Глава 6. Характеристики и параметры антенн, определяющие эмс рэс

В составе современных РЭС используется большое количество разнообразных типов антенн. Их можно подразделить на три группы:

1/ антенны осевого излучения;

2/ апертурные антенны;

3/ фазированные адаптивные решетки (ФАР).

К антеннам осевого излучения относятся директорные антенны (“волновой канал”, спиральные и ряд других типов антенн). К апертурным антеннам относятся рупорные антенны, различные разновидности антенн с параболическим рефлектором (“параболические антенны”), комбинированные рупорно-линзовые, рупорно-параболические и перископические антенны. ФАР могут обладать дополнительными преимуществами перед антеннами других групп, но ниже будет предполагаться применение традиционных антенн первых двух групп.

Требования, предъявляемые к основным характеристикам и параметрам антенны в составе РЭС, определяются задачами, решаемыми данным РЭС.

Характеристики излучаемого антенной электромагнитного поля зависят от расстояния между антенной и точкой наблюдения. В теории антенн принято все пространство вокруг антенны делить на три зоны: ближнюю, дальнюю и промежуточную. Напряженность электромагнитного поля, создаваемая антенной в данной точке, зависит от разности хода волн , образованных отдельными излучающими элементами антенны, рассматриваемыми как элементарные излучатели. Когда выполняется условие << λ, где λ – длина волны, антенна может рассматриваться как точечная. Пространство, в котором это условие выполняется, называется дальней зоной или зоной Фраунгофера, в которой напряженность поля изменяется обратно пропорционально расстоянию. На практике граница дальней зоны R дз определяется по формуле:

R дз = 2 / λ, (6.1)

где L – максимальный размер апертуры антенны.

В ближней зоне напряженность поля слабо зависит от расстояния. Граница ближней зоны (зоны Релея) определяется неравенством:

R бз < /2λ, (6.2)

где L – максимальный размер апертуры антенны. Таким образом, приближенно имеем:

R дз = 4 R бз (6.3)

Промежуточная зона определяется неравенствами: (6.4)

Обычно характеристики антенны указываются для дальней зоны, в которой электромагнитное поле с антенной уже не связано. Вместе с тем при решении ряда задач, например, расчета условий внутриобъектовой ЭМС или расчета санитарных зон вокруг передающей радиостанции, требуются соответствующие характеристики антенн в ближней зоне.

В качестве примера оценки размеров ближней и дальней зон излучения рассмотрим широко применяемую параболическую антенну диаметром 1,2 м, работающую на частоте 4 ГГц (λ=7,5 см). В этом случае L=1,2 м и

R бз < /2λ = 1,44/2*7.5*10(-2) = 9,6 м

R дз = 2 / λ = 2*1,44/ 7.5*10(-2) = 38,4 м

Таким образом, фигурирующие в технических данных диаграммы направленности таких антенн вполне соответствуют действительности лишь на расстояниях порядка 40 и более метров от раскрывов этих антенн. На меньших расстояниях диаграммы направленности антенн еще не сформированы окончательно и обладают более слабыми характеристиками направленности. При анализе ЭМС в ближней зоне приходится использовать совсем иную методологию учета направленных свойств антенн (см. главу .. ).

Пр. 3.5. Основные параметры антенн

Коэффициент усиления (КУ) - это число, показывающее во сколько раз плотность пото­ка мощности П(θ,φ) реальной (направленной) антенны в направлении с азимутом θ и углом возвышения φ больше плот­ности потока мощности П_Э (θ,φ) эта­лонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же уда­лении при условии, что мощности, подводимые к антеннам одинаковы:

. (6.5)

На практике, говоря о КУ, подразумевают его значение в максимуме диаграммы направленности антенны (ДНА). Оно обозначается G_max и при известной ширине ДНА может быть определено из выражения:

, дБ, (6.6)

где θ_0,5 и φ_0,5 – ширина ДНА в главных плоскостях.

В составе многих РЭС используются антенны так называемого апертурного типа, в которых излучение или прием электромагнитной энергии происходит через некоторую поверхность (в простейшем случае – плоскость). К антеннам этого типа относятся зеркальные, рупорные, линзовые и некоторые другие виды антенн. В инженерных расчетах можно использовать следующую формулу для расчета КУ таких антенн:

, дБ, (6.7)

где S_a – эффективная площадь раскрыва антенны, м²; S_р – геометрическая площадь раскрыва антенны, м²; k_ИП – коэффициент использования площади раскрыва антенны, лежащий для разных типов апертурных антенн в пределах 0,5…0,85 и характеризующий неравномерность возбуждения поверхности раскрыва антенны передаваемым радиосигналом.

Для ближней зоны КУ антенны можно оценить по формуле: , дБ. (6.8) В случае использования параболической зеркальной антенны с известным диаметром раскрыва зеркала D, ее КУ может быть с приемлемой для инженерной практики точностью рассчитан по следующей формуле:

, дБ. (6.9)

Диаграмма направленности антенны (ДНА).

ДНА по напряженности поля - это зависимость амплитуды напря­женности элек­тро­­магнитного поля, излучаемого антенной, от угловых координат в пространстве при одинаковом расстоянии до нее. При­чем, выбор расстояния ограничен требо­ва­ни­ем нахождения измерителя в дальней зоне (зоне излучения) антенны. Нормированная ДНА по напряженности обозначается следующим обра­зом: , (6.10)

Здесь θ, φ и r - координаты точки наблюдения в сферической системе коорди­нат.

Реально, при изучении электромагнитного поля в дальней зоне антенны ограни­чи­ваются рассмотрением только ДН по электрической составляющей ЭМП - E(θ,φ), т.к. здесь величины Е и Н связаны меж­ду собой волновым сопротивлением свобод­ного пространства: W₀ = 377 Ом и Н = Е / W₀ .

ДН по плотности мощности (по мощности) - это зависимость плотности пото­ка мощности ЭМП, излучаемого антенной, от угловых координат в пространстве. Нормированная ДН по мощности обозна­чается следующим образом:

. (6.11)

Таким образом, ДН антенны по мощности равна квадрату ее ДН по напряженности по­ля.

Зная нормированные ДНА, можно, решая обратную задачу, опреде­лить напряжен­ность поля и плотность потока мощности в произволь­ном направлении:

Е(θ,φ) = Е_max F_Е(θ,φ); Н(θ,φ) = Н_max F_Н(θ,φ); П(θ,φ) = П_max F²(θ,φ). (6.12)

Следует иметь ввиду, что в общем случае любая антенна может излучать или принимать электромагнитные волны (ЭМВ) любой поляризации. Поэтому существуют понятия ДНА по основной и паразитной (кроссполяризации) поляризации, которые существенно отличаются друг от друга. Вид ДНА по основной поляризации представлен на рисунке (6.13)

Рис.6.13 Вид ДНА по основной поляризации

φ – угол наблюдения, образуемый направлением от точки расположения антенны до точки наблюдения направлением главного лепестка ДНА;

φ_0,5 – ширина ДНА по уровню половинной мощности (по уровню -3 дБ);

φ₀ - ширина ДНА “по нулям”.

Приведем весьма полезную для оценочных расчетов приближенную формулу, определяющую ширину ДНА типовой параболической антенны по уровню -3 дБ по известным значениям диаметра зеркала D и длины волны :

φ_{0,5 = 70 ( /} (6.14)

Реальные ДНА, как правило, отличаются от теоретических, поэтому при расчетах ЭМС используют их усредненные математические модели. Их называют гарантированными огибающими ДНА, т.к. они являются результатом аппроксимации “сверху” экспериментальных ДН реальных антенн. Пример такой гарантированной огибающей ДНА дан на рис . 6.5.

Рис.6.5. Пример гарантированной огибающей ДНА

Важным параметром любой антенны, влияющим на ЭМС РЭС является кроссполяризационная защита. Она определяется количественно коэффициентом поляризационной защиты:

, (6.15)

где G_оп(φ) и G_кп(φ) - коэффициенты усиления антенны по основной поляризации и кроссполяризации, соответственно.

Зависимость XPD_а(φ) имеет сложный характер, связанный с конструктивными особенностями антенны, однако для всех типов антенн максимум зависимости XPD_а наблюдается при φ = 0^о, т.е. на главном направлении приема или вблизи оси ДНА. Для антенн с линейной поляризацией (вибраторных, директорных, рупорных и др.) коэффициент поляризационной защиты лежит в пределах 25 дБ ≤ XPD_{а max} ≤ 40 дБ.

Коэффициент защитного действия.

Коэффициент защитного действия К_зд характеризует разность КУ антенны в направлении максимума главного лепестка и с обратного направления и определяется выражением:

(6.16) Значения К_зд для современных антенн РЭС лежат в пределах 20…70 дБ. Диаграммы направленности антенн, используемые при расчетах ЭМС, приведены, например, в Рекомендациях МСЭ-R P.620, МСЭ-R F.699, МСЭ-R F.1245, МСЭ‑R S.465 и МСЭ‑R S.580, + Cекторальные антенны - описаны в Рекомендации МСЭ-R F.1336,

Нормирование характеристик антенн

При расчетах ЭМС РЭС наиболее важными характеристиками антенн, требующими нормирования, являются их ДН по основной и кроссполяризации. Поэтому нормирование ДНА осуществляется для всех видов РЭС общего назначения как на международном, так и на национальном уровнях. Особенно актуально нормирование ДНА РЭС, работающих в общих полосах частот. К таким РЭС относятся радиорелейные станции, наземные станции космической связи, радиолокационные и радионавигационные станции и др. В частности, для практических расчетов помех и решения вопросов координации систем радиорелейной и космической связи в диапазоне частот (1…40)ГГц рекомендуется использовать эталонные ДНА, устанавливающие допустимые значения огибающей ДНА. Например, для параболических зеркальных антенн (с круглым раскрывом диаметром D) радиорелейных станций при отношении D/λ > 100 выражения, описывающие эталонную ДН имеют вид:

для 0 ≤ φ < φ_{m ;}

для φ_m ≤ φ < φ_{r ; (6.17)}

для φ_{r ≤} φ < 48^o;

для 48   φ    180,

где G_max определяется выражением (Пр. 3.8);

G₁  2  15 lg , дБ – уровень первого бокового лепестка;

угловые параметры φ_m и φ_r определяются формулами:

_(6.18)

Аналогичные выражения имеются и для антенн базовых и абонентских станций сухопутной подвижной службы и других радиослужб.

***