13.2. Излучение электромагнитных волн радиодиапазона антеннами

Многие качественные показатели радиосистем и радиосредств, в том числе и характеристики защищенности от средств технических разведок, зависят от вида используемого сигнала, метода его обработки, а также от соотношения между интенсивностью сигнала и помех. Это соотношение в значительной степени определяется характеристиками приемо-передающих и антенных устройств радиосистем. В частности, от характеристик этих устройств зависит соотношение между мощностью полезного сигнала и мощностью одной из наиболее распространенных помех - шумовых, а также интенсивность помех из-за неопределенности взаимного положения приемника и передатчика.

Антенные устройстваосуществляют прием и излучение радиосигналов. Антенное устройство в общем случае включает в себя собственно антенну (или группу антенн), фидерные линии передач сигналов от радиопередатчика до передающей антенны и/или от приемной антенны к радиоприемному устройству, устройства наведения антенны. Но излучателем и рецептором электромагнитных сигналов могут быть не только антенны. Заметным антенным эффектом обладают и устройства, специально не предназначенные для приема и излучения электромагнитных волн – цепи питания и заземления, контроля, сигнализации и индикации. В этом случае способность к приему и излучению снижает показатели электромагнитной совместимости и способствует образованию каналов утечки информации.

13.3. Основные параметры антенн

Наиболее важные и интересные характеристики отображают направленные свойства антенн, т.е. способность антенн формировать сравнительно узкие пучки электромагнитного излучения. При этом поле, создаваемое антенной, имеет существенно разные характеристики в разных областях пространства. В ближней зоне (области) наблюдается поле раскрыва (поле индукции). Протяженность этой ближней зоны не превосходит размера раскрыва антенны, т.е. RD. Дальняя зона излучения (зона излучения) начинается на удалении . Между этими условными границами располагается промежуточная зона (зона Френеля). Практически, граница дальней зоны соответствует такому удалению от антенны, на котором отклонения фаз отдельных составляющих поля, создаваемых разными точками раскрыва, едва различимы и не превышают малой величины. Так для параболической зеркальной антенны диаметромD=3м, работающей в трехсантиметровом диапазоне волн, дальняя зона простирается начиная с удаления около 150 м. Все рассматриваемые ниже характеристики направленности приводятся для дальней зоны.

Для антенн справедлив принцип взаимности: если передающая и приемная антенны имеют одинаковую форму и размеры, то все их характеристики совпадают. Разумеется, при этом конструкция передающей антенны, предназначенной для работы с большими мощностями сигналов и, как следствие, с большими электрическими напряжениями и плотностями токов, может отличаться от конструкции приемной антенны.

Диаграмма направленности– зависимость напряженности электрического поляна данном расстоянииRот антенны по направлению (). Если под раскрыв антенны отведена некоторая область пространстварис.13.4,

Рис.13.4. К определению диаграммы направленности (ДНА) антенны

то напряженность поля в достаточно удаленной точке P(x,y,z) на расстоянии(D– размер раскрыва антенны) будет суперпозицией колебаний, излучаемых каждой точкойобласти:

где – сферические координаты точкиP(x,y,z),k₁иk₂– компоненты волнового вектора :

 - длина волны излучения антенны.

Как видно из , поле излучения антенны определяется как преобразование Фурье от распределения поля на раскрыве.

Обычно пользуются нормированной к единице диаграмма направленности, т.е. зависимость вида

,

где Е_max(R)-максимальное значение напряженности электрического поля на расстоянииRот антенны.

Типичная диаграмма направленности антенны показана на рис.13.5.

Рис.13.5. Типичная диаграмма направленности антенны

Наряду с диаграммой направленности "по полю" (3) используется ДНА по мощности. Она отражает зависимость мощности сигнала, излучаемого антенной по направлению (,), относительно мощности в луче (₀,₀). Очевидно, что ДНА по мощности просто связана с (3):F²(,).

Зависимость F(,) обычно имеет "лепестковый" характер. У остронаправленных антенн один из лепестков (главный лепесток) по величине значительно больше остальных (боковых лепестков). В содержательных терминах это означает, что бόльшая часть энергии излучается в пределах относительно малой пространственного угловой окрестности луча, задающего направление (₀,₀).

Для характеристики направленных свойств антенны наряду с F(,) часто используют значения ширины диаграммы направленности_0,5и_0,5, а также уровень боковых лепестков по отношению к главному_бок.

Величины _0,5и_0,5определяются как интервал значенийи, в пределах которого интенсивность излучения отличается от максимальной не более, чем в два раза. Иначе говоря,_0,5и_0,5характеризуют ширину главного лепестка диаграммы направленности антенны. Чем ярче выражены направленные свойства антенн, тем меньше значение_0,5и_0,5. Однако значений_0,5и_0,5еще недостаточно для характеристики направленных свойств антенн: может быть создана антенна, имеющая наряду с узким главным лепестком мало отличающиеся от него по интенсивности (по уровню) боковые лепестки. Поэтому используется другая характеристика направленных свойств антенны - относительный уровень боковых лепестков_бокдиаграммы направленности

,

где _i;_i, - угловые координаты максимумаi-го бокового лепестка диаграммы направленности (рис.13.5).

У остронаправленных антенн величина _бокможет составлять (-20…-30) дБ, т.е. мощность сигнала, излучаемая боковым лепестком, в 10²…10³раз меньше мощности, излучаемой в главным лепестке.

Коэффициент усиления(КУ)G(,) показывает, во сколько раз нужно увеличить мощность сигнала, подводимого к ненаправленной (изотропной) антенне, чтобы излучить по направлению (,) такую же мощность, какую излучает данная антенна:

.

Следует отметить, что F(,),F²(,) иG(,) передающей антенны совпадают с аналогичными параметрами идентичной по форме и размерам приемной антенны.

У остронаправленных антенн значения G(₀,₀)_0,5и_0,5связаны соотношением

,

где _0,5и_0,5измеряются в градусах.

Коэффициент направленного действияантенны (КНД) определяется подобноG(,) (5), только вместо отношения мощностей берется отношение плотностей потока мощности, создаваемого по направлению (,) соответственно направленной и изотропной антенной:

.

КУ и КНД связаны простым соотношением:

G(,)=D(,),

где - коэффициент полезного действия антенны, связанный с сопротивлением излученияR_и сопротивлением потерь в антеннеR_п

.

Эффективная площадьантенныS_эф(,) – коэффициент пропорциональности между мощностью сигнала на выходе приемной антенныР_с.выхи плотностью потока мощности П_пад, падающего на антенну с направления (,):

.

S_эф(,) связана с коэффициентом усиления антенны:

,

где _нес- длина волны принимаемого радиосигнала.

У больших антенн эффективная площадь несколько меньше (за счет неизбежных потерь) геометрической поверхности раскрыва, нормального направлению прихода сигнала. Но и малые, проволочные антенны имеют заметную величину эффективной поверхности. Такие проволочные антенны с малой геометрической поверхностью используются в метровом и более длинноволновых диапазонах. Для характеристики эффективности преобразования интенсивности электромагнитных полей в сигналы на входе приемника такими антеннами пользуются не показателем эффективной поверхности, а коэффициентом пропорциональности между напряженностью поля около антенны и напряжением сигнала на ее выходе:

.

Коэффициент h_димеет размерность длины и называется действующей длиной или действующей высотой антенны.

Шумовая температураантенныТ_А– параметр, характеризующий мощность шумовой помехи Р_А, которую создает антенна на входе приемника:

Р_А=kT_Af,

где k- постоянная Больцмана;f- полоса пропускания входных цепей приемника.

Величина Т_а зависит от типа антенны, ее конструкции и от вида диаграммы направленности. В частности, чем меньше уровень боковых лепестков, тем меньшеТ_а.

Диапазон рабочих частотf₀иполоса пропусканияf_а. Диапазон рабочих частот антенны зависит в основном от типа антенны, ее конструкции и требуемых характеристик направленности. Направленные свойства остронаправленных антенн, в свою очередь, зависят от отношения площади антенны к²_нес. Поэтому для обеспечения высокой направленности необходимо увеличивать геометрические размеры антенны и уменьшать длину волны несущего колебания, т.е. увеличиватьf₀.

Требуемая рабочая полоса частот определяется шириной спектра сигнала, с которым работает антенна, т.е. условием одновременного излучения (или приема) колебаний всех частот заданного спектра сигнала. Рабочий диапазон частот - полоса, в которой может принимать значения частота несущего колебания, - определяется из условия работы антенны последовательно во времени на разных частотах f₀. При измененииf₀допускается, в принципе, изменение некоторых параметров антенны. Но эти изменения не должны выходить из заданных пределов.

Границы рабочей полосы частот определяются наиболее сильно зависящими от частоты параметрами. В одних случаях эта полоса ограничивается допустимым изменением положения максимума ДНА, в других – расширением луча и соответствующим ему падением КНД. Возможны случаи, когда верхняя и нижняя частоты рабочего диапазона ограничиваются разными факторами.

К узкополосным относят антенны с полосой пропускания . Широкополосные антенны имеют. Если отношение верхней и нижней граничных частот рабочей полосы достигает 5:1 и более, антенны считают сверхширокополосными.

Создание высоконаправленных антенн (ОНА) представляет собой сложную техническую, задачу, поскольку, основные геометрические размеры антенн должны быть выдержаны несколько процентов от рабочей длины волны _нес, а размеры антенны могут достигать нескольких тысяч_нес.

Полоса пропускания антенны f_аопределяется типом и конструкцией антенны, а также ее рабочей частотойf₀.