Энергетические параметры антенн: коэффициент полезного действия, коэффициент направленного действия, коэффициент усиления
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

В передающих антеннах неизбежны потери мощности , подводимой к антенне от генератора, на тепловой нагрев проводников и изоляторов. Эти потери учитываются введением коэффициента полезного действия (КПД) по формуле (предполагается, что окружающая среда потерь не имеет)

,                  (16)

где  - мощность, излучаемая антенной; Рпот - мощность потерь в антенне.

Коэффициент направленного действия (КНД) характеризует способность антенны концентрировать излученную мощность в определенном направлении. Это понятие было введено в 1929 г. отечественным ученым А. А. Пистолькорсом. По определению КНД (обозначим его D) есть отношение среднего (во времени) значения плотности по тока мощности, излучаемой данной антенной в данном направлении, характеризуемом углами , к плотности потока мощности, излучаемой воображаемой абсолютно ненаправленной (изотропной) антенной, при равенстве мощностей, излучаемых обеими антеннами. При этом предполагается, что точка наблюдения находится на одинаковом расстоянии от обеих антенн.

В дальнейшем наряду с уже полученными формулами будет удобно использовать выражения для КНД в виде

Коэффициент направленного действия не учитывает потерь подводимой энергии в антенне, в связи, с чем вводится параметр G , учитывающий эти потери и называемый коэффициентом усиления (КУ) антенны:

.                                                  (18)

Смысл этого коэффициента, учитывая данное выше определение КНД, заключается в следующем. Коэффициент усиления представляет отношение среднего (во времени) значения плотности потока мощности, излучаемой данной антенной в данном направлении , к плотности потока мощности, излучаемой изотропной антенной, при равенстве мощностей, подводимых к обеим антеннам. При этом предполагается, что  изотропной антенны равен 1 и обе антенны идеально согласованы с фидером.

Существует и другое определение КУ, согласно которому этот коэффициент показывает, во сколько раз следует увеличить подводимую мощность при замене данной антенны изотропной антенной с КПД, равным единице, чтобы напряженность поля в данном направлении (при неизменном расстоянии до точки наблюдения) осталась неизменной.

Входное сопротивление антенны. Передающая антенна представляет для генератора некоторую нагрузку; для количественной характеристики этой нагрузки необходимо знать входное сопротивление антенны. Под входным сопротивлением антенны понимается отношение напряжения , приложенного к входным точкам антенны, к току на входе:

                                                     (19)

В строгой теории антенн токи (в том числе и ток  на входе антенны) и создаваемые ими поля определяются как решение соответствующей граничной задачи электродинамики при заданном значении напряжения на входе антенны. В этом случае само нахождение Zbx по формуле (19) представляется после решения указанной задачи тривиальными, поскольку вся трудность сосредоточена в нахождении тока в антенне. В приближенной теории антенн задача нахождения тока (внутренняя задача) решается приближенно, на основе знания каких- либо общих закономерностей или результатов многочисленных экспериментов. В этом случае, например для вибраторных антенн, даже знание закона распределения тока не позволяет найти абсолютное значение тока , так как остается невыясненным вопрос, какому значению  он соответствует. Возможность использования формулы (19) при этом исключается; более плодотворным в приближенной теории антенн является подход к нахождению на основе энергетических соображений, основанных на представлении антенны в виде двухполюсника и сопоставлении известных соотношений из теории электрических цепей и электродинамики.

Из теории цепей известно, что входное сопротивление двухполюсника можно рассчитать по формуле

где  - комплексная мощность генератора, питающего двухполюсник; - ток через двухполюсник.

В электродинамике комплексная мощность сторонних источников, являющихся первопричиной возникновения электромагнитного поля, может быть в отсутствие каких-либо потерь вычислена с использованием теоремы Пойнтинга в интегральной форме как

где S - поверхность, окружающая антенну;  и - средние величины магнитной и электрической энергий в области, ограниченной поверхностью S;  - круговая частота.

Учитывая, что распределение тока в общем случае переменно по длине антенны, при определении  следует в (20) под током понимать ток  на входе антенны, т.е.

.                                        (22)

С использованием (20) и (22) получаем

.                                       (23)

Отметим, что если антенна обладает потерями (среда по-прежнему считается идеальной), то в правой части (21) необходимо учесть мощность тепловых потерь, которая, будучи отнесена к  определяет дополнительную составляющую активной части входного сопротивления . В этом случае

причем  - КПД антенны.

Для нахождения активной и реактивной частей  лучше всего комплексную мощность сторонних источников определять непосредственно через параметры самих источников. В частности, если распределение тока в антенне известно, то именно этот ток можно считать первопричиной возникновения поля, исключив для простоты все, происходящее в генераторе, линии передачи, соединяющей генератор и антенн.

Энергетический подход лежит и в основе приближенного метода нахождения  на основе эквивалентных схем, например эквивалентной длинной линии для вибраторных антенн. Здесь, приравнивая мощность, излучаемую антенной, к мощности потерь в эквивалентной схеме, получаем погонные параметры эквивалентной линии и, как следствие, входное сопротивление антенны.

Отметим, что ввести понятие тока на входе, как и входного напряжения , не всегда физически возможно. Например, для антенн рупорного типа, питаемых волноводной линией передачи, этого сделать не удается. О входном сопротивлении таких антенн можно судить по отражению от антенны, которое возникает в волноводном тракте. Если антенна согласована с трактом (коэффициент отражения ) то Zвx= Zв, где Zв - волновое сопротивление тракта (предполагается, что тракт работает в одномодовом режиме). В общем случае , причем, поскольку , входное сопротивление

Отметим, что наличие отражения сопровождается целым рядом негативных последствий, в том числе снижением КПД питающего фидера, нарушением устойчивости работы генератора, искажением передаваемой информации, снижением уровня допустимой мощности.

Одним из основных параметров антенн является также рабочая полоса частот, в пределах которой основные электрические параметры удовлетворяют определенным техническим требованиям. Обычно рабочая полоса частот определяется тем параметром, значение которого при изменении частоты раньше других выходит из допустимых пределов. Чаще всего таким параметром является входное сопротивление антенны. В ряде случаев рабочая полоса частот определяется изменением направления максимального излучения, расширением ДН, уменьшением КНД и др.

Условно принято к узкополосным антеннам относить антенны, относительная рабочая полоса частот которых не превышает 10 %. Антенны с полосой частот свыше 10 % считаются широкополосными. Если отношение максимальной частоты к минимальной (перекрытие частот) составляет 5:1 и более, такие антенны называют сверхширокополосными или частотно-независимыми. Широкополосные антенны применяют для излучения широкополосных сигналов; в случае узкополосных сигналов такие антенны позволяют без перестройки работать при переходе с одной частоты на другую.

Еще одним параметром передающих антенн является предельная мощность, которую можно подвести к антенне, не вызывая пробоя окружающей среды и не нарушая электрической прочности изоляторов.

 

Дата: 2018-11-18, просмотров: 255.