Основные электрические параметры передающих антенн

 

Как уже отмечалось, в дальней зоне каждый из векторов Е и Н в общем случае можно представить в виде сумы двух пространственных компонент. Комплексную диаграмму направленности можно вводить по отношению как к результирующему полю, так и к его отдельным компонентам.

Комплексная ДН характеризует зависимость амплитуды и фазы излучаемого поля от угловых координат при неизменном расстоянии до точки наблюдения. Различают амплитудную и фазовую ДН. Для точного описания фазовой ДН следует указывать, относительно какой конкретной точки, выбранной за начало координат, осуществляется расчет или измерение ДН.

Амплитудная ДН нормируется к максимальному значению этой характеристики, т.е. к значению амплитудной ДН в направлении главного максимума излучения, положение которого определяется угловыми координатами Θ_{гл ,}φ_гл.

Согласно определению амплитудная ДН представляет собой пространственную фигуру, поверхность которой описывается концом радиуса-вектора, исходящего из начала координат, длина которого в каждом направлении равна функции F(Θ, φ).

Рис. 1.6

Рис. 5 - Форма амплитудной ДН элементарного электричес­кого вибратора в плоскостях ЕиН соответственно

На практике используются как слабо направленные ДН, например, в форме тороида, соответствующие ДН элементарного электрического вибра­тора (рис. 1.4,а),так и остронаправленные (игольчатой формы), изоб­раженные на рис. 1.4, б,где показаны так называемый главный лепес­ток и боковые лепестки, всегда присущие остронаправленной ДН, фор­мируемой реальной антенной ввиду интерференционного характера поля.

Часто ограничиваются амплитудными ДН, изображающими се­чения пространственных ДН в каких-либо плоскостях, обычно взаим­но перпендикулярных. Для антенн, излучающих линейно-поляризированное поле, такими плоскостями являются плоскости, в которых лежит либо вектор Е (плоскость Е), либо вектор Н (плоскость Н). На рис. 5 показана форма амплитудной ДН элементарного электричес­кого вибратора в плоскостях ЕиН соответственно. На рис. 5 приве­дены примеры идеальных амплитудных ДН специальной формы: сек­торной и косеканской. Секторная форма ДН обеспечивает постоянство напряженности поля в определенном секторе углов при неизменном расстоянии точек приема от передающей антенны, косекансная - при возрастании этого расстояния от одного края сектора к другому. Сфе­рическая или полярная системы координат, в которых были приведе­ны рассмотренные выше примеры ДН, достаточно наглядны, однако сечения остронаправленных ДН удобнее и точнее изображать в пря­моугольной системе координат, поскольку угловой масштаб здесь мо­жет быть выбран произвольно в соответствии с шириной ДН. Часто при изображении амплитудных ДН в прямоугольной системе коорди­нат используют логарифмический масштаб (в децибелах). Логарифмический масштаб по­зволяет существенно повышать точность изображения боковых лепестков с малым относительным уровнем.

Уровень боковых лепестков, характеризуют величиной макси­мума наибольшего бокового лепестка (обычно ближайшего к главно­му) по отношению к величине главного максимума. Численно УБЛ равен значению нормированной амплитудной ДН (в относительных единицах или децибелах) в точках, соответствующих направлению максимума наибольшего бокового лепестка. Иногда важно знать оги­бающую уровня боковых лепестков.

Поляризационные параметры антенн. Напомним, что под поляризацией поля излучения понимают ориентацию в пространстве вектора Е. В зависимости от соотношения амплитуд и фаз составляющих поля различают линейную, эллиптическую или круговую поляризации. Если компоненты Е_Θ и Е_φ синфазны между собой или их фазы отличаются на π, то поляризацияполя линейна.Условием круговой поляризацииявляет­ся равенство амплитуд этих компонент и фазовый сдвиг между ними, равный ±π/2. Вэтом случае конец результирующего вектора описыва­ет во времени окружность, причем направление вращения происходит в сторону вектора, запаздывающего по фазе. Различают правое и ле­вое направления вращения. При правом направлении вращение векто­ра Eво времени для наблюдателя, смотрящего вслед волне, происхо­дит по часовой стрелке, при левом направлении - против часовой стрел­ки. В общем случае поляризация эллиптическая, т.е. конец результи­рующего вектора в фиксированной точке пространства описывает в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны и характеризуемой двумя ортогональными координатами £ и т|, совпа­дающими с ортами φ₀ и Θ₀,эллипс. Этот эллипс в свою очередь харак­теризуется коэффициентом эллиптичности s=a/b,где аи b- соответ­ственно малая и большая оси эллипса, направлением вращения и по­ложением большой оси в пространстве.

Таким образом, каждый из видов поляризаций однозначно опре­деляется заданием двух параметров: α - отношением амплитуд орто­гональных составляющих поля в данной точ­ке, характеризуемой угловыми координатами Θ₀, φ₀ и разностью их фаз.

Линейная поляризация излучения обычно используется в системах, когда положение передающей и приемной антенн в пространстве не меняется и среда не оказывает существенного влияния на поляризацию поля. Такая ситуация имеет место, например, в наземном телевизионном вещании. При осуществлении связи с подвижными объектами целесообразно использовать круговую поляризацию. В этом случае применяют специальные конструкции антенн, например, турникетные или спиральные.

Для одной и той же антенны вид поляризации излученного поля зависит от направления в точку наблюдения. Зависимость поляриза­ции от направления особенно существенна, если амплитудная ДН не имеет нулей. Доказано, что в этом случае всегда найдется такое направление, где коэффициент эллиптичности s принимает любое на­перед заданное значение (от нуля до единицы).

Иногда в антеннах, предназначенных для излучения линейной поляризации поля, возникает паразитное излучение с ортогональной поляризацией за счет неточности изготовления или в силу некоторых конструктивных особенностей. В этом случае различают основную или главную составляющую поляризации поля излучения и кроссполяризационную (вредную) составляющую.

Существуют также системы радиосвязи, в которых каждая из ортогональных поляризаций используется для независимой передачи информации. Для таких систем весьма важен вопрос реализации очень низкого уровня кроссполяризационной составляющей.

Коэффициент полезного действия, коэффициент направлен­ного действия, коэффициент усиления. В передающих антеннах не­избежны потери мощности Р₀, подводимой к антенне от генератора, на тепловой нагрев проводников и изоляторов. Эти потери учитыва­ются введением коэффициента полезного действия (КПД) по формуле (предполагается, что окружающая среда потерь не имеет)

 

(11)

 

где Р_∑ - мощность, излучаемая антенной; Р_пот - мощность потерь в антенне.

Коэффициент направленного действия (КНД) характеризует способность антенны концентрировать излученную мощность в опре­деленном направлении. Это понятие было введено в 1929 г. отечествен­ным ученым А. А. Пистолькорсом. По определению КНД (обозначим его D) есть отношение среднего (во времени) значения плотности потока мощности, излучаемой данной антенной в данном направлении, характеризуемом углами Θ₀, φ₀, к плотности потока мощности, излу­чаемой воображаемой абсолютно ненаправленной (изотропной) антен­ной, при равенстве мощностей, излучаемых обеими антеннами. При этом предполагается, что точка наблюдения находится на одинаковом расстоянии от обеих антенн.

В дальнейшем наряду с уже полученными формулами будет удоб­но использовать выражения для КНД в виде

 

(12)

 

Коэффициент направленного действия не учитывает потерь под­водимой энергии в антенне, в связи с чем вводится параметр G, учиты­вающий эти потери и называемый коэффициентом усиления (КУ) ан­тенны:

G =Dη. (13)

 

Смысл этого коэффициента, учитывая данное выше определе­ние КНД, заключается в следующем. Коэффициент усиления пред­ставляет отношение среднего (во времени) значения плотности потока мощности, излучаемой данной антенной в данном направлении Θ₀, φ₀, к плотности потока мощности, излучаемой изотропной антенной, при равенстве мощностей, подводимых к обеим антеннам. При этом пред­полагается, что η изотропной антенны равен 1 и обе антенны идеаль­но согласованы с фидером.

Существует и другое определение КУ, согласно которому этот коэффициент показывает, во сколько раз следует увеличить подводи­мую мощность при замене данной антенны изотропной антенной с КПД, равным единице, чтобы напряженность поля в данном направ­лении (при неизменном расстоянии до точки наблюдения) осталась неизменной.

Входное сопротивление антенны. Передающая антенна пред­ставляет для генератора некоторую нагрузку; для количественной ха­рактеристики этой нагрузки необходимо знать входное сопротивление антенны. Под входным сопротивлением антенны понимается отноше­ние напряжения U₀, приложенного к входным точкам антенны, к току I₀ на входе:

(14)

 

В строгой теории антенн токи (в том числе и ток I₀ на входе ан­тенны) и создаваемые ими поля определяются как решение соответ­ствующей граничной задачи электродинамики при заданном значении напряжения U₀ на входе антенны. В этом случае само нахождение Z_BX по формуле (14) представляется после решения указанной задачи тривиальными, поскольку вся трудность сосредоточена в нахождении тока в антенне. В приближенной теории антенн задача нахождения тока (внутренняя задача) решается приближенно, на основе знания каких-либо общих закономерностей или результатов многочисленных экспе­риментов. В этом случае, например для вибраторных антенн, даже зна­ние закона распределения тока не позволяет найти абсолютное значе­ние тока I₀, так как остается невыясненным вопрос, какому значению U₀ он соответствует. Возможность использования формулы (14) при этом исключается; более плодотворным в приближенной теории ан­тенн является подход к нахождению Z_BX на основе энергетических со­ображений, основанных на представлении антенны в виде двухполюс­ника и сопоставлении известных соотношений из теории электричес­ких цепей и электродинамики.

Из теории цепей известно, что входное сопротивление двухпо­люсника можно рассчитать по формуле

(15)

где Р - комплексная мощность генератора, питающего двухполюсник; I- ток через двухполюсник. В электродинамике комплексная мощность сто­ронних источников, являющихся первопричиной возникновения электро­магнитного поля, может быть в отсутствие каких-либо потерь вычислена с использованием теоремы Пойнтинга в интегральной форме как

 

(16)

 

где S- поверхность, окружающая антенну; W_м и W_э - средние величи­ны магнитной и электрической энергий в области, ограниченной по­верхностью S; ω - круговая частота.

Учитывая, что распределение тока в общем случае переменно по длине антенны, при определении Z_BX следует в (15) под током по­нимать ток I₀ на входе антенны.

Для нахождения активной и реактивной частей Z_BX лучше всего комплексную мощность сторонних источников определять непосредственно через параметры самих источников. В частности, если рас­пределение тока в антенне известно, то именно этот ток можно счи­тать первопричиной возникновения поля, исключив для простоты все, происходящее в генераторе, линии передачи, соединяющей генератор и антенну, и др. Из теоремы Пойнтинга следует, что комплексная мощ­ность сторонних источников, заданных в виде тока с объемной плот­ностью J.

(17)

где V - объем, занятый токами; Е - вектор напряженности поля, со­зданного этими токами. Соответственно для нахождения входного со­противления получим формулу в виде

(18)

Применительно к вибраторным антеннам последняя формула является выражением метода, получившего в свое время название ме­тода наведенных ЭДС.

Энергетический подход лежит и в основе приближенного мето­да нахождения Z_BX на основе эквивалентных схем, например эквива­лентной длинной линии для вибраторных антенн. Здесь, приравнивая мощность, излучаемую антенной, к мощности потерь в эквивалент­ной схеме, получаем погонные параметры эквивалентной линии и, как следствие, входное сопротивление антенны.

Отметим, что ввести понятие тока I₀ на входе, как и входного напряжения U₀, не всегда физически возможно. Например, для антенн рупорного типа, питаемых волноводной линией передачи, этого сде­лать не удается. О входном сопротивлении таких антенн можно судить по отражению от антенны, которое возникает в волноводном тракте. Если антенна согласована с трактом (коэффициент отражения Г = 0) то Z_BX = Z_B, где Z_B - волновое сопротивление тракта (предполагается, что тракт работает в одномодовом режиме). В общем случае Г не равно 0, причем, поскольку Г = (Z_BX - Z_B), входное сопротивление

Отметим, что наличие отражения сопровождается целым рядом негативных последствий, в том числе снижением КПД питающего фидера, нарушением устойчивости работы генератора, искажением передаваемой информации, снижением уровня допустимой мощности.

Одним из основных параметров антенн является также рабочая полоса частот, в пределах которой основные электрические парамет­ры удовлетворяют определенным техническим требованиям. Обычно рабочая полоса частот определяется тем параметром, значение кото­рого при изменении частоты раньше других выходит из допустимых пределов. Чаще всего таким параметром является входное сопротив­ление антенны. В ряде случаев рабочая полоса частот определяется изменением направления максимального излучения, расширением ДН, уменьшением КНД и др.

Условно принято к узкополосным антеннам относить антенны, относительная рабочая полоса частот которых не превышает 10 %. Антенны с полосой частот свыше 10 % считаются широкополосными. Если отношение максимальной частоты к минимальной (перекрытие частот) составляет 5:1 и более, такие антенны называют сверхширо­кополосными или частотно-независимыми. Широкополосные антен­ны применяют для излучения широкополосных сигналов; в случае уз­кополосных сигналов такие антенны позволяют без перестройки ра­ботать при переходе с одной частоты на другую.

Еще одним параметром передающих антенн является предель­ная мощность,которую можно подвести к антенне, не вызывая про­боя окружающей среды и не нарушая электрической прочности изоля­торов.

 

Контрольные вопросы

1. Поясните суть принципа суперпозиции применительно к расчету антенных уст­ройств.

2. Перечислите основные факторы, определяющие вид множителя системы иден­тично расположенных излучателей.

3. Получите в общем виде выражение для разности хода в решетке с произволь­ным размещением элементов в пространстве.

4. Каков физический смысл множителя ослабления?

5. Определите границу дальней зоны для излучателя, имеющего квадратную фор­му 1x1 м, при частоте 12 ГГц.

6. Запишите и поясните теорему Пойнтинга в интегральной форме для среды с потерями.

7. Сформулируйте принцип перестановочной двойственности уравнений Макс­велла.

8. Сформулируйте принцип эквивалентности, основанный на введении эквива­лентных поверхностных электрических и магнитных токов.

9. Сформулируйте принцип эквивалентности, основанный на введении эквива­лентных объемных электрических и магнитных токов поляризации.

10. Что понимается под амплитудой и фазовой ДН в передающем режиме?

11. Запишите и поясните универсальное представление поля в дальней зоне про­извольной антенны через нормированную амплитудную и фазовую ДН.

12. Перечислите основные свойства поля произвольной антенны в дальней зоне.

13. Дайте определение и поясните способы расчета входного сопротивления антенны.