Коэффициент усиления антенны. Основные электрические параметры антенн

Эффективная площадь антенны представляет собой площадь эквивалентной плоской антенны с равномерным амплитудно-фазовым распределением и максимальным коэффициентом направленного действия (КНД), равным КНД рассматриваемой антенны. С этой площади антенна, направленная на источник сигнала, поглощает энергию падающего электромагнитного излучения. Для удобства объяснения рассмотрим эффективную площадь приемной антенны. Поглощенная антенной мощность P определяется как

P = P d A

Здесь P d -плотность потока мощности (удельная мощность на единицу поверхности) падающей электромагнитной энергии и A - площадь раскрыва (геометрическая площадь) антенны. Коэффициент усиления антенны G прямо пропорционален геометрической площади антенны A . Его можно увеличить путем фокусирования излучения только в одном направлении с одновременным уменьшением излучения во всех остальных направлениях. Поэтому чем ýже ширина пучка, тем выше коэффициент усиления антенны. Соотношение между коэффициентом усиления антенны и ее площадью выражается формулой, в которую также входит КПД антенны:

Здесь λ - длина волны и η - КПД антенны, который всегда меньше единицы:

Здесь A e - эффективная площадь (апертура) антенны, которая определяется как физическая площадь антенны, умноженная на КПД антенны. Если КПД антенны равен 1 (или 100%), это означает, что вся энергия, подаваемая передатчиком в передающую антенну излучается в пространство. Если же это приемная антенна, то при единичном КПД вся энергия, принимаемая антенной, попадает в приемник. Однако на практике часть энергии всегда теряется в форме тепловой энергии, которая расходуется на разогрев элементов конструкции антенны и фидера.

Заменяя произведение площади на КПД Aη на эффективную площадь A e , получаем:

Эта формула и используется в данном калькуляторе. Из нее видно, что для заданной эффективной площади антенны ее коэффициент усиления возрастает с квадратом длины волны или при постоянной длине волны коэффициент усиления антенны прямо пропорционален ее эффективной площади. Отметим, что для апертурных антенн, таких как рупорные или параболические, эффективная площадь связана с геометрической площадью и всегда меньше этой площади. Однако, для проволочных антенн (например, симметричных и несимметричных вибраторов, антенн типа «волновой канал»), эффективная площадь обычно значительно (иногда в десятки раз) больше физической площади антенны.

Коэффициент усиления (КУ) антенны по мощности G , называемый обычно просто коэффициентом усиления, представляет собой отношение мощности излучения направленной антенны к мощности, излучаемой идеальной ненаправленной антенной, причем ко входам обеих антенн подводится одинаковая мощность. Коэффициент усиления - величина безразмерная, но чаще она выражается в децибелах (дБ, отношение по мощности) или изотропных децибелах (дБи, dBi, также отношение по мощности). Изотропный децибел характеризует коэффициент усиления антенны по сравнению с идеальной изотропной антенной, равномерно излучающей энергию во всех направлениях.

Например, определим эффективную площадь российского телескопа РТ-70, который находится в Крыму неподалеку от Евпатории.

Коэффициент усиления антенны G = 69,5 дБи или 9 000 000.

Диаметр антенны d = 70 м.

Рабочая частота f = 5,0 ГГц (6 см).

Геометрическая площадь антенны A = πD² /4 = π70² /4 = 3848 м². В то же время, ее эффективная площадь равна

Как мы видим, эффективная площадь составляет только 67% от геометрической площади антенны.

Теперь рассчитаем эффективную площадь 5-элементной антенны типа «волновой канал» (также называемой по именам японских изобретателей антенна Яги-Уда, антенна Уда-Яги или просто антенна Яги), работающей на частоте 500 МГц и имеющей коэффициент усиления 40 дБи, который соответствует безразмерному коэффициенту усиления 10 . Длина активного элемента несколько меньше половины длины волны 0,5λ = 30 см, где λ = 60 см - длина волны.

Диаметр круга площадью 0,28 кв. м определяется как

То есть, для активного элемента длиной около 0.5λ = 30 см мы получаем круг диаметром 60 см (точнее, эллипс).

Данный справочник собран из разных источников. Но на его создание подтолкнула небольшая книжка "Массовой радиобиблиотеки" изданная в 1964 году, как перевод книги О. Кронегера в ГДР в 1961 году. Не смотря на такую ее древность, она является моей настольной книгой (наряду с несколькими другими справочниками). Думаю время над такими книгами не властно, потому что основы физики, электро и радиотехники (электроники) незыблемы и вечны.

Основные параметры передающих антенн

Сопротивление излучения связывает излучаемую антенной мощность с током, питающим антенну

R Σ = P Σ / I a

Здесь Р Σ мощность, излучаемая антенной, вт; Rиз-сопротивление излучения, ом; Ia - эффективное значение тока, а. Величина R Σ зависит от чипа антенны, ее размеров (по отношению к длине волны) и точки подключения питающего фидера. В общем случае сопротивление излучения имеет комплексный характер, т. е., кроме активной составляющей, имеет и реактивную Хиз. Полное активное сопротивление антенны R A складывается из сопротивления излучения R Σ и сопротивления потерь Rn

R A = R Σ + R п

Коэффициент полезного действия (к. п. д.) η антенны Отношение излучаемой мощности к подводимой

η = R Σ / (R Σ + R п)

К. п. д. большинства типов настроенных передающих антенн близок к единице.

Диаграмма направленности антенны Зависимость напряженности поля в удаленной Точке от направления. Обычно диаграмма направленности снимается в двух плоскостях - горизонтальной и вертикальной. Для оценки направленности антенны в какой-либо плоскости пользуются понятием ширины диаграммы направленности, понимая под этим ширину основного лепестка, отсчитанную по уровню 0,7 напряженности поля (или по уровню 0,5 мощности). Коэффициент направленного действия (КНД) антенны D - число, показывающее во сколько раз нужно увеличить мощность передатчика, чтобы в точке, лежащей на заданном удалении по направлению максимального излучения, получить такую же напряженность поля с помощью ненаправленной антенны. КНД однозначно определяется пространственной диаграммой направленности антенны. Если известна ширина диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях, то КНД находят по следующей приближенной формуле:

D = 41253 / Ф 0 θ 0

где: Ф 0 -направленность антенны в горизонтальной плоскости, ° θо - направленность антенны в вертикальной плоскости, °. Коэффициент усиления антенны по мощности G представляет собой произведение КНД и к. п. д. и полностью характеризует выигрыш по мощности, который дает антенна по сравнению с ненаправленным идеальным излучателем (не имеющим потерь) -

Частотная характеристика антенны и полоса пропускаемых частот характеризуют способность антенны работать в диапазоне частот. Частотной характеристикой называют зависимость тока, питающего антенну, от частоты, а полосой пропускания - область частот, где ток не падает ниже уровня 0,7 от своего максимального значения.

Параметры приемных антенн

Действующая высота hд Величина, на которую нужно умножить напряженность электрического поля в точке приема, чтобы получить э. д. с., развиваемую антенной. hд зависит от типа антенны и ее относительных размеров (по отношению к длине волны). Физически hд равна высоте воображаемой антенны, обладающей одинаковой с реальной антенной способностью принимать радиоволны, но в которой ток по всей длине имеет постоянное значение, равное току в пучности реальной антенны I Ап (рис.1). Понятием «действующая высота» удобно пользоваться при расчете одновибраторных антенн длиной не более λ/4 . Эффективная площадь антенны Аэфф определяет ту часть площади фронта плоской волны, с которой снимает энергию антенна. Понятие эффективная площадь используется при расчете многовибраторных и других сложных антенн (это понятие может быть применено и к одновибраторной антенне).

Рис1. Действующая высота антенны.

Эффективная площадь антенны и КНД связаны следующей зависимостью:

D = 4π A эфф / λ 2

Где: А эфф и λ2 измеряются в одинаковых единицах, например,- м 2 . Мощность сигнала на входе приемника, согласованного с антенной, равна;

P A = (E 2 o A эфф) / 120 π

где: Е 0 -напряженность поля,в/м; А эфф -эффективная площадь антенны, м 2 ; Р A -мощность в антенне, вт. Диаграмма направленности Зависимость э.д. с. антенны от направления прихода волны. Ширина диаграммы направленности-угол, внутри которого э. д. с. антенны не падает ниже уровня 0,7 от своего максимального значения. Коэффициент полезного действия η A Отношение мощности, снимаемой с антенны, к мощности, получаемой антенной от электромагнитной волны. Коэффициент направленного действия (КНД) антенны D Число, показывающее, во сколько раз мощность, снимаемая с антенны, превышает мощность, которую можно было бы получить в данном случае с помощью ненаправленной антенны, имеющей такой же к. п. д. Величина КНД полностью определяется пространственной диаграммой направленности антенны. Коэффициент усиления антенны по мощности G Число, показывающее, во сколько раз мощность, снимаемая с антенны, превышает мощность, которая могла бы быть снята в этих же ^условиях с ненаправленной антенны без потерь. Как и для передающей антенны,

G = η Av D

Входное сопротивление антенны Z A Сопротивление антенны на рабочей частоте в точках подключения. В общем случае Z A (так же, как и сопротивление излучения передающей антенны) имеет как активную, так и реактивную составляющие. Частотная характеристика антенны Зависимость входного сопротивления антенны от частоты. Для антенн существует принцип взаимности, согласно которому одна и та же антенна при работе на передачу и прием обладает одинаковыми характеристиками (КНД, к. п. д., диаграмма направленности и т. д.). При этом предполагается, что сохраняется способ подключения к антенне.

Вибраторные антенны

Основные данные простых вибраторных антенн приведены в табл. IX.1. Антенна типа «волновой канал» состоит из активного вибратора, рефлектора и нескольких директоров. Обладает большой направленностью вдоль оси (по направлению от активного вибратора к директорам).

Рис. 2 Антенна типа "Волновой канал"

Рекомендуемые размеры вибраторов и расстояний между ними приведены на рис. 2. Окончательная подгонка размеров производится экспериментально. Для уменьшения габаритов можно исключить два передних директора. Увеличение количества директоров свыше тоех малоэффективно. Коэффициент направленного действия антенны «волновой канал» определяется по приближенной формуле

где n - число директоров.

Рамочные антенны

Рамочная антенна (рис. IX.3) представляет собой плоскую катушку произвольного поперечного сечения. Обычно общая длина провода рамочной антенны мала по сравнению с длиной волны

Здесь: n - количество витков рамки; l w - длина одного витка. В этом случае диаграмма направленности не зависит от формы сечения рамки н имеет вид, показанный на рис. 4.

Рис. 4. Диаграмма направленности рамочной антенны.

При работе на прием э. д. с., наводимая на рамке, равна:

e = (n S / λ) 2π cos φE

где: е - э. д. с., наводимая по рамке, в; S - площадь рамки, м 2 ; λ - длина волны, м; Е - напряженность поля, в/м; φ- угол между направлением приема и плоскостью рамки, °, n - число витков.

Сопротивление излучения рамочной антенны: R Σ =31200 (nS/λ 2) 2 ом

Обычно R Σ очень мало, а поэтому к. п. д. системы низок. Рамочная антенна, как правило, применяется только для приема.

Приемные ферритовые антенны

Ферритовые антенны широко применяются в малогабаритных радиоприемных устройствах ДВ и СВ диапазонов, а также находят применение в диапазонах KB и УКВ. Ферритовая антенна состоит из ферритового стержня, на котором размещена антенная катушка, выполняющая роль индуктивной ветви входного контура. По принципу действия фердитовая антенна является магнитной, аналогично рамочной антенне. Эффективность ферритовой антенны ДВ и СВ диапазонов сравнима со штырем длиной 1-2 м. Ферритовая антенна обладает направленностью, соответствующей рамочной антенне (см. рис.4). Расчет и конструирование ферритовой антенны . Выбор марки феррита производится в соответствии с диапазоном частот:

ДВ μ = 1000-2000; СВ μ = 600-1000; KB μ = 100-400; УКВ μ = 10-50.

Провод - одножильный или литцендрат (на СВ). Тип намотки - обычно однорядная сплошная (виток к витку). Следует стремиться к максимальной добротности антенной катушки, поскольку это определяет эффективность ферритовой антенны. Напряжение на входном контуре

Здесь: е - э. д. с., наведенная в антенне; Q - добротность антенного контура, Согласование антенны со входом первого каскада приемника обычно осуществляется частичным включением антенного контура при ламповом входе и катушкой связи при транзисторном входе. Индуктивная связь является более гибкой, поскольку, перемещая катушку связи, можно менять связь в широких пределах. Правильный выбор связи играет особо важную роль в транзисторных приемниках ввиду низкого входного сопротивления транзисторных каскадов. Для повышения чувствительности транзисторного приемника (за счет более эффективного использования ферритовой антенны) антенну подключают через эмиттерный повторитель, обладающий высоким входным сопротивлением. Расчет ферритовой антенны (рис. 6) состоит в определении количества витков антенной катушки. Требуемую индуктивность антенной катушки находят по формуле:

Lк = 2,53 10 4 / f 2 max C min мкгн

где: f max - максимальная частота диапазона, Мгц; Сп - минимальная емкость контура, пф.

Рис. 6. Ферритовая антенна. 1-ферритовый стержень, 2-Антенная катушка, 3-катушка связи, х-смещение центра катушки относительно центра сердечника.

Для наиболее простой односекционной антенной катушки со сплошной намоткой количество витков:

ω = (L к /L"d к μ к) 1/2

Коэффициент формы L" зависит от отношения длины катушки к ее диаметру (рис.7). Коэффициент μ к определяют как произведение четырех эмпирических коэффициентов

μ к = μ с m L p L q L

m L - зависит от соотношения длин катушки и сердечника и определяется по графику, приведенному на рис. 8; р L - зависит от положения катушки на стержне и определяется по графику, приведенному на рис. 9; q L - представляет собой отношение квадратов диаметров ферритового стержня и катушки: q L = d 2 / d 2 к ; μ с - действующая магнитная проницаемость ферритового стержня, зависящая от начальной магнитной проницаемости феррита μ н и размеров стержня (рис. 10).

Для определения коэффициентов т L , р L и L" необходимо задаться прежде всего длиной катушки, которая определяется произведением диаметра провода на неизвестное количесиво витков. Поэтому расчет производится путем последовательных приближений.

Основные формулы описывающие параметры вибраторных антенн

Тип антенны	Распределение тока в антенне	Коэффициент направленного действия	Формулы для определения
			действующей высоты	сопротивление излучения, ом	напряженности поля* в направлении главного максимума излучения на расстоянии r**,мв/м
Короткий симметричный вибратор (l<λ/2 ) с емкостями на концах		1,5	h д = 1	R Σ = 80π 2 (l/λ) 2	E=6,7 × P 1/2 /r
Короткий незаземленный штырь (l<λ/4 ) с емкостью на конце		3	h д = 1	R Σ = 160π 2 (l/λ)	E=9,5 × P 1/2 /r
Короткий симметричный вибратор (l<λ/2 ) без емкостей		0,375	hд =0,5l	R Σ = 20π 2 (l/λ) 2	E=3,35 × P 1/2 /r
Короткий заземленный штырь (l<λ/4 ) без емкости на конце		0,75	hд =0,5l	R Σ = 10π 2 (l/λ) 2	E=4,75 × P 1/2 /r
Полуволновый симметричный вибратор		1,64	hд= λ/π	73,2	E=7 × P 1/2 /r
Четверть-волновый заземленный штырь		3,28	hд= λ/2π	36,6	E=10 × P 1/2 /r
Полуволновый петлевой вибратор		1,64	hд= 2λ/π	293	E=7 × P 1/2 /r
P - излучаемая мощность, Вт; ** r - расстояние от антенны до измерителя напряженности поля

F (θ , ϕ ) = 1 . С уче-

редачи без изменения характеристик и параметров. Это позволяет использовать в импульсных РЛС одну и ту же антенну на передачу и прием.

Дополнительно вводятся параметры, характеризующие специфику работы антенн на прием. К ним относятся:

мощность, отдаваемая в нагрузку; поляризационная эффективность; шумовая температура; эффективная площадь антенны;

коэффициент использования площади.

Последние два параметра относятся и к передающим антеннам, но их удобнее рассматривать применительно к приемным.

1.2.3. Мощность, отдаваемая антенной в нагрузку

Мощность, отдаваемая антенной в нагрузку (т.е. приемнику) на основании эквивалентной схемы (см. рис. 1.10) выражается равенством:

Подставляя в (1.26) значения ЭДСе из формулы(1.20), получим:

Максимальная мощность выделяется в нагрузке, если обеспечивается полное согласование входного сопротивления антенны с сопротивлением нагрузки (X H = − X вх ; R H = R вх ) и совмещение максимума ДНА с направле-

нием на источник излучения. При этом Z вх + Z H = 2 R вх , том этих условий из выражения(1.9) получим:

Учитывая, что R Σ R вх = η A - КПД антенны, окончательно находим:

Как видно из (1.28), чем выше направленные свойства антенны, тем большую мощность она извлекает из поля.

1.2.4. Эффективная площадь антенны

В выражении (1.28) первый сомножитель представляет собой плотность потока мощности в точке приема, так какП = E 2 240π , а произведе-

Под эффективной площадью антенны следует понимать такую условную площадку, которая, будучи помещена вместо реальной антенны в ту же точку пространства нормально к направлению падающей волны и не имея потерь, создает на входе приемника такую же мощность, что и согласованная с ним антенна.

Эффективная площадь антенны меньше ее геометрической площади S г . Отличия геометрической и эффективной площадей антенны объясняются тем, что в реальной антенне часть падающей на нее мощности переизлучается и рассеивается, т.е. полезно используется не вся перехваченная у поля мощность, а только ее часть, хотя и бόльшая. Условная идеальная площадка не имеет потерь, поэтому ее площадь может быть меньше для создания такой же мощности на входе приемника. Формула(1.30) является одной из важнейших в теории антенн. Она связывает эффективную площадь антенны с ее КНД и пригодна для любой антенны.

1.2.5. Коэффициент использования площади антенны

Коэффициент использования площади антенны (КИП) является показателем эффективности использования площади реальной антенны, численно

и изменяется в пределах 0 ≤ ξ A ≤ 1 .

Из соотношений (1.29) и(1.31) можно получить практические формулы для расчета коэффициента усиления и КНД:

Коэффициент поляризационной эффективности. Мощность, выделяе-

мая в нагрузке приемной антенны, зависит также от согласования поляризационных параметров принимаемой волны и приемной антенны.

Для оценки эффективности приема сигналов различной поляризации вводится коэффициент поляризационной эффективности К пэ . Он равен отношению мощности, выделяемой в нагрузке приемной антенны, к мощности, которая выделялась бы в нагрузке при условии полного согласования поляризационных параметров источника и приемной антенны.

Полное согласование поляризационных параметров обеспечивается,

К пэ изменяется в пределах от 0 до 1. Управляя поляризацией антенны, можно получать максимум полезного сигнала и (или) минимум помехи.

Шумовая температура приемной антенны. В антенне и волноводном тракте возникают внутренние шумы, вызванные тепловым движением электронов. К ним добавляются внешние шумы, принятые антенной из пространства. Они обусловлены грозовыми разрядами, индустриальными помехами, радиоизлучением Солнца, а также тепловым радиоизлучением земной поверхности и атмосферы.

Суммарную мощность шумов антенно-волноводного тракта в полосе пропускания приемника F можно оценить по формуле:

где Т АВ – шумовая температура, связанная с внутренними шумами;Т АИ – шумовая температура антенны, определяемая внешними источниками.

Шумовая температура Т АВ оказывается довольно просто связанной с

где Т 0 =288 К – стандартная температура среды.

Согласно выражению (1.38), увеличение КПД антенно-волноводного тракта снижает шумовую температуруТ АВ . При этомТ АВ ≤ Т 0 .

Шумовая температура Т АИ зависит от пространственного распределения источников внешних помех и направленных свойств антенны. В метровом диапазоне волн антенны имеют широкую ДН, и в результатеТ АВ <<Т АИ . При этомТ А ≥ 50…100 К.

В сантиметровом и дециметровом диапазонах в силу остронаправленности антенн Т А =5…20 К. В этих диапазонах необходимо максимизировать КПД. Приη A = 0,9...0,95 , согласно(1.38), имеемТ АВ =30…15 К, что сравнимо сТ АИ .

ЛЕНИНГРАДСКАЯ ВОЕННАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ КРАСНОЗНАМЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени А. Ф. МОЖАЙСКОГО

Ленинград-1972

Учебное пособие предназначено для слушателей факультета № 3 и должно способствовать повышению эффективности изучения курса антенно-фидерных устройств. Оно может быть полезным также слушателям факультетов № 6 и 7 при изучении ими аналогичного курса.

В основу пособия положены лекции, которые читались в течение ряда лет доцентом А. Г. Кисловым.

Введение, заключение и темы 1-7, 9-11 и 13-15 подготовлены к печати А. Г. Кисловым и Н. Ф. Соколовым, тема 8 - В. И. Невзоровым, тема 12-А. Г. Кисловым, тема 16- авторами совместно.

ВВЕДЕНИЕ

В состав радиотехнической установки, предназначенной для и«лучения или приема радиоволн, входит антенна.

На рис 1. показана простейшая структурная схема прохождении радиосигнала от передатчика до приемника. Модулированные высокочастотные колебания, возбуждаемые передатчиком, через фидер поступают в передающую антенну, которая излучает их в форме электромагнитных волн в окружающее пространство. Некоторая незначительная доля энергии этих волн достигает места расположения приемной радиостанции. Под воздействием электромагнитных волн в приемной антенне возбуждаются токи высокой частоты, энергия

которых используется для воздействия на радиоприемник. Таким образом, передающую антенну можно определить как устройство, предназначенное для излучения электромагнитных волн, а приемную - как устройство, служащее для приема электромагнитных волн с целью использования информации, переносимой этими волнами.

Требования, предъявляемые к антенне, зависят от назначения радиостанции. Так, в случае радиовещательной станции, обслуживающей определенный район, или при циркулярных передачах в поисковой практике передающая антенна, как правило, должна создавать равномерное излучение во все стороны, т.е. быть ненаправленной в горизонтальной плоскости. Антенна же радиолокационной станции предназначена для концентрации излучения в узком секторе, т.е. должна обладать острой направленностью. К приемной антенне часто также предъявляется требование направленного действия, т.е. требование более эффективного приема волн, приходящих с определенных направлений. Пространственная избирательность приемной антенны, наряду с частотной избирательностью и применением специальных фильтров в радиоприемнике, является действенным средством борьбы с внешними естественными и искусственными помехами. Таким образом, наряду с требованиями эффективного излучения или приема радиоволн к антенне предъявляется требование распределения в пространстве потока мощности излучаемых волн определенным образом.

Прежде чем приступить к детальному изучению антенно-фидерных устройств, целесообразно ознакомиться в общих чертах с некоторыми простейшими типами антенн.

На рис.2 показан симметричный вибратор, называемый иногда диполем. Эта антенна весьма широко используется в диапазоне коротких и ультракоротких волн самостоятельно и как элемент, входящий в состав более сложных антенн.

На рис.3 изображена рупорная антенна, характерная для диапазона сверхвысоких частот. Она питается при помощи отрезка волновода, поле в котором возбуждается вертикальным штырьком. Открытый конец волновода сам по себе также может служить источником интенсивного излучения электромагнитных волн. Применение рупора на конце волновода делает

излучение более направленным. Максимум излучения обычно получается в

направлении, перпендикулярном плоскости раскрыва рупора. Помимо концентрации излучаемых волн, рупор создает также плавный переход от волновода к свободному пространству, т.е. обеспечивает лучшее согласование.

На рис.4 изображена также типичная для диапазона сверхвысоких частот зеркальная антенна. Она состоит из металлического параболического отражателя и облучателя. Последний в данном примере содержит вибратор с контррефлектором. Вибратор питается коаксиальным фидером через переходное симметрирующее устройство. Облучатель, фазовый центр которого помещается в фокусе параболоида, возбуждает на внутренней поверхности отражателя токи, а в плоскости раскрыва - синфазное электромагнитное поле. Этот раскрыв (апертуру) антенны можно рассматривать как источник излучения волн с максимумом, ориентированным вдоль оси параболоида. Степень концентрации излучения такой антенны зависит главным образом от соотношения между диаметром раскрыва зеркала и длиной волны. На сантиметровых волнах для питания антенны вместо коаксиальных фидеров применяются волноводы, а роль облучателя выполняет какая-нибудь слабонаправленная антенна (например, небольшой рупор).