Материал: 736
25
Необходимо помнить, что эти свойства относятся по отдельности к характеристикам излучения и к входным параметрам антенны.
Электрическая прочность
Электрическая прочность антенны, как и электрическая прочность устройств СВЧ, определяется наибольшей мощностью, пропускаемой антенной, или максимальной напряжённостью поля между токонесущими элементами антенны, начиная с которой происходит пробой. Эти значения называются критическими. Они ограничивают предельно допустимую мощность в антенне. Разрешённая для эксплуатации мощность выбирается обычно в четыре раза меньше предельно допустимой, поскольку в режиме стоячей волны напряжённость электрического поля в максимуме в два раза больше напряжённости поля в режиме бегущей волны.
Во время пробоя или разряда закорачиваются отдельные элементы антенны, появляются дополнительные направления распространения тока, что приводит к рассогласованию и резкому снижению мощности излучения. При переходе разряда в дуговой происходит значительное выделение тепла, разрушение диэлектрика и его возгорание.
Эффективная длина
Эффективная (действующая) длина линейной антенны с неравномерным распределением тока это длина такой линейной антенны с синфазным равноамплитудным распределением тока, которая при одинаковых токах в одних и тех же сечениях отсчета, например на входе, создает в свободном пространстве такую же напряженность поля в направлении максимума излучения, что и искомая антенна.
Для прямолинейной антенны длиной L с синфазным распределением тока I(z), если ось z совпадает с осью антенны, имеем
l |
|
= |
1 |
L∫ |
эф |
|
|||
|
|
I0 0 |
||
|
|
|
||
I (z)dz, |
(1.41) |
где I0=const. Обычно I0 равно амплитуде тока на входе антенны или в максимуме распределения I(z) (см. рис. 1.5).
Рис. 1.5. Эффективная длина антенны
Геометрический смысл интеграла – площадь, ограниченная координатной осью и графиком функции. Заштрихованы “ площади токов”, которые в дан-
26
ном случае должны быть равны между собой. Поэтому всегда lэф ≤ L . Для
эффективной длины антенны известна также формула |
|
||||||||
l = λ |
|
D0 RΣ |
|
= λ |
|
G0 Rвх |
|
. |
(1.42) |
|
|
||||||||
эф |
πw |
πw |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1.5. Приёмные антенны и их радиотехнические параметры
Процесс приёма заключается в преобразовании радиоволн, принятых антенной, в направляемые волны фидерного тракта, поступающие затем на вход приёмника. Следует подчеркнуть, что как бы тщательно не конструировались антенна, фидерный тракт и приемное устройство, падающая на антенну мощность не может полностью поступить в приемник, поскольку часть ее рассеивается в окружающем пространстве. Способ отбора энергии от антенны в приёмник зависит от её конструктивных особенностей и диапазона частот. Он может быть электрическим, если фидер включён в разрыв проводника с протекающим по нему электрическим током (например, электрические вибраторные антенны); магнитным, если используются щели; и электромагнитным – при использовании волноводов.
Эквивалентная схема приёмной антенны приведена на рис. 1.6. На схеме: ZА=RА + iXА – внутреннее сопротивление антенны; ZПР – сопротивление приёмника. Сопротивление RА характеризует принятую антенной активную
ZА
|
|
|
Рис. |
1.6. |
Эквивалентная |
|
|
|
|
||||
ε |
|
|
||||
ZПР |
схема |
цепи |
приёмной ан- |
|||
|
||||||
|
|
|
тенны |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
мощность и мощность суммарных потерь в антенне, а мнимая часть (XА) связана с реактивной мощностью. Внутреннее сопротивление антенны определяется только ее конструкцией. По отношению к приёмнику антенна является генератором с сопротивлением ZА и ЭДС ε , которая определяется напряжённостью поля и поляризацией падающей волны в месте расположения приёмной антенны. Комплексная амплитуда тока в цепи равна
I&А |
= |
|
ε |
|
. |
(1.43) |
|
|
|
||||
(Z А |
+ Z |
|
||||
|
|
ПР ) |
|
|||
Отсюда видно, что при фиксированной ЭДС мощность, выделяемая в приёмнике, будет зависеть как от сопротивления антенны, так и от сопротивления приёмника.
ЭДС, возбуждаемая в приёмной антенне, через напряжённость электрического поля Е действующей на антенну волны определяется по формуле Неймана
|
|
27 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ε = Eλ |
G0 Rвх |
|
|
|
(θ ,ϕ ) cos χ , |
|
||
|
F |
(1.44) |
||||||
|
||||||||
|
|
πw |
|
|||||
где χ – угол между плоскостями поляризации приёмной антенны и передающей антенны или плоскостью поляризации пришедшей волны. Максимальное значение ЭДС достигается при условии
|
|
(θ , ϕ ) = 1, χ = 0, |
(1.45) |
F |
т.е. когда плоскости поляризации приёмной антенны и пришедшей волны совпадают и антенна максимумом ДН ориентирована в направлении прихода волны. С учётом (1.42) для линейных антенн вместо (1.44) можно также записать
ε = Elэф × |
|
(θ ,ϕ ) cos χ . |
|
F |
(1.46) |
На основании принципа взаимности можно показать, что основные параметры антенны в передающем режиме также характеризуют антенну и в режиме приёма. Для одной и той же антенны справедливо следующее:
∙нормированные диаграммы направленности в режиме приёма и передачи одинаковы;
∙входное сопротивление в режиме передачи равно её внутреннему сопротивлению в режиме приёма Zвх=ZА;
∙эффективная длина антенны в режиме приёма равна эффективной длине антенны в режиме передачи.
Так как КНД, КПД, КУ и другие параметры антенны однозначно опре-
деляются через перечисленные выше характеристики, то они также одинаковы при работе антенны в режимах приёма и передачи. Но у приёмной антенны есть и свои специфические параметры. Один из них называется шумовой температурой ТА, а другой – эффективной площадью приёмной антенны
Sэф (θ,ϕ ).
Здесь необходимо сделать замечание, что в режиме приёма антенна не всю падающую на неё мощность передаёт в нагрузку. Часть её отражается от антенны и рассеивается в окружающем пространстве. И эту мощность нельзя определить только через характеристики и параметры антенн в режиме передачи, поскольку распределения тока или поля у передающих и приёмных антенн будут отличаться. Это связано с тем, что способы возбуждения антенн различны: в режиме передачи антенна возбуждается сосредоточенными источниками, а в режиме приёма – распределёнными, под действием поля падающей плоской волны.
Эффективная площадь
Эффективная площадь антенны Sэф(θ,ϕ) – это параметр, имеющий размерность площади и связывающий между собой величину радиальной составляющей вектора Пойнтинга приходящей волны и мощность РПР, выделяемую в согласованной нагрузке (приёмнике) антенны,
28 |
|
PПР(θ,ϕ) = Пr × Sэф(θ,ϕ) . |
(1.47) |
Эффективная площадь антенны через диаграмму направленности зависит от направления приема и угла между плоскостями поляризации приходящей волны и приемной антенны. Эта зависимость выражается формулой
S (θ,ϕ)=S × |
|
2(θ,ϕ)cosχ, |
|
|
F |
(1.48) |
|||
эф |
эф |
|
||
где Sэф – значение в направлении максимума диаграммы направленности и при условии согласования по поляризации (χ = 0). При проектировании антенн полезна формула, связывающая Sэф и КНД в направлении максимума диаграммы направленности,
S |
|
= |
λ2 |
D |
(1.49) |
эф |
|
||||
|
|
4π |
0 . |
||
|
|
|
|
|
На основании этих формул можно дать такое определение: Sэф – это поверхность фронта плоской электромагнитной волны, с которой антенна “ собирает” и передает в согласованную нагрузку принимаемую мощность с направления максимума ДН и при полном совпадении поляризации падающей волны и приёмной антенны и при отсутствии в антенне потерь. Иногда в Sэф включают потери и тогда правую часть (1.49) необходимо умножить на КПД. Для апертурных антенн эффективная площадь связана с размерами раскрыва и не превышает геометрической площади раскрыва.
Для линейных антенн эффективная площадь вводится формально и пропорциональна квадрату эффективной длины антенны
Sэф |
= |
w |
lэф |
2 |
, |
(1.50) |
|
|
|||||
|
|
4RΣ |
|
|
|
|
где w – волновое сопротивление среды.
Для апертурных антенн вводят также коэффициент использования по-
верхности апертуры (КИП) |
|
ν = Sэф S , |
(1.51) |
где S – геометрическая площадь раскрыва.
Коэффициент использования поверхности зависит от амплитудно-фазового распределения поля в апертуре антенны и обычно меньше единицы. Только
для синфазного равноамплитудного распределения ν = 1.
Шумовая температура
Шумы в диапазоне СВЧ могут создаваться как техногенными источниками, так и отражениями от поверхности земли и окружающих предметов, а также источниками внеземного происхождения. Это – прежде всего радиоизлучение Солнца, других звёзд и галактик. Абсолютный уровень этих помех, как правило, очень мал. Поэтому имеет смысл увеличивать чувствительность приёмника, снижая уровень его собственных шумов. Чувствительность СВЧ приёмника может быть доведена до 10-18 ... 10-20 Вт. При столь
29
высокой чувствительности заметную роль начинают играть помехи, вызванные тепловым движением электронов в АФУ, или внутренний шум АФУ.
Поскольку как внутренние, так и внешние шумы по своему воздействию эквивалентны, принято их суммарное действие оценивать с помощью единого параметра, называемого шумовой температурой антенны TA и выражаемого в градусах Кельвина (К). Шумовая температура приписывается внутреннему сопротивлению антенны RA и позволяет подводимую к согласованному с ней приёмнику мощность шумов PША в некоторой полосе частот f оценивать по формуле
PША = κTA × Df ,
где κ =1,38 ×10−23 Вт
Гц× К – постоянная Больцмана.
Тем самым мы осуществляем замену всех шумов тепловыми шумами внутреннего сопротивления антенны.
Шумовую температуру антенны TA можно представить в виде
|
TA = TAT + TA∑ , |
(1.52) |
где ТАТ – |
температура за счет тепловых шумов, |
|
ТАΣ – |
температура шумового излучения внешних источников. |
|
Для ТАТ известна простая формула |
|
|
|
TAT = T0 × (1 -η) , |
(1.53) |
где Т0 – |
температура окружающей среды в градусах Кельвина. |
|
Таким образом, шумовая температура антенны ТАТ зависит |
от КПД |
|
антенно-фидерного тракта, температуры окружающей среды и не зависят от характеристик излучения антенны. С ростом КПД эти шумы уменьшаются.
Внешние шумы возникают из-за приёма антенной сигналов из окружающего пространства и зависят как от формы ДН антенны, так и от углового распределения самих шумов в пространстве, которое характеризуется так
называемой яркостной температурой ТЯ (θ,ϕ) . Для ТА∑ известно выраже-
ние
|
ηD0 |
2π |
π |
(θ,ϕ) |
|
2 (θ,ϕ)sin θdθ. |
|
|
ТАΣ = |
∫ dϕ∫ТЯ |
|
|
|||||
F |
(1.54) |
|||||||
4π |
||||||||
|
0 |
0 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
Заметный вклад в ТЯ могут вносить источники внеземного происхождения. Их вклад для различных геофизических условий (географических координат точек на поверхности Земли, времён года и суток, состояния солнечной активности) определяется радиоастрономическими методами. Для
уменьшения ТА∑ необходимо повышать направленность и снижать уровни заднего и боковых лепестков ДН антенны .
Энергетические соотношения в цепи приёмной антенны
На низких частотах антенны с фидерным трактом соединяются посредством электрического контакта. Приёмники имеют высокое входное со-