21

Глава 2 антенны

Причиной существования электромагнитного по­ля является электрический ток, расходующий энергию источника. Взаимосвязь этого тока с создаваемым им электромагнитным полем описывается системой уравнений Максвелла.

Всякий переменный ток создает электромагнитное поле, но пока размеры области тока (L) малы по сравнению с длиной волны, т. е. при L λ — излучение мало. С ростом частоты и уменьшением длины волны излучение быстро возрастает. Это явление используют для создания излучающих устройств — передающих антенн. При этом необходимо учитывать требования к согласованию передающей антенны со свободным пространством, придания антенне направлен­ных свойств и ориентацию излучаемой энергии в пространстве.

С другой стороны постороннее тело, размещенное в электромагнитном поле, за счет наводимых на нем токов деформирует электромагнитное поле, поскольку налагается на него. Наведенные на постороннем теле токи могут быть использованы для обнаружения стороннего поля. Таким образом, данная антенна может выполнять также функции приемной антенны. Направленные свойства одной и той же антенны при приеме и передаче одинаковые, что следует из те­оремы взаимности.

2.1. Основные параметры антенных устройств

К основным параметрам следует отнести коэффициент полезного действия (КПД), входное сопротивление антенны, характеристику направлен­ности, коэффициент направленного действия (КНД), коэффициент усиления (КУ), понятие эффективной поверхности антенны (эффек­тивной высоты) и связанное с этим понятие коэффициента исполь­зования.

КПД антенны характеризуется отношением излуча­емой мощности к подводимой и обозначается . Обозначив излучаемую (т. е. полезную) мощ­ность P_∑, будем иметь

где R_∑ — сопротивление излучения антенны, а

— действующее значе­ние тока.

Подводимая к антенне мощность равна

P_подв = P_∑+P_пот,

где P_пот — мощность потерь в антенне.

Таким образом

откуда находим КПД

Так как поток вектора Пойнтинга через полную границу некото­рой поверхности (обычно сферы), окружающей антенну в дальней зоне, равен среднему значению излучаемой мощности

то отсюда следует, что

где W₀ — волновое сопротивление окружающей среды.

Если вместо сопротивления излучения использовать понятие проводимости излучения G_∑, тогда

где U_m— амплитуда напряжения, а

Поскольку размер антенны больше или соизмерим с длиной волны, то на излучающей (или принимающей) поверхности антенны ток (или напряжение) в разных ее точ­ках имеет различные значения (I_m, U_m). Поэтому для характеристики обычно используют ток на входных клеммах антенны и ток в пуч­ности (I_m0 и I_mп). К этим значениям тока и относят обычно сопротивление излучения. Часто это используется при рас­смотрении линейных антенн (вибраторов).

Связь между I_m0 и I_mп определяется выражением

где , а l — длина линейной антенны, от точки питания.

Входное сопротивление антенны оказывает существенное влияние на работу генератора, поскольку входное сопротивление антенны непосредственно или через линию передачи является его нагрузкой. Это сопротивление может быть записано в следу­ющем виде:

где R_А и Х_А — активная и реактивная составляющие.

Реактивная часть сопротивления Х_А может иметь любой знак (+ или -), в зависимости от конструкции антенны. Для согласова­ния антенны с передатчиком используются рассмотренные выше методы. У правильно сконструированных антенн R_пот R_∑, поэтому активная часть входного сопротивления близка к сопротивлению излучения R_∑. Однако может быть такое распределение тока на антенне, при котором R_A R_∑. Рассмотрим это на примере линейных антенн (вибраторов). Длина волнового симмет­ричного вибратора такова, что на входе (в точках питания) будет располагаться узел тока, при этом R_A R_∑.

Характеристика направленности — диаграмма направленности по мощности — характеризуется зависимостью величины потока мощности, излучаемой антенной, в функции от направ­ления в пространстве. Также диаграмма направленности может характеризоваться амплитудой напряженности поля. Строится диаграмма направленности обычно в полярной а) или декар­товой б) системах координат — рис. 2.1.

Для пространственного изображения диаграммы направлен­ности используют, как правило, два взаимно перпендикулярных сечения, которые называют экваториальной (перпендикулярной оси излучателя) и меридиональной (проходящей через ось излучателя) плоскостями. Для удобства обычно диа­грамму направленности нормируют относительно максимального значения из­лучения (по напряженности поля или мощности). F(α, θ) — диа­грамма направленности по полю в полярных координатах (α — азимутальный угол; θ — полярный угол); F²(α, θ) — диаграмма направленности по мощности;

— нормированная диаграмма направленности по полю;

— нормированная диаграмма направленности по мощности.

Рис. 2.1

Диаграмму направленности можно характеризовать, как качественно, например: осесимметричная, всенаправленная, узкая, широкая, так и с использованием конкретных величин ее парамет­ров, например: ширина на разных нормированных уровнях излучаемой мощности (или поля). Наиболее часто ширина диаграммы направленности определяется по уровню половинной мощности ( ) и по уровню первого нуля ( ) — рис. 2.1, б. Уровень бокового излучения (боковых лепестков) измеряют в дБ (по мощности) относительно максимального излучения (например, пер­вый боковой лепесток составляет 15 дБ, второй — 23 дБ и т. д.).

При графическом изображении «широких» диаграмм используют обычно поляр­ные координаты; «узких» диаграмм — декартовы координаты (рис. 2.1).

Для всенаправленных или слабонаправленных диаграмм направ­ленности принято характеризовать их по равномерности относите­льно некоторого среднего значения (т. е. определять перепад уровня излучения относительно этого значения).

Важным параметром является также рабочий диапазон волн антенны, в котором обеспечиваются заданные характеристики излучения.

Коэффициент направленного действия (КНД) D — мера направленных свойств антенны, которая характеризует увеличение потока энергии в направлении максимального излучения по сравнению с энергией в этом же направлении от изотропного излучателя при равенстве подводимых мощностей:

где П_А и П₀ — поток вектора Пойнтинга направленной и изотроп­ной антенн в данном направлении.

КНД необходимо знать в направлении максимального излучения. Для его определения используется следующее соотношение:

Здесь E_m(max) — поле в направлении максимума диаграммы направ­ленности;

r — расстояние, на котором определяет­ся поле;

W₀ — волновое сопротивление среды.

Коэффициент усиления антенны (КУ) G излу­чающего раскрыва или области, с которой происходит излучение равен произведению КПД на

,

где — КПД, D — КНД.

Эффективная поверхность антенны. Для любой антенны распределение возбуждающих токов на ее поверхности является неравномерным. Излучаемая или принятая антенной мощность зависят от этого распределе­ния. Поэтому антенну характеризуют некоторой эффективной поверхностью А с максимальным значением возбуждающего тока. При этом эффективная поверхность А всегда меньше геомет­рической поверхности S (рис. 2.2).

Рис. 2.2