Лекции по антеннам

41

В соотношении (3.19) первое слагаемое определяет составляющую шумовую температуру, обусловленную внешними шумами, второе -

составляющую шумовой температуры, обусловленную потерями в антенне.

При высоком КПД основную роль играет внешний шум. Если пот → 0, т.е.

собственным шумом можно пренебречь, то

где Я − яркостная температура пространства в пределах телесного угла dΩ, то шумовая температура идеальной антенны(антенна без потерь)

представляет собой усредненную яркостную температуру окружающего пространства с учетом направленности антенны.

Основными источниками внешних шумов в диапазоне УКВ является:

-тепловое радиоизлучение земной атмосферы;

-космическое радиоизлучение, включая радиоизлучение планет и

звезд;

- тепловое радиоизлучение земли и предметов, расположенных в близи антенн.

Наибольшее влияние на ТА оказывает земля и окружающие антенну,

предметы, шумовая температура которых принимается равной 2900К (170).

Зависимость шумовой температуры космических шумов и шумов атмосферы от частоты и угла места приведена на рис 1.

Из вышесказанного следует, что в метровом диапазоне космическое радиоизлучение весьма существенно. При уменьшении в СМ диапазоне оно становится очень малым. Здесь существенны шумы атмосферы, которые растут с уменьшение угла места , т.к. растет толщина слоя атмосферы,

участвующего в создании шума.

42

При расчете шумовой температуры необходимо учитывать наличие на общем фоне множества ―ярких‖ дискретных источников радиоизлучения -

радиозвезд (Солнце, Луна, Кассиопея-А, Лебедь-А и др.) Эти источники используются в основе радиоастрономических методов (РАМ) измерения параметров антенн.

Удобным при оценке величины шумовой температуры является коэффициент рассеивания

з

п и з −характеризуют, какая часть мощности поступает в антенну через боковые лепестки переднего и заднего полупространства соответственно.

Если ввести в рассмотрение понятие средней яркостной температуры в пределах

Тг −главного лепестка;

Тп, Тз −боковых лепестков переднего и, заднего полупространства,

то ТА −шумовая температура идеальной антенны будет

В зависимости от ориентации антенны ТА изменяется. Для возможности сравнения шумовой температуры разных антенн условились характеризовать шумовую температуру антенны значением еѐ при ориентации антенн в зенит. Известно малошумящие антенны с

43

эквивалентной шумовой температурой порядка(5…15)0К. Здесь увеличивается и уменьшается , особенно з . Коэффициент показывает, какая часть мощности поступает в антенну через боковые лепестки ДН, если антенна находиться в поле равномерно распределенного внешнего излучения.

Об особенностях передающих и приемных антенн.

Передающая антенна:

max KHD, KПD, KCB →1

max Σ без электрического пробоя

Приемная антенна (качество определяется отношением PC/Pш):

где ш пр, Тпр − мощность шума и шумовая температура приемника.

Из (3.24) следует что для увеличения с/ ш надо увеличить КНД антенны и КПД и уменьшить Тш пр и ТА.

Для обычных приемников в диапазоне СМ волны ТПР>>ТА, поэтому для увеличения Рс/Рш надо D и увеличивать.

Для малошумящих приемников ТА>Тпр, причем наибольшее(превалирующее) значение имеет ТΣ , поэтому необязательно стремиться к увеличению КПД, что значительно удешевляет еѐ конструкцию.

Потери в антенне уменьшают сигнал и помехи и их отношение сохраняется неизменным. Если же принять специальные меры для уменьшения внешних шумов, то большую роль приобретают собственные шумы антенн Т0(1- ).

Для их уменьшения нужно повышать КПД антенно-фидерного тракта.

45

полей в самой антенне. (Поле излучения определяется интегральным действием всей антенны.)

Решение задачи о нахождении поля излучения антенны по заданным источникам, т.е. в последовательности: источники возбуждения антенны → токи или поле в раскрыве антенны → (обычно токами, затекающими на внешнюю поверхность антенны S, пренебрегают) поле излучения,

называется анализом антенны (или прямой задачей).

Нахождение распределения источников в антенне (в общем случае и геометрии антенны) по заданному полю излучения называется синтезом антенн (или обратной задачей).

Часто синтезом антенн или математическим синтезом антенн называют лишь задачу определения поля в раскрыве антенны по заданному полю излучения, которую решают при некоторых практических ограничениях на искомую функцию тока. В настоящее время принято задачу синтеза разделять на внешнюю - определение поля в раскрыве антенны по заданному полю излучения - и внутреннюю - определение сторонних источников в конкретной антенне, которые воспроизводят

(создают) требуемое поле в раскрыве антенны.

Мы, в основном, будем рассматривать задачу анализа антенн.

Внутренняя задача решается приближенно для каждого класса антенн.

Нельзя указать общих методов, пригодных для решения внутренней задачи для всех антенн. В каждом случае делаются свои допущения.

Внешняя задача разрешима строго одними и теми же методами для разных антенн.

Методы решения внешней задачи.

46

Поле излучения антенны может быть рассчитано двумя способами:

-по заданному распределению токов в антенне;

-по заданному распределению полей на любой замкнутой поверхности,

охватывающей антенну

Это положение вытекает из рассмотрения общего решения неоднородного векторного волнового уравнения для вектора Герца Г. (курс ЭД и РРВ)

−

Здесь - вектор плотности электрических токов; = волновая функция точечного источника.

Зная Г, нетрудно перейти к векторам поля E, H , так = Г при

ст=0 и т.д.

Поле излучения антенны может быть найдено так же путем

где - внешняя нормаль к поверхности для скалярных величин (ES, ) эта формула называется формулой Кирхгофа. Аналогичный вид имеет выражение для .

Элементарные электрические источники.

Поле излучения антенны, для которой известно пространственное распределение плотности тока в некотором объеме V, занимаемом антенной, по существу сводится к нахождению суммы полей элементарных объемов dV.

47

Каждый такой объем можно рассматривать как элементарный вибратор

длинной dl с током J. Действительно: dV dSdl Jdl . Таким образом,

J

мысленно разбивая объем V на элементарные объемы dV с током плотности

(элементарное вибраторы), создающие сферическую волну, нетрудно найти поле излучения антенны (при r>> ). Зная поля электрических источников.

магнитного диполя, согласно принципу двойственности, составляющие поля

и - меняются местами.

При нахождении поля излучения антенны согласно выражениям (4.3)

результирующее поле находится в виде суперпозиции полей вторичных источников, расположенных на замкнутой поверхности S, охватывающей все токи(первичные источники).

Вторичные источники представляют собой элементарные площадки поверхности S с соответствующими значениями поля, возбуждаемые токами,

находящимися внутри области, охваченной поверхностью S. Эти вторичные источники можно трактовать как совокупность поверхностных электрических и магнитных токов плотностей

Поскольку этих токов в действительности нет, они называются фиктивными источниками и по своему действию во внешней по отношению к поверхности

S области создают поле тождественно равное полю первичных источников

(4.3). Это положение называется принципом эквивалентных токов.

Используя известное из теории электромагнитного поля выражения для поля электрического и магнитного диполей в волновой зоне и принцип суперпозиции, можно найти выражения для составляющих поля элементарной площадки эквифазной поверхности (волнового фронта)

Такой излучатель называют элементом Гюйгенса. Он создает сферическую волну. Поле излучения его имеет линейную поляризацию амплитуда поля

49

Выражение (4.6) описывает поле излучателя Гюйгенса когда на

сопротивления Итак при расчете полей излучения реальных апертурных антенн достаточно

учитывать лишь поле в раскрыве 0 , т.к. результирующие поле согласно принципу суперпозиции определиться суммой полей элементарных источников Гюйгенса. Следует подчеркнуть, что физический смысл вторичных источников проявляется лишь при их совместном, интегральном действии.

50

координатам Q) до точки наблюдения; r – расстояние от начала координат, в

выбранной системе отсчета до точки наблюдения; 0 – единичный орт точки наблюдения. Будем считать, что r>> (т.е. наибольших размеров области

, т.е. использовано разложение в ряд, ограничиваясь членами первой степени малости, а так же введенным предположением, что r>> , -угол между направлениями и r0 )

то меняя местами операции интегрирования и векторного произведения и

учитывая (1) можно записать

токов, функция направления на точку наблюдения. При расчете поля излучения системы источников, вектора напряженности электрического