Лекція №11: “Основні характеристики та параметри антен”


Скачати 95.65 Kb.
НазваЛекція №11: “Основні характеристики та параметри антен”
Дата09.07.2013
Розмір95.65 Kb.
ТипЛекція
bibl.com.ua > Фізика > Лекція

Лекція №11: “Основні характеристики та параметри антен”



1. Радіолінія та її особливості

Антена є технічним засобом, який перетворює енергію електрич­ного кола (наприклад, фідера) в енергію електромагнітного поля, що поширюється у просторі, та навпаки.

Тому антени поділяються на передавальні та приймальні.

Фідери - це лінії, які з'єднують та уз­годжують антену з вихідним колом передавача або вхідним колом приймача.

Конструктивні особливості антен залежать від конкретної тактичної задачі, що її розв'язує користувач каналу зв'язку.

Струк­турний склад каналу наведено на рис. 1. Із цього рисунка випли­ває, що антени є невід'ємними елементами лінії зв'язку — специ­фічного електродинамічного об'єкта, що міститься між вихідними клемами радіопередавача та вхідними клемами радіоприймача і має основним своїм наповнювачем електромагнітне поле штучного по­ходження як носій інформації від джерела до отримувача.


На рис. 1 фідером передавальної антени є хвилевід із хвилею типу . Плавне збільшення поперечних розмірів хвилеводу пере­творює його на пірамідальну рупорну антену. На підставі першого рівняння Максвелла змінне електромагнітне поле з напруженістю Е в розкриві рупора збуджує у вільному просторі вихрове магнітне поле напруженістю Н, яке на підставі другого рівняння Максвелла збуджує у просторі вихрове електричне поле Е, і т. д. Біля приймаль­ної антени, утвореної, наприклад, із двох коротких порівняно з дов­жиною хвилі λ відрізків циліндричного провідника з питомою про­відністю g , виникає електричне та магнітне поле. Під впливом пара­лельної провіднику складової електричного поля у провіднику збу­джується електричний струм густиною  , а під впливом магніт­ного поля — ще один компонент струму . Зрозуміло, що результуючий струм густиною містить таку саме ін­формацію, що й електромагнітне поле.

Якщо антена радіопередавача є гіпотетично точковою, то потуж­ність випромінювання PΣ розподіляється у вільному просторі рів­номірно в усіх напрямках. При сферичному фронті хвилі значення густини потоку енергії (вектора Умова — Пойнтінга), випромінюва­ної цією антеною Вт /, залежить від відстані між R антенами [2]


Крім того, поверхня приймальної антени, що дотикається до сферичної поверхні фронту хвилі, дуже мала. Тому потужність, яка розвивається в приймальній антені, може бути недостатньою для високоякісної обробки прийнятого сигналу. Значення густини пото­ку енергії П за незмінного значення PΣ , можна збільшити, якщо для антен існують напрями переважного випромінювання та прийому, тобто коли антени характеризуються спрямованими властивостями. Наприклад, зафіксуємо на рис. 1. проекцію будь-якого із зображе­них векторів на поздовжню вісь приймальної вібраторної антени. Уявимо, що ця антена переміщується дугою радіуса R фронту хвилі під деяким кутом φ. Тоді побачимо, що проекція вектора на вісь антени зменшиться. Відповідно зменшиться й сила струму, що інду­кується в антені. Це означає, що передавальна (рупорна) антена ха­рактеризується певною спрямованістю дії.

Оскільки антени виготовляються з реальних (не ідеальних) про­відників, то частина підведеної з фідера енергії йде на теплові втрати. Тому реальні антени характеризуються коефіцієнтом корисної дії (ККД) μ, меншим від одиниці. Крім того, деяким значенням ККД характеризується й власне фідерна лінія, що з'єднує вихід передава­ча (вхід приймача) з антеною. Якщо на рис.1 одну з антен розгор­нути на деякий кут відносно поздовжньої осі лінії радіозв'язку, то за інших однакових умов проекція вектора на приймальну антену зменшиться. Це свідчить про поляризаційні властивості антен, які необхідно враховувати при реалізації каналу радіозв'язку.
2. Основні характеристики та параметри антен

З розгляду рис. 1 випливає, що незалежно від конструктивних особливостей антенних пристроїв усі вони характеризуються спіль­ними за фізичним змістом параметрами.

Частина характеристик антен сто­сується їх енергетичних властивостей , ще одна частина — просто­рових характеристик. Існує ще й третя частина характеристик, що визначає ефективність антени як перетворювача енергії фідера в енергію електромагнітного поля.

Згідно з таким поділом характеристи­ки радіопередавальних антен наведено в табл. 1.

При аналізі антен, що перебувають у режимі приймання, необхідно враховувати деякі додаткові обставини. Фідер та вхідні кола радіоприймача є комплексними навантаженнями Żн = Rн + іХн і можуть розцінюватись як вхідний опір радіоприймача.

Власне приймальна антена при цьому розглядається як еквівалентне джерело деякої електрорушій­ної сили (ЕРС) є з внутрішнім імпедансом

Під впливом ЕРС у навантаженні Żа виникає електричний струм, який можна розцінювати як позитивний ефект від застосу­вання каналу зв'язку.
Характеристика спрямованості (ХС) приймальної антени за на­пругою (струмом) визначається як залежність амплітуди напруги U (або струму І) у навантаженні антени, тобто — на вхідному опорі радіоприймача) від напряму приходу хвилі у вертикальній  та го­ризонтальній (φ) площинах. Тому нормовану ХС або ДС прий­мальної антени можна подати у вигляді:

Нормована ХС (ДС) приймальної антени за потужністю  визначається як залежність потужності, що виникає на ак­тивній частинівхідного опору, від напряму приходу електромаг­нітної хвилі.

Таблиця 1

ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА ПАРАМЕТРИ АНТЕН



з/п

Енергетичні характеристики

Просторові характеристики

Якісні характеристики

1

PA = 0,5I2A RA = PΣ + PB - потужність на вході антени, визначається діючим значенням значенням струму в активній складовій RA її вхідного імпанденсу ŻA .

F(,φ) = ƒ(,φ) / ƒmax – нормована характеристика спрямованості (ХС) антени – залежність напруженості поля в рівновіддалених точках простору від кутових кординат, віднесена до максимального значення напруженості поля. Графічне зображення ХС є діаграмою спрямованості (ДС).

η = PΣ / PA – коефіцієнт корисної дії (ККД) – це відношення потужності випромінювання до потужності на вході антени.

2

PΣ – потужність випромінювання є частиною активної потужності PA , що витрачається на створення поля. Характеризує енергію передавача, що перетворюється антеною в енергію електромагнітного поля.

Ψ(,φ) – фазова характеристика спрямованості (ФХС) – залежності фази поля від кутових координат. Графічне зображення ФХС є фазою ДС. Центр сферичної поверхні рівних між собою фаз (фронту хвилі) є фазовим центром антени.

G = ηD – коефіцієнт підсилення (КП) визначає міру збільшення потужності РА0 на вході ізотропної антени відносно потужності РА на вході реальної антени, при якому в точці приймання напруженості полів обох антен однакові.

3

PВ – потужність втрат - це частота активної потужності, що визначає теплові втрати в антені та навколишньому середовищі.

(або 2Δφ) – ширина ДС у вертикальній (або горизонтальній площині) – це кутовий сектор, сторони якого перетинають контур ДС на рівні 0,707 від максимальної напруженості.

 - діюча довжина антени – це довжина прямолінійного відрізка провідника з рівномірним розподілом струму, який створює таку саму напруженість поля в певному напрямі, що й реальна антена.

4

RA = 2PA/I2A – вхідний опір (активна складова) антени є навантаженням фідера і визначається як коефіцієнт пропорційності між потужністю PA і квадратом ефективного значення сили струму в антені IA.

D – коефіцієнт спрямованої дії (КСД), це число, що є мірою збільшення потужності ізотропної антени РΣ0 відносно РΣ реальної антени, при якому в точці приймання напруженості полів обох антен однакові.

Sд = Pmax / П = λ2 D /4π діюча площа – це площа деякого розриву з рівноамплітудним синфазним розподілом поля, що у точці прийняття створює таку ж напруженість, що й реальна антена.

5

RΣ = 2PΣ / I2A - опір випромінювання є коефіцієнтом пропорційності між потужністю PΣ і квадратом ефективного значення сили струму в антені. ƒсер

- нормована поляризаційна характеристика визначає просторове положення вектора напруженості електричного поля залежно від поточного часу t.

Діапазонні властивості визначаються шириною смуги робочих частот Δƒ – це така смуга, у межах якої жодний параметр антени не виходить з допусків. Відносна смуга :

 =


6

RB = 2PB / I2A – опір втрат є коефіцієнтом пропорційності між потужністю втрат PB і квадратом ефективного значення сили струму в антені.

 - хвильовий опір є коефіцієнтом пропорційності між поперечноми складовими векторів та Н у далекій зоні, що визначається відношенням між магнітної та діалектричної проникностями середовища.

PA max – гранична потужність - це така потужність на вході антени, при якій виникає електричний пробій її елементів або навколишнього середовища. Припустимо є таке співвідношення: PA ≤ 0,25 PA max



Коефіцієнт спрямованої дії (КСД) приймальної антени є числом, що вказує, у скільки разів потрібно збільшити потужність випромі­нювання PΣ радіопередавача, щоб у навантаженні приймальної антени Rн виник струм такої самої сили, як і при прийманні на неспрямовану антену. КСД характеризує виграш від застосування спрямованих антен порівняно з неспрямованими (ізотропними) антенами.
Діюча довжина ℓ д приймальної антени є розмірним коефіцієнтом пропорційності між електрорушійною силою J і напруженістю еле­ктричного поля Е в точці розташування антени. Тому при відомих значеннях ℓ д та Е маємо: J = E ℓ д
Приймальна антена є джерелом власних ненавмисних шумових коливань, які обмежують чутливість приймача.
Середньоквадратичний рівень шумів визначається формулою Найквіста



а потужність шуму



де k = 1,38*10 -23 Вт / (Гц*К) — стала Больцмана;

Тш шумова температура;

Δf - ширина смуги робочих частот.
При безпосередньому підімкненні антени до входу радіоприйма­ча, на його вході створюється сигнал потужністю

де γ — коефіцієнт узгодження антени з вхідним опором приймача,



Ропт — оптимальна потужність, що виділяється приймальною анте­ною на вході приймача,



 — поляризаційний вектор відповідно передавальної та приймальної антен.
За наявності фідера значення потужності на вході приймача



де ηф — ККД фідерної лінії.
В основу конструкції будь-яких антен покладено елементарні випромінювальні структури — носії струмів та зарядів (що опису­ються правими частинами основних рівнянь Максвелла). До таких структур можна віднести короткі (порівняно з довжиною хвилі λ) відрізки лінійного провідника зі струмом, або кругового провідника із струмом, або щілину у провідниковій поверхні (наприклад, хвиле­воду), на краях якої концентруються електричні заряди протилежних знаків. До елементарних структур можна віднести елемент фронту хвилі в отворі (апертурі) чи у вільному просторі.

Ефективність елементарних вібраторів не­значна, оскільки амплітуда рівномірно розподіленого по довжині струму є дуже малою часткою гармонічного струму певного відрізка провідника, довжина якого сумірна з довжиною хвилі λ. Очевидно, що геометричні розміри реальних вібраторів мають бути кратними λ /4 , коли реалізується принаймні один максимум і один мінімум амплітуди гармонічного струму. До таких антен належать проводові.

Схожі:

Лекція №11: “Основні характеристики та параметри антен”
Під впливом пара­лельної провіднику складової електричного поля у провіднику збу­джується електричний струм густиною , а під впливом...
Призначення антен. Надати пояснення щодо оборотних властивостей антен. Класифікація антен
Надати визначення лінійних та апертурних антен. Види полярізації ЕМХ в лінійних та апертурних антенах
1. Призначення антен. Надати пояснення щодо оборотних властивостей антен. Класифікація антен
...
Тема «Налагоджування параметрів операційної системи»
Додатково (Дополнительно). Параметри на вкладці Додатково (Дополнительно) діалогового вікна властивостей системи дозволяють вам настроїти...
Тема. Дослідження зворотних зв’язків (ЗЗ) в підсилювачах
Мета роботи: дослідження впливу негативного ЗЗ на характеристики і параметри підсилювачів
Лекція №16: “Апертурні антени”
За незмінної потужності передавача збільшення інтенсивності випромінювання потребує звуження головної пелюстки ДС. У діапа­зоні сантиметрових...
Л. М. Таберко 2012р
Мета роботи вивчити загальне улаштування автомобіля, класифікацію рухомого складу, систему визначення, параметри, що входять до...
ЗМ ІСТ ВСТУП РОЗДІЛ ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДІЛОВОЇ ТЕРМІНОЛОГІЧНОЇ ЛЕКСИКИ
РОЗДІЛ ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДІЛОВОЇ ТЕРМІНОЛОГІЧНОЇ ЛЕКСИКИ
Виділяються чотири основні ознаки, на підставі яких торгове підприємство...
Основні характеристики торговельного підприємства, як суб’єкти та об’єкти ринкових відносин
5. Апаратна складова інформаційної системи
Апаратна складова інформаційної системи. Основні складові апаратного забезпечення комп’ютерних систем, їх функціональне призначення...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Портал навчання


При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання © 2013
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua
Головна сторінка