7 Частотная характеристика антенны

Частотной характеристикой антенны (ЧХ) в общем случае называется зависимость амплитуды электромагнитного поля в дальней зоне в направлении главного максимума излучения от частоты передатчика.

Количественными оценками частотных свойств антенны являются номинальная частота f₀(или f_ср), полоса пропускания и коэффициент перекрытия К_п.

Диапазоном рабочих частот (полосой пропускания) антенны называется интервал частот от f_min до f_max, в пределах которого все параметры антенны не выходят из заданных пределов:

(1.14)

Диапазон рабочих частот антенны чаще всего выражают в процентах к средней частоте диапазона:

Диапазон рабочих частот широкодиапазонных антенн оценивают специальным параметром — коэффициентом перекрытия диапазона Кд = f_max/f_min.

Для узкополосных антенн Кп≤1,1; для сверхширокополосных коэффициент достигает значения десятков единиц.

8 Сопротивление излучения, входное сопротивление

Входное сопротивление антенны — это комплексная величина, равная отношению комплексных амплитуд (или действующих значений) напряжения и тока на входе антенны:

где RА и XA — активная и реактивная составляющие входного сопротивления соответственно.

Входное сопротивление антенны как параметр относится к антеннам только линейного типа, у которых комплексное напряжение и ток на входе антенны физически определены и могут быть непосредственно измерены. Для антенн апертурного типа понятие входного сопротивления неприемлемо, так как у них нет входных зажимов. В общем случае входное сопротивление антенны зависит от частоты генератора сложным образом. Кроме того, на него оказывают влияние посторонние проводники и другие тела, расположенные вблизи антенны. Поэтому на практике входное сопротивление антенны определяют на заданных частотах с помощью измерительных приборов.

Подводимая к антенне мощность генератора расходуется на излучение, потери в антенне и окружающих ее телах и среде, а также на создание реактивных полей в ближней зоне, поэтому RA характеризует мощность излучения антенны и мощность тепловых потерь в антенне и в окружающих ее телах и среде:

где R_Σ — сопротивление излучения; R_П — сопротивление потерь.

Сопротивление излучения — это некоторое воображаемое активное сопротивление, на котором выделяется мощность, равная мощности излучения антенны:

где I_A — амплитуда тока на входных зажимах антенны. Сопротивление излучения характеризует излучающие свойства передающей антенны. Величина Х_А характеризует собой реактивную мощность в ближней зоне, которая не излучается.

9 Излучающий раскрыв. Эффективная площадь антенны. Коэффициент использования площади. Коэффициент поляризационной эффективности.

1.2.4. Эффективная площадь антенны

В выражении (1.28) первый сомножитель представляет собой плотность потока мощности в точке приема, так как , а произведение имеет размерность площади и называется эффективной площадью антенны:

Из (1.29) следует, что

Под эффективной площадью антенны следует понимать такую услов ную площадку, которая, будучи помещена вместо реальной антенны в ту же точку пространства нормально к направлению падающей волны и не имея потерь, создает на входе приемника такую же мощность, что и согласованная с ним антенна.

Эффективная площадь антенны меньше ее геометрической площади Ѕг. Отличия геометрической и эффективной площадей антенны объясняются тем, что в реальной антенне часть падающей на нее мощности переизлучается и рассеивается, т.е. полезно используется не вся перехваченная у поля мощность, а только ее часть, хотя и большая. Условная идеальная площадка не имеет потерь, поэтому ее площадь может быть меньше для создания такой же мощности на входе приемника. Формула (1.30) является одной из важнейших в теории антенн. Она связывает эффективную площадь антенны с ее КНД и пригодна для любой антенны.

1.2.5. Коэффициент использования площади антенны

Коэффициент использования площади антенны (КИП) является показателем эффективности использования площади реальной антенны, численно определяется отношением

и изменяется в пределах

Из соотношений (1.29) и (1.31) можно получить практические формулы для расчета коэффициента усиления и КНД:

Произведение КИП и КПД называется коэффициентом эффективности антенны

Коэффициент, поляризационной эффективности, Мощность, выделяемая в нагрузке приемной антенны, зависит также от согласования поляризационных параметров принимаемой волны и приемной антенны.

Для оценки эффективности приема сигналов различной поляризации вводится коэффициент поляризационной эффективности Кпз. Он равен отношению мощности, выделяемой в нагрузке приемной антенны, к мощности, которая выделялась бы в нагрузке при условии полного согласования поляризационных параметров источника и приемной антенны.

Полное согласование поляризационных параметров обеспечивается, когда

где индексы 1 и 2 соответствуют приемной антенне и источнику излучения соответственно.

Коэффициент поляризационной эффективности определяется выражением:

Кпэ изменяется в пределах от 0 до 1. Управляя поляризацией антенны, можно получать максимум полезного сигнала и (или) минимум помехи.

9. Действующая длина линейной антенны. (лишнее)

Поле излучения диполя Герца формально можно получить, умножая выражение для сферической волны на его нормированную характеристику направленности.

(1.1)

Поле излучения любой антенны записывают по аналогии с выражением (1.1), при этом в нѐм заменяется размер диполя dl некоторым коэффициентом hд, имеющим размерность длины, орт заменяется так называемым вектором поляризации (в общем случае комплексным):

(1.2)

Здесь:

- комплексная амплитуда тока на входе антенны;

-вещественный коэффициент hд называемый действующей (эффективной) длиной антенны. Он связывает комплексную амплитуду напряженности излучаемого электрического поля с комплексной амплитудой тока на входе антенны;

-вектор поляризации представляющий собой комплексный вектор единичной амплитуды и определяющий ориентацию вектора E в пространстве. Для него справедливы соотношения:

Пояснение к физ.смыслу действующей длины антенны

Для пояснения смысла понятия «действующая длина» следует рассмотреть некоторую произвольную антенну с комплексной амплитудой входного тока и прямолинейный излучатель длиной l равной hд, комплексная амплитуда тока в котором одинакова по всей его длине и равна комплексной амплитуде тока на входе первой антенны. Такой прямолинейный излучатель можно представить как совокупность диполей Герца. Необходимо определить поле, поочерѐдно создаваемое в некоторой точке М, удалѐнной от антенн на расстояние r и находящейся в направлении максимума ДН обеих антенн (рисунок). (Так как линейный излучатель может быть разбит на множество элементарных участков, каждый из которых является диполем Герца, то будет логичным предположить, что максимум ХН линейного излучателя перпендикулярен его оси, как и у элементарных электрических диполей). При этом расстояние r должно значительно превышать длину волны, это позволяет пренебречь запаздываниями фазы, возникающими при распространении электромагнитной волны от различных участков линейного излучателя.

Амплитуда электрического поля, создаваемого первой антенной в точке М, запишется как:

(1.3)

Комплексная амплитуда напряжѐнности поля, создаваемого в той же точке линейным излучателем, определяется путѐм интегрирования вдоль его оси следующим образом:

Отсюда амплитуда поля линейного излучателя в направлении максимума ДН запишется как:

Видно, что полученное соотношение полностью совпадает с выражением (1.3), что позволяет сформулировать физический смысл параметра hд:

Действующая длина антенны – это длина воображаемого линейного излучателя, в котором протекает равномерный ток, равный току на входе антенны, и который в максимуме своего излучения дает такую же амплитуду поля, как и данная антенна.

Замечания:

1. Аналогично термину «сопротивление излучения» и «сопротивление потерь» понятие «действующая длина антенны» не имеет смысла без указания места, в котором измеряется ток. В дальнейшем при употреблении этого термина без дополнительных оговорок следует полагать, что ток определяется на входе антенны.

2. Параметр «действующая длина» может быть определен для антенн любого типа (линейных, апертурных и т.п.). Однако его использование оказывается более удобным для антенн, у которых ток на входе антенны равен реальному току (например, для вибраторных, спиральных и т.п. антенн).

3. Формула (1.2) позволяет в обобщенном аналитическом виде представить поле излучения любой антенны, независимо от еѐ типа.