21921

Основные характеристики и параметры антенн

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

РАСЧЕТ ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ АНТЕНН. Применение принципа суперпозиции к расчету поля излучения антенн. Особенности расчета поля в дальней зоне антенны. Это свойство антенны графически изображается диаграммой направленности показывающей зависимость от направления напряжённости электрического поля излученной волны измеренной на большом и одинаковом расстоянии от антенны.

Русский

2013-08-04

292 KB

68 чел.

Лекция 2

2.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ АНТЕНН. Основные электрические  параметры передающих антенн.

2.2. РАСЧЕТ  ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ АНТЕНН. Применение принципа суперпозиции  к расчету поля излучения антенн. Особенности расчета поля в дальней зоне  антенны.

Основные характеристики и параметры антенн

Интенсивность излучения передающих антенн зависит от направления или, как говорят, антенна обладает направленностью излучения. Это свойство антенны графически изображается диаграммой направленности, показывающей зависимость от направления напряжённости электрического поля излученной волны (измеренной на большом и одинаковом расстоянии от антенны). Направленность излучения антенны приводит к повышению напряжённости поля волны в направлении максимального излучения и таким образом создаёт эффект, эквивалентный эффекту, вызываемому увеличением излучаемой мощности. Для количественной оценки эквивалентного выигрыша в излучаемой мощности введено понятие коэффициента направленного действия (КНД), показывающего, во сколько раз нужно увеличить мощность излучения при замене данной реальной антенны гипотетической ненаправленной антенны (изотропным излучателем), чтобы напряжённость электромагнитного поля осталась неизменной. Не вся подводимая к антенне мощность излучается. Часть мощности теряется в проводах и изоляторах антенны, а также в окружающей антенну среде (земле, поддерживающих антенну конструкциях и др.). Отношение излучаемой мощности ко всей подводимой мощности называется к.п.д. антенны. Произведение КНД на к.п.д. называется коэффициентом усиления (КУ) антенны.

Приёмная антенна также характеризуется формой диаграммы направленности, КНД, к.п.д. и КУ. Её диаграмма направленности изображает зависимость э. д. с., создаваемой антенной на входе приёмника, от направления прихода волны. При этом предполагается, что напряжённость поля в точке приёма не зависит от направления прихода волны. КНД показывает, во сколько раз вводимая антенной во входную цепь приёмника мощность при приходе волны с направления максимального приёма больше среднего (по всем направлениям) значения мощности, при условии, что напряжённость поля не зависит от направления прихода волны. КНД приёмной антенной характеризует её пространственную избирательность, определяющую возможность выделения принимаемого сигнала на фоне помех, создаваемых радиосигналами, идущими с разных направлений и порождаемых различными источниками. Под к.п.д приёмной антенны подразумевают к.п.д. этой же антенны при использовании её для передачи. КУ приёмной антенны определяется как произведение КНД на к.п.д. Форма диаграмм направленности, КНД и КУ любой антенны одинаковы в режиме передачи и в режиме приёма. Это свойство взаимности процессов передачи и приёма позволяет ограничиться описанием характеристик антенны только в режиме передачи.

Теория и методы построения антенн базируются на теории излучения элементарного электрического вибратора, опубликованной Г. Герцем в 1889. Под элементарным электрическим вибратором подразумевают проводник, длиной во много раз меньшей длины излучаемой волны λ, обтекаемый током высокой частоты с одинаковой амплитудой и фазой на всей его длине. Его диаграмма направленности в плоскости, проходящей через ось, имеет вид восьмёрки. В плоскости, перпендикулярной оси, направленность излучения отсутствует, и диаграмма имеет форму круга. КНД элементарного вибратора равен 1,5. Пример практического выполнения элементарного вибратора – вибратор Герца.

Вибратор представлял собой два медных прутка с насажанными на концах латунными шариками и по одной большой цинковой сфере или квадратной пластине, играющей роль конденсатора. Между шариками оставался зазор – искровой промежуток. При импульсах переменного тока между шариками проскакивали искры и в окружающее пространство излучались электромагнитные волны. Перемещением сфер или пластин вдоль стержней регулировались индуктивность и емкость цепи, определяющие длину волны.

Посредством вибратора, резонатора и отражательных металлических экранов Герц доказал существование предсказанных Максвеллом электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве. Он доказал их тождественность световым волнам (сходство явлений отражения, преломления, интерференции и поляризации) и сумел измерить их длину.

Рис. 2.1 – Силовые линии вибратора Герца

Любая антенна может рассматриваться как совокупность большого числа элементарных вибраторов.

 РАСЧЕТ ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ АНТЕНН

2.2. ПРИМЕНЕНИЕ ПРИНЦИПА СУПЕРПОЗИЦИИ К РАСЧЕТУ ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

Свойства антенн принято изучать главным образом в передающем режиме, поскольку характеристики антенн в приемном режиме наиболее просто могут быть определены через характеристики тех же устройств в передающем режиме с помощью принципа взаимности.

Изучение свойств передающих антенн начнем с определения электромагнитного поля, созданного произвольной антенной, находящейся в свободном пространстве, при условии, что для этой антенны решена так называемая внутренняя задача. Для металлических антенн, это означает, что распределение электрических токов – источников электромагнитного поля – известно во всех точках антенны.

Наиболее просто и наглядно поле таких антенн рассчитывается с использованием принципа суперпозиции. Ввиду линейности уравнений Максвелла проволочную антенну длиной  можно разбить на элементарные участки , каждый из которых при малой толщине провода можно рассматривать как элементарный электрический вибратор (ЭЭВ), и далее найти результирующее поле путем суммирования всех элементарных полей с учетом их поляризации, амплитуд и фаз.

Рис 1. – К расчету поля антенны

В локальной сферической системе координат r', ', ', связанной с элементом  и декартовой системой x', у', z', ось z' которой совпадает с осью элементарного вибратора (рис. 1.1), комплексная амплитуда напряженности электрического поля имеет вид

,  (1.1) 

где – линейная координата, отсчитываемая вдоль провода и характеризующая положение рассматриваемого элемента; – комплексная амплитуда тока в выделенном элементе;  – длина ЭЭВ; ; – длина волны в свободном пространстве;  – характеристическое сопротивление  среды;  – орт сферической системы координат.

В (1.1) и далее индекс т в обозначении комплексной амплитуды опущен. Выражение (1.1) справедливо в дальней зоне выделенного элемента, т. е. при условии r' » (реально, достаточно условия r'  > 1,5, при этом погрешность по амплитуде не превосходит 1%). Напряженность магнитного поля в дальней зоне ЭЭВ связана с (1.1) выражением

      (1.2)

где  – орт сферической системы координат. Результирующее поле определяется путем геометрического суммирования (интегрирования) полей всех элементарных участков:

, .                  (1.3)

Принцип суперпозиции используется при расчете поля излучения и магнитных токов, каждый из элементарных участков которых можно рассматривать как излучение элементарных магнитных вибраторов (ЭМВ). Хотя магнитные токи в природе не существуют, их формальное ведение оказывается чрезвычайно полезным при анализе, например, антенн, выполненных в виде длинной узкой щели в металлическом экране.

В ряде случаев, когда распределение тока по антенне либо неизвестно, либо слишком сложно, однако из каких-либо априорных соображений известно распределение поля вблизи антенны (например, для апертурных антенн, в частности для антенн параболического типа), найти излучаемое антенной поле можно с помощью принципа эквивалентности. Согласно этому принципу излучение реальных электрических токов заменяется излучением эквивалентных поверхностных электрических и магнитных токов, распределенных в точках воображаемой произвольной поверхности S, окружающей антенну. Плотность этих токов

, ,      (1.5)

где n0 – единичная нормаль к поверхности S, внешняя по отношению к области, занятой антенной; ,  – поле в точках на поверхности S.

Разобьем поверхность S на элементарные площадки dS, тогда, рассматривая каждую площадку как совокупность двух элементарных излучателей – электрического и магнитного, можно найти полное поле во внешней области, суммируя поля, созданные отдельными элементами. Обычно учитывают токи только на части замкнутой поверхности S, где они наиболее существенны, причем эту часть поверхности выбирают совпадающей с фронтом волны, излучаемой антенной. В данном случае каждую элементарную площадку можно рассматривать как элемент волнового фронта – элемент Гюйгенса, электрическое поле которого и локальной системе координат r', ', ', связанной с декартовой системой x', у', z', ось z' которой совпадает с внешней нормалью (см. рис. 1.2), при r' « можно представить в виде

,      (1.6)

Рис 1. – К расчету поля элемента Гюйгенса

,    (1.7)   

.      (1.8)   

9


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

40148. ИНФОРМАЦИЯ В ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЯХ 412.5 KB
  Когда говорят об информации то имеют в виду как объективные сведения о событиях в материальном мире так и получателя этих сведений то есть субъекта. Определить количество информации и передать его с наименьшими потерями по каналам связи не интересуясь смыслом информации это предмет теории информации которую иногда называют математической теорией связи. Качественная сторона информации например её ценность полезность важность исследуется в семантической теории информации.
40149. ИНФОРМАЦИЯ В НЕПРЕРЫВНЫХ СООБЩЕНИЯХ 1.23 MB
  Представляет интерес определить собственное количество информации заключённое в непрерывном сообщении с тех же позиций что и для дискретного сообщения то есть с использованием понятия энтропии. Замену непрерывной функции времени можно осуществить последовательностью дискретов на основании теоремы Котельникова согласно которой если отсчёты непрерывного сообщения взять через интервал t=1 2Fc где Fc максимальная частота спектра реализации xt то непрерывная функция xt на интервале времени наблюдения [0T] эквивалентна...
40150. ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ КАНАЛА СВЯЗИ 1.03 MB
  Рассматривая появление символа алфавита как реализацию случайной величины можно найти энтропию сообщения на входе канала связи 3. Пусть в канале связи отсутствуют помехи. Пусть в канале связи действуют помехи рис.
40151. ОСНОВЫ ТЕОРИИ КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ 87.5 KB
  Кодирование линии связи заключается в преобразовании закодированного сообщения при котором обеспечивается возможность надежной синхронизации и минимум искажений при трансляции сообщения через линию связи среду передачи информации при этом число исходных комбинаций равно числу закодированных. В теоретическом плане эта возможность основывается на наличии избыточности сообщения. Под избыточностью сообщения понимают разность между максимально возможной и реальной энтропией . Максимально возможная энтропия определяется для случая когда...
40152. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЕ КОДИРОВАНИЕ. КЛАССИФИКАЦИЯ КОДОВ 146 KB
  По длине кодов и взаимному расположению в них символов различают равномерные и неравномерные коды. Неравномерные коды отличаются тем что кодовые комбинации у них отличаются друг от друга не только взаимным расположением символов но и их количеством при минимизации средней длины кодовой последовательности. Очевидно что средняя длина неравномерного кода будет минимизироваться тогда когда с более вероятными сообщениями источника будут сопоставляться более короткие комбинации канальных символов. Тем самым создается возможность обнаружения и...
40153. МОДУЛЯЦИЯ СИГНАЛОВ 143.5 KB
  В современных цифровых системах связи радиолокации радионавигации и радиотелеуправления также применяются различные виды импульсной модуляции.2 Радиосигналы с амплитудной модуляцией При АМ амплитуда несущего колебания меняется в такт передаваемому сообщению st Тогда общее выражение для АМ сигнала будет иметь вид: где амплитуда в отсутствии модуляции; угловая круговая частота; начальная фаза; безразмерный коэффициент пропорциональности; модулирующий сигнал. Рассмотрим простейший вид амплитудной модуляции ...
40154. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ И РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА 44.5 KB
  Назначение классификация и основные параметры Радиопередающие устройства радиопередатчики предназначены для формирования колебаний несущей частоты; модуляции их по закону передаваемого сообщения и излучения полученного радиосигнала в пространство или передачи его по физическим линиям связи. Нестабильность частоты несущих колебаний. Абсолютной нестабильностью частоты называется отклонение частоты f излучаемого радиопередатчиком сигнала от номинального значения частоты fном. Относительной нестабильностью частоты называется отношение...
40155. Основы радиоэлектроники и связи 78 KB
  В ней рассматриваются способы математического представления сообщений сигналов и помех методы формирования и преобразования сигналов в электрических цепях вопросы анализа помехоустойчивости и оптимального приема сообщений основы теории информации и кодирования. Знания полученные в результате изучения дисциплины являются базой для глубокого усвоения материала по существующим и перспективным методам передачи информации сравнительному анализу этих методов и выявлению наиболее рациональных способов повышения эффективности радиоэлектронных...
40156. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИГНАЛАХ И ПОМЕХАХ 1.75 MB
  Импульсный сигнал это сигнал конечной энергии существенно отличный от нуля в течение ограниченного интервала времени соизмеримого со временем завершения переходного процесса в системе для воздействия на которую этот сигнал предназначен. Конкретный вид случайного процесса который наблюдается во время опыта например на осциллографе называется реализацией этого случайного процесса. Примером такого процесса является процесс характеризующий состояние системы массового обслуживания когда система скачком в произвольные моменты времени t...