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

64 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

55381. Услуги компьютерных сетей 100 KB
  Задачи урока: Образовательные: Обобщить представления учащихся об услугах компьютерных сетей; Проверить правильность полноту и осознанность приобретенных ранее знаний;...
55382. Выражения с квадратными корнями 616 KB
  Цели: - повторить определение квадратного арифметического корня, его свойства, - продолжить работу над выработкой умений проводить тождественные преобразования выражений, содержащих квадратные корни, - развивать интерес к изучению алгебры, - развивать навыки самостоятельной работы.
55383. Нахождение значений тригонометрических функций от аркфункций 94 KB
  Тип урока: комбинированный, состоит из 6 учебно-воспитательных моментов: организационный момент, проверка домашнего задания и подготовка к изучению нового материала, изучение и закрепление нового материала, итог урока.
55384. Реорганизация и ликвидация юридического лица 92.5 KB
  Воспитательные задачи: развитие активности самостоятельности ответственности за принятие решений; развитие сотрудничества в коллективной деятельности; Развивающие задачи: развитие критического творческого мышления у обучающихся; развитие аналитических и коммуникативных навыков...
55386. Ключи к познанию прошлого 47 KB
  Цели занятия: Знакомство обучающихся с новым предметом – история. Развивать у обучающихся интерес к предмету, умения анализировать, рассуждать, аргументировать свою точку зрения. Учить ребят работать с учебником, с текстом, работать в группе, высказывать свою точку зрения, слушать мнение других.
55387. Письмо другу 52 KB
  Цели урока: создание условий для того чтобы научить ребят писать сочинения; развитие устной и письменной речи памяти творческих способностей детей;...