Основные электрические параметры и расчет поля излучения антенн

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные электрические параметры и расчёт поля излучения антенн

Содержание

1. Основные электрические параметры передающих антенн

1.1 Направленные свойства антенн подвижной радиосвязи

1.2 Диаграмма направленности

1.3 Коэффициент направленного действия

1.4 Коэффициент усиления антенны

1.5 Фазовая диаграмма и характеристика

1.6 Коэффициент полезного действия

1.7 Частотная характеристика антенны

2. Применение принципа суперпозиции к расчету поля излучения антенн

3. Особенности расчета поля в дальней зоне антенны

1. Основные электрические параметры передающих антенн

Каждая антенна как пассивное линейное устройство может работать в режимах передачи и приема. В обоих режимах антенна характеризуется направленными, поляризационными, фазовыми свойствами и входным сопротивлением. К основным характеристикам и параметрам, описывающим эти свойства, относятся:

диаграмма направленности (ДН);

коэффициент направленного действия (КНД);

коэффициент усиления (КУ);

фазовая диаграмма (ФД);

коэффициент полезного действия (КПД).

В режиме передачи дополнительно антенна характеризуется поляризационной диаграммой (ПД). В режиме приема - поляризационной эффективностью (ПЭ) и шумовой температурой (ШТ).

Под характеристиками антенны понимаются некоторые величины, связанные с полем антенны в дальней зоне, зависящие от угловых координат , точки наблюдения (рис. 1). К ним относятся ДН, ФД, ПД.

Параметры характеризуют антенну в целом (интегрально) и не зависят от углов , .

Параметры антенн определяются свойствами поля антенны или в дальней зоне, или как в дальней и ближней зонах. К параметрам относятся КНД, КУ, КПД, ПЭ, ШТ, входное сопротивление.

1.1 Направленные свойства антенн подвижной радиосвязи

Свойства направленности антенны описывают характеристикой (диаграммой) направленности. Количественно эти свойства оценивают с помощью таких параметров, как ширина диаграммы направленности, уровень боковых лепестков, коэффициент направленного действия (КНД) и других. Важным параметром является входное сопротивление антенны, характеризующее ее как нагрузку для генератора или фидера. Входным сопротивлением антенны называется отношение напряжения между точками питания антенны (зажимы антенны) к току в этих точках. Если антенна питается волноводом, то входное сопротивление определяется отражениями, возникающими в волноводном тракте. В общем случае входное сопротивление - величина комплексная: . Оно должно быть согласовано с волновым сопротивлением фидерного тракта (или с выходным сопротивлением генератора) так, чтобы обеспечить в последнем режим, близкий к режиму бегущей волны.

Рис. 1 Угол места и угол азимута в трёхмерном пространстве

Мощность, излучаемая антенной связана с током в точках питания антенны соотношением , где - активная составляющая входного сопротивления антенны; при отсутствии потерь в ней () - это сопротивление излучения. Данное определение относится к проволочным антеннам.

Одним из основных параметров антенны является ширина ее рабочей полосы частот, в пределах которой параметры антенны (характеристика направленности, входное сопротивление, КПД и др.) удовлетворяют определенным техническим требованиям. Требования к постоянству параметров антенны в пределах рабочей полосы могут быть различными; они зависят от условий работы антенны.

1.2 Диаграмма направленности

Диаграмма направленности (антенны) -- графическое представление зависимости коэффициента усиления антенны или коэффициента направленного действия антенны от направления антенны в заданной плоскости.

Диаграммой направленности (ДН) антенны по полю часто называют зависимость модуля комплексной амплитуды вектора напряженностиэлектрической компоненты электромагнитного поля, создаваемого антенной в дальней зоне, от угловых координат точки наблюдения, то есть зависимость (рис. 2.1).

ДН обозначается символом . ДН нормируют -- все значения делят на максимальное значение и E_m обозначают нормированную ДН символом . Очевидно, .

ДН обычно описываются не только в плоскости, но и в трехмерном отображении. Для упрощения их рассмотрения принимают две проекции ДН:

· горизонтальную (азимутальная)

· вертикальную (по углу места)

При совместном рассмотрении проекций проясняется более полная картина самой ДН и, как подтверждает практика, по этим данным можно судить об эффективности антенны применительно решения конкретной задачи.

Существуют амплитудные , фазовые и поляризационные ДН.

По форме диаграммы направленности антенны обычно подразделяются на узконаправленные и широко направленные. Узконаправленные антенны имеют один ярко выраженный максимум, который называют основным лепестком и побочные максимумы, обычно имеющие отрицательное влияние, высоту которых стремятся уменьшить. Узконаправленные антенны применяют для концентрации мощности радиоизлучения в одном направлении для увеличения дальности действия радиоаппаратуры, а также для повышения точности угловых измерений в радиолокации. Широко направленные антенны имеют хотя бы в одной плоскости диаграмму направленности, которую стремятся приблизить к кругу. Они находят применение, например, в радиовещании. Часто лепестки диаграммы направленности называют лучами антенны.

Диаграмма направленности антенны (рис. 2) определяется амплитудно-фазовым распределением компонент электромагнитного поля антенны, некоторой условной расчетной плоскости, связанной с ее конструкцией.

Рис. 2 Диаграмма направленности антенн СПР ОП

Разработка антенны с требуемой диаграммы направленности сводится, таким образом, к задаче обеспечения нужной картины электромагнитного поля в плоскости апертуры. Существуют фундаментальные ограничения, связывающие обратной зависимостью ширину луча и относительный размер антенны, то есть размер, деленный на длину волны. Поэтому узкие лучи требуют антенн больших размеров или коротких волн. С другой стороны, максимальное сужение луча при данном размере антенны ведет к возрастанию уровня боковых лепестков. Поэтому в данном моменте приходится идти на приемлемый компромисс.

Диаграмма направленности антенн обычно обладает свойством взаимности, то есть аналогично работает на передачу и прием.

1.3 Коэффициент направленного действия

В передающих антеннах неизбежны потери мощности, 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)

(1)

где - мощность, излучаемая антенной; - мощность потерь в антенне.

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.

(КНД) антенны -- отношение квадрата напряженности поля, создаваемой антенной в данном направлении, к среднему значению квадрата напряженности поля по всем направлениям.

КНД является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд). Для обозначения КНД используют латинскую букву (от англ. Directivity).

Обычно оперируют значением КНД в направлении максимума излучения антенны. При этом КНД становится мерой способности антенны концентрировать энергию электромагнитного излучения в узком луче. Согласно определению, КНД однозначно связан с формой диаграммы направленности (ДН) антенны (более строго -- с формой характеристики направленности антенны).

Следует различать КНД и коэффициент усиления (КУ) антенны: КНД целиком и полностью определяется формой ДН антенны и не учитывает КПД антенны, то есть не учитывает потерю энергии в элементах конструкции антенны и объектах, расположенных в ближней зоне антенны.

В зависимости от конструкции антенны и рабочей длины волны значение КНД в направлении максимума излучения может составлять от единиц до миллионов. Чем уже главный лепесток ДН и меньше уровень боковых лепестков, тем больше КНД [6].

По определению КНД также есть отношение среднего (во времени) значения плотности потока мощности, излучаемой данной антенной в данном направлении, характеризуемом углами , , 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.

(2)

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

(3)

1.4 Коэффициент усиления (КУ) антенны

Коэффициент усиления (КУ) антенны -- отношение мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой ко входу рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля или такой же плотности потока мощности[5].

Коэффициент усиления представляет отношение среднего (во времени) значения плотности потока мощности, излучаемой данной антенной в данном направлении , , к плотности потока мощности, излучаемой изотропной антенной, при равенстве мощностей, подводимых к обеим антеннам. При этом предполагается, что 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.

КУ является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи). Для обозначения КУ используют латинскую букву G (от англ. Gain).

КУ антенны показывает, во сколько раз необходимо увеличить мощность на входе антенны (выходную мощность передатчика) при замене данной антенны идеальной ненаправленной антенной, чтобы значение плотности потока мощности излучаемого антенной электромагнитного поля в точке наблюдения не изменилось. При этом предполагается, что коэффициент полезного действия (КПД) ненаправленной антенны равен единице.

КУ есть мера эффективности антенны как способности антенны концентрировать энергию электромагнитного излучения в узком луче с учетом потерь энергии в элементах конструкции антенны и объектах, расположенных в ближней зоне антенны.

Значение КУ в направлении максимума излучения может составлять от нуля до миллионов. КУ меньше единицы характерен для антенн с низким КПД: электрически малых антенн (укороченные, малогабаритные антенны) и антенн с искусственно введенными поглощающими элементами (антенны для работы в широкой и сверхширокой полосе радиочастот; антенны, располагающиеся на предельно малой высоте от грунта и др.).

Малое значение КУ не обязательно означает, что антенна обладает низким значением КНД (то есть обладает слабо выраженными направленными свойствами). И, наоборот, антенна с высоким КНД может «плохо излучать» радиоволны. Характерный пример -- приемная антенна Бевереджа, обладающая типичными значениями КУ -30 дБи и КНД +15 дБи.

1.5 Фазовая диаграмма и характеристика

Фазовой диаграммой называется зависимость фазы вектора Е поля антенны в дальней зоне от угловых координат точки наблюдения P. Фазовую диаграмму изображают в прямоугольных или полярных координатах, а значение фазы отсчитывают от значения ее в направлении главного максимума ДН.

Фазовая характеристика (ФХ) - это зависимость фазы поля, создаваемой антенной в дальней зоне, от направления при постоянном расстоянии от антенны. ФХ представляет собой аргумент комплексной ДН. Для характеристики фазы излучаемого поля удобно рассматривать эквифазные поверхности, тесно связанные с ФХ. Эквифазная поверхность (фронт волны) представляет собой поверхность в пространстве, во всех точках которой в данный момент фаза поля одинакова.

В отличие от амплитудной ДН ФХ зависит от положения начала координат на антенне. Если можно найти такое положение начала координат, относительно которого ФХ или меняется скачком на при переходе от одного лепестка ДН к другому, то такое начало координат называется фазовым центром антенны (point-fire). В этом случае фронт волны в пределах каждого лепестка представляет собою часть сферы, и антенну можно считать источником сферической волны. Если же при любом положении начала координат , то антенна фазового центра не имеет и эквифазная поверхность отличается от сферы.

В ряде случаев знание ФХ антенны весьма необходимо. Например, при использовании антенны в качестве облучателя параболоида вращения следует убедиться в том, что ее эквифазные поверхности близки к сферам. Совмещая далее фазовый центр облучателя с фокусом параболоида, обеспечиваем нормальную работу зеркала создаем на выходе плоский фронт волны. Заметим, что в рассмотренном примере, как и во многих других случаях, необходимо узнать характер ФХ антенны в определенном телесном угле, а именно, в пределах главного лепестка ДН. Если антенна фазового центра не имеет, но в пределах определенного телесного угла (например, в пределах угла раскрыва параболоида) эквифазная поверхность близка к сфере, то центр последней можно принять за условный фазовый центр антенны [9].

1.6 Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) антенны (в режиме передачи) -- отношение мощности радиоизлучения, создаваемого антенной, к мощности радиочастотного сигнала, подводимого к антенне. Часть подводимой к антенне мощности теряется на тепло (нагревание элементов антенны), Другая часть подводимой мощности излучается в пространство.

Коэффициент полезного действия определяет способность антенны преобразовывать подводимую к ней энергию в излучаемую:

,

где - мощность активных потерь в антенне; - активная часть входного сопротивления антенны.

Потери в антенне складываются из потерь в металлических конструкциях, диэлектрике и изоляторах. Формула записана для антенны, согласованной с фидером. В рассогласованном режиме иногда учитывают потери, связанные с отражением от входа антенны части подводимой к ней мощности[10].

1.7 Частотная характеристика антенны

Характеристики и параметры антенны зависят от частоты . Эти зависимости называются частотными характеристиками антенны. Диапазонные свойства антенны оцениваются либо зависимостью от частоты наиболее важной характеристики для данной технической задачи, либо тем параметром антенны, который наиболее резко зависит от частоты. Обычно таким параметром является входное сопротивление антенны. Если в полосе частот со средней частотой характеристики и параметры антенны сохраняют свои значения в заданных пределах, отношение называется относительной полосой пропускания антенны. По величинеантенны делятся на:

- узкополосные, если < 10%;

- широкополосные, если 10% << 40%;

- сверхширокополосные, если > 40%.

Диапазонные свойства сверхширокополосных антенн часто оцениваются коэффициентом перекрытия по частоте , где и - границы рабочего диапазона частот. Разработаны антенны, в которых может достигать нескольких десятков.

2. Применение принципа суперпозиции к расчету поля излучения антенн

При расчете поля антенны в дальней зоне используется принцип суперпозиции (сложения), отражающий свойство электромагнитного поля: поля нескольких источников в данной точке пространства складываются векторно. Применительно к задаче определения поля заданной антенны в дальней зоне использование этого принципа заключается в следующем: вся антенна разбивается на элементарные части, находится поле каждой элементарной части, а затем эти поля суммируются.

Свойства антенн принято изучать главным образом в передающем режиме, поскольку характеристики антенн в приемном режиме наиболее просто могут быть определены через характеристики тех же устройств в передающем режиме с помощью принципа взаимности.

Изучение свойств передающих антенн начинаются с определения электромагнитного поля, созданного произвольной антенной, находящейся в свободном пространстве, при условии, что для этой антенны решена так называемая внутренняя задача. Для металлических антенн, это означает, что распределение электрических токов - источников электромагнитного поля - известно во всех точках антенны.

Наиболее просто и наглядно поле таких антенн рассчитывается с использованием принципа суперпозиции. Ввиду линейности уравнений Максвелла проволочную антенну длиной можно разбить на элементарные участки , каждый из которых при малой толщине провода можно рассматривать как элементарный электрический вибратор (ЭЭВ), и далее найти результирующее поле путем суммирования всех элементарных полей с учетом их поляризации, амплитуд и фаз.

В локальной сферической системе координат r', ', ', связанной с элементом и декартовой системой x', у', z', ось z' которой совпадает с осью элементарного вибратора (рис. 3), комплексная амплитуда напряженности электрического поля имеет вид:

где - линейная координата, отсчитываемая вдоль провода и характеризующая положение рассматриваемого элемента;

Рис 3 Локальная система сферических координат

- комплексная амплитуда тока в выделенном элементе; - длина ЭЭВ; ; - длина волны в свободном пространстве;

- характеристическое сопротивление среды; - орт сферической системы координат.

, (4)

Выражение (1.1) справедливо в дальней зоне выделенного элемента, т. е. при условии r' >> (реально, достаточно условия r' > 1,5, при этом погрешность по амплитуде не превосходит 1%).

Напряженность магнитного поля в дальней зоне ЭЭВ связана с (4) выражением:

(5)

где - орт сферической системы координат. Результирующее поле определяется путем геометрического суммирования (интегрирования) полей всех элементарных участков:

, (6)

Принцип суперпозиции используется при расчете поля излучения и магнитных токов, каждый из элементарных участков которых можно рассматривать как излучение элементарных магнитных вибраторов (ЭМВ). Хотя магнитные токи в природе не существуют, их формальное ведение оказывается чрезвычайно полезным при анализе, например, антенн, выполненных в виде длинной узкой щели в металлическом экране.

В ряде случаев, когда распределение тока по антенне либо неизвестно, либо слишком сложно, однако из каких-либо априорных соображений известно распределение поля вблизи антенны (например, для апертурных антенн, в частности для антенн параболического типа), найти излучаемое антенной поле можно с помощью принципа эквивалентности. Согласно этому принципу излучение реальных электрических токов заменяется излучением эквивалентных поверхностных электрических и магнитных токов, распределенных в точках воображаемой произвольной поверхности , окружающей антенну.

3. Особенности расчета поля в дальней зоне

Ближняя зона - это область пространства вокруг антенны, расстояние до дальней границы которой значительно меньше размеров антенны . Дальняя зона - это область пространства вокруг антенны, расстояние до ближней границы которой - значительно больше размеров антенны и длины волны. Дальняя зона простирается до бесконечности. Из всех точек дальней зоны антенна видна в виде точки независимо от ее размеров. При этом радиусы - векторы и на рис. 4 практически параллельны друг другу.

Между ближней и дальней зонами располагается промежуточная зона. На рис. 5 показана точка наблюдения и расстояниеот антенны до этой точки.

Рис. 4 Работа изотропной антенны в режиме передачи

Меняя , можно точку наблюдения переместить в любое положение ближней, промежуточной и дальней зон.

Любую антенну, состоящую из металлических элементов, можно представить в виде суммы элементарных излучателей - диполей Герца. Опираясь на известные свойства поля диполя Герца в ближней, промежуточной и дальней зонах, можно сделать следующие выводы о свойствах антенны в этих зонах.

Свойства поля в ближней зоне:

1. Поле в ближней зоне равно сумме реактивного и активного полей. С ростом расстояния амплитуды активного и реактивного полей уменьшаются.

Рис. 5 Представление размещения зон распределения излучения от изотропной антенны

антенна радиосвязь изотропный суперпозиция

В ближней зоне поля имеют как поперечные, так и продольные составляющие, зависимость от расстояния носит здесь нерегулярный характер. Необходимость знания поля в промежуточной и ближней зоне связана с расчетом входного сопротивления антенн и эффектов взаимной связи между близко расположенными антеннами (проблема электромагнитной совместимости (ЭМС)). А также влияния поля антенны на обслуживающий персонал. Кроме того, знание структуры поля в ближней или промежуточной зоне позволяет путем соответствующего пересчета определять ДН антенны в дальней зоне. Это используется на практике для больших антенн, у которых размеры дальней зоны чрезмерно велики, что затрудняет непосредственное измерение ДН в дальней зоне.

Литература

1. Юрцев О.А. Элементы общей теории антенн. Ч.1. В 3-х частях: Методическое пособие по курсу «Антенны и устройства СВЧ» для студентов специальности «Радиотехника». Мн.: БГУИР, 1997. 88 с.

2. ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения

3. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D1%82%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0 (дата обращения: 14.01.2010).

4. Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. М.: Радио и связь, 1996. 486 с.

5. Шифрин Я.С. Антенны. Х.: ВИРТА, 1976.

6. Гошин Г. Г. Устройства СВЧ и антенны. Учебное пособие в двух частях. Часть 2. Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2003, Часть 2: Антенны. 130 с.

Контрольные вопросы к 2 главе

1. Дать определение диаграммы направленности антенны;

2. Дать определение коэффициента направленного действия антенны;

3. Дать определение коэффициента усиления антенны;

4. Дать определение фазовой диаграммы антенны;

5. Дать определение коэффициента полезного действия антенны.

6. Дать определение шумовой температурой антенны.

7. Ближняя зона излучения антенны

8. Дальняя зона излучения антенны

7. Свойства поля в ближней и дальней зоне

Размещено на Allbest.ru