Лекции по антеннам

32

появлением разнообразных антенн УКВ утратила роль самостоятельного антенного параметра.

Под действующей длиной антенны можно понимать длину гипотетического вибратора с равномерным распределением тока, который в направлении максимума излучения создает ту же величину напряженности поля, что и рассматриваемая антенна с тем же током в точке возбуждения.

Для диполя Герца =l:

Для вибратора 2l=λ/2, =0,63721.

Для симметричного вибратора интегрируя функцию распределения тока по всей длине вибратора и относя этот интеграл к величине тока в точках возбуждения, имеем

Теория приемных антенн.

Приемная антенна преобразует энергию радиоволн частотного электромагнитного поля в энергию токов ВЧ, т.е. являются маломощным генератором переменного тока, нагрузкой которого служит входное сопротивление приемника

При рассмотрении приемной антенны необходимо выяснить следующие вопросы:

- какова величина ЭДС и тока приемной антенны при заданной напряженности поля радиоволн, падающих на антенну.

33

- как зависят эти величины от направления приходящих радиоволн и напряженности поля, т.е. от ДН приемной антенны.

-какова величина сопротивления приемной антенны приемнику.

- какова величина мощности, отдаваемой приемной антенной.

Можно анализ приемных антенн проводить путем исследования приемного воздействия приходящей волны на приемную антенну. Например,

проволочную антенну мысленно разбивают на элементарные участки и находят ЭДС, наводимую в каждом элементарном вибраторе, затем,

суммируя эти ЭДС по всем элементам антенны, находят ЭДС на ее клеммах и ток на входе приемника. Однако, для произвольной антенны этот метод оказывается очень сложным.

Поэтому, как правило, пользуются принципом взаимности,

основанным на теории пассивных линейных четырехполюсников.

Справедливость принципа для антенны была доказана в 1927 г. М. П.

Свешниковым, на основе которого в 1935 г. М.С. Нейман разработал теорию приемных антенн.

Принцип взаимности.

Если имеются две идентичные антенны расположенные в объемах V1, и

V2, соответственно ,то условие передачи из области 1 в области 2 и

наоборот одинаковы лишь бы окружающее пространство не содержало нелинейных и анизотропных элементов. Рассмотрим две произвольные антенны, произвольно ориентированные в пространстве 1 и 2 (рис 3.1). Промежуточная среда: линейная и изотропная.

Как было доказано М. П. Свешниковым

34

систему из двух антенн можно рассматривать как пассивный

четырехполюсник с зажимами 1-1 и 2-2. Рассмотрим токи на входе и выходе

такого четырехполюсника в двух случаях:

1.1 - передающая антенна, 2 - приемная (рис. 3.2). 1 -

35

Соотношения справедливы для любых расстояний r между

антеннами и любой поляризации, изучаемых ими в режиме передачи полей.

Ток и ЭДС в приемной антенне Входное сопротивление и ДН приемной антенны. Пусть известны F( , ), , ∑ , вх, r- расстояния между антеннами, поляризационная характеристика. Определим J в

приемной антенной в зависимости от величины электромагнитного поля,

падающего на антенну. Амплитуда поля, возбуждаемого антенной А1

возле антенны А2 будет равна (формула идеальной радиосвязи)

Аналогично для случая работы антенны А2на передачу, а антенны

А1 на прием имеем

В соответствии с принципом взаимности

Соберем все что относится к антенне A1 в левую часть, а к антенне А2в правую.

36

Величина 12 зависит от параметров второй антенны, но отношение

12 к вызванному ею же току в первой антенне 12 зависит лишь от параметров первой антенны. Аналогично и правая часть зависит лишь от параметров второй антенны.

Таким образом, для произвольной антенны получим

Это соотношение по существу и содержит искомые связи между параметрами антенны в двух режимах отсюда

И с внутренним сопротивлением, равным вх этой антенны в режиме передачи.

Если внутреннее сопротивление этого генератора назвать входным сопротивлением антенны в режиме приема то вх в режимах приема и передачи совпадают. Определим N. Для этого возьмем простую антенну,

например элементарный вибратор. Если его поместить в поле линейно-

поляризованной волны, то ЭДС на вибраторе длиной будет

С другой стороны, для вибратора:

тогда из (3.9) имеем:

37

Формулы получены в предположении, что плоскости поляризации приемной антенны и приходящей волны совпадают иначе надо добавить множитель ; где − угол между плоскостями поляризации приемной антенны и приходящей волны.

Плоскостью поляризации приемной антенны называется плоскость поляризации поля этой антенны в режиме передачи.

ДН приемной антенны

Зависимость амплитуды ЭДС(или тока) в приемной антенне от углов и , характеризующих направление прихода плоской электромагнитной волны при постоянной величине напряженности поля в месте приема называется амплитудной ДН приемной антенны. Фазовые ДН в обеих режимах так же совпадают.

Определим мощность в нагрузке (приемнике), отдаваемую

38

Из (3.12) следует, что чем больше G(D), тем большую мощность извлекает антенна из поля.

эфф −параметр приема, G( , ) - параметр передачи. Здесь ≈ для антенн УКВ, кроме ФАР и антенн поверхностных волн.

39

Обычно = 0,2 … … 0,8 для разных антенн

Итак, коэффициентом направленного действия приемной антенны в направлении , называется отношение мощности, поступающей на вход приемника при приеме с направления , , к среднему, при приеме по всем направлением значению мощности, поступающей на вход приемника.

Т.е. КНД характеризует выигрыш в принятой мощности за счет направленных свойств антенн. Итак, КНД приемной и передающей антенны одинаков.

= н −показывает, во сколько раз мощность, передаваемая антенной

в согласованную нагрузку, меньше мощности которую могла бы антенна передавать, если бы она не имела потерь.

Шумовая температура антенны

Этот параметр относится к приемным антеннам, шумы которых необходимо учитывать при расчете чувствительности приемных устройств.

Шумы антенн складываются из двух составляющих:

-шумов, обусловленных потерями в самой антенне(собственный шум антенн);

-шумов, обусловленных внешними источниками.

В соответствии с формулой Найквиста средний квадрат шумовых

напряжения определяется

потерь. Для характеристики внешнего шума, принимаемого антенной,

используется формула вида (16), но для сопротивления излучения Σ

где Σ − коэффициент пропорциональности, который представляет такую температуру сопротивления Σ, при которой его тепловой шум равен внешнему шуму, принимаемому антенной.

Σ называется эквивалентной шумовой температурой сопротивления излучения Σ.

Поскольку собственные и внешние шумы статистически независимы,

то суммарный шум будет

где ТА – это температура любого излучаемого тела определяется как температура абсолютно черного тела, спектральная интенсивность излучения которого на данной частоте равна интенсивности излучения рассматриваемого тела в данном направлении.

- эквивалентная шумовая температура антенны, такая температура сопротивления вх , при которой его тепловой шум равен суммарному шуму антенны.

Мощность суммарного шума антенны на согласованной нагрузке будет