Методы и средства передачи информации (Лекция №16)

сти от расстояния r точки наблюдения от электрического и магнитного диполей изображено на рис. 16.2.

На рис. 16.2 указаны характерные зоны удаления: 1 – ближняя зона (зона квазистатических полей); 2 – переходная область (зона Френеля); 3 – даль-

Рисунок 16.2 − Волновое сопротивление для излучаемых полей в за-

На рис. 16.2 видно, что в области зоны Френеля наблюдаются экстремумы модулей волновых сопротивлений. Однако на практике их не учитывают, ограничиваясь видом зависимостей волновых сопротивлений, соответствующим аппроксимирующим прямым.

Приведенные зависимости используются при анализе излучающих систем и защитных свойств (экранирующего действия) электромагнитных экранов. По-

2

следнее будет показано при рассмотрении раздела электромагнитной совместимости систем передачи данных.

Важнейшей характеристикой излучателей является свойство пространст-

венной направленности.

Напряженность поля ( E или H ) любой антенны можно выразить форму-

направленности

Характеристику направленности антенны выражает второй сомножитель в выражении (16.1) – амплитудная характеристика, которую называют диаграммой направленности.

Заметим, что понятие «диаграмма направленности» имеет физический смысл только для полей в зоне излучения. В ближней зоне – зоне индукции она еще не сформирована. Кроме того, согласно принципу взаимности диаграмма направленности любого линейного (имеется в виду «не нелинейного») источника полей (к ним относятся, обычно, «пассивные» источники) характеризует пространственные свойства как его эмиссии (то есть его свойства как «антенны»), так и рецептора (приемника) электромагнитных полей.

2. Общие характеристики антенн

Каждая антенна имеет ряд определенных характеристик, необходимых для оценки ее качества. Некоторые из характеристик уже упоминались в разделе, посвященных анализу полей элементарных излучателей электрического и магнитного диполей. Остановимся на принятых в отечественной практике определениях понятий (в этом вопросе существует некоторая неоднозначность между отечественной и зарубежной литературой), используемых для характеристик антенн.

Диаграмма направленности антенны характеризует различие в величинах энергий (или напряженностей полей), излучаемых или принимаемых (для приемных антенн) с различных направлений. Графически это изображается в виде

3

характеристики излучения антенны или ее диаграммы направленности, которая чаще всего представляется в полярной системе координат в виде годографа концов векторов, указывающих на направление приема (для приемных антенн) или передачи (для передающих антенн), длины которых пропорциональны уровням принимаемого (или передаваемого) сигнала. На график наносят значения напря-

женности (мощности), выраженное в виде напряжения на зажимах антенны, U a ,

отнесенные к величине максимальной напряженности (мощности), выраженной в виде напряжения U на зажимах антенны, возникающем в ней при приходе энергии с так называемого главного направления приема, т. е. функцию

ответствует началу отсчета углов α = 00.

В технике антенн для оценки ее характеристики направленности достаточно двух диаграмм – в горизонтальной и в вертикальной плоскостях относительно поверхности земли, так как, как правило, антенны (их оси симметрии) устанавливают относительно этих направлений. Причем, как мы уже видели при анализе полей, излучаемых элементарными излучателями, вне зависимости от типа антенны в азимутальной (экваториальной относительно направления вектора ее дипольного момента) плоскости уровень сигнала, принимаемый со всех направлений, одинаков. Поэтому диаграмма направленности в полярных координатах представляет собой круг. В меридиональной плоскости (плоскости, проходящей через направление вектора дипольного момента) диаграммы направленности элементарных излучателей описываются функцией sinθ. Причем для электрического диполя (а также и для любых, так называемых, вибраторных антенн, образованных протяженными линейными проводниками, которые можно рассматривать как системы продольно размещенных вдоль оси диполей Герца) в меридиональной плоскости, которую иногда называют плоскостью антенны или главной плоскостью, лежат вектора электрической составляющей электромагнитного поля, а векторы магнитной составляющей им перпендикуляры. Для магнитного ди-

4

поля (а также для любой одновитковой или многовитковой рамки с током, витки которой лежат в азимутальной плоскости), наоборот, в меридиональной плоскости лежат векторы магнитной составляющей электромагнитного поля, а векторы электрической составляющей поля им перпендикуляры. Для рамочных антенн меридиональная плоскость также является главной плоскостью. Исходя из этого, часто для характеристики поляризационных свойств (положений составляющих векторов напряженностей поля) антенны в сочетании с характеристикой направленности используются термины Е - диаграмма и Н – диаграмма. При этом Е – диаграмма, например, вибраторной антенны лежит в плоскости, совпадающей с плоскостью антенны или главной плоскостью, а Н – диаграмма соответствует плоскости, перпендикулярной плоскости антенны.

Принято положение антенны в пространстве характеризовать положением в пространстве ее главной плоскости (обычно этим пользуются для указания положения вибраторных антенн), например, горизонтальная или вертикальная поляризации антенны. Этим одновременно автоматически (без дополнительных пояснений) утверждается, что при горизонтальной поляризации антенны Е – диаграмма совпадает с горизонтальной плоскостью, а Н – диаграмма с вертикальной, а при вертикальной поляризации антенны – наоборот – Е – диаграмма совпадает с вертикальной плоскостью. На рис. 16.3 показаны вертикальный (для измерения вертикальной составляющей электрического поля) и горизонтальный (для измерения горизонтальной составляющей электрического поля), так на-

lРисунок 16.3 − Симметричные вибраторные антенны: а – для измерения вертикальной составляющей

аэлектрического поля; б – для измерения горизонтальной составляющей электрического поля

5

зываемые, симметричные электрические вибраторы. Симметричный вибратор является простейшей антенной и вместе с тем – составным элементом сложных антенных систем.

Симметричный вибратор представляет собой два соосных прямолинейных цилиндрических проводника (в простейшем случае – провода) одинаковой длины l и радиуса а (в соотношении: а много меньше длины l, которую называют длиной плеча симметричной вибраторной антенны, и длины волны λ, излучаемой или принимаемой вибратором), к которым в центре между отрезками проводников подключен генератор высокой частоты, как показано на рис. 16.3. В варианте приемной антенны с тех же зажимов снимается напряжение. Присоединение генератора высокой частоты может быть выполнено, например, посредством двухпроводной линии (в антенной технике линии, используемые для под-

ключения антенн, называют фидерами).

Рассмотрения понятий, используемых в антенной технике для характеристики диаграмм направленности антенн различного типа, проведем на примере анализа диаграмм направленности вибраторных антенн. Это позволит не только ознакомиться с терминологией, принятой в этой технике, но также получить ряд полезных сведений по свойствам одного из наиболее важных в технике систем приемо/передачи элементов связи.

Выражение структуры электрической составляющей поля в дальней зоне, излучаемого симметричным вибратором, связанного с током I 0 на его зажимах и полученного в результате сложения векторов напряженностей полей, создаваемых в точке наблюдения множеством элементарных излучателей, распределенных вдоль оси симметричного вибратора, в приближении равного расстояния от точки наблюдения до концов проводников (что соответствует большому

где θ – угол в главной (меридиональной) плоскости, отсчитываемый от оси

6

вибратора до прямой, соединяющей центр антенны и точку наблюдения, называемый углом наблюдения;

k =2λπ ;

r0 – расстояние от центра симметричного вибратора до точки наблюдения;

i – мнимая единица.

Заметим, что для свободного пространства (вакуума)

В рассматриваемом приближении из выражения (16.2) следует, что фаза напряженности поля не зависит от угла наблюдения θ и с точки зрения наблюдателя, находящегося в зоне излучения, кажется, что волны исходят из точки совпадающей с центром вибратора, который обычно именуется фазовым центром антенны.

На рис. 16.4 приведены схематичные картины диаграмм направленности (ДН) трех симметричных вибраторов различной длины в их главных (меридиональных) плоскостях (Е – диаграммы).

Важной характеристикой антенны, определяющей ее пространственную избирательность, является значение угла раствора диаграммы направленности, в пределах которого напряженность поля (а соответственно для приемной антенны

– напряжение принимаемого сигнала) не падает ниже, чем в 2 раз, по сравнению с напряженностью поля в направлении максимального излучения.

Этот угол раствора часто называют шириной диаграммы направленности по

половинной мощности. Причем в инженерной практике, как правило, уточняющие слова – «по уровню половинной мощности» не употребляют,

7

предполагая, что понятие «ширина диаграммы направленности» (если это не уточняется дополнительно) относятся именно к уровню половинной мощности.

θленности симметричного вибратора:

в : l = 5λ/8; α = 310

Анализ формулы (16.2) показывает, что с укорочением длины волны (при неизменной длине вибратора) в пределах от l=λ/4 до l=λ/2 в Е- диаграмме симметричной вибраторной антенны имеется только один так называемый «лепе-

сток» с максимумом в направлении, составляющем с осью вибратора (θ = 900). По мере уменьшения (говорят, укорочения) длины волны этот лепесток сужает-

ся, то есть ширина диаграммы направленности уменьшается. При l > λ/2 основной (или главный лепесток) Е – диаграммы вибраторной антенны еще более сужается и, кроме того, появляются боковые (иногда говорят – побочные) лепест-

ки. При дальнейшем уменьшении отношения l / λ главный лепесток начинает уменьшаться, а боковые лепестки возрастать. Причем при l = λ в направлении θ

=900 излучение (прием) полностью отсутствует, также как и в направлении оси θ

=00 вибратора (в этом направлении излучение всегда равно нулю аналогично диполю Герца).

8

В технике антенн принято для описания свойств направленности указывать нижеследующие параметры, показанные на примере диаграммы направленности, приведенной на рис. 4.19.

Рисунок 16.5 − Е−диаграмма направленности сложной вибраторной антенны при отсчете угла αЕ от направления θ максимума главного лепестка диаграммы направленности

1)Направление (угол θ) максимума главного лепестка, которое может быть отсчитано от условного начала (обычно приводится относительно характерного геометрического параметра антенны, например для вибраторной антенны – относительно ее оси.

2)Ширина диаграммы направленности (главного лепестка) по уровню половинной мощности. В инженерной практике ширину диаграммы направленности антенны принято характеризовать не в градусной мере, а в относительный единицах, называемых коэффициентом направленного действия (КНД) или иначе пространственной избирательностью, равной выраженному в децибелах отношению ширины диаграммы направленности изотропного излучателя (с

шириной диаграммы направленности – 360°) к ширине диаграммы направленности главного лепестка антенны. В этом определении КНД – число всегда большее единицы и его обозначают КНД И.

3)Число n боковых лепестков диаграммы направленности.

9

4)Значения углов αn , соответствующих положению максимумов боковых лепестков.

5)Максимальные значения уровней боковых лепестков (Un макс , где n – номер бокового лепестка), выраженные, как правило, в относительных единицах

кмаксимальному значению напряженности поля, которые называют «уровени боковых лепестков» (УБЛ).

Под ослаблением уровня боковых лепестков понимается логарифмическое отношение максимального значения напряжения в главном лепестке диаграммы направленности (при α=00) к максимальному значению напряжения на зажимах антенны в соответствующем боковом лепестке:

Обычно боковые лепестки антенны характеризуют парами значений:

α1 - d1; ….. αn - d n ; ……

В паспортных данных антенны, как правило, указывается наибольший из УБЛ.

6)Положение нулей – положение точек диаграммы направленности, в

которых имеют место ее нулевые значения, обозначаемые α0 .

7)Передне-заднее отношение (ПЗО), которое в отечественной литературе называют еще «коэффициентом обратного излучения антенны», а иногда - «излучением вперед-назад», характеризующее меру направленности антенны

хотя не является оптимальным для потребностей конкретного применения антенны (может оказаться более опасным с точки зрения паразитного приема или излучения − иное направление). Тем не менее, для остронаправленных антенн (с узкой шириной диаграммы направленности) эта характеристика (большие

10