СТЗИМОД 7. Основные параметры и показатели качества антенн 1 Введение
 Скачать 1.79 Mb.
|
|
Пример 1.10 Полуволновая резонансная дипольная антенна без потерь с входным импе- дансом 73 Ом соединена с линией передачи, волновой импеданс которой равен 50 Ом. Предполагая, что диаграмма антенны приблизительно задана 3 0 sin U B θ = , вычислить максимальное усиление с учётом потерь на рассогласование для этой антенны. Решение: Вычислим сначала максимальную направленность антенны. Для этого ( ) max 0 max 2 2 4 rad 0 0 0 0 0 max 0 rad 3 , sin 2 sin 4 16 4 1.697 3 U U B P U d d B d B U D P π π π π θ φ θ θ φ π θ θ π π = = = = = = = = ∫ ∫ ∫ Поскольку сказано, что антенна не имеет потерь, то эффективность излучения (radiation efficiency) 1 cd e = 42 Таким образом, общее максимальное усиление равно ( ) ( ) ( ) 0 0 0 10 1 1.697 1.697 дБ 10log 1.697 2.297 cd G e D G = = = = = и идентично направленности, поскольку антенна не имеет потерь. Существует другой фактор потерь, который не принимается во внимание в усилении. Это потери из-за отражения или потери из-за рассогласования между антенной и линией передачи. Эти потери учитываются в эффективности отраже- ния (reflection efficiency) из (1-44) или (1-45) и равны ( ) ( ) 2 2 10 73 50 1 1 0.965 73 50 ( дБ) 10log 0.965 0.155 r r e e − = − Γ = − = + = = − Поэтому общая эффективность ( ) 0 0.965 дБ 0.155 o r cd e e e e = = = − Таким образом, общие потери равны 0.155 дБ. Максимальное усиление с учётом потерь на рассогласование равно ( ) ( ) ( ) 0 0 0 10 0.965 1.697 1.6376 дБ 10log 1.6376 2.142 re o re G e D G = = = = = Усиление в дБ также может быть получено конвертированием направленно- сти и Эффективность излучения в дБ и сложением их. То есть ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 10 0 10 0 0 дБ 10log 1.0 0 дБ 10log 1.697 2.297 дБ дБ дБ 2.297 cd cd e D G e D = = = = = + = что совпадает с полученным нами ранее значением. Та же процедура может быть произведена и с усилением с учётом потерь на рассогласование. 43 1.11 Ширина рабочей полосы частот Ширина полосы частот определяется как «диапазон частот, внутри которого действие антенны, с учётом некоторых характеристик, происходит по установлен- ным стандартам». Ширина полосы частот может рассматриваться как диапазон частот по обе стороны от средней частоты (обычно – резонансная частота для ди- поля), при которых характеристики антенны (такие, как входной импеданс, диа- грамма, ширина луча, поляризация, уровень боковых лепестков, усиление, на- правление луча, эффективность излучения) находятся в пределах допустимых зна- чений этих характеристик для средней частоты. • Для широкополосных антенн ширина полосы частот обычно выражается в виде отношения верхней частоты к нижней для приемлемого действия. На- пример, ширина полосы частот 10:1 означает, что верхняя частота в 10 раз больше нижней. • Для узкополосных антенн ширина полосы частот выражается как отношение разности частот (верхняя минус нижняя) к средней частоте полосы частот. Например, 5% ширина полосы частот означает, что допустимый диапазон частот составляет 5% от средней частоты полосы частот. Поскольку характеристики антенны (входной импеданс, диаграмма, усиле- ние, поляризация и т.д.) не обязательно изменяются одинаковым образом или да- же находятся под влиянием частоты, не существует единственной характеристики ширины полосы частот. В каждом случае технические условия устанавливаются отдельно для того, чтобы удовлетворять потребностям отдельного случая исполь- зования. Обычно делается разграничение между диаграммой и изменениями вход- ного импеданса. Соответственно, ширина полосы пропускания и ширина полосы пропускания по полному входному импедансу используются для того, чтобы под- черкнуть это разграничение. С шириной полосы пропускания связаны усиление, уровень боковых лепестков, ширина полосы частот, поляризация и направление луча, в то время как входной импеданс и эффективность излучения связаны с ши- 44 риной полосы пропускания по полному входному импедансу. Например, диа- грамма линейного диполя с общей длиной меньше чем половина длины волны ( / 2 l λ < ) практически нечувствительна к частоте. Ограничивающим фактором для этой антенны является её импеданс, и ширина полосы пропускания по нему может быть выражена при помощи Q . Q антенн или антенных решёток с размерами, большими в сравнении с длиной волны, за исключением сверхнаправленных ан- тенн, близко к единице. Таким образом, ширина полосы частот обычно выражает- ся при помощи ширины луча, уровня боковых лепестков и характеристик диа- граммы. Для антенн средней длины ширина полосы частот может ограничиваться диаграммой или изменениями импеданса, в зависимости от конкретного случая. Для таких антенн ширина полосы частот 2:1 означает хорошую конструкцию. Для других случаев нужны большие значения ширины полосы частот. В последние го- ды были разработаны антенны с очень большими значениями (40:1 или больше). Они известны как частотно-независимые антенны. Все вышеизложенные рассуждения предполагают, что цепи связи (трансфор- маторы, трансформаторы с согласованием импеданса и т.д.) и/или размеры антен- ны никоим образом не изменяются с изменением частоты. Существует возмож- ность увеличить диапазон приемлемых частот узкополосной антенны, если можно совершить соответствующую настройку критически важных размеров антенны и/или цепей связи с изменением частоты. Несмотря на то, что это не является про- стой или возможной задачей в общем, существуют отдельные решения, в которых это может быть осуществлено. Наиболее широко распространёнными примерами являются старая гибкая штыревая антенна автомобильного радио и телевизионные «кроличьи уши». Обе конструкции имеют настраиваемые длины, которые могут быть использованы для настройки антенны для лучшего приёма. Антенны этого типа, возможность регулировки которых сделана для изменения их характеристик излучения, часто называются реконфигурируемыми антеннами. 45 1.12 Поляризация Поляризацией антенны в заданном направлении называется «поляризация волны, переданной (излучённой) антенной. Важно: когда направление не указано, по умолчанию берётся поляризация в направлении максимального усиления».. Поляризация излучённой волны – «свойство электромагнитной волны, описы- вающее изменяющееся во времени направление и относительную величину векто- ра электрического поля при наблюдении вдоль направления распространения». В таком случае, поляризация – кривая, описываемая концом вектора, представляю- щего мгновенное электрическое поле. Поле должно наблюдаться вдоль направле- ния распространения. Типичный след как функция от времени показан на рисун- ках 1.23(а) и (b). Анимация этих двух следов может быть выполнена с использова- нием программы Polarization Diagram Ellipse Animation. Поляризация волны может быть выражена при помощи волны, излучённой или принятой антенной в заданном направлении. Поляризация волны, излучённой антенной в указанном направлении в точке в дальней зоне – «поляризация пло- ской (локально) волны, которая используется для представления излучённой вол- ны в этой точке. В любой точке в дальней зоне антенны излучённая волна может быть выражена при помощи плоской волны, гапряженность электрического поля которой такая же, как у волны, которая распространяется в радиальном направле- нии от антенны. По достижении радиального расстояния бесконечности, радиус кривизны фазового фронта излучённой волны также стремится к бесконечности и, таким образом, в любом направлении волна локально представляется как плоская волна». Поляризация волн, принятых антенной – «поляризация плоской волны, приходящей с заданного направления и имеющей заданную плотность потока 46 а) Вращение вектора Е во времени б) Поляризационный эллипс Большая ось Малая ось 47 мощности, что в итоге приводит к максимальной возможной мощности на зажи- мах антенны». Поляризация может быть разделена на линейную, круговую и эллиптиче- скую. Если вектор, характеризующий электрическое поле в точке пространства как функцию от времени всегда направлен вдоль линии, поле называется линейно поляризованным. В общем случае, однако, фигура, описываемая концом вектора электрического поля, является эллипсом, а поле называется эллиптически поляри- зованным. Линейная и круговая поляризации являются частными случаями эллип- тической, и могут быть получены в случаях, когда эллипс превращается, соответ- ственно, в прямую линию или окружность. Фигура может быть получена враще- нием либо по часовой стрелке (CW) или против часовой стрелки (CCW). Враще- ние вектора по часовой стрелке также называется правой поляризацией, против часовой стрелки – левой поляризацией. В общем, поляризационные характеристики антенны могут быть представле- ны на поляризационной диаграмме направленности, которая является «простран- ственным распределением поляризаций вектора поля, возбуждённого (излучённо- го) антенной, взятых на на поверхности сферы излучения. При описании поляри- заций за пределами сферы излучения, или её части, вокруг сферы будут обозначе- ны оси координат для измерения углов наклона (см. угол наклона) эллипсов поля- ризации и направление поляризации для линейных поляризаций. Очевидным, но ни в коем случае не единственно возможным выбором, является семейство каса- тельных в каждой точке сферы к координатным линиям θ или φ , связанным со сферической системой координат. В каждой точке сферы излучения поляризация обычно раскладывается на пару ортогональных поляризаций, основную и попереч- ную поляризации. Для возможности этого основная поляризация должна быть оп- ределена в каждой точке сферы излучения». «Основная поляризация представляет поляризацию, которую антенна должна излучать (принимать), в то время как по- 48 перечная поляризация представляет поляризацию, ортогональную к определённой, в качестве которой обычно выступает основная.» 1.12.1 Линейная, круговая, эллиптическая поляризации A. Линейная поляризация Для того, чтобы волна имела линейную поляризацию, разность фаз между двумя компонентами должна быть , 0,1, 2,3,... y x n n φ φ φ π ∆ = − = = (1-58) B. Круговая поляризация Круговая поляризация может быть достигнута только когда величины двух компонент равны и разность фаз между ними при делении на / 2 π даёт нечётное число. То есть E E x y xo yo E E = ⇒ = (1-59) 1 2 , 0,1, 2,3,... по часовой 2 1 2 , 0,1, 2,3,... против часовой 2 y x n n n n π φ φ φ π + + = ∆ = − = − + = (1-60)(1-61) Если направление распространения волны обратно (т.е. в положительном направ- лении оси z ), фазы в (1-60) и (1-61) для вращения по часовой и против часовой стрелки нужно поменять местами. C. Эллиптическая поляризация Эллиптическая поляризация может быть достигнута только когда разность фаз между двумя компонентами при делении на / 2 π даёт нечётное число и их ве- личины не равны или разность фаз между двумя компонентами не делится на / 2 π (вне зависимости от их величин). 49 Для эллиптической поляризации фигура, описанная в заданной положении как функция от времени в общем случае является наклонённым эллипсом, как по- казано на рисунке 1.23(b Выводы Подведём итог вышеизложенным рассуждениям о поляризации путём вве- дения основных характеристик, а также необходимых и достаточных условий, ко- торые должны охватывать линейную, круговую или эллиптическую поляризации. Линейная поляризация. Гармоническая волна во времени линейно поляризова- на в заданной точке пространства, если вектор электрического (магнитного) по- ля в этой точке всегда направлен вдоль одной и той же прямой в любой момент времени. Это выполняется, если вектор поля (электрического или магнитного) имеет: a. Только одну компоненту или b. Две линейных компоненты, разность фаз между которыми кратна π Круговая поляризация. Гармоническая волна во времени поляризована по кругу в заданной точке пространства, если вектор электрического (магнитного) поля в этой точке описывает окружность как функцию от времени. Необходимыми и достаточными условиями для вектора поля являются сле- дующие: a. Поле должно иметь две ортогональные линейные компоненты, b. Обе компоненты должны иметь одну величину, c. Компоненты должны иметь разность фаз, кратную нечетному числу / 2 π Направление вращения всегда определяется вращением опережающей по фазе компоненты в сторону отстающей по фазе и наблюдением за вращением поля вдоль направления распространения волны.. Если вращение происходит по часо- вой стрелке, волна имеет правую круговую поляризацию; если вращение происхо- дит против часовой стрелки, волна имеет левую круговую поляризацию. Враще- 50 ние опережающей по фазе компоненты в сторону отстающей по фазе должно осуществляться в ту сторону, в которой угол между компонентами меньше 180 ° Фазы, большие либо равные 0 ° и меньшие 180 ° должны рассматриваться в качестве опережающих, в то время как большие либо равные 180 ° и меньшие 360 ° должны рассматриваться в качестве отстающих. Эллиптическая поляризация Гармоническая во времени волна поляризована эллиптически в заданной точке пространства, если конец вектора электрическо- го (магнитного) поля в этой точке движется в пространстве по эллиптической траектории. С течением времени вектор поля изменяется таким образом, чтобы двигаться по эллиптической траектории. Волна имеет правую эллиптическую поляризацию, если вектор вращается по часовой стрелке и левую эллиптическую, если против часовой [13]. Направление вращения определяется при помощи тех же правил, что и для круговой поляризации. В дополнение к направлению враще- ния эллиптически поляризованные волны также определяются их осевым отно- шением, которое равно отношению большой оси к малой. Волна является эллиптически поляризованной, если не поляризована линейно или по кругу. Несмотря на то, что линейная и круговая поляризации являются ча- стными случаями эллиптической, обычно на практике эллиптическими они не на- зываются. Необходимыми и достаточными условиями для выполнения этого яв- ляются: a. Поле должно иметь две ортогональные линейные компоненты b. Они могут быть одной или разной величины. c. (1) Если две компоненты разные по величине, разность фаз не должна быть равна 0 или быть кратна π (поскольку тогда поляризация будет линейной). (2) Если две компоненты имеют одинаковую величину, разность фаз между ними не должна при быть равна нечетному числу / 2 π ( если четному, то тогда поляризация будет круговой). 51 Рисунок 1.26 – Геометрия эллиптически поляризованной антенны с перекрёстны- ми диполями 1.13 Входной импеданс Входным импедансом называется «импеданс антенны на её зажимах, или от- ношение напряжения к силе тока на паре зажимов или отношение соответствую- щих компонент электрического поля к компонентам магнитного в точке». В этом разделе наибольший интерес для нас представляет входной импеданс на паре за- жимов, которыми являются входные зажимы антенны. На рисунке 1.27(а) эти за- жимы обозначены как a b − . Отношение напряжения к силе тока на этих зажимах без нагрузки определяет импеданс антенны как A A A Z R jX = + (1-72) где A Z − импеданс антенны на зажимах a b − (Ом), A R − сопротивление ан- тенны на зажимах a b − (Ом), A X − реактивное сопротивление антенны на зажи- мах a b − (Ом) 52 Рисунок 1.27 – Передающая антенна и её эквивалентные цепи В общем, сопротивление в (1-72) состоит из двух частей: A r L R R R = + (1-73) где r R - сопротивление излучения антенны, L R - сопротивление потерь антенны. Если предположить, что антенна присоединена к генератору с внутренним импедансом g g g Z R jX = + (1-74) где A R − сопротивление генераторного импеданса (Ом), |