Лекции в колонках. Лекция 1 Введение. Общие представления об антенных устройствах и разновидностях радиоволн их роль в развитии техники и средств связи. Современные проблемы распространения радиволн
 Скачать 0.9 Mb.
|
|
Лекция 1 Введение. Общие представления об антенных устройствах и разновидностях радиоволн их роль в развитии техники и средств связи. Современные проблемы распространения радиволн. Антенной называется устройство, преобразующее колебания электрического тока в проводнике в электромагнитное поле излучения, то есть в электромагнитную волну. Это преобразование относится к передающей антенне. Приемная антенная – это устройство, преобразующее энергию электромагнитного поля (электромагнитной волны) в синхронные колебания тока в проводнике. Если наводимое напряжение в приемной антенне осуществляется магнитной (электрической) составляющей электромагнитного поля, то такая антенна называется магнитной (электрической). Это уже первый классификационный признак. Антенны бывают электрическими и магнитными. Принцип работы передающей антенны. Представим себе проводник с током. Из теории электромагнитной индукции имеем. Вокруг проводника с током образуется замкнутое магнитное поле кольцевой формы. Направление магнитных силовых линий подчиняется правилу буравчика (штопора), согласно которому, если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока, то направление магнитной силовой линии описывается движением ручки буравчика. Следует заметить, что только в этой точке присутствует синфазность тока в проводнике с магнитной составляющей электромагнитного поля. Далее электрический вектор образуется по законами индукции из поля магнитной компоненты волны и отстает от неё на 90о. Именно здесь во всех учебниках допускается графическая ошибка. Эта ошибка неизбежно приводит к ошибкам измерения фазы между магнитными и электрическими антеннами. Энергия, излучаемая передающей антенной, распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Образование волн проще всего наблюдать на спокойной водной поверхности, когда брошенный предмет порождает ее колебания, но продвижение волн не вызывает течения воды. Это легко заметить по поведению поплавков в безветренную погоду: они поднимаются и опускаются в ритме волн, находясь на одном и том же месте. Серия волн распространяется в форме колец, тогда как поверхность воды остается неподвижной. Серия волн описывается следующими параметрами: • длина волны - минимальное расстояние между двумя точками, принадлежащими одинаковым участкам волны, например между ближайшими гребнями или ближайшими впадинами волн; • частота f- число волновых движений за секунду; • скорость распространения с - скорость, с которой гребень волн удаляется от источника энергии. Соотношение этих параметров выражается формулой c/f(1) Для электромагнитных волн с = 3 108 м/с (скорость света). Эти соотношения по аналогии с колеблющейся водной поверхностью можно применить к распространению электромагнитных волн. Они также характеризуются длиной волны, измеряемой в метрах в диапазонах длинных, средних, коротких и метровых волн. Обычно переменный ток синусоидальной формы представляют в виде графика, приведенного на рис. 1. Если по горизонтали откладывать время, а по вертикали - напряжение, которое измерено в какой-либо точке провода, то окажется, что это напряжение с течением времени будет изменяться по синусоидальному закону, как показано на рис. 1. Аналогичный график служит «мгновенным снимком» незатухающей электромагнитной волны: его можно получить, если одновременно измерить напряжение в каждой точке провода. Мгновенное значение напряжения изменяется по величине и знаку со временем (с расстоянием). Очевидно, что длину волны допустимо измерять на нулевом или любом ином уровне между произвольными соседними точками одинаковой фазы. Принято выражать фазу в угловой мере, полагая, что полный колебательный процесс (одна длина волны) соответствует 360°. Благодаря этому легко сравнивать фазы и характеризовать фазовые сдвиги. Частота колебательного процесса измеряется в герцах (Гц): В безвоздушном пространстве скорость распространения электромагнитных волн составляет 300 000 000 м/с (скорость света). Под безвоздушным пространством понимают абсолютную пустоту, некое идеальное, несуществующее состояние. Однако даже космическое пространство не является абсолютно пустым. Поскольку данный процесс постоянно повторяется с периодичностью переменного тока, распространение электромагнитной волны происходит с частотой (то есть на длине волны), в точности соответствующей возбуждающему переменному току. Волна удаляется от проводника в окружающее пространство со скоростью света. Этот механизм действует, если генератор в строго определенные моменты времени вырабатывает ток противоположного направления, чтобы не допустить исчезновения убывающего поля и вытолкнуть его обратно в окружающую среду. Электромагнитные волны распространяются в свободном пространстве в направлении, перпендикулярном векторам напряженности электрического и магнитного полей, как это показано на рис. 2 (Е и Н обозначают напряженности электрического и магнитного полей соответственно). Их векторное произведение называют вектором Умова-Пойнтинга S. Этот вектор описывает перенос энергии в направлении распространения волн, перпендикулярен Е и Н и определяет количество энергии, переносимой за одну секунду в указанную сторону сквозь площадку размером 1 м2, нормальную к направлению распространения радиоволн. Плоские волны Электромагнитные волны от точечного источника распространяются с одинаковой скоростью во всех направлениях. Процесс можно представить себе как непрерывное образование расширяющихся сферических оболочек, центр которых совпадает с точечным источником энергии. Если бы оболочки удалось увидеть, то вблизи источника, когда их радиус мал, они бы выглядели как сферы. Однако вдалеке от источника (радиус велик) оболочка уже не кажется искривленной и воспринимается как плоскость - точно так же, как поверхность Земли. Поэтому электромагнитные волны на достаточном удалении от источника считаются плоскими. Мгновенная картина плоской волны с линиями электрического и магнитного полей представлена на рис. 2. Здесь стрелки указывают мгновенное направление поля волны, идущей из рисунка к наблюдателю в виде плоскости. В таких случаях говорят о плоском волновом фронте. Направление линий электрического и магнитного полей изменяется на 180° каждые полпериода колебаний (направление стрелок становится обратным), но волновой фронт распространяется в прежнем направлении, оставаясь перпендикулярным к нему. Напряженность электрического поля В случае плоских волн напряженность электромагнитного поля соответствует напряженности электрической составляющей Е поля. Она выражается напряжением, действующим вдоль отрезка линии поля определенной длины в плоскости волнового фронта. Напряженность электрического поля измеряется в вольтах на метр (В/м) и в свободном пространстве линейно убывает с расстоянием. Поскольку по мере удаления от постоянного источника одна и та же энергия должна распределяться по все большей площади поверхности сферы, ее плотность тоже убывает с расстоянием. К примеру, если источник излучения в свободном пространстве на расстоянии 1 км создает напряженность Е = 1000 мкВ/м, то на удалении 10 км она составит 100 мкВ/м, на 100 км -10 мкВ/м и на 1000 км - 1 мкВ/м. Так как условия распространения радиоволн в околоземном пространстве далеки от идеальных характеристик свободного пространства, реальное ослабление напряженности с увеличением расстояния оказывается еще более быстрым. Лекция 2 Параметры, характеризующие эффективность передающих антенн Антенна передающей станции обеспечивает переход от распространения электромагнитных колебаний в свободном пространстве к распространению по волноводам (фидерным линиям) и наоборот. При передаче антенна концентрирует излучаемую энергию в луче, имеющем требуемую форму и заданное направление в пространстве. При приеме антенна воспринимает энергию, содержащуюся в отраженном сигнале, и передает ее в приемник. Антенна с большой эффективной площадью обладает и большим коэффициентом усиления при передаче. Большие раскрывы антенн, требуемые для передачи на большие растояния, обеспечивают получение узких лучей, характерных для радиолокаторов. Антенны с большими коэффициентами усиления и узкими лучами вполне осуществимы на частотах сантиметрового диапазона волн. Коэффициент направленного действия. Мерой способности антенны концентрировать энергию в данном направлении является усиление антенны. Двумя различными, но связанными между собой критериями направленности антенны являются коэффициент направленного действия и коэффициент усиления по мощности. Первый коэффициент часто сокращенно обозначают к. н. д., а второй просто называют усилением антенны. Оба критерия представляют известный интерес для конструкторов радиолокационных систем. Коэффициент направленного действия характеризует диаграмму направленности антенны, а коэффициент усиления по мощности более пригоден для использования в уравнении дальности передачи. Коэффициент направленного действия GD передающей антенны можно представить выражением 1c/f)  , (2)где интенсивность излучения представляет собой мощность на единицу телесного угла, излучаемую в направлении (, ) и обозначаемую через Р(, ). График интенсивности излучения в функции угловых координат называется диаграммой интенсивности излучения. Зависимость плотности потока мощности, или мощности на единицу площади, от угла называется диаграммой излучения мощности. Диаграмма излучения мощности и диаграмма интенсивности излучения являются идентичными при построении в относительном масштабе, т. е. при нормировании максимального значения к единице. При построении в относительном масштабе обе диаграммы носят название диаграммы направленности антенны. На рис. 4 приведен пример построения диаграммы направленности для параболической антенны. Основной лепесток соответствует 0°. Первая неоднородность в данной диаграмме направленности представлена так называемым вырожденным лепестком или искажением основного лепестка. Вырожденный лепесток не всегда присутствует в диаграммах направленности антенны. Во многих диаграммах вместо него возникает первый боковой лепесток. Последний переходит в вырожденный лепесток, если распределение фазы по раскрыву антенны не является постоянным. За первым боковым лепестком следует ряд боковых лепестков, интенсивность которых уменьшается с увеличением угла отклонения от оси основного лепестка. В секторе бокового излучения (в данном примере 100—115°) вследствие «перелива» энергии облучателя уровень боковых лепестков увеличивается а). В диаграмме направленности имеется также заметный задний лепесток (в направлении 180°), возникающий за счет дифракции отражателя и непосредственного просачивания энергии через его сетчатую поверхность. Диаграмма направленности, изображенная на рис. 4, построена в функции одной угловой координаты, однако реальная диаграмма представляет собой график интенсивности излучения Р(, ) в функции двух углов, а именно и. В наземных антеннах угловыми координатами обычно служат азимут и угол места, однако может быть использована и другая удобная комбинация углов. В теоретических исследованиях часто пользуются классической системой сферических координат.  1) Речь идет о максимальном значении коэффициента направленного действия. Коэффициент направленного действия в направлении (0, ф) равен 2) Под «переливом» энергии понимается явление, когда часть энергии, излучаемой облучателем, не перехватывается отражателем и «переливается» через его края. Не всегда требуется строить полную диаграмму направленности в трехмерном пространстве. Так, например, симметричная игольчатая диаграмма направленности антенны может быть представлена графиком только по одной угловой координате. Диаграмма направленности для прямоугольных раскрывов часто может быть описана произведением диаграмм в двух координатных плоскостях. Так, например, P(,)=P(, 0)P(0,), и полная диаграмма направленности может быть определена по двум диаграммам направленности в плоскостях и . Так как средняя интенсивность излучения в телесном угле 4 рад равна общей излученной мощности, деленной на 4, то коэффициент направленного действия, определяемый уравнением (2), может быть представлен в виде  (3)Используя это уравнение, по диаграмме направленности можно определить коэффициент направленного действия. Максимальная мощность, приходящаяся на единичный телесный угол, получается просто путем измерений, а общая излучаемая мощность определяется путем интегрирования по области, ограниченной диаграммой направленности. Уравнение (3) может быть представлено в виде  (4)где В определяется как площадь диаграммы направленности (луча) антенны  (5)В этой формулировке площадь луча представляет собой телесный угол, через который прошла бы вся излученная мощность, если мощность, приходящаяся на единицу телесного угла, была бы равна Р (0, )макс по всей площади луча. Она определяет в сущности эквивалентную диаграмму направленности антенны. Если Ви В представляют собой значения ширины луча по точкам половинной мощности в двух ортогональных плоскостях, то площадь луча В приблизительно равна вв. Подставляя это значение в уравнение (4), получим  (6а)если значения ширины луча по точкам половинной мощности выражены в радианах, или  (6б)если эти значения выражены в градусах. Коэффициент усиления по мощности. В основе определения коэффициента направленного действия лежит учет формы диаграммы направленности. Этот, коэффициент не учитывает потери, обусловленные омическим нагревом, нагревом токами высокой частоты или несогласованностью элементов антенны. В выражении для коэффициента усиления по мощности, обозначаемого здесь буквой G, учитывается влияние потерь в антенне и других потерь, снижающих к. п. д. антенны: G=(Максимальная мощность излучения данной антенны)/(Мощность излучения изотропного источника (без потерь) с такой же водной мощностью) G=Pt/P0. Это определение должно использоваться в уравнении дальности радиолокации, так как оно учитывает потери, вносимые антенной 1). К. н. д., который всегда имеет величину большую, чем коэффициент усиления по мощности, играет важную роль при расчете зоны действия, точности измерения координат или разрешающей способности и более тесно связан с шириной луча антенны. Разница между этими двумя коэффициентами обычно мала, и при отсутствии потерь их значения совпадают. Коэффициент усиления по мощности и к. н. д. могут быть связаны с помощью к. п. д. антенны r следующим соотношением: G = r GD. (8) Приведенные выше определения коэффициента усиления по мощности и к. н. д. были отнесены к передающей антенне. Одной из фундаментальных теорем теории антенн является теорема взаимности. Она гласит, что при определенных условиях диаграммы направленности антенны при передаче и приеме одинаковы. Таким образом, определения степени направленного действия антенны одинаково справедливы как в случае использования антенны для передачи, так и в случае ее использования для приема. Единственное практическое отличие, которое может существовать между передающей и приемной антеннами, заключается в том, что передающая антенна должна обладать способностью выдерживать большую мощность. Эффективный раскрыв. Другим важным параметром антенны, связанным с усилением, является эффективный раскрыв, или эффективная площадь приемной антенны. Этот параметр можно рассматривать как меру эффективной площади антенны при приеме падающих волн. Коэффициент усиления G и эффективная площадь Ае антенны без потерь связаны между собой выражением  , (9)Ae=aA, (10) где - длина волны; А -геометрическая площадь антенны; a - коэффициент использования площади раскрыва. Поляризация. Характер поляризации антенны определяется направлением вектора электрического поля. Большинство передающих антенн имеет линейную поляризацию, при которой направление вектора электрического поля либо вертикально, либо горизонтально. Поляризация может быть также эллиптической или круговой. Эллиптическую поляризацию можно рассматривать как результат комбинации двух линейно поляризованных волн одинаковой частоты, распространяющихся в одном и том же направлении, причем плоскости их поляризации в пространстве взаимно перпендикулярны. Относительные амплитуды обеих волн и их фазовые соотношения могут принимать любые значения. При равенстве амплитуд обеих волн и сдвиге фаз (по времени) на 90° поляризация получается круговой. Круговая и линейная поляризации являются частными случаями эллиптической поляризации. В обычных антеннах чаще всего применяется линейная поляризация, так как ее легче всего реализовать. Выбор между горизонтальной и вертикальной линейными поляризациями обычно производится конструктором антенны, хотя разработчики антенных систем иногда стремятся задавать ту или другую поляризацию в зависимости от степени влияния отражений от земли. Боковые лепестки и паразитное излучение. На рис. 4 представлена диаграмма излучения типовой антенны с боковыми лепестками. Обычно желательно обеспечить низкий уровень боковых лепестков. Если по боковым лепесткам излучается значительная часть всей мощности, то происходит уменьшение мощности, излучаемой по основному лучу антенны, что приводит к снижению максимального коэффициента усиления. Для определения оптимального уровня боковых лепестков нельзя сформулировать какое-либо общее правило. Этот уровень зависит от назначения передатчика и от того, насколько сложной получается конструкция антенны с низким уровнем боковых лепестков. При слишком высоком уровне боковых лепестков в приемник могут поступать сильные отраженные сигналы, принимаемые по этим боковым лепесткам. Высокий уровень боковых лепестков облегчает также задачу создания умышленных помех радиолокатору. Кроме того, такой радиолокатор более подвержен помехам со стороны близлежащих «своих» передающих систем. В реальных антеннах легко можно получить боковые лепестки, уровень которых на 20—30 дб ниже уровня основного лепестка. При особо тщательном конструировании уровень боковых лепестков может быть сделан на 35—40 дб ниже уровня основного лепестка. Однако еще более низкие уровни боковых лепестков на практике получить трудно, хотя теоретически это вполне возможно. Диаграмма направленности антенны и распределение поля в ее раскрыве Напряженность электрического поля Е() обусловленная излучением антенны, является функцией амплитуды и фазы распределения поля в раскрыве. Можно определить Е (), произведя векторное сложение составляющих, обусловленных различными элементами поля в раскрыве. Математическое суммирование всех составляющих, обусловленных элементами поля в раскрыве, дает напряженность поля в интегральном выражении. В общем случае вычислить этот интеграл невозможно. Однако можно получить приближенное решение, разбив пространство у раскрыва антенны на три зоны, определяемые математическими приближенными соотношениями. Границы между этими тремя зонами не являются четко выраженными, так как зоны переходят одна в другую. Зона, находящаяся в непосредственной близости к раскрыву, называется ближней зоной. Протяженность ее (считая от раскрыва) составляет несколько диаметров антенны. За ближней зоной находится так называемая зона Френеля. В зоне Френеля лучи, идущие от излучающего раскрыва к точке наблюдения, непараллельны между собой и диаграмма направленности антенны изменяется с расстоянием. Наиболее удаленная от раскрыва зона называется зоной Фраунгофера, или дальней зоной. В зоне Фраунгофера расстояние между источником излучения и точкой наблюдения достаточно велико, и поэтому можно считать, что лучи, выходящие из раскрыва, параллельны между собой у цели (точки наблюдения). Граничное расстояние RF между зонами Френеля и Фраунгофера обычно принимается равным RF = D2 / или RF = 2D2/, где D —диаметр раскрыва и — длина волны, причем D и выражаются в одних и тех же единицах. На расстоянии, определяемом D2 /, усиление равномерно облучаемой антенны составляет 0,94 усиления зоны Фраунгофера в бесконечности. На расстоянии D2 / усиление равно 0,99 усиления в бесконечности. График напряженности электрического поля | Е (0, )| называется диаграммой напряженности поля антенны. График квадрата напряженности поля | Е (0, )|2 представляет диаграмму направленности антенны по мощности Р (0, ). В зоне Фраунгофера интеграл напряженности электрического поля, выраженный через распределение тока на поверхности антенны, определяется формулами преобразования Фурье. Ниже с помощью уравнения (11) рассчитывается диаграмма направленности антенны при различных одномерных распределениях поля в раскрыве. Принимается, что распределение фаз по раскрыву является постоянным и необходимо лишь учесть влияние распределения амплитуд. Обратное преобразование Фурье позволяет определить напряженность электрического поля при известном распределении фаз и амплитуд в раскрыве антенны. Раскрыв определяется как проекция антенны на плоскость, перпендикулярную к направлению распространения волны. При этом тип антенны (антенна с отражателем, линзовая антенна или антенная решетка) не имеет значения. |