Параметры антенн

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

МЕЖДУНАРОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра «ВТиПОиТ»

Реферат

На тему: Параметры антенн

Подготовил:

Лентаев Е.Е.

Алматы 2014

Введение

Антенна -- устройство для излучения и приёма радиоволн. Изобретателем антенны считается Никола Тесла. Антенна является конвертером электрического тока радиочастотного диапазона в электромагнитное излучение и наоборот.

Форма, размеры и конструкция антенн разнообразны и зависят от длины излучаемых или принимаемых волн и назначения антенны.

Антенны могут изготавливаться из проводящих, или диэлектрических материалов. Излучающие структуры могут быть изготовлены путём напыления проводящих материалов на диэлектрические подложки.

Отдельным классом антенн следует выделить антенны с обработкой сигнала. В частности, одним из видов таких устройств являются антенны с виртуальной (синтезированной) апертурой, применяемые в авиационной и космической технике для задач картографирования и увеличения разрешающей способности за счёт использования когерентного накопления и обработки сигнала.

1. Параметры антенн

При рассмотрении параметров антенн, как правило, не делается различия между передающими и приемными антеннами. Однако более наглядно изучать параметры на примере антенн, работающих в передающем режиме.

Любая радиолиния включает в себя передающее и приемное устройства, неотъемлемым элементом которых являются антенны, обеспечивающие излучение и прием электромагнитных волн. Эти антенны называются соответственно передающими и приемными. Передающая антенна преобразует энергию высокочастотных колебаний токов или полей, поступающих от передатчика, в энергию излучаемых в пространство электромагнитных волн. Приемная антенна преобразует энергию электромагнитных волн, принятых из окружающего ее пространства, в энергию высокочастотных колебаний токов или полей, поступающих от антенны во входные цепи приемника. Антенны (кроме активных) обладают свойством обратимости, т.е. любая из них, в принципе, может работать как в режиме приема, так и в режиме передачи.

антенна электромагнитный радиоволна сигнал

2. Параметры и характеристики передающих антенн

Принципиальным отличием передающей антенны от других, применяемых в радиотехнической аппаратуре устройств, является создание с ее помощью электромагнитного волнового поля излучения.

Антенна по отношению к передатчику с одной стороны выполняет функцию нагрузки, поглощающей вырабатываемую им энергию. При этом, в общем случае, входное сопротивление антенны является комплексным.

С другой стороны часть потребляемой энергии излучается антенной в виде свободно распространяющихся электромагнитных волн. Принимая во внимание эти два обстоятельства, антенну следует, считать преобразователем энергии важнейшей характеристикой которого является коэффициент полезного действия (КПД).

КПД антенны называют отношение излучаемой мощности к общей мощности, подводимой к антенне:

Способность антенны излучать электромагнитные волны с различной интенсивностью в разных направлениях характеризуется ее направленными свойствами.

Создаваемое антенной в дальней зоне электромагнитное поле характеризуется амплитудой, поляризацией и фазой вектора электрической напряженности.

Для количественной оценки свойства антенны концентрировать излучение энергии ЭМВ в определенном направлении вводят понятие коэффициент направленного действия (КНД), который определяется отношением мощности излучения некоторой воображаемой ненаправленной антенны к мощности излучения данной антенны , создающих в направлении максимума излучения на одинаковом расстоянии равные напряженности поля.

КНД показывает выигрыш по мощности, который получается в направлении главного максимума излучения за счет концентрации излучения в этом направлении и ослабления в других, но при этом не учитывает возможных потерь в направленной антенне.

Для суждения о выигрыше, даваемом антенной, при учете, как ее направленного действия, так и потерь в ней, служит параметр, называемый коэффициентом усиления антенны (КУ).

Таким образом, коэффициент усиления показывает, во сколько раз нужно уменьшить (или увеличить) мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с мощностью, подводимой к идеальной ненаправленной антенне без потерь, для того чтобы получить одинаковую напряженность поля в рассматриваемом направлении.

3. Параметры и характеристики приемных антенн

Большинство рассмотренных выше параметров передающих антенн можно использовать и для характеристики антенн, используемых в качестве приемных, но при этом некоторые параметры несколько изменят свой физический смысл.

Среди параметров, характеризующих приемные антенны, важнейшим является эффективная площадь антенны "А", позволяющая оценивать способность приемной антенны извлекать энергию из поля электромагнитной волны.

Эффективной площадью антенны "А" называют отношение максимальной мощности, отдаваемой приемной антенной (без потерь) в согласованную нагрузку к величине вектора Пойнтинга "П" приходящей плоской волны:

С физической точки зрения эффективная площадь антенны представляет собой некоторую, соответствующую данной антенне, площадку (перпендикулярную направлению прихода ЭМВ) поглощающую всю энергию падающей на нее волны.

Характеристики пассивных линейных антенн, как взаимных устройств, могут быть обобщены для режимов передачи и приема. В обоих режимах такие антенны характеризуется направленными, поляризационными, фазовыми характеристиками и входным импедансом. К основным электрическим характеристикам и параметрам, описывающим эти свойства, относятся:

Рисунок 1

Пример диаграммы направленности антенны

· полоса пропускания

· диаграмма направленности (ДН)

· коэффициент направленного действия (КНД)

· коэффициент усиления антенны (КУ)

· фазовая диаграмма антенны (ФД)

· коэффициент полезного действия антенны (КПД)

· шумовая температура антенны (Т_А)

· уровень боковых лепестков антенны (УБЛ)

К основным механическим характеристикам и параметрам антенн относятся:

· вес антенн

· ветровые нагрузки

· материал изготовления

· размеры антенн

Средства защиты от внешних воздействий

· Радом

· Краска

· Противообледенительные системы

· Защита от птиц

Параметры антенн не зависят от того, работает ли антенна на прием или на передачу.

Размеры антенн с синтезированной апертурой могут быть в десятки и сотни километров.

Поляризационные параметры антенн

Антенны характеризуются ближней и дальней зонами излучения. Все параметры антенн относятся к дальней зоне излучения, где излучаемая антенной волна считается плоской волной с поперечными ортогональными составляющими электрического поля и магнитного поля.

Подполяризацией волны понимается ориентация в пространстве вектора электрического поля. В общем случае если вектор (и, соответственно, вектор ) при распространении волны остается параллельным самому себе, то поляризация поля линейна. В частном случае если вектор расположен горизонтально (параллельно земле см. рис.2б), а вектор вертикально (перпендикулярно земле), то волна является горизонтально поляризованной. В случае если векторрасположен вертикально (перпендикулярно земле см. рис.2а), а вектор горизонтально, то волна является вертикально поляризованной.

Рис.2

Если вектора и при распространении волны движутся по окружности (см. рис.2в), тополяризация волны круговая. Различают правое и левое направление вращения. При правом направлении, вращение, например, вектора для наблюдателя, смотрящего вслед волне, происходит по часовой стрелке, при левом направлении - против часовой стрелки. Полный оборот векторосуществляет при распространении на расстояние равное длине волны в свободном пространстве.

Вид поляризации электромагнитной волны, принимаемой или излучаемой антенной, определяется расположением и формой проводников антенны. Так, например, антенна в виде вертикально расположенных линейных проводников (см. рис. 3а) излучает (принимает) вертикально поляризованные волны. Соответственно антенна с горизонтально расположенными проводниками (см. рис.3б) - горизонтально поляризованные волны.

Рис. 3

Использование антенн с различной поляризацией позволяет уменьшить взаимное влияние радиотехнических систем с близкими рабочими частотами на 10..20 дБ, что в ряде случаев может явиться единственным решением проблемы электромагнитной совместимости.

Одной из основных характеристик антенн является диаграмма направленности (ДН), характеризующая зависимость амплитуды излучаемого поля от угловых координат при неизменном расстоянии от антенны до точки наблюдения.

Обычно ограничиваются построением ДН в двух взаимно перпендикулярных E и H плоскостях. Пример ДН показан на рис 4 а, б. По радиусу отложено значение амплитуды излучаемого поля нормированное к значению амплитуды в главном максимуме.

Рис. 4

ДН характеризуется следующими параметрами:

Ширина главного лепестка в Е и Н плоскостях по уровню 3 дБ (в градусах);

Максимальный уровень боковых лепестков А_бок(дБ);

Максимальный уровень заднего излучения А_зд(дБ).

Наличие задних и боковых лепестков свидетельствует о том, что антенна излучает радиоволны не только в области главного лепестка, но и в других направлениях, что может создавать помехи другим радиотехническим системам и снижает помехоустойчивость, если антенна работает на прием. Поэтому при проектировании антенн стремятся к уменьшению уровней бокового и заднего излучения.

Антенна, являясь пассивным устройством, излучает в пространство несколько меньшую мощность Р_изл, чем та, что поступает на вход антенны Р_вх. Это связано с омическими потерями в элементах конструкции антенны. Существуют понятия, коэффициент полезного действия антенны равный

И коэффициент направленного действия, характеризующий способность антенны концентрировать излученную мощность в определенном направлении.

Коэффициент направленного действия есть отношение среднего (во времени) значения плотности потока мощности, излучаемого антенной в данном направлении, (характеризуемом углами сферической системы координат), к плотности потока мощности изотропной антенны. При этом считается, что излучаемые мощности равны и точка наблюдения находится на одинаковом расстоянии от антенн.

Максимальная подводимая мощность

Этот параметр относится только к приемопередающим или передающим антеннам и определяет величину максимальной мощности Р_макс, которую можно подвести к антенне не нарушая ее электрической прочности. Для систем связи Р_макс обычно не превышает 100 Вт.

Физические характеристики антенн

а) Ветровые нагрузки и вибрации. Антенны устанавливаются на мачтовых сооружениях, крышах домов, где ветровые нагрузки достигают максимальных значений. Поэтому конструкция антенны и ее элементы крепления должны быть рассчитаны на скорость ветра до 160 км/час. Кроме того, конструкция антенны должна выдерживать вибрационные нагрузки до 5g (g=9,81 м/сек²).

б) Окружающая температура при которой антенна должна сохранять свою работоспособность должна лежать в пределах от -40 С до +50 С.

в) Антенна должна быть работоспособной (при частичном ухудшении параметров) при влажности до 95% и обледенении. После прекращении действия указанных факторов паспортные характеристики антенны должны восстанавливаться.

г) Габаритные размеры с учетом элементов крепления и масса могут накладывать определенные требования к местам и способам монтажа антенн.

Электромагнитное излучение, создаваемое антенной, обладает свойствами направленности иполяризации. Антенна как двухполюсник обладает входным сопротивлением (импедансом). Лишь часть энергии источника антенна преобразует в электромагнитную волну, остальная расходуется в виде тепловых потерь. Для количественной оценки перечисленных и ряда других свойств антенна описывается набором электрических характеристик и параметров, в частности:

Пример диаграммы направленности антенны и параметры: ширина ДН, КНД, УБЛ, коэффициент подавления обратного излучения

Ряд характеристик антенн как взаимных устройств (пассивных линейных многополюсников) в режиме передачи и в режиме приема совпадает, в том числе: ДН (КНД, КУ, УБЛ), входной импеданс. Например, ДН антенны в режиме приема и в режиме передачи совпадают.

К конструктивным характеристикам и параметрам антенн относятся, в частности:

· масса, координаты центра масс, момент инерции

· габаритные размеры, максимальный радиус разворота

· парусность (ветровая нагрузка)

· объект установки, способ крепления

· примененные материалы

Заключение

В этой работе мы постарались рассмотреть параметры и характеристику антенн. Узнали о том, что любая радиолиния включает в себя передающее и приемное устройства, неотъемлемым элементом которых являются антенны, обеспечивающие излучение и прием электромагнитных волн. Все параметры антенн относятся к дальней зоне излучения, где излучаемая антенной волна считается плоской волной с поперечными ортогональными составляющими электрического поля и магнитного поля.

Список литературы

· Пистолькорс А.А. Антенны. -- М.: Связьиздат, 1947.-- 478 с.

· Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны.-- М.: Советское радио, 1969. -- 432 с.

· Антенны и устройства СВЧ /Под ред. Д.И. Воскресенского. -- М.: Радио и связь, 1981. -- 432 с.

· Бова Н.Т., Резников Г.Б. Антенны и устройства СВЧ. -- Киев: Вища школа, 1982. -- 272 с.

Размещено на Allbest.ru