны позволяют без перестройки ра­ботать при переходе с одной частоты на другую.

Еще одним параметром передающих антенн является предель­ная мощность,которую можно подвести к антенне, не вызывая про­боя окружающей среды и не нарушая электрической прочности изоля­торов.

1. Поясните суть принципа суперпозиции применительно к расчету антенных уст­ройств.

2. Перечислите основные факторы, определяющие вид множителя системы иден­тично расположенных излучателей.

3. Получите в общем виде выражение для разности хода в решетке с произволь­ным размещением элементов в пространстве.

4. Каков физический смысл множителя ослабления?

5. Определите границу дальней зоны для излучателя, имеющего квадратную фор­му 1×1 м, при частоте 12 ГГц.

6. Запишите и поясните теорему Пойнтинга в интегральной форме для среды с потерями.

7. Сформулируйте принцип перестановочной двойственности уравнений Макс­велла.

8. Сформулируйте принцип эквивалентности, основанный на введении эквива­лентных поверхностных электрических и магнитных токов.

9. Сформулируйте принцип эквивалентности, основанный на введении эквива­лентных объемных электрических и магнитных токов поляризации.

10. Что понимается под амплитудой и фазовой ДН в передающем режиме?

11. Запишите и поясните универсальное представление поля в дальней зоне про­извольной антенны через нормированную амплитудную и фазовую ДН.

12. Перечислите основные свойства поля произвольной антенны в дальней зоне.

13. Дайте определение и поясните способы расчета входного сопротивления антенны.

Источник

Теория радиоволн: антенны

Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.

Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.

Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.

Антенны

Симметричный вибратор

В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.

Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.

Диаграмма направленности симметричного вибратора

В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.

В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:

Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.

Несимметричный вибратор

Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.

Диаграмма направленности следующая:

Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.

Наклонная V-образная

Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V

Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.

Антенна бегущей волны

Также имеет название — антенна наклонный луч.

Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.

Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:

Антенна волновой канал

Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.

Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.

За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:

Рамочная антенна

Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.

Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:

Логопериодическая антенна

Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.

Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:

Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.

Поляризация

Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.

Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.

Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.

При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.

Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.

Источник

3. Основные электрические параметры передающих антенн

. (1.16)

Соответственно различают амплитудную ДН: и фазовую ДН: .

Амплитудная ДН обычно нормируется к максимальному значению этой характеристики, т.е. к значению амплитудной ДН в направлении главного максимума излучения, положение которого определяется угловыми координатами _гл и _гл. Нормированная амплитудная ДН имеет вид:

. (1.17)

На рис. 1.3 показаны слабонаправленная и остронаправленная (игольчатая) ДН. Остронаправленным ДН обычно присущи боковые лепестки.

Часто ограничиваются амплитудными ДН, изображая сечения пространственных ДН в каких-либо плоскостях, обычно во взаимно перпендикулярных.

В некоторых случаях пользуются понятием диаграммы направленности по мощности:

Сечение остронаправленной ДН принято численно характеризовать шириной главного лепестка (шириной луча) и уровнем боковых лепестков (УБЛ).

Обычно вводят понятие ширины главного лепестка по уровню нулевого излучения:

₀ – угла между направлениями, вдоль которых амплитуда напряженности поля падает до нуля, и ширины главного лепестка по уровню половинной мощности:

_0,5 – угла между направлениями, вдоль которого амплитуда напряженности поля падает до от максимального значения.

Уровень боковых лепестков  характеризуют величиной максимума наибольшего бокового лепестка (обычно ближайшего к главному) по отношению к величине главного максимума. Численно УБЛ равен значению нормированной амплитудной ДН (в относительных единицах или децибелах) в точках, соответствующих направлению максимума наибольшего бокового лепестка. Иногда важно знать огибающую уровня боковых лепестков.

Знание фазовой ДН важно для решения вопроса, имеет ли данная антенна фазовый центр. Если (, ) = const (или меняется скачком на 180° при переходе амплитудной ДН через нуль), то такая антенна имеет фазовый центр в точке, с которой было совмещено начало координат при расчёте или измерении фазовой ДН. Поле излучения антенны в этом случае представляет чисто сферическую волну, исходящую из фазового центра.

Поляризационные параметры антенн. Напомним, что под поляризацией поля излучения понимают ориентацию в пространстве вектора Е.

Бывает: круговая, линейная и эллиптическая виды поляризации.

Коэффициент полезного действия (кпд или ), коэффициент направленного действия (кнд или d), коэффициент усиления (ку или g).

, (1.18)

где Р_ – мощность, излучаемая антенной; Р_пот – мощность потерь в антенне.

Коэффициент направленного действия характеризует способность антенны концентрировать излученную мощность в определенном направлении.

По определению КНД есть отношение среднего (во времени) значения плотности потока мощности, излучаемой данной антенной в данном направлении, характеризуемом углами ₀, ₀, к плотности потока мощности, излучаемой воображаемой абсолютно ненаправленной (изотропной) антенной, при равенстве мощностей, излучаемых обеими антеннами. При этом предполагается, что точка наблюдения находится на одинаковом расстоянии от обеих антенн.

. (1.19)

Обычно КНД вычисляют в направлении главного максимума:

. (1.20)

Если ДН обладает осевой симметрией (не зависит от азимута ), то:

. (1.21)

Коэффициент направленного действия не учитывает потерь подводимой энергии в антенне, в связи с чем вводится параметр, учитывающий эти потери и называемый коэффициентом усиления (КУ) антенны:

Коэффициент усиления представляет отношение среднего (во времени) значения плотности потока мощности, излучаемой данной антенной в данном направлении ₀, ₀ к плотности потока мощности, излучаемой изотропной антенной, при равенстве мощностей, подводимых к обеим антеннам. При этом предполагается, что КПД изотропной антенны равен 1 и обе антенны идеально согласованы с фидером.

Входное сопротивление антенны. Передающая антенна представляет для генератора некоторую нагрузку; для количественной характеристики этой нагрузки необходимо знать входное сопротивление антенны. Под входным сопротивлением антенны понимается отношение напряжения , приложенного к входным точкам антенны, к току на входе:

. (1.23)

При инженерных оценках: . (1.24)

В случае значительных потерь в среде: , (1.25)

причём справедливо для КПД: .

. (1.26)

Наличие отражения сопровождается целым рядом негативных последствий, в том числе снижением КПД питающего фидера, нарушением устойчивости работы генератора, искажением передаваемой информации, снижением уровня допустимой мощности.

Одним из основных параметров антенн является также рабочая полоса частот, в пределах которой основные электрические параметры удовлетворяют определенным техническим требованиям. Обычно рабочая полоса частот определяется тем параметром, значение которого при изменении частоты раньше других выходит из допустимых пределов. Чаще всего таким параметром является входное сопротивление антенны. В ряде случаев рабочая полоса частот определяется изменением направления максимального излучения, расширением ДН, уменьшением КНД и др.

Условно принято к узкополосным антеннам относить антенны, относительная рабочая полоса частот которых не превышает 10%. Антенны с полосой частот свыше 10% считаются широкополосными. Если отношение максимальной частоты к минимальной (перекрытие частот) составляет 5 : 1 и более, такие антенны называют сверхширокополосными или частотно-независимыми. Широкополосные антенны применяют для излучения широкополосных сигналов; в случае узкополосных сигналов такие антенны позволяют без перестройки работать при переходе с одной частоты на другую.

Еще одним параметром передающих антенн является предельная мощность, которую можно подвести к антенне, не вызывая пробоя окружающей среды и не нарушая электрической прочности изоляторов.

Источник