Методы и средства передачи информации (Лекция №16)

значения ПЗО) обычно свидетельствует о высоком качестве направленности и в других направлениях, так как эти параметры в определенной мере коррелированны.

8) Параметр (коэффициент) кросс - поляризации (ККП) вводится для антенн, предназначенных для излучения (или приема) линейно поляризованных составляющих полей. Коэффициент кросс - поляризации нормируются в дальней зоне и характеризует, как правило, в логарифмическом масштабе, поляризационную избирательность антенны, выраженную в виде отношения величин сигналов (напряжений Ua на выходных зажимах антенны), принимаемых от пространственно ортогональных полей, первое из которых соответствует ориентации вектора поля, излучаемого антенной (для излучения или приема которой она предназначена по техническим условиям), а второе – ему перпендикулярное, воспринимаемое как помеха. Как правило, в характеристике антенны параметр кросс - поляризации указывается для направления максимума главного лепестка, что позволяет оценить худшую с точки зрения возможного помехового воздействия на полезный сигнал, принимаемый антенной, ситуацию. Принято численное значение коэффициента кросс - поляризации характеризовать выражением

ККП = 20 lg	U орт	,	(16.3)
U aмакс

где U орт – напряжение на зажимах антенны при приеме в направлении мак-

симума главного лепестка сигнала с перпендикулярной (относительно технических условий) ориентацией вектора напряженности поля;

Uа макс – напряжение на зажимах антенны при приеме в направлении мак-

симума главного лепестка сигнала с соответвтвующей техническим условиям ориентацией вектора напряженности поля.

Из выражения (16.3) следует, что численное значение, характеризующее коэффициент кросс-поляризации, отрицательное и лучшим с точки зрения

11

помехового воздействия антеннам отвечают большие по модулю значения этого параметра.

Свойства диаграммы направленности антенны по пространственной избирательности удобно характеризовать интегральным параметром – усилением антенны G, которое определяется как отношение мощности Ра , принимаемой

этой антенной, к мощности РN, которая бала бы принята полуволновым симметричным вибратором, если бы обе эти антенны находилисись в однородном электромагнитном поле, облучающим их с главного направления (с направления максимума главного лепестка). Выбор свойства полуволнового симметричного вибратора в качестве опорного уровня для оценки направленности приемной антенны – условен. В технике антенн метрового и длинноволновой части дециметрового диапазона длинн волн принята нормировка к мощности РN, принимаемой полуволновым симметричным вибратором, в то время как в сверхвысокочастотном диапазоне принято нормировать коэффициент усиления к мощности РN , принимаемой изотропным излучателем. Это связано с особенностями применяемых в этих частотных диапазонах измерительных приемников.

Обычно коэффициент усиления указывается в логарифмичеком масштабе:

	− по мощности	G=10 lg		Pa		, дБ ,	(16.4)
				PN
	или по напряжению	G=20 lg	U a			, дБ.	(16.5)
		U N

При этом Ua – напряжение на зажимах антенны, а UN – напряжение на зажимах полуволнового симметричного вибратора.

Физически, понятие «усиление» антенны показывает, во сколько раз антенна принимает (или излучает) больше энергии с главного направления, чем со всех других направлений.

Заметим, что:

12

1)Понятие коэффициента усиления антенны очень близко к понятию КНД антенны, отличие в величинах которых (при условии нормировки к параметру одного и того же типа излучателя, наример к изотропному излучателю) заключается в том, что в величине G учтены потери в самой антенне;

2)Само значение G полуволнового симметричного вибратора относительно изотропного излучателя составляет 1,64 (или 2,148 дБ);

3)Пользоваться формулой (16.4) можно только при одинаковых сопротивлениях на входах (выходах) антенн.

Последнее замечание указывает на то, что важным параметром любой антенны является ее входное сопротивление, которое отлично от введенного ранее понятия сопротивление излучения антенны.

Сопротивление излучения антенны – параметр, характеризующий свойства антенны относительно полей дальней зоны и понимаемый как отношение излучаемой антенной мощности к квадрату эффективного (действующего) значения тока в точке питания (подключения кабеля приема или передачи сигнала), и не имеет смысла сопротивления в цепях с сосредоточенными параметрами, т. е. не может быть измерено прибором. Выражения для сопротивлений излучения электрического диполя и рамки с током (или магнитного диполя) приведены в лекции № 15. Эти выражения справедливы, соответственно, и для вибраторных антенн и рамочных антенн в виде витков с током.

На рис. 16.5 показана зависимость сопротивления излучения RΣ симмет-

200 RΣ,

160

120

80

40

0

0,2

0,4

l/λ

Рисунок 16.5 − Зависимость сопротивления излучения RΣ симметричного вибратора в зависимости от относительной длины l/λ

13

ричного вибратора от его относительной (приведенной к длине волны λ) длины l.

Тем не менее, при решении вопросов согласования антенны со входом приемника или выходом генератора (конечно с учетом свойств фидера связи) данной характеристики антенны оказывается недостаточно. Это следует из того, что вблизи зажимов антенны кроме излучаемой локализована колеблющаяся мощность, учет которой при расчете вектора Пойнтинга в частотной области приводит к реактивная компоненте, а в выражении для комплексной полной мощности Ŝ (читается «с-тильда»), определяемой потоком вектора Пойнтинга через замкнутую поверхность S в непосредственной близости от зажимов антенны, – приводит к составляющей реактивной мощности. С учетом сказанного, вводя по аналогии с «сопротивлением излучения антенны в дальней зоне» понятие комплексного сопротивления антенны, связывающее комплексную мощность вблизи зажимов антенны с квадратом тока Iп в пучности тока (для коротких виб-

раторов (l/λ<<1) положение пучности тока совпадает с зажимами питания антен-

ны в центре симметричного вибратора, а в общем случае –

I п =

I 0

, где I0 –

sin kl

ток на зажимах питания антенны, а k =

2 π

), получим

λ

)

I п I п

Z Σп

S =

,

(16.6)

2

где

комплексное сопротивление антенны, приведенное к пучности тока,

2

l

Z Σп =−

∫E z ( a ) I z dz=RΣп +i X Σп =( RΣ0 +i X Σ0 )sinkl .

(16.7)

z=0

I п I z

Здесь E z ( а) – напряженность электрического поля на поверхности вибра-

тора, приходящаяся на единицу длины вибратора и наводимая током в вибраторе (этот метод вычисления мощности называется методом наводимых ЭДС, был предложен одновременно Д. А. Рожанским и Л. Бриллуэном, а затем применен к вибраторной антенне И. Г. Кляцкиным;

14

Z Σ0 =RΣ0 +iX Σ0 – комплексное сопротивление антенны, приведенное к зажимам питания.

Для коротких и бесконечно тонких (а/l<<1) вибраторов

						RΣ0 ≈20 ( kl ) 2 ,	(16.8)
						X Σ0 ≈−Wв ctgkl ,	(16.9)
				l
	где W	в	≈120 ln		−1	– представляет собой волновое сопротивление вибратора
				a
	в понятиях длинных линий.
	Анализ полученных выражений для комплексных сопротивлений						Z Σп и
	Z Σ0 позволяет сделать следующие выводы:

1) Активная составляющая R Σп комплексного сопротивления Z Σп вибра-

торной антенны совпадает с ее сопротивлением излучения. Этого и следовало ожидать, так как действительная составляющая потока вектора Пойнтинга не должна зависеть от удаления от вибратора замкнутой поверхности интегрирования, охватывающей вибратор;

2) Комплексное сопротивление Z Σ0 является входным сопротивлением

симметричной вибраторной антенны, но аналогично можно найти и входное сопротивление и антенн иного типа.

3) Из формулы (16.9) видно, что реактивная составляющая Х Σ0 входного

сопротивления симметричной вибраторной антенны совпадает с выражением входного сопротивления двухпроводной длинной линии без потерь длиной l.

На рис. 16.6 приведено графическое представление зависимостей активной и реактивной составляющих входного сопротивления симметричной вибратор-

ной антенны от соотношения l/λ при параметре l/а , выраженном через Wв.

Последней из характеристик антенн, на которой необходимо остановиться для понимания их свойств, является частотная характеристика. По существу частотно зависимыми в различной степени являются все из перечисленных параметров. Нагляднее всего это следует из анализа характеристик вибраторных ан-

15

тенн, свойства которых, как мы видели, зависят от соотношения l/λ. При приближении физической длины вибраторной антенны к половине длины волны (то есть, при l→λ/4) неравномерность всех параметров в частотном диапазоне резко возрастает. Очевидно, что чем короче физическая длина антенны, тем более широкополосными следует ожидать ее свойства, однако с ростом частотной равномерности ее свойств более низкими становятся и ее параметры, например КНД, коэффициент усиления, входное сопротивление. Аналогично, частотная стабильность параметров рамочных антенн возрастает с уменьшением их геометрических размеров. Причем их частотная зависимость усугубляется межвитковой паразитной связью, а при наличии магнитопровода – еще и нелинейностью и частотной зависимостью его магнитных параметров, аналогично рассмотренным выше свойствам трансформаторов тока.

Перейдем к рассмотрению конструктивного исполнения антенн, используемых в качестве элементов связи (приемных и излучающих устройств).

5000	R Σ 0, Ом											2500 Х Σ 0, Ом
												2000		W =1000 Ом
4000			W =1000 Ом									1500
														W =460 Ом												W =560 Ом
												1000
3000												500
														0,1													0,7 l/λ
												0												0,5
																	0,3
			W =560 Ом
2000												- 500
			W =460 Ом
												-1000
															W =360 Ом
1000			W =360 Ом									-1500
												-2000
0												l/λ -2500
	0,1			0,3							0,5	0,7
											а)									б)

Рисунок 16.6 − Входное сопротивление симметричного вибратора: а – активная составляющая; б – реактивная составляющая

16

3.Конструктивное выполнение, достоинства и недостатки антенн разных типов

Конструктивное исполнение антенн в основном связано с частотным диапазоном их применения.

В диапазоне частот до 2…3 ГГц в основном используются несимметричные и симметричные вибраторные антенны и рамочные антенны. Более сложные конструкции измерительных антенн применяются реже.

Несимметричная вибраторная антенна (несимметричный вибратор), которая представляет собой штырь с, так называемым, «противовесом», схематично изображена на рис. 16.7.

Напряжение U 0 , пропорциональное 2 ∫E dl , возникает между вертикаль-

l

ным стержнем (в зарубежной терминологии – монополем) и плоским электродом

– противовесом, имитирующим землю (т. е. действие зеркального отображения стержня – монополя). Качество, с которым электрод-противовес имитирует землю, зависит от его размеров. Обычно при низких частотах достаточно нескольких горизонтальных стержней, чтобы сымитировать зеркально отображенный электрод. В любом случае существуют токи iпар, затекающие на внешнюю по-

верхность экрана (огибающие кромку), которые стекают на землю через паразитные емкости, и тем самым сказываются на величине U 0 . Поэтому величина

U 0 у несимметричного вибратора зависит от паразитных емкостей противовеса относительно окружающих заземленных предметов, а значит, от места установки антенн-монополей.

E

	l
			Рисунок 16.7− Несимметричная вибраторная
			антенна
iпар			U 0
		Спар

17

Как указывалось выше, отношение UE0 называют эффективной длиной

антенны и обозначают l эфф. Часто (особенно в зарубежной литературе и в тер-

минологии зарубежной техники ЭМС) вводят аналогичный параметр для не-

симметричного вибратора, который называют действующей высотой hэфф.

Аналогично эффективной длине симметричного вибратора эффективная высота несимметричного вибратора не имеет непосредственного отношения к высоте установки антенны и по существу характеризует электрическую длину антенны, обратную коэффициенту антенны в согласованном режиме. Однако в отличие от эффективной длины эффективная высота несимметричного вибратора сильнее зависит от свойств противовеса и положения монополя относительно окружения.

Симметричные вибраторные антенны представляют два штыря одинаковой

длины l, показанные на рис. 4.17.

Симметричная вибраторная антенна проще, чем несимметричная, позволяет измерять напряженности поля Е любого направления (поляризации) изменением направление оси вибраторов. На большой высоте над землей напряжение на ее выходе в первом приближении не зависит от места ее размещения.

Как уже отмечалось, с ростом частоты (уменьшением длины волны λ), при достижении λ4 ≈l симметричная вибраторная антенна становится резонансной

(говорят, полуволновой или полуволновым вибратором) с соответствующим ростом величины U 0 в режиме холостого хода при фиксированной величине модуля помехового поля E п. Эти же свойства вибраторные антенны проявляют

и при длине l≈nλ4 , где n>1 (кратной половине длины волны), однако, как уже

отмечалось выше вид диаграмм направленности таких резонансных антенн качественно отличен от вида диаграммы направленности полуволнового вибратора.

18

Диаграмма направленности полуволнового вибратора практически повторяет диаграмму направленности дипольной антенны (см. рис. 16.4)

У полуволновых вибраторов (l≈λ 4 ) входное сопротивление становится чисто активным (около 36,5 Ом у несимметричных и 73 Ом у симметричных вибраторов). Физически это объясняется резонансной длиной антенны, при которой емкость антенны компенсируется ее индуктивностью. Это облегчает согласование резонансных антенн с 50-Омными линиями связи.

Тем не менее, резонансные вибраторные антенны в частотной области узкополосны. Однако использование их выгодно ввиду большого hэфф и активно-

го входного сопротивления.

Узкополосность (недостаток) резонансных вибраторных антенн компенсируется возможностью перестройки резонансной частоты изменением (например, телескопическим образом, Вам вероятно известны такие антенны, применяемые в бытовой технике, например, у переносных радиоприемников) длины штырей (вибраторов). Кроме того, увеличить широкополосность удается, увеличивая диаметр штырей вибраторов. Однако это сопровождается:

1)Уменьшением входного сопротивления (что плохо), в практически используемых вариантах – до 30 Ом у несимметричного или 60 Ом у симметричного вибраторов (но с этим можно смириться);

2)Уменьшением добротности, т. е. увеличением коэффициента антенны (снижением коэффициента усиления);

3)Увеличением паразитного выходного емкостного сопротивления антенного двухполюсника, ухудшающего коэффициент антенны и вызывающего дополнительные проблемы при согласовании ее с приемником.

Для снижения паразитного емкостного сопротивления (в режиме холостого хода) рекомендуется применение тонких стержней. Противоречие разрешается использованием стержней конической формы (рис. 16.8).

Широкополосные антенны бывают и более сложных конструкций.

Часто используют логарифмические периодические структуры, конические логарифмические и волноводные рупорные антенны.

19

Вибратор

l			E
Спар
		Спар		Противовес
				U 0
	б)
а)

Рисунок 16.8 − Биконические широкополосные (для работы в полосе частот от 20 до 200 МГц) вибраторные антенны:

а – симметричны вибратор; б – несимметричный вибратор

Сложные структуры позволяют увеличить коэффициент усиления антенны или эффективную длину, но как правило сужают диаграмму направленности антенны (за счет чего и происходит рост l эфф).

Суть физических процессов здесь заключается в наложении полей нескольких вибраторных антенн. Падающая волна вызывает переменные токи во вспомогательных вибраторах, которые в свою очередь возбуждают вторичные волны. При определенном соотношении размеров и положения вспомогательных вибраторов относительно основного, на последнем возникает большая напряженность поля и, соответственно, на его зажимах наводится большее напряжение. Такими свойствами обладают директорные вибраторные антенны – антенны волнового канала (рис. 16.9) и логарифмические периодические гальванически связанные вибраторные антенны (рис. 16.10). У таких антенн логарифм отношения каждых двух следующих друг за другом расстояний и каждых двух следующих друг за другом длин элементов (вибраторов) постоянен.

Другая периодическая структура – коническая логарифмическая спиральная антенна. Она состоит из двух или четырех намотанных на конус-основание

20