Вопрос 1. Введение – антенны

Лекция №6 «Антенны.»

Содержание лекции:

Введение – антенны.

Основные типы антенн.

Проволочные антенны.

Рупорные антенны.

Зеркальные антенны.

2.4. Рамочные антенны.

Вопрос 1. Введение – антенны.

Устройства, предназначенные для излучения или приема э/м волн, называют антеннами. Антенны разделяют на передающие и приемные. Антенна обладает свойством обратимости, согласно которому одна и та же антенна может как излучать, так и принимать э/м волны. Основные параметры антенны в режиме излучения сохраняются и в режиме приема. Конструкция антенны зависит от диапазона волн, желаемой направленности излучения, величины излучаемой мощности и места установки.

Рассмотрим основные физические параметры антенн. Введение этих параметров позволяет сравнивать различные типы антенн.

Мощность и сопротивление излучения, КПД, диаграмма направленности антенны, коэффициент направленного действия, коэффициент усиления, действующая длина антенны.

Мощностью излучения называется среднее количество э/м энергии, излучаемое антенной в единицу времени. Полная мощность Р, потребляемая антенной от источника, складывается из мощности потерь и мощности излучения. Мощность потерь является следствием конечной проводимости проводников антенны, несовершенства диэлектриков: Р=Р_а+Р_п. В тех случаях, когда известна амплитуда токов на клеммах антенны, которую из составляющих мощности можно представить в виде:

.

Сопротивление излучения антенны равно такому активному сопротивлению, на котором при токе, равном току на клеммах, рассеивается мощность, равная току излучения. Величина сопротивления излучения зависит от характера распространения тока вдоль провода антенны, от соотношения длины излучающего провода и длиной изучаемой э/м волны. Все полуволновые вибраторы имеют сопротивление излучения Р_Σ=73,1 Ом. Вибраторы с длиной в одну волну имеют сопротивление 210 Ом. В общем случае сопротивление излучения антенны является комплексной величиной.

Антенна преобразует энергию источника э/м колебаний в энергию э/м волн. КПД этого преобразователя определяется Р_и/Р. Таким образом КПД тем больше, чем больше сопротивление излучения по сравнению с сопротивлением волновых потерь. Величина КПД антенны для полуволнового вибратора равна 0,9.

Количество энергии, излучаемое антенной в единицу телесного угла, неодинаково. О направленности излучения антенны судят по ее диаграмме направленности (ДН). Различают ДН: по полю и по мощности.

- ДН по полю называется графическое выражение зависимости напряженности электрического поля, которое создается в равноудаленных от антенны точках зоны, от направления излучения. Дальняя зона излучения антенны определяется условием, при котором расстояние от антенны до точки наблюдения, которая находится в дальней зоне, , где R - расстояние от передающей антенны до границы;
D - линейный размер апертуры передающей антенны в плоскости поляризации излучения.

Любая антенна имеет направление максимального излучение, называемое максимумом ДН. Обычно используются антенны с резко выраженными направленными свойствами. Это позволяет:

1) определять направление на объекты, отражающие э/м волны, что находит широкое применение в радиолокации и радионавигации;

2) увеличить дальность действия радиоэлектронных устройств за счет концентрации излучаемой энергии в узком секторе пространства;

3) обеспечить повышение скрытности работы радиоэлектронных систем;

4) уменьшить влияние умышленных помех.

Коэффициент направленного действия (КНД) антенны – числовая характеристика степени концентрации энергии в пространстве, обеспечиваемой антенной. КНД – число, показывающее, во сколько раз нужно увеличить мощность излучения при переходе от направленной антенны к ненаправленной при условии, что они имеют одинаковые КПД. КНД – число, показывающее, во сколько раз мощность излучения антенны, приходящееся на единицу телесного угла в данном направлении, больше мощности излучения воображаемой ненаправленной антенны, также отнесенной к единице телесного угла, при равенстве полных мощностей, излучаемых обеими антеннами.

КНД

где Р(θ,φ) – мощность излучения, приходящаяся на единицу телесного угла в направлении, определяемом углами θ и φ; Р_Σ – мощность излучения воображаемой ненаправленной антенной к единице телесного угла.

Максимальная величина КНД достигает значения нескольких единиц у слабо направленных и десятки-сотни тысяч у антенн с узкой ДН (РЛС космической связи).

Две антенны, имеющие одинаковые ДН и, следовательно, КНД при равной подводимой мощности будут создавать в одинаково расположенных относительно антенны точках приема различные направления поля в зависимости от величины потерь энергии в антенне.

Следовательно, КПД антенны (в режиме передачи) — отношение мощности радиоизлучения, создаваемого антенной, к мощности радиочастотного сигнала, подводимого к антенне.

В режиме передачи антенна потребляет от источника (например, радиопередатчика) активную мощность, часть которой преобразуется антенной в электромагнитное излучение, а часть - теряется в виде тепла и тратится на разогрев элементов конструкции антенны, окружающих предметов, грунта и др.

Входное сопротивление (импеданс) реальной антенны - величина комплексная, и активная мощность , потребляемая антенной от источника, целиком рассеивается на активной составляющей входного сопротивления. Условно в этой активной составляющей можно выделить две части, которые называют сопротивлением излучения и сопротивлением потерь :

Сопротивление излучения - коэффициент, имеющий размерность сопротивления (Ом) и связывающий квадрат амплитудного значения силы электрического тока с мощностью , излученной антенной в виде электромагнитной волны. Сопротивление потерь - коэффициент, связывающий квадрат амплитудного значения силы электрического тока с мощностью потерь . Используя эти понятия, КПД антенны удобно (наглядно) записать в виде:

Коэффициент усиления (КУ) антенны — отношение мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой ко входу рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля или такой же плотности потока мощности^[1].

КУ является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд). Для обозначения КУ используют латинскую букву G (от англ. Gain).

КУ антенны показывает, во сколько раз необходимо увеличить мощность на входе антенны (выходную мощность передатчика) при замене данной антенны идеальной ненаправленной антенной, чтобы значение плотности потока мощности излучаемого антенной электромагнитного поля в точке наблюдения не изменилось. При этом предполагается, что коэффициент полезного действия (КПД) ненаправленной антенны равен единице.

Обычно оперируют значением КУ G₀ в направлении максимального излучения антенны. При этом КУ становится мерой эффективности антенны как способности антенны концентрировать энергию электромагнитного излучения в узком луче с учетом потерь энергии в элементах конструкции антенны и объектах, расположенных в ближней зоне антенны. Таким образом, КУ однозначно связан с коэффициентом направленного действия (КНД) D и КПД η антенны: G = D · η. При определении КПД потери на отражение из-за рассогласования входного импеданса антенны с импедансом источника возбуждения обычно не учитываются, либо это специально оговаривается (КУ с учетом потерь на отражение).

Значение КУ, выраженное в разах, в направлении максимума излучения может составлять от нуля до миллионов. КУ меньше единицы характерен для антенн с низким КПД: электрически малых антенн (укороченные, малогабаритные антенны) и антенн с искусственно введенными поглощающими элементами (антенны для работы в широкой и сверхширокой полосе радиочастот; антенны, располагающиеся на предельно малой высоте от грунта и др.).

Малое значение КУ не обязательно означает, что антенна обладает низким значением КНД (то есть обладает слабо выраженными направленными свойствами). И, наоборот, антенна с высоким КНД может "плохо излучать" радиоволны.

Дата добавления: 2014-11-20; просмотров: 424; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!