И электрические параметры антенн

Связь между радиопередатчиком и радиоприемником осуществляется при помощи свободных электромагнитных волн. От радиопередатчика моду­лированные токи высокой частоты поступают в антенну, которая преобразует их энергию в энергию свободных электромагнитных волн. В задачу передающей антенны входит сосредоточение излучения свободных радиоволн преиму­щественно в одном направлении одной плоскости.

Антенна радиоприемника выполняет обратные функции. Она преобразует энергию свободных электромагнитных волн в энергию токов высокой частоты и обеспечивает выделение радиоволн, приходящих с заданных направлений. Передающая и приемная антенна обратимы, это позволяет при работе на передачу определять ее свойства в режиме приема, и наоборот. Практически этим свойством антенны широко пользуются, тем более, что неко­торые характеристики антенн удобнее и нагляднее определять в режиме пере­дачи, а некоторые — в режиме приема. Конструктивно приемная антенна может быть выполнена проще передающей, так как для нее не возни­кает вопрос об опасности перенапряжений.

Антенна характеризуется рядом общетехнических и экономических показа­телей. К ним относятся: степень сложности устройства, размеры, механическая прочность и надежность в работе, удобство в эксплуатации, стоимость. Кроме этого, имеются и специальные радиотехнические показатели, характеризующие антенну с точки зрения выполняемых ею специфических функций. Электрические характеристики антенны тесно связаны с ее конструктивными и экономическими показателями.

Предъявляемые к антеннам требования, противоречат одно другому и выходом из положения являются компромиссные решения. Так, вы­полнение требования по уменьшению стоимости, размеров, массы антенны влекут за собой уменьшение либо ее диапазонности, либо коэффициента усиления (эф­фективности), либо и того и другого одновременно. При всем многообразии си­стем и конструкций, передающих и приемных антенн, существуют общие харак­теристики и принципы, на которых основана их работа.

Приемная антенна по отношению к питающей линии (фидеру) является генератором высокочастотных колебаний, входное сопротивление которого равно входному сопротивлению этой же антенны, работающей в режиме передачи. Коэффициент полезного действия, сопротивление излучения, направленные свой­ства и т. д. антенны, работающей в режиме приема, остаются без изменения, если ее использовать в качестве передающей.

Передающая антенна по отношению к фидеру эквивалентна нагрузке, по­требляющей мощность. Часть этой мощности излучается в пространство, а часть рассеивается в виде тепла в самой антенне. Обычно антенна не поглощает всей мощности, подводимой к ней питающей линией (фидером). Часть энергии при этом отражается обратно в линию. В этом случае между линией и выводами антенны можно включить реактивный четырехполюсник (линию с параметрами, отличными от параметров фидера) и, по крайней мере, на одной частота обес­печить передачу максимальной мощности в антенну. Для этого надо знать две величины, характеризующие антенну как нагрузку на заданной частоте — актив­ное R_а и реактивное Х_асопротивления на ее выводах. Знание этих сопротив­лений позволяет правильно подобрать элементы выходного колебательного кон­тура и соединительного устройства между ним и антенной и получить надле­жащий коэффициент полезного действия (КПД) выходной цепи передатчика. Коэффициент полезного действия собственно антенны η_а равен отношению полезной мощности, за которую принимают мощность излучения Р_Σ, к полной мощности, расходуемой антенной. Последняя больше мощности излучения на величину потерь энергии в антенне. Поэтому

η_а = Р_Σ /Р_а = Р_Σ /(Р_Σ + Р_п). (1)

Излучаемую антенной мощность выражают через активное сопротивление, которое называют сопротивлением излучения R_Σ ,и ток, в частности ток на выводах антенны I_a:

Р_Σ =I²_a·R_Σ (2)

Сопротивление излучения не всегда связывают с током на выводах. Нередко сопро­тивление излучения антенны относят к току в пучности (в максимуме). Сопро­тивление излучения антенны не зависит от тока. Оно, являясь активным, не вызывает преобразования электрической энергии в тепловую, а только характе­ризует способность антенны к излучению электромагнитной энергии.

Аналогичным образом определяют и мощность потерь:

Р_п =I²_a·R_п(3)

где R_п— сопротивление потерь.

Коэффициент полезного действия антенны при этом равен:

η_а = R_Σ /(R_Σ + R_п). (4)

Выполняя свою первую функцию — преобразование энергии токов высокой частоты в энергию свободных электромагнитных волн — передающая антенна характеризуется тремя показателями: к.п.д. антенны, η_а, активным R_аи реактивным Х_асопротивлениями на выводах. Эти показатели определяют изме­нением, расчетом или комбинацией этих способов.

Вторая функция передающей антенны — надлежащее распределение в прост­ранстве энергии излучаемых электромагнитных волн. О направленных свойствах антенны судят по форме ее диаграмм направленности и некоторым численным показателям, таким как ширина диаграммы направленности, к.н.д., эффективная площадь антенны. Вопросы, связанные с направленностью антенны, необходимо учитывать при ее выборе, установке и ориентации, поэтому рассмотрим их более детально.

Под диаграммой направленности антенны понимают графическое изображение распределения уровней мощности (или поля), излучаемых антенной на одинаковом расстоянии от нее в различных направлениях какой-либо плоскости, проходящей через центр или ось антенны. Если антенну, например вибратор, поместить в точку О, окружить сферой радиуса r ивкаждой точке М на поверхности сферы измерить напряженность поля, излучаемого антенной, то в результате можно получить некоторую пространственную фигуру — характери­стику направленности антенны. В нашем примере такой фигурой является тороид, показанный на рис. 5. Положение любой точки М на сфере полностью определяется тремя координатами — радиусом сферы r = ОМ, азимутальным углом φ и зенитным углом θ (или углом места Δ = 90°— θ). В дальнейшем будем пользоваться двумя последними координатами для построения диаграмм направленности антенн.

 

 

Свободные электромагнитные волны характеризуются электрическим Е и магнитным Н векторами напряженности поля. Силовые линии электрического поля вибратора лежат в меридиональных плоскостях (плоскостях, проходящих через ось OZ), а магнитного — в экваториальных плоскостях, перпендикуляр­ных оси OZ (рис. 1). Поэтому меридиональную плоскость называют иначе Е -плоскостью, а экваториальную — Н - плоскостью (или плоскостями Е, Н).

Радиоволны — поляризованные волны. Поляризацию радиоволны определяют по ориентировке вектора напряженности электрического поля относительно нап­равления ее распространения. Наличие поляризации налагает определенные требования на ориентировку приемной антенны в пространстве. Она должна совпадать по поляризации с передающей. В противном случае прием радиоволн будет ослаблен.

Для определения характеристики направленности антенны в большинстве случаев ограничиваются снятием ее диаграмм направленности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях поляризации Е и Н. В зависимости от ориента­ции антенны относительно поверхности земли плоскость Е может быть гори­зонтальной или вертикальной.

Антенны передатчиков на телецентрах в большинстве случаев ориентированы таким образом, что плоскость Е совпадает с плоскостью горизонта. При снятии диаграммы направленности в горизонтальной плоскости изменяется азимутальный угол φ, при этом зенитный угол θ = 90^о остается постоянным. При снятии диаграммы направленности в вертикальной плоскости остается неизменным угол φ = 0°, а переменным становится угол θ. Диаграммы направленности строят в полярной или прямоугольной (декартовой) системах координат (рис.2, 3). На этих рисунках изображена диаграмма нап­равленности симметричного вибратора в плоскости Е. Диаграммы направлен­ности, выполненные в полярных координатах, отличаются большей наглядно­стью. Прямоугольная же система координат позволяет изменить масштаб по обеим осям, и добиться на графике большей четкости в областях малой интен­сивности излучения без применения, например логарифмических единиц отсчета.

На практике в основном пользуются нормированными диаграммами направ­ленности, в которых интенсивность излучения отнесена к максимальному значе­нию (рис. 4). Обычно ширина диаграммы направленности антенны определяется как угол между двумя направлениями, в которых уровень мощности излучения равен половине уровня в максимуме, иногда ширину диаграммы направлен­ности определяют как угол между двумя направлениями, соответствующими первым (относительно направления главного излучения) нулевым уровням излу­чения. При этом обязательно оговаривают уровень излучения. Диаграммы нап­равленности строят в единицах мощности и в единицах поля. Угол раскрыва (ширина диаграммы направленности) не меняется в зависимости от того, в ка­ких единицах построены графики, меняется лишь значение уровня, по которому ведете» отсчет. Для единиц мощности он равен 0,5Р_mах, а для единиц напря­женности поля — 0,707 Е_mах.

В общем случае диаграмма направленности антенны (рис. 8) имеет ряд максимумов и минимумов. Как правило, один из максимумов по уровню за­метно превышает остальные. Часть диаграммы направленности, содержащая этот максимум и заключенная в секторе углов, ограниченных направлениями двух соседних минимумов, называется основным или главным лепестком. Со­седние максимумы образуют боковые лепестки. Линию, проходящую через на­чало координат и точку максимума главного лепестка, называют направлением главного излучения. По лепесткам, лежащим в секторе углов ±(90°—180°) относительно главного направления, судят о побочном (заднем) излучении ан­тенны. На практике пользуются понятием коэффициента защитного действия антенны. Под ним понимают отношение уровня излучения в обратном направ­лении к уровню излучения в главном.

С точки зрения радиопередачи (радиоприема) далеко не безразлично, каким образом в пространстве распределяется излучаемая антенной энергия. Во мно­гих случаях желательно излучать энергию преимущественно в одну сторону, увеличивая тем самым дальность радиосвязи при прочих равных условиях. Энергия, излучаемая в другие стороны, оказывается затраченной не только бес­полезно, но подчас и вредно, поскольку она способствует увеличению взаимных помех соседним радиостанциям. Поэтому при отработке направленной антенны стараются уменьшить ее боковое и заднее излучение и сосредоточить энергию в пределах главного лепестка диаграммы направленности.

По диаграммам направленности можно получить исчерпывающие оценки направленных свойств антенны, в том числе и значение коэффициента направленного действия (КНД).

Повторим, что показателем, характеризующим антенну в целом, как с точки зрения потерь энергии при ее преобразовании, так и с точки зрения распреде­ления энергии в пространстве, является коэффициент усиления антенны. Он численно равен произведению коэффициента полезного действия (КПД) и коэффициента направленного действия (КНД) и поэтому всегда меньше послед­него. Нередко антенну сопоставляют не с изотропным излучателем, а сравнивают ее коэффициент усиления с коэффициентом усиления какой-либо другой антенны. При этом обязательно оговаривают, какая антенна принята в данном случае за эталон.

Необходимо учесть, что антенна должна выполнять отмеченные выше функ­ции не на одной частоте, а в некоторой области (полосе) частот, и выполнять их так, чтобы весь антенный тракт не вносил заметных искажений в распре­деление энергии между отдельными частотами спектра. Как и в какой степени, антенна справляется с поставленной задачей, показывает ее частотная харак­теристика. Частотная характеристика обусловлена зависимостью входных сопро­тивлений антенны и ее к.н.д. от частоты.

Рассмотренные технические показатели и характеристики антенн являются основными, но не единственными. Почти каждый класс антенн применительно к их назначению характеризуется еще рядом своих дополнительных показателей.

 

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ АНТЕНН

Диаграммы направленности

Антенные устройства вне зависимости от диапазона волн и конкретных особенностей приемно-передающей аппара­туры служат либо для излучения электромагнитной энергии в пространство (передающие антенны), либо для приема этой энергии из пространства (приемные антенны).

В радиолокационных станциях одна и та же антенна по­очередно выполняет функции передающей (посылка зонди­рующего импульса) и приемной (прием сигнала, отражен­ного от цели).

Большинство антенн, применяемых на сверхвысоких ча­стотах, — направленные т. е. обеспечивают прием или излу­чение только в пределах определенных секторов.

Способность антенн концентрировать излучаемую элек­тромагнитную энергию характеризуют специальные графики, называемые диаграммами направленности. Обычно диа­граммы направленности строят для двух плоскостей: гори­зонтальной и вертикальной.

Диаграмма направленности антенны представляет собой график зависимости напряжения сигнала на входе прием­ника от угла поворота данной антенны в соответствующей плоскости при работе этой антенны либо на передачу, либо на прием.

Следует иметь в виду, что диаграмма направленности антенны не зависит от того, применяется ли антенна в каче­стве передающей или приемной, т. е. любая антенна яв­ляется обратимой.

На рис. 5 для примера приведена диаграмма направлен­ности, построенная в полярных координатах. У этой диа­граммы направление максимального сигнала совмещено с направлением начала отсчета углов поворота антенны (θ = 0), а сам максимальный сигнал принят за единицу, т. е. в направлении радиусов векторов здесь отложена не сама величина интенсивности сигнала Е, а пропорциональ­ная ей величина Е/Е_тлх.

Рис.5. Диаграмма направленности антенны

в полярной системе координат

Из рис.5 видно, что диаграмма направленности имеет характерную лепестковообразную форму. Лепесток, соответствующий максимальному сигналу (в данном случае θ = 0), называют главным лепестком диаграммы направленности, а все последующие — боковыми лепестками. Часто боковые лепестки нумеруют по порядку в направлении от главного лепестка. Так, например, лепестки диаграммы на рис. 5, ле­жащие под углами θ₁ = 60 и 300°, называют первыми боко­выми лепестками; следующие за ними — вторыми боковыми лепестками (θ₂ = 120 и 240°) и т. д.

Как правило, величина боковых лепестков уменьшается по мере роста их номера.

Направления, в которых антенна не принимает и не излу­чает, называются нулями диаграммы направленности. По­бочные максимумы и нули диаграммы направленности всегда чередуются.

Антенны, применяемые на сверхвысоких частотах, часто обладают столь узкими диаграммами направленности, что их графическое изображение в полярной системе координат становится затруднительным. В этих случаях диаграммы строят в прямоугольной системе координат, откладывая по вертикали величину Е/Е_тлх, а по горизонтали — угол пово­рота антенны. Примером такой диаграммы может служить кривая 1на рис. 6, построенная для той же антенны, что и на рис. 5.

В описаниях различного типа аппаратуры часто вместо диаграмм направленности приводят их числовую характе­ристику, указывая углы раствора главного лепестка в вер­тикальной и горизонтальной плоскостях, местоположение боковых лепестков и их интенсивность

Под углом раствора диаграммы направ­ленности в данной плоскости принято понимать угол главного лепестка, лежащий между направлениями, в которых напряжение сигнала падает до значения Е_сигн = = 0,707 от максимальной величины Е_тах. В соответствии со сказанным угол раствора главного лепестка у диаграмм, по­казанных на рис. 1 и 2, составляет θ_о = 50°.

В некоторых случаях диаграммы направленности строят не в относительных величинах напряжения E/E_mах, а в отно­сительных величинах мощности. Так как мощность пропор­циональна квадрату напряжения, то диаграмма направлен­ности по мощности может быть получена при возведении в квадрат соответствующих величин Е/Е_тах. Такимпутем, в ча­стности, была построена кривая 2 на рис. 2, представляющая диаграмму по мощности той же самой антенны, что и кривая 1.

Измерять угол раствора главного лепестка у такой диа­граммы необходимо на уровне (Е/Е_тах)² = ( V)² = 0,5. Поэтому очень часто говорят, что угол раствора главного лепестка диаграммы направленности определяется по точкам половинного зна­чения мощности.

В дальнейшем мы будем обозначать угол раствора диа­граммы направленности в вертикальной плоскости через θ₀, а в горизонтальной плоскости через Ф₀.