2.3. Входное сопротивление и полоса рабочих частот антенны

Антенна в режиме излучения служит нагрузкой для генератора — источника высокочастотных колебаний. Антенна может подключаться к генератору непосредственно либо с помощью линии передачи (фидера). В любом случае антенна служит нагрузкой, сопротивление которой равно входному сопротивлению антенны (рис. 2.9) [9].

Входным сопротивлением антенны называется отношение комплексных амплитуд напряжения и тока на входе антенны [2—5]:

(Ом), (2.27)

где — активная компонента входного сопротивления, равная сумме сопротивления излучения и сопротивления потерь ; — реактивная компонента. В общем случае входное сопротивление является комплексным и частотно-зависимым. Далее для краткости символы, обозначающие частотную зависимость, будут опущены.

Рис. 2.9. Эквивалентная схема антенны в режиме излучения

Вообще говоря, определение входного сопротивления антенны представляет собой непростую задачу, которую решают в строгой постановке в виде соответствующей граничной задачи электродинамики или приближенно [2, 5]. Представив антенну в виде двухполюсника, можно использовать метод вектора Пойнтинга и определить активную компоненту входного сопротивления — сопротивление ; для нахождения же полного целесообразно использовать метод наведенных ЭДС [2, 5].

Одной из основных компонент, во многом определяющей эффективность излучения антенны и ее входное сопротивление, является сопротивление излучения.

Сопротивлением излучения антенны называется величина сопротивления некоторого эквивалентного резистора, на котором при протекании тока той же амплитуды, что и в антенне, рассеивается активная мощность, равная мощности излучения антенны [2, 5]. Сразу отметим, что при определении сопротивления излучения возникает вопрос, какая именно амплитуда тока имеется в виду — в точках питания, или же, например, в случае вибраторных антенн длиной более λ/2, — в пучности, которая может находиться в произвольном месте на плече вибратора. Поэтому обычно оговаривают, к каким точкам относится сопротивление излучения — к точкам питания или к точкам пучности тока.

Выражение для сопротивления излучения , отнесенного к току с амплитудой I₀ в точках питания, можно записать в виде

, (2.28)

где — мощность излучения антенны.

Мощность колебаний , подведенных к входу антенны, можно представить в виде суммы полезной активной мощности излучения и активной мощности тепловых потерь , безвозвратно теряемой в антенне: . Пусть тепловые потери характеризуются соответствующим активным сопротивлением потерь , которое в эквивалентной схеме антенны включено последовательно с сопротивлением излучения. Учитывая, что мощность, рассеиваемая на сопротивлении потерь , а мощность на входе антенны , можно получить новое выражение для КПД излучения антенны:

. (2.29)

Очевидно, что чем больше сопротивление излучения по отношению к сопротивлению потерь, тем выше эффективность антенны как преобразователя мощности направляемых волн, поступающих на ее вход, в мощность излучаемых волн.

Надо отметить, что далеко не всегда применительно к той или иной антенне можно ввести понятия входного напряжения и тока. Примером служат волноводные излучатели и рупорные антенны. Тем не менее, входное сопротивление таких антенн можно определить косвенным образом, например, по измеренному комплексному коэффициенту отражения напряжения на входе антенны и известному волновому сопротивлению W питающей линии передачи при условии одномодового режима работы линии [3, 5]:

. (2.30)

Если в питающей линии передачи одновременно существует несколько типов колебаний (мод), то само понятие входного сопротивления теряет смысл. Следует помнить, что входное сопротивление антенны зависит от близкорасположенных предметов и может существенно изменяться при их перемещении относительно излучающей части антенны.

С точки зрения передачи наибольшей мощности из питающей линии передачи в антенну надо стремиться обеспечивать их согласование, заключающееся в равенстве входного сопротивления антенны и волнового сопротивления линии. В режиме согласования в линии существует только падающая (прямая) волна, бегущая от источника к антенне, =0. Негативные последствия рассогласования линии передачи с нагрузкой подробно рассмотрены в [3, 5]. Отметим только, что при рассогласовании мощность , поступающая в антенну из линии передачи, снижается до уровня , где — мощность на выходе линии передачи.

Важным электрическим параметром антенны в режиме излучения является предельная мощность, которую можно подвести к входу антенны без опасности возникновения электрического пробоя, как в самой антенне, так и в окружающем ее пространстве.

Полоса рабочих частот антенны

Под полосой рабочих частот понимают частотный интервал, в пределах которого основные электрические характеристики антенны удовлетворяют заданным техническим требованиям [2, 3, 5]. В большинстве случаев это интервал, в пределах которого либо сохраняется заданное качество согласования антенны с питающей линией передачи (обычно по уровню коэффициента стоячей волны напряжения КСВ≤2), либо происходит снижение коэффициента усиления до определенного уровня (обычно на 3 дБ относительно максимального). Полоса рабочих частот может быть выражена как в абсолютных единицах — (Гц), так и в относительных (по отношению к некоторой средней частоте f_ср:

. (2.31)

При % антенну считают узкополосной, при % — широкополосной; если коэффициент перекрытия диапазона , антенну считают сверхширокополосной или частотно-независимой.