Параметры антенн. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. Основы теории антенн

Содержание

Слайд 2

Параметры антенн Параметры антенн принято делить на первичные и вторичные. Первичные:

Параметры антенн
Параметры антенн принято делить на первичные и вторичные.
Первичные:
1) векторную комплексную

диаграмму направленности (ДН);
2) входное сопротивление;
3) КПД.
Слайд 3

Вторичными называют такие параметры, которые можно найти через первичные: 1) коэффициент

Вторичными называют такие параметры, которые можно найти через первичные:
1)

коэффициент направленного действия, КНД;
2) коэффициент усиления;
3) ширина луча амплитудной ДН;
4) уровень боковых лепестков;
5) поляризационные параметры антенны.
Слайд 4

Комплексную ДН можно записать: E(Θ,φ)=E(Θ,φ)exp[iψ(Θ,φ)] (2.1) где E(Θ,φ)- амплитудная ДН по

Комплексную ДН можно записать:

E(Θ,φ)=E(Θ,φ)exp[iψ(Θ,φ)] (2.1)
где E(Θ,φ)- амплитудная ДН по

полю
ψ(Θ,φ)- фазовая ДН по полю

Диаграмма направленности - характеризует направленные свойства антенны т.е. её способность концентрировать электро-магнитную энергию в заранее выбранном секторе пространства.

Слайд 5

Удобнее пользоваться нормированной диаграммой направленности, т.е. отношением напряженности поля, излучаемого антенной

Удобнее пользоваться нормированной диаграммой направленности, т.е. отношением напряженности поля, излучаемого антенной

в данном направлении к максимальному значению напряженности поля. Максимальная величина ДН всегда равна единице.

(2.2)

Слайд 6

При изображении ДН часто используется логарифмический масштаб. F(Θ,φ)=20logF(Θ,φ) (2.3)

При изображении ДН часто используется логарифмический масштаб.

F(Θ,φ)=20logF(Θ,φ) (2.3)

Слайд 7

Зависимость плотности потока энергии электромагнитного поля излучаемого антенной, в дальней зоне

Зависимость плотности потока энергии электромагнитного поля излучаемого антенной, в дальней зоне

от угловых координат называют ДН по мощности.

FM(Θ,φ)=П(Θ,φ)/ПMAX(Θ,φ) (2.4)

Слайд 8

ДН обычно изображают либо в прямоугольной системе координат.

ДН обычно изображают либо в прямоугольной системе координат.

Слайд 9

ДН в прямоугольной системе координат.

ДН в прямоугольной системе координат.

Слайд 10

ДН в полярной системе координат

ДН в полярной системе координат

Слайд 11

Наиболее часто употребляемые уровни ДН : 0,5; 0,1; 0. 2Θ0.5- ширина

Наиболее часто употребляемые уровни ДН : 0,5; 0,1; 0.

2Θ0.5- ширина

ДН по половинной мощности.

2Θ0 - ширина ДН на уровне нулевого излучения .

2Θ0.1- ширина ДН на уровне 0,1 или 10 дБ.

Слайд 12

Относительный уровень боковых лепестков определяют отношением величины в направлении мах. данного

Относительный уровень боковых лепестков определяют отношением величины в направлении мах. данного

лепестка к величине в направлении главного максимума.

(2.5)

Слайд 13

КНД (D) называют отношение плотности потока мощности излучаемого антенной в данном

КНД (D) называют отношение плотности потока мощности излучаемого антенной в данном

направлении к усредненному по всем направлениям плотности потока мощности (Пн=Пср).

D=П(Θ,φ)/Пср

(2.6)

Слайд 14

КНД антенны называется число, показывающее во сколько раз можно увеличить мощность

КНД антенны называется число, показывающее во сколько раз можно увеличить мощность

излучения эталонной антенны по сравнению с мощностью излучения данной антенны для того, чтобы в заданном направлении при одинаковых расстояниях получить одинаковые напряжённости поля.

D(Θ,φ)=PΣЭ/РΣ (2.7)

Слайд 15

Расчет КНД по известному полю антенны в дальней зоне. (2.8) (2.9)

Расчет КНД по известному полю антенны в дальней зоне.

(2.8)

(2.9)

Слайд 16

(2.10) (2.11)

(2.10)

(2.11)

Слайд 17

(2.12)

(2.12)

Слайд 18

Сопротивление излучения антенны RΣ - это есть активное сопротивление, на котором

Сопротивление излучения антенны RΣ - это есть активное сопротивление, на котором

при токе равным току на входе антенны выделяется мощность, равная мощности излучения антенны. RΣ=2PΣ/I2

Сопротивление потерь в антенне обусловлено конечной проводимостью проводников в Антенне, и несовершенством диэлектрических материалов

Rпот=2Pпот/I2

η=PΣ/ Pвх

η = PΣ/(PΣ + Pпот)

Слайд 19

Коэффициент усиления антенны определяется так же как КНД только сравнивается не

Коэффициент усиления антенны определяется так же как КНД только сравнивается не

мощности излучения, а подводимые к антеннам мощности.

PO=PΣ+Pпот

G=ηD

η=PΣ/PO

(2.13)

Слайд 20

Входным сопротивлением антенны называется отношение напряжения на точках питания антенны (зажимы

Входным сопротивлением антенны называется отношение напряжения на точках питания антенны (зажимы

антенны) и току в этих точках. Входное сопротивление антенны характеризует ее как нагрузку для генератора или фидера. В общем случае входное сопротивление величина комплексная:
Zвх=Rвх+Xвх
Слайд 21

Предельная мощность - это мощность которую можно подвести к антенне без

Предельная мощность - это мощность которую можно подвести к антенне без

опасности ее разрушения и не вызывая пробоя окружающей среды.
Слайд 22

Рабочая полоса частот - это диапазон частот, в пределах которого другие

Рабочая полоса частот - это диапазон частот, в пределах которого

другие параметры антенны не выходят за пределы допустимых значений

если Δf/fср 0,1 - узкополосные антенны

если Δf/fср=10% 50% - широкополосные антенны

если Δf/fср 1 5 - диапазонные антенны

если Δf/fср > 5 - частотно-независимые антенны

Слайд 23

Элементарные излучатели электромагнитных волн. Основные типы элементарных излучателей: - элементарный электрический

Элементарные излучатели электромагнитных волн.

Основные типы элементарных излучателей:
- элементарный электрический диполь

(д. Герца);
- элементарная электрическая рамка (магнитный диполь);
- элементарная щель;
- излучатель Гюйгенса.
Слайд 24

Слайд 25

Реализовать диполь в чистом виде практически невозможно, так как невозможно получить

Реализовать диполь в чистом виде практически невозможно, так как невозможно

получить равномерного распределения амплитуда токов, ток на конце проводников должен равняется нулю.
Распределение близкое к равномерному можно реализовать на системе, в которой металлические шары (диски) на концах провода создают емкость, помогающую выровнять распределение токов вдоль э/м поля диполя Герца, возбужденной током с частотой ω, определяется в сферической системе координат, все компоненты поля не зависят от координаты φ, в виду симметрии относительно оси OZ.
Слайд 26

Излучаемое диполем Герца поле имеет две составляющие EΘ, Er, Hφ. В

Излучаемое диполем Герца поле имеет две составляющие EΘ, Er, Hφ.

В дальней зоне r>>λ, радиальная составляющая поля пренебрежительно мало.

1.2

1.3

где Io- амплитуда возбуждающего тока, фаза которого равна нулю;
k=2π/λ- волновое число;
ε- диэлектрическая проницаемость.

Слайд 27

Диполь Герца излучает сферическую волну амплитуда которой убывает обратно пропорционально расстоянию.

Диполь Герца излучает сферическую волну амплитуда которой убывает обратно пропорционально

расстоянию. EΘ и Hφ взаимно перпендикулярны , эти векторы синфазны и связаны соотношением

Рис.1.2

WIC- волновое сопротивление среды, отношение модулей электрического и магнитных векторов в свободном пространстве.

(1.3)

(1.4)

(1.5)

Слайд 28

Диполь Герца излучает сферическую волну амплитуда которой убывает обратно пропорционально расстоянию.

Диполь Герца излучает сферическую волну амплитуда которой убывает обратно пропорционально

расстоянию. EΘ и Hφ взаимно перпендикулярны , эти векторы синфазны и связаны соотношением

(1.3)

Рис.1.2

Слайд 29

ДН по модулю электрического вектора в общем виде представляет собой тороид.

ДН по модулю электрического вектора в общем виде представляет собой тороид.

Xoy-экваториальная плоскость, zoy-меридиональная плоскости в полярной системе координат.
Слайд 30

Рис. 1.5. Диаграммы направленности электрического и магнитного диполей.

Рис. 1.5. Диаграммы направленности электрического и магнитного диполей.

Слайд 31

Элементарный излучатель Гюйгенса может быть представлен плоской площадкой в диэлектрической среде

Элементарный излучатель Гюйгенса может быть представлен плоской площадкой в диэлектрической среде

без потерь, ее размеры много меньше длины волны. Площадка - прямоугольник с размерами dx, dy.На этой площадке действуют равномерно распределенные электрическое и магнитное поля, взаимно перпендикулярные. Т.о. излучатель Гюйгенса является небольшим участком фронта плоской волны. Если плоская волна однородна, то En/Hφ=W.
Слайд 32

Если ось z сферической системы координат совместить с нормалью к площадке,

Если ось z сферической системы координат совместить с нормалью к площадке,

и выбрать направление En⏐⏐ox, Hφ⏐⏐oy
ДН представляет собой кардиоиду.
Т.к. источник Гюйгенса обладает однонаправленными свойствами: поток излучения перпендикулярен поверхностити элемента и направлен в сторону движения волны, в обратном направлении излучение отсутствует.
Слайд 33

Весьма малый по сравнению с длиной волны элемент линейного магнитного тока

Весьма малый по сравнению с длиной волны элемент линейного магнитного тока

называется элементарным магнитным вибратором, если ток в любой точке элемента одинаков по амплитуде и фазе. На основе перестановочной инвариантности уравнений Максвелла выражение для составляющих поле элементарного магнитного вибратора в дальней зоне имеют вид:

(1.4)

(1.5)

Слайд 34

Im- амплитуда магнитного поля. Рис.1.6 Рис.1.7

Im- амплитуда магнитного поля.

Рис.1.6

Рис.1.7

Слайд 35

Диаграмма направленности магнитного вибратора в плоскости H соответствуют ДН элементарного электрического

Диаграмма направленности магнитного вибратора в плоскости H соответствуют ДН элементарного электрического

вибратора в плоскости Е.
ДН магнитного вибратора в плоскости Е соответствует ДН элементарного электрического вибратора в плоскости H.
Элементарный магнитный вибратор как элемент магнитного тока не может быть осуществлен , поскольку в природе нет такого тока.
Введение этого необходимо, так как ряд реальных излучателей создают поля, аналогичные по структуре полю магнитного вибратора.
Примерами излучателей, реализующих свойства магнитного вибратора, являются элементарная электрическая рамка и элементарная излучающая щель.
Слайд 36

Пусть элементарный магнитный вибратор представляет собой тонкую прямоугольную пластину длиной ,

Пусть элементарный магнитный вибратор представляет собой тонкую прямоугольную пластину длиной ,

выполненную из идеального магнитного проводника, на поверхности которого выполняются граничные условия
En=0, Ht=0, Jm=-[n,E].
En- нормальная к поверхности вибратора составляющая поля; Ht-тангенциальная составляющая напряженности магнитного полю;
Jm- вектор плотности поверхностного магнитного тока;
n- единичная нормаль к поверхности вибратора.