Основы теории приемных антенн

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основы теории приёмных антенн

Содержание

1. Физические основы процесса приема

2. Характеристики и параметры антенны в режиме приёма

2.1 Диаграмма направленности антенны

2.2 Фазовая диаграмма направленности антенны

2.3 Коэффициент направленного действия

2.4 Поляризационная эффективность антенны

2.5 Шумовая температура антенны

3. Принцип взаимности приемных антенн

4. Связь параметров антенны в режиме передачи и приёма

5. Условия выделения максимальной мощности в нагрузке приемной антенны

антенна нагрузка шумовой мощность

1. Физические основы процесса приема

Антенны являются обязательным элементом любых радиотехнических систем, использующих для передачи информации свободное распространение электромагнитных волн.

Приемная антенна улавливает энергию свободных колебании и превращает ее в энергию волн, которая поступает по фидеру на вход приемника.

Для приемных антенн диаграмма направленности (ДН) - это зависимость тока в нагрузке антенны, т.е. в конечном счете, в приемнике, или ЭДС, наводимой на входе приемника, от направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Наличие направленных свойств у приемных антенн позволяет не только увеличивать мощность, выделяемую током в нагрузке, но и существенно ослаблять прием различного рода помех, т.е. повышает качество приема.

Основные характеристики приемных антенн, в том числе ДН, могут быть найдены, если известны аналогичные характеристики в случае, когда эти же антенны работают в передающем режиме. По этой причине нет необходимости изучать отдельно теории передающих и приемных антенн. Обычно свойства антенн изучать более просто в передающем режиме.

Использование любой передающей антенны для приема электромагнитных волн и наоборот не следует, что передающие и приемные антенны всегда идентичны по конструкции.

При изучении свойств антенн принято считать (кроме случаев, когда излучатели расположены непосредственно у поверхности Земли), что антенна находится в свободном пространстве. Другими словами антенна находится в неограниченной однородной среде без потерь с относительными диэлектрической (е_r) и магнитной (м_r) проницаемостями, равными единице. Это, в свою очередь, в точности соответствует вакууму, или приближенно - к воздушной среде.

2. Характеристики и параметры антенны в режиме приёма

Основным вопросом при изучении приемных антенн является определение мощности, выделяемой в нагрузке приемной антенны, т. е. в приемнике, под действием падающей на антенну электромагнитной волны. Для этого необходимо, прежде всего, знать ток, возникающий в нагрузке. Величина его, естественно, зависит от ориентации антенны по отношению к падающей волне. Соответственно одной из главных характеристик приемной антенны является диаграмма направленности - зависимость тока в нагрузке от направления прихода облучающей волны.

Механизм процесса приема проще всего пояснить на примере антенны, выполненной в виде симметричного электрического вибратора.

Пусть на рис.1 рассматриваемая, расположенная в точке Q, работает в режиме приема, а в точке P расположен источник радиоизлучения (какая-то передающая антенна). Амплитуда и фаза напряжения (ЭДС) или тока на входе приемной антенны, наводимого в ней падающей на антенну плоской электромагнитной волной, излучаемой из точки P дальней зоны, зависят от угловых координат точки P.

2.1 Диаграмма направленности антенны

Диаграмма направленности антенны в режиме приема - это зависимость амплитуды ЭДС или тока на входе антенны (или напряженности поля в линии передачи, подключенной к антенне) от угловых координат точки P (источника радиоизлучения).

2.2 Фазовая диаграмма направленности антенны

Фазовая диаграмма - зависимость фазы ЭДС или тока на входе антенны (или напряженности поля в линии передачи, подключенной к антенне) от угловых координат точки P (источника радиоизлучения).

2.3 Коэффициент направленного действия

Коэффициент направленного действия. Если рассматриваемая антенна ориентирована так, чтобы ее главный максимум ДН был направлен на точку P (на радиоисточник), антенна примет максимальный сигнал. Пусть при этом на входе антенны будет мощность (эдектродвижущая сила (ЭДС) на, ток на входе ). Если заменить рассматриваемую антенну на гипотетическую ненаправленную, принимаемая мощность уменьшится и станет равной (соответствующие и ).

КНД (его максимальное значение) в режиме приема равен отношению:

;

Рис. 1 Система координат, связанная с приёмной антенной

2.4 Поляризационная эффективность антенны

Пусть на приемную антенну падает плоская электромагнитная волна с некоторыми поляризационными параметрами. На входе антенны принятая мощность будет максимальной, если поляризационные параметры падающей на антенну волны и антенны в режиме передачи одинаковы. Если это условие не выполняется, принятая мощность будет меньше.

Таким образом, для приема максимально возможной мощности антенна должна быть согласована по поляризации с падающим на нее полем. Если поляризация антенны в режиме передачи и поляризация падающего на антенну поля в режиме приема ортогональна, антенна не принимает мощности.

2.5 Шумовая температура антенны

Любая антенна, помимо полезного сигнала, принимает помехи (шумы). Эти шумы обусловлены излучением космоса, атмосферы и поверхности Земли и находящихся на ней предметов, Кроме этого, за счет теплового движения свободных зарядов в элементах антенны на входе антенны образуется мощность собственных шумов антенны.

Мощность собственных шумов на входе антенны линейно связана с коэффициентом полезного действия. Чем меньше КПД антенны (т.е. чем больше концентрация свободных зарядов в материалах, из которых сделаны элементы антенны), тем больше собственная шумовая температура антенны.

Мощность внешних шумов на входе антенны оценивается эквивалентной шумовой температурой антенны . - это температура некоторого сопротивления, подключенного к линии передачи вместо приемной антенны, величина которого равно активному входному сопротивлению антенны в режиме передачи, которое отдает в линию передачи мощность, равную мощности шумов антенны. Интенсивность излучения мощности шумов пространством, окружающим антенну, характеризуется яркостной температурой , под которой понимается температура абсолютно черной сферы, расположенной в дальней зоне антенны и нагретой до температуры [21].

Эта температура зависит от углов и . В диапазоне длин волн л >100 м основной вклад в мощность внешних шумов дают грозы и индустриальные помехи, в диапазоне 1 м < л <100 м космические и земные шумы сравниваются, при л < 1 м основной вклад в шумовую температуру антенны дают космические шумы.

Следует помнить, что процесс извлечения приемной антенной мощности из падающей волны сопровождается, как уже отмечалось, излучением токов, наведенных в антенне, т.е. приемная антенна не только поглощает энергию, но и является источником вторичного излучения. Эти процессы необходимо учитывать, например, при решении проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС).

3. Принцип взаимности приемных антенн

Рассмотрим две произвольные антенны 1 и 2. Считаем, что антенны находятся в дальней зоне относительно друг друга. Поля излучения указанных антенн в передающем режиме могут иметь произвольную поляризацию. Пусть сначала антенна 1 работает в передающем режиме, антенна 2 - в приемном. К входным зажимам антенны 1 подключен генератор с ЭДС и внутренним сопротивлением , к зажимам антенны 2 присоединено сопротивление нагрузки (рис.2, а). Под действием ЭДС в антенне 1 возникает ток, величина которого на выходных точках связана с соотношением:

, (1)

где - входное сопротивление антенны 1 в передающем режиме.

Рис. 2 Размещение антенн, относительно друг друга, в дальней зоне

Электрическое поле, создаваемое антенной 1 и облучающее антенну 2 (обозначим его ) может быть в точке расположения антенны 2 представлено, как

(6.2)

где - расстояние между антеннами; , - угловое положение приемной антенны 2 в сферической системе координат связанной с антенной 1. Под действием в нагрузке приемной антенны 2 возникает ток . Хотя нас интересует именно этот ток, поступим далее следующим образом.

Сначала из (2) найдем выражение для тока и подставим его в (1). Получим:

(3)

Теперь, не меняя взаимного расположения, изменим режимы работы обеих антенн, подключив к входным зажимам антенны 2 генератор с ЭДС и внутренним сопротивлением , а к зажимам антенны 1 - сопротивление нагрузки (рис. 1, б). Ток в нагрузке антенны 1, работающей в приемном режиме, обозначим . Проводя рассуждения, аналогичные предыдущему случаю, и используя систему координат , связанную с антенной 2, получаем:

4)

Для нахождения интересующих нас токов и примем, что

, (5)

Условие (5) позволяет упростить дальнейший вывод, привлекая формулировку принципа взаимности, известную из теории электрических цепей. Сущность принципа взаимности состоит в следующем. Если к входу линейного пассивного четырехполюсника (рис. 3) подключен генератор с ЭДС , и внутренним сопротивлением , то на его выходе в сопротивлении возникает ток . Если генератор с ЭДС и внутренним сопротивлением подключен к выходным зажимам (рис. 2), то на входе четырехполюсника в сопротивлении появится ток .

Рис. 3 Отображение принципа взаимности

Согласно принципу взаимности:

(6)

Любая приемная антенна может рассматриваться как эквивалентный генератор с ЭДС и внутренним сопротивлением, равным входному сопротивлению этой же антенны в передающем режиме, возбуждающий ток в нагрузке .

4. Связь параметров антенны в режиме передачи и приёма

Диаграмма направленности. Обозначим ненормированную и нормированную ДН антенны в режиме приема символами исоответственно. По определению, ненормированная ДН:

(7)

Нормированная ДН:

(8)

Из выражения для тока и ЭДС на входе антенны [22] в режиме приёма:

, (9)

следует, что максимум тока на входе антенны соответствует максимуму функции- нормированной ДН в режиме приёма. Так как из выражения (9) следует, что:

(10)

Подставляя выражения (9 и 10) в выражение (8), получаем:

(11)

Вывод. Численные значения нормированной ДН антенны в режиме передачи и приема совпадают.

Коэффициент направленного действия. Обозначим максимальное значение КНД в режиме приема символом . По определению:

(12)

где - максимальная амплитуда тока на входе направленной антенны, соответствующая приему с направления главного максимума ДН (), - амплитуда тока на входе ненаправленной антенны,

Ненаправленная антенна имеет D = 1. При D = 1 из выражения (10) следует:

(13)

Подставляя выражения и , определяемые выражениями (10 и 13) в выражение (12) получаем:

(14)

Вывод. Численные значения КНД а режимах приема и передачи совпадают.

5. Условия выделения максимальной мощности в нагрузке приемной антенны

Пусть приемная антенна соединена с приемником, входное сопротивление которого равно. Антенна в этом случае выступает в качестве источника сигнала с внутренним сопротивлением, равным входному сопротивлению антенны в режиме передачи . Выражение (9) для амплитуды тока на входе антенны при приеме плоской волны с направления принимает вид:

(15)

Средняя за период колебаний мощность, отдаваемая антенной в нагрузку, определяется выражением:

(16)

Из выражений (6.15 и 6.16) следует:

(17)

Как известно, мощность, отдаваемая источником в нагрузку, максимальна, если внутреннее сопротивление источника и нагрузки комплексно сопряжены. Рассмотрим это условие для нашего случая. Сопротивление нагрузки, подключенной к приемной антенне:

(18)

Внутреннее сопротивление источника, равное входному сопротивлению антенны в режиме передачи:

(19)

Из выражений (18 и 19) следует условие согласования:

(20)

Помимо условий (20) для получения максимума мощности в нагрузке необходимо сориентировать приемную антенну так, чтобы ее главный максимум ДН был направлен на радиоисточник. При этом:

(21)

Подставляя выражения (6.20 и 6.21) в выражение 6.17, получая для максимальной мощности в нагрузке:

(22)

Из выражения (22):

- коэффициент полезного действия антенны,

- плотность потока мощности падающей на антенну волны. Учитывая размерность мощности (Вт) и плотности потока мощности (Вт/м²), выражение (22) можно записать следующим образом:

, (23)

где - величина, имеющая размерность площади (м ) и называемая эффективной поверхностью антенны. Величина - мощность, принимаемая антенной, Если ее умножить на КПД антенны, получим мощность на входе антенны, т.е. мощность, поступающую в нагрузку. В соответствии с выражением (22):

(24)

Из выражения (6.24) следует соотношение:

(25)

Из выражения следует, что эффективная поверхность антенны - это площадь некоторой воображаемой поверхности, расположенной перпендикулярно направлению переноса мощности падающей на антенну волны, через которую переносится мощность, равная мощности, принимаемой антенной. Как видно, эффективная поверхность антенны и КНД в направлении главного максимума ДН прямо пропорциональны.

Литература

1. Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. М.: Радио и связь, 1996. 486 с.

2. Юрцев О.А. Элементы общей теории антенн. Ч.1. В 3-х частях: Методическое пособие по курсу «Антенны и устройства СВЧ» для студентов специальности «Радиотехника». Мн.: БГУИР, 1997. 88 с.

Размещено на Allbest.ru