2. Параметры антенн

Антенны служат для передачи энергии посредством излучения в открытое пространство либо для приема энергии из открытого пространства. Антенны могут быть использованы для передачи энергии, определения свойств различных материалов и для передачи информации. Антенно-фидерное устройство состоит из антенны, служащей для излучения и приема радиоволн, и фидерной линии (питающей линии) для передачи энергии от передатчика к антенне либо от антенны к приемнику (индикатору) СВЧ мощности в свободном пространстве перед антенной. Передающая антенна должна излучать в нужном направлении электромагнитные волны с возможно большей энергией. В приемной антенне, радиоволны, пришедшие в определенном направлении, должны возбуждать, возможно более сильные, колебания электрического тока. Фидерная линия служит для передачи сигналов от антенны к приемнику либо от передатчика к антенне с наименьшими потерями на «джоулево» тепло. Кроме того, сами фидеры не должны излучать электромагнитные волны в окружающее пространство. Антенные устройства обладают обратимостью, т.е. любая передающая антенна, как правило, может работать в качестве приемной. Кроме того, если антенна, работающая как передающая, обладает некоторыми свойствами, то эти свойства сохраняются и в случае использования данной антенны в качестве приемной. В большинстве случаев передающая или приемная антенны, также как и фидерная линия, представляет собой проводник (определенной формы и размеров) или систему нескольких проводников. Важнейшей характеристикой антенны является её направленность. Комплексная характеристика направленности передающей антенны определяется, как правило, по электрическому полю в дальней зоне, т.е. на расстоянии от антенны, для которого выполняется неравенство:

.

В этой формуле - размер антенны, - длина излучаемой волны. Дальней зоной антенны называют пространство, для которого справедливо утверждение: «Разность фаз между парциальными волнами, приходящими в центр приёмной антенны и в её периферию составляет менее, чем », согласно работе [1]. Вектор напряжённости электрического поля описывается выражением:

,

где , , - соответственно, амплитудная, поляризационная и фазовая диаграммы. Нормированные амплитудные диаграммы направленности определяются соотношениями:

- по полю.

- по мощности.

Е_max - значение амплитуды электрического поля в точке максимума диаграммы направленности, при вполне определенных  и . Здесь - нормирующий множитель. Часто диаграммы направленности выражают в логарифмическом масштабе (в дециБеллах):

Для полноты представления ДН обычно интересуются сечениями ДН в главных плоскостях. При этом сечение ДН главной плоскостью, содержащей электрический вектор, называется ДН в плоскости Е, а сечение главной плоскостью, содержащей магнитный вектор, - ДН в плоскости Н.

Из графического построения нормированных амплитудных ДН чаще всего определяют коэффициент равномерности ДН (в случае слабонаправленной антенны)

N = F_мин()

Ширину главного лепестка (луча) (по мощности) определяют на уровне 0.5 от максимального значения плотности мощности излучения (или по уровню 0.707 от максимальной напряженности поля, или по уровню ( -3 дБ) в логарифмическом масштабе).

Поляризация передающей антенны определяется поляризацией ее поля излучения, как правило, по электрическому вектору. Наиболее общим случаем поляризации является эллиптическая поляризация, которая полностью описывается следующими параметрами поляризационного эллипса:

• углом наклона  большой оси эллипса к оси о, выбранной системы координат (0<</2);

• коэффициентом равномерности (эллиптичности) поляризации Kэ = b/a, где b и a - малая и большая полуоси эллипса (0<Kэ<1);

• знаком поляризации sign (Kэ>0) - для правой поляризации и меньше нуля для левой. При Kэ = 0 - эллипс вырождается в прямую линию и поле имеет линейную поляризацию. При Kэ= 1 эллипс становится окружностью и поле имеет круговую поляризацию. Или как говорят – поле циркулярно поляризовано;

Знание амплитудной и поляризационной диаграмм передающей антенны позволяет определять ее Коэффициент Направленного Действия. Для антенны линейной поляризации

.

• Для антенны с вращающейся поляризацией, при совпадающих максимумах парциальных ДН

.

Здесь параметры и - парциальные КНД для компоненты полей  и . На практике широко распространена грубая оценка КНД по формуле:

,

где и ширина луча антенны на уровне по мощности в главных плоскостях, рад.

• Кпд передающей антенны находится так:

,

где R_п -сопротивление потерь в антенне, ом, R_- сопротивление излучения на входе антенны.

• Коэффициент усиления антенны (КУ) определяется по формуле:

G = D_a.

• Диапазонные свойства передающей антенны характеризуются шириной полосы пропускания рабочих частот или отношением полосы пропускания к средней частоте диапазона, взятым в процентах:

2f /fср= 2 (fмакс - fмин)/(fмакс + fмин)100;

• коэффициент перекрытия диапазона:

• К =(f ср +f)/(fср - f).

• Приемная антенна - по теореме взаимности приемную антенну характеризуют те же параметры, что и передающую.

• Эдс, возбуждаемая в любой приемной антенне, определяется по формуле Неймана:

• Эа =(Е/)(GR_a/120)^1/2F(,) cos.

• Здесь Е - напряженность поля волны, действующей на антенну, В/м,  - длина волны, ,м; G- КУ антенны, R_a- активная составляющая входного сопротивления антенны, F (,) - нормированная амплитудная ДН антенны;  - угол между плоскостями поляризации приемной антенны и приходящей волны, рад.

• Максимальная ЭДС в приемной антенне равна:

• Э_амакс = ЕL_д = (Е/) (GR_a/120)^1/2,

где L_д - действующая длина антенны, м.

• Максимально возможная (оптимальная) мощность в Ваттах, отдаваемая приемной антенной с входным сопротивлением в Za = Ra +iXa в согласованную нагрузку (приемник), непосредственно подключенную к антенне, возможна только при R_a = R_н,

• Х_а= - Х_н. И определяется по формуле:

• Pмакс= Э²_а.макс /(8R_а).

• Мощность, отдаваемая антенной в несогласованную нагрузку, рассчитывают по формуле:

P =Pмакс = 4Ra*RнPмакс/ [(Ra + Rн)² + (Xa+Xн)²]

где  - коэффициент согласования антенны с нагрузкой.

• Действующая (эффективная) площадь нагрузки равна:

• Sд = ²G/4

• Собственная (шумовая) температура антенны определяется по формуле

Т_ас = Т_о(1-_а), где Т₀ - температура окружающей среды.

• Максимальная мощность полезного сигнала на выходе приемной антенны рассчитывается по формуле идеальной радиопередачи:

Р_с = Р _пер G_передG_приемн ²/(4r)²,

где Р_пер мощность сигнала, излучаемого передающей антенной; G_пер, G_приемн - КУ передающей и приемной антенн, r - расстояние между антеннами.