книги / Основы радиотехники и антенны. Антенны
.pdfG= DI1A п„, |
П ср |
Пт |
^ с р |
П[, |
== К |
Иначе говоря, коэффициент направленного действия определяется на основе сравнения данной антенны с ненаправленной, имеющей такие же потери, как данная направленная антенна, т. е. отношени ем Пт1 /7ср, а коэффициент усиления — на основе сравнения с
ненаправленной и не имеющей потерь антенной, т. е. отношением Пт1П’ор.
Так как абсолютно ненаправленных излучателей нет, то коэф фициент усиления антенны часто определяют, сравнивая ее с сим метричным вибратором длиной / = Х/2.
8. Диапазонные свойства антенны. Эти свойства антенны оце ниваются диапазоном рабочих частот (полосой пропускания), в пределах которого (которой) любой радиотехнический параметр, например КНД, изменяется в заданных пределах. Рабочий диапазон частот может ограничиваться зависимостью от частоты входного сопротивления и формы диаграммы направленности антенны, ре жима работы фидера, поляризации излучаемой волны и т. д.
Отсутствие частотных искажений особенно существенно при передаче радиосигналов с широким спектром частот и использова нием одной и той же антенны на различных несущих частотах.
9. Максимальное напряжение в антенне, Это наибольшее на пряжение на вибраторе при возбуждении его модулированным током с заданным коэффициентом модуляции. Если оно превышает до пустимую величину, то электрическое поле возле антенны вызывает ионизацию воздуха и электрический разряд. На длинных и средних волнах разряд имеет вид короны (свечения), а на коротких волнах— факела (пламени). Газовый разряд, происходящий при перенапряже ниях в антенне, связан с непрерывной затратой энергии на иониза цию и рекомбинацию (восстановление) молекул воздуха. В резуль тате газового разряда увеличиваются потери электромагнитной энер гии и уменьшается к. п. д. антенны; возникает опасность разруше ния антенны из-за перегорания проводов и пробоя изолятора; уве личиваются искажения передаваемого сигнала в связи с дополни тельной модуляцией сигнала беспорядочными токами ионизации.
Эксплуатационные характеристики передающей антенны. К пе редающей антенне предъявляются следующие эксплуатационные требования:
1. Высокая механическая прочность и надежность в эксплу атации. Это свойство особенно важно для самолетных антенн, ко торые, как и все авиационные приборы, работают в условиях боль ших изменений температуры, влажности и атмосферного давления,
атакже сильных механических вибраций.
2.Минимальные габариты и вес. Этот показатель, как и пре
дыдущий, весьма важен для антенн самолетных и передвижных на земных радиостанций.
3.Простота и эффективность согласования элементов антенной системы, необходимые для быстрой настройки антенного устройства.
4.Минимальная стоимость изготовления и установки антенного устройства.
5.Безопасность эксплуатации, особенно для мощных радио
станций, в антеннах которых возбуждаются токи мощностью до нескольких сотен киловатт.
6. Минимальное время, необходимое для развертывания ан тенны. Это требование в первую очередь относится к антенным уст ройствам наземных передвижных радиостанций, которые обычно монтируются на автомашинах.
Качественные показатели антенны, вытекающие из перечислен ных требований, связаны между собой. Так, например, увеличение сопротивления излучения способствует не только повышению к. п.д. антенны, но и улучшению ее частотной характеристики, поскольку с увеличением сопротивления излучения возрастает затухание, вно симое в антенный контур, и притупляется его резонансная кривая. Есть и такие требования к качественным показателям антенны, ко торые противоречат друг другу. Например, уменьшение размеров антенны влечет за собой ослабление ее направленного действия и
понижение к. п. д. Такие противоречия обычно устраняются |
на базе |
компромиссных решений. В зависимости от назначения |
антенны |
к ней могут предъявляться дополнительные требования. |
|
4. Характеристики и параметры приемных антенн
Хотя характеристики и параметры приемных антенн те же, что и передающих, но физический смысл их имеет некоторые особен ности, которые определяются условиями работы приемной антенны.
Допустим, что на антенну А воздействует плоская волна ТЕМ с векторами Е , Н и /7, направленными так, как показано на рис. 1.13.
Электрическое поле, силовые линии которого отмечены кру жочками, параллельны вибратору А и индуктируют в нем э. д. с., вызывающую ток в цепи антенны. Этот ток сопровождается излуче нием вторичных волн и интерференцией их с первичными волнами. В результате интерференции структура электромагнитного поля приемной антенны изменяется В направлении к передающей антен не поля приобретают характер стоячих волн и согласно граничным условиям (вибратор обладает высокой проводимостью) электри ческое поле на поверхности вибратора почти отсутствует, а магнит ное поле, силовые линии которого показаны пунктирными линиями, имеет максимальную напряженность. Интенсивность волн, переизлучаемых приемной антенной, мала и па некотором удалении от нее
уже восстанавливается нормальная |
структура |
бегущих воли ТЕМ |
(изменения полей Е и Н совпадают |
во времени |
и в пространстве). |
?2 |
|
|
Из сказанного выявляется физический смысл параметра Rz для приемной антенны: сопротивление излучения Rz соответствует переизлучаемым (вторичным) волнам.
Характеристика направленности приемной антенны выражает зависимость э. д. с. в антенне *9а о т направления приходящей волны. Убедимся на примере диполя Герца, что направленные свойства ан тенны одинаковы при работе ее на передачу и прием.
н |
® !<#&! о |
j |
|
н |
|
й е н |
|
|
|||
!®|®! |
|
!\ |
- |
|
|
|
|
||||
|
I л 4’) |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
j®|®j |
|
I |
/ |
/1 |
\®\®! |
j !® |
© ® |
|||
|
ГГ1 |
/ ® / |
\©\ \®ja®! |
|
|||||||
|
/ |
/V |
|
\ |
|
|
|
|
|||
|
I |
I |
|
|
|
|
|
|
|||
|
® |
®1®| |
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
: |
|
|
|
\ |
\\э |
i |
! |
|
||
|
® I®!® ® / |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
® |
|
|
|
|
|
|
|
Г| ®|! |
!®! |
© а |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
I © /001 |
|
||
Рис. |
1.13. Электромагнитное |
поле |
вокруг |
прием |
|||||||
|
|
|
|
ной |
антенны. |
|
|
|
|||
Диполь длиной / пересекается электромагнитной волной П под |
|||||||||||
углом 0 к оси диполя |
|
(рис. |
1.14). При таком направлении волны |
||||||||
вектор электрического поля Е образует угол 90° — 0 с осью диполя, а тангенциальная составляющая электрического поля равна Е- = = £соз{90° — 0) = Е sin0. Следовательно, э. д. с., индуктируе мая в диполе:
ЭА = Е1 -■ El sin 0.
Судя по последнему множителю, характеристика направленнос ти приемного диполя Герца такая же, как передающего:
F(0) = /(0) = sinO.
Направленное действие приемной антенны приобретает особое значение в связи с тем, что основной задачей ее является получение на входе приемника максимальной мощности сигнала по сравне нию с мощностью помех.
Предположим, что помехи поступают в антенну со всех направ лений. При этом условии остронаправленная антенна позволяет уменьшить телесный угол, в пределах которого воспринимаются помехи. В результате отношение сигнал/помеха на входе приемника возрастает.
Если же помехи имеют какое-нибудь преимущественное на правление, отличное от направления полезного сигнала (рис. 1.15), то отношение сигнал/помеха можно еще более повысить. Для этого диаграмма направленности антенны должна иметь ярко выраженное направление нулевого приема, которое совмещают с направлением помехи; правда, теперь направление сигнала может не совпасть с максимумом главного лепестка диаграммы и тем не менее отношение сигнал/помеха окажется высоким даже при широкой диаграмме направленности антенны.
Во избежание усиления антенной внешних помех, направление которых соответствует боковым лепесткам диаграммы направлен ности, нужно, чтобы размеры этих лепестков были как можно меньше.
Рис. 1.14 Приемный диполь Герца.
Параметры щ , D и G для приемной антенны формулируются иначе, чем для передающей.
/(. п. д. приемной антенны т]А равен отношению мощности, поступающей в нагрузку, согласованную с реальной антенной, к мощности, которая подводилась бы к той же нагрузке антенной, отличающейся от данной отсутствием потерь.
Коэффициент направленного действия приемной антенны D
есть отношение мощности, подводимой к приемнику от данной ан тенны, ориентированной в направлении приходящего сигнала, к мощности, которая подводилась бы к приемнику от абсолютно
ненаправленной антенны при условии, что к. п. д. |
обеих антенн и |
напряженность поля в месте их расположения одинаковые. |
|
Коэффициент усиления приемной антенны G |
отношение мощ |
ности, подводимой к приемнику от данной антенны, к мощности, подводимой к нему от'ненаправленного или полуволнового виб ратора без потерь, при условии, что обе антенны ориентированы в направлении приходящего сигнала и находятся в поле одинаковой
24
напряженности. Для приемной антенны, так же как и для передаю щей, G = Dr1а.
Чтобы оценить э. д. с. Эд, индуктируемую в приемной антенне, используют параметр, называемый действующей высотой /гд. Это отношение э. д. с. Эд к составляющей напряженности электрического поля Ег, параллельной проводу антенны,
Действующая высота равна геометрической / только при равно мерном распределении тока но длине вибратора, а в остальных слу чаях Ад Ф L- Параметр/гд характеризует и передающую антенну, но роль Лд в теории приемных антенн больше, чем в теории передающих.
Рис. 1.15. Увеличение отношения сигнал/помеха при помощи направленной приемной антенны.
На УКВ, где внешние помехи сравнительно слабы и соизме римы по мощности с внутренними шумами приемного устройства, важным параметром приемной антенны является ее эффективная шумовая температура Гд. Это та температура, до которой следует нагреть сопротивление излучения антенны, чтобы оно выделяло мощность, равную мощности шумов данной антенны.
Если бы последняя была идеальной (т]д = 100%) и в ее диаграм ме направленности не было бы боковых и заднего лепестков, то тем пература Та была бы равна результирующей температуре косми ческих и атмосферных шумов. В реальной антенне имеются тепло вые потери (т)д < 100%), за счет которых возникают дополнитель ные шумы и повышается шумовая температура антенны. При нали чии в диаграмме направленности боковых и заднего лепестков тем пература Та возрастает еще за счет шумов, улавливаемых этими лепестками. Особенно значительно повышается шумовая темпера тура антенны, когда ее диаграмма направленности охватывает зем ную поверхность, поскольку потери электромагнитной энергии в земле больше, чем в «холодном» небе. Так, например, остронаправ
ленная антенна, ориентированная в зенит, имеет Гл < 10°К, а ориентированная на землю — ТА порядка 300°К.
Шумовая температура антенны Т д должна быть как можно мень ше по сравнению с шумовой температурой приемника Тпр. В послед ние годы техника усиления СВЧ достигла высокого уровня разви тия, благодаря чему удалось достичь величины Гпр, меньшей 7 \.
Например, в квантовых усилителях |
температура Тпр = 5 -г 30“ |
К, |
|
а создать антенну с 7д < |
5 ч- 30° К чрезвычайно трудно. |
и, |
|
Приемная антенна |
играет роль |
генератора для приемника |
|
следовательно, для отдачи наибольшей мощности в нагрузку (т. е. в приемник) должно быть установлено определенное соотношение между сопротивлениями данной антенны (на выходных клеммах) и входной цепи приемника. При согласованной таким образом ан тенне основным параметром ее служит эффективная поверхность Sa(l) величину которой определяют исходя из того, что если эта поверх ность расположена перпендикулярно направлению волны и пол ностью поглощает энергию волны, то на площади S9ф должна вы делиться такая же мощность Рмакс, какая улавливается реальной антенной. Иначе говоря, эффективная поверхность равна частному
от деления мощности Рмакс на |
плотность |
потока мощности |
волны П |
|
|
5ЭФ= - ^ |
- . |
(9) |
Во многих устройствах приемные антенны проще передающих по конструкции, они имеют меньшую высоту, в них нет дорого стоящих радиомачт и изоляторов, рассчитанных на большую элек трическую прочность; однако по большинству качественных пока зателей требования к приемным и передающим антеннам одинако вые.
СИММЕТРИЧНЫЙ И ЗАЗЕМЛЕННЫЙ ВИБРАТОРЫ
5. Электромагнитное поле симметричного вибратора
Симметричный вибратор отличается от диполя Герца неравно мерным распределением тока по своей длине. Однако теория диполя Герца позволяет выявить свойства симметричного вибратора, так как последний может быть представлен в виде бесконечно большого числа элементарных диполей Герца. В любой точке пространства поля элементарных вибраторов интерферируют и в зависимости от разности фазы между ними результирующее поле усиливается или ослабляется составляющими отдельных элементов симметричного вибратора.
Это определяет схему исследования, которой будем придержи ваться при рассмотрении почти всех излучателей: сначала излуча тель разбивается на элементарные, поля которых в отдельности известны из пройденной части курса; эти поля суммируются с уче том того, как распределены по амплитуде и фазе токи в излучателе и какова разность хода лучей от элементов вибратора к данной точке пространства; в полученном выражении результирующего поля выявляется амплитуда и множитель, определяющий зависи мость этой амплитуды от направления, т. е. функция направлен ности; последняя нормируется (если это требуется) и представляется в виде диаграммы. Как видно, для исследования симметричного вибратора необходимо прежде всего знать закон распределения тока в нем. В инженерной практике эту задачу решают, исходя из ана логии вибратора с двухпроводной линией. Такая аналогия дает некоторые погрешности:
1. Обычная двухпроводная линия является цепью с равномерно распределенными постоянными, а антенна имеет неравномерно распределенные параметры. В частности, в симметричном вибраторе по мере удаления от зажимов генератора расстояние между симмет ричными участками провода и его погонные параметры изменяются.
2В* |
27 |
2. Электрическое поле двухпроводной линии потенциальное, а антенны — вихревое. Так как энергия, затрачиваемая на перенос заряда в вихревом поле вибратора, зависит от траектории движения заряда, то разность потенциалов между двумя точками вибратора становится неопределенной. Понятием напряжения на вибраторе можно пользоваться только тогда, когда длина вибратора мала по сравнению с длиной волны или когда речь идет о разности потен циалов на зажимах антенны, где электрическое поле близко к по тенциальному. В остальных случаях о потенциалах антенны будем говорить, как о величине, пропорциональной поверхностной плот ности зарядов.
Рис. 2.1. Распределение амплитудных значении |
тока |
и заряда |
|
по длине разомкнутых линий и соответствующих |
симметричных |
||
|
вибраторов. |
|
|
3. |
Электромагнитное поле линией не излучается, а вибратором |
||
излучается, и так как это поле в свою очередь влияет на ток вибра |
|||
тора, то |
распределение тока получается несколько |
иным, чем в |
|
линии. |
|
|
|
Погрешности при использовании указанной аналогии тем боль ше, чем большую часть длины волны составляют поперечные размеры вибратора. Опыт показывает, что в диапазоне длинных, средних, а в ряде случаев и коротких волн вносимые погрешности не выходят за пределы допустимых.
На рис. 2.1 показано распределение заряда и амплитуды тока в разомкнутой линии и в соответствующем по длине вибраторе при I = Л/2, X ЗХ/2, 2Х. На концах линии ток равен нулю, а заряды мак симальны (узел тока и пучность заряда). По мере приближения к за жимам генератора ток и заряды в линии изменяются по законам
28
стоячих волн. Переход от линии к вибратору осуществлен поворотом проводов в противоположные стороны на 90° с сохранением кривых изменения тока и заряда. В результате выявляется, что в симмет ричных сечениях вибратора любой длины заряды численно равны и противоположны по знаку, а токи равны по величине и совпадают по фазе. Последнее обстоятельство столь важно, что полезно запом нить: симметричным вибратором является такой прямолинейный провод, в симметричных точках которого токи равны и совпадают по направлению и фазе.
Рис. 2.2. Взаимное |
расположение симметричного |
вибратора и точки М, |
в которой определяется его |
поле |
излучения. |
Если вдоль вибратора укладывается целое число полуволн, то вибратор называется гармониковой антенной. Длина гармониковой антенны
где р — номер гармоники.
Найдем поле симметричного вибратора. На рис. 2.2 ось симмет ричного вибратора совпадает с осью Oz, а середина вибратора на ходится в начале координат.
Если точка М расположена на расстоянии г от середины вибра тора и под углом 0 к оси Ог, то элементарные участки вибратора с координатами + z и —г удалены от той же точки на расстояния гг = = г — г cos 0 и гг = г + г cos 0.
Разность r2 — rx <£ г, а поэтому при определении амплитуды элементарных полей dEm можно разность г2— гх.не учитывать, т. е. считать, что гх« г2яг г. Однако при расчете фазового сдвига полей
этого делать нельзя, так как разность хода волн |
соизмерима с дли |
||
ной волны, и если, скажем, |
г2 — rx — XI2, то |
в |
данной, точке про |
странства результирующее |
поле равно нулю, |
несмотря на то, что |
|
оно вызвано двумя равными и синфазными токами.
В соответствии с этим мгновенные значения напряженности электрического поля, возбуждаемого в точке М элементарными участками вибратора:
dEx = dEms)n (at— 0г,) = dEmsin (at— 0r-f 02 cos в),
dE2 = dEmsin (at— pr2) = dEmsin (at—{5r— $z cos 0).
Определим результирующее поле, создаваемое обоими участ ками вибратора, пользуясь подстановкой at — Рг =
dE = dE1-\-dEi — dEm[sin (£-f P2cos0)-f sin (£— P2cos0)] =
= 2 sin £ cos фг cos 0) dEm.
Так как элементарный участок симметричного вибратора экви валентен элементарному вибратору длиной dz при токе с амплитудой 1гт, то в соответствии с формулой (2)
|
dEт |
60яfZm &г sin 0f |
|
||
а |
|
r\ |
|
|
|
120я/*«и sin 6 • |
ь |
/л |
|
||
• г |
( \ \ J |
||||
dE = -------£2------ Sin l |
cos (рг cos 0) dz. |
||||
rl
Для определения напряженности электрического поля всего вибратора данное выражение следует проинтегрировать по 2 в пре делах от 0 до //2, имея в виду, что 12тзависит, а £ не зависит от коор динаты z:
1/2
Ешп = sin б sin I | Itm cos фг cos 0) dz.
о
Это выражение согласно приложению I приводится к виду
Ewn = ^ - f ( b ) s \ n ( a t ~ H , |
(10) |
где 1т — амплитуда тока в пучности. |
что симметричный |
Множитель sin (at — Рг) указывает на то, |
вибратор излучает бегущие волны. В этом множителе фазовый угол a t — Рг зависит от расстояния г (а не от гх и г2) между точками М и О и не зависит от угловых координат. Первое означает, что
средняя точка О является эквивалентной точкой излучения (фазовым
ао