Site Loader

Содержание

ПРИЕМНАЯ АНТЕННА — ЭТО “ЧЕРНАЯ ДЫРА”?

(«Мистика» коротких антенн продолжается…)

В.Т.Поляков

Февраль-март 2003 г.

Постановка задачи. Когда автор, вовсе не преследуя далеко идущих целей, а просто ради курьеза и для души занялся детекторными приемниками, которые скоро стали громкоговорящими, он и предположить не мог, какие новые “открытия” ждали его на этом пути. Кавычки здесь поставлены потому, что очень хорошо разбирающийся в теории и практике антенн специалист с полным правом может сказать, что ничего нового не открыто, тем не менее то, о чем пойдет речь, трудно назвать общеизвестным.

Попытка посчитать мощность, которую можно извлечь из эфира с помощью короткой (по сравнению с длиной волны) антенны, привела к выводу формулы
P0 = E2l2/6400,

где E — напряженность поля у антенны, l — длина волны, на которую антенна настроена. Формула пригодна для антенны без потерь, размещенной над идеально проводящей землей и отдающую всю принятую мощность в нагрузку (приемник) [1].

Из формулы следует, что в радиусе 100 км от 500-киловаттной ДВ радиостанции теоретически можно извлекать из эфира ватты (!) мощности, а уж милливатты, нужные для громкоговорящего приема — в радиусе тысячи километров!

Публикация прошла после немалой полемики, и решающим был довод автора: если малая передающая антенна без потерь излучает всю подводимую мощность (а куда же ей еще деться?), то по теореме взаимности и приемная антенна должна развивать на нагрузке указываемую формулой мощность, причем независимо от размеров антенны. Этот довод и был дан в комментарии от редакции.

Однако реальные, построенные в любительских условиях приемные ДВ антенны имеют КПД не выше долей, или в лучшем случае единиц процентов, и отдают мощность, на два-три порядка меньше теоретической, что иногда, впрочем, тоже немало.

Что надо сделать, чтобы улучшить ситуацию? Вопрос важен для всех, занимающихся радиоприемом и связью на ДВ. Рекомендации известны: увеличивать размеры антенны и снижать потери в проводах, окружающих предметах и заземлении. В результате придем к конструкции приемной антенны, вполне сравнимой с передающей (стометровые мачты, толстые провода и закопанные в землю сотни килограммов меди для хорошего заземления). Нет сомнения, что теоретически предсказанная мощность будет извлечена из эфира, но какой ценой!

Для поиска приемлемых решений придется досконально разбираться в физике работы антенн. Итак, идеальная малая антенна без потерь может извлекать из эфира значительную мощность, но как она это делает? Вопрос открыт.

Парадокс. Известно, что приходящее к антенне электромагнитное поле несет энергию, причем плотность ее потока (вектор Умова—Пойнтинга)

П = E.H = E2/120p = E2/377,

где 120p = 377 Ом — волновое сопротивление свободного пространства. Чтобы извлечь из приходящего поля мощность Р, антенна должна обладать некоторой эффективной поверхностью Sэфф, тогда
P = П.Sэфф

 = Е2Sэфф/377.

Поверхность Sэфф легко найти, приравняв два приведенных выражения для мощности: E2 l2/6400 = Е2Sэфф/377. Отсюда получаем:
Sэфф » 0,06 l2 » 0,5(l/3)2.

Выходит, что маленькая антенна без потерь обладает внушительной эффективной поверхностью, намного превосходящей ее реальную поверхность, примерно l/4 ´l/4. На ДВ она может составить примерно полкилометра на полкилометра! В то же время для проволочных антенн о “площади” тонкого провода говорить вообще не приходится. Этот парадокс просто необходимо как-то объяснить. Посмотрим сначала, что сделано в других областях радиофизики и смежных наук применительно к нашему вопросу.

Экскурсия в радиофизику. В случае СВЧ антенн, для которых справедливы приближения геометрической оптики, дело обстоит просто. Представим себе рупор, направленный в сторону передатчика (рис. 1). Мощность Р, попадающая в раскрыв рупора площадью S, и равная П.S, собирается в волноводную (или другого типа) фидерную линию и направляется в нагрузку (приемник) R. Если рупор хорошо спроектирован (т. е. искажения поля в раскрыве пренебрежимо малы), а линия хорошо согласована, то в этой системе отражений не будет, и вся мощность Р поглотится приемником. Sэфф такого рупора равна геометрической площади его раскрыва S.

Интересно, если передатчиком послужит радиолокационная станция, увидит ли она наш согласованный рупор, направленный на нее? Ответ очевиден — радар улавливает лишь отраженные сигналы, а отражений-то в нашей системе и нет. На экране радара рупор будет выглядеть черным пятном, поскольку поглощает все падающее на него излучение.

В ИК технике широко пользуются понятием абсолютно черного тела (АЧТ), не отражающего падающую на него энергию. Выполняют его в виде полой сферы, покрытой изнутри поглощающим материалом (хороша даже печная сажа). Излучение, многократно переотражаясь стенками сферы, и каждый раз ослабевая, поглощается практически полностью (рис. 2).

В астрономии есть гипотеза о существовании во вселенной “черных дыр”, не отражающих и не излучающих из-за очень сильного гравитационного поля (поэтому и увидеть их нельзя). Вычисляют даже радиус некоторого объема (сферы Шварцшильда), при попадании в который ни вещество, ни излучение обратно выйти уже не могут.

Бог с ним, с веществом, нам бы разобраться с излучением. Может ли приемная антенна излучать? Если стенки АЧТ (рис. 2) сделать не черными, а зеркальными, то энергия поглощаться не будет, и после нескольких переотражений внутри сферы ИК излучение выйдет обратно. Чтобы создать мощное отражение в том направлении, откуда приходит излучение, помещают три плоских зеркала под углом строго 90о друг к другу (рис. 3). Уголковые отражатели широко применяются и на СВЧ, в радиолокации, и на более коротких ИК волнах, и на еще более коротких волнах в оптике.

Вернемся к рис. 1. Малейшее отражение в фидере или нагрузке приведет к тому, что часть мощности отразится и будет переизлучена приемной антенной обратно в эфир. Теперь радар увидит приемную антенну. А если перегородить волновод отражающей заслонкой О (замкнуть или оборвать кабель)? Коэффициент отражения станет равным единице, и вся принятая мощность излучится обратно, с учетом коэффициента направленного действия рупора. “Черная дыра” на экране радара превратится в яркую точку.

По этому принципу тоже выполняют некоторые радиолокационные отражатели-маяки, но в отличие от уголковых, они отражают туда, куда направлен рупор. Более того, если модулировать отраженное излучение, например, полупроводниковым диодом, можно организовать линию радиосвязи без передатчика на передающей стороне. Вывод из сказанного ясен —

приемная антенна должна быть согласованной.

Однако, в рассмотренных случаях размеры антенн велики по сравнению с длиной волны. Заметим также, что все перечисленные устройства широкополосны. Нет ли в физике случаев, когда эффективно работают именно малые антенны? Оказывается есть, и сколько угодно. Начнем с самых коротких электромагнитных волн — гамма лучей.

Известен эффект Мессбауэра, или ядерный гамма-резонанс, при котором ядра атомов излучают или поглощают кванты лишь строго определенных энергий, а следовательно и частот (энергия e связана с частотой f формулой Планка: e = hf, h — константа). Заметим, что длина волны гамма излучения намного больше размеров ядра.

При описании ядерных реакций, вызванных бомбардировкой ядер частицами, вводят понятие эффективного поперечного сечения реакции s (с размерностью в барнах, 1 барн =  10 -28 м2), характеризующее эффективность захвата частиц ядрами. Графики зависимости s от энергии частиц e нередко удивительно напоминают резонансные кривые колебательного контура, посмотрите картинки в любом учебнике, а взаимодействие так и называют — резонансным. Сравните sи Sэфф

. Фактически, это одно и то же!

Двинемся в сторону длинных волн — в оптическом и ИК диапазонах сплошь и рядом резонансное поглощение, резонансное излучение. Лазер дает монохроматическое (одночастотное, с узким спектром) излучение только потому, что использует резонансные переходы атомов с одного энергетического уровня на другой: hf = e1 – e2. Но размеры атомов примерно на четыре порядка меньше длины волны. Ситуация показана на рис. 4, но чтобы масштаб был правильным, размеры кружочка-атома надо уменьшить еще в тысячи раз.

На сантиметровых и миллиметровых волнах связи и локации очень мешает поглощение в атмосфере, поэтому выбирают “окна прозрачности” вдали от резонансных спектральных линий поглощения водяного пара (1,35 см или 22 ГГц), кислорода (около 6 мм или 50 ГГц) и т. д. Но размеры молекул составляют несколько ангстрем (1 А = 10

-10 м), здесь они уже на 7 порядков меньше длины волны! Тем не менее эти маленькие молекулы — “антенны” эффективно взаимодействуют с проходящей волной, поглощая ее, т. е. делают то же самое, чего и мы хотим от нашей приемной ДВ антенны. Излучение и поглощение сугубо резонансное, причем спектральные линии очень узкие, что говорит о высокой добротности атомных резонансных систем, не зря же их используют в эталонах частоты. Лишь при поглощении в атмосфере линии поглощения уширяются из-за теплового движения молекул.

Итак, второй вывод: малая

антенна должна быть резонансной.

Вернемся к нашим антеннам. Эка, вывел! — скажет читатель. А мы что делаем? Даже в детекторном приемнике мы настраиваем антенну в резонанс с помощью колебательного контура (с которым она сильно связана) и затем подбираем связь с детектором, согласуя его входное сопротивление с пересчитанным в контур сопротивлением антенны. Что же, пока наши выводы только подтвердили то, к чему давно уже пришли практически.

Но каков должен быть резонанс антенны? Тупой при сильной ее нагрузке, или наоборот, острый? Мера резонансных свойств антенны — ее добротность, которую проще всего определить по полосе пропускания антенны вместе с ее согласующей цепью (контуром):
Q= f0/2Df,

где f0 — резонансная частота, Df — расстройка, при которой напряжение сигнала, снимаемого с антенны, падает до 0,7, а мощность до 0,5 от значений, полученных при резонансе.

В [2] была показана высокая эффективность коротких антенн при приеме, в случае, когда собственные потери антенной цепи малы или скомпенсированы положительной обратной связью (регенерацией). Добротность при этом получается высокой, напряжение на антенне большим, а собственное поле антенны оказывается значительно сильнее внешнего. В ряде практических экспериментов даже без регенерации были получены напряжения на антенне до 100 В при напряженности падающего поля 0,1…0,2 В/м.

Затем было установлено, что малые электрические и магнитные антенны одинаково эффективны при одинаковых объемах их ближних полей, хотя и согласовываются с генератором или нагрузкой совершенно по-разному [3].

Наконец, было выяснено, при каких условиях малая антенна может быть эффективной. Оказалось, что добротность антенного контура Q должна возрастать обратно пропорционально объему, занимаемому ближним полем антенны, или кубу ее линейных размеров.

Была выведена формула, связывающая объем ближнего поля V и добротность Q эффективной (т. е. имеющей КПД, близкий к 100%) малой антенны в свободном пространстве [4]:
Q0 = l3/26V.

Добротность была взята как отношение реактивного сопротивления антенны к удвоенному сопротивлению излучения, удвоенному потому, что либо антенна нагружена на входное сопротивление приемника, равное сопротивлению излучения по условиям согласования, либо питается от передатчика с таким же выходным сопротивлением.

Перепишем последнюю формулу несколько по-другому, чуть-чуть округлив коэффициент (ведь наши формулы носят приближенный, оценочный характер):
VQ = (l/3)3.

Еще учтем, что объем поля рассматриваемой здесь заземленной антенны вдвое меньше (поле сосредоточено только в верхнем полупространстве):

VQ = 0,5(l/3)3.

По обе стороны знака равенства теперь стоят объемы — слева объем поля идеальной заземленной антенны, увеличенный в Q раз из-за ее резонансных свойств. Ему уместно дать название резонансный объем поля антенны
VQ = Vp.

Справа стоит объем, связанный с длиной волны. Назовем его
V0 = 0,5(l/3)3.

Это тот объем, из которого антенна должна черпать энергию, чтобы удовлетворять самой первой формуле нашей статьи, выведенной в [1].

Но почему мы теперь говорим об объемах, а не об эффективной поглощающей поверхности? Автора привели к этому сами математические выводы, и когда они были сделаны, оказалось, что и с физической точки зрения гораздо лучше говорить об объемах, ведь малая антенна отбирает энергию волн со всех сторон, а ее ближнее поле имеет конфигурацию, близкую к несколько вытянутой вверх полусфере (кстати, эта форма не имеет ничего общего с диаграммой направленности).

Легко можно показать, что объемная плотность энергии приходящего к антенне электромагнитного поля (e0E2) и плотность потока его энергии (E2/120p) пропорциональны друг другу (связаны через постоянный коэффициент, равный скорости света c = 1/Öm0e0), а принимаемая антенной мощность как раз и пропорциональна Е2.

Теперь у нас обрисовалась следующая физическая картина (рис. 5): если антенна не мала, и объем ее ближнего поля V равен V0, то она может иметь единичную добротность и быть широкополосной. Например, антенна может представлять собой вертикальный провод с емкостной нагрузкой, как на рис. 5, или конус, направленный вершиной к земле. Но тогда и размеры антенны велики. Если же мы значительно уменьшили размеры антенны, и V также уменьшился, то мы должны увеличить добротность настолько, чтобы резонансный объем поля достигал V0. Вот и получается, что добротность идеальной антенны обратно пропорциональна объему.


Посмотрим теперь, что будет, если антенна не идеальна, т. е. если она имеет, кроме сопротивления излучения, еще и некоторое сопротивление потерь, не связанное с отдачей мощности в приемник. Добротность антенны, естественно, уменьшится, и, соответственно, сократится ее резонансный объем VQ. Добротность и КПД уменьшаются пропорционально друг другу, поэтому КПД оказывается равным:
h = Vp/V0.

Эта замечательная и предельно простая формула (кстати, никогда ранее не встречавшаяся автору) имеет очень простой и ясный физический смысл: если резонансный объем поля антенны не достигает необходимого для отбора теоретически возможной мощности (V0), то КПД антенны уменьшается, и принятая мощность становится равной:
Р = Р0.h.

Ближнее поле. Поговорим теперь подробнее о свойствах ближнего поля антенны. Во-первых, оно квазистатическое, т. е. его можно рассчитывать (для рассматриваемой электрической антенны) методами электростатики. Например, если вертикальная антенна имеет верхнюю емкостную нагрузку (диск, зонтик, система горизонтальных проводов), то ее ближнее поле подобно полю заряженного конденсатора, образованного нагрузкой и землей. Во-вторых, это поле реактивное, т. е. не расходует энергию ни на излучение, ни на потери, а как бы запасает ее. Действительно, по другому определению добротность — это отношение запасенной энергии к энергии, расходуемой за период колебаний (на излучение при передаче и в нагрузке при приеме).

Разумеется, ближнее поле не имеет резких границ, показанных на рис. 5, оно спадает плавно при удалении от антенны. Установив закон изменения поля в разных направлениях от антенны, можно найти его эффективный объем (придется вычислять тройные интегралы в сферических координатах, но для математиков это не составляет особой трудности). В курсах электростатики доказано, что поле диполя (а у нас половинка диполя) спадает по закону 1/r3 (рис. 6). Это весьма примечательно, и позволяет сделать еще один важный вывод.

Возьмем полноразмерную ненагруженную антенну с объемом ближнего поля V0 и Q = 1 (рис. 7,а). Приходящая волна наведет в антенне ЭДС, равную E.hд, и таким же будет напряжение сигнала на верхней емкостной «шляпе» антенны. Собственное поле антенны найдем, разделив напряжение на высоту hд. Его напряженность составит Е, т. е. будет равна напряженности внешнего поля.

Уменьшив размеры антенны, к примеру, в 10 раз, мы уменьшим объем ближнего поля в 1000 раз (рис. 7,б). Теперь придется включить «удлиняющую» катушку L с добротностью значительно более 1000 (см. выше) и настроить антенну в резонанс, учитывая меньшую емкость «шляпы». ЭДС, наведенная полем принимаемой волны стала меньше в 10 раз, и во столько же раз уменьшилось расстояние между обкладками конденсатора hд. Но из-за большой добротности напряжение на «шляпе» возрастет в 100 раз, а собственное поле антенны под «шляпой» — в Q, т. е. в 1000 раз!

При удалении от антенны на 10 ее размеров собственное поле, убывая по закону 1/r3, станет равным Е, как и в прежнем случае полноразмерной антенны. Таким образом, мы выяснили физический смысл объема V 0на его границе собственное поле антенны без потерь равно внешнему. В центре этого объема, у самой антенны, собственное поле антенны будет в Qраз сильнее внешнего.

Ненагруженная антенна будет переизлучать принятый сигнал по всем направлениям, в соответствии со своей хорошо известной диаграммой направленности — максимум на горизонт и нуль вверх. Если мы захотим еще увеличить добротность антенны, у нас это вряд ли получится — помешает сопротивление излучения. Другими словами, антенна просто сбросит «лишнюю» мощность в окружающее пространство. То же произойдет, если подключить к антенне регенератор — неплохая идея регенеративного ретранслятора, не так ли?

Нагрузим антенну сопротивлением, равным сопротивлению излучения. Напряжение на антенне составит половину наведенной ЭДС и собственное поле антенны уменьшится вдвое. Соответственно, уменьшится и переизлучение энергии антенной, половина мощности направится в нагрузку.

Последний вывод, который уже напрашивается из изложенной теории, таков: малая антенна черпает энергию из приходящего электромагнитного поля посредством своего ближнего реактивного собственного поля, которое создается путем накопления принятой энергии в высокодобротной колебательной системе самой антенны.

Добавление первоеисторико-библиографическое.

Материал был готов в ноябре 2002 г, но прочитавшие его сделали ряд замечаний, часть которых сводилась к тому, что говорить об объемах, занимаемых полями антенны незачем, взаимодействия полей нет, а если бы было, то кто-нибудь об этом бы уже написал. Оказывается, писали, и неоднократно.

Гипотезу о взаимодействии приходящего поля с собственным полем антенны (благодаря чему и извлекается энергия) выдвинул Р. Рюденберг, один из основателей теории антенн, еще в 1908 году [5]. Кстати, его именем долго называли формулу для сопротивления излучения короткой антенны.

Детальный анализ взаимосвязи добротности и объема антенны выполнил Чу в 1947 году [6], установив обратную пропорциональность добротности и куба линейных размеров. Использованный математический аппарат (интегрирование по сферическим гармоникам) весьма сложен. Выведенный им объем V0 (для антенны в свободном пространстве) составил (l/p)3, что хорошо согласуется с результатом [4], полученным с помощью элементарной алгебры, (l/3)3.

В статье Хансена [7] показано, что если малая, но эффективная антенна вместе с передатчиком заключена внутри сферы радиусом r, то ее добротность не может быть меньше примерно (l/2pr)3. Таким образом, выводы, приведенные в данной статье, давно получены, но литературу [5 — 7] трудно назвать общедоступной.

Последнее время в сети Интернет появилось много сообщений о малогабаритных, эффективных и широкополосных антеннах. К сожалению, изложенная теория говорит о том, что создание таких антенн (по крайней мере пассивных) невозможно.

Что же касается малых резонансных антенн, то очень интересна статья [8], в которой автор на качественном уровне приходит к изложенным выше выводам и идет несколько дальше. Анализируя суперпозицию внешнего и собственного поля антенны, он отмечает изменение направления вектора П в сторону антенны, сравнивая ее с «всасывающей воронкой». Описанные эффекты он предлагает в качестве гипотезы, объясняющей работу системы беспроводной передачи энергии Н. Теслы.

Не менее интересна и разработка в рамках проектов НАСА активной низкочастотной рамочной антенны [9, 10], где за счет обратной связи значительно увеличена эффективная поглощающая поверхность при сохранении широкополосности. Эти идеи заслуживают отдельного, более подробного рассмотрения.

Добавление второе — практическое. В других замечаниях отмечалась незавершенность статьи и отсутствие практических выводов. Я хотел предоставить это читателям, поскольку из изложенной теории практически полезных выводов получается много, и объем статьи не позволяет их изложить. Ограничимся одним: оценим эффективную поглощающую поверхность Sэфф и эффективную рассеивающую поверхность Sрасс малой приемной антенны в зависимости от коэффициента рассогласования k = RH/RS.

Будем исходить из простой эквивалентной схемы [1, рис. 3], содержащей последовательно включенные источник сигнала с ЭДС, равной E.hд, сопротивление излучения RS, сопротивление нагрузки Rн, емкость антенны Са и индуктивность «удлиняющей» катушки L. Реактивности положим скомпенсированными при настройке антенны в резонанс. При Rн = RS ,т. е. k = 1 выделяемая в нагрузке мощность равна переизлучаемой:
P0 = E2hд2/4RS.

Подставляя RS = 1600hд2/l2, получаем

P 0 = E 2 l 2/6400.
Sэфф = Sрасс = S0 = Р0/П = 0,06l 2 — уже известный нам результат.

При k = 0 (короткозамкнутая антенна без нагрузки) принятая мощность возрастает вчетверо и вся она переизлучается.
S эфф = 0, S расс = 0,25 l 2.

Для произвольного k имеем мощность в нагрузке
Pн = 4Р0 k/(1+k)2,
переизлучаемую мощность
Ррасс = 4Р0/(1+k)2.

Соответствующие площади получаются делением на П. Любопытно, что
Р нрасс = k,
и, соответственно,
Sэфф/Sрасс = k.

Графики зависимости эффективных площадей поглощения и рассеяния в зависимости от коэффициента рассогласования k даны на рис. 8. Подобные же графики, но лишь с очень короткими объяснениями и практически без вывода можно найти в [11] и [12].

Итак, мы видим, что хорошо переизлучает лишь недогруженная антенна без потерь при Rн < RS. При увеличении сопротивления нагрузки (от области максимума отдаваемой антенной мощности при k = 1) переизлучаемая мощность очень резко падает, становясь пренебрежимо малой при Rн >> RS (k >> 1).

Именно этот случай и встречается чаще всего на практике, поскольку сопротивление нагрузки складывается из большого сопротивления потерь и равного ему входного сопротивления приемника (по условию отдачи в приемник максимально возможной мощности). Таким образом, на вопрос, поставленный в заголовке статьи, для большинства радиоприемных антенн можно ответить вполне утвердительно.

ЛИТЕРАТУРА

1. Поляков В. О питании радиоприемников “свободной энергией”. Радио, 1997, № 1, с. 22, 23.
2. Поляков В. “Мистика” коротких антенн. Радио, 2000, № 8, с. 18, 19 и № 9, с. 46.
3. Поляков В. Эквивалентность электрических и магнитных антенн. Радио, 2002, № 11, с.16, 17.
4. Поляков В. Малые антенны: физические ограничения. Радио, 2002, № 10, с. 66, 67.
5. Rudenberg R. Der Emphang Elektrischer Wellen in der Drahtlosen Telegraphie. Annalen der Physik, IV, 25, 1908, s.446…466/
6. Chu. J. Appl. Phys., Dec. 1948. 
7. Hansen R. C. Fundamental limitation in antennas. Proc. IEEE, Feb. 1981, vol. 69, № 2.
8. Beaty B. Energy-sucking Radio Antennas, N. Tesla`s Power Receiver. http://www.amasci.com/tesla/tesceive.html.
9. U.S. Patent # 5,296,866 «Active Antenna».
10. Sutton J. F. and Spaniol G. C. The Black Hole Antenna. Proc. of the Int. Tesla Symposium, 1992, см. также http://www.unusualresearch.com/Sutton/sutton.htm.
11. Беньковский З., Липинский Э. Любительские антенны коротких и ультракоротких волн. — М.: Радио и связь, 1983, с. 77.
12. Мейнке Х., Гундлах Ф. В. Радиотехнический справочник, т. 1, с. 288. — М-Л.: ГЭИ, 1961.

Приложение. Элементарный вывод формулы, связывающей резонансный объем поля и КПД антенны. Рассмотрим малую вертикальную антенну (рис. 7,б) высотой h << l, нагруженную верхним диском площадью S и настроенную в резонанс катушкой L. Для упрощения положим hд = h и V = Sh. Эквивалентная схема антенны дана на рис. 9.

По условию согласования входное сопротивление приемника R пр выберем равным сумме сопротивления излучения R S и сопротивления потерь Rпот, а реактивности — равными:
R пр = R S + R пот,  XL = X A = X.
Найдем мощность, поступающую в приемник:
Р пр = i 2 R пр = E 2 h 2/4(R S + R пот). При R пот = 0 Рпр0 = E 2 h 2/4R S.

Тогда КПД: h = Р прпр0 = R S/(R S + R пот).

Выразим реактивное сопротивление Х через длину волны и размеры антенны, полагая СА = e0 S/h: X = 1/wC = h/2pfe0S. Подставляя f = c/l = 1/lÖe0m0, и учитывая, что Öm0/e0 = 120p, получаем Х = 60lh/S.

Поскольку реальная (измеряемая по полосе пропускания) добротность антенной цепи Q = X/2(R S + R пот), имеем (R S + R пот) = X/2Q. Подставляя это, а также R S = 1600h 2/l 2 в формулу для КПД, получаем:
h = R S/(R S + R пот) = 2QSR S/60lh = 53hSQ/l3 = 53VQ/l3.

Учитывая, что V 0 = l3/53 = 0,5(l/3)3, получаем окончательно:
h = VQ/V0 = Vp/V0.

Основные электрические параметры антенн. Эффективная площадь антенны А, страница 10

 — сопротивление, включенное в цепь антенны ;

 — входное сопротивление антенны .

Используя соотношения (1), (4) и (5), после несложных преобразований получим

Обобщая эти выражения на любую антенну, можно написать, что

где      - напряженность поля, воздействующего на антенну в режиме приема;

 — ток на зажимах приемной антенны;

 и  - действующая длина, входное сопротивление и нормированная ДН антенны в режиме передачи;

 — сопротивление, включенное на зажимы антенны.

Выражение (7) является важнейшим в теории приемных антенн. Оно представляет собой постоянную величину для любой антенны. Можно показать, что это соотношение обращается в 1, т.е. .

Сформулируем основные  выводы из принципа  взаимности:

1. Внутреннее сопротивление приемной антенны равно входному сопротивлению этой антенны в режиме передачи.

2. Диаграммы направленности антенны в режиме передачи и приема совпадают.

3. Действующая длина антенны в режиме приема равна действующей длине этой антенны в режиме передачи.

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ПРИЕМНОЙ АНТЕННЫ

Учитывая, что  для любой антенны, выражение (7) можно представить в виде

Оно напоминает закон Ома и может быть проиллюстрировано эквивалентной схемой приемной антенны, изображенной на рис.2. Здесь  — э.д.с., наводимая в приемной антенне,

 — внутреннее сопротивление приемной антенны (оно равно входному сопротивлению этой антенны в режиме передачи),  — сопротивление нагрузки приемной антенны (входное сопротивление приемника или входное сопротивление фидера, нагрузкой которого является вход приемника).

В большинстве случаев практики приемная антенна подключается ко входу приемника при помощи фидера. На рис.3 показана схема соединения приемной антенны с приемником через фидер. На рис.4,а приемная антенна заменена последовательным соединением  и  (слева от точек  ), а на рис.4,б осуществлена также замена фидера с приемником на сопротивление .

Как известно, в нагрузку (сопротивление  ) отдается мощность, равная мощности , которая поглощается в активном сопротивлении . Поэтому

Формула (9) определяет мощность, отдаваемую антенной в несогласованную нагрузку.

Если нагрузка согласована ( или , а ), то отдаваемая в нагрузку мощность максимальна. Выражение (9) для согласованной нагрузки дает:

Последнее выражение, если сигнал приходит с направления главного максимума, можно также представить в виде

Оптимальная мощность представляет собой наибольшую мощность, которая может быть отдана антенной в нагрузку. Для ее нахождения можно воспользоваться формулой

Используя выражение [см. тема 2, формула (37)] , формулу (12) можно привести к виду

С другой стороны, оптимальную мощность приемной антенны можно представить через ее эффективную площадь  соотношением

откуда

В тех случаях, когда применяются поверхностные антенны и волноводы, при нахождении мощности , отдаваемой антенной в нагрузку, приходится оперировать с такими характеристиками, как  и .

На рис.5 показана рупорная антенна, которая при помощи волновода подключена ко входу приемника. В общем случае при несогласованной  нагрузке в  волноводе  установится  режим смешанных  волн, характеризуемый  некоторым  значением  .

При этом  поглощаемая  нагрузкой  мощность  может  быть  представлена  в  виде:

Так как    (  — модуль коэффициента отражения), а , то поглощаемая нагрузкой мощность

Если сигнал приходит с направления главного максимума, то

С учетом к.п.д. антенны   в к.п.д. фидера  получим

ТРЕБОВАНИЯ К МОЩНОСТИ СИГНАЛА,  НЕОБХОДИМОЙ ДЛЯ РАДИОПРИЕМА

До сих пор мы полагали, что в приемную антенну, фидерный тракт   и на вход приемника поступает только полезный сигнал. На самом деле наряду с полезным сигналом через антенну и фидер ни вход приемника попадают также внешние помехи  (атмосферные, космические,  промышленные помехи, помехи от действующих радио-станций и др.) и внутренние шумы (флюктуационные явления в антенне, фидере и каскадах приемника).

Антенны. Назначение. Характеристики антенны.

Антенны. Назначение. Характеристики антенны.

Антенны. Назначение. Характеристики антенны

Оглавление

Антенны предназначены для формирования и приема электромагнитных сигналов. Любая антенна является обратимой и может быть использована как для передачи, так и для приема (свойство дуальности), при этом электрические характеристики антенны остаются неизменными. Например, внутреннее сопротивление источника ЭДС, эквивалентного приемной антенне, равно входному сопротивлению этой же антенны в режиме передачи, направленные свойства антенны в режимах приема и передачи одинаковы и т.д. Антенны являются резонансными устройствами.

Характеристики антенны

  1. Входное сопротивление антенны zвх является в общем случае комплексным, т.е. может быть представлено в виде последовательно соединенных активной Rвх и реактивной Xвх (емкостной или индуктивной) составляющих. Входное сопротивление настроенной в резонанс антенны чисто активно.
    Пример:
    Входное сопротивление линейного полуволнового вибратора составляет 75 Ом, волнового — примерно 250 Ом.
  2. Характеристика направленности — зависимость ЭДС в антенне либо мощности в нагрузке от угла прихода сигнала.
  3. Диаграмма направленности — графическое изображение характеристики направленности в полярных или прямоугольных координатах. Достаточно полное представление о направленных свойствах антенны дают диаграммы направленности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях — горизонтальной и вертикальной. Область 1 — основной (главный) лепесток
    Область 2 — задний или боковой лепестки
    j— угол раствора основного лепестка

    Рис.1

    При построении диаграмм направленности максимальное значение ЭДС в антенне или мощности в нагрузке принимают равным 1 или 0 дБ, что дает возможность сравнивать различные антенны по их направленным свойствам. Такие диаграммы направленности называют нормированными. Чем меньше угол раствора главного лепестка и уровень задних и боковых лепестков, тем больше уровень сигнала на выходе антенны и выше помехозащищенность приема.
  4. Коэффициент направленного действия (КНД). G — параметр, показывающий во сколько раз мощность, которую может отдать в нагрузку согласованная антенна при приеме со стороны максимума главного лепестка диаграммы направленности, больше мощности, которую может отдать в нагрузку согласованная эталонная антенна, имеющая круговую диаграмму направленности. В качестве эталонной антенны служат простейшие антенны либо полуволновой вибратор.

    Рис.2

    В общем случае G = Pн/Po , где Pо — мощность при равномерном излучении в пределах от 0 до 360 градусов, Pн — мощность при излучении в данном направлении.
  5. Эффективная поверхность. Sa — параметр, имеющий размерность площади и позволяющий по известной напряженности поля определить мощность Р, отдаваемую согласованной антенной в нагрузку:,
    где Р, Вт; Е — эффективное значение, В/м; Sa , м2.
    ,
    где l- длина волны излучаемого/принимаемого сигнала.
    В приемной антенне Sa характеризует ЭДС сигнала, наводимую в антенне принимаемым электромагнитным излучением.
    Пример:
    Эффективная поверхность полуволнового вибратора равна 0,13l2, волнового вибратора — 0,19l2.
  6. Диапазонность антенны. Антенна является резонансным устройством, и все ее характеристики зависят от частоты принимаемого/излучаемого сигнала.
    E — ЭДС антенны
    l — длина волны излучаемого/принимаемого сигнала
    f — частота резонанса (наилучшее принятие сигнала)

    Рис.3

  7. Поляризация антенны — преимущественное направление изменения вектора электрического поля E. Поляризация бывает: горизонтальная, вертикальная, круговая и др. Например, антенны в виде металлических штырей или проводов имеют направление поляризации, направленное вдоль излучателей. Типичным представитем такой антенны является полуволновый вибратор (см. ниже). Круговая поляризация может создаваться спиральной антенной, у которой излучатель свернут в виде спирали.
    Для эффективного приема сигнала приемная антенна должна располагаться так, чтобы ее плоскость поляризации совпадала с плоскостью поляризации передающей антенны. В противном случае сигнал будет очень слабым и будет формироваться за счет отражения от местных предметов (зданий, металлических конструкций), или приема не будет вовсе.
    Пример:
    1 — вертикальная поляризация
    2 — горизонтальная поляризация
    3 — круговая поляризация

    Рис.4

Принципы использования антенн для одновременной передачи и приема

Необходимым условием одновременного использования одной антенны для приема и передачи является разнос частот приема и передачи, однако обе частоты должны лежать в полосе частот, принимаемых антенной. При таком использовании антенны возникают два неприятных явления:
1. Мощный выходной сигнал передатчика проникает на входные высокочувствительные цепи приемника и выводит их из строя.
2. Слабый сигнал ЭДС, наводимый принимаемым антенной электромагнитным излучением, шунтируется выходными цепями передатчика и ослабляется, что препятствует нормальному приему сигнала.
Для исключения этих явлений производится развязка входных и выходных цепей с помощью фильтров-пробок (т.е. не пропускающих сигнал определенной частоты), включаемых в соответствующие цепи приемопередатчика, так, как показано на рисунке.

ПРД — передатчик
ПРМ — приемник
Передающие и приемные линии никогда не работают на одной частоте. Фильтр для частоты f2 не пропускает частоту f2 на входные цепи приемника, а фильтр для частоты f1 не пропускает сигнал с частотой f1, поступающий из антенны, на выходные цепи передатчика.

Рис.5


Предыдущий Следующий

Диапазонный вертикальный излучатель КВ антенн CT‑HF‑VXX

Назначение

  • Оснащение региональных приёмо-передающих центров, узлов связи, удалённых и труднодоступных радиостанций.
  • Эффективная антенна для дальних трасс.
  • Основной компонент направленных антенных систем и фазированных решеток в составе сложных антенных комплексов дальней КВ радиосвязи.
  • Тактическая полевая антенна быстрого развёртывания.

Особенности конструкции

В конструкции антенны используются высококачественные материалы, что обеспечивает широкий температурный диапазон эксплуатации, защиту от тяжелых климатических условий. Отсутствие в конструкции электронных блоков согласования позволяет антенне постоянно быть в полной готовности к приёму и передаче информации в любых условиях.

Основные технические решения

Использование резонансного вертикального излучателя позволяет достичь максимального КПД антенной системы в нижней части КВ диапазона, где построение эффективных направленных позиционируемых антенн технически затруднено. Конструкция антенны допускает два варианта размещения без существенной потери параметров: наземный с использованием подстилающей поверхности в качестве заземления и приподнятый с использованием резонансных противовесов в качестве искусственного заземления.

Технические характеристики

Диапазон частот, МГц 2….15
Рабочая полоса частот, МГц 0.2…0.5
КСВ в рабочей полосе частот, не более 3
Пиковая подводимая мощность, не более, Вт 2 000
Тип разъёма антенны UHF/N/CP
Волновое сопротивление фидера, Ом 50…75
Азимутальная диаграмма направленности вертикальная
Усиление антенны, дБи -3…+3
Угол места максимума диаграммы направленности, град. 20…30
 
Диаграмма направленности на частоте 12 МГц   График зависимости КСВ от частоты

Archive — RECEIVER.BY

a quick search in the archives of amateur publications


Recent searches

ERISSON 21F2 TOSHIBA [1], Применение микросхем A277D (К1003ПП1) [1], Схема- Электроудочка 5 Журнал Радио 86 (шутка) [1], sony [305], 27 МГц [26], Icom 718 service manual [1], Автомат «световой день». продление светового дня (досвечивание) в теплицах, ж… [1], осциллограф [130], kansai [5], SUN [381], генератор [262], Селга [12], 160 [73], программатор [188], ГРАНИТ Р33П-1 инструкция [1], Нота [25], Измеритель Е7-8 инструкция [1], panasonic tx [255], парус [2], электроника  [139], Прибой [7], зарядно-пусковое [6], Селена (Selena) В-215 [1], FUNAI [146], 214 [31], трансивер  [58], VEF 221 схема [1], Обыкновенный FM приёмник на микросхеме TDA7021 (*.doc) [1], pioneer [94], Кварц [100], sony kv [58], генератор  [163], ft-757 [6], PANASONIC tc [145], приёмник [509], mk8 [12], Источник питания МП-1 [1], alan hm 43 [4], BF998 [4], Простой автосторож. [2], yaesu vx-1r [2], Yaesu FT-920. Раскрытие на передачу [1], Усилитель SANYO [2], С1-116 -техописание [1], В7-16А [4], элект% [889], polar [19], 600 [109], Щ306-1 принципиальная схема [1], импульсный [60], Dragon SY-5430 [5], аккумулятор [170], ft-840 [11], Ремонт неисправности в телевизоре Casio TV-3500S [1], siemens [76], телефон [653], alinco [89], Простой двухтактный усилитель мощности начинающего коротковолновика [1], dbm [1], 9-ти элементная Swan-антенна на 144 МГц [1], PHILIPS [278], радиола [78], передатчик пкм [2], ANTENNA [136], SSB [24], полосовой [10], Проигрыватель компакт-дисков на базе CD-ROM [6], CHA250B Antenna Manual [1], KACHINA 505DSP [2], ALAN -100 схема [1], GRUNDIG P40 [2], генератор Г3-7А [3], Гиала 407 (транзисторный) — 26Кб [1], усилитель у [16], PHILIPS 25GX1889 [1], Standard HX290. Руководство [1], sony sdm [12], SONY XR-4803 [1], Kenwood TM-241A/E. Руководство [1], Серенада 406 (радиола) — 28Кб [1], Электроника ВЛ-100 [2], УКВ ЧМ передатчик [2], nexon tc2103 [1], TR-0850 [1], Орбита МП121С (приставка (дека)) — 252Кб [1], Ide2lpt — адаптер жесткого диска для подключения к параллельному порту pc: сх… [1], Вега 402 [3], Квазианалоговый тахометр [3], металлоискатель  [2], ONWA 9515 [1], Тестер ТЛ-4 [3], усилитель Кочкурова М.М. на ГУ-50, Pout=70w, Кг=0,05%, фаз. сдвиг=3″ (50Hz-10kHz) [1], Усилитель мощности УМ-3 [1], Источник питания для импортных трансиверов [1], Транзисторно-ламповый АМ передатчик [1], Источник питания ГН-08АМ [1], усилитель [436], AKIRA [15], радиомикрофон  [87], 303 [54]

Калькулятор эффективной площади антенны • Электротехнические и радиотехнические калькуляторы • Онлайн-конвертеры единиц измерения

Антенна собирает энергию падающего на нее потока мощности электромагнитного излучения. A — геометрическая площадь, Ae — эффективная площадь, E — электрическое поле, H — магнитное поле Иллюстрация для калькулятора

Калькулятор позволяет определить эффективную площадь антенны Ae для заданной частоты f или длины волны λ и коэффициента усиления антенны G. Этот и другие калькуляторы на TranslatorsCafe.com пригодятся не только инженерам и студентам технических специальностей, но и всем, кто хочет изучить технический английский, так как все они есть и в английской версии.

Пример: Рассчитать эффективную площадь антенны радиотелескопа РТ-70 в Крыму: коэффициент усиления его антенны 69,5 дБи или 9000000, рабочая частота 5,0 ГГц (или длина волны 6 см).

Входные данные

Выходные данные

Эффективная площадь антенны

Ae м²

Для расчета введите величины в соответствующие поля, выберите единицы и нажмите на кнопку Рассчитать.

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 = Pd A

Здесь Pd —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:

или

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

Здесь Ae — 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 на эффективную площадь Ae, получаем:

или

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.

Радиотелескоп РТ-70 в 2 км от пос. Молочное (Сакский район, Крым, Россия). Эффективная площадь его антенны составляет только 67% от геометрической 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.

Эффективная площадь (апертура) антенны типа «волновой канал». Отметим, что, в отличие от любой параболической антенны, эффективная площадь которой всегда меньше ее физической площади, эффективная площадь антенны «волновой канал» всегда значительно больше физических размеров антенны. Эллипс эффективной площади расположен перпендикулярно траверсе. Отметим также, что чем выше коэффициент усиления антенны, тем больше ее эффективная площадь. Антенна с большим числом элементов и более длинной траверсой имеет больший КУ и бóльшую эффективную площадь.

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

Эта телевизионная антенна состоит из двух антенн: антенны дециметрового диапазона типа «волновой канал» с 18 директорами и уголковым рефлектором с КУ=14 дБи (справа) и логопериодической антенны с V-образными элементами метрового диапазона (слева)

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

Автор статьи: Анатолий Золотков

Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ (1988) — DJVU, страница 46

Чтобы привести формулу (8.6) к нормированному виду, необходимо: 1) выразить з(п 6 через нормированную ДН диполя г(6) /з)пО; 2) с помощью формулы (7.21) сделать замену 1- лк=(/)/1*о/(г..п))п’, 3) предположить, что волновое со- противление линии питания равно Х„ и пег й рейти к нормированным сопротивлениям 2,+Д„= (й +йл) 2,. После этого формула (8.6) принимает кв вид / )ГХ12=М’ /)г„Е .Р(6)/~АГАПУ-,(х„+ЕА), ~н что фактически тождественно записи (д’Г >, (8.7) К (ел+ ~Я) Ркс.

8.2. д аль герца где КНД диполя заменен на коэффициент ккк цркемиак антенна усиления 6=-/)т), поскольку предполагалось, ()~Л) что в диполе нет омических потерь и КПД т)=1. Сравнивая формулы (8.7) и (8;5), устанавливаем, что Ж= =/Л/): и. Подставляя это значение Ф в формулу (8.5), приходим к окончательному выражению для нормированного тока в нагрузке приемной антенны к режиму приема, в дальнейшем можно не оговаривать специаль- но режим работы антенны. Эквивалентность параметров антенн в передающем и приемном режимах была установлена в 1935 г.

со- ветским ученым М. С. Нейманом. й 6.2. поляРНВАционные СООТИОшения пРН РАдиОпРиеие Скалярное произведение (д’г) в формулах (8.8) и (8.9) пропорционально скалярному произведению вектора поляризации падающей волны р, на вектор поляризации приемной антенны рл. (д!р (Оо Ро)) =4«р (йо М ! (8.10) где коэффициент «=(р рл»), 0«Щ «1, может быть назван лоляризационным коэффициентом передачи (по полю). Для вычисления величины «представим векторы рл и р, в каком-либо общем базисе, например в принадлежащей приемной антенне системе координат с единичными ортами 1„1,. Предположим, что чР-компонент принадлежит главной поляризации, а 0-компонент — паразнтной.

Тогда на основании представления (7.14) можно записать следующие выражения для векторов поляризации: рл — 1«ад+1« Р 1-але «/ 7 УФд р,=! а,+1 1 1-а,е~о«. Вычисляя сумму произведений компонентов вектора рл на соответствующие компоненты вектора р„находим !=ада,+)/ (1 — ад) (1 — а,) ея «+ ‘ . (8.11) Выясним сначала условия отсутствия радиопрнема, Приравнивая нулю порознь вещественную и мнимую части (8.11), получаем Фл+ф.=я и ад=У!~ — а,. Это означает, что при обращении величины «в нуль векторы поляризации должны иметь форму рд —— 1„соз т+1, з(п те чол р,=1„з(пт-1,соз ге ~ол, где 0«т -я/2 н — я/2«фл«я/2 — произвольные параметры. Несложный анализ показывает, что таким векторам рл и р, соответствуют поляризационные эллипсы с одинаковым коэффициентом эллиптичности, с развернутыми на 90’ большими осями и с одинаковым направлением вращения. Но одинаковому направлению вращения мгновенных значений векторов поляризации рл и р~ на общей плоскости соответствуют противоположные направления вращения относительно наблюдателей, смотрящих вслед уходящей волне.

Поэтому заключаем, что векторы поляризации принадлежат ортогональным поляризациям. Таким образом, приемная антенна не реагирует на падающую электромагнитную волну с поляризацией, ортогональной ее собственной поляризации в режиме передачи. Найдем условия, при выполнении которых величина $ имеет максимальный модуль. Для этого, во-первых, необходимо, чтобы зрл+~,=0, что после введения обозначений ил=сов ть а,=созтг приводит к выражению $=созт1созтг+япт~яптт=сов(т~ — тт). Во-вторых, абсолютный максимум модуля этого выражения, равный единице, получается при т~=тм что означает, что векторы поляризации должны иметь вид Рл — — 1тсозт+1, Яп тем, р,=1,соз г+1,з1п те-гч, где т и ф — произвольные параметры.

Таким векторам рл и р. соответствуют совпадающие поляризационные эллипсы с противоположным направлением вращения. Но противоположному направлению вращения векторов поляризации на общей плоскости соответствуют одинаковые направления вращения относительно наблюдателя, смотрящего вслед уходящей волне.

Поэтому заключаем, что векторы поляризации принадлежат совпадающим эллиптическим поляризациям. Таким образом, приемная антенна осуществляет полный прием падающей электромагнитной волны с поляризацией, совпадающей с собственной поляризацией антенны в режиме передачи. Соотношение (8.11) для поляризационного коэффициента передачи справедливо при использовании любого поляризационного базиса, задаваемого соотношением (7.15). Важно лишь, чтобы при записи векторов рл н р„использовался один и тот же базис. Поляризационные соотношения для антенн круговой поляризации. Пусть приемная антенна характеризуется вектором круговой поляризации с правым (по часовой стрелке) вращением: р„=0,707(1,+ 71,). Пусть падающая электромагнитная волна в том же базисе характеризуется вектором поляризации произвольного вида: р,=( соз т+ 1, яп те’ .

!Ф Согласно (8.11), поляризационный коэффициент передачи 1а — — 0,707(созт+~’ яп тем). Повернем антенну вокруг направления прихода волны на угол 8 по часовой стрелке. В прежнем базисе 1„1~ вектор поляризации повернутой антенны примет вид рл(й)=0707 [(т(соз [)+у з(п я)+1ц(у соз р — э(п [~)[ = рлеИ.

Поляризационный коэффициент передачи при изменении угла поворота приемной антенны 1(Р)= (р.ряб)) =(.ет~, т. е. поворот антенны круговой поляризации вокруг линии связи на угол р не изменяет модуль напряжения принимаемого сигнала и приводит лишь к появлению дополнительного фазового сдвига, численно равного углу поворота антенны. Антенны круговой поляризации широко используются для радиосвязи с летающими объектамн: при совпадающих круговых поляризациях модуль напряжения принимаемого сигнала не зависит от взаимного разворота антенн вокруг линии связи и поляризационной коэффициент передачи по мощности [$~-‘=1. Эквивалентность взаимного разворота излучателей круговой поляризации внесению добавочного фазового сдвига в канал связи используется в механических поляризационных фазовращателях СВЧ.

Это же явление може~ быть использовано при экспериментальном исследовании фазированных антенных решеток круговой поляризации для моделирования фазовых сдвигов возбуждающих токов в излучателях решетки. Важным свойством радиолокационных антенн. круговой поляризации является и то, что при передаче и приеме через общую антенну кругополяризованные антенны обеспечивают поляризационную селекцию отражений от объектов симметричной формы, например от сферических дождевых капель. При отражении волн круговой поляризации от объектов симметричной формы, в том числе от бесконечной металлической плоскости. происходит смена направления вращения вектора поляризации относительно наблюдателя, смотрящего вслед волне.

Отраженная волна оказывается ортогонально поляризованной по отношению к поляризации антенны и не воспринимается последней. Если же отражение происходит от несимметричных объектов, например от вытянутых проводников, то в отраженной волне содержатся обе круговые поляризации разного направления вращения, одна из которых полностью принимается антенной и образует полезный сигнал.

$6.3. МОЩНОСТЬ В НАГРУЗКЕ ПРИЕМНОИ АНТЕННЫ. ЭФФЕКТИВНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ Мощность полезного сигнала, выделяющаяся в нагрузке приемной антенны, с помощью формул (8.8) и (8.10) может быть записана в виде Р =У ( т =Д~ 1 Г Гх(бм Уа) Ц~ 4п )сл+х ! где !о !’ — модуль вектора Пойнтинга падающей на антенну волны; 6 — максимальный коэффициент усиления антенны; Г'(йа~о)— выборка из нормированной ДН по мощности в направлении прихода волны; ~Ц’ — поляризационный коэффициент передачи по мощности; гз — — гз+)хд — нормированное входное сопротивление антенны; г„=г„+)х» — нормированное сопротивление нагрузки в сечении входа антенны. Последний сомножитель в формуле учитывает рассогласование антенны с нагрузкой.

Если антенна согласована с линией передачи, а нагрузка характеризуется коэффициентом отражения р„, то 4г„гл/(хл +ха!’= 1 — )р„(‘ при ха ††— 1, и формула для принимаемой мощности приобретает вид Р.=ФР ~,,Р'(й„,) ~!Ч'(1 — И’), (8.12) где коэффициент 5,э=).Ч)/(4п) с размерностью площади носит название эффективной поверхности онтенны. Понятие эффективной поверхности тесно связано с максимальной мощностью, которая может быть извлечена приемной антенной из падающей плоской электромагнитной волны.

В соответствии со структурой формулы (8.!2) можно выделить четыре условия для достижения максимума принимаемой мощности в нагрузке: !) совмещение максимума ДН с направлением прихода полны г (Оооо) = 1; 2) сведение к минимуму омических потерь в антенне и в согласующем устройстве, т. е.

достижение в пределе т)=1; 3) точное совпадение поляризации антенны с поляризацией падающей волны„при котором (Ц’=1; 4) согласование антенны с нагрузкой, т. е„обеспечение р„=О (это условие в более общем виде записывается как равенство йн=йз*) . При выполнении всех четырех условий максимальная принимаемая антенной мощность равна произведению вектора Пойнтинга падающей волны !о (‘ на эффективную поверхность антенны Я.ф. Таким образом, под эффективной поверхностью антенны понимают поверхность фронта плоской электромагнитной волны, с которой антенна собирает и передает в согласованную нагрузку принимаемую мощность, при точном наведении максимума ДН на направление прихода волны и при выполнении дополнительных условий— отсутствия омических потерь в антенне и совпадении поляризации падающей волны и антенны. Найденное соотношение между КНД и эффективной поверхностью Т1=4п5 )Я (8.13) является одним из фундаментальных в теории антенн.

Как будет показано далее, для апертурных антенн эффективная поверхность непосредственно связана с размерами излучающего раскрыва и обычно не превышает его площади. Для вибраторных и щелевых антенн (в том числе и для элементарных диполей) эффективная поверхность не выражается непосредственно через размеры излучателя и вводится чисто формальным образом. й злч шумовАя темлеРАтуРА пРиемиой Антенны Для оценки возможности приема слабого сигнала необходимо сопоставлять его мощность с полной мощностью различных шумов на входе приемника. Одна часть шумов связана с антенной, другая — образуется в приемнике. Создаваемые антенной шумы по своей природе могут быть разделены на внешние н внутренние.

Эффективность антенны

На этой странице мы представим один из самых фундаментальных и важных параметров антенны: эффективность антенны.

Эффективность антенны

Эффективность антенны представляет собой отношение мощности, подаваемой на антенну относительно мощности излучения антенны. Высокоэффективная антенна имеет большая часть мощности, присутствующей на входе антенны, излучается. Антенна с низким КПД 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:

[Уравнение 1]

Будучи отношением, эффективность антенны представляет собой число от 0 до 1.Тем не менее, 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.

[Уравнение 2]

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 связаны с:

  • потерями проводимости (из-за конечная проводимость металла, из которого изготовлена ​​антенна)
  • диэлектрические потери (из-за проводимости диэлектрический материал вблизи антенны)
  • потери на рассогласование импеданса

    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 вносятся изменения в антенну, 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.

  • Приемная антенна – обзор

    8.1.3.2 Атмосферная шумовая температура

    Приемная антенна воспринимает объем атмосферы в пределах ширины своего луча. Частицы, присутствующие там и имеющие конечную температуру, будут поглощать, а также излучать излучение. Последний будет принят приемной антенной. Приемник, принимающий сигналы из атмосферы, также улавливает фоновый шум неба в своем поле зрения.Таким образом, общая мощность шума, достигающего антенны, может быть представлена ​​в терминах вклада шумовой температуры от общего объема атмосферы, видимой антенне, плюс астрономический фон.

    Прежде всего напомним, что в области спектра Рэлея-Джинса спектральная яркость определяется выражением

    Bf=2λ2kT=gλT

    где является функцией длины волны λ и становится постоянным для заданного фиксированного значения λ .Теперь предположим, что горячий источник излучает шумовую энергию, проходящую через атмосферу. Энергия может быть представлена ​​соответствующей шумовой температурой T . Часть излучения поглощается на пути распространения в среде, в данном случае в атмосфере. Таким образом, энергия, проходящая через атмосферу, уменьшается. Закон Бера-Ламберта, также называемый законом Бера-Ламберта-Бугера, управляет редукцией (Sportisse, 2009). В нем говорится, что количество энергии, теряемой шумом при прохождении через горизонтальный слой атмосферы на единицу длины, пропорционально энергии, которую он несет, т.е.е. пропорциональна его текущей температуре. Эта поглощенная энергия определяет температуру слоя и при равновесии в равной степени переизлучается. Мы выведем здесь, очень упрощенно, количество шума, который достигает приемника после того, как он возник в секции атмосферы из-за этого переизлучения. Для этого же предположим, что шум, излучаемый источником с начальной энергией излучения E 0 или с эквивалентной шумовой температурой T 0 , впоследствии имеет изменение T ( h ) как он проходит через атмосферу.Энергия, теряемая излучением в пересчете на снижение эквивалентной шумовой температуры, составляет глубина атмосферы, а α — коэффициент поглощения. T 0 – шумовая температура перед входом в атмосферу, т.е. на высоте, где мы рассматриваем глубину h  = 0. Поэтому из решения видно, что эффективная шумовая температура атмосферы экспоненциально уменьшается при прохождении расстояние ч вниз.Теперь, когда у нас есть температурный профиль, мы можем использовать его для следующих целей: (а) получить общую мощность шума неба, достигающего земли при прохождении через весь атмосферный блок и (б) чтобы найти полное поглощающее затухание что любой сигнал будет испытывать при прохождении через него, и (c) найти принятые шумовые компоненты с точки зрения этого затухания.

    Во-первых, учтите, что энергия E g , достигающая наземной антенны, может быть получена из уравнения(8.9b) как

    (8.10)Eg=E0exp−τor,E0/Eg=expτ=A

    где τ  =  αh и A – коэффициент затухания. Таким образом, затухание A выражается через E 0 и E g в децибелах как

    (8.11)AdB=10logE0/Eg=10logexp3

    4. (8.9а) снова показывает, что температура, которая достигает приемника на земле через атмосферу, составляет exp(− αh ) часть температуры T 0 на высоте h .Помещая это отношение в отношение в уравнении (8.11) мы получаем затухание A в дБ как

    (8.12)AdB=10logT0/Tg

    , где T g — шумовая температура, принимаемая на земле. Итак, если мы идентифицируем T 0 как шумовую температуру неба, то часть этой шумовой температуры, полученная на земле за счет этой составляющей, может быть выражена как

    (8.13)Tg=TS×10−AdB/10

    Суммарная мощность, принимаемая наземной антенной за счет излучения всего объема в пределах ее видимой области, представляет собой интеграл излучения каждого из слоев шириной dh .Используя наши знания о том, что в равновесии количество поглощаемой энергии равно излучаемой, и того факта, что только экспоненциальная часть общей излучаемой мощности шума достигает земли, общая мощность, принимаемая антенной из-за атмосферной яркости, на единичная полоса частот становится

    NB=∫0hmkαThexp-αhdh=kα∫0hmThexp-αhdh

    Здесь мы используем термин « k » вместо g ( λ ) по причине, объясненной в разделе 8.1. 3.1. Читатели также могут заметить, что α может быть отождествлено с коэффициентом излучения ε .Теперь, если для простоты считать, что атмосфера представляет собой однородный слой глубиной ч , со средней температурой излучения Т м , то

    (8.14)NB=kαTm∫exp−α/gh |hm0=kαTm1/α1–exp–αhm=kTm1–exp–τm

    где τ м  = ( αh м ) — оптическая толщина атмосферы, видимая антенной. Это указывает на то, что полная полученная энергия излучения зависит от члена α и, следовательно, от того, насколько проницаема атмосфера.Соответствующая шумовая температура T b = T m [1 – exp(– τ m )] называется шумовой температурой атмосферы.

    Теперь учтем тот факт, что антенна приемника видит излучение любых источников за Серым Телом. Поэтому антенна будет одновременно собирать и шум от астрономических источников в поле зрения. Даже если бы атмосфера была идеально прозрачной и в поле зрения не было бы ярких звезд и галактик, приемник все равно улавливал бы космическое фоновое излучение.Вклад в шумовую температуру от внеземных источников, в первую очередь космических, при взгляде в дальнее небо составит в поле зрения, где преобладает космический шум, когда в поле зрения антенны нет других значительных источников. Таким образом, общий вклад шума в антенне, также известный как шум антенны, N A , может быть представлен как

    (8.16)NA=kTSexp-τm+kTm1–exp-τm

    В терминах шумовой температуры полную шумовую температуру антенны можно записать как

    (8.17a)TA=TSexp-τm+Tm1–exp-τm=TSA+ Tm1–1A

    Помните, здесь мы учитывали единичную полосу пропускания на протяжении всего вывода и, следовательно, определили мощность принятого шума как N A  =  kT A . Обратите внимание, что здесь мы также проигнорировали любое рассеяние мощности атмосферными элементами, а также «техногенные» шумы, такие как излучение радаров и т. д.

    Фактический вклад шума атмосферы и неба будет зависеть от количества атмосферного объема, наблюдаемого антенной, и, следовательно, в свою очередь, будет зависеть от зенитного угла. Если смотреть вертикально вверх в зенит, антенна будет обращена к наименьшей возможной толщине атмосферы, и, следовательно, будет слышен минимальный шум. По мере увеличения зенитного угла путь сигнала антенны должен проходить гораздо более длинный путь через атмосферу. Шум будет соответственно увеличиваться.Это приращение также можно объяснить тем, что для больших зенитных углов затухание A увеличивается, что приводит к большему атмосферному шуму. Кроме того, обратите внимание, что при отсутствии атмосферного затухания, т. е. A = 1, преобладает только член шума неба. Когда a очень велико, с A → ∞, составляющая шума неба исчезает, и температура антенны определяется только атмосферным вкладом.

    Используя приведенные выше соотношения и следуя тому же аргументу, который использовался для вывода уравнения.(8.13), связь между температурой атмосферного шума, температурой шума неба и ожидаемым ослаблением может быть выражена с использованием ослабления в дБ как (Ippolito, 1986)

    (8.17b)TA=TS×10–AdB/10+Tm1– 10–AdB/10K

    где A — общее затухание в наземном приемнике в дБ. Здесь T A — температура, соответствующая общему шуму антенны наземной станции, а T m — средняя температура излучения атмосферы в Кельвинах.

    Напомним, что в главе 7 мы читали о радиометре. Радиометр измеряет этот общий шум. Если общая температура, измеренная радиометром, равна T A , то, используя приведенное выше уравнение, мы можем сказать, Tmexp-τm=TS–Tmexp-τmOr,TA–TmTS–Tm=exp–τm=10–AdB/10Or,AdB=10logTm–TSTm–TA

    Таким образом определяется поглощающее затухание из радиометрических измерений.

    Приемная антенна — обзор

    5.t(θt,n,φt,n).

    Это, в свою очередь, приводит к тому, что все элементы χn, определенные в (5.38), становятся равными и что выражение для канала в (5.40) может быть записано в виде следующей взвешенной суммы внешних произведений векторов отклика приемо-передающей решетки:

    (5.41)Hk=∑nλn,ktχnarθr,n,φr,natTθt,n,φt,n,

    где новая переменная λn,k(t) введена для простоты и определена как

    (5.42)λn ,k(t)≜αnej2πfD,nte−j2πk∆fτn.

    Чтобы получить некоторое представление о выражении канала (5.41), далее рассматривается случай с одним трактом и одной приемной антенной, Nr=1. В этом случае матрица канала Hk становится вектором-строкой hkT, а принятый сигнал yk является скаляром, как и аддитивный шум ek. Следовательно, для случая с одним трактом и одной приемной антенной Nr=1 принимаемый сигнал может быть выражен как

    (5.43)yk=hkTxk+ek,

    с

    (5.44)hk=λ1,ktχ1grθr, φratθt,φt,

    , где θr≜θr,1, φr≜φr,1, θt≜θt,1 и φt≜φt,1 введены для простоты обозначений.

    Канал hk, таким образом, с точностью до комплексного коэффициента масштабирования определяется вектором отклика решетки, и случай с одним путем распространения проявляется на стороне передатчика как распространение в свободном пространстве (см. также раздел 4.3.2). В этом случае единственное различие между каналами от разных передающих антенн до приемной антенны заключается в задержке распространения, и эта задержка действительно улавливается фазами элементов вектора отклика решетки. Это свойство сохраняется для всех поднесущих OFDM, по крайней мере, если ширина полосы не слишком велика, даже несмотря на то, что скаляр λ1,k изменяется в зависимости от индекса поднесущей, когда τ1≠0.

    При наличии нескольких путей распространения в сумме по путям содержится более одного члена, поэтому угловой разброс действует как суперпозиция векторов отклика передающей решетки в разных направлениях. Кроме того, при наличии нескольких приемных антенн выражение внешнего произведения в (5.41) является обобщением случая однолучевой одной приемной антенны в (5.44) до суперпозиции внешних произведений векторов отклика решетки с разными направлениями передачи и приема.

    5.3.2.1.1 Случай одиночной трассы в свободном пространстве

    Другим важным частным случаем случая одной трассы (5.41) является случай распространения в свободном пространстве и стационарных передающих и приемных антенн в соответствующих исходных точках. Канал в свободном пространстве был введен в разделе 3.6.2.6, существенно использовался в главе 4 и будет связан с ним в главе 6. Во-первых, предполагается, что единственный путь имеет нулевую задержку, τ1=0, см. также обсуждение (5.r(θr,1,φr,1)=[ψr,θψr,φ]T. Тогда, используя (5.45) и (5.46), Hk в (5.41) можно записать в виде θt,φt).

    Основное отличие по сравнению с главой 4 заключается в том, что здесь опущена задержка распространения и что в главе 4 рассматривалась одиночная изотропная антенна, ориентированная по поляризации, т. е. χ1=1 и ar(θr,φr)=1.

    Калькулятор эффективной апертуры антенны • Elektrotechnik, HF- und Elektronik-Rechner • Online-Einheitenumrechner

    Эффективная апертура антенны – это площадь эквивалентной плоской антенны с равномерным амплитудно-фазовым распределением, имеющей такое же максимальное значение направленности, как и заданное антенна.Из этой области антенна, направленная к источнику сигнала, поглощает энергию падающей электромагнитной волны. Рассмотрим апертурную антенну в качестве приемной антенны. Мощность P , поглощаемая антенной, равна

    P = P d   A

    , где P d 9034 единица площади поверхности (удельная плотность мощности на единицу поверхности) падающая электромагнитная энергия, а A — площадь апертуры.Коэффициент усиления антенны G прямо пропорционален апертуре антенны A и увеличивается за счет фокусировки излучения только в одном направлении при уменьшении излучения во всех других направлениях. Таким образом, чем уже ширина луча, тем выше коэффициент усиления антенны. Соотношение между усилением антенны и площадью задается следующей формулой, учитывающей эффективность антенны:

    или

    , где λ — длина волны, а η — эффективность антенны, которая равна всегда меньше единицы:

    Здесь A e — эффективная апертура (площадь) антенны, которая определяется как произведение физической апертуры на эффективность антенны.Если КПД антенны равен 1 (или 100%), то вся мощность, подводимая к антенне, излучается или, если это приемная антенна, то вся мощность, собираемая антенной, поступает в приемник. Однако часть этой мощности всегда теряется в виде тепловой энергии, которая идет на нагрев самой антенны и ее фидера.

    Теперь, заменив множитель на A e , мы получим

    или

    . апертуры антенны коэффициент усиления увеличивается пропорционально квадрату длины волны или, если длина волны постоянна, коэффициент усиления пропорционален размеру апертуры.Обратите внимание, что для апертурных антенн, таких как параболические или рупорные антенны, эффективная площадь тесно связана с физической площадью (но всегда меньше ее). Однако для проволочных антенн (диполей, монополей, антенн Яги-Уда) эффективная площадь намного больше физической площади антенны.

    Радиотелескоп РТ-70 13 км от Евпатории, Крым, Россия. Его эффективная апертура составляет всего 67% площади сбора этой антенны.

    Коэффициент усиления по мощности G антенны, также известной как просто коэффициент усиления антенны, представляет собой отношение интенсивности ее излучения к мощности изотропной антенны, которая излучает ту же общую мощность, что и реальная антенна.Измеряется обычно в дБи, то есть в изотропных децибелах (коэффициент мощности), который представляет собой относительное безразмерное усиление антенны в прямом направлении (другими словами, степень направленности диаграммы направленности антенны) в децибелах по отношению к изотропному усилению антенны. .

    Например, рассчитаем эффективную апертуру антенны российского радиотелескопа РТ-70 в Евпатории (Крым, Россия):

    Эффективная апертура (площадь) антенны Яги-Уда. Обратите внимание, что в отличие от любой параболической антенны, где эффективная апертура всегда меньше физической площади, эффективная апертура антенны Яги простирается симметрично выше и ниже плоскости ее элементов и симметрично выходит за пределы физической длины элементов антенны.Учтите также, что чем больше коэффициент усиления антенны, тем больше ее эффективная площадь. Антенна с большим количеством элементов и более длинной штангой будет иметь большее усиление и большую эффективную апертуру.

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

    Диаметр антенны d = 70 м.

    Частота f = 5,0 ГГц (6 см).

    Собирающая площадь антенны A = πD² /4 = π70² /4 = 3848 м². При этом эффективная площадь составляет

    Как видим, эффективная апертура составляет всего 67% собирающей площади антенны.

    Теперь рассчитаем эффективную апертуру 5-элементной антенны Яги-Уда 500 МГц с коэффициентом усиления 10 дБи, что соответствует безразмерному коэффициенту усиления по мощности 10. Длина ведомого элемента несколько меньше 0,5λ = 30 см. где λ = 60 см — длина волны.

    Диаметр круга 0,28 м2 определяется как

    Телевизионная антенна УКВ/УВЧ, состоящая из фронтальной антенны УВЧ Yagi с 18 директорами и уголковым отражателем (справа, усиление 14 дБи) и логарифмической периодическая УКВ антенна с V-образными элементами, (слева)

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

    Dieser Artikel wurde verfasst Анатолия Золоткова.

    Учебное пособие по проектированию антенн — часть 1

    Для эффективного проектирования беспроводной системы инженеры должны иметь детальное представление о конструкции антенн.

    Автор: Инженерный персонал, Linx Technologies

    Примечание. Это первая часть серии статей о конструкции антенн, состоящей из трех частей.В этой части мы сосредоточимся на передающих/приемных антеннах и линиях передачи.

    По мере того, как беспроводные конструкции становятся меньше, а требования пользователей возрастают, правильная конструкция антенны становится все более детальной и сложной. Поэтому инженеры должны иметь детальное представление о конструкции антенн, чтобы эффективно разрабатывать беспроводные системы.

    Давайте начнем первую часть с определения антенны. Радиочастотная антенна определяется как компонент, облегчающий передачу направленной волны в свободное пространство и прием из него.По своей функции антенна представляет собой преобразователь, который преобразует переменные токи в электромагнитные (ЭМ) поля или наоборот. Физические компоненты, составляющие структуру антенны, называются элементами. От вешалки для одежды до настроенного Yagi, существуют буквально сотни стилей и вариаций антенн, которые можно использовать.

    Чтобы начать обсуждение беспроводных антенн, важно начать со сравнения антенн передатчика и приемника. Антенны приемника и передатчика очень похожи по характеристикам и во многих случаях являются виртуальными зеркальными отражениями друг друга.

    Однако при разработке беспроводных систем часто выгодно выбирать разные характеристики антенн передатчика и приемника. По этой причине давайте рассмотрим антенны передатчика и приемника отдельно.

    Антенна передатчика
    Антенна передатчика позволяет эффективно излучать радиочастотную энергию выходного каскада в свободное пространство. Во многих модульных и дискретных конструкциях передатчиков выходная мощность передатчика намеренно устанавливается выше допустимого предела.Это позволяет разработчику использовать неэффективную антенну для достижения целей по размеру, стоимости или внешнему виду и при этом излучать максимально допустимую выходную мощность. Поскольку усиление легко реализуется в передатчике, его антенна обычно может быть менее эффективной, чем антенна, используемая в приемнике.

    Приемная антенна, с другой стороны, перехватывает электромагнитные волны, излучаемые передающей антенной. Когда эти волны падают на приемную антенну, они индуцируют в ней небольшое напряжение, вызывая протекание слабого тока той же частоты, что и первоначальный ток в передающей антенне.

    Приемная антенна должна улавливать как можно больше предполагаемого сигнала и как можно меньше других внечастотных сигналов. Кроме того, он должен обеспечивать максимальную производительность на частоте или в полосе частот, для которых предназначен приемник.

    Эффективность антенны приемника имеет решающее значение для максимального увеличения дальности действия. В отличие от антенны передатчика, законная эксплуатация которой может потребовать снижения эффективности антенны, антенна приемника должна быть оптимизирована настолько, насколько это практически возможно.

    Общие сведения о линиях передачи
    Линия передачи — это любая среда, в которой радиочастотная энергия передается из одного места в другое (рис. 1). Часто линию передачи называют «отрезком экранированного провода» или «отрезком коаксиального кабеля». Хотя технически правильные, такие случайные ссылки часто указывают на отсутствие понимания и уважения к сложному взаимодействию сопротивления, емкости и индуктивности, которое присутствует в линии передачи.

    Диаметр и расстояние между проводниками, а также диэлектрическая проницаемость материалов, окружающих и разделяющих проводники, играют решающую роль в определении свойств линии передачи. Одно из наиболее важных из этих свойств называется волновым сопротивлением.

    Характеристическое сопротивление — это омическое значение, при котором отношение напряжения к току постоянно на протяжении линии передачи. Как правило, проектировщики разрабатывают антенны, работающие с линиями передачи с характеристическим сопротивлением 50 Вт.

    Чтобы добиться максимальной передачи радиочастотной энергии из линии передачи в антенну, характеристическое сопротивление линии и антенны по частоте должно быть максимально близким. В этом случае говорят, что линия передачи и антенна согласованы.

    Когда линия передачи подключается к антенне, волновое сопротивление которой отличается от ее характеристического импеданса, возникает рассогласование. Это означает, что не вся радиочастотная энергия передается из линии передачи в антенну.Энергия, которая не может быть передана в антенну, отражается обратно в линию передачи. Поскольку эта энергия не отражается в пространстве, она представляет собой потерю.

    Отношение между прямой волной и отраженной волной известно как коэффициент стоячей волны (КСВ). Отношение между суммой прямого напряжения и отраженного напряжения обычно называют коэффициентом стоячей волны по напряжению или КСВН.

    Вторая и третья части этой статьи появятся в ближайшие дни.Во второй части мы рассмотрим работу антенны и длину антенны. В третьей части мы оценим усиление, поляризацию, согласование, диаграмму направленности и затухание, так что следите за обновлениями.

    Инженерный персонал, Linx Technologies, 1089 Медфорд-центр, корп. 137, Медфорд, Орегон 97504. Тел.: 800-736-6677; Факс: 541-471-6251.

    Обратные потери антенны и КСВН без математики

    Объяснение без математики!

    Настройка антенны VNA VSWR перед проверкой эффективности в безэховой камере

    Радиочастотная энергия распространяется по линиям передачи (коаксиальные кабели или печатные платы) так же, как звук распространяется по пустой комнате.Он восприимчив к отражениям и отскокам. Когда звуковые волны ударяются о твердые стены пустой комнаты, вы можете услышать эхо. Потери или ослабление этих отраженных волн почти нулевые ( нулевые обратные потери) . Представьте себе разницу, когда вы находитесь в гардеробной, битком набитой одеждой… никакого эха. Ткань вокруг вас поглощает звук, а потери от отражения звука высоки ( высокие обратные потери ). Когда мы посылаем RF по коаксиальному кабелю или печатной плате, мы хотим, чтобы он попал в антенну (а затем излучался в мир).Мы не хотим, чтобы он возвращался к нам, как звук в пустой комнате.

    Возвратные потери

    Это обратное отражение называется «возвратом». Обратные потери — это мера того, насколько малы «возвраты» или отражения/эхо. Нам нужна небольшая доходность, поэтому большой убыток на возвратном «эхе» — это хорошо. Меньшие обратные потери плохи и означают, что в нашу антенну поступает меньше энергии. Инженеры ВЧ часто измеряют обратные потери в логарифмической шкале «дБ», из-за чего они могут показаться более сложными, чем они есть на самом деле.Однако просто помните, что лучшие обратные потери определяются большими значениями обратных потерь, и это лучше для вашей антенны. Вот несколько примеров логарифмической шкалы или потерь в децибелах:

    Таблица обратных потерь и КСВ

    Обратные потери в дБ
    Что это значит
    Номер КСВ
    0 дБ
    100% отражение, питание в антенну не поступает, все отражено назад
    Бесконечный
    1 дБ
    80 % отражения, 20 % мощности в антенну
    17
    2 дБ
    63 % отражения, 37 % мощности в антенну
    9
    3 дБ
    50 % отражения, 50 % мощности в антенну
    6
    5 дБ
    Отражение 32 %, мощность 68 % в антенну
    3.5
    6 дБ
    25 % отражения, 75 % мощности в антенну
    3
    8 дБ
    16 % отражения, 84 % мощности в антенну
    2,3
    10 дБ
    10 дБ (10 % отражения, 90 % мощности в антенну)
    2
    15 дБ
    15 дБ (3% отражения, 97% мощности в антенну)
    1.4
    20 дБ
    20 дБ (1% отражения, 99% мощности в антенну)
    1,2

    Как видите, более высокие обратные потери означают большую мощность в антенне. Хотя здесь лучше иметь большие обратные потери, при обратных потерях выше 10 дБ мало пользы, поскольку более 90% доступной мощности уже подается на антенну. Возвратные потери выше 10 дБ не приносят практической пользы.

    КСВ

    Официально расшифровывается как коэффициент стоячей волны по напряжению. Это безразмерное отношение (без единиц измерения) является тем же параметром, что и обратные потери, только выраженным в другой шкале. КСВ несколько старомоден и часто измеряется самим передатчиком при передаче на антенну.

    Измерение обратных потерь

    Измерение обратных потерь во время проектирования или проверки антенны является мощным инструментом для повышения производительности. Без хороших обратных потерь антенна НЕ МОЖЕТ принять вашу радиочастотную энергию и, следовательно, не может иметь ее доступной для излучения.Крайне важно, чтобы целевые показатели возвратных потерь и спецификации были соблюдены. Однако обратные потери не рассказывают всей истории. Хотя это правда, что плохие обратные потери означают, что антенна не может излучать: это НЕ правда, что хорошие обратные потери гарантируют эффективное излучение антенны. К сожалению, каждую неделю мы видим в нашей лаборатории антенны, которые плохо излучают, но имеют хорошие обратные потери. Знание (а не предположение) эффективности излучения — одно из многих преимуществ тестирования антенны.

    Радиационная эффективность

    Иногда проблема заключается в том, что внутренние потери (неэффективность излучения) в антенне также могут создавать хорошие обратные потери, поскольку потерянная энергия не отражается (возвращается) в передатчик.Но как определить, вызваны ли наши хорошие обратные потери излучением (желательным) или внутренним поглощением (нежелательным)? Самый точный способ — это провести оценку антенны службой тестирования антенн и проверить ее эффективность излучения. Конечной целью большинства антенн является хорошая эффективность излучения (а не только хорошие обратные потери).

    Трюки с проверкой на скамье

    Есть еще два признака низкой эффективности излучения, которые можно проверить на испытательном стенде:

    • Близость руки: при контроле обратных потерь переместите руку в непосредственной близости от антенны на расстоянии около 6 дюймов.Если вы видите изменения обратных потерь, это означает, что антенна «взаимодействует» с окружающей средой. Это хороший признак излучения и того, что обратные потери, вероятно, не преобладают над внутренними потерями. Если ваша рука мало влияет на обратные потери, значит, ваша антенна имеет высокие внутренние потери и плохо излучает.
    • Полоса пропускания: трудно получить хорошие обратные потери в очень широком диапазоне частот. Таким образом, если наблюдаются «хорошие» обратные потери в широкой полосе частот, могут быть серьезные потери в антенне или ее согласующих компонентах.(Ваша антенна — «фиктивная нагрузка»!)
    Ваши следующие шаги

    Готовы узнать об антеннах? Сотрудничайте со службой тестирования антенн и получайте результаты. Вы можете связаться с нами здесь.

    Коэффициент усиления антенны

    Антенна усиливает направленность и сочетает в себе эффективность антенны. Это отношение голосов в основном направлении плотности мощности излучения по сравнению с эталонной антенной без потерь той же мощности питания, которая по определению имеет коэффициент усиления 0 дБ.В качестве эталонной антенны обычно выбирают дипольную антенну или гипотетический изотропный излучатель с одинаковой силой луча во всех направлениях.

    Антенны с высокими характеристиками всегда сильно чувствительны к направлению, в другом направлении, кроме основного, излучение или прием сильно подавлены. С ними вы можете достичь более удаленного передатчика или приемника. Типичными направленными антеннами являются параболическая антенна, в просторечии называемая «спутниковой тарелкой», и антенна Яги-Уда, используемая, например, для наземного телевидения.

    Расчет

    Коэффициент усиления антенны G, произведение коэффициента направленности D и КПД антенны:

    С участием

    Строго говоря, между отправкой и получением должно быть сделано каждое:

    Поскольку эффективность отправки и получения определяется по-разному (см. ниже).

    Однако часто оба КПД в первом приближении принимают равными 1:

    Из чего следует:

    В прибыль не включаются потери соединительного кабеля и контакта с разъемом антенны.

    направленность

    Направленность D антенны представляет собой отношение квадрата максимальной напряженности электрического поля Emax в направлении основного луча (или эквивалента напряженности магнитного поля Hmax) к квадрату напряженности поля Ek принятого изотропного излучателя. в дальней зоне при той же подводимой мощности и на том же расстоянии:

    Sk — плотность излучения изотропного излучателя на том же расстоянии.Оно равно квадрату создаваемых напряженностей поля, потому что это дальнее поле.

    Эффективность антенны

    КПД антенны η обозначает электрические потери антенны, например, по омическому сопротивлению линии в антенне.

    Поскольку распределение тока в антенне в случае передачи отличается от случая приема (что видно из того, что ближнее поле приемной антенны отличается от ближнего поля передающей антенны), следует различать по эффективности между режимами передачи и приема:

    • Ps0: подведенная электрическая мощность (= мощность излучения в основном, вторичном и заднем лепестках)
    • Прием: Pe0: к выходной мощности потребителя
    • Pe: поле электромагнитного излучения, полученное от электроэнергии; это определяется по эффективной площади антенны, которая пропорциональна коэффициенту усиления и квадрату длины волны электромагнитного поля.

    Применение и преимущества

    • Поскольку и передающая антенна, и приемная антенна могут быть направлены на передающую антенну, объединяя их мощность излучения в направлении приемной антенны, дальность радиолинии может быть значительно увеличена.
    • В качестве альтернативы можно сэкономить при сохранении того же диапазона мощности передачи, поскольку желаемое пространственное направление освещается с большей эффективностью.
    • При одновременном уменьшении угла раскрытия станции в нужном направлении меньше мешают.
    • Это означает, что может использоваться частота нескольких радиоканалов, если они не расположены на одном пути.
    • Поскольку принимаемая мощность зависит от правильной настройки антенны приемника, направление, в котором находится передатчик, определяется, поэтому оно будет выбрано. Это будет, например, применяется для обнаружения устройств слежения или навигации с использованием ненаправленных радиомаяков.

    Единица измерения

    Усиление антенны обычно указывается в вспомогательных децибелах (дБ). Поскольку дБ является относительной (логарифмической) величиной по отношению к эталонной антенне, она будет рассчитываться на основе эталонной антенны:

    Эталонная антенна должна быть указана:

    • Обычно усиление антенны дается по отношению к изотропному излучателю, затем записывается единица дБи (изотропный).

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.