Приёмные антенны и их параметры. Лекция № 7. АФУ
Похожие презентации:
Влияния состава и размера зерна аустенита на температуру фазового превращения и физико-механические свойства сплавов
Газовая хроматография
Геофизические исследования скважин
Искусственные алмазы
Трансформаторы тока и напряжения
Транзисторы
Воздушные и кабельные линии электропередач
Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса
Магнитные аномалии
Нанотехнологии
Антенно-фидерные устройства и
распространение радиоволн
ОСНОВЫ ТЕОРИИ АНТЕНН
ЛЕКЦИЯ № 7
Приёмные антенны и
их параметры
7. Приемные антенны и их радиотехнические
параметры
7.1. Общие вопросы приема
электромагнитных волн.
Процесс приёма заключается в преобразовании
радиоволн, пришедших к приёмной антенне, в
направленную электромагнитную волну, воздействующую
на входное устройство приёмника:
Поместим в поле электромагнитной волны
металлическое тело. В каждой точке на поверхности
металлического тела должно выполняться граничное
условие: E = 0.
Результирующее поле можно рассматривать как
результат суперпозиции первичного поля и вторичного
поля,
излучённого
поверхностными
токами,
протекающими по поверхности металлического тела:
E = E ’ + E ‘’ = 0
Вторичное поле распространяется во все
стороны от тела т. е. происходит процесс переизлучения
энергии. Если к рассматриваемому телу подключить
волновод, то наведённые токи возбудят колебания в
нём. Энергия вторичных токов расходуется на создание
вторичного поля и на создание в фидерной линии
Способ отбора энергии в приёмник зависит от
диапазона волн и назначения антенны. Различают: 1)
электрический способ, т. е. фидер включён в разрыв
антенны; 2) магнитный способ, когда применяется
рамка; 3) электромагнитный, когда подключаются
волноводы.
Эквивалентная схема приёмной антенны:
Ra
Xa
I
Rпр
Xпр
Рис. 7.2
Для цепи, подключаемой к приёмной
антенне, антенна является генератором с ЭДС и
внутренним комплексным сопротивлением:
Za=Ra+Xa,
Хa — характеризует реактивное поле стоячих
волн,
Ra
переизлучаемую
мощность
и
мощность
потерь
в
короткозамкнутой антенне,
— определяется напряженностью поля
приходящей волны, поляризацией волны и
конструкцией приёмной антенны.
Приёмник
сопротивлением:
характеризуется
комплексным
Zпр = Rпр+ Хпр
Комплексной амплитудой тока :
I = / (Za + Zпр)
(7.1)
7.2. Основные параметры приемной антенны
1) Внутреннее сопротивление.
2) ДН приёмной антенны по напряжению — зависимость
амплитуды ЭДС на клеммах антенны от направления
прихода плоской электромагнитной волны.
3) КНД приёмной антенны характеризует направленные
свойства антенны и определяется в сравнении с
4) КПД приёмной антенны — отношение мощности,
отдаваемой антенной в нагрузку к мощности, которую
бы отдавала антенна в случае без потерь.
5)
Коэффициент
усиления
приёмной
антенны
определяется также как и КНД, но с учётом потерь
энергии в антенне.
6) Действующая длина определяется, как коэффициент,
имеющий размерность длины и связывающий между
собой амплитуду напряжения электрического поля
приходящей волны и ЭДС на клеммах антенны.
7) Эффективная площадь приёмной антенны коэффициент, имеющий размерность площади и
приходящей волны и мощности, выделяемой в
согласованной нагрузке.
Мощность в приёмнике:
Pпр( , )=ПAэ( , )
(7.2)
Aэ( , ) — эффективная площадь антенны.
Pпр( , )=PпроF2( , )
Aэ( , )=Aэ max F2( , ) (7.3)
Pпро=ПАэ max
2
Аэ max=Рпро/П=240 Pпро/E
Эффективная
площадь
определяется
направления максимального приёма.
для
Для апертурных антенн вводится коэффициент
использования
поверхности
равный
отношению
эффективной площади к геометрической площади
раскрыва:
V = AЭ/S
8) Рабочий диапазон частот определяется как полоса
частот, в которой все параметры антенны не выходят
из заданных пределов.
9) Эффективная шумовая температура антенны — при
приёме слабых сигналов диапазона СВЧ по аналогии с
источниками теплового шума.
7.3. Принцип взаимности и его применение
для расчета параметров приемных антенн
Он
применим
для
среды,
обладающей
линейчатыми свойствами, при этом сторонние
источники ЭДС должны быть исключены из
рассматриваемой области. Рассмотрим две произвольно
направленные в пространстве антенны 1 и 2. Будем
считать известными параметры этих антенн в режиме
передачи: входные сопротивления, ДН, действующие
длины, КПД, КНД.
1) Включим антенну 1 на передачу, для чего подключим
напряжённость которого у антенны 2 есть E21, во 2-ой
антенне в результате будет протекать ток I21.
Z2
Z1
1
E21
I1
I21
Рис. 7.3
2) Включим теперь антенну 2 на передачу. В цепи
антенны 1 возникает ток I12.
Z1
Z2
E12
I12
I2
2
Рис. 7.4
Для
двух
рассмотренных
промежуточной
линейной
среды
принцип взаимности:
1
I 21
2
I12
антенн
и
выполняется
(7.4)
В цепи 1-ой антенны выполняется закон Ома:
I1
Z1 Z A1
Антенна 1 в режиме передачи
напряжённость электрического поля:
30kld I1
E21 i
*
r
F1 ( , ) exp( ikr )
создаёт
(7.5)
r — расстояние между антеннами; и — углы,
определяющие
направление
к
антенне
2,
относительно оси антенны 1.
Определив ток из формулы 7.5 и подставив его
в предыдущую формулу получим:
E21 ( Z1 Z A1 )
1 i
*
30kld 1 F1 ( , )
r
* exp( ikr )
(7.6)
Включив антенну 2 на передачу получим:
E12 ( Z 2 Z A 2 )
2 i
*
30kld 2 F2 ( , )
(7.7)
r
* exp( ikr )
Подставим полученные значения ЭДС в равенство
принципа взаимности и соберём слева все величины,
результате имеем:
I12 ( Z1 Z A1 )
E12ld 1 F1 ( , )
I 21 ( Z 2 Z A 2 )
=
E21ld 2 F1 ( , )
(7. 8)
Выражение в левой части не зависит ни от одной
величины из правой. Параметры антенны 1 не зависят
от параметров антенны 2. Т. о. слева и справа стоят
независимые величины, это даёт основания заключить,
что каждая из них равна одной и той же постоянной N:
I np ( Z Z A )
Eld F ( , )
N
(7.9)
где Е — напряженность поля в режиме приема; Iпр- ток в
цепи антенны в режиме приема; Z — сопротивление
сопротивление антенны в режиме передачи;lд, F( , ),
действующая длина и КНД определяются в режиме
передачи.
I пр
NElд F ( , )
ZA Z
(7.9)
Из эквивалентной схемы следует, что
числитель соотношения 7.9 представляет собой ЭДС
генератора:
= NElдF( , )
(7.10)
ZA- внутренне сопротивление приемной антенны;
Z — сопротивление приемника, подключенного к
клеммам антенны.
Т. к. выражение 7.10 справедливо для любой
антенны, определим N для диполя Герца. Пусть линейно
поляризованная электромагнитная волна с амплитудой
напряжённости электрического поля E падает углом на
диполь
Герца,
лежащий в плоскости
поляризованной
ЭДС,
наведённая
на
1элементарном участке
пропорциональна
проекции
напряжённости
электрического поля
на ось диполя.
d = E Sin dl
(7.11)
E
l
Рис. 7.5
Полная ЭДС:
= El1Sin
(7.12)
Для диполя Герца:
lд = l1, F( , ) = Sin .
= ElдF( , )
(7.13)
Сравним формулы 7.10 и 7.13 — получается, что
N = 1.
Т. о. действующая длина антенны в режиме
приёма равна действующей длине в режиме передачи,
а ДН в режиме приёма совпадает с ДН в режиме
передачи.
English Русский Правила
Простейшие самодельные приемные антенны
Простейшие самодельные приемные антенны можно изготовить из подручных средств и деталей.
Приемная антенна служит для приема электромагнитных волн, излучаемых передающего радиостанцией, и для подачи переменного напряжения принятого сигнала на вход приемника.
Устройство такой антенны хорошо известно радиолюбителям. Массовыми типами приемных антенн являются: Г-образная (рис. 1,я) и Т-образная (рис. 1,6) однолучевые антенны, простой вертикальный или наклонный провод (рис. 1,в), иногда с «метелочкой» на вершине (рис. 1,г), а также различные наружные рамки и всевозможные упрощенные комнатные антенны.
Рис. 1. Различные типы приемных антенн.
Рассматривая антенну как радиотехническое устройство, следует помнить, что любой провод не только обладает активным сопротивлением, но и способен накапливать электрические заряды и индуктивность в самом себе — э. д. с. при всяких изменениях тока, т. е. провод обладает электрической емкостью и индуктивностью. Следовательно, любая антенна представляет собой колебательную цепь.
Этот своеобразный колебательный контур в силу того, что его собственная емкость и индуктивность равномерно распределены по всей длине провода, имеет свои физические особенности, заключающиеся в том, что при возникновении в антенне колебательного процесса ток и напряжение распределяются в проводе неравномерно, т. е. в каждой точке провода значения этих величин различны.
Если, например, в вертикальной антенне, работающей с заземлением, возникает колебательный процесс, то наибольший ток будет в той точке провода антенны, которая ближе к заземлению, т. е. в точке подключения антенны к приемнику.
В следующих, вышележащих, точках провода ток будет постепенно уменьшаться и у самой вершины, т. е. у конца антенны, он спадет до нуля (рис. 2). Напряжение в такой антенне распределяется в обратном порядке.
Наибольшая величина его относительно земли оказывается у верхнего конца провода, а наименьшая — в точке подключения его к приемнику.
Точки провода, в которых наблюдаются максимальные значения тока или напряжения, называются соответственно пучностями тока и пучностями напряжения, а те точки, где ток и напряжения равны нулю, называются узлами тока и узлами напряжения.
Как и всякая другая колебательная цепь, приемная антенна характеризуется величинами собственной емкости Са и собственной индуктивности La, которые зависят от геометрических размеров и формы антенны.
Так, например, каждый метр однопроводной антенны, удаленной от других проводников, обладает собственной емкостью 5 пф и собственной индуктивностью около 1—2 мкгн.
Простейшие любительские приемные антенны имеют обычно емкость около 200—250 пф, индуктивность около 20 мкгн и активное сопротивление около 25 ом.
Кроме того, антенна характеризуется еще одним очень важным параметром, который называется действующей или эффективной высотой.
Действующей или эффективной высотой данной антенны называют высоту условной вертикальной антенны, которая излучает (если рассматривать антенну как передающую) такую же мощность, как и реальная антенна, но имеет ток по всей длине одинаковый и равный значению тока в пучности реальной антенны.
Высота такой воображаемой антенны, как видно из рис. 3, всегда будет меньше геометрической высоты реальной антенны. Действующая высота — понятие условное, принятое для облегчения расчетов антенн.
Рис. 2. Распределение тока и напряжения в вертикальной антенне.
Рис. 3. Геометрическая и действующая высоты антенны.
У различных приемных антенн действующая высота зависит от формы антенны и условий ее работы. Для Г-образных и Т-образных антенн она составляет около 0,7—0,8 их геометрической высоты.
В большинстве случаев действующая высота обычных любительских антенн, применяющихся для радиовещательных приемников, составляет от 1,5 до 4 м.
Ознакомившись в общих чертах с физическими особенностями антенны, рассмотрим теперь антенную цепь в приемнике. Типичная антенная цепь показана на рис. 4.
Она состоит из самой антенны, обладающей собственной емкостью Са, индуктивностью LА, активным сопротивлением RA, н дополнительной катушки индуктивности L, которая связывает антенну с входным контуром приемника. Кроме того, в антенную цепь входит заземление или противовес.
Рис. 4. Антенная цепь приемника.
Электромагнитные волны, излучаемые передающей радиостанцией, при переселении провода приемной антенны возбуждают в нем переменную э. д. с. Частота и характер изменений этой э. д. с. в точности соответствуют частоте и характеру всех изменений электромагнитного поля.
Величина э. д. с., возникающей в антенне, очень мала и измеряется микровольтами или — в лучшем случае — милливольтами. Значение ее зависит от мощности и удаленности передающей радиостанции, от условий и особенностей распространения радиоволн и от действующей высоты приемной антенны.
В современных радиовещательных приемниках антенную цепь не настраивают. Дело в том, что ламповые приемники имеют два-три контура (а иногда и более), настраивающихся одной ручкой.
Этой же общей ручкой должна была бы одновременно настраиваться и антенная цепь. Но осуществить это очень трудно, ибо емкость разных антенн различна и вообще непостоянна: она может произвольно изменяться под действием внешних причин (при качании антенны, при изменении влажности воздуха и т. п.).
Поэтому точно учесть емкость антенны нельзя и обеспечить неизменную настройку антенной цепи для любого участка диапазона практически невозможно.
На этой странице мы представим один из самых фундаментальных и важных параметров антенны: эффективность антенны. Эффективность антенныЭффективность антенны представляет собой отношение мощности, подаваемой на антенну относительно мощности, излучаемой антенной. Высокоэффективная антенна имеет большая часть мощности, присутствующей на входе антенны, излучается. Антенна с низкой эффективностью большая часть мощности поглощается в виде потерь внутри антенны или отражается из-за несоответствия импеданса. [Примечание: Импеданс антенны обсуждается в следующем разделе. Импеданс Несоответствие — это просто мощность, отраженная от антенны, потому что ее импеданс не соответствует радио, к которому он подключен. ] Одним из приятных свойств антенн является то, что эффективность одинакова, независимо от того, используем ли мы антенну. в качестве передающей или приемной антенны. Следовательно, мы можем определить эффективность антенны как отношение «потенциальная сила, полученная со всех возможных сторон», но это сложнее. Просто помни эффективность передающей и приемной антенны одинакова, и поскольку легче понять эффективность с точки зрения излучаемой мощности по сравнению с подаваемой мощностью, мы просто будем использовать это определение. Это свойство антенн называется взаимность антенн. Эффективность антенны (или эффективность излучения) можно записать как отношение излучаемой мощности к входной мощности антенны:
Будучи отношением, эффективность антенны представляет собой число от 0 до 1. Однако эффективность антенны обычно указывается в процентах; например, эффективность 0,5 соответствует 50%. Эффективность антенны также часто цитируется в децибелы (дБ); эффективность 0,1 составляет 10% или (-10 дБ), а эффективность 0,5 или 50% составляет -3 дБ. Уравнение [1] иногда называют эффективностью излучения антенны. Это отличает это от другого иногда используемого термина, называемого «общая эффективность антенны». Общая эффективность антенны — это эффективность излучения, умноженная на потери рассогласования импеданса антенны, когда подключен к линии передачи или приемнику (радио или передатчику). Это можно резюмировать в уравнении [2], где это антенна общая эффективность, это антенна потери из-за несоответствия импеданса и является эффективность излучения антенны.
Из уравнения [2], поскольку всегда число от 0 до 1, общая эффективность антенны всегда меньше, чем эффективность излучения антенны. Сказал по-другому, эффективность излучения такая же, как и общая эффективность антенны, если бы не было потерь из-за Несоответствие импеданса. На практике, если не указано иное, эффективность антенны обычно относится к общей эффективности (включая потери на рассогласование). Почему эффективность антенны не равна 100% (или 0 дБ)? Потери эффективности антенны обычно возникают из-за: Примеры диэлектриков включают стекло, пластик, тефлон и резину. Сильный Электрические поля возле антенны теряют энергию на тепло из-за проводимости диэлектрика. Если электропроводность равна нулю, диэлектрические потери внутри материала равны нулю. Однако многие материалы (например, силикон и стекло) имеют низкую проводимость, но все же достаточную для значительного снижения эффективности антенны. Эффективность является одним из важнейших параметров антенны. Он может быть очень близок к 100% (или 0 дБ) для параболические антенны, рупорные антенны, или полуволновые диполи без материалов с потерями вокруг них. Антенны для мобильных телефонов, или Wi-Fi-антенны в бытовой электронике обычно имеют эффективность от 20% до 70% (от -7 до -1,5 дБ). Автомобильные радиоантенны могут иметь эффективность антенны -20 дБ (эффективность 1%) на радиочастотах AM; это потому что антенны намного меньше половины длины волны на рабочей частоте, что значительно снижает эффективность антенны. Радиосвязь поддерживается, потому что башня AM вещания использует очень высокую мощность передачи. Улучшение потери рассогласования импеданса обсуждается в Диаграммы Смита и согласование импеданса раздел. Согласование импеданса может значительно улучшить эффективность антенны. Наконец, примечание о дБ и процентах. В промышленности очень часто указывается КПД антенны. в процентах. Однако есть две веские причины, по которым эффективность антенны следует измерять в децибелах (дБ): {1} все, что связано с радиочастотным миром, измеряется в дБ: мощность передачи дБ, изоляция в дБ, десенс в дБ, радио чувствительность в дБ. Отсюда следует, что эффективность антенны должна быть в дБ. {2} Если производится замена антенны, и кто-то говорит «насколько изменился КПД» и ответ такой «5%», это двусмысленно. Увеличение с 1% до 6% является огромным изменением (7,8 дБ), в то время как увеличение от 85% до 90% мало (0,24 дБ). Следовательно, я почти всегда измеряю эффективность антенны в дБ и призываю всех остальных делать это. Следующая тема: Усиление антенны Основные сведения об антенне Учебное пособие по антенне (для дома) Эта страница об эффективности антенны защищена авторским правом. Никакая часть не может быть воспроизведена без разрешения автора. Авторское право антенна-теория.com, 2009-2016. |
приемник — Как можно использовать малоэффективную антенну для приема, но не для передачи?
спросил
Изменено 5 лет, 1 месяц назад
Просмотрено 2к раз
\$\начало группы\$Согласно теореме взаимности, если антенна имеет низкую эффективность при передаче, она имеет такую же эффективность при приеме.
В литературе обычно говорится, что не следует использовать малоэффективную антенну для передачи, так как это приведет к потере большого количества энергии.
Однако я часто читал, что если только для приема сигналов, то можно использовать малоэффективную антенну. Почему? В таком случае вы тратите впустую столько же энергии, сколько потратили бы впустую, используя ту же антенну для передачи!
Кроме того, при использовании низкоэффективной антенны в качестве приемника отношение сигнал/шум будет меньше, чем при использовании высокоэффективной антенны.
Тот факт, что вы принимаете мощность, переданную кем-то другим (т. е. которую кто-то другой потратил на ее передачу), не должно быть достаточно веской причиной для использования малоэффективной антенны для ее приема.
- антенна
- приемник
- эффективность
- передача
Теорема взаимности касается коэффициента усиления антенны. Допустим, у нас есть антенна с КПД 50%, поэтому потери на 3 дБ больше, чем у идеальной антенны.
При использовании для приема он теряет половину принимаемой мощности, поэтому уменьшите отношение сигнал/шум из-за шума на входе приемника на 3 дБ. Не идеально, но и не критично, это просто означает уменьшение радиуса действия по сравнению с идеальной антенной в тихой обстановке.
Если мы используем его в загруженной среде мобильной радиосвязи, и есть много других пользователей, создающих помехи на том же и соседних каналах, тогда он также ослабляет эти сигналы, поэтому система выполняет так же хорошо, как , когда используя идеальную антенну.
Теперь рассмотрим его для передачи. Он потеряет половину мощности, которую мы вложили в него. Если мы хотим излучать 100 мВт (для мобильного телефона) или 100 кВт (для телевизионного передатчика), нам потребуется наш усилитель мощности РЧ для генерации 200 мВт (что даст нам половину времени разговора на той же батарее) или 200 кВт (будет вы покупаете усилитель мощностью 200 кВт, когда вам действительно нужно только 100 кВт, не говоря уже о дополнительных 200 кВт мощности сети для его работы).
Хотя усиление антенны обратное, то, как вы его используете, определенно не так.
\$\конечная группа\$ 1 \$\начало группы\$Есть более широкая картина для рассмотрения…
По теореме взаимности, если антенна имеет низкую эффективность в при передаче он имеет такую же эффективность при приеме.
Просто чтобы быть абсолютно ясным: у вас может быть очень хорошая и достаточно эффективная приемная «антенна», которая делает очень плохую передающую антенну. Теория взаимности не всегда дает более широкую картину. 93}\$.
По сравнению с обычной антенной типа диполя — она будет создавать поля E и H, которые рассеиваются с величиной \$\frac{1}{d}\$.
Рассмотрим также четвертьволновый монополь (просто в качестве примера). Многие из них намного короче, чем \$\lambda/4\$, но могут очень эффективно работать в качестве приемной антенны, потому что выходное сопротивление, которое они представляют для радиоприемника, является очень емкостным: —
At \$\lambda/ 4\$ в длину, его сопротивление составляет около 37 Ом, оно не является ни емкостным, ни индуктивным. Это традиционная причина использования четвертьволнового монополя. Однако по мере уменьшения длины или требуемой рабочей частоты монополь становится все более емкостным, а резистивная часть стремится к нулю.
Это нормально для радиоприемника, работающего на определенном диапазоне — он может использовать катушку индуктивности для создания хорошего входного полосового фильтра, и его не волнует низкое сопротивление.
Однако это сопротивление важно для передатчика — оно представляет собой сопротивление среды передачи (модифицированное антенной с 377 Ом свободного пространства до 37 Ом электрического). Этот резистор — это то, на что вы хотите направить мощность вашего усилителя мощности, и, если антенна «короткая», вы быстро боретесь за то, чтобы подать мощность на резистор 1 Ом, сталкиваясь с потерями антенны (также около 1 Ом). Таким образом, вы немедленно теряете передаваемую мощность.
\$\конечная группа\$ \$\начало группы\$На ВЧ рассуждение выглядит следующим образом:
Прием, как правило, ограничивается шумом неба, то есть собственный шум приемника обычно ни в каком смысле не является ограничивающим фактором. Если вы сделаете приемник тише, все, что произойдет, это то, что вы услышите больше шума неба, поэтому эффективность приемной антенны гораздо больше зависит от отношения F / B (чтобы вы могли обнулить помехи), чем от чувствительности. Другой слон в этой комнате (и тот, на который вы довольно часто охотно меняете чувствительность) — это работа с сильными соседними перевозчиками.
Однако при передаче каждый дополнительный дБ излучаемой мощности делает сигнал на приемнике намного выше шума неба, так что вам действительно нужна хорошая эффективность. Ситуация НЕ обратная, потому что шум, ограничивающий производительность, добавляется после передающих, но перед приемными антеннами.
На УКВ и выше, где шум неба представляет гораздо меньшую проблему, а преобладает собственный шум приемника, ситуация иная, поскольку здесь у вас есть существенная взаимность, и лучшие антенны на обоих концах имеют примерно одинаковое значение. Для работы с очень слабым сигналом вы иногда предпочитаете более низкую шумовую температуру вместо максимального усиления, но это очень похоже на связь со слабым сигналом в пространстве.
Обратите внимание, что коэффициент усиления антенны НЕ является единственным показателем качества. Иногда соотношение F/B, или шумовая температура, или размер, или полоса пропускания, или что-то еще имеют большее значение.
\$\конечная группа\$ \$\начало группы\$Зачем использовать антенну с низкой эффективностью? Размер. Я уверен, что опытный разработчик антенн мог бы повысить эффективность приемной антенны мобильного телефона, прикрепив к ней параболическую антенну шириной в метр, но это делает ее значительно менее полезной. В то время как базовая станция не имеет таких ограничений и поэтому может использовать антенны большего размера.
Направленность также имеет большое значение, когда речь идет об эффективности антенны; параболические тарелки очень эффективны, но только в одном направлении.
\$\конечная группа\$ 1Зарегистрируйтесь или войдите в систему
Зарегистрируйтесь с помощью Google Зарегистрироваться через Facebook Зарегистрируйтесь, используя адрес электронной почты и парольОпубликовать как гость
Электронная почтаОбязательно, но не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почтаТребуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания и подтверждаете, что прочитали и поняли нашу политику конфиденциальности и кодекс поведения.