Радиотехнические характеристики и параметры приёмных антенн

2. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ПРИЁМНЫХ АНТЕНН 2.1. ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АНТЕННЫ В РЕЖИМЕ ПРИЁМА Процесс приёма заключается в преобразовании радиоволн, пришедших в точку расположения приёмной антенны, в направляемые ЭМВ, воздействующие на входное устройство приёмника. Это преобразование выполняется приёмной антенной. Поскольку приёмная антенна является металлической конструкцией, то необходимо рассмотреть электрические процессы в проводнике бесконечной проводимости, находящемся в переменном электромагнитном поле. Вначале для простоты рассуждений можно полагать, что выходные зажимы приёмной антенны закорочены (рис. 2.1). Очевидно, что при подходе радиоволны к приёмной антенне повсюду на её поверхности должно выполняться идеальное граничное r условие для тангенциальной компоненты электрического поля E τ = 0 , что приведёт к искривлению силовых линий напряжённости электрического поля у поверхности антенны. Это искривление можно трактоr вать как результат наложения первичного поля E τ перв и вторичного r E τ втор , созданного токами, наведёнными на поверхности приёмной антенны первичным полем. Причём токи на поверхности приёмной антенны будут такими, что созданное ими вторичное поле не приведёт к изменению граничного условия, т.е. условие r r r E τ = E τ перв + E τ втор = 0 (2.1) будет по-прежнему выполняться везде на поверхности приёмной антенны. Вторичное поле распространяется во все стороны от возбудившей его поверхности приёмной антенны. Этот процесс называется процессом переизлучения и при отсутствии потерь в антенне энергия поверхностных токов полностью переходит в энергию переизлучённого поля. Если к зажимам приёмной антенны присоединить линию передачи, то наведённые в ней поверхностные токи воз- Рис. 2.1. Взаимодействие антенны и ЭМП 21 будят в линии передачи (ЛП) направляемые ЭМВ. В этом случае энергия возбуждения поверхностных токов будет расходоваться как на создание вторичного поля переизлучения, так и на создание в ЛП направляемых ЭМВ, которые поглощаются в приёмнике. Однако как бы тщательно ни конструировались приёмная антенна, линия передачи и приёмник, энергия поверхностных токов приёмной антенны в реальных условиях не может быть полностью передана в приёмник. Часть энергии этих токов неизбежно рассеивается на переизлучение, так как процесс приёма неизбежно приводит к искажению ЭМП, т.е. к возникновению вторичного поля. В случае идеального согласования и отсутствия потерь в приёмной антенне ровно половина энергии поверхностных токов затрачивается на создание переизлучённого поля. 2.2. ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ ПРИЁМНОЙ АНТЕННЫ И ЕЁ ПАРАМЕТРЫ Приёмные антенны, так же как и передающие, характеризуются аналогичными показателями двух видов. Причём большинство характеристик и параметров приёмных антенн полностью соответствуют характеристикам и параметрам передающих антенн, хотя их физический смысл, как правило, совершенно иной. Кроме этого, приёмные антенны характеризуются специфическими параметрами, которые присущи только им. Характеристикой, описывающей направленные свойства приёмной антенны, является ДН. При этом различают ДН приёмной антенны по напряжению и по мощности, которые жёстко связаны между собой. В режиме приёма ДН по напряжению – это зависимость ЭДС на входных зажимах антенны от направления прихода ЭМВ, εА = εА(θ, φ). Нормированная ДН по напряжению равна F (θ, ϕ) = ε A (θ, ϕ) , ε A max (2.2) где εА(θ, φ) – амплитуда ЭДС, наведённой в антенне, при произвольном направлении прихода ЭМВ; εА max – амплитуда ЭДС в антенне в направлении максимального приёма. Так как входные зажимы имеют только антенны линейного типа, то ДН по напряжению относится только к ним. Для приёмных антенн апертурного типа используют понятие ДН по мощности. 22 ДН по мощности – это зависимость активной мощности, выделяемой на входе приёмного устройства, от направления прихода ЭМВ, Pпр = Pпр(θ, φ). Так как мощность в цепи электрического тока пропорциональна квадрату напряжения в цепи, то ДН по мощности равна квадрату ДН по напряжению: F 2 (θ, ϕ) = Pпр (θ, ϕ) Pпр max = ε 2A (θ, ϕ) ε 2А max . (2.3) Графическое представление ДН приёмных антенн аналогично передающим. Основными параметрами приёмной антенны, характеризующими её направленность и эффективность, являются КНД и коэффициент усиления. КНД приёмной антенны – это число, показывающее, во сколько раз активная мощность на входе приёмника при данной антенне будет больше активной мощности на его входе в случае применения ненаправленной эталонной антенны. При этом обе антенны согласованы с приёмным устройством и не имеют потерь: D(θ, ϕ) = Pпр (θ, ϕ) Pпр э при ηА = ηэ = 1 и КБВ А = КБВ э = 1 . (2.4) Таким образом, КНД антенны в режиме приёма характеризует энергетический выигрыш для приёмного устройства за счёт направленных свойств антенны. При приёме с максимума ДН КНД антенны максимален и обозначается D0. Коэффициент усиления приёмной антенны – это число, показывающее, во сколько раз активная мощность на входе приёмника при данной антенне будет больше активной мощности на его входе в случае применения ненаправленной антенны. При этом реальная антенна в общем случае не согласована с приёмным устройством и имеет тепловые потери: G (θ, ϕ) = Pпр (θ, ϕ) Pпр э при ηА < 1; ηэ = 1 и КБВ А < 1; КБВ э = 1 . (2.5) Ширина ДН приёмной антенны и уровень боковых лепестков имеют такой же физический смысл, какой эти параметры имели применительно к передающей антенне. 23 2.3. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ПРИЁМНОЙ АНТЕННЫ, ЕЁ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Антенна в режиме приёма по отношению к радиоприёмному устройству может рассматриваться как генератор переменной комплексной ЭДС – ε& A . При этом в качестве внутреннего сопротивления такого источника и выступает внутреннее сопротивление антенны: Z& A = RA + jX A . (2.6) Оно в общем случае является комплексным и включает в себя активную RA и реактивную XA составляющие. Тогда эквивалентная схема приёмной антенны может иметь вид, представленный на рис. 2.2, а. В свою очередь, активное сопротивление приёмной антенны равно RA = RΣ + Rп , (2.7) где RΣ – сопротивление переизлучения, которое характеризует переизлучённую антенной мощность при короткозамкнутых входных зажимах (при этом наведённая в антенне энергия в приёмное устройство не поступает); Rп – сопротивление активных потерь в антенне – характеризует активную мощность тепловых потерь; XA – реактивное сопротивление – характеризует мощность реактивных полей вблизи антенны. При подключении антенны к РПУ активная мощность, характеризуемая сопротивлением переизлучения, будет перераспределяться. Часть этой мощности по-прежнему переизлучается антенной, а другая – выделяется во входной цепи приёмника. При условии идеального согласования приёмной антенны с РПУ и отсутствии в ней потерь половина мощности переизлучается, а половина – выделяется во входной цепи РПУ. а) б) Рис. 2.2. Эквивалентная схема приёмной антенны: а – антенна с разомкнутыми зажимами; б – антенна подключена к приёмнику 24 Входная цепь приёмника, в общем случае как нагрузка для антенны, может иметь комплексное сопротивление Z& пр = Rпр + jX пр . (2.8) При этом эквивалентная схема приёмной антенны совместно с входной цепью приёмника будет иметь вид, представленный на рис. 2.2, б. Исходя из эквивалентной схемы приёмной антенны можно определить ток, протекающий через входную цепь РПУ: I&пр = ε& A . & Z A + Z& пр (2.9) Активная мощность, выделяемая во входной цепи приёмника, равна 1 2 Pпр = I пр Rпр , (2.10) 2 где Iпр – амплитуда тока на входных зажимах приёмного устройства. На основании закона Ома для полной цепи можно найти Iпр: I пр = εА (RА + Rпр )2 + (X А + X пр )2 . (2.11) Здесь ε A = ε& A – амплитуда ЭДС на входных зажимах антенны. Тогда ε 2А 2 I пр = . (2.12) (RА + Rпр )2 + (X А + X пр )2 Если приёмная антенна полностью согласована с приёмником, т.е. выполняются равенства: RA = Rпр, XA = –Xпр, то мощность, выделяющаяся во входной цепи приёмника, принимает значение, которое равно ε2 (2.13) Pпр = А . 8RA Если антенна не имеет потерь и полностью согласована с приёмником, а приём ведётся с направления максимума ДН приёмной антенны, то мощность, отдаваемая приёмной антенной во входную цепь РПУ, будет максимальна: ε2 (2.14) Pпр max = А max . 8RA 25 Если антенна не согласована с приёмником, то выделяемая на его входе мощность, очевидно, будет меньше: Pпр = Pпр max 4КБВ (1 + КБВ) 2 , (2.15) где КБВ – коэффициент бегущей волны в линии передачи. Таким образом, для повышения активной мощности, отдаваемой приёмной антенной во входную цепь приёмного устройства, необходимо вести приём с максимума ДН и обеспечить полное согласование приёмной антенны с приёмным устройством (с линией передачи). Действующая длина приёмной антенны – это коэффициент, имеющий размерность длины, который связывает между собой амплитуду напряжённости поля в точке приёма с направления максимального приёма и ЭДС на зажимах антенны: ε A max = lд Emax . (2.16) Этот параметр относится только к антеннам линейного типа и характеризует их энергетическую эффективность по преобразованию энергии электромагнитного поля в энергию токов высокой частоты. Действующая длина приёмной антенны зависит от её геометрической длины и от закона распределения амплитуды и фазы тока по антенне I&( z ) : lд = 1 IA l ∫ I&( z) dz. (2.17) z =0 Из данного выражения следует: – зная геометрическую длину линейной антенны l и закон распределения тока по ней I&(z ) , можно аналитически определить действующую длину; – при равномерном и синфазном законах распределения амплитуды тока по антенне ( I&( z ) = I A = const ) действующая длина совпадает с геометрической lд = l; – чем больше неравномерность и несинфазность в распределении тока вдоль антенны, тем меньший процент от геометрической длины составляет действующая. Поэтому в общем случае действующая длина лежит в пределах 0 < lд < l. 26 Физический смысл действующей длины приёмной антенны. Это такая геометрическая длина линейной антенны с равномерным и синфазным распределением тока вдоль неё, при которой эта антенна создаёт на зажимах максимальную ЭДС, равную максимальной ЭДС, созданной реальной антенной с неравномерным и несинфазным Рис. 2.3. Физический смысл распределением тока по длине действующей длины антенны (рис. 2.3). В свою очередь, закон распределения тока антенны в режиме приёма зависит от типа антенны и её конструктивного исполнения. В общем случае он определяется путём решения электродинамической задачи взаимодействия электромагнитного поля с проводящей поверхностью, имеющей форму и размеры антенны. При этом в любой точке поверхности должно выполняться идеальное граничное услоr вие E τ = 0 . Эффективная площадь раскрыва приёмной антенны (ЭПР) – это коэффициент, имеющий размерность площади, который связывает между собой плотность потока мощности приходящей электромагнитной волны с направления максимального приёма и активную мощность, выделяемую в согласованной с антенной нагрузке: Pпр max = Aэфф П max . (2.18) Этот параметр относится только к антеннам апертурного типа и характеризует их энергетическую эффективность по преобразованию энергии электромагнитного поля, падающей на раскрыв ЭМВ, в энергию токов высокой частоты направляемой ЭМВ в линии передачи. ЭПР приёмной антенны зависит от её геометрической площади и от закона распределения амплитуды и фазы поля по раскрыву антенны E& S ( x, y ) : 2 Aэфф = ∫ E& S ( x, y)dS S ∫ 2 E& S ( x, y ) dS . (2.19) S 27 Из данного выражения следует: – зная геометрическую площадь приёмной антенны S и закон распределения амплитуды и фазы поля по её раскрыву E& S ( x, y ) , можно аналитически определить эффективную площадь; – при равномерном и синфазном законах распределения поля в раскрыве апертурной антенны ( E& S ( x, y ) = E0 = const) ЭПР совпадает с геометрической площадью раскрыва, Аэфф = S; – чем больше неравномерность и несинфазность в распределении поля по раскрыву, тем меньший процент от геометрической площади антенны составляет эффективная. Поэтому в общем случае ЭПР лежит в пределах 0 < Aэфф < S . Физический смысл ЭПР приёмной антенны. Это такая геометрическая площадь раскрыва апертурной антенны с равномерным и синфазным распределением поля в её раскрыве, при котором эта антенна создаёт в согласованной с ней нагрузке активную мощность, равную активной мощности, созданной реальной антенной с неравномерным и несинфазным распределением поля в её раскрыве (рис. 2.4). На практике эффективная площадь всегда меньше геометрической площади раскрыва, так как практически используемые апертурные антенны имеют неравномерное амплитудно-фазовое распределение поля по раскрыву. Шумовая температура приёмной антенны. Этот параметр вводят только для приёмных антенн. Причём его значение является во многом определяющим, если антенна используется в сочетании с высокочувствительным РПУ. В этом случае антенна по отношению к последнему выступает не только как генератор сигналов, но и как источник шума (пассивных помех). Рис. 2.4. Эффективная площадь раскрыва приёмной антенны 28 Под воздействием переменных полей промышленных электро- и радиоустановок, грозовых разрядов в атмосфере, а также теплового излучения Земли и источников космического излучения в антенне будет наводиться ЭДС, зависящая от мощности всех внешних помех и их пространственного распределения относительно антенны. По аналогии с законом, связывающим мощность шумов и полосу пропускания (формула Найквиста), мощность шумов в приёмной антенне примет вид Pш = kTА Δf, (2.20) ⎡ Вт ⋅ с ⎤ где k = 1,38 ⋅ 10− 23 ⎢ ⎥ – постоянная Больцмана; ТА – шумовая тем⎣ град ⎦ пература антенны. Она определяется следующим образом: π D TA = 0 ∫ 4π θ = 0 2π ∫F 2 (θ, ϕ) Tя (θ, ϕ) sin(θ) dϕ dθ (2.21) ϕ=0 и зависит от КНД антенны D0 и распределения яркостной температуры в пространстве Тя(θ, ϕ), характеризующей распределение интенсивности внешних помех. Таким образом, шумовую температуру приёмной антенны в значительной степени определяет расположение ДН антенны по отношению к источникам шумов (излучений). Как правило, тепловое излучение Земли и в значительной степени атмосферы воздействует по боковым лепесткам ДН. Если главный лепесток ДН направлен в сторону источников космического излучения (например, в системах космической связи, ионосферной радиосвязи), то шумовая температура антенны значительно увеличивается. Помимо направления, распределение яркостной температуры зависит ещё и от диапазона рабочих частот. Определяется яркостная температура по специальным графикам. В общем случае собственные шумы антенны определяются сопротивлением потерь антенны, температуру которой нужно считать равной температуре окружающей среды. При этом можно считать, что если в «поле зрения» антенны нет мощных дискретных источников космического радиоизлучения, то составляющая шумовой температуры за счёт космического шума равна примерно 5 К, за счёт шумов атмосферы – приблизительно 15 К, за счёт приёма теплового радиоизлучения Земли по боковым и задним лепесткам ДН – примерно 3 К. 29 2.4. ПОНЯТИЕ О ПРОСТРАНСТВЕННОЙ, ЧАСТОТНОЙ И ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СОГЛАСОВАННОСТИ ПЕРЕДАЮЩЕЙ И ПРИЁМНОЙ АНТЕНН Под пространственной согласованностью антенн понимают их взаимное расположение в пространстве, при котором их ДН направлены навстречу друг другу и обеспечивают максимально выигрышную передачу энергии ЭМВ. При этом подразумевается, что одна антенна – передающая, другая – приёмная. Очевидно, что при узконаправленных антеннах требование к взаимному расположению антенн должно быть жёстким. Под частотной согласованностью антенн понимают их способность работать в одинаковом частотном диапазоне. Если антенны работают в разных частотных диапазонах, то частотная согласованность при этом не обеспечивается. Хотя в приёмной антенне под воздействием электромагнитного поля с другой частотой (являющегося помеховым) наводится ЭДС, но мощность данного сигнала на входе приёмного устройства будет намного меньше из-за плохого согласования антенны с фидерным трактом. Под поляризационной согласованностью антенн понимают их способность работать с одинаковой поляризацией поля ЭМВ. Исходя из принципа взаимности, поляризационные свойства приёмной антенны полностью определяются поляризационными параметрами этой же антенны в режиме передачи. Следовательно, если взять две одинаковые антенны – одну в качестве приёмной, а другую как передающую и расположить их идентично в пространстве, то поляризационная согласованность этих антенн будет достигнута автоматически (рис. 2.5, а). Это позволяет сформулировать следующие условия полной поляризационной согласованности: – коэффициенты эллиптичности передающей и приёмной антенн должны быть равны по модулю; – углы наклона поляризационных эллипсов передающей и приёмной антенн должны быть равны; – направления вращения векторов поля должны быть встречными, если оба эллипса поляризации рассматриваются со стороны какойлибо одной антенны. Для оценки эффективности приёма волн любой поляризации вводится коэффициент поляризационной эффективности: K п.э = K п.э ( K э1 , K э2 , Δγ ) , (2.22) где Kэ1 и Kэ2 – коэффициенты эллиптичности антенн; Δγ – разностный угол наклона эллипсов. 30 а) б) Рис. 2.5. Варианты расположения поляризационных эллипсов передающей (1) и приёмной (2) антенн: а – поляризационно-согласованные; б – поляризационно-развязанные В случае полной поляризационной согласованности, при прочих равных условиях в приёмной линейной антенне ЭМВ будет наводить максимальную ЭДС, а в антенне апертурного типа будет максимальной выходная мощность. И наоборот, подбирая поляризационные свойства антенны под структуру поляризации помеховой ЭМВ, можно существенно ослабить её воздействие на приёмную антенну. Если ЭДС в приёмной линейной антенне будет равна 0 (или в антенне апертурного типа – выходная мощность), то говорят о полной поляризационной развязке (рис. 2.5, б). 3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ АНТЕННЫХ РЕШЁТОК 3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ТИПЫ АНТЕННЫХ РЕШЁТОК Антенная решётка (АР) представляет собой совокупность идентичных излучающих элементов, расположенных в определённом порядке и возбуждаемых одним или совокупностью когерентных источников. По сравнению с одиночными антеннами, АР позволяет получить узкую ДН. Поля излучения отдельных элементов решётки интерферируют в пространстве: в одних направлениях результирующее поле усиливается благодаря синфазному сложению полей от источников, в других, наоборот, ослабляется. Расположение излучателей в АР может быть различным. 31