Лекции по антеннам

21

Если можно найти такое положение начала координат, относительно которого Ф , = или меняется скачком на при переходе от одного лепестка ДН к другому, то такое начало координат называется фазовым центром антенны. В этом случае фронт волны в пределах каждого лепестка представляет собой часть сферы и антенну можно считать источником сферической волны.

Если же при любом положении начала координат Ф( , ) ≠ , то антенна фазового центра не имеет эквифазная поверхность отличается от сферы. Если антенна не имеет фазового центра, но в определенном телесном угле, чаще всего в пределах главного лепестка ДН эквифазная поверхность близка к сфере, то центр последней можно принять за условный фазовый центр антенны.

Коэффициент направленного действия (КНД) и коэффициент усиления (КУ)

КНД=D , − введен впервые А.А.Пистолькорсом в 1929г.

Характеризует степень выигрыша по мощности, получаемого вследствие направленности антенны.

Введем в рассмотрение гипотетическую изотропную (ненаправленную)

антенну, излучающую равномерно во всех направлениях.

Индекс «О» относится к изотропной антенне.

В теории антенн используется 2 эквивалентных определения:

мощности РЕ, излучаемой рассматриваемой антенной, при условии равенства возбуждаемых ими в направлении , полей.

плотность потока мощности, излучаемой направленной антенной в направлении , , больше плотности потока мощности, излучаемой изотропной антенной в окружающее пространство.

Это определение тождественно часто используемому в литературе определенно КНД как отношению мощности, излучаемой в единицу телесного угла в направлении , к средней по всем направлениям мощности, излучаемой антенной. КНД – степень концентрации энергии излучаемой мощности в данном направлении

Получим выражение, определяющие КНД антенны, используя первое определение. Для этого проинтегрируем плотность потока мощности по сфере радиуса r, в центре которой находится антенна.

Учитывая, что dS= 2 = 2 Ω, где Ω -элемент телесного угла,

а так же что П0 = П( , ); , = ( , ) ;имеем

( , )

Итак, из (2.5) следует:

-КНД определяется лишь ДН и отличается от ДН по мощности постоянным множителем

-max значения КНД D max соответствует направлению главного максимума, для которого 2( , ) = 1

23

Соответственно:

Обычно, когда говорят об антенне, то имеют в виду именно Dmax

- КНД в произвольном направлении

Это отношение наглядно иллюстрирует физический смысл КНД как

величины, характеризующей степень выигрыша по мощности из-за направленности антенны, т.к. 4π (полный телесный угол) соответствует 4π·57,3·57,3 41260(град)2 на сфере, а угол Ω, в котором сосредоточено в пределах главного лепестка ДН изучение антенны, вырезает на сфере

Коэффициент К в выражении (9) учитывает неравномерность излучения в пределах главного лепестка, т.е. вне угла Ω.

Если антенна имеет осесимметричную ДН (не зависящую от угла )

формулы (2.5), (2.6) для КНД упрощаются

24

Коэффициент рассеяния Зависимость КНД от ширины луча и уровня

боковых лепестков.

где

Ωгл Ω Ω - мощность излучения приходящаяся на главный лепесток ДН;

Ωгл -телесный угл, занимаемый главным лепестком ДН (по нулевому уровню излучения).

4 −Ωгл Ω Ω – мощность излучения, приходящаяся на область боковых и задних лепестков ДН.

Первый сомножитель представляет собой, так называемый, КНД

антенны по главному лепестку ДН

Понятно, что такой КНД имела бы гипотетическая антенна с единственным главным лепестком ДН при полном отсутствии бокового и

25

ипоказывает относительную долю мощности излучения антенны,

приходящуюся на область боковых и заднего лепестков ДН. Следовательно,

величина 1- есть относительная доля мощность излучения, сосредоточенная в главным лепестке ДН, т.е. эффективность главного луча.

Величину КНД часто определяют в децибелах дБ = 10 .

Иногда КНД антенны определяют относительно КНД элементарного или полуволнового вибратора.

Коэффициент усиления (G), (КУ)

D – Определяет выигрыш по мощности, определяемый направленными свойствами антенны. Для полной оценки выигрыша по мощности необходимо так же учитывать и потери мощности в антенне.

Коэффициент усиления G ( , ) представляет собой параметр,

характеризующий величину выигрыша по мощности с учетом как направленных свойств антенны, так и потерь в ней.

Потери учитываются введением величины КПД антенны η.

t-эффективный уровень боковых лепестков Ωгл 4 , < 1

То есть КПД показывает какая часть мощности, подводимой к антенне,

идет на излучение, т.е. затрачивается полезно.

КУ показывает, во сколько раз мощность, подводимая к изотропной антенне, не имеющей потерь, должна быть больше мощности, подводимой к рассматриваемой антенне, при условии равенства полей, возбуждаемых этими антеннами в направление , .

, = 0пода при , = 0

Рпода

Таким образом при определении КУ сравниваются мощности,

подводимые к изотропной и рассматриваемой антеннам, в то время как при определении КПД сравнивались мощности, излучаемые этими антеннами.

Т.к. КПД изотропной антенны принят равным единице, 0 = 1, то

Для большинства антенн УКВ диапазона η ≈ 1 и значение G мало отличается от D.

Входные сопротивления антенны.

Входные сопротивления Zвх определяется как отношение комплексной амплитуды напряжения Uвх к комплексной амплитуде тока Jвх на входе антенны

27

Реактивная составляющая входного сопротивления характеризует реактивную мощность, сосредоточенную в близи антенны.

Для вычисления Rвх= и Хвх необходимо найти точные значения тока и напряжения на входе антенн, что является весьма сложной задачей.

Поэтому Zвх определяется по полуэмпирическим формулам или экспериментально или что более целесообразно через Г .(коэффициент отражения на входе антенны).

Сопротивление излучения.

Оно обычно вводится для проволочных антенн.

Сопротивление излучения – это коэффициент с помощью которого,

зная ток в антенне, можно определить излучаемую мощность РЕ по обычной формуле теории цепей

28

Подчеркнем условность величины R∑, связанную с различной величиной амплитуды тока I в разных сечениях антенны, т.е. говоря о R∑

надо обязательно указать к какому сечению тока в антенне относится эта

величина.

Если известен закон распределения тока в антенне I(x), то R∑ можно

Поляризационная ДН антенны

Важная характеристика антенны – поляризация излучаемого ею поля.

В общем случае поле антенн в дальней зоне определяется соотношением, а соответственно векторная ДН имеет две ортогональные состовляющие.

Обычно Σ относят либо к току в пучности ΣП, либо к току на входе Σвх

Здесь ( , ) = , 0 + ( , ) 0,

где , , – комплексные ДН по составляющим и Е ,

30

Каждое из слагаемых представляет собою КНД антенны для соответсвующей

мощности для каждой из составляющих поля излучения соответственно.

Изучения поля антенны с эллиптической поляризацией сводится к изучению порознь каждой из составляющих поля.

Рабочий диапазон частот антенны.

Антенны обычно рассчитываются для работы в некотором диапазоне частот. При изменении частоты изменяется распределение тока (поля) в

антенне, что приводит к изменению ее параметров.

Допустимая величина пропускаемой мощности

В большей степени это относится к фидерным (канализирующим устройствам). Однако конструкция антенн тоже может ограничивать величину излучаемой мощности

кВ

Епроб = 30 см

1

Епред = 2 … 3 Рдоп