Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в телерадиовещании

15 Основы теории приемных антенн | назад | содержание | вперёд |

15 Основы теории приемных антенн

15.1 Назначение и принцип действия приёмных антенн

Приёмные антенны предназначены для преобразования энергии элек-тромагнитного поля волны в энергию токов высокой частоты, поступающую на вход приёмного устройства.

Любая антенна в принципе может быть использована как в режиме передачи, так и в режиме приёма. Однако в каждом случае имеются определённые особенности. Так передающие антенны в первую очередь должны обладать высокой излучающей способностью, т.е. иметь большой коэффициент полезного действия. В отношении приёмных антенн определяющим фактором чаще всего является диаграмма направленности. Работая на абсолютно несопоставимых уровнях мощности, приемные и передающие антенны могут иметь существенные различия в своей конструкции.

Принцип работы приёмных антенн полностью определяется законами электродинамики. Рассмотрим это на примере диполя Герца (рис. 15.1).

Пусть направление прихода волны (вектор Пойнтинга) составляет угол φ с осью диполя. Тогда эдс, наведённая в диполе, определяется как:

(15.1)

где l - длина диполя.

По определению, длина диполя Герца l << λ. Поэтому амплитуда поля волны вдоль оси вибратора остаётся постоянной, и, следовательно, величину Е можно вынести за знак интеграла:

(15.2)

Под действием ЭДС в вибраторе возникает ток, амплитуда которого, вследствие вышеуказанной причины, также будет постоянной по всей длине диполя. В вибраторах различной длины амплитуда тока распределена неравномерно. Однако, в отличие от вибраторов в режиме передачи, где эдс сосредоточена в точках питания, в приёмных вибраторных антеннах, наведённая полем волны эдс имеет распределённый характер, что усложняет расчет параметров антенны. Задача упрощается, если воспользоваться принципом взаимности.

15.2 Принцип взаимности. Эффективная площадь приёмной антенны

Согласно принципу взаимности, свойства и параметры приёмной антенны можно определить, если известны свойства и параметры этой же антенны в режиме передачи. Сущность принципа взаимности заключается в том, что если на вход четырехполюсника (рис. 15.2) подать ЭДС е1, то на его выходе (в нагрузке) появится ток I1 . Если же на выход четырехполюсника подключить ЭДС е2, равную е1, то на входе четырехполюсника появится ток I2, равный I1 .

Из принципа взаимности непосредственно вытекает принцип обратимости антенны, т.е. направленные свойства и КНД антенны одинаковы в режиме приёма и передачи. Таким образом, свойства приёмной антенны можно исследовать по её свойствам в режиме передачи.

спользуя принцип взаимности, нетрудно определить мощность сигнала, возникшего на входе приёмника в результате воздействия поля волны.

На рис. 15.3 изображена эквивалентная схема приёмной антенны, где епр – наведённая ЭДС, Iпр – ток во входных цепях приёмника, ZA=RA + jXA – входное сопротивление антенны, Zпр=Rпр+jXпр – входное сопротивление приемника.

В согласованном режиме ХА=Хпр=0, RA=Rпр. При этих условиях в нагрузку отдается максимальная мощность. Из рис. 15.3 следует, что

(15.3)

где F(φ) - зависимоcть тока в антенне от угла прихода волны. F(φ) называется диаграммой направленности приёмной антенны. Как следует из (15.2), максимум наведённой ЭДС в антенне соответствует условию φ = 0 (в случае симметричного вибратора в режиме приёма вектор должен быть параллелен его оси). С учётом сказанного:

(15.4)

Мощность сигнала, развиваемая на входе приемника,

(15.5)

Так как епр имеет распределенный характер, то величину епр определим, воспользовавшись понятием действующей длины вибратора (12.5):

(15.6)

С учетом (15.6) из (15.5) следует, что:

(15.7)

Как следует из (В.9), коэффициент усиления проволочных антенн

(15.8)

С учетом (15.8)

(15.9)

Мощность, извлекаемую из электромагнитного поля волны, можно определить, введя понятие эффективной площади антенны. Антенна, находясь в поле волны, извлекает из окружающего пространства часть её мощности. Отсюда под эффективной площадью приемной антенны принято понимать отношение мощности, извлекаемой антенной из поля приходящей плоской электромагнитной волны, к средней по времени плотности потока мощности волны (вектору Пойнтинга) в месте расположения приемной антенны:

(15.10)

С геометрической точки зрения эффективная площадь антенны представляет собой часть фронта плоской волны, через которую проходит вся мощность, извлекаемая антенной из окружающего пространства. Таким образом,

(15.11)

Приравняв (15.9) к (15.11), получим:

(15.12)

В случае полуволнового вибратора ( Ом)

(15.13)

Если пренебречь потерями в антенне (чаще всего на СВЧ), то , и

(15.14)

Например, эффективная площадь полуволнового вибратора (D = 1,64) равна

Учитывая обратимый характер приемо-передающих антенн, понятие эффективной площади в равной мере можно отнести и к передающим антеннам.

Понятие эффективной площади удобнее всего применять к апертурным антеннам (параболическим, рупорным, линзовым), имеющим раскрыв. В этом случае эффективной площадью раскрыва называется площадь эквивалентной антенны с равномерным амплитудным и синфазным раскрывом при условии, что обе антенны излучают одинаковую мощность. При этом отношение

(15.15)

называется коэффициентом использования площади раскрыва (КИП).

15.3 Шумовая температура приёмной антенны

Как известно, качество приёма определяется не абсолютным уровнем принятого сигнала, а его отношением к уровню шума:

(15.16)

где - мощность полезного сигнала на входе приёмника, - мощность внешних шумов, - мощность внутренних шумов радиоприёмного устройства, приведенных к его входу.

Внутренние шумы возникают в результате беспорядочного (теплового) движения электронов в электрической схеме приемника, так как любое тело с температурой отличной от абсолютного нуля (-273° С) излучает электромагнитные поля в широком спектре частот.

Внешние шумы (промышленные, атмосферные помехи, космические шумы) имеют идентичные с внутренними шумами спектральные характеристики. Поэтому суммарная мощность шумов, приведенная ко входу антенны, определяется по формуле:

(15.17)

где – полоса пропускания приёмника, k – постоянная Больцмана (k = 1,38·10 -23 ), ТА – так называется шумовая температура антенны, определяется по градусной шкале Кельвина.

Шумовой температурой антенны называется температура нагретого сопротивления, равного входному сопротивлению антенны, которое выделяет на входе приёмника при его подключении ту же мощность, что и данный источник шума (помех).

Шумовая температура реальной антенны зависит от её диаграммы направленности (с учётом боковых лепестков). В табл. 15.1 приведён пример влияния излучения поверхности Земли на шумовую температуру наземной приёмной антенны космической связи в зависимости от угла между направлениями максимума ДН и линией горизонта.

Таблица 15.1

| , К | f, ГГц
0 | 200 | 1,0
10 | 50 | 1,0
30 | 10 | 1,0

Направленная антенна может иметь выигрыш в отношении перед ненаправленной. Если направление прихода полезного сигнала совпадает с максимумом диаграммы направленности антенны, то выигрыш в отношении по сравнению с ненаправленной антенной равен КНД, при условии, что помеха равномерно распределена в пространстве.

В случае сосредоточенной помехи уменьшить её воздействие на входе приемника можно, ориентируя приёмную антенну таким образом, чтобы минимум ДН совпал с направлением прихода сигнала помехи (рис. 15.4).

Выигрыш при подобной отстройке от помехи может быть больше, чем в D раз. Однако нужно иметь в виду, что угол γ между направлениями прихода помехи и полезного сигнала должен быть достаточно большим. В противном случае при отстройке от помехи уровень полезного сигнала может быть сильно ослаблен.

Вопросы для самопроверки

1. Объяснить принцип работы антенны как эквивалентного генератора.
2. Что называется эффективной площадью приемной антенны?
3. Как определяется КНД приемной антенны?/li>
4. От каких особенностей ДН приемной антенны зависит ее КНД и ее помехозащищенность?
5. Что называется шумовой температурой приемной антенны?

назад | cодержание | вперёд