ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙ

ЗАТВЕРДЖУЮ

к.т.н., доц. С.В.ТОЛЮПА

“ __ ” ______________ 2013 р.

ЛЕКЦІЯ № 4

для проведення заняття зі студентами

Дисципліна Основи електромагнітної сумісності.

Тема №4. Характеристики антен, що впливають на ЕМС, і їхнє нормування.

.

Розроблена у відповідності до навчальної програми 2010 р., розглянута на засіданні кафедри РРМ і рекомендована для використання в навчальному процесі.

Протокол № __ від “ ___ ” _________ 201__ р.

Навчальна мета: вивчити основні методи та способи забезпечення ЕМС антенних систем

Виховна мета: сформувати почуття наполегливості до вивчення дисципліни.

Час: 2 години.

Матеріальне забезпечення: дошка, крейда, указка.

Література:

1. Винников В.В. Основы проектирования РЭС. Электромагнитная совместимость и конструирование экранов: Учеб. пособие - СПб.: Изд-во СЗТУ, 2006.- 164 с.

2. Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем. Учебное пособие / Под ред. д.т.н., проф. М.А. Быховского. – М.: Эко-Трендз, 2006. – 376 с.

Навчальні питання та розрахунок часу

І. Вступна частина 5 хв.

- приймаю доповідь чергового навчальної групи;

- перевіряю наявність особового складу, зовнішній вигляд та готовність до заняття;

- оголошую тему заняття, його цілі, зв’язок з попередніми темами, літературу.

ІІ. Основна частина 80 хв.

1. Основні параметри антен, що впливають на ЕМС. 45 хв.

2. Нормування характеристик антени. 35 хв.

ІІІ. Заключна частина 5 хв.

• відповідаю на запитання;

• підбиваю підсумки заняття;

• оголошую оцінки;

• даю завдання на самопідготовку;

• оголошую назву та дату наступного заняття.

Організаційно-методичні вказівки:

Заняття доцільно проводити у навчальній аудиторії, призначеній для проведення занять з однією навчальною групою на протязі двох годин.

Іі. Основна частина

2.1 Основні параметри антен, що впливають на емс

Антеною називається пристрій для випромінювання або прийому електромагнітних хвиль.

Антени РЕЗ мають значну розмаїтість як за типами, так і за характеристиками [9,10]. Разом з тим всі антени можна поділити на дві групи: антени осьового випромінювання й апертурні антени. До антен осьового випромінювання відносятся директорні («хвильовий канал»), променеві, спіральні антени. До апертурних антен ставляться рупорні антени (на основі конічного або пірамідального рупора), одно- і дводзеркальні антени з параболічним рефлектором або параболічні антени (ПА), перископічні антени (ПРА), фазовані антенні решітки (ФАР), цифрові антенні решітки (ЦАР), а також комбіновані: рупорно-параболічні (РПА), рупорно-лінзові (РЛА).

Широке застосування знайшли:

- випромінювачі невеликих розмірів () для діапазону 10 кГц – 1 ГГц (вібраторні і щілинні антени, рамочні антени);

- антени бігучої хвилі () для діапазону 3 МГц – 10 ГГц (спіральні, директорні, діелектричні);

- антенні решітки (фазовані, цифрові) () з частотами 3 МГц – 30 Ггц, складаються з великого числа окремих випромінювачів;

- апертурні антени () діапазону 100 МГц – 100 ГГц (дзеркальні, рупорні, лінзові).

Характеристики випромінюваного антеною поля залежать від відстані між антеною й точкою спостереження. Результуюча напруженість поля, створюваного антеною у вільному просторі, залежить від різниці ходу хвиль утворених окремими випромінюючими елементами антени, що є елементарними випромінювачами. Коли виконується умова  – довжина хвилі), антена може розглядатися як точкова. Відстань від антени, де ця умова виконується, називається дальньою зоною, або зоною Фраунгофера. Тут напруженість поля змінюється зворотно пропорційно відстані. Характер зміни напруженості поля істотно залежить від відстані до передавача. Розрізняють ближню й дальню зони прийому сигналів.

На практиці границя дальньої зони приймається рівною [11, 12]

(2.1)

де  – максимальний розмір апертури антени.

Границя ближньої зони, або зони Релея, визначається співвідношенням [24]

(2.2)

При , напруженість поля слабо залежить від відстані. При відстанях від антени , що відповідають умові

(2.3)

напруженість поля швидко зменшується зі збільшенням відстані. Ця зона називається зоною Френеля [12].

Звичайно характеристики антен указують для дальньої зони, разом з тим при рішенні ряду завдань, наприклад, розрахунку умов внутрішньооб’єктової ЕМС або розрахунку біологічної зони передавальної радіостанції (у якій повинні виконуватися санітарні норми на рівень напруженості поля), потрібні відповідні характеристики антен і в ближній зоні.

Важливо також відзначити, що характеристики електромагнітного поля в дальній зоні антени, де воно має сформований характер, не залежить від конструкції й типу антен, а визначається тільки її діаграмою направленості. Нижче розглянуті характеристики антен, що впливають на умови ЕМС.

Коефіцієнт підсилення (КП) антени – відношення потужності, що підводиться до ненаправленої (ізотропної) антени з коефіцієнтом підсилення 1, до потужності, що підводиться до даної антени, за умови однакової напруженості поля в місці прийому.

У загальному випадку КП в децибелах (у дальній зоні) у головному напрямку випромінювання або прийому визначається (при нульових омічних втратах в елементах антени) співвідношенням

, (2.4)

де  – ефективна площа антени, що залежить від типу й конструкції антени [10].

Для антен осьового випромінювання (директорні, спіральні) має досить складну залежність від відносної довжини антени [10]. У свою чергу відносна довжина визначається числом директорів (у директорних антенах) або числом витків (у спіральних антенах), між якими встановлюється відстань порядку . При цьому число вібраторів або витків спіралі в реальних антенах може становити 3-30.

Для параболічних антен (ПА) залежить від форми й розмірів дзеркала, а також типу антени (однодзеркальна, дводзеркальная, неосесиметрична й ін.) і визначається співвідношенням

(2.5)

де  – площа розкриву основного дзеркала;

 – коефіцієнт використання поверхні апертури (КВП); для типових ПА залежно від її типу становить 0,5...0,7 [9].

При відомих кутових розмірах основного променя антени КП орієнтовно може бути розрахований за формулою

(2.6)

де  – ширина основного променя антени в градусах по половинній потужності у взаємно ортогональних поверхнях [10].

Для найблищої зони КП можна оцінить за формулою [10]

(2.7)

яка для ПА з круглою формою дзеркала має вид

(2.8)

Як видно з (2.7), (2.8), у ближній зоні КП залежить від відстані до точки спостереження (чого немає в дальній зоні), а саме значення КП істотно менше, ніж у дальній зоні.

Діаграма направленості антени (ДНА) як графічне відображення характеристики направленості (ХНА) визначає кутовий розподіл амплітуд напруженості електричного поля антени у дальній зоні у двох ортогональних площинах при фіксованому віддаленні [9]. Звичайно ці площини вибирають так, щоб в одній з них був розташований вектор електричного поля , а в іншій – магнітного поля . ДНА нормується до максимальної інтенсивності випромінювання, що має місце в головному напрямку, тобто при , і представляється залежністю

(2.9)

де  ‑ кут спостереження, утворений напрямком від точки розташування антени до точки спостереження й головним напрямком випромінювання (прийому) даної антени;

 – значення ДНА, дБ, під кутом ;

 – КП антени, дБ, під кутом .

Іноді в якості ДНА вказують залежності [14-16]. Варто мати на увазі, що будь-яка антена випромінює (приймає) електромагнітне поле не тільки на основній поляризації, але й на ортогональній (крос поляризації). Причому ДНА на основний і крос-поляризації істотно відрізняються. Вид типових ідеалізованих ДНА в прямокутних координатах у двох площинах показаний на рис. 2.1. Тут суцільна крива відповідає ДНА в площині основної поляризації, а пунктирна крива – ДНА в площині кросполяризації. На рис. 2.1 показані основні параметри ДНА: головна пелюстка – частина ДНА, укладена в секторі кутів де і  – кути, що відповідають першому нулю ДНА в різні сторони від осі;  – ширина ДНА по половинній потужності, тобто при ; бічні пелюстки (БП) і кути ,що відповідають максимумам відповідних БП; задній пелюсток (ЗП); кути що відповідають нулям ДНА. ДНА реальних антен мають значно більш складний вигляд, чим на рис. 2.1 [9,11]. Зокрема, реальні ДНА мають асиметрію і спотвореність огинаючої. Крім того, на форму ДНА впливають неточності і особливості конструкції антени, а також навколишні предмети, і в тому числі поверхня землі [3, 10, 15].

Рисунок 2.1 - Загальний вид ідеалізованих ДНА на основній поляризації й кросполяризації в прямокутних координатах

Для розрахунку умов ЕМС, особливо мережевих структур радіозв’язку, необхідно мати у своєму розпорядженні повні залежності ДНА як на основній поляризації сигналу, так і на кросполяризації. Однак зазначений вплив на параметри реальних антен елементів їхньої конструкції й навколишніх предметів приводить до необхідності при проведенні розрахунків ЕМС застосовувати усереднені математичні описи характеристик антен РЕЗ, зокрема їх ДНА. Із цією метою на практиці широко використовуються так звані гарантовані огинаючі ДНА в графічній або аналітичній формі, що є результатом апроксимації експериментальних ДНА реальних антен. На рис. 2.2 як ілюстрація показана апроксимація реальної експериментальної ДНА за допомогою трьох простих аналітичних функцій: в секторі кутів ; в секторі кутів і  дБ в секторі кутів 48<|φ|≤180⁰.

Рисунок 2.2 - Вид реальних ДНА на основній поляризації (а) і на кросполяризації (б) у полярних координатах

Перевагами гарантованих ДНА є їх досить простий вид (як графічний, так і аналітичний) і те, що їх можна використовувати для різних типів антен, що сприяє надійності результатів розрахунку умов ЕМС.

У цей час використовуються також більш складні апроксимації [14], але важливо те, що принцип апроксимації, що полягає в забезпеченні певних запасів в області БП (як показано на рис. 2.3), при цьому зберігається.

На рис. 2.4, 2.5 як ілюстрація сказаного наведені головні пелюстки усереднених ДНА антени типу РПА-2П-2 на основний і кросполяризації для частот 4 і 6 ГГц [11].

Рисунок 2.3 - Співвідношення реальної ДНА і усередненої ДНА

Рисунок 2.4 - Головні пелюстки ДНА антени РПА-2П-2 у діапазоні частот 4 ГГц

для основної поляризації (1)і кросполяризації (2)

при вертикальній (а) і горизонтальній (б) поляризації сигналу

Рисунок 2.5 - Головні пелюстки ДНА антени РПА-2П-2 у діапазоні частот 6 ГГц на основній поляризації (1) і кросполяризації (2) при вертикальній (а)і горизонтальної (б) поляризації сигналу

На рис. 2.6, 2.7 наведені гарантовані огинаючі ДНА типу РПА-2П-2, застосовуваних у магістральних РРС [17], що враховують вплив на параметри ДНА робочої частоти сигналу і його поляризації. Тут позначено: ГП –горизонтальна поляризація; ВП – вертикальна поляризація.

Рисунок 2.6 - Гарантовані огинаючі ДНА антени РПА-2П-2 у горизонтальній площині в діапазоні частот 4 ГГц на основній поляризації (а) і кросполяризації (б)

Рисунок 2.7 - Гарантовані огинаючі ДНА антени РПА-2П-2 у горизонтальній площині в діапазоні частот 6 ГГц на основній поляризації (а) і кросполяризації (б)

На рис. 2.8 наведені гарантовані огинаючі ДНА типу АНК [17]. Тут: ВП –вертикальна поляризація; ГП – горизонтальна поляризація; КП –кросполяризація. Антена АНК є не вісесиметричною однодзеркальної ПА з винесеним облучателем і має досить високу кросполяризаційний захист (40 дБ) у порівнянні зі звичайними ПА, у яких цей показник становить 25...30 дБ. Разом з тим з рис. 2.8 видно, що параметри ДНА (особливо в задньому півпросторі) істотно залежать від поляризації сигналу. Цей факт, мабуть, обумовлений так само, як і в антен типу РПА, асиметрією конструкції даної антени.

Рисунок 2.8 - Гарантовані діаграми спрямованості антени АНК-1,5 у горизонтальній площині в діапазоні 11 ГГц на основній вертикальній поляризації і кросполяризації (а) і на основній горизонтальній поляризації й кросполярізації (б)

Як приклад можна привести математичний опис (в аналітичній і графічній формі) гарантованих що огинають БП двозеркальних вісесиметричних ПА типу АДE всіх розмірів, які можуть бути розраховані по співвідношеннях [9]:

(2.10)

На рис. 2.9 як ілюстрація наведені гарантовані огинаючі БП параболічної антени типу АДЕ-5 (діаметр 5 м) на частотах 2 і 4 ГГц, що відповідають (2.54). Можна відзначити трохи відмінний характер цих ДНА в порівнянні із ДНА, представленими вище для інших типів антен. Зокрема, однією з особливостей цих ДНА є наявність явно вираженої задньої пелюстки, що приблизно на 5 дБ перевищує рівень БП у секторі кутів 125...170. Слід зазначити, що для цього типу антен є дані по гарантованим ДНА, у яких задня пелюстка не виражена [17] за рахунок того, що рівень ДНА в секторі кутів 100...170° вказується приблизно на 5 дБ більше (штрихові лінії на рис. 2.9).

Рис. 2.9. Гарантовані огинаючі діаграм спрямованості антени типу АДЕ-5

на частотах 2 і 4 ГГц

Кросполяризаційний захист антени – ослаблення поля перехресної поляризації (кросполяризованої хвилі). Кросполяризаційний захист антени кількісно визначається коефіцієнтом поляризаційного захисту

, (2.11)

де   КП антени на основній поляризації;  – КП антени на кросполяризації.

Залежність має складний характер, пов’язаний з конструктивними особливостями антен, а також параметрами сигналу. При цьому для всіх типів антен максимум залежності спостерігається при , тобто на головному напрямку прийому або поблизу осі ДНА. Для типових директорних і параболічних антен , а для деякого типу антен, таких як РПА, може бути 40 дБ і більше [17-20].

Як видно із представлених вище ДНА різних антен, в області бічних і задніх пелюсток ДНА, як правило, , що вказує на наявність додаткових енергетичних втрат (або відсутність енергетичного виграшу) при прийманні заваджаючих сигналів не на основній поляризації за межами основної пелюстки антени.

Коефіцієнт захисної дії , що характеризує різницю КП антени в головному напрямку і КП із зворотного напрямку, має вигляд

. (2.12)

Значення сучасних антен РЕЗ становлять 20...70 дБ [19-22].

У табл. 2.1 наведені основні параметри ПА для робочої частоти 7 ГГц, отримані по матеріалам [20-23]. Із представлених даних видно, що при забезпеченні більш високого значення значення XPD істотно збільшується (з 25 до 40 дБ).

Таблиця 2.1 - Основні параметри параболічних антен

Тип характеристик антени	Діаметр,м	КП, дБ	Ширина ДНА, град.	, дБ	XPD, дБ
Стандартні	0,6	30,7	5	40	25...27
	1,2	36,9	2,3	5	25...27
	2,4	42,9	1,3	60	25...27
Покращені	0,6	30,7	5	43	27...30
	1,2	36,9	2,3	53	27...30
	2,4	42,9	1,3	64	27...30
Високі	0,6	30,7	5	60	30...32
	1,2	36,9	2,3	65	30...32
	2,4	42,9	1,3	72	30...32
Дуже високі	0,6	30,7	5	62	40
	1,2	36,9	2,3	68	40
	2,4	42,9	1,3	74	40