Розрахунок електродинамічних параметрів антен

 

Мета роботи

 

· Поглиблене опрацювання лекційного матеріалу.

· Вивчення основних електродинамічних параметрів антен.

· Ознайомлення з практичними конструкціями антен різних типів.

· Вивчення будови і принципу дії досліджуваних антен.

· Вивчення деяких методів вимірювання параметрів антен.

· Розрахунок електродинамічних параметрів антен за їхніми геометричними характеристиками.

 

Основні означення

 

Можливість випромінювання й поширення електромагнітної енергії в просторі випливає з положення Максвелла про існування струмів зміщення, котрі можуть циркулювати у вільному просторі. Цим Максвелл приписав вільному просторові властивості провідника, а саме провідника для струмів зміщення. Струми зміщення мають властивість поширюватися у вільному просторі аналогічно до того, як струми провідності течуть провідниками.

Вільно поширювані в просторі струми зміщення, яким відповідає пов'язане з ними змінне електромагнітне поле, і є випромінена електромагнітна хвиля. Пристроями, котрі реалізовують можливість випромінювання електромагнітних хвиль, є антени.

Основними задачами антенної теорії, як відомо, є задача аналізу і задача синтезу.

Задача аналізу (якщо розглядати режим випромінювання) полягає у визначенні електромагнітного поля, створюваного даною антеною в будь-якій точці простору. Джерелами цього поля є мінливі в часі струми і заряди, розподілені по антені. Розв'язок задачі аналізу, в свою чергу, може бути зведений до розв'язання внутрішньої і зовнішньої задач антенної теорії.

Внутрішня задача антенної теорії полягає у віднайдені амплітудно-фазового розподілу струмів в елементах антени (або полів на замкнутій поверхні котра оточує антену) при відомих сторонніх джерелах (заданих і не залежних від електромагнітних полів, створюваних антеною) які живлять антену.

Зовнішня задача антенної теорії полягає у визначенні амплітудно-фазового розподілу полів в оточуючому антену просторі при відомих (заданих) розподілах струмів на елементах антени, або полів на замкнутій поверхні, яка оточує антену. При цьому визначаються параметри, котрі характеризують поле в далекій зоні антени: комплексна характеристика спрямованості, коефіцієнт спрямованої дії, коефіцієнт підсилення й ін.

Електромагнітне поле антени в далекій зоні має такі характерні риси:

§ поперечний характер, тобто складові векторів Е та Н у напрямку поширення хвилі дорівнюють нулю;

§ в околиці точці спостереження воно носить характер плоскої електромагнітної хвилі, тобто поперечні компоненти векторів Е та Н є синфазні, їхнє відношення дорівнює характеристичному опору середовища поширення;

§ залежність амплітуд полів від відстані має вигляд розбіжної сферичної хвилі;

§ кутовий розподіл амплітуд складових вектора Е (а також вектора Н) не залежить від відстані.

 

Для кожної антени залежно від типу, розмірів, довжини хвилі існує мінімальна відстань до межі далекої зони, тобто мінімальної відстані на які слабко виявляється залежність від відстані. Приймаючи, що допуски на точність при визначенні напруженості поля становлять 1 %, а при визначенні коефіцієнта підсилення - 2 %, можна дістати таке співвідношення:

 

.

 

Кутовий розподіл амплітуд складових електромагнітного поля в далекій зоні антени може бути схарактеризовано комплексними функціями

 

та ,

 

називаними амплітудними характеристиками спрямованості для відповідних компонентів поля.

Графічне зображення цих функцій називають діаграмами спрямованості (ДС). Оскільки це функції двох кутових координат ( і ), то в просторі ДС являє собою певну замкнену поверхню. На практиці зазвичай цікавляться не просторовою ДС, а її перетинами.

Як площини для таких перетинів зазвичай обирають дві взаємно перпендикулярні площини. лінія перетинання яких збігаються з напрямком головного максимуму ДС. Одну з цих площин зазвичай сполучають з вектором Е и називають Е – площиною, інша площина збігається з вектором Н и називається Н– площиною. Перетин просторової ДС Е – площиною називається ДС в Е – площині, а перетин Н – площиною – ДС у Н – площині.

Окрім амплітудних ДС, обговорених вище, часто розглядають ДС за потужні, котра показує залежність випромінюваної потужності від напрямку в просторі:

 

,

 

де - модуль складової вектора Пойнтинга в напрямку максимального випромінювання.

Коефіцієнт спрямованої дії є мірою концентрації електромагнітної енергії, випромінюваної антеною в просторі. Коефіцієнт спрямованої дії (КСД) показує. у скільки разів потужність, випромінювана антеною в даному напрямку, віднесена до одиниці тілесного кута, більше за потужність випромінювання абсолютно ненаправленої антени, віднесеної до одиниці тілесного кута, за умови рівності повних потужностей, випромінюваних обома антенами:

 

,

 

тут - потужність, випромінена антеною в напрямку, зумовленому кутами й віднесена до одиниці тілесного кута; - повна потужність, випромінена антеною.

Коефіцієнт корисної дії (ККД)антени дорівнює відношенню потужності, випроміненої в простір , до потужності , яка підводиться до антени:

.

 

Коефіцієнт підсилення показує, у скільки разів потужність, випромінювана антеною в даному напрямку, віднесена до одиниці тілесного кута, більше за потужність випромінювання абсолютно ненаправленої антени з ККД порівнюваним 1, віднесеної до одиниці тілесного кута, за умови рівності потужностей, яки підводяться до обох антен. З цього випливає, що

 

.

 

Зазвичай під КСД і коефіцієнтом підсилення (КП) розуміють їхнє максимальне значення:

 

;

.

 

Діюча висота антени дорівнює довжині прямолінійного проводу з рівномірним розподілом амплітуди струму, котрий створює в максимумі ДС таку саму напруженість поля, як і розглядувана антена в максимумі своєї ДС.

Для антен з випромінюючим розкриттям (апертурою) поняття діючої висоти втрачає сенс, тому вводять поняття діючої площі антени.

Діюча (ефективна) площа антени – це площа апертури певної антени з рівномірним та синфазним розподілом полю в апертурі, що створює в максимумі ДС таку ж напруженість поля що й розглядувана антена в максимумі своєї ДС, за умови рівності потужностей, яки підводяться до антен і ККД.

Коефіцієнт використання площі антени (КВП) є відношення ефективної площі антени до геометричної площі її розкриття:

 

.

 

Рівень бічних пелюсток характеристики спрямованості - це відношення напруженості поля в напрямку максимуму якісь бічної пелюстки до напруженості поля в напрямку головного максимуму, визначуваних у точках далекої зони, що перебувають на тій самій відстані від антени:

 

.

 

Потужність , випромінену антеною, визначають, як потужність, що проходить через замкнену поверхню, котра оточує антену й усюди примикає до її поверхні. Її зазвичай подають у вигляді двох доданків:

 

,

де - активна потужність випромінювання, часто називана просто потужністю випромінювання, - так звана реактивна потужність випромінювання. Зміст останнього терміна полягає в тому, що ця потужність пов'язана з реактивними полями в ближній зоні антени і визначає реактивну частину вхідного опору антени. Повна потужність ,яка підводиться до входу погодженої з живлячою лінією антени, може бути подана у вигляді суми:

 

(1)

де - потужність втрат.

Вхідний опір антени характеризує антену як навантаження для джерела електромагнітних коливань чи для живлячої лінії. Для дротових антен, коли удається ввести поняття струму і напруги в місці з'єднання (вході) антени з живлячою лінією, під вхідним опором розуміють відношення напруги до струму на вході антени:

 

.

Якщо віднести кожен доданок у (1) до квадрата діючого значення струму на вході, можна достати:

 

.

 

При цьому використані наступні позначення:

- повний вхідний опір антени;

- опір випромінювання антени;

- опір втрат антени;

- реактивний опір антени.

Опір випромінювання антени є важливим параметром антени, який характеризує її випромінюючі можливості. Зокрема, коефіцієнт корисної дії антени може бути виражений у такий спосіб:

 

,

 

відкіля видно, що чим більше опір випромінювання антени за незмінного опору втрат, тим вище її ККД.

Робоча смуга частот антени визначається найбільш важливим для даного радіоелектронного засобу параметром антени, значення якого за зміни частоти може виходити за задані границі. У межах робочої смуги частот параметри антени (характеристика спрямованості, КСД, КП, ККД, поляризаційні властивості, вхідний опір тощо) задовольняють заданим технічним вимогам. У багатьох випадках ширина робочої смуги частот антени визначається найбільш вузькосмуговим елементом (система живлення, погоджувальні й симетрувальні пристрої, випромінювач тощо).

 

Домашнє завдання

Ознайомитися з конструкціями дзеркальних, хвилеводно-щілинних, діелектричних, спіральних та вібраторних антен. Вивчити основні параметри антен і підготувати відповіді на ключові запитання.

 

Лабораторне завдання

 

Для заданої викладачем антени: