Перехоплюється антеною потужність залежить від такого параметра, як площа апертури (розкриття) антени. Для того щоб краще усвідомити собі цей термін, уявімо приймальню антену у вигляді рупорної антени, на яку падає плоска хвиля (рис. 2.57). Якби ця антена могла поглинати всю потужність, падаючу на її розкривши (апертуру), то потужність, прийнята антеною, була б дорівнює $$ \ beginP = pA \ end \ tag $$
Падаюча на розкривши антени електромагнітна хвиля збуджує в антені з вхідним опором ZA = RА + iХА електрорушійну силу V. Частина прийнятої антеною потужності передається до приймача, що має вхідний опір Z0 = R0 + iX0 (рис. 2.58). Тоді струм, який проходить в приймач, підключений до антени, $$ \ beginI_A = \ frac \ end \ tag $$ а потужність, що виділяється в приймальнику, $$ \ beginP_0 = I_A ^ 2R_0 = \ frac \ end \ tag $$
Досить просто показати, що максимальна потужність, що виділяється в приймальнику, відповідає умові погодження опорів, згідно з яким RA = R0 і -ХA = Х0.
\ End \ tag $$
Для антени без втрат (Rп = 0) відповідно до формули (2.136) RA = Rізл. Тоді при повній відповідності, т. Е. При R0 = Rізл отримуємо формулу для максимального значення ефективної площі розкриву $$ \ beginA _ = \ frac> = \ frac\ End \ tag $$
У табл. 2.4 наведені значення Aефф max для деяких типів антен.
Для реальних антен значення Aефф max завжди менше фізичної площі розкриву антени. Для оцінки ефективної площі розкриву антени вводять поняття коефіцієнта використання поверхні розкриву, рівного відношенню ефективної площі розкриву антени до фізичної площі розкриву: $$ \ beginK _ = \ frac >> \ end \ tag $$
Максимальне значення коефіцієнта використання поверхні розкриву досягає (для ідеальних антен) значення кіп = 1. Для дуже хороших антен значення коефіцієнта використання поверхні досягає значень 0,7. 0,8.
Струм IA в антені з опором випромінювання RA є джерелом переизлучение хвилі з потужністю $$ \ beginP_ = I_A ^ 2R_A \ end \ tag $$
Відношення потужності, переизлучение антеною, до щільності потужності, падаючої на розкривши антени р. визначає площу переизлучения (апертуру розсіювання) Aрас. $$ \ beginA _ = \ frac>= \ Frac \ end \ tag $$
Для короткозамкненою антени, повністю узгодженої з падаючим полем, Aрас = Aефф max. При неузгодженості антени $$ \ begin \ alpha _ = \ frac >> \ end \ tag $$ причому αрас ≤ 1.
Якщо опір втрат R п> 0, то частина енергії виділяється в антені у вигляді теплової енергії. Можна ввести поняття площі втрат $$ \ beginA _ = \ frac\ End \ tag $$
На рис. 2.59 наведені графіки залежності окремих складових Ап і сумарною апертури AΣ від відносини опорів R0 / Rізл.
Існує клас апертурних антен. До таких антен відносяться параболічні антени (тут апертура - розкривши дзеркала), рупорні антени (апертура - розкривши рупора) і ін.
Одиницею вимірювання площі розкриву може бути або квадратний метр, або λ 2.
Коефіцієнт використання поверхні розкриву визначається за формулою (2.148).
Для класу апертурних антен Кі п <1, но для некоторых типов антенн значение этой величины может и превышать 1. К последним относятся антенны поверхностной волны и большинство проволочных антенн.
Взаємозв'язок між ефективної площею розкриття Aефф. коефіцієнтом спрямованої дії D і довжиною війни λ записується у вигляді співвідношення $$ \ beginA _ = \ frac \ end \ tag $$
На рис. 2.60 наведені графіки залежності Aефф (D. λ). Взаємозв'язок між Aефф і шириною діаграми спрямованості в двох площинах αE і αH можна встановити, використовуючи формулу (2.128).
Приймальна антена, що поглинає потужність електромагнітного поля при падінні на неї електромагнітної хвилі, є своєрідним екраном для радіохвиль. На рис. 2.61 схематично показано розподіл поля за приймальні антеною.
З малюнка видно, що відразу за приймальною антеною напруженість електромагнітного поля зменшується.
Для півхвильового диполя ефективна площа розкриву представляє собою еліпс (рис. 2.62) з великою віссю AE = 3λ / 4 і малої віссю AH = λ / 4.
Для антен поверхневої хвилі, наприклад антени Уда - Яги, взаємозв'язок між лінійними розмірами ефективного розкриття і ширинами діаграми спрямованості антени в двох основних площинах αE і αH встановлюються співвідношеннями $$ \ beginA_E = 2 \ sqrt \ alpha_E >> \ end \ tag $$ $ $ \ beginA_H = 2 \ sqrt \ alpha_H >> \ end \ tag $$
Якщо дві або більше елементарні антени розташовані поблизу один від одного (наприклад, одна над іншою, рис. 2.63), то для зменшення втрат посилення результуючої антеною системи необхідно, щоб ефективні площі розкриву парціальних елементів антени не перекривалися. Найбільш доцільно в цьому випадку розташовувати елементи антеною системи таким чином, щоб краї парціальних ефективних площ розкриття стикалися один з одним.
Для решітки випромінювачів поперечного випромінювання (рис. 2.64) лінійні розміри ефективної площі розкриву одного елемента обчислюються за формулами $$ \ beginA_E = \ sqrt \ alpha_E >> \ end \ tag $$ $$ \ beginA_H = \ sqrt \ alpha_H >> \ end \ tag $$
Порівняння формул (2.156) і (2.157) показує, що в останньому випадку лінійні розміри ефективної площі розкриву приблизно на 12% менше, ніж при використанні цих же елементів в антенах поздовжнього випромінювання. Розглянемо кілька прикладів.
Приклад 1. На затискачах приймальної антени, виконаної у вигляді напівхвильового диполя, що приймає радіовипромінювання з довжиною хвилі λ = 2 м і навантаженого на опір R0 = Rізл = 73 Ом, наведено напруга UA = 0,1 мВ. Необхідно 'розрахувати потужність випромінювання станції, розташованої на відстані r = 100 км від прийомної антени, за умови, що в якості передавальної антени використовується полуволновий диполь, а обидві антени орієнтовані один на одного максимумами діаграм спрямованості.
1. Електрорушійна сила на виході прийомної антени V = 2UA = 2 · 0,1 · 10 -3 = 2 · 10 -4 В.
2. Ефективна площа розкриву для півхвильового диполя (див. Табл. 2.4) Aефф = 0,13λ 2 = 0,13 · 2 2 = 0,52 м 2.
3. Щільність потужності в місці розташування прийомної антени p = V 2 / 4AеффRізл = (2 · 10 -4) 2/4 · 0,52 · 73 = 2,63 · 10 -10 Вт / м 2.
4. Потужність випромінювання передавальної антени Pізл = 4πr 2 p / G = 4π (100 · 10 3) 2 · 2,63 · 10 -10 / 1,64 = 20,1 Вт.
Приклад 2. Ширини діаграми спрямованості антени Уда-Яги, яка працює на хвилі довжиною λ = 2 м, рівні αE = 25 ° і αH = 35 °. Ця антена навантажена на узгоджене опір R0 = 75 Ом. Щільність потужності електромагнітного поля, що падає на антену, р = 2,63 · 10 -10 Вт / м 2. Потрібно визначити напругу на вихідних клемах даної антени.
1. Використовуючи номограмму, наведену на рис. 2.54, за заданим значенням αE = 25 ° і αH = 35 ° визначимо посилення антени G = 15, l дБ.
2. Використовуючи графіки, наведені на рис. 2.60, за відомими значеннями G = 15, l дБ і α = 2 м визначимо Aефф = 16,5 м 2.
4. Напруга на вихідних клемах антени UA = V / 2 = 0,56 мВ.
Приклад 3. Необхідно розрахувати відстань Н між поверхами двоповерхової антени типу Уда - Яги, при якому реалізується діаграма спрямованості з шириною αE = 25 0 і αH = = 35 °, а посилення антени максимально.
1. Використовуючи графіки, наведені на рис. 2.60, за заданим значенням αE і αH. визначимо ефективну площу розкриву Aефф = 4,5λ 2.
3. При відстані між поверхами двоповерхової антени Н = 2,8λ отримуємо максимальне значення коефіцієнта посилення, яке, як нам уже відомо, реалізується за умови, що краю ефективних площ розкриття обох елементів антени стикаються один з одним.
4. Для довжини хвилі λ = 2 м шукане відстань Н = 5,6 м.
Відзначимо, що подвійне збільшення апертури антени призводить до двократного зростання посилення (+3 дБ).
Для розрахунку радіоліній зв'язку вводиться поняття множника ослаблення δ: $$ \ begin \ delta = \ frac> = \ fracA _ >> \ end \ tag $$ де PA - потужність, прийнята приймальні антеною, що має ефективну площу розкриву Aефф ін; Pізл - потужність, що випромінює передавальною антеною, що має ефективну площу розкриву Aефф пров; r - відстань між передавальної і приймальні антенами, м; λ - довжина хвилі, м.Формула (2.158) отримана в припущенні, що антени не мають втрат, орієнтовані відносно один одного найкращим чином, а також за умови, що відстань між ними $$ \ beginr \ geq \ frac \ end \ tag $$ де d - найбільший лінійний розмір антени; λ - довжина хвилі.
У тому випадку, коли радіохвиля поширюється поблизу поверхні землі, може виникнути, крім прямої хвилі, і відбита хвиля. Результатом взаємодії цих двох хвиль є зміна величини δ, розрахованої за формулою (2.158). Реальне значення множника ослаблення? Р змінюється в межах 0 <δр <4δ.
Продовжимо розгляд прикладів.
Приклад 4. Потужність випромінювання передавальної полуволновой дипольної антени Pізл = 20,1 Вт. Необхідно розрахувати потужність, що виділяється в узгодженому навантаженні приймальної антени при R0 = 73 Ом і умови, що Aефф пер = 16,5 м 2. Aефф пр = 0,13 м 2 і λ = 2 м.
2. Напруга на вихідних клемах антени $$ U = \ sqrt> = \ sqrt> \ cdot> = 0,53 \ cdot> У $$.Звернемо увагу читача на той факт, що іноді потужність виражається в децибелах, при цьому рівень 0 дБ відповідає потужності в 1 Вт.