Шостак А.С. Антенны и устройства СВЧ. Часть 2. Антенны (2012) (1095849), страница 15

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 15)

Обозначая шумовую температуру внутренних шумов Та фл, авнешних - Ta  , получаем( 4.5)Т а  Tа фл  Та  .Внутренние шумы Та фл обязаны омическим потерям в антенне и связаны степловыми флуктуациями заряженных частиц в проводниках и диэлектриках.Их величина определяется соотношением( 4.6)Ta фл  Т 0 1  а  ,где Т0 - физическая температура антенны в Кельвинах;  a - коэффициент полезного действия антенны.Внешние шумы возникают из-за приема антенной шумов из окружающего ее пространства и зависят как от формы амплитудной диаграммы, так иот углового распределения падающего на антенну потока мощности внешнихшумов, который характеризуется так называемой яркостной температуройTя  ,  :2 Da( 4.7)Ta  Tя  ,  F 2  ,  sin  d  d.4 0 0Интегрирование в (4.7) ведется по всей угловой области пространства, окружающего антенну.80Значения внешней шумовой температуры антенны существенно зависятот частоты.

В диапазонах длинных, средних и коротких волн основной вклад вTa  вносят атмосферные помехи, вызванные грозовыми разрядами, и помехи,создаваемые промышленными установками и транспортом. С увеличением частоты уровень атмосферных помех уменьшается. Известны следующие оценкисоставляющей шумовой температуры Ta  за счет атмосферных помех в средней полосе России: на частоте 1 МГц она равна 3 108 K , на частоте 30 МГцона уменьшается до 300 К, а при дальнейшем повышении частоты до 50-70МГц шумовая температура за счет атмосферных помех практически стремитсяк нулю. Однако при этом начинают проявляться шумы космического происхождения. Из-за неравномерного распределения (грозовые помехи можно считать равномерно распределенными) шумовая температура антенны начинаетзависеть от ориентации диаграммы направленности, а также от структуры иуровня ее боковых лепестков.

В диапазоне дециметровых и сантиметровыхволн существенный вклад в шумовую температуру вносит также тепловое радиоизлучение Земли. Поэтому для снижения шумовой температуры остронаправленных антенн этих диапазонов необходимо, чтобы основной лепестокдиаграммы направленности был сориентирован в область «холодного» участканеба, а боковые лепестки, направленные в сторону Земли, были малыми. Вправильно спроектированных антеннах составляющая шумовой температуры,обязанная космическим источникам и излучению Земли, может быть уменьшена до 5-20 К.

Возвращаясь к соотношению (4.5), видим, что в диапазонедлинных и средних волн основной вклад в шумовую температуру антеннывносит составляющая Ta  , поэтому шумовая температура антенны не зависитот ее коэффициента полезного действия. В СВЧ - диапазоне существенныйвклад в Ta начинает вносить флуктуационная составляющая Та фл. Поэтому припроектировании малошумящих антенн этого диапазона надо обеспечиватьмаксимально возможный коэффициент их полезного действия.Применение принципаприемных антенн4.2взаимности к изучению свойствРассмотрим две произвольные антенны А1 и А2 расположенные в дальнейзоне на расстояния r друг друга (рис.

4.2), и рассмотрим две ситуации. В первой из них антенна А1 является передающей и возбуждается гармоническимсигналом с частотой f от некоторого генератора с комплексной амплитудойЭДС el и внутренним сопротивлением Zl.Антенна А2 является приемной и нагружена на сопротивление Z2. Поддействием ЭДС e1 на входе передающей антенны возникает ток с амплитудой81I1 e1,Z1  Z a 1( 4.8)где Zal - входное сопротивление антенны А1 в режиме передачи.Под действием этого тока антенна А1 излучает электромагнитное поле.

Всоответствии с соотношением (1.15) напряженность электрического поля в месте расположения антенны А2j( 4.9)E21 I1hД 1F  21 ,21   e jkr r  ,2где hД 1 - действующаядлинаантенныA1,F1  21 ,21  - комплекснаявекторная нормированнаядиаграмма направленности антенны А1 в режимепередачи;  21,21  - углы,соответствующие направлению на вторую антенну(ее фазовый центр) в системе координат первойантенны (рис. 4.2,а).Исключая из выражений(4.8), (4.9) ток I1 , получаем2 E21  Z1  Z a 1  re1 ,j hД 1F1  21 ,21  e  jkr( 4.10)где отношение векторов,Рисунок 4.2 – Эквивалентный четырехпостоящих в числителе илюсник, образованный входами двухзнаменателе имеет смыслантенн А1 и А2в силу их коллинеарности.Поддействиемнапряженности E21 на входе приемной антенны А2 появится ток I 21 , амплитудукоторого определим на основании принципа взаимности позже.Рассмотрим теперь другую ситуацию, когда антенна А2 является передающей и возбуждается на входе ЭДС e2 с той же частотой f .

Все остальныеусловия остаются прежними (рис. 4.2,б). Обозначая через hД 2 , Za 2 соответственно действующую длину и входное сопротивление антенны А2 в режимепередачи, а через F2  2 ,2  ее нормированную векторную диаграмму направленности (в системе координат антенны А2), аналогично тому, как это делалось82в (4.10), найдем связь между ЭДС e2 и напряженностью E12 электрическогополя, создаваемого антенной А2 в режиме передачи в месте расположения антенны А1:2 E12  Z 2  Z a 2  re2 ,( 4.11)j hД 2 F2  12 ,12  e  jkrгде углы 12 , 12 соответствуют направлению на антенну А1.Под действием напряженности поля E12 на входе антенны А1 возникаетток I12 , значение которого определим из принципа взаимности. Для этого рассмотрим эквивалентный четырехполюсник, образованный входами антенн А1 иА2 (показан пунктиром на рис.

4.2). В случае, когда антенны А1 и А2 не содержат невзаимных устройств, а в окружающем их пространстве отсутствуют нелинейные среды, эквивалентный четырехполюсник являетсявзаимным, т.е. для него выполняется соотношениеe1 e2( 4.12)I 21 I12которое, в частности, показывает, что если под действием некоторого напряжения на первом входе появился ток на втором входе, то при включении этогоже напряжения на втором входе появится точно такой же ток на первом входе,т.е. условия передачи энергии с первого входа на второй и, наоборот, одинаковы.Подставляя в соотношение (4.12) значения e1 и e2 из выражений (4.10) и(4.11), после преобразований и сокращения получаемI12  Z1  Z a 1 I 21  Z 2  Z a 2 ( 4.13)hД 1 E12  F1  21 , 12 hД 2 E21  F2  12 , 12 Так как антенны А1 и А2 произвольные, то соотношение (4.13) показывает, что для любой антенны произведение величин, стоящих в левой или правойчастях (4.13), является некоторой константой N.

Действительно, при изменении параметров антенны А2 параметры А1 не изменятся. В силу линейности антенны отношение I12 E12 тоже сохранится.Обозначая через I ток на входе приемной антенны, возникающий поддействием падающей с направления  ,  плоской волны с вектором напряженности электрического поля E , получаемI  Z  Za ( 4.14) N,hД E  F  , где Z- сопротивление, включенное на входе антенны; Z a , hД , F  ,  - соответственно входное сопротивление, действующая длина и диаграмманаправленности антенны в режиме передачи.83Анализ показывает, что для элементарного диполя константа N = j, поэтомуток на входе произвольной приемной антенныIjhД E  F   , .( 4.15)Z  ZaЧислитель правой части (4.5) имеет размерность ЭДС, которая создается навходе приемной антенны под действием падающего извне поля.

Обозначаякомплексную амплитуду этой ЭДС через e  ,  , из (4.15) получаемe  ,   jhД E  F   ,  ,(4.16)e  , .( 4.17)Z  ZaОбозначая через pe поляризационную диаграмму направленности падаIющего извне на антенну поля E  ,   Epe  ,  , а через p  ,  - поляризационную диаграмму направленности антенны в режиме передачи F ,   F ,  p ,  , из (4.16) получаемe  ,   jEhД   ,  F  ,  ,( 4.18)где  ,    pe  ,  p  ,  ( 4.19)- коэффициент, показывающий уровень принимаемого антенной поля в зависимости от взаимной ориентации поляризационных диаграмм направленностиантенны и падающего поля.При совпадении поляризации падающего извне поля с поляризацией поля, излучаемого антенной в этом направлении, т.е.

при pe  ,   p  ,  коэффициент  = 1 и выражение (4.18) приводится к виду( 4.20)e  ,   jEhД F  , .Соотношение (4.20) показывает, что при совпадении поляризации падающегополя с поляризацией поля, излучаемого антенной в режиме передачи, комплексная диаграмма направленности антенны в режиме приема e  ,  с точностью до постоянного множителя jhД E совпадает с комплексной диаграммой направленности этой антенны F  ,  в режиме передачи.Соотношение (4.17) позволяет представить антенну в режиме приема ввиде эквивалентной схемы, показанной на рис. 4.3. Непосредственно самаприемная антенна в присутствии падающего на нее извне поля является как быисточником ЭДС с напряжением e  ,  и с внутренним сопротивлениемZ a  Ra  jX a равным входному сопротивлению антенны в режиме передачи.Принимаемая антенной мощность (мощность, выделяемая в сопротивлениинагрузки Z = R+jX)841 e  , P  ,  R2 Z  Za 22( 4.21)достигает максимального значения Pmax при условии Z  Za .

При этомPmax  ,  e  , 2e  ,  Re  , 22E 2 h 2 Д F  , 2a a , (4.22)8Ra8Ra R8R8Rгде R - сопротивление излучения антенны,отнесенное к току на входе антенны;RR- коэффициент полезногоa   Ra R  RПдействия антенны; RП – сопротивление активных потерь антенны.Учитывая, что действующая длина исопротивление излучения связаны соотношением hД   D0 R / W   , где D0 - КНДРисунок 4.3 - Эквивалентантенны в направлении максимума дианая схема приемнойграммы направленности; W - волновое соантенныпротивление среды (для свободного пространства W = 120 π Ом), преобразуем выражение (4.22) к виду2Pmax  ,  где p  E2 2W E  2a DW 8F  , 222Gp F  ,  ,4( 4.23)- плотность потока падающей на антенну мощности внеш-него электромагнитного поля; G - коэффициент усиления антенны.В частности, в антенне без потерь a  1 и при условии приема падающего поля с направления максимума диаграммы направленности максимальное значение принимаемой мощностиD 2( 4.24)Pmax  p.4Полагая, что максимальная мощность, принимаемая антенной, собирается ею равномерно с некоторой части поверхности S ЭФ фронта падающей плоской волны, т.е.

Характеристики

Список файлов книги