Лекція №11: “Основні характеристики та параметри антен”

Скачати 98.63 Kb.

Назва	Лекція №11: “Основні характеристики та параметри антен”
Дата	19.04.2013
Розмір	98.63 Kb.
Тип	Лекція

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 стосується енергетичних властивостей антен, 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 Żн 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 частині

вхідного опору, від напряму приходу електромагнітної хвилі.

Таблиця 1

ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА ПАРАМЕТРИ АНТЕН

№ з/п	Енергетичні характеристики	Просторові характеристики	Якісні характеристики
1	P_A = 0,5I²_A R_A = P_Σ + P_B - потужність на вході антени, визначається діючим значенням значенням струму в активній складовій R_A її вхідного імпанденсу Ż_A .	F(,φ) = ƒ(,φ) / ƒ_max – 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 = P_Σ / P_A – коефіцієнт корисної дії (ККД) – це відношення потужності випромінювання до потужності на вході антени.
2	P_Σ – потужність випромінювання є частиною активної потужності P_A , 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 Р_А0 на вході ізотропної антени відносно потужності Р_А на вході реальної антени, при якому в точці приймання напруженості полів обох антен однакові.
3	P_В – потужність втрат - це частота активної потужності, що визначає теплові втрати в антені та навколишньому середовищі.	2Δ(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	R_A = 2P_A/I²_A – вхідний опір (активна складова) антени є навантаженням фідера і визначається як коефіцієнт пропорційності між потужністю P_A і квадратом ефективного значення сили струму в антені I_A.	D – коефіцієнт спрямованої дії (КСД), це число, що є мірою збільшення потужності ізотропної антени Р_Σ0 відносно Р_Σ реальної антени, при якому в точці приймання напруженості полів обох антен однакові.	S_д = P_max / 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	R_Σ = 2P_Σ / I²_A - опір випромінювання є коефіцієнтом пропорційності між потужністю P_Σ і квадратом ефективного значення сили струму в антені. ƒ_сер	- 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	R_B = 2P_B / I²_A – опір втрат є коефіцієнтом пропорційності між потужністю втрат P_B і квадратом ефективного значення сили струму в антені.	- хвильовий опір є коефіцієнтом пропорційності між поперечноми складовими векторів та у далекій зоні, що визначається відношенням між магнітної та діалектричної проникностями середовища.	P_A _max – гранична потужність - це така потужність на вході антени, при якій виникає електричний пробій її елементів або навколишнього середовища. Припустимо є таке співвідношення: P_A ≤ 0,25 P_A _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 R_н 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;— Т_ш 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,

Р_опт — 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 η_ф — 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” Антена є технічним засобом, який перетворює енергію електричного кола (наприклад, фідера) в енергію електромагнітного поля, що поширюється...	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