Уч пособие ЭМС_2. Е. М. Виноградов

• Название: Е. М. Виноградов
• Анкор: Уч пособие ЭМС_2.doc
• Дата: 03.02.2017
• Размер: 3.78 Mb.
• Имя файла: Уч пособие ЭМС_2.doc
• Тип: Анализ; #2074
• страница: 26 из 35

10. Описание антенных устройств в задачах ЭМС

1. Некоторые общие сведения о характеристиках антенн

Антенна является устройством преобразования пространственных электромагнитных волн и напряжений или токов в линиях передач. При излучении антенна преобразует электрические сигналы в радиоволны. При приеме происходит обратный процесс, и антенна преобразует электромагнитные волны в электрические сигналы. При анализе ЭМС радиоэлектронных средств различного назначения, в состав которых входят радиопередающие и радиоприемные устройства, антенны выполняют оба преобразования.

Большинство антенн являются пассивными структурами, для которых справедлив принцип взаимности. Согласно этому принципу все свойства антенн, которые определяются отношением полей, остаются одними и теми же вне зависимости от того, используется ли антенна для излучения или для приема радиоволн. Технически принцип взаимности для антенн характеризуется обратимостью их взаимодействия: при взаимной перемене передающей и приемной антенн результат взаимодействия антенн не изменяется. Принцип взаимности позволяет определять ряд характеристик антенн в режиме излучения, а использовать эти характеристики в режиме приема. Принцип взаимности позволяет также использовать в задачах оценки ЭМС одни и те же математические модели антенн для радиоприемных и радиопередающих устройств, поскольку эти модели используют свойства антенн, определяющиеся отношением полей.

В качестве основной математической модели антенны в задачах ЭМС используется математическое описание диаграммы направленности антенны. Все реальные антенны являются направленными, излучающими в некоторых направлениях больший уровень мощности, чем в остальных. Когда антенна используется в режиме приема, это означает, что электромагнитная волна, поступающая в антенну, с некоторых направлений создает на ее нагрузке сигнал более высокого уровня, чем с других направлений. Даже, если антенна является ненаправленной (говорят также «всенаправленной»), например, в горизонтальной плоскости, она обладает определенной направленностью в вертикальной плоскости. Исключение составляет гипотетическая изотропная антенна, которая без потерь излучает подведенную к ней мощность одинаково во всех направлениях и одинаково реагирует на одну и ту же напряженность поля, поступающего с любого направления.

Обычно, характеризуя направленные свойства антенны, говорят о ее коэффициенте усиления в определенном направлении. На самом деле антенна, состоящая из пассивных элементов, не усиливает подведенную к ней мощность, а только распределяет ее в пространстве, но так, чтобы использовать ее наилучшим образом для намеченной цели.

Кроме коэффициента усиления для описания направленных свойств антенны используются такие понятия, как коэффициент направленного действия (КНД) и диаграмма направленности антенны (ДНА). Все эти понятия: коэффициент усиления антенны, КНД и ДНА – связаны между собой, и рассматривать их лучше, начиная с КНД.

П
онятие коэффициента направленного действия можно продемонстрировать на следующем визуальном примере. Рассмотрим эластичную сферу, заполненную несжимаемой жидкостью (рис. 10.1, а). Пусть точка в центре сферы изображает изотропный излучатель, который во всех направлениях имеет одинаковую интенсивность излучения, а радиус этой сферы r₀ пропорционален интенсивности излучения. Под интенсивностью излучения понимают мощность, излученную в единичном телесном угле. Деформируем сферу, сжав ее в некоторой области ее поверхности. Учитывая, что сфера заполнена несжимаемой жидкостью, и, следовательно, объем жидкости должен оставаться неизменным, сфера растянется в других направлениях, изменив свою форму, например, как это представлено на рис. 10.1, б. Расстояние от центральной точки сферы до точек новой поверхности будет теперь неодинаковым, хотя среднее расстояние останется равным исходному радиусу r₀. Расстояние r_d от центра до точки на деформированной поверхности теперь будет пропорционально интенсивности излучения в направлении, определяемом этой точкой. Гипотетическая антенна, размещенная в деформированной фигуре, не усиливает подведенную к ней мощность, но обладает способностью направлять излучаемую мощность в определенном направлении (или направлениях). Отношение расстояния r_d от этой антенны до любой конкретной точки на новой поверхности к среднему расстоянию (или радиусу исходной сферы) r₀ называется коэффициентом направленного действия антенны. Таким образом, КНД в определенном направлении представляет собой отношение интенсивности излучения в этом направлении идеальной антенны без потерь к интенсивности излучения изотропной антенны, когда к антеннам подведены одинаковые мощности. Обычно указывают максимальное значение КНД.

Реальная антенна отличается от идеальной тем, что в ней присутствуют потери, например, омические потери, приводящие к тому, что часть мощности, поступающей в антенну, не излучается в окружающее пространство, а превращается в тепло, т. е. реальная антенна имеет к.п.д. меньший единицы. Произведение КНД на к.п.д. антенны определяет коэффициент усиления антенны:

g = D,

где g – коэффициент усиления антенны (в разах);  - к.п.д. антенны; D – КНД антенны.

,

где R_r – сопротивление излучения антенны. Сопротивление излучения антенны – это сопротивление, которое будучи поставленным вместо антенны, поглощает такую же мощность, какую излучает антенна; R₀ – сопротивление омических потерь антенны; R_i – полное сопротивление антенны.

Из определения коэффициента усиления антенны следует, что в отличие от КНД, где рассматривается идеальная антенна, коэффициент усиления показывает, как по отношению к изотропному излучателю перераспределяет мощность в пространстве реальная антенна. Если коэффициент усиления антенны в каком-то направлении больше единицы, то интенсивность излучения реальной антенны в этом направлении больше интенсивности излучения изотропной антенны (при одинаковых мощностях, подведенных к антеннам) в число раз равное коэффициенту усиления антенны. Если коэффициент усиления антенны в каком-то направлении меньше единицы, то интенсивность излучения реальной антенны будет меньше интенсивности излучения изотропной антенны в соответствующее число раз.

В качестве эталонной антенны, по отношению к которой определяется коэффициент усиления реальной антенны, иногда используется полуволновой диполь. Коэффициент усиления антенны в этом случае определяют относительно максимума излучения полуволнового диполя. Поскольку эталонные антенны могут различаться, одно из определений коэффициента усиления антенны формулируется следующим образом: «Коэффициент усиления антенны – это отношение мощности на входе эталонной антенны без потерь к мощности, подводимой к входу рассматриваемой реальной антенны, при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля или плотности потока мощности».

Коэффициент усиления антенны обычно выражают в децибелах. В дальнейшем для коэффициента усиления антенны, выраженного в децибелах, будем использовать обозначение G, для обозначения коэффициента усиления антенны в разах – обозначение g. Если в качестве эталонной антенны используется изотропная антенна (наиболее частый случай), то усиление антенны, выраженное в децибелах, обозначают dBi. Если в качестве эталонной антенны используется полуволновой диполь, усиление в децибелах обозначают dBd. Между коэффициентами усиления, выраженными в dBi и dBd, существует связь, а именно:

G[dBi] = G[dBd] + 2.15 (10.1)

В спецификациях на антенны обычно указывают максимальный коэффициент усиления антенны, выраженный в dBi.

В общем случае при приеме электромагнитных волн для преобразования параметров электромагнитного поля в параметры электрических сигналов на выходе антенны могут быть использованы и другие параметры антенны, такие как действующая высота антенны h_д, или эффективная площадь апертуры антенны A_эф, которые, как и коэффициент усиления антенны, зависят от направления прихода электромагнитной волны.

Действующая высота антенны h_д, м, является коэффициентом пропорциональности, связывающим напряженность электромагнитного поля E, В/м, в месте установки антенны с эдс e, В, на зажимах антенны:

e = h_д E

Поскольку действующая высота антенны определяется как отношение напряжения на разомкнутом выходе антенны к напряженности падающего поля, то действующая высота антенны не зависит от сопротивления нагрузки.

Эффективная площадь апертуры антенны A_эф [м²] является коэффициентом пропорциональности, который связывает плотность потока мощности электромагнитного поля П [Вт/м²] в месте установки антенны с мощностью P_а [Вт], принимаемой антенной:

P_а = A_эф П

Коэффициент усиления антенны g, действующая высота h_д и эффективная площадь апертуры антенны A_эф связаны между собой соотношением:

,

где λ – длина волны электромагнитного поля; Z₀ = 120π ≈ 377 Ом – волновое сопротивление свободного пространства.

Связь между эффективной площадью апертуры антенны и коэффициентом усиления определяет соотношение:



Основной характеристикой антенн, математическое описание которой рассматривается как математическая модель антенны, является диаграмма направленности антенны. Диаграмма направленности антенны (ДНА) представляет собой зависимость коэффициента усиления антенны от направления G(φ, θ), где φ, θ – углы, определяющие направление (азимут и угол места, соответственно), в котором рассматривается коэффициент усиления. Выраженная в децибелах, ДНА характеризует также относительное распределение поля в пространстве.

Диаграмма направленности антенны имеет лепестковую структуру, в которой наибольший лепесток в трехмерном пространстве называется главным лепестком (ГЛ). Через главный лепесток антенна излучает и/или принимает наибольшую мощность. В некоторых случаях антенна может иметь несколько главных лепестков. В любом случае именно через главный лепесток осуществляется передача и/или прием полезной информации. Другие лепестки ДНА, не предназначенные для передачи или приема сигнала, называются боковыми лепестками (БЛ). Лепесток, имеющий направление противоположное ГЛ, называется задним лепестком. Чем выше уровень боковых лепестков, тем вероятнее, что антенна может создать или принять помеху по боковым лепесткам ДНА.

Диаграмма направленности антенны является характеристикой, которая измеряется для каждой антенны. Информация о ДНА представляется двумя ортогональными сечениями: сечением в горизонтальной и сечением в вертикальной плоскости. Эти сечения именуются соответственно диаграммой направленности в горизонтальной плоскости и диаграммой направленности в вертикальной плоскости.

В спецификациях на антенну обычно приводят нормированные ДНА в горизонтальной и в вертикальной плоскости. Помимо диаграмм направленности указывают коэффициент усиления антенны по главному лепестку (максимальный коэффициент усиления), ширину ГЛ ДНА по уровню половинной мощности (–3 дБ) в горизонтальной и в вертикальной плоскости, диапазон рабочих частот антенны. Кроме того, могут быть указаны максимальный уровень боковых лепестков и отношение коэффициентов усиления по главному и заднему лепесткам.