Якісні характеристики Передавальний антен
Розглянемо деякі характеристики, що визначають якість передавальних антен. В першу чергу звернемося до електричних параметрів, які характеризують передавальні антени з точки зору ефективності перетворення енергії високочастотного струму в енергію електромагнітних хвиль.
1. Випромінювана потужність - потужність електромагнітних хвиль, випромінюваних антеною у вільний простір.
Це активна потужність, так як вона розсіюється в просторі, що оточує антену. Отже, що випромінюється потужність можна виразити через активний опір, зване опором випромінювання, таким співвідношенням:
де Iе - діюче значення струму в антені.
Опір випромінювання, будучи активним, не викликає перетворення електричної енергії в теплову. Воно характеризує здатність антени до випромінювання електромагнітної енергії - при даному струмі, порушуються в антені. Кількісно опір випромінювання визначається як активний опір, на якому виділяється потужність, чисельно рівна випромінюваної потужності, в разі якщо струм в даному опорі дорівнює току в антені.
З цього определ ?? ення слід, що опір випромінювання в більшій мірі характеризує якість антени, ніж випромінює нею потужність, так як остання залежить не тільки від властивостей антени, але і від струму, створюваного в ній.
2. Потужність потерьРп - потужність, марно втрачається передавачем під час проходження струму по проводах антени, в землі і в предметах, розташованих поблизу антени.
Ця потужність також є активною і повинна бути виражена через активний опір, зване опором втрат:
Опір втрат характеризує величину потужності, яка втрачається в процесі перетворення енергії в антені, коли струм в ній має цілком определ ?? енную величину.
3. Потужність в антеннеРа - потужність, що підводиться до антени від передавача. Цю потужність можна представити у вигляді суми випромінюваної потужності і потужності втрат, ᴛ.ᴇ.
Потужності в антені відповідає активний опір
Опору Ra. R # 931 ;. Rn є основними параметрами антени.
Слід зауважити, що, так як струм на різних ділянках антени неоднаковий, то величини цих параметрів залежать від того, до якого перетину антени вони віднесені. Зазвичай опору Ra. R # 931 ;. Rn відносять до максимальної амплітуди струму антени або до току в основі антени (на затискачах генератора).
4. ККД антени - відношення випромінюваної потужності до потужності, що підводиться до антени:
З цієї формули видно, що для збільшення ККД антени вкрай важливо збільшувати опір випромінювання і зменшувати опір втрат.
5. Вхідний опір антени - опір на вхідних затисках антени.
У загальному випадку антена, як всякий коливальний контур, являє собою комплексну навантаження для генератора, ᴛ.ᴇ. її вхідний опір має реактивну Хвх і активну Rвх складові. З метою збільшення ефективності антени її налаштовують в резонанс з частотою коливань генератора. При резонансі Хвх = 0. і антена, отже, являє для генератора чисто активне навантаження.
6. Спрямованість антени - здатність антени випромінювати електромагнітні хвилі в заданих напрямках.
Це властивість антени характеризується щільністю потоку випромінюваної антеною потужності, т. Е. Потужністю електромагнітних хвиль, що проходять через одиничну площадку, розташовану перпендикулярно до напрямку поширення хвилі. У різних напрямках щільність потоку потужності спрямованої антени має різну величину.
Про спрямованих властивості антени судять за формою її діаграми спрямованості і ряду чисельних показни ?? їй, наприклад ширини ?? е діаграми спрямованості, коефіцієнтами спрямованої дії і посилення антени.
Ознайомимося з цими характеристиками спрямованості антени.
Діаграмою спрямованості антени прийнято називати діаграма, на якій графічно представлена величина щільності потоку випромінюваної потужності в різних напрямках. Очевидно, що при знятті діаграми спрямованості щільність потоку потужності повинна вимірюватися на однаковій відстані від антени.
Діаграми спрямованості будують в полярній або прямокутної системі координат (рис. 7). В полярній системі координат діаграми виконуються наступним чином: під кутом до вихідного напрямку (наприклад, 9 = 0, 15, 30, 45 °.) Відкладають радіус-вектор, довжина якого пропорційна щільності потоку випромінюваної потужності в напрямку даного радіуса, а потім кінці цих радіусів-векторів з'єднують плавною лінією.
У прямокутній системі координат по осі абсцис відкладається кут, що характеризує напрямок у відповідній площині, а по осі ординат - випромінювана потужність. Діаграми спрямованості, виконані в полярних координатах, відрізняються великою наочністю, оскільки вони дають можливість уявити, як змінюється інтенсивність поля в просторі. Діаграми спрямованості в прямокутній системі координат можуть мати будь-який масштаб по обох осях, завдяки чому вони відрізняються великою чіткістю, навіть в області малої інтенсивності електромагнітного поля.
Діаграма спрямованості антени часто буває багатопелюсткові (рис. 8). Однією з вимог, що пред'являються до такої антени, є граничне ослаблення бічних пелюсток в її діаграмі спрямованості. У разі якщо ця вимога не виконується, то частина випромінюваної потужності розсіюється марно в бічних напрямках.
Коли мова йде про спрямованих властивості антени, то зазвичай цікавляться не абсолютною величиною щільності потоку випромінюваної потужності, а характером її распредел ?? ення в різних напрямках. З цієї причини на практиці широко користуються нормованими діаграмами спрямованості. в яких величини, що характеризують потужність випромінювання P # 931; . виражені щодо максимальної величини цієї потужності P # 931; max. ᴛ.ᴇ. ставленням P # 931; / P # 931; max. (Див. Рис. 8 б).
Користування діаграмою спрямованості значно спрощується застосуванням логарифмічною шкали вимірювання рівнів випромінювання. За цією шкалою одиницями вимірювання служать Непер і децибел. Непер (неп) є одиницею, якій виражається натуральний логарифм відношення будь-яких однорідних величин. а децибел (дБ) дорівнює десятій частці білого (б), який є одиницею десяткового логарифма відносини потужностей:
Так як потужність пропорційна квадрату напруги, струму або напруженості поля, то при вимірюванні відносних величин напруженостей поля
Маючи на увазі, що натуральний логарифм будь-якого числа в 2,3 рази більше десяткового логарифма того ж числа, можна записати
У табл. 1 наведені співвідношення між рівнем N, вираженим в дБ, і відносинами потужностей P # 931; max / P # 931; і напруженостей поля Emax ./E.
Згідно діаграмі спрямованості, наведеної на рис. 9, перший бічний пелюстка має рівень на 30 дБ нижче, ніж головний пелюстка. Це означає, що в напрямку максимуму першого бічної пелюстки напруженість поля в 31,6 рази, а щільність потоку випромінюваної потужності в 1000 разів менше, ніж в напрямку головної пелюстки.
Шириною діаграми направленностіантенни прийнято називати кут, в межах якого потужність потоку випромінюваної потужності менш її максимального значення не більше ніж в 2 рази (3 дБ). Наприклад, ширина діаграми спрямованості, наведеної на рис. 7, 2 # 920; '= 120 °. а на рис. 9 -2 # 966; '= 2,5 °.
Іноді відлік ширини діаграми спрямованості антени виробляється на іншому рівні, наприклад, на нульовому або на рівні 0,1 від максимуму.
Дуже широко застосовуються діаграми спрямованості, зняті за напруженості електричного або магнітного полів. Так як потужність електромагнітної хвилі, як показано нижче, пропорційна квадрату напруженості поля, то кут, що визначає ширину діаграми спрямованості по напруженості, буде відповідати напруженості поля в напрямку максимального випромінювання.
Коефіцієнтом спрямованої дії Dпрінято називати відношення щільності потоку потужності, випромінюваної даної антеною в определ ?? енном напрямку, до щільності потоку потужності, яка випромінювалася б абсолютно ненаправленої антеною в будь-якому напрямку за умови рівності загальної випромінюваної потужності в обох антенах. Найбільший інтерес представляє коефіцієнт спрямованої дії D в напрямку максимального випромінювання антени, т. Е..
Цей коефіцієнт вперше введений А. А. Пістолькорса в 1929 ᴦ.
Коефіцієнтом посилення антени G прийнято називати твір коефіцієнта спрямованої дії антени D на її ККД
Цей коефіцієнт дає більш повну характеристику антени, він враховує, з одного боку, концентрацію енергії в определ ?? енном напрямку завдяки спрямованим властивостям антени, а з іншого, - зменшення випромінювання внаслідок втрат потужність в антені.
Коефіцієнт посилення є мірою спрямованості антени. Даний параметр визначається як відношення потужності сигналу, що випромінює в определ ?? енном напрямку, до потужності сигналу, випромінюваного ідеальної ненаправленої (ізотропної) антеною в будь-якому напрямку. У разі якщо, наприклад, коефіцієнт посилення антени дорівнює 3 дБ, це означає, що її сигнал сильніше сигналу ізотропної антени в даному напрямку на 3 дБ (у 2 рази). Збільшення потужності сигналу в одному напрямку можливо лише за рахунок інших напрямків поширення. Іншими словами, збільшення потужності сигналу в одному напрямку тягне за собою зменшення потужності в інших напрямках. Необхідно відзначити, що коефіцієнт посилення характеризує спрямованість сигналу, а не збільшення вихідної потужності по відношенню до вхідних (як може здатися з назви), в зв'язку з цим даний параметр часто ще називають коефіцієнтом спрямованої дії.
Ефективна площа антени пов'язана з попереднім параметром і також залежить від розмірів і форми антени. Відношення між коефіцієнтом спрямованої дії антени і її ефективною площею можна записати в наступному вигляді:
D - коефіцієнт спрямованої дії антени;
АE - ефективна площа;
f - несуча частота;
с - швидкість світла (
# 955; - довжина хвилі несучої.