Лекция 1

Введение. Общие представления об антенных устройствах и разновидностях радиоволн их роль в развитии техники и средств связи. Современные проблемы распространения радиволн.

Антенной называется устройство, преобразующее колебания электрического тока в проводнике в электромагнитное поле излучения, то есть в электромагнитную волну.

Это преобразование относится к передающей антенне.

Приемная антенная – это устройство, преобразующее энергию электромагнитного поля (электромагнитной волны) в синхронные колебания тока в проводнике.

Если наводимое напряжение в приемной антенне осуществляется магнитной (электрической) составляющей электромагнитного поля, то такая антенна называется магнитной (электрической). Это уже первый классификационный признак. Антенны бывают электрическими и магнитными.

Принцип работы передающей антенны.

Представим себе проводник с током. Из теории электромагнитной индукции имеем. Вокруг проводника с током образуется замкнутое магнитное поле кольцевой формы. Направление магнитных силовых линий подчиняется правилу буравчика (штопора), согласно которому, если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока, то направление магнитной силовой линии описывается движением ручки буравчика.

Следует заметить, что только в этой точке присутствует синфазность тока в проводнике с магнитной составляющей электромагнитного поля. Далее электрический вектор образуется по законами индукции из поля магнитной компоненты волны и отстает от неё на 90^о.

Именно здесь во всех учебниках допускается графическая ошибка. Эта ошибка неизбежно приводит к ошибкам измерения фазы между магнитными и электрическими антеннами.

Энергия, излучаемая передающей антен­ной, распространяется в пространстве в ви­де электромагнитных волн.

Образование волн проще всего наблю­дать на спокойной водной поверхности, когда брошенный предмет порождает ее колебания, но продвижение волн не вызы­вает течения воды. Это легко заметить по поведению поплавков в безветренную пого­ду: они поднимаются и опускаются в ритме волн, находясь на одном и том же месте. Серия волн распространяется в форме ко­лец, тогда как поверхность воды остается неподвижной.

Серия волн описывается следующими параметрами:

• длина волны  - минимальное расстоя­ние между двумя точками, принадлежа­щими одинаковым участкам волны, на­пример между ближайшими гребнями или ближайшими впадинами волн;

• частота f - число волновых движений за секунду;

• скорость распространения с - скорость, с которой гребень волн удаляется от ис­точника энергии.

Соотношение этих параметров выража­ется формулой

 c/f (1)

Для электромагнитных волн с = 3  10⁸ м/с (скорость света).

Эти соотношения по аналогии с колеблю­щейся водной поверхностью можно приме­нить к распространению электромагнитных волн. Они также характеризуются длиной волны, измеряемой в метрах в диапазонах длинных, средних, коротких и метровых волн.

Обычно переменный ток синусои­дальной формы представляют в виде гра­фика, приведенного на рис. 1.

Если по горизонтали откладывать вре­мя, а по вертикали - напряжение, которое измерено в какой-либо точке провода, то окажется, что это напряжение с течением времени будет изменяться по синусои­дальному закону, как показано на рис. 1. Аналогичный график служит «мгновен­ным снимком» незатухающей электромаг­нитной волны: его можно получить, если одновременно измерить напряжение в каж­дой точке провода. Мгновенное значение напряжения изменяется по величине и знаку со временем (с расстоянием). Оче­видно, что длину волны допустимо изме­рять на нулевом или любом ином уровне между произвольными соседними точка­ми одинаковой фазы.

Принято выражать фазу в угловой мере, полагая, что полный колебательный процесс (одна длина волны) соответствует 360°. Бла­годаря этому легко сравнивать фазы и ха­рактеризовать фазовые сдвиги.

Частота колебательного процесса изме­ряется в герцах (Гц):

В безвоздушном пространстве скорость распространения электромагнитных волн составляет 300 000 000 м/с (скорость све­та). Под безвоздушным пространством по­нимают абсолютную пустоту, некое идеаль­ное, несуществующее состояние. Однако даже космическое пространство не являет­ся абсолютно пустым.

Поскольку данный процесс постоянно повторяется с периодичностью переменно­го тока, распространение электромагнит­ной волны происходит с частотой (то есть на длине волны), в точности соответствую­щей возбуждающему переменному току. Волна удаляется от проводника в окружа­ющее пространство со скоростью света.

Этот механизм действует, если генератор в строго определенные моменты времени вырабатывает ток противоположного на­правления, чтобы не допустить исчезнове­ния убывающего поля и вытолкнуть его об­ратно в окружающую среду. Электромагнитные волны распространя­ются в свободном пространстве в направ­лении, перпендикулярном векторам на­пряженности электрического и магнит­ного полей, как это показано на рис. 2 (Е и Н обозначают напряженности элект­рического и магнитного полей соответствен­но). Их векторное произведение называют вектором Умова-Пойнтинга S. Этот вектор описывает перенос энергии в направлении распространения волн, перпендикулярен Е и Н и определяет количество энергии, переносимой за одну секунду в указанную сторону сквозь площадку размером 1 м², нормальную к направлению распростране­ния радиоволн.

Плоские волны

Электромагнитные волны от точечного ис­точника распространяются с одинаковой скоростью во всех направлениях. Процесс можно представить себе как непрерывное образование расширяющихся сферичес­ких оболочек, центр которых совпадает с точечным источником энергии. Если бы оболочки удалось увидеть, то вблизи ис­точника, когда их радиус мал, они бы выг­лядели как сферы. Однако вдалеке от ис­точника (радиус велик) оболочка уже не кажется искривленной и воспринимается как плоскость - точно так же, как поверх­ность Земли. Поэтому электромагнитные волны на достаточном удалении от источ­ника считаются плоскими. Мгновенная картина плоской волны с линиями элект­рического и магнитного полей представле­на на рис. 2. Здесь стрелки указывают мгновенное направление поля волны, иду­щей из рисунка к наблюдателю в виде плос­кости. В таких случаях говорят о плоском волновом фронте. Направление линий электрического и магнитного полей изме­няется на 180° каждые полпериода колеба­ний (направление стрелок становится об­ратным), но волновой фронт распространя­ется в прежнем направлении, оставаясь перпендикулярным к нему.

Напряженность электрического поля

В случае плоских волн напряженность электромагнитного поля соответствует на­пряженности электрической составляющей Е поля. Она выражается напряжением, действующим вдоль отрезка линии поля определенной длины в плоскости волнового фронта. На­пряженность электрического поля измеря­ется в вольтах на метр (В/м) и в свободном пространстве линейно убывает с расстоя­нием. Поскольку по мере удаления от по­стоянного источника одна и та же энергия должна распределяться по все большей площади поверхности сферы, ее плотность тоже убывает с расстоянием.

К примеру, если источник излучения в свободном про­странстве на расстоянии 1 км создает на­пряженность Е = 1000 мкВ/м, то на удалении 10 км она составит 100 мкВ/м, на 100 км -10 мкВ/м и на 1000 км - 1 мкВ/м. Так как условия распространения радиоволн в око­лоземном пространстве далеки от идеаль­ных характеристик свободного простран­ства, реальное ослабление напряженности с увеличением расстояния оказывается еще более быстрым.

Лекция 2

Параметры, характеризующие эффективность передающих антенн

Антенна передающей станции обеспечивает переход от распростра­нения электромагнитных колебаний в свободном пространстве к распро­странению по волноводам (фидерным линиям) и наоборот. При передаче антенна концентрирует излучаемую энергию в луче, имеющем требуемую форму и заданное направление в пространстве. При приеме антенна вос­принимает энергию, содержащуюся в отраженном сигнале, и передает ее в приемник. Антенна с большой эффективной площадью обладает и большим коэффициентом усиления при передаче.

Большие раскрывы антенн, требуемые для передачи на боль­шие растояния, обеспечивают получение узких лучей, характерных для радиолокаторов. Антенны с большими коэффи­циентами усиления и узкими лучами вполне осуществимы на частотах сан­тиметрового диапазона волн.

Коэффициент направленного действия. Мерой способности антенны концентрировать энергию в данном направлении является усиление антен­ны. Двумя различными, но связанными между собой критериями направлен­ности антенны являются коэффициент направленного действия и коэффи­циент усиления по мощности. Первый коэффициент часто сокращенно обозначают к. н. д., а второй просто называют усилением антенны. Оба критерия представляют известный интерес для конструкторов радио­локационных систем. Коэффициент направленного действия характеризует диаграмму направленности антенны, а коэффициент усиления по мощности более пригоден для использования в уравнении дальности передачи.

Коэффициент направленного действия G_D передающей антенны можно представить выражением 1  c/f )

, (2)

где интенсивность излучения представляет собой мощность на единицу телесного угла, излучаемую в направлении (, ) и обозначаемую через Р(, ). График интенсивности излучения в функции угловых координат называется диаграммой интенсивности излучения. Зависимость плотности потока мощности, или мощности на единицу площади, от угла называется диаграммой излучения мощности. Диаграмма излучения мощности и диа­грамма интенсивности излучения являются идентичными при построении в относительном масштабе, т. е. при нормировании максимального значе­ния к единице. При построении в относительном масштабе обе диаграммы носят название диаграммы направленности антенны.

На рис. 4 приведен пример построения диаграммы направленности для параболической антенны. Основной лепесток соответствует 0°. Первая неоднородность в данной диаграмме направленности представлена так называемым вырожденным лепестком или искажением основного лепестка. Вырожденный лепесток не всегда присутствует в диаграммах направлен­ности антенны. Во многих диаграммах вместо него возникает первый боко­вой лепесток. Последний переходит в вырожденный лепесток, если рас­пределение фазы по раскрыву антенны не является постоянным. За первым боковым лепестком следует ряд боковых лепестков, интенсивность которых уменьшается с увеличением угла отклонения от оси основного лепестка. В секторе бокового излучения (в данном примере 100—115°) вследствие «перелива» энергии облучателя уровень боковых лепестков увеличивается а). В диаграмме направленности имеется также заметный задний лепесток (в направлении 180°), возникающий за счет дифракции отражателя и непо­средственного просачивания энергии через его сетчатую поверхность.

Диаграмма направленности, изображенная на рис. 4, построена в функции одной угловой координаты, однако реальная диаграмма представляет собой график интенсивности излучения Р(, ) в функции двух углов, а именно  и . В наземных антеннах угловыми координатами обычно служат азимут и угол места, однако может быть использована и другая удобная комбинация углов. В теоретических исследованиях часто поль­зуются классической системой сферических координат.

1) Речь идет о максимальном значении коэффициента направленного действия. Коэффициент направленного действия в направлении (0, ф) равен

2) Под «переливом» энергии понимается явление, когда часть энергии, излучае­мой облучателем, не перехватывается отражателем и «переливается» через его края.

Не всегда требуется строить полную диаграмму направленности в трех­мерном пространстве. Так, например, симметричная игольчатая диаграмма направленности антенны может быть представлена графиком только по одной угловой координате. Диаграмма направленности для прямоуголь­ных раскрывов часто может быть описана произведением диаграмм в двух координатных плоскостях.

Так, например,

P(,)=P( , 0)P(0, ),

и полная диаграмма направленности может быть определена по двум диа­граммам направленности в плоскостях  и  .

Так как средняя интенсивность излучения в телесном угле 4 рад равна общей излученной мощности, деленной на 4, то коэффициент напра­вленного действия, определяемый уравнением (2), может быть представ­лен в виде

(3)

Используя это уравнение, по диаграмме направленности можно опре­делить коэффициент направленного действия. Максимальная мощность, приходящаяся на единичный телесный угол, получается просто путем измерений, а общая излучаемая мощность определяется путем интегриро­вания по области, ограниченной диаграммой направленности. Уравне­ние (3) может быть представлено в виде

(4)

где В определяется как площадь диаграммы направленности (луча) антенны

(5)

В этой формулировке площадь луча представляет собой телесный угол, через который прошла бы вся излученная мощность, если мощность, при­ходящаяся на единицу телесного угла, была бы равна Р (0, )_макс по всей площади луча. Она определяет в сущности эквивалентную диаграмму направленности антенны. Если _В и  _В представляют собой значения ширины луча по точкам половинной мощности в двух ортогональных пло­скостях, то площадь луча В приблизительно равна _в_в. Подставляя это значение в уравнение (4), получим

(6а)

если значения ширины луча по точкам половинной мощности выражены в радианах, или

(6б)

если эти значения выражены в градусах.

Коэффициент усиления по мощности. В основе определения коэффи­циента направленного действия лежит учет формы диаграммы направлен­ности. Этот, коэффициент не учитывает потери, обусловленные омическим нагревом, нагревом токами высокой частоты или несогласованностью эле­ментов антенны. В выражении для коэффициента усиления по мощности, обозначаемого здесь буквой G, учитывается влияние потерь в антенне и других потерь, снижающих к. п. д. антенны:

G=(Максимальная мощность излучения данной антенны)/(Мощность излучения изотропного источника (без потерь) с такой же водной мощностью)

G=P _t /P₀.

Это определение должно использоваться в уравнении дальности радиоло­кации, так как оно учитывает потери, вносимые антенной ¹). К. н. д., кото­рый всегда имеет величину большую, чем коэффициент усиления по мощ­ности, играет важную роль при расчете зоны действия, точности измерения координат или разрешающей способности и более тесно связан с шириной луча антенны. Разница между этими двумя коэффициентами обычно мала, и при отсутствии потерь их значения совпадают. Коэффициент усиления по мощности и к. н. д. могут быть связаны с помощью к. п. д. антенны _r следующим соотношением:

G = _r G_D. (8)

Приведенные выше определения коэффициента усиления по мощности и к. н. д. были отнесены к передающей антенне. Одной из фундаментальных теорем теории антенн является теорема взаимности. Она гласит, что при определенных условиях диаграммы направленности антенны при передаче и приеме одина­ковы.

Таким образом, определения степени направленного действия антенны одинаково справедливы как в случае использования антенны для передачи, так и в случае ее использования для приема. Единственное прак­тическое отличие, которое может существовать между передающей и прием­ной антеннами, заключается в том, что передающая антенна должна обла­дать способностью выдерживать большую мощность.

Эффективный раскрыв. Другим важным параметром антенны, свя­занным с усилением, является эффективный раскрыв, или эффективная площадь приемной антенны. Этот параметр можно рассматривать как меру эффективной площади антенны при приеме падающих волн. Коэффи­циент усиления G и эффективная площадь А_е антенны без потерь связаны между собой выражением

, (9)

A_e=_aA, (10)

где  - длина волны; А -геометрическая площадь антенны; _a - коэф­фициент использования площади раскрыва.

Поляризация. Характер поляризации антенны определяется напра­влением вектора электрического поля. Большинство передающих антенн имеет линейную поляризацию, при которой направле­ние вектора электрического поля либо вертикально, либо горизон­тально. Поляризация может быть также эллиптической или круговой. Эллиптическую поляризацию можно рассматривать как результат комби­нации двух линейно поляризованных волн одинаковой частоты, распро­страняющихся в одном и том же направлении, причем плоскости их поля­ризации в пространстве взаимно перпендикулярны. Относительные ампли­туды обеих волн и их фазовые соотношения могут принимать любые зна­чения. При равенстве амплитуд обеих волн и сдвиге фаз (по времени) на 90° поляризация получается круговой. Круговая и линейная поляризации являются частными случаями эллиптической поляризации.

В обычных антеннах чаще всего приме­няется линейная поляризация, так как ее легче всего реализовать. Выбор между горизонтальной и вертикальной линейными поляризациями обычно производится конструктором антенны, хотя разработчики антенных систем иногда стремятся задавать ту или другую поляризацию в зави­симости от степени влияния отражений от земли.

Боковые лепестки и паразитное излучение. На рис. 4 представлена диаграмма излучения типовой антенны с боковыми лепестками. Обычно желательно обеспечить низкий уровень боковых лепестков. Если по боко­вым лепесткам излучается значительная часть всей мощности, то происхо­дит уменьшение мощности, излучаемой по основному лучу антенны, что приводит к снижению максимального коэффициента усиления.

Для определения оптимального уровня боковых лепестков нельзя сформулировать какое-либо общее правило. Этот уровень зависит от назна­чения передатчика и от того, насколько сложной получается конструк­ция антенны с низким уровнем боковых лепестков. При слишком высоком уровне боковых лепестков в приемник могут поступать сильные отражен­ные сигналы, принимаемые по этим боковым лепесткам. Высокий уровень боковых лепестков облегчает также задачу создания умышленных помех радиолокатору. Кроме того, такой радиолокатор более подвержен помехам со стороны близлежащих «своих» передающих систем.

В реальных антеннах легко можно получить боковые лепестки, уро­вень которых на 20—30 дб ниже уровня основного лепестка. При особо тщательном конструировании уровень боковых лепестков может быть сделан на 35—40 дб ниже уровня основного лепестка. Однако еще более низкие уровни боковых лепестков на практике получить трудно, хотя теоретически это вполне возможно.