Эффективная площадь антенны и коэффициент усиления

В помощь изучающему электронику

Данный справочник собран из разных источников. Но на его создание подтолкнула небольшая книжка «Массовой радиобиблиотеки» изданная в 1964 году, как перевод книги О. Кронегера в ГДР в 1961 году. Не смотря на такую ее древность, она является моей настольной книгой (наряду с несколькими другими справочниками). Думаю время над такими книгами не властно, потому что основы физики, электро и радиотехники (электроники) незыблемы и вечны.

Основные параметры передающих антенн

RΣ = PΣ / Ia

RA = RΣ + Rп

η = RΣ / (RΣ + Rп)

D = 41253 / Ф0 θ0

Параметры приемных антенн

— величина, на которую нужно умножить напряженность электрического поля в точке приема, чтобы получить э. д. с., развиваемую антенной. hд зависит от типа антенны и ее относительных размеров (по отношению к длине волны). Физически hд равна высоте воображаемой антенны, обладающей одинаковой с реальной антенной способностью принимать радиоволны, но в которой ток по всей длине имеет постоянное значение, равное току в пучности реальной антенны IАп (рис.1).

Понятием «действующая высота» удобно пользоваться при расчете одновибраторных антенн длиной не более λ/4.

Эффективная площадь антенны Аэфф определяет ту часть площади фронта плоской волны, с которой снимает энергию антенна. Понятие эффективная площадь используется при расчете многовибраторных и других сложных антенн (это понятие может быть применено и к одновибраторной антенне).

Рис1. Действующая высота антенны.

D = 4π Aэфф / λ 2

PA = (E 2 o Aэфф) / 120 π

G = ηAv D

Вибраторные антенны

D = 5 (n + 1)

Рамочные антенны

n lw π cos φE

Приемные ферритовые антенны

е — э. д. с., наведенная в антенне;

Q — добротность антенного контура,

Согласование антенны со входом первого каскада приемника обычно осуществляется частичным включением антенного контура при ламповом входе и катушкой связи при транзисторном входе. Индуктивная связь является более гибкой, поскольку, перемещая катушку связи, можно менять связь в широких пределах.
Правильный выбор связи играет особо важную роль в транзисторных приемниках ввиду низкого входного сопротивления транзисторных каскадов. Для повышения чувствительности транзисторного приемника (за счет более эффективного использования ферритовой антенны) антенну подключают через эмиттерный повторитель, обладающий высоким входным сопротивлением.
Расчет ферритовой антенны (рис. 6) состоит в определении количества витков антенной катушки.

Требуемую индуктивность антенной катушки находят по формуле:

Lк = 2,53 10 4 / f 2 max Cmin мкгн

Рис. 6. Ферритовая антенна.
1-ферритовый стержень, 2-Антенная катушка, 3-катушка связи, х-смещение центра катушки относительно центра сердечника.

Для наиболее простой односекционной антенной катушки со сплошной намоткой количество витков:

Коэффициент формы L’ зависит от отношения длины катушки к ее диаметру (рис.7).

Коэффициент μк определяют как произведение четырех эмпирических коэффициентов

Сопротивление излучения связывает излучаемую антенной мощность с током, питающим антенну
Здесь РΣ мощность, излучаемая антенной, вт; Rиз—сопротивление излучения, ом; Ia — эффективное значение тока, а.

Величина RΣ зависит от чипа антенны, ее размеров (по отношению к длине волны) и точки подключения питающего фидера. В общем случае сопротивление излучения имеет комплексный характер, т. е., кроме активной составляющей, имеет и реактивную Хиз.

Полное активное сопротивление антенны RA складывается из сопротивления излучения R Σ и сопротивления потерь Rn

Коэффициент полезного действия (к. п. д.) η антенны

— отношение излучаемой мощности к подводимой

К. п. д. большинства типов настроенных передающих антенн близок к единице.
Диаграмма направленности антенны

— зависимость напряженности поля в удаленной Точке от направления. Обычно диаграмма направленности снимается в двух плоскостях — горизонтальной и вертикальной.

Для оценки направленности антенны в какой-либо плоскости пользуются понятием ширины диаграммы направленности, понимая под этим ширину основного лепестка, отсчитанную по уровню 0,7 напряженности поля (или по уровню 0,5 мощности).

Коэффициент направленного действия (КНД) антенны D — число, показывающее во сколько раз нужно увеличить мощность передатчика, чтобы в точке, лежащей на заданном удалении по направлению максимального излучения, получить такую же напряженность поля с помощью ненаправленной антенны. КНД однозначно определяется пространственной диаграммой направленности антенны.

Если известна ширина диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях, то КНД находят по следующей приближенной формуле:

где:

Ф0—направленность антенны в горизонтальной плоскости, °

θо— направленность антенны в вертикальной плоскости, °.

G =η D

Частотная характеристика антенны и полоса пропускаемых частот характеризуют способность антенны работать в диапазоне частот. Частотной характеристикой называют зависимость тока, питающего антенну, от частоты, а полосой пропускания — область частот, где ток не падает ниже уровня 0,7 от своего максимального значения.
A1o
Эффективная площадь антенны и КНД связаны следующей зависимостью:
Где:

Мощность сигнала на входе приемника, согласованного с антенной, равна;

где:

Аэфф—эффективная площадь антенны, м 2 ;

—зависимость э.д. с. антенны от направления прихода волны. Ширина диаграммы направленности—угол, внутри которого э. д. с. антенны не падает ниже уровня 0,7 от своего максимального значения.

Коэффициент полезного действия ηA

—отношение мощности, снимаемой с антенны, к мощности, получаемой антенной от электромагнитной волны.

Коэффициент направленного действия (КНД) антенны D

— число, показывающее, во сколько раз мощность, снимаемая с антенны, превышает мощность, которую можно было бы получить в данном случае с помощью ненаправленной антенны, имеющей такой же к. п. д.

Величина КНД полностью определяется пространственной диаграммой направленности антенны.

Коэффициент усиления антенны по мощности G

— число, показывающее, во сколько раз мощность, снимаемая с антенны, превышает мощность, которая могла бы быть снята в этих же ^условиях с ненаправленной антенны без потерь. Как и для передающей антенны,

Входное сопротивление антенны ZA

— сопротивление антенны на рабочей частоте в точках подключения. В общем случае ZA (так же, как и сопротивление излучения передающей антенны) имеет как активную, так и реактивную составляющие.

Частотная характеристика антенны

— зависимость входного сопротивления антенны от частоты.

Для антенн существует принцип взаимности, согласно которому одна и та же антенна при работе на передачу и прием обладает одинаковыми характеристиками (КНД, к. п. д., диаграмма направленности и т. д.). При этом предполагается, что сохраняется способ подключения к антенне.

Основные данные простых вибраторных антенн приведены в табл. IX.1. Антенна типа «волновой канал» состоит из активного вибратора, рефлектора и нескольких директоров. Обладает большой направленностью вдоль оси (по направлению от активного вибратора к директорам).
A9o

Рис. 2 Антенна типа «Волновой канал»

Рекомендуемые размеры вибраторов и расстояний между ними приведены на рис. 2. Окончательная подгонка размеров производится экспериментально. Для уменьшения габаритов можно исключить два передних директора. Увеличение количества директоров свыше тоех малоэффективно.

Коэффициент направленного действия антенны «волновой канал» определяется по приближенной формуле

где n — число директоров.
Рамочная антенна (рис. IX.3) представляет собой плоскую катушку произвольного поперечного сечения.

Обычно общая длина провода рамочной антенны мала по сравнению с длиной волны

где:

е — э. д. с., наводимая по рамке, в;

S — площадь рамки, м 2 ;

Е — напряженность поля, в/м;

φ— угол между направлением приема и плоскостью рамки, °,

RΣ =31200 (nS/λ 2 ) 2 ом

Обычно R Σ очень мало, а поэтому к. п. д. системы низок. Рамочная антенна, как правило, применяется только для приема.
Ферритовые антенны широко применяются в малогабаритных радиоприемных устройствах ДВ и СВ диапазонов, а также находят применение в диапазонах KB и УКВ.

Ферритовая антенна состоит из ферритового стержня, на котором размещена антенная катушка, выполняющая роль индуктивной ветви входного контура. По принципу действия фердитовая антенна является магнитной, аналогично рамочной антенне.

Эффективность ферритовой антенны ДВ и СВ диапазонов сравнима со штырем длиной 1—2 м.

Ферритовая антенна обладает направленностью, соответствующей рамочной антенне (см. рис.4).

Расчет и конструирование ферритовой антенны. Выбор марки феррита производится в соответствии с диапазоном частот:

ДВ μ = 1000—2000;

УКВ μ = 10—50.

Провод — одножильный или литцендрат (на СВ). Тип намотки — обычно однорядная сплошная (виток к витку). Следует стремиться к максимальной добротности антенной катушки, поскольку это определяет эффективность ферритовой антенны.

Напряжение на входном контуре

где:

fmax — максимальная частота диапазона, Мгц;

Сп — минимальная емкость контура, пф.

A11o
A12o A13o
Рис.7 График для определения коэффициента формы катушки L’ Рис. 8. График для опрежеления коэффициента mL
A17o A14o
Рис. 9 График для определения
коэффициента pL
Рис. 10 График для определения действительной магнитной проницаемости ферритового стержня.

Основные формулы описывающие параметры вибраторных антенн

Оглавление

Основные понятия. Замкнутая и разветвленная цепи постоянного тока

Основные зависимости, Последовательный колебательный контур, Параллельный колебательный контур

Входная цепь приемника

10.1 Аттенюаторы, 10.2 Согласование источника с нагрузкой по мощности, току и напряжению

Основные параметры передающих антенн, Параметры приемных антенн, Вибраторные антенны, Рамочные антенны, Приемные ферритовые антенны, Формулы для расчета вибраторных антенн

Источник

Теория радиоволн: антенны

Tnv1M

Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.

Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.

Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.

Антенны
Симметричный вибратор

Ld2EG

В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.

Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.

Диаграмма направленности симметричного вибратора

LqhoG

В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.

В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:

NyZHI

Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.

Несимметричный вибратор

Ayce1

Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.

Диаграмма направленности следующая:

gmjNz

Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.

Наклонная V-образная

qHAOv

Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V

kX6fE

Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.

Антенна бегущей волны

Также имеет название — антенна наклонный луч.

wk6cF

Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.

UYiGd

Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:

sVtl3

jtW6Q

Антенна волновой канал

o84hn
Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.

Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.

За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:

sTEWt

Рамочная антенна

fWdLJ

Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.

Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:

GbeN9

Логопериодическая антенна

Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.

Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:

10M6r

Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.

nMKYP

Поляризация

Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.

X7jZ0
CunVq

Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.

Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.

При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.

Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.

Источник

Параметры антенн

ks3.print

Рисунок 1. Диаграмма направленности антенны в полярных координатах

ks3

Рисунок 1. Диаграмма направленности антенны в полярных координатах

Параметры антенн

Коэффициент усиления и коэффициент направленного действия

Благодаря особой конструкции антенны обеспечивают сосредоточение плотности излучения в определенных пространственных направлениях. Мерой направленности антенны без потерь является коэффициент усиления антенны. Этот параметр тесно связан с коэффициентом направленного действия антенны. Однако, в отличие от коэффициента направленного действия, который характеризует только направленные свойства антенны, коэффициент усиления учитывает также и эффективность антенны. Следовательно, он позволяет оценить фактическую излучаемую мощность. Она, очевидно, является несколько меньшей, чем мощность, подводимая к антенне от передатчика. Поскольку эту мощность легче измерить, чем оценить направленность антенны, коэффициент усиления антенны используется чаще, чем коэффициент направленного действия. Если же предположить, что рассматривается антенна без потерь, то можно считать, что коэффициент направленного действия приблизительно равен коэффициенту усиления антенны.

Для определения коэффициента усиления антенны используется физическая абстракция – изотропная антенна. В большинстве случаев в этом качестве рассматривается гипотетический всенаправленный или изотропный излучатель (то есть излучающий во всех направлениях) без потерь. Иногда вместо него может рассматриваться дипольная антенна, которая тоже может считаться всенаправленной, по крайней мере, в одной плоскости.

Для измеряемой антенны в некоторой точке на определенном расстоянии от нее измеряется плотность мощности излучения (мощность на единицу площади) и сравнивается со значением, полученным при использовании изотропной антенны при прочих равных условиях. Отношение этих двух измеренных плотностей мощности будет равно коэффициенту усиления антенны (в данном направлении).

Например, если направленная антенна порождает в заданной точке плотность мощности, в 200 раз большую, чем изотропна антенна, то ее коэффициент усиления G равен 200 или 23 дБ.

Диаграмма направленности антенны

Диаграммой направленности антенны называют графическое представление пространственного распределения излучаемой антенной энергии. В зависимости от назначения, к антеннам могут предъявляться требования принимать сигналы только с определенного направления и не принимать с других направлений (например, телевизионная антенна, радиолокационная антенна) или, напротив, принимать сигналы со всех возможных направлений.

Желаемый коэффициент направленного действия достигается целенаправленным конструированием антенны, включающим в себя проектирование электрических и механических свойств. Коэффициент направленного действия показывает, насколько хорошо антенна принимает или излучает в определенном направлении. Он отображается в графическом представлении (в виде диаграммы направленности антенны) в функции азимута (горизонтальная диаграмма направленности) и угла места (вертикальная диаграмма).

ks2.print

Рисунок 2. Та же диаграмма направленности антенны в прямоугольных координатах

ks2

Рисунок 2. Та же диаграмма направленности антенны в прямоугольных координатах

Для отображения может использоваться как прямоугольная (Декартова) система координат, так и полярная. Измеренные значения могут откладываться в линейном или в логарифмическом масштабе.

Ширина луча по уровню половинной мощности

Ширина луча по уровню половинной мощности есть угловой размер диаграммы направленности, в котором излучается как минимум половина максимальной мощности. Точки на диаграмме направленности, соответствующие границам ее основного лепестка, являются точками, в которых напряженность излучаемого антенной поля уменьшается на 3 дБ по сравнению с максимальной. Угол Θ между этими двумя точками называют углом апертуры или шириной луча по уровню половинной мощности. Чтобы упростить вычисления, иногда предполагают, что излучаемая мощность равномерно распределена в пределах этого угла и равна нулю за его пределами.

Телесный угол луча
ΩA ≈ Θaz·Θel где: Θaz = ширина луча по уровню половинной мощности в горизонтальной плоскости;
Θel = ширина луча по уровню половинной мощности в вертикальной плоскости.
(1)

Применяются разные модели пространственного представления луча: модель, где сечение луча плоскостью, перпендикулярной его оси, имеет прямоугольную форму со сторонами, длины которых соответствуют ширине луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также модели, в которых это сечение имеет круговую или эллиптическую форму (каноническое представление пространственного угла).

Уровень бокового излучения

Кроме основного лепестка диаграмма направленности антенны имеет еще несколько боковых лепестков и задний лепесток. Эти явления нежелательны, поскольку они негативно влияют на направленные свойства антенны и отбирают энергию из основного лепестка. Как правило, оценивается отношение между уровнем основного лепестка и наибольшего бокового лепестка диаграммы направленности. При проектировании и эксплуатации антенн нужно стремиться к тому, чтобы это отношение было как можно большим.

Уровень заднего излучения

aperture.print

Рисунок 3. Апертура антенны – это часть сферической поверхности

aperture

Рисунок 3. Апертура антенны – это часть сферической поверхности

Эффективная площадь антенны
D = G·η = 4π · Ae ; Ae = Ka·A где: η = эффективность антенны;
λ = длина волны;
Ae = эффективная площадь антенны;
A = геометрическая площадь антенны;
Ka = коэффициент апертуры.
(2)
λ 2

Эта формула показывает очень важное свойство: характеристики направленности антенны определяются ее площадью. Чем больше диаметр антенны по отношению к длине волны, тем выше ее направленность.

Полоса частот антенны

Полосой частот антенны называют диапазон рабочих частот, в пределах которого антенна еще сохраняет требуемые характеристики, такие как:

Большинство антенных технологий обеспечивают работу в полосе частот, которая составляет 5 … 10% от центральной частоты, в силу того, что антенна представляет собой резонансное устройство. Например, для центральной частоты 2 ГГц полоса частот будет составлять 100 … 200 МГц. Для достижения широкополосной работы требуется применение антенн специальных типов (например, логопериодическая дипольная антенна, щелевая антенна с коническими щелями).

Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрей Музыченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)

Источник

Комфорт