Лекция 16. Основы теории приемных антенн

Эквивалентная схема приемной антенны

Основной задачей приемной антенны является преобразование электромагнитной энергии, свободно распространяющейся в про­странстве, в энергию связанных электромагнитных волн, распро­страняющихся по линии передачи в сторону приемного устрой­ства.

Приемной антенной является техническое устройство, в кото­ром электромагнитное поле, существующее в той же области про­странства, создает распределение тока, в результате чего из элек­тромагнитного поля отбирается энергия. Антенна с током в свою очередь является источником излучения, поэтому часть принятой антенной мощности обратно переизлучается в пространство.

Ток и ЭДС на входе приемной антенны определяются ее ха­рактеристиками и параметрами. Основными радиотехническими характеристиками и параметрами приемной антенны являются те же характеристики и параметры, что и для передающей антенны, за исключением излучаемой мощности и сопротивления излучения. Дополнительно вводятся параметры, характеризующие специфику работы приемной антенны. К ним относятся:

- мощность, отдаваемая в нагрузку;

- шумовая температура.

Некоторые параметры, как, например, эффективная поверх­ность антенны, коэффициент использования поверхности, являются параметрами и передающих антенн, но их удобнее рассматривать применитель­но к приемным антеннам.

Приемную антенну можно рассматри­вать как генератор электродвижущей силы (ЭДС). Следовательно, приемная антенна является источником тока. Как у любого генератора ЭДС, у антенны можно выделить внутреннее сопротивле­ние Z_i, а систему приемная антенна—нагрузка (приемник) можно представить в виде эквивалентной схе­мы (рис. 126), из которой следует, что

.

 

Рис. 126. Эквивалентная схема приемной антенны

Принцип взаимности

 

Одной из основных задач в теории приемных антенн является определение функциональной связи тока и ЭДС с ее характерис­тиками и параметрами. При определении тока и ЭДС приемной антенны известными считают ее характеристики и параметры в режиме передачи (ХН, Р_∑, R_∑,КПД, G).

Для решения поставленной задачи используется принцип вза­имности, известный изтеории линейных пассивных четырехполюс­ников [ 50 ].

Справедливость этого принципа для теории антенн была дока­зана М. П. Свешниковой в 1927г. На основе принципа взаимности М. С. Нейманом в 1935г. была разработана теория приемных ан­тенн.

Сущность принципа взаимности поясним экспериментом, для проведения которого возьмем две произвольно ориентированные антенны А₁, А₂ и пространство между ними, заполненное изотроп­ной линейной средой. Радиолиния представляется в виде пассив­ного линейного четырехполюсника (рис. 127, а). Рассмотрим два случая.

В первом случае антенна A₁— передающая, А₂ — приемная.

Под воздействием электромагнитного поля антенны А₁в при­емной антенне А₂ наводится ток I₂₁и на ее входе возбуждается ЭДС е₂ (см. рис. 127). Эквивалентная схема второй антенны при замене I_Ана I₂₁ и е на е₂ будет соответствовать схеме, изображен­ной на рис. 126.

Рис. 127. К пояснению принципа взаимности

 

Во втором случае функции, выполняемые антеннами, меняются (А₁ —приемная, А₂ — передающая). К антенне А₂ подводится ЭДС е₂. Под действием поля второй антенны А₂ в антенне А₁ наведется ток I₁₂.

Согласно принципу взаимности, амплитуды токов в приемных антеннах и ЭДС в передающих связаны между собой отношением

, (6.1)

т.е. отношение ЭДС в передающей антенне к возбужденному в приемной антенне току не изменяется при замене местами передатчика и приемника в этих антеннах.

При работе антенны А₁ на передачу в приемной антенне А₂ наводится поле Е₂₁, которое можно представить в виде

, (6.2)

или

, (6.3)

где I₁ – амплитуда тока антенны А₁, r – расстояние между антеннами, θ₁, φ₁ – направление на антенну, D_max, R_∑1, F₁(θ, φ) – соответственно КНД, сопротивление излучения, ХН антенны А₁ в режиме передачи.

Из эквивалентной схемы (рис. 127, б) следует, что

. (6.4)

Подставляя значение тока из (6.4) в выражение (6.3) и произведя решение относительно ЭДС е₁, получим:

. (6.5)

Аналогично для второго случая (А₂ – передающая, А₁ – приемная антенны) можно получить

. (6.6)

С учетом выражений (6.5 – 6.6) отношение (6.1) запишется в виде:

= . (6.7)

Перенеся в левую часть равенства (6.7) все значения, относящиеся к антенне А₁, а в правую – к А₂, получим:

. (6.8)

Напряженность электрического поля Е₁₂ зависит от параметров антенны А₂, но отношение I₁₂/E₁₂ зависит только от параметров антенны А₁.Следовательно, величины в левой и правой части ра­венства (6.8) независимы друг от друга. Это равенство возмож­но, если правые и левые части его порознь равны некоторой по­стоянной М. Поэтому для любой антенны справедливо равенство

,

откуда ток и ЭДС на выходе приемной антенны

, (6.9)

. (6.10)

Постоянную М определим, подставив в выражение (6.9) па­раметры произвольно выбранной антенны. Для простоты вычисле­ний удобнее взять параметры элементарного излучателя (диполя Герца), у которого

,

где L – длина диполя.

Подставляя в выражения (6.9) и (6.10) значения постоянной М, получим искомые выражения для тока и ЭДС:

, (6.11)

. (6.12)

Из выражений (6.11) и (6.12) видно, что ток и ЭДС на входе приемной антенны определяются ее параметрами в режиме пере­дачи.

Основные радиотехнические характеристики и параметры при­емной антенны совпадают с характеристиками и параметрами этой же антенны, работающей в режиме передачи. Однако опре­деление этих характеристик и параметров отличается от соответ­ствующего определения передающей антенны.

Из принципа взаимности следует, что

.

Коэффициентом направленного действия называется величина выигрыша мощности на нагрузке, которую имеет антенна направ­ленного по сравнению с антенной ненаправленного действия при условии, что амплитуды полей, действующих на обе антенны, оди­наковы и r = const.

Так как КНД определяется ХН, то очевидно равенство

.

Антенна является пассивным четырехполюсником, поэтому КПД при перемене направления передачи не изменяется:

,

соответственно равны и коэффициенты усиления

.

Действующей длиной (высотой) приемной антенны называет­ся длина некоторой линейной антенны, на которую необходимо умножить амплитуду электрического поля, приходящего к антенне, чтобы получить ЭДС, соответствующую направлению максималь­ного приема

.

Исходя из принципа взаимности, получаем

.

То же можно получить для фазовых, поляризационных и час­тотных характеристик, внутреннего сопротивления антенны и др. Таким образом, основные радиотехнические показатели в режиме приема и передачи полностью совпадают, т. е. одна и та же ан­тенна может выполнять функции приема и передачи без изменения характеристик и параметров. Это свойство антенн позволило к большинстве РЛС использовать одну и ту же антенну на прием и на передачу, т. е. обеспечить приемопередающий режим работы одной антенной.