Передавальна антена, як навантаження для генератора, її енергетичні параметри
Так як антени мають здатність перетворювати енергію направляються електромагнітних хвиль (ЕМХ) в енергію радіохвиль (або навпаки), то існує ряд показників, які за своєю суттю для них є енергетичними параметрами. До них належать такі:
# 63; потужність випромінювання;
# 63; коефіцієнт корисної дії (ККД) з;
# 63; вхідний опір антени Z;
# 63; діюча довжина l;
# 63; ефективна площа розкриву (ЕПР) А;
# 63; коефіцієнт використання площі (КВП) q.
У режимі передачі (випромінювання) антена є навантаженням генератора струмів високої частоти. Як навантаження, вона характеризується активною, реактивною та граничної потужністю, а також вхідним опором. Для отримання максимальної потужності випромінювання антена повинна бути узгоджена з лінією передачі і з внутрішнім опором генератора. Еквівалентна схема передавальної антени представлена на малюнку 1.
Малюнок 1 - Схема передавальної антени, де Rи Хактівная і реактивна складові вхідного опору, відповідно
Вхідний опір антени - це комплексна величина, що дорівнює відношенню комплексних амплітуд (або діючих значень) напруги і струму на вході антени:
де RА - активний опір;
ХА - реактивний опір.
Вхідний опір антени, як параметр, відноситься до антен тільки лінійного типу, у яких комплексне напруга і струм на вході антени фізично визначені і можуть бути безпосередньо виміряні. Для антен апертурного типу поняття вхідного опору неприйнятно, тому що у них не існують вхідні затиски.
У загальному випадку на вхідний опір антени впливають: частота генератора, сторонні провідники та інші тіла, розташовані поблизу антени. Тому на практиці вхідний опір антени визначають на заданих частотах за допомогою вимірювальних приладів в спеціальних лабораторіях, які називаються безлунна камерами.
Підводиться до антени потужність генератора витрачається на випромінювання, втрати в антені і оточуючих її тілах і середовищі, а також на створення реактивних полів в ближній зоні, тому R характеризує потужність випромінювання антени і потужність теплових втрат в антені і в навколишніх її тілах і середовищі:
де R - опір випромінювання;
Опір випромінювання - це деякий уявне активний опір, на якому виділяється потужність, рівна потужності випромінювання антени
де IA - амплітуда струму на вхідних затисках антени.
Опір випромінювання характеризує випромінюють властивості передавальної антени.
Величина характеризує собою реактивну потужність в ближній зоні, що не випромінюється.
Як опір випромінювання, так і реактивний опір антени залежать від типу антени, її конструктивного виконання, а також від довжини хвилі. Опір втрат залежить від провідних властивостей металу, з якого виготовлена антена, якості ізоляторів, а також від оточуючих антену тел і середовища.
Потужність випромінювання антени - це та частина потужності, що підводиться до антени від генератора, яка перетворюється антеною в радіохвилі і досягає далекої зони.
Її можна визначити шляхом інтегрування щільності потоку потужності цієї антени по замкнутій поверхні S, що охоплює певний обсяг простору, що оточує антену:
де П = П (і, ц) - щільність потоку потужності (або модуль середнього значення вектора Умова-Пойнтінга).
Так як П (і, ц) =. а =, то
У цих виразах (і, ц) - діаграма спрямованості (ДН) антени по потужності.
В якості найпростішої поверхні інтегрування зручно вибрати сферу з радіусом r (малюнок 2). Елемент площі на сферичної поверхні (результат перетину поверхні сфери двома меридіональними і двома азимутними площинами), як це видно з малюнка, дорівнює
Підставляючи в (4) вирази (5) і (6), можна отримати:
Малюнок 2 - Елемент поверхні інтегрування
Таким чином, для визначення потужності випромінювання необхідно знати нормовану ДН за потужністю і напруженість поля в напрямку максимального випромінювання при заданій відстані r. Потужність випромінювання антени залежить від потужності генератора, умов узгодження, а також від випромінюючої здатності антени. Ця здатність залежить від типу антени, особливостей конструктивного виконання, розмірів антени по відношенню до довжини хвилі.
Антена, як будь-який перетворювач енергії, характеризується коефіцієнтом корисної дії (ККД).
Коефіцієнт корисної дії - це відношення потужності випромінювання до всієї активної потужності, одержуваної антеною:
Звідси випливає, що для збільшення ККД антени необхідно зменшувати опір втрат і збільшувати опір випромінювання антени. ККД сучасних антен різних діапазонів і типів вельми широкий: від 25 до 95%.
Діюча довжина передавальної антени - це коефіцієнт, який має розмірність довжини, який пов'язує між собою амплітуду напруженості поля в точці, що знаходиться в далекій зоні в напрямку максимуму випромінювання передавальної антени, з максимальною напругою на затискачах антени:
Ця установка доступна тільки до антен лінійного типу і характеризує їх енергетичну ефективність по перетворенню енергії струмів високої частоти в лінії передачі в енергію електромагнітного поля (ЕМП) випромінюваної хвилі. Діюча довжина передавальної антени залежить від її геометричної довжини і від закону розподілу амплітуди і фази струму уздовж антени:
З цього виразу випливає: при рівномірному і синфазном законі розподілу струму по антені. діюча довжина антени збігається з геометричною; чим більш нерівномірно і несінфазно розподіл струму вздовж антени, тим менший відсоток від геометричної довжини антени становить діюча. Тому в загальному випадку діюча довжина лежить в межах від нуля до геометричної довжини. Фізичний сенс діючої довжини передавальної антени - це така геометрична довжина лінійної антени з рівномірним і синфазним розподілом струму вздовж неї, при якому ця антена створює в точці, що знаходиться в далекій зоні у напрямку максимуму випромінювання, таку ж напруженість поля, як і реальна антена з нерівномірним і несінфазним розподілом струму по довжині.
У свою чергу, закон розподілу струму уздовж передавальної антени залежить від типу антени і її конструктивного виконання.
Ефективна площа розкриву передавальної антени (ЕПР) - це коефіцієнт, який має розмірність площі, який пов'язує між собою щільність потоку потужності, створюваної передавальною антеною в точці простору, що знаходиться в далекій зоні в напрямку максимуму випромінювання, і активну потужність, що підводиться до антени від генератора:
Ця установка доступна тільки до антен апертурного типу і характеризує їх енергетичну ефективність по перетворенню енергії струмів високої частоти в лінії передачі в енергію випромінюваної хвилі. Ефективна площа передавальної антени залежить від її геометричної площі і від закону розподілу амплітуди і фази поля по розкриву антени E (x, y):
З цього виразу випливає:
# 63; при рівномірному і синфазном законі розподілу поля в розкриві апертурними антени ефективна площа розкриву збігається з його геометричною площею;
# 63; чим більше нерівномірність і несінфазность в розподілі поля по розкриву, тим менший відсоток від геометричної площі розкриву антени становить ефективна. Тому в загальному випадку ефективна площа лежить в межах від нуля до геометричній площі розкриву: 0 < Величина, що дорівнює відношенню ЕПР до геометричній площі раcкрива антени, називається коефіцієнтом використання площі (КВП): Цей коефіцієнт характеризує ефективність використання площі розкриву апертурними антени при випромінюванні енергії електромагнітного поля і враховує несінфазность і нерівномірність порушення поверхні розкриву.Схожі статті