В часть 1 настоящего пособия включены лекции, читаемые в рамках тем 24 программы дисциплины Устройства свч и антенны
 Скачать 1.21 Mb.
|
|
d d F F D . (1.9) Обычно, когда говорят о КНД, имеют ввиду его максимальное значение. Оно соответствует направлению максимума ДНА, где 1 ) , ( = ϕ θ F . При этом ∫ ∫ = π π θ ϕ θ ϕ θ π 2 0 0 2 max sin ) , ( 4 d d F D . (1.10) Сравнивая (1.9) и (1.10), можно записать . (1.11) Расчет D max по формуле (1.10) является достаточно трудоемким, поэтому для его ориентировочной оценки допускают, что в пределах главного лепестка 1 ) , ( = ϕ θ F , аза его пределами 0 ) , ( = ϕ θ F . Поскольку размеры главного лепестка определяются величинами p 5 , 0 и p 5 , 0 2 ϕ , выражение (1.10) приводится к виду p p D 5 , 0 5 , 0 max 2 2 4 ϕ θ π = . (1.12) Если учесть, что часть мощности уходит в боковые лепестки, а также неравномерность излучения в пределах главного, то следует ввести коэффициент потерь п, среднюю величину которого можно принять равным 0,6...0,7. Тогда ] [ 2 2 32000 25000 ] [ 2 2 4 5 , 0 5 , 0 5 , 0 п max град рад k D p p p p ϕ θ ϕ θ π − = = . (1.13) 14 1.1.6. Коэффициент полезного действия Коэффициент полезного действия - это отношение мощности, излучаемой антенной, к полной мощности, которая подводится к ее входу. Полная мощность Р вх складывается из мощности излучения Р изл и мощности потерь Р пoт (часть мощности, расходуемая на тепло. Следовательно, пот изл изл вх изл P P P P P A + = = η . (1.14) Для большинства антенн РЛС этот показатель высоки обычно больше 0.9. 1.1.7. Максимальный коэффициент усиления Коэффициент усиления ) , ( ϕ θ G показывает, во сколько раз мощность, подводимая к ненаправленной антенне, не имеющей потерь, должна быть больше мощности, подводимой к конкретной антенне, при условии равенства полей, возбуждаемых этими антеннами в направлении θ, ϕ. КУ антенны имеет тоже определение, что и КНД, но предполагает, что антенна не является идеальным излучателем, а имеет потери при преобразовании токов в ее элементах в тепло. Поэтому коэффициент усиления меньше КНД: A D G η ϕ θ ϕ θ ⋅ = ) , ( ) , ( и A D G η ⋅ = max max . (1.15) Для большинства антенн РЛС значение КУ мало отличается от КНД. 1.1.8. Сопротивление излучения Формально сопротивление излучения - это коэффициент, связывающий мощность излучения и ток в антенне - . Это активное сопротивление как бы присутствует в антенне и на нем рассеивается мощность, излучаемая антенной в пространство. Сопротивление излучения определяется по формуле Σ = R I P 2 изл 5 , 0 ∫ ∫ = Σ π π ϕ θ θ ϕ θ π 2 0 0 2 sin ) , ( 120 1 d d f R . (1.16) 1.1.9. Входное сопротивление антенны Входное сопротивление Z вх определяется как отношение комплексной амплитуды напряжения к комплексной амплитуде тока на входе антенны вх U& вх I& вх вх вх вх вх jX R I U Z + = = . (1.17) Активная составляющая входного сопротивления характеризует расходуемую в антенне мощность, которая представляет собой сумму мощности излучения и мощности потерь пот вх P P P + = Σ соответственно пот вх R R R + = Σ . (1.18) Если КПД антенны высок, то ф R X R R ρ = ≈ ≈ Σ Σ Σ , 0 , вх - волновое сопротивление фидера. Z вх обычно определяется экспериментально, зависит от частоты и нередко определяет диапазонные свойства антенны. 1.1.10. Предельная мощность излучения антенны При повышении мощности, излучаемой антенной, вблизи нее растет напряженность электрического поля Е. Если токонесущие части антенны окружены воздухом, то при E >30 кВ/см наступает электрический пробой, нарушающий нормальную работу антенной системы. Таким образом, предельно допустимая мощность излучения определяется из условия E< 30 кВ/см в точке максимальной напряженности поля вблизи поверхности антенны. Рабочую мощность выбирают в 2-3 раза меньше предельно допустимой. Величина предельно допустимой мощности излучения обычно определяется экспериментально. 1 . 2 . Основные радиотехнические характеристики и параметры приемных антенн Приемная антенна преобразует энергию ЭМВ в энергию токов высокой частоты. Таким образом, ее можно рассматривать как генератор переменного тока, нагруженный на входное сопротивление приемника. Как у любого генератора у антенны можно выделить внутреннее (входное) сопротивление Z вх , а систему "приемная антенна - нагрузка (приемник" представить в виде эквивалентной схемы (рис. 1.9). Основными вопросами, на которые требуется ответить при анализе приемных антенн, являются следующие 1) каковы будут величины ЭДС "е" и тока "I" в приемной антенне при в х Z н I e Рис. 1.9 заданной напряженности поля "Е" радиоволн, падающих на антенну 2) как зависят эти величины от направления прихода и поляризации падающей на антенну волны 3) какова величина мощности, отдаваемой приемной антенной приемнику 4) каковы основные радиотехнические характеристики и параметры приемных антенн. Исследование приемной антенны можно производить двумя различными методами. Первый из них состоит в непосредственном анализе воздействия приходящей волны на приемную антенну, которую при этом мысленно разбивают на элементарные участки и находят ЭДС, наводимую в каждом ее элементе. ЭДС на выходе антенны рассчитывается как сумма частных ЭДС в каждом элементе. По суммарной ЭДС определяется ток в антенне. Данный метод достаточно просто реализуется применительно к вибраторной антенне, но оказывается сложным по отношению к антеннам произвольной формы. В связи с этим обычно пользуются вторым методом. Он основан на принципе взаимности, известном из теории четырехполюсников. 1.2.1. Принцип взаимности Его суть применительно к радиолинии заключается в следующем. Две антенны - передающая и приемная - и пространство между ними, заполненное изотропной линейной средой, представляются в виде четырехполюсника рис. 1.10). Рис. 1.10 Полюсами являются клеммы антенн. Если антенну А использовать в качестве передающей, а А - в качестве приемной, ток А подводится ЭДС , формируется электромагнитное поле ив А наводится ток Если антенны поменять ролями, те. в качестве приемной использовать А, а А - в качестве передающей с подводимой ЭДС , тов антенне А возникнет ток . 2 e& 1 I& Принцип взаимности применительно к антеннам означает, что 1 2 2 1 I e I e & & & & = . (1.19) Соотношение (1.19) позволяет определить свойства и параметры антенны при работе в режиме приема, если известны следующие ее характеристики и параметры в режиме передачи Z вх - входное сопротивление (пот вх ; R R R jX R Z Z вх вх вх A + = + = = Σ ); Σ R - сопротивление излучения ( ∫ ∫ = Σ π π ϕ θ θ ϕ θ π 2 0 0 2 sin ) , ( 120 1 d d f R ); max D - максимальный КНД; ) , ( ϕ θ F - нормированная диаграмма направленности антенны по полю. Амплитуда ЭДС, наводимой в приемной антенне, равна ), , ( 120 max ϕ θ π λ F D R E e Σ ⋅ = (1.20) где Е - амплитуда напряженности электрического поля передающей антенны вместе размещения приемной. Амплитуда тока I в приемной антенне определяется величиной ЭДС е и суммарным сопротивлением антенны и нагрузки (см. рис. 1.9): ) , ( 120 max ϕ θ π λ F D R Z Z E Z Z e I н вх н вх Σ ⋅ + ⋅ = + = . (1.21) Таким образом, ЭДС и ток в приемной антенне выражены через ее параметры в режиме передачи. Формулы (1.20) и (1.21) предполагают, что поляризации антенн одинаковы. Следует заметить, что под поляризацией приемной антенны понимают ее поляризацию в режиме передачи. 1.2.2. Связь параметров приемной антенны при ее работе на прием и передачу Основными характеристиками и параметрами приемной антенны являются те же характеристики и параметры, что и для передающих. Исключение составляют сопротивление излучения и допустимая излучаемая мощность. Определения характеристики параметров приемной антенны отличаются от соответствующих определений для передающей. Диаграмма направленности приемной антенны – это зависимость амплитуды ЭДС (или тока) в приемной антенне от направления прихода ( θ , ϕ ) плоской электромагнитной волны при постоянной напряженности поля вместе приема. Из выражений (1.20) и (1.21) видно, что указанная в определении зависимость выражается функцией ) , ( ϕ θ F , которая является нечем иным, как нормированной диаграммой направленности антенны при ее работе в режиме передачи. Следовательно, нормированные ДНА в режимах приема и передачи совпадают, и ) , ( ) , ( ϕ θ ϕ θ F F np = . (1.22) Коэффициентом направленного действия (КНД) в направлении ( θ , ϕ ) называется отношение мощности, поступающей на вход приемника при приеме на данной антенне, к мощности, поступающей на вход приемника при ненаправленной антенне. При этом предполагается, что обе антенны не имеют потерь и согласованы с приемником. Поскольку КНД определяется диаграммой направленности, то численно он одинаков в режимах передачи и приема ) , ( ) , ( ϕ θ ϕ θ D D np = . (1.23) Коэффициент полезного действия (КПД) приемной антенны учитывает потери энергии в ее элементах и показывает, во сколько раз мощность, передаваемая антенной в согласованную нагрузку, меньше мощности, которую антенна могла бы передать, если бы не имела потерь. Антенна является линейным пассивным четырехполюсником, поэтому ее КПД не изменяется при изменении направления передачи энергии, и A np A η η = . (1.24) Коэффициент усиления (КУ) приемной антенны имеет тоже определение, что и КНД, но при этом предполагается, что в данной антенне имеются реальные потери мощности, а КПД ненаправленной антенны равен единице ) , ( ) , ( ) , ( ) , ( ϕ θ η ϕ θ η ϕ θ ϕ θ G D D G A np A np np = ⋅ = ⋅ = . (1.25) Аналогичные равенства можно распространить на фазовые, поляризационные и частотные характеристики. Следовательно, основные радиотехнические характеристики и параметры антенны в режимах приема и передачи совпадают, те. одна и та же антенна может выполнять функции приема и передачи без изменения характеристики параметров. Это позволяет использовать в импульсных РЛС одну и туже антенну на передачу и прием. Дополнительно вводятся параметры, характеризующие специфику работы антенн на прием. К ним относятся мощность, отдаваемая в нагрузку поляризационная эффективность шумовая температура эффективная площадь антенны коэффициент использования площади. Последние два параметра относятся и к передающим антеннам, но их удобнее рассматривать применительно к приемным. 1.2.3. Мощность, отдаваемая антенной в нагрузку Мощность, отдаваемая антенной в нагрузку (те. приемнику) на основании эквивалентной схемы (см. рис. 1.10) выражается равенством 2 2 2 2 2 H H вх H H R Z Z e R I P + = = . (1.26) Подставляя в (1.26) значения ЭДС е из формулы (1.20), получим 2 ) , ( 120 2 max 2 2 2 2 H H вх H R F D R Z Z E P ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ = Σ ϕ θ π λ . (1.27) Максимальная мощность выделяется в нагрузке, если обеспечивается полное согласование входного сопротивления антенны с сопротивлением нагрузки) и совмещение максимума ДНА с направлением на источник излучения. При этом вх вх H R R X X = − = H ; вх вх R Z Z 2 H = + , 1 ) , ( = ϕ θ F . С учетом этих условий из выражения (1.9) получим вх вх вх H R R D E R D R R E P Σ Σ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = max 2 2 max 2 2 2 2 max 4 240 2 120 Учитывая, что A вх R R η = Σ - КПД антенны, окончательно находим A H D E P η π λ π ⋅ ⋅ ⋅ = max 2 2 max 4 240 . (1.28) Как видно из (1.28), чем выше направленные свойства антенны, тем большую мощность она извлекает из поля. 20 1.2.4. Эффективная площадь антенны В выражении (1.28) первый сомножитель представляет собой плотность потока мощности в точке приема, так как π 240 Па произведение имеет размерность площади и называется эффективной площадью антенны max 2 4 D S эфф ⋅ = π λ . (1.29) Из (1.29) следует, что A эфф H ПS P η = max . (1.30) Под эффективной площадью антенны следует понимать такую условную площадку, которая, будучи помещена вместо реальной антенны в туже точку пространства нормально к направлению падающей волны и не имея потерь, создает на входе приемника такую же мощность, что и согласованная с ним антенна. Эффективная площадь антенны меньше ее геометрической площади S г Отличия геометрической и эффективной площадей антенны объясняются тем, что в реальной антенне часть падающей на нее мощности переизлучает- ся и рассеивается, те. полезно используется не вся перехваченная у поля мощность, а только ее часть, хотя и бόльшая. Условная идеальная площадка не имеет потерь, поэтому ее площадь может быть меньше для создания такой же мощности на входе приемника. Формула (1.30) является одной из важнейших в теории антенн. Она связывает эффективную площадь антенны с ее КНД и пригодна для любой антенны. 1.2.5. Коэффициент использования площади антенны Коэффициент использования площади антенны (КИП) является показателем эффективности использования площади реальной антенны, численно определяется отношением г S S эфф A = ξ (1.31) и изменяется в пределах 1 Из соотношений (1.29) и (1.31) можно получить практические формулы для расчета коэффициента усиления и КНД: 21 A эфф S S D ξ λ π λ π ⋅ ⋅ = ⋅ = г 2 2 max 4 4 ; (1.32) A A A эфф S S G η ξ λ π η λ π ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = г 2 2 max 4 4 . (1.33) Произведение КИП на КПД называется коэффициентом эффективности антенны A A A g η ξ ⋅ = . (1.34) Коэффициент поляризационной эффективности. Мощность, выделяемая в нагрузке приемной антенны, зависит также от согласования поляризационных параметров принимаемой волны и приемной антенны. Для оценки эффективности приема сигналов различной поляризации вводится коэффициент поляризационной эффективности К пэ . Он равен отношению мощности, выделяемой в нагрузке приемной антенны, к мощности, которая выделялась бы в нагрузке при условии полного согласования поляризационных параметров источника и приемной антенны. Полное согласование поляризационных параметров обеспечивается, когда э2 э1 2 1 э2 э1 sgn sgn ; ; K K K K = = = γ γ , где индексы 1 и 2 соответствуют приемной антенне и источнику излучения соответственно. Коэффициент поляризационной эффективности определяется выражением 1 э э э э э э nэ K K K K K K K γ γ . (1.35) К пэ изменяется в пределах от 0 до 1. Управляя поляризацией антенны, можно получать максимум полезного сигнала и (или) минимум помехи. Шумовая температура приемной антенны. В антенне и волноводном тракте возникают внутренние шумы, вызванные тепловым движением электронов. К ним добавляются внешние шумы, принятые антенной из пространства. Они обусловлены грозовыми разрядами, индустриальными помехами, радиоизлучением Солнца, а также тепловым радиоизлучением земной поверхности и атмосферы. Суммарную мощность шумов антенно-волноводного тракта в полосе пропускания приемника ΔF можно оценить по формуле |