2.4. Характеристики антенн в режиме приема

В режиме приема антенна должна преобразовывать энергию падающих на нее свободных ЭМВ (радиоволн) в энергию направляемых волн, поступающих далее на вход радиоприемного устройства. Основными задачами при исследовании характеристик антенны в режиме приема являются определение мощности, выделяемой в нагрузке антенны, т.е. во входной цепи приемника, и направленных свойств антенны. Для решения этих задач необходимо знать ЭДС, возбуждаемую в антенне и ток в нагрузке антенны. ЭДС зависит от расположения антенны в пространстве, направления прихода и поляризации падающей на антенну волны. Поэтому одной из главных характеристик антенны в режиме приема (как и в режиме излучения) является ее характеристика направленности. Строгое решение задачи нахождения тока в приемной антенне, учитывающее факт, что токи, наводимые в антенне, сами являются источниками вторичного излучения, оказывается весьма сложным. Но, как показано в [2, 5], для установления основных характеристик антенны в режиме приема достаточно определить только ток в цепи ее нагрузки, используя принцип взаимности. Отметим также, что ДН антенны в режиме излучения и ДН той же антенны, но в режиме переизлучения принимаемых ЭМВ в общем случае различны [2, 11].

Применительно к антенне, находящейся в однородной изотропной среде, решение задачи нахождения тока в приемной антенне и в ее нагрузке, подробно рассмотренное в [11], при совпадении поляризации волны и антенны приводит к следующему выражению:

, (2.32)

где действующая длина , комплексная характеристика направленности и входное сопротивление являются характеристиками данной антенны при ее работе в режиме излучения; — комплексная амплитуда ЭДС в антенне, возбуждаемая в ней под действием электрического поля приходящей волны с комплексной амплитудой напряженности . Амплитудной характеристикой направленности приемной антенны называют зависимость ЭДС (тока) в нагрузке антенны от направления прихода принимаемой ЭМВ. Как видно из выражения (2.32), эта зависимость определяется множителем . В соответствии с принципом взаимности, направленные свойства антенны (амплитудная характеристика направленности, КНД) при ее работе в качестве передающей или в качестве приемной остаются одинаковыми (при условии, что приемник и передатчик подключаются к одному и тому же входу антенны) [10, 11]. Эквивалентность электрических параметров антенн в режимах излучения и приема была установлена в 1935 г. советским ученым М.С. Нейманом.

2.5. Мощность, выделяющаяся в нагрузке приемной антенны

Выражение (2.32) позволяет построить эквивалентную схему приемной антенны (рис. 2.10) [9].

Приемная антенна рассматривается по отношению к нагрузке как генератор ЭДС с внутренним сопротивлением, равным входному сопротивлению данной антенны при ее работе в режиме передачи.

Приемная антенна может подключаться к входу приемника как непосредственно, так и с помощью отрезка линии передачи. Первый вариант часто реализуется в сравнительно низкочастотных диапазонах, второй типичен для СВЧ и КВЧ диапазонов.

Рассмотрим первый случай применительно к антенне, подключенной к приемнику непосредственно. Мощность, поступающая от антенны и выделяемая в нагрузке — на сопротивлении R_н входной цепи приемника, определяется выражением [10, 11]

. (2.33)

Рис. 2.10. Эквивалентная схема антенны в режиме приема

Пусть антенна согласована с приемником, т.е. входное сопротивление антенны равно комплексно-сопряженному входному сопротивлению входной цепи и, следовательно, , . При этом мощность, поступающая на вход приемника, будет максимальной:

. (2.34)

С учетом направленных свойств антенны и взаимной ориентации плоскостей поляризации приходящей ЭМВ и антенны ЭДС, возникающая в антенне c действующей длиной l_Д под действием электрического поля принимаемой ЭМВ, определяется формулой [10, 11]

, (2.35)

где D — КНД; W — волновое сопротивление среды, в которой находится антенна, для свободного пространства W=W₀=120π Ом.

При ориентации максимума ДН антенны на источник ЭМВ ( =1)

.

Подставив это выражение в (2.35) с учетом W₀=120π, КПД антенны при ее работе в режиме передачи и , получим [10, 11]

, (2.36)

где G — коэффициент усиления антенны в режиме приема, под которым понимают отношение мощности, выделяемой в согласованной нагрузке данной антенны и мощности, выделяемой в согласованной нагрузке идеальной изотропной антенны.

Если антенна подключена к приемнику с помощью линии передачи с КПД η_{лп ,} согласованной и с антенной, и с приемником, то мощность на входе приемника [10, 11]

. (2.37)

Если воспользоваться выражением для напряженности электрического поля, создаваемого передающей антенной в точке приема, то для радиолинии при распространении радиоволн в среде без потерь, c учетом КПД линий передачи можно получить уточненное выражение (1.1) для мощности радиосигнала на входе радиоприемника [2]

, (2.38)

где — мощность на выходе радиопередатчика; G_пер и G_пр — КУ передающей и приемной антенн; η_пер и η_пр — КПД линий передачи на передающей и приемной сторонах; R — расстояние между антеннами. Отсюда следует, что мощность, выделяемая в нагрузке приемной антенны, пропорциональна произведению коэффициентов усиления приемной и передающей антенны. В реальных условиях мощность Р_пр оказывается меньше получаемой по формуле (2.38) вследствие наличия потерь при распространении радиоволн из-за их поглощения, рассеяния и деполяризации в среде распространения.

Рассмотрим далее частный случай непосредственного подключения антенны к согласованному с ней приемнику, полагая, что потери в антенне отсутствуют ( ). При этом входное сопротивление антенны равно ее сопротивлению излучения, т.е. . Тогда выражение (2.34) преобразуется к виду [10, 11]

. (2.39)

При несогласованной нагрузке, подставив (2.34) в (2.33), получим [10, 11]

. (2.40)

Рассмотрим второй случай, когда антенна подключена к приемнику с помощью линии передачи. Пусть антенна согласована с линией передачи, т.е. , — волновое сопротивление линии передачи (чисто действительное для линии без потерь). При этом мощность, поступающая на вход приемника, определяется выражением

, (2.41)

где — модуль комплексного коэффициента отражения напряжения на входе приемника, КСВ — коэффициент стоячей волны напряжения в линии передачи.

Эффективная площадь поверхности

Мощность, перехватываемая из падающего на раскрыв антенны с площадью S потока излучения П_r, определяется выражением [2—5, 10, 11]

Р=S_Д П_r , (2.42)

где S_Д =Sν — эффективная (действующая) площадь приемного раскрыва; ν≤1— коэффициент использования поверхности.

Эффективной (действующей) площадью поверхности приемной антенны называется параметр, имеющий смысл площади фронта падающей на антенну плоской ЭМВ, с которой антенна извлекает и передает в согласованную нагрузку мощность принимаемой волны при условии, что КПД антенны η=1, максимум ГЛ ДН антенны ориентирован на источник ЭМВ, а плоскости поляризации принимаемой ЭМВ и антенны совпадают [2—5, 10, 11].

Представим себе, что вся мощность, извлекаемая антенной из пространства, проходит через некоторую воображаемую часть плоской поверхности электромагнитной волны. Среднее значение вектора Пойнтинга в любой точке поверхности , а мощность, переносимая ЭМВ через эту поверхность,

. (2.43)

Допустим, что вся эта мощность выделяется в нагрузке приемной антенны. Следовательно, левые части выражений (2.42) и (2.43) равны. Приравнивая правые части этих выражений и решая полученное равенство относительно S_Д, получаем выражение, связывающее эффективную площадь раскрыва антенны с ее КУ [2—5, 10, 11]:

. (2.44)

Если КПД антенны равен единице, то . Понятие действующей площади применимо к любой антенне. Так, в случае полуволнового симметричного вибратора действующая площадь . Однако особенно удобно вводить этот параметр в отношении апертурных антенн.

Таким образом, КНД антенны через действующую площадь определяется следующим важным в теории антенн выражением [2—5, 10, 11]:

. (2.45)