sazonov_d_m__antenny_i_ustroistva_svch_1 988 (561328), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Если выполняется условие ЧТ»»Т»(1 — Ч)+Т»р„, то отношение сигнал-шум оказывается пропорциональным О/Т„и не зависит от КПД антенны. Отсюда следует возможность уверенного радиоприема на средних и длинных волнах иа малогабаритные рамочные и проволочные антенны с КПД порядка 10-» и менее. Ма- лость напряжения полезного сигнала на выхоле такой «неэффективной» антенны легко компенсируется увеличением коэффициента усиления приемника.
На частотах выше 30 Мгц уровень атмосферных помех резко снижается, так как создаваемое очагами грозовой леятельности шумовое радиоизлучение ие может распространяться путем отраженна от ионосферы. С другой стороны, из-за прозрачности ионосферы иа этих частотах начкнают проявляться космические шумы. Радиоастро. номами составлены подробные карты яркостной Г»У температуры космических источников, наибольшие значениЯ котоРой наблюДаютсЯ вблизи галактн- гбг ческого центра и галактических полюсов. Частотную зависимость интенсивности космического излучения принято характеризовать с помощью гдг частотной зависимости усредненной шумовой температуры иэотропиой антенны в свободном пространстве, вычисляемой на основании карт радио- гб~ нркостн небесного свода (сплошная линия на рис.
8.3). Штриховой и штрихпунктирвой линиями на рис. 8.3 показаны средине значения ярко- Н« сгной температуры, относящиеся соответственно к участкам «горячего» и «холодного» неба. Пря сравнении наземных антенн по присущей м ' им шумозон температуре принято ориентировать антенну так, чтобы главный лепесток ДН был направлен а «холодный» участок неба, обычно в эе- гб инт. При этом наиболее существенный вклад в йгг б мГц шумояую температуру вносит прием теплового радиоизлучения Земли н излучения космических ис- Рис.
8.3 Ярко«гкап температочннков задними и боковыми лепестками виген- тура небесного свода иа ны. Поэтому для снижения шумовой температу- различных частотах ры остронаправленных антенн дециметровых и сантиметровых воли надо уменьшать заднее н боновое излучение. В правильно спроектированных антеннах вилад в шумовую температуру нз.за приема радиоизлучения Земли и космических источников может быть снижен до Ю вЂ” 5 К. На таком низком фоне существенную роль играют флуктуациониые шумы Та(( — Ч). Например, при и=0,95 этот вклад составляет около 15 К и оказывается соизмеримым с величиной Тл х. Следовательно, в малашумящих приемных антеннах дециметровых и сантиметровых волн КПд должен иметь максимально возможное значение.
$8.5. ВЗАИМНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ РАЗНЕСЕННЫХ АНТЕНН Вернемся к случаю передачи мощности между двумя антеннами (см. рис. 8.1). Будем считать входы антенн входами некоторого эквивалентного взаимного четырехполюсника, включающего в себя антенны и пространство между ними. По-прежнему считаем, что каждая антенна находится в дальней зоне другой антенны.
Если входы антенн согласованы с линиями (зш=злэ= 1) и наличие другой антенны с режимом холостого хода не нарушает этого согласования, то эквивалентный четырехполюсник может быть охарактеризован нормированной матрицей сопротивлений (8.16) в которой недиагональные элементы представляют собой взаимные сопротивления антенн.
Пусть генератор с нормированной ЭДС в, н внутренним нормированным сопротивление з~ подключен к первой антенне, а вторая антенна является приемной и имеет нагрузку з,. Соответствующая определению (8.16) система контурных уравнений Кирхгофа имеет вид и, =-1, + (эзм, О=),з„+), (1+ ',), (8.17) где й~=е1 — 11з, — нормированное напряжение на входе первой антенны. Из второго уравнения (8.17) нормированное взаимное сопротивление выражается в виде йм —— — )з(1+аз)/)ь Представляя сг по формуле (8.8) и нспользУя (8.2), получаем аж= -/ (дотув (газ) е — ))и/(К), (8.
18) где О, и (4 — максимальные коэффициенты усиления каждой антенны; скалярное произведение выборок нз нормированных векторных комплексных ДН (ГА") берется в направлении, соединяющем центры антенн. Впервые формула типа (8.18) была получена Г. Т. Марковым в 1948 г. Физический смысл формулы (8.18) достаточно ясен. Модуль взаимного сопротивления при расположении антенн в дальней зоне друг относительно друга представляет медленно убывающую функцию'вида 1/(ф1) (если только значения ДН н поляризациониый коэффициент передачи отличны от нуля). Фаза взаимного сопротивления изменяется с расстоянием по закону, характерному для движения электромагнитной волны в свободном пространстве.
Формула (8.18) является асимптотической, т. е. строго справедливой, когда расстояние между антеннами стремится к бесконечности. Практически ею можно пользоваться при расстояниях, превышающих размер промежуточной области (области френеля) каждой антенны, т. е. при г()2(.т/Х, где / — размер наибольшей из антенн. По взаимному сопротивлению между антеннами можно определить реакцию каждой из ннх на изменение нагрузки другой антенны. Согласно определению матрицы Х (8.16), каждая антенна является идеально согласованной при режиме холостого хода на выходе другой антенны. Прн включении на выход приемной антенны нагрузки с сопротивлением г2 входное сопротивление передающей антенны, как следует из (8.17), изменяется: й„=и~/й = = 1 — Рм/(1+г,) — и оказывается практически нерассогласоваиным при ~йм( =0,1. й З„а.
О ПЕРЕДАЧЕ МОЩНОСТИ МЕ)КДУ ДВУМЯ АНТЕННАМИ Формулы (7.25) для интенсивности излучения произвольной антенны и формулы (8.12) для мощности в нагрузке приемной антенны могут быть объединены для расчета «сквозного» коэффициента передачи мощности между двумя антеннами, расположенными в свободном пространстве в дальней зоне друг относительно друга. Мощность полезного сигнала на выходе приемной антенны Р, может быть записана с учетом соотношения связи между КНД и эффективной поверхностью Б,а=Р).Ц(4п) в следующих трех альтернативных формах: ,2рт ~.1 ~ 1 ( ~ ° ~) В15 рД4п), (8.19а) Р,Раааа/(1Опэ), (8.19б) Ж >,5,ь~Лз, (8.19в) где Р„„„— мощность падающей волны передатчика на входе передающей антенны; )г — расстояние между антеннами; Р~ — КНД; и — К11Д; Б,е: — эффективная поверхность; РР— выборка из амплитудной ДН по мощности в направлении на другую антенну; р; — коэффициент отражения; ($~' — поляризационный коэффициент передачи по мощности; индекс ( указывает номер антенны, причем безразлично, какая антенна является передающей, а какая — приемной.
Формулы (8.19) носят название формул идеальной радиопередачи, поскольку в них не учитывается влияние окружающей антенну среды (т. е. влияние Земли, атмосферы н препятствий на пути распространения радиоволн). Чаще всего эти формулы используются при расчете радиолиний связи между наземным пунктом н каким-либо летающим объектом, например самолетом или космическим кораблем, находящимся в условиях прямой видимости. Рассмотрим такой случай. Пусть параметры наземной анТенны фиксированы н система управления положением ее луча обеспечивает постоянную ориентацию максимума ДН на летающий объект.
Тогда коэффициент передачи мощности между антеннами оказывается пропорциональным величине РаГа'(О, ф) ~~(0, ~р, О) ~', где Ра — максимальный КНД бортовой антенны; )га(0, ~) — выборка нз нормированной ДН бортовой антенны по мощности; ~ЦО, ф, р) ~' — поляризационный коэффициент передачи, зависящий как от углов О,~Р, задающих направление на наземную станцию связи, так и от угла р, характеризующего поворот бортовой антенны вокруг направления связи. При эволюциях объекта в пространстве происходит изменение всех трех углов, а также меняется расстояние между объектом и наземным пунктом связи.
Можно выделить два характерных случая: 1) траектория объекта и его ориентация в пространстве заранее известны (выведение на орбиту космических кораблей и искусственных спутников Земли) „ 2) объект характеризуется сложным движением и не предсказуемым заранее положением в пространстве, так что возможно случайное изменение всех трех углов в максимальных пределах. В первом случае в местных координатах объекта известны положение линии связи и расстояние Я для каждого текушего момента времени, причем, как правило, область телесных углов, охватывающих всевозможные направления связи, составляет только некоторую часть полного телесного угла.
Это позволяет сформулировать требования к форме ДН и поляризации бортовой антенны, при выполнении которых обеспечивается необходимый коэффициент передачи в каждый момент времени. Далее, может быть выбрана конструкция бортовой антенны, в той или иной степени удовлетворяющая этим требованиям.
Существенным здесь является то, что требования к векторной ДН предъявляются лишь в части полного телесного угла и имеется принципиальная возможность выполнить зти требования и указать в соответствии с формулой (7.16) реализуемый КНД антенны. Во втором случае ситуация совершенно иная. Здесь для осушествления непрерывной связи необходима изотропная антенна с постоянной поляризацией. Однако в теории антенн доказана такая теорема: если амплитудная До не имеет нулей, го поляризация излучения существенно зависит от направления и в полном телесном угле 4п обязательно найдется хотя бы одно направление, в котором коэффициент эллиптичности примет любое наперед заданное значение — 1(г(1. В применении к случаю радиосвязи с не ориентированным объектом следствием теоремы является то, что существует хотя бы одна тройка углов 6, «с, р, для которой коэффициент передачи мошности между антеннами обрашается в нуль и связь оказывается прерванной.
Возникает вопрос: как в такой ситуации оценить степень отличия какой-либо конкретной антенны от изотропного излучателя? Можно воспользоваться функцией распределения случайной величины РвГв»(О, «р)~$(6, «с,(1)~' в трехмерном пространстве углов 6, «с, 8 для вычисления полной вероятности того. что для большого числа независимых сочетаний углов 8„ «рь (1« будет выполнено условие Рвре'(Оь «р«)~$(Оь «рь р«)(' -»Р»е, где Р»ф — некоторый фиксированный уровень. Часто такую статистическую функцию называют «вероятностью связи» н обозначают Р(Р,е), что подразумевает применение эргодического принципа, согласно которому интегральный закон распределения Р(Р,ф), полученный при независимых испытаниях, не изменится, если изменение сочетания углов О, «р, р при эволюциях объекта во времени — стационарный случайный процесс с равной вероятностью любых ориентаций.
Когда мошность передатника и расстояние между антеннами фиксированы, а Р,» имеет смысл минимально допустимого значения, при котором еше воз- можно выделение полезного сигнала на фоне шумов, вероятность РЯ,е) действительно представляет вероятность наличия связи. Расчет функции распределения вероятности Р(Ре) можно выполнить на ЭВМ методом статистических испытаний (методом Монте-Карло). По известной векторной ДН бортовой антенны и заданному вектору поляризации наземной антенны составляется подпрограмма вычисления функции Г«,а,=РеРч'(Оь «р«)1$(0«, «рь 0«~т. Затем к ней присоединяется подпрограмма генерирования тро- рта т «««а~ ек случайных чисел 0ь «рь 8« (возможно, с требуемыми законамн йт5 1 распределения совместной плотности вероятности ориентации в ч5 пространстве).
По этим подпрограммам ведется последователь- ч«8 ный расчет М значений функции /у,Ф, и опоеделяется число случаев К(/У,ф), для которых /У,е,~ )чччч ГДЕ Й Р вЂ” фИКСИРОВаННЫЙ уровень. Для каждого значения рис. 8.4. Расчетные крчвмс версят- Р.,ф отношение К(/Уч«р)/М представляет оценку вероятности связи Р(Г«««ф). Результат расчета тем точнее, чем больше число М. Например, прн М=100 найденное значение Р(Г«,е) с вероятностью 90% заключено в интервале .+-!Оч .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
