Efektivna površina antene je površina ekvivalentne ravne antene sa ujednačenom distribucijom amplitude i faze i maksimalnom usmjerenošću (usmjerenošću) jednakom usmjerenosti dotične antene. Iz ovog područja antena usmjerena na izvor signala apsorbira energiju upadnog elektromagnetnog zračenja. Radi lakšeg objašnjenja, razmotrite efektivnu površinu prijemne antene. Antena apsorbuje snagu P definisano kao
P = P d A
Evo P d- gustina toka snage (specifična snaga po jedinici površine) upadne elektromagnetne energije i A- površina otvora (geometrijska površina) antene. Pojačanje antene G direktno proporcionalno geometrijskoj površini antene A... Može se povećati fokusiranjem zračenja samo u jednom smjeru dok se zračenje smanjuje u svim drugim smjerovima. Stoga, što je širina snopa uža, to je veće pojačanje antene. Odnos između pojačanja antene i njene površine izražava se formulom koja uključuje i efikasnost antene:
Evo λ - talasna dužina i η - Efikasnost antene, koja je uvijek manja od jedan:
Evo A e- efektivna površina (otvor blende) antene, koja se definiše kao fizička površina antene pomnožena sa efikasnošću antene. Ako je efikasnost antene 1 (ili 100%), to znači da se sva energija koju predajnik dovodi do predajne antene zrači u svemir. Ako je ovo prijemna antena, onda sa efikasnošću jedinice sva energija koju antena primi ulazi u prijemnik. Međutim, u praksi se dio energije uvijek gubi u obliku toplinske energije, koja se troši na zagrijavanje antenskih i fider strukturnih elemenata.
Zamjena proizvoda površine sa efikasnošću Aη na efektivnom području A e, dobijamo:
Ova formula se koristi u ovom kalkulatoru. Iz njega se može vidjeti da za datu efektivnu površinu antene, njeno pojačanje raste sa kvadratom talasne dužine, ili pri konstantnoj talasnoj dužini, pojačanje antene je direktno proporcionalno njenoj efektivnoj površini. Imajte na umu da je za antene sa otvorom blende, kao što su rog ili parabolične antene, efektivna površina povezana s geometrijskom površinom i uvijek je manja od ove površine. Međutim, za žičane antene (na primjer, balansirane i asimetrične dipole, antene s talasnim kanalom), efektivna površina je obično mnogo (ponekad desetine puta) veća od fizičke površine antene.
pojačanje snage antene (KU) G Obično se naziva jednostavno pojačanjem, to je omjer snage zračenja usmjerene antene prema snazi koju zrači idealna omnidirekciona antena sa istom snagom koja se primjenjuje na ulaze obje antene. Pojačanje je bezdimenzionalna vrijednost, ali se češće izražava u decibelima (dB, omjer snage) ili izotropnim decibelima (dBi, dBi, također omjer snage). Izotropni decibel se odnosi na pojačanje antene u poređenju sa idealnom izotropnom antenom koja ravnomjerno zrači energiju u svim smjerovima.
Na primjer, odredimo efektivnu oblast ruskog teleskopa RT-70, koji se nalazi na Krimu nedaleko od Evpatorije.
Pojačanje antene G= 69,5 dBi ili 9.000.000.
Prečnik antene d= 70 m.
Radna frekvencija f= 5,0 GHz (6 cm).
Geometrijsko područje antene A = πD²/4 = π70²/ 4 = 3848 m². Istovremeno, njegova efektivna oblast je
Kao što vidimo, efektivna površina je samo 67% geometrijske površine antene.
Sada izračunajmo efektivnu površinu antene sa 5 elemenata "talasnog kanala" (nazvana i po imenima japanskih izumitelja Yagi-Uda antena, Uda-Yagi antena ili jednostavno Yagi antena), koja radi na frekvenciji od 500 MHz i ima pojačanje od 40 dBi, što odgovara bezdimenzionalnom pojačanju od 10. Dužina aktivnog elementa je nešto manja od polovine talasne dužine 0,5λ = 30 cm, gde je λ = 60 cm talasna dužina.
Prečnik kruga površine 0,28 kvadratnih metara. m je definisan kao
Odnosno, za aktivni element dužine oko 0,5λ = 30 cm, dobijamo krug prečnika 60 cm (tačnije, elipsu).
Prilikom proračuna radio komunikacionih sistema koji prenose signal u pravocrtnoj liniji preko mikrotalasnih i satelitskih kanala, projektant sistema treba posebno da uzme u obzir dimenzije antene predajnika i prijemnika, snagu odašiljanja i potreban SNR za postizanje željenog nivoa. kvaliteta pri potrebnoj brzini podataka.
Proračun sistema je relativno jednostavan i prikazan je u nastavku.
Počinjemo sa predajnom antenom koja izotropno zrači u otvoreni prostor na nivou snage kao što je prikazano na Sl. 5.5.2. Gustina snage na udaljenosti od antene je (W/m).
Rice. 5.5.2. Izotropna radijaciona antena
Ako predajna antena ima selektivnost u određenom smjeru, gustina snage u tom smjeru se povećava. Pojačanje se naziva pojačanje antene i označava se. U ovom slučaju, gustina snage na udaljenosti je 
... Proizvod se obično naziva efektivna snaga zračenja (EMP, ERP ili EIRP), što je u suštini snaga zračenja u odnosu na izotropnu antenu za koju.
Prijemna antena, orijentisana u pravcu zračene snage, prikuplja deo snage koji je proporcionalan njenoj površini poprečnog preseka.
Dakle, snaga koju antena prima može se izraziti na sljedeći način:
gdje je efektivna površina antene. Iz teorije električnog polja dobijamo osnovni odnos između pojačanja prijemne antene i njene efektivne površine:
gdje je valna dužina prenošenog signala, brzina svjetlosti (m/s), frekvencija odašiljanog signala. Ako zamijenimo (5.5.5) u (5.5.4), dobićemo izraz za primljenu snagu u obliku
(5.5.6)
Faktor
naziva se gubitak slobodnog prostora. Ako se tokom prenosa signala naiđu drugi gubici, kao što su gubici u atmosferi, onda se oni mogu uzeti u obzir uvođenjem dodatnog faktora gubitka, recimo. Dakle, primljena snaga se u konačnici može zapisati na sljedeći način:
(5.5.8)
Kao što je gore navedeno, najvažnije karakteristike antene su njeno pojačanje i efektivna površina. Obično zavise od talasne dužine snage zračenja i fizičkih dimenzija antene. Na primjer, parabolična antena s promjerom ima efektivnu površinu
gdje je fizička površina, a indikator je efikasnosti zračenja koje se nalazi u tom području. Dakle, dobitak parabolične antene sa prečnikom je
(5.5.10)
Kao drugi primjer, uzmimo rog antenu s površinom od. Ima indeks efikasnosti od 0,8, efektivnu površinu i pojačanje antene od
Drugi parametar koji se odnosi na pojačanje (usmjerenost) antene je širina snopa, koju ćemo označiti. To je grafički ilustrovano na slici 5.5.3.
Slika 5.5.3. Širina snopa antene (a) i dijagram zračenja (b)
Obično se širina snopa mjeri preko širine snopa na -3 dB od njegovog vrha. Na primjer, širina snopa -3 dB parabolične antene je približno jednaka
(5.5.12)
pa je obrnuto proporcionalan. To znači da prepolovljenje širine snopa, dobijene udvostručavanjem prečnika, povećava pojačanje antene za oko 4 puta (za 6 dB).
Na osnovu opštih odnosa za jačinu primljenog signala datih u (5.5.8), dizajner antene može izračunati iz podataka o pojačanju antene i udaljenosti između predajnika i prijemnika. Takvi proračuni se obično izvode u smislu snage kako slijedi:
Primjer 5.5.2. Pretpostavimo da postoji satelit u geostacionarnoj orbiti (36.000 km iznad površine zemlje) koji emituje energiju, tj. 20 dB re 1 W (20 dBW). Predajna antena ima pojačanje od 17 dB, dakle 
... Takođe pretpostavite da zemaljska stanica koristi paraboličnu antenu od 3m i da downlink radi na 4 GHz. Odnos efikasnosti. Zamjenom ovih vrijednosti u (5.5.10), dobijamo vrijednost pojačanja antene od 39 dB. Gubitak prostora glave, drugi gubici se ne računaju. Dakle, snaga primljenog signala
ili ekvivalentno
Da bismo završili proračun resursa linije, moramo takođe uzeti u obzir efekat aditivne buke na strani prijema. Toplotni šum koji se javlja u prijemniku i ima približno istu spektralnu gustinu snage do frekvencija od Hz, jednaku
W / Hz, (5.5.14)
gdje je Boltzmannova konstanta ( 
), i temperatura buke u Kelvinima. Dakle, ukupna snaga šuma u širini signala je.
Pojačanje antene
Razmotrimo sada kako svojstva usmjerenja antene utiču na vrijednost intenziteta signala u prijemnoj tački.
Neka u nekom trenutku A nalazi se omnidirekciona predajna antena koja se nalazi na udaljenoj tački V stvara signal E 1(sl. 7). Uzorak zračenja takve antene u ravnini crteža bit će krug. Ako signali koje emituje antena A, samo će biti prihvaćeno E tačka V, tada se energija zrači u svim smjerovima osim smjera prema tački V,će biti potrošeno, jer do tačke V ona neće udariti.
Poenta A usmjerena antena usmjerena maksimalnim zračenjem na tačku V, mi ćemo, bez promjene snage predajnika, povećati signal u tački V zbog energije koja je ranije beskorisno zračila u drugim pravcima.
Dakle, za dopisnika koji se nalazi u tački V, usmjerena antena će imati pojačanje u odnosu na omnidirekcionu antenu.
Stoga, svojstva usmjerenosti antena, pored dijagrama usmjerenja, karakteriziraju i jedna od dvije veličine - faktor usmjerenog djelovanja (skraćeno KND) ili pojačanje (skraćeno K a).
Dobitak antene K a jednak je proizvodu množenja njenog faktora usmjerenog djelovanja (faktor usmjerenosti) sa faktorom efikasnosti (COP):
K a = KND · efikasnost.
Za idealnu antenu bez gubitaka (efikasnost = 1), vrijednosti K a i usmjerenost se poklapaju.
Budući da K a potpunije karakterizira antenu sa energetske strane, ona se obično najčešće koristi u praksi.
Pojačanje antene je relativna vrijednost, koja je jednaka kvadratu odnosa jačine polja stvorenih na prijemnoj tački, pod uslovom da su sve ostale jednake, ova i druga antena se uzimaju kao standardna. Drugim riječima, pojačanje pokazuje koliko puta se ulazna snaga mora smanjiti ako se standardna antena zamijeni ovom antenom, a da se intenzitet primljenog signala zadrži nepromijenjen.
Na ultravisokim frekvencijama, radi praktičnosti, najčešće se kao "standardna" antena uzima tzv. izotropni radijator, koji ravnomjerno zrači u svim smjerovima. Karakteristika prostorne usmerenosti ove antene treba da bude u obliku lopte. Međutim, takva antena zapravo ne postoji. Najjednostavnija antena koja se koristi u praksi - polutalasni vibrator - već ima svojstva usmjerenja: njena prostorna usmjerena karakteristika ima oblik torusa (slika 8). Ova slika prikazuje slučaj kada se os vibratora poklapa sa osom 0Z.
Od sl. 8, gdje je zbog preglednosti uklonjena jedna četvrtina torusa, može se vidjeti da dijagram smjera polutalasnog vibratora u ravni okomitoj na njegovu osu (ekvatorijalnu ravan) ima oblik kruga, tj. vibratora je neusmjeren u ovoj ravni.
U svim ostalim ravnima koje prolaze kroz osu vibratora (kroz os OZ), obrasci zračenja imaju oblik osmice, tj. u smjeru ose vibratora nalazi se nula uzorka zračenja.
Proračuni pokazuju da je u odnosu na omnidirekcionu antenu, pojačanje polutalasnog vibratora G λ / 2 = 1,64.
Napomenimo, idući malo naprijed, da pojačanja mnogih antena koje se koriste na ultravisokim frekvencijama dostižu hiljadu ili čak nekoliko hiljada.
Za antene sa beznačajnim bočnim režnjevima, približna vrijednost pojačanja antene može se izračunati iz poznatih uglova otvora glavnog režnja dijagrama zračenja u vertikalnoj i horizontalnoj ravnini:
G @ 35000 / θ 0 F 0 (5)
gde su θ 0 i F 0 širina glavnog režnja u stepenima između tačaka vrednosti polovine snage, merene u vertikalnoj i horizontalnoj ravni, respektivno.
Iz formule (5) se može vidjeti da je K antene obrnuto proporcionalan proizvodu uglova otvora glavnog režnja i stoga će antene jednakog dobitka u pojačanju imati iste proizvode uglova otvora. Tako, na primjer, dvije antene, od kojih jedna ima θ 0 = 1,5 ° i F 0 = 20 °, a druga ima θ 0 = 5 ° i F 0 = 6 °, imat će isto pojačanje, uprkos velikoj razlici prostorne karakteristike usmjerenosti.
Navedeni primjer pokazuje da je poznavanje samo jedne K vrijednosti još uvijek nedovoljno za karakterizaciju usmjerenih svojstava određene antene.
Dobitak G antena i njen dijagram zračenja zavise od geometrijskih dimenzija zračne rupe, i to:
G = 4p · S eff / λ 2 (6)
gdje je S eff efektivna površina zračnog otvora antene;
λ 2 - kvadrat talasne dužine u istim jedinicama kao S,
U književnosti, posebno stranoj, dobitak se često izražava u decibelima, odnosno umjesto vrijednosti G. dat formulom (6), daj njegov deseterostruki logaritam:
G | db | = 10 log (4p S eff / λ 2) (7)
Na sl. 9, zavisnosti (6) i (7) su prikazane grafikom, na kojem je horizontalno ucrtana vrijednost efektivne površine zračnog otvora u kvadratnim valnim dužinama S eff / λ 2, a veličina faktora pojačanja je dato duž vertikale lijevo G.
Dodatna skala desno na sl. 9 daje odgovarajuće vrijednosti pojačanja u decibelima.
Za prijemne antene, veličina pojačanja se ponekad izražava kroz takozvanu apsorpcionu površinu Q eff.
G = 4p Q eff / λ 2 (8)
Zbog "reverzibilnosti" antene, njeno pojačanje ostaje isto i tokom prenosa i prijema, stoga Q eff = S eff
Omjer efektivne površine zračnog otvora S eff prema geometrijskom S r naziva se stopa iskorištenja površine(skraćeno instrumentacija) otvora za zračenje ili otvora antene i označava se slovom γ.
γ = S eff / S r = Q eff / Q g (9)
Maksimalna vrijednost γ jednaka je jedinici, što se postiže samo kada se u otvoru antene formira ravan elektromagnetski talas sa istom (ujednačenom) raspodjelom amplituda.
Slika 9. Dijagram pojačanja antene
na veličinu njegove zračne rupe.
U stvarnim antenama, bilo zbog odstupanja talasa od ravni jedan, bilo zbog poteškoća u dobijanju ujednačene distribucije amplituda polja u otvoru antene, koeficijent γ ispada manji od jedan.
Prijemna antena hvata slobodne radio talase i pretvara ih u spregnute talase koji se putem fidera dovode do prijemnika. U skladu sa principom reverzibilnosti antene, svojstva antene koja radi u režimu odašiljanja se ne menjaju kada antena radi u režimu prijema.
Predajna antena pretvara energiju visokofrekventnih struja koje generiše predajnik u slobodnu energiju radio talasa i distribuira je na određeni način po prostoru. Prijemna antena pretvara energiju slobodnih radio talasa koji dolaze iz određenih pravaca u odnosu na nju u energiju visokofrekventnih struja na ulaznim elementima prijemnog uređaja.
Radio predajnik sa antenom, medij za širenje radio talasa i radio prijemnik sa antenom čine sistem radio komunikacije (radio vezu). Spojni element ovdje je okruženje, područje prostora (radio put) u kojem se šire radio valovi.
Uz korisni signal, na prijemnu antenu mogu uticati i strani signali - smetnje. Pouzdanost prolaska radio talasa koji nose koristan signal, „i put od predajne do prijemne antene određuje stabilnost radio veze.
Radio talasi se mogu širiti u atmosferi, duž površine zemlje, u površini zemlje iu svemiru. U homogenom (ili slabo nehomogenom) mediju, radio talasi se šire duž pravih (ili skoro pravih) putanja. Ovo su direktni radio talasi. Uz njihovu pomoć moguće je obavljati radio komunikaciju samo uz prisutnost direktne geometrijske vidljivosti između antena dopisnika.
Domet vidne linije ograničen je sferičnosti zemlje i neravninama njenog reljefa. U nedostatku direktne vidljivosti, radio talasi dospevaju do tačke prijema zbog difrakcije, refleksije i raspršenja radio talasa. Ove „pojave su uzrokovane uticajem zemljine površine, nehomogenostima troposfere i jonosfere.
Na putu talasa, njegova energija se apsorbuje u poluprovodnoj zemlji. Ovome se dodaje i slabljenje vala zbog difrakcije uzrokovano prisustvom prepreka na putu njegovog širenja.
U VHF opsegu, da bi se smanjili gubici u zemlji i povećao domet "linije vidljivosti", antene se postavljaju na stubove (jarbole).Troposfera utiče na VHF opseg širenja.U nekim meteorološkim uslovima pojavljuju se regioni koji pružaju VHF širenje na značajnim udaljenostima.
Uslovi „prostiranja radio talasa, prisustvo smetnji, snaga predajnika, efikasnost antene, kvalitet fidera itd., određuju pouzdanost radio veze i čine zadatak multiparametarskim.
Tok Umov - Poynting vektora predajne antene na udaljenosti r iz nje se određuje formulom $$ \ begin (jednačina) p = p_ (n) G = G \ frac (P_ (out)) (4 \ pi (r ^ 2)) \ end (jednačina) \ tag (2.142 ) $ $
Snaga koju antena presreće ovisi o parametru kao što je površina otvora antene (otvor blende). Da bismo bolje razumjeli ovaj pojam, zamislimo prijemnu antenu u obliku rog antene, na koju pada ravan talas (slika 2.57). Ako bi ova antena mogla apsorbirati svu snagu koja pada na svom otvoru (otvoru), tada bi snaga koju antena primila bila $$ \ begin (jednačina) P = pA \ end (jednačina) \ tag (2.143) $$
Elektromagnetski talas koji pada na otvor antene pobuđuje u anteni sa ulaznom impedansom Z A = R A + iH I elektromotorna sila V... Dio primljene snage antene se prenosi na prijemnik koji ima ulaznu impedanciju Z 0 =R 0 +iX 0 (sl.2.58). Tada struja koja teče u prijemnik spojen na antenu $$ \ početak (jednačina) I_A = \ frac (V) (Z_0 + Z_A) \ kraj (jednačina) \ oznaka (2.144) $$ i snaga koja se oslobađa u prijemniku je $$ \ početak (jednačina) P_0 = I_A ^ 2R_0 = \ frac (V ^ 2R_0) (\ lijevo (R_A + R_0 \ desno) ^ 2 + \ lijevo (X_A + X_0 \ desno) ^ 2) \ kraj (jednačina ) \ tag (2.145) $$
Dovoljno je lako pokazati da maksimalna snaga oslobođena u prijemniku odgovara uslovu usklađivanja impedancije, prema kojem R A = R 0 i - NS A = NS 0 .
Hajde da predstavimo koncept efektivno područje otvaranja, pod kojim podrazumijevamo omjer snage koja ulazi u prijemnik R 0, na gustinu snage R incident na otvoru antene: $$ \ početak (jednačina) A_ (eff) = \ frac (P_0) (p) \ kraj (jednačina) \ oznaka (2.146) $$
Za antenu bez gubitaka ( R n = 0) prema formuli (2.136) R A = R outl. Zatim, uz potpunu saglasnost, tj R 0 =R izl dobijamo formulu za maksimalnu vrijednost efektivne površine otvora $$ \ begin (jednačina) A_ (eff \; max) = \ frac (V ^ 2) (4pR_ (izl)) = \ frac (I_A ^ 2R_0) (p) \ kraj (jednačina) \ oznaka (2.147) $$
Table 2.4 prikazuje vrijednosti A eff max za neke vrste antena.
Za prave antene, vrijednost A eff max je uvijek manji od fizičke površine otvora antene. Za procjenu efektivne površine otvora antene uvodi se koncept faktora iskorištenja površine otvora, koji je jednak omjeru efektivne površine otvora antene i fizičke površine otvora. : $$ \ početak (jednačina) K_ (ip) = \ frac (A_ (eff)) (A_ ( f)) \ kraj (jednačina) \ oznaka (2.148) $$
Maksimalna vrijednost faktora iskorištenja površine otvora dostiže (za idealne antene) vrijednost K un = 1. Za vrlo dobre antene, vrijednost faktora iskorištenja površine dostiže vrijednosti od 0,7 ... 0,8.
Current I A u anteni sa otpornošću na zračenje R A je izvor ponovno emitovanog vala snage $$ \ početak (jednačina) P_ (ras) = I_A ^ 2R_A \ kraj (jednačina) \ oznaka (2.149) $$
Odnos snage koju antena ponovo zrači prema gustoći snage koja pada na otvor antene R, određuje područje reemisije (otvor za raspršivanje) A utrke: $$ \ begin (jednadžba) A_ (utrke) = \ frac (P_ (utrke)) (p) = \ frac (V ^ 2R_A) (\ lijevo (R_A + R_0 \ desno) ^ 2 + \ lijevo (X_A) + X_0 \ desno) ^ 2) \ kraj (jednačina) \ oznaka (2.150) $$
Za kaveznu antenu koja je u potpunosti usklađena s poljem incidenta, A trke = A eff max. Sa neusklađenošću antene $$ \ početak (jednačina) \ alpha_ (trke) = \ frac (A_ (trke)) (A_ (eff \; max)) \ kraj (jednačina) \ oznaka (2.151) $$ i α trke ≤ 1 ...
Ako je otpornost na gubitke R n> 0, tada se dio energije oslobađa u anteni u obliku toplotne energije. Možete uvesti koncept područja gubitaka $$ \ početak (jednačina) A_ (n) = \ frac (I_A ^ 2R_n) (p) \ kraj (jednačina) \ tag (2.152) $$
Sada ukupni otvor $$ \ begin (jednačina) A _ (\ sum) = A_ (eff) + A_ (ras) + A_ (n) = \ frac (I_A ^ 2) (p \ lijevo (R_0 + R_ (izl ) + R_ (n) \ desno)) \ kraj (jednačina) \ oznaka (2.153) $$
Na sl. 2.59 prikazani su grafovi zavisnosti pojedinih komponenti A n i ukupni otvor blende AΣ iz omjera otpora R 0 /R outl.
Postoji klasa antena sa otvorom blende. Takve antene uključuju parabolične antene (ovdje je otvor otvor ogledala), rog antene (otvor je otvor rog) itd.
Jedinica mjere za površinu otvora može biti kvadratni metar ili λ 2.
Koeficijent korištenja površine otvora određen je formulom (2.148).
Za klasu antena sa otvorom blende K i n< 1, но для некоторых типов антенн значение этой величины может и превышать 1. К последним относятся антенны поверхностной волны и большинство проволочных антенн.
Odnos između efektivnog područja otvaranja A eff, faktor usmjerenja D a dužina rata λ je zapisana kao relacija $$ \ begin (jednačina) A_ (eff) = \ frac (\ lambda ^ 2D) (4 \ pi) \ end (jednačina) \ tag (2.154) $$
Na sl. 2.60 prikazani su grafovi zavisnosti A eff ( D, λ). Odnos između A eff i širina dijagrama zračenja u dvije ravni α E i α H mogu se postaviti pomoću formule (2.128).
Prijemna antena, koja apsorbira snagu elektromagnetnog polja kada na nju padne elektromagnetski val, svojevrsni je štit za radio valove. Na sl. 2.61 je šematski prikaz raspodjele polja iza prijemne antene.
Sa slike se vidi da se odmah iza prijemne antene smanjuje jačina elektromagnetnog polja.
Za polutalasni dipol, efektivna površina otvora je elipsa (slika 2.62) sa velikom osom A E = 3λ / 4 i mala osa A H = λ / 4.
Za antene površinskih valova, na primjer, antenu Uda-Yagi, odnos između linearnih dimenzija efektivnog otvora i širine dijagrama zračenja antene u dvije glavne ravnine α E i α H postavljen je odnosom $$ \ početak (jednačina) A_E = 2 \ sqrt (\ frac (A_ (eff) \ alpha_E) (\ pi \ alpha_H)) \ kraj (jednačina) \ oznaka (2.155) $$ $$ \ početak (jednačina) A_H = 2 \ sqrt (\ frac (A_ (eff) \ alpha_H) (\ pi \ alpha_E)) \ kraj (jednačina) \ tag (2.156) $$
Ako se dvije ili više elementarnih antena nalaze blizu jedna drugoj (na primjer, jedna iznad druge, slika 2.63), tada je da bi se smanjili gubici na pojačanju rezultirajućeg antenskog sistema potrebno da efektivna područja otvora djelomični elementi antene se ne preklapaju. U ovom slučaju, najcelishodnije je rasporediti elemente antenskog sistema na način da su ivice djelomičnih efektivnih površina otvora u kontaktu jedna s drugom.
Za niz transverzalnih emitera zračenja (slika 2.64), linearne dimenzije efektivne površine otvora jednog elementa izračunavaju se po formulama $$ \ begin (jednačina) A_E = \ sqrt (\ frac (A_ (eff)) \ alpha_E) (\ alpha_H)) \ kraj (jednačina) \ oznaka (2.157a) $$ $$ \ početak (jednačina) A_H = \ sqrt (\ frac (A_ (eff) \ alpha_H) (\ alpha_E)) \ end (jednačina) \ oznaka (2.157b) $$
Poređenje formula (2.156) i (2.157) pokazuje da su u potonjem slučaju linearne dimenzije efektivne površine otvora manje za približno 12% nego kod upotrebe istih elemenata u antenama uzdužnog zračenja. Pogledajmo nekoliko primjera.
Na priključcima prijemne antene, napravljene u obliku polutalasnog dipola koji prima radio zračenje talasne dužine λ = 2 m i opterećuje se na otpor R 0 = R rad = 73 Ohm, indukovani napon U A = 0,1 mV. Potrebno je "izračunati snagu zračenja stanice koja se nalazi na udaljenosti r= 100 km od prijemne antene, pod uslovom da se kao predajna antena koristi polutalasni dipol, a obe antene su orijentisane jedna prema drugoj maksimumima dijagrama zračenja.
1. Elektromotorna sila na izlazu prijemne antene V = 2 U A = 2 · 0,1 · 10 -3 = 2 · 10 -4 V.
2. Efektivna površina otvora za polutalasni dipol (vidi tabelu 2.4) A eff = 0,13λ 2 = 0,13 2 2 = 0,52 m 2.
3. Gustina snage na lokaciji prijemne antene str = V 2 /4A eff R rad = (2 · 10 -4) 2/4 · 0,52 · 73 = 2,63 · 10 -10 W / m 2.
4. Snaga zračenja predajne antene P rad = 4π r 2 str/G= 4π (100 · 10 3) 2 · 2,63 · 10 -10 / 1,64 = 20,1 W.
Širina dijagrama usmjerenja Uda-Yagi antene koja radi na talasnoj dužini λ = 2 m jednaka je α E = 25 ° i α H = 35 °. Ova antena je završena usklađenom impedancijom R 0 = 75 oma. Gustina snage elektromagnetnog polja upada na antenu je p = 2,63 · 10 -10 W / m 2. Potrebno je odrediti napon na izlaznim terminalima ove antene.
1. Koristeći nomogram prikazan na sl. 2.54, za date vrijednosti α E = 25 ° i α H = 35 ° određujemo pojačanje antene G= 15, l dB.
2. Koristeći grafikone prikazane na sl. 2,60, prema poznatim vrijednostima G= 15, l dB i α = 2 m definiramo A eff = 16,5 m 2.
3. Koristeći formulu (2.147), definiramo EMF: $$ V = \ sqrt (4pR_ (out) A_ (eff)) = \ sqrt (4 \ cdot (2.63 \ cdot (10 ^ (- 10)) \ cdot (73) \ cdot (16,5))) = 1,12 mV $$
1. Koristeći grafikone prikazane na sl. 2.60, prema datim vrijednostima α E i α H, određujemo efektivnu površinu otvora A eff = 4,5λ 2.
2. Koristeći formulu (2.156), nalazimo: $$ H = A_H = 2 \ sqrt (\ frac (A_ (eff) \ alpha_H) (\ alpha_E)) = \ sqrt (\ frac (4,3 \ lambda ^ 2) ( 35)) (25)) = 2,8 \ lambda $$
3. Sa rastojanjem između spratova dvospratne antene N= 2,8λ, dobijamo maksimalnu vrednost pojačanja, koja se, kao što već znamo, ostvaruje pod uslovom da su ivice efektivnih površina otvora oba antenska elementa u međusobnom kontaktu.
4. Za talasnu dužinu λ = 2 m potrebna udaljenost N= 5,6 m.
Imajte na umu da dvostruko povećanje otvora antene dovodi do dvostrukog povećanja pojačanja (+3 dB).
Za izračunavanje radio komunikacijskih linija, uvodi se koncept faktora slabljenja δ: $$ \ begin (jednačina) \ delta = \ frac (P_A) (P_ (ef)) = \ frac (A_ (eff.pr) A_ (eff .per)) (\ lambda ^ 2 (r ^ 2)) \ end (jednačina) \ tag (2.158) $$ gdje je P A je snaga koju prima prijemna antena koja ima efektivnu površinu otvora A eff pr; P rad - snaga koju emituje predajna antena sa efektivnom površinom otvora A eff lane; r- udaljenost između predajne i prijemne antene, m; λ - talasna dužina, m.
Formula (2.158) je dobijena pod pretpostavkom da antene nemaju gubitaka, da su orijentisane jedna prema drugoj na najbolji način, a takođe i pod uslovom da je rastojanje između njih $$ \ begin (jednačina) r \ geq \ frac ( 2d ^ 2) (\ lambda ) \ kraj (jednačina) \ oznaka (2.159) $$ gdje je d- najveća linearna veličina antene; λ je talasna dužina.
U slučaju kada se radio talas širi blizu površine zemlje, može se pojaviti i reflektovani talas, pored direktnog talasa. Rezultat interakcije ova dva vala je promjena vrijednosti δ, izračunate po formuli (2.158). Realna vrijednost faktora slabljenja δ P varira unutar 0< δ р < 4δ.
Nastavimo s primjerima.
Snaga zračenja predajne polutalasne dipolne antene P rad = 20,1 W. Potrebno je izračunati snagu rasipanu u usklađenom opterećenju prijemne antene na R 0 = 73 Ohma i pod uslovom da A eff per = 16,5 m 2, A eff pr = 0,13 m 2 i λ = 2 m.
1. Koristeći formulu (2.158), nalazimo $$ P_A = P_ (rad) \ frac (A_ (eff.per) A_ (eff.pr)) (\ lambda ^ 2 (r ^ 2)) = 20,1 \ frac ( 0,13 \ cdot (2 ^ 2) \ cdot (16,5)) (2 ^ 2 \ lijevo (10 ^ 5 \ desno) ^ 2) = 43 \ cdot (10 ^ (- 10)) W $$
2. Napon na izlaznim terminalima antene $$ U = \ sqrt (P_ (A) R_ (0)) = \ sqrt (43 \ cdot (10 ^ (- 10)) \ cdot (73)) = 0,53 \ cdot (10 ^ (- 3)) U $$.
Skrenimo pažnju čitaocu da se ponekad snaga izražava u decibelima, dok nivo od 0 dB odgovara snazi od 1 W.
Ako R rad = 20,1 W ili R rad = 10 lg 20,1 = +13 dB/W, dakle R A = = 43 10 -10 W ili R A = 10 lg 43 10 -10 = -83,6 dB / W.
Ovaj vodič je sastavljen iz različitih izvora. Ali njegovo stvaranje potaknula je mala knjiga "Mass Radio Library" objavljena 1964. godine, kao prijevod knjige O. Kronegera u DDR-u 1961. godine. Uprkos svojoj tolikoj starini, to je moja referentna knjiga (zajedno sa nekoliko drugih referentnih knjiga). Mislim da vrijeme nema moć nad ovakvim knjigama, jer su temelji fizike, elektrotehnike i radiotehnike (elektronike) nepokolebljivi i vječni.
Osnovni parametri predajnih antena
| Otpornost na zračenje povezuje zračenu snagu iz antene sa strujom koja napaja antenu |
|
R Σ = P Σ / I a |
| Evo P Σ snaga koju zrači antena, W; Otpornost Riz zračenja, ohm; Ia je efektivna vrijednost struje, a. Magnituda R Σ zavisi od antenskog čipa, njegovih dimenzija (u odnosu na talasnu dužinu) i tačke priključka fidera za napajanje. U opštem slučaju, otpornost na zračenje je složene prirode, tj. pored aktivne komponente ima i reaktivni Xyz. Impedancija antene R A je zbir otpora zračenja R Σ i gubitke otpora Rn |
|
R A = R Σ + R p |
| Efikasnost antene η Odnos snage zračenja i isporučene |
|
η = R Σ / (R Σ + R p) |
| K. p. D. Od većine vrsta podešeno predajne antene su blizu jedinice. |
| Obrazac zračenja antene Zavisnost jačine polja u udaljenoj tački o smjeru. Obično se uzorak zračenja uzima u dvije ravnine - horizontalnoj i vertikalnoj. Za procjenu usmjerenosti antene u bilo kojoj ravni koristi se koncept širine dijagrama zračenja, što znači širinu glavnog režnja, mjerenu na nivou od 0,7 jačine polja (ili na nivou od 0,5 snage). Faktor usmjerenog djelovanja (usmjerenost) antene D- broj koji pokazuje koliko puta treba povećati snagu predajnika da bi se dobila ista jačina polja u tački koja se nalazi na datoj udaljenosti u smjeru maksimalnog zračenja koristeći omnidirekcionu antenu. Usmjerenost je nedvosmisleno određena prostornim dijagramom zračenja antene. Ako je poznata širina dijagrama zračenja antene u horizontalnoj i vertikalnoj ravnini, onda se usmjerenost nalazi po sljedećoj približnoj formuli: |
|
D = 41253 / F 0 θ 0 |
| gdje: F 0- usmjerenost antene u horizontalnoj ravni, ° θo- usmjerenost antene u vertikalnoj ravni, °. Pojačanje snage antene G je proizvod LPC-a i efikasnosti i u potpunosti karakterizira pojačanje snage koje antena daje u poređenju sa neusmjerenim idealnim radijatorom (bez gubitaka) - |
| Frekvencijski odziv antene i propusni opseg karakterišu sposobnost antene da radi u frekventnom opsegu. Frekvencijska karakteristika je zavisnost struje kojom se antena napaja od frekvencije, a propusni opseg je frekvencijski opseg u kojem struja ne pada ispod 0,7 svoje maksimalne vrijednosti. |
Parametri prijemne antene |
| Efektivna visina hd
Iznos kojim trebate pomnožiti jačinu električnog polja na prijemnoj tački da biste dobili em. itd. koje je razvila antena. hd zavisi od tipa antene i njenih relativnih dimenzija (u odnosu na talasnu dužinu). Fizički, hd je jednaka visini zamišljene antene, koja ima istu sposobnost da prima radio talase kao i prava antena, ali u kojoj struja po celoj dužini ima konstantnu vrednost jednaku struji u antičvoru realnog antena I Ap(sl. 1). Prikladno je koristiti koncept "efikasne visine" kada se izračunavaju antene s jednom vibracijom dužine ne veće od λ / 4. Efektivna površina antene Aeff određuje onaj dio prednjeg područja ravnog talasa iz kojeg antena preuzima energiju. Koncept efektivne površine se koristi kada se računaju multivibratorske i druge složene antene (ovaj koncept se može primijeniti i na antenu sa jednim vibratorom). |
|
Slika 1. Efektivna visina antene. |
| Efektivna površina antene i usmjerenost povezani su sljedećim odnosom: |
|
D = 4π A eff / λ 2 |
| gdje: A eff i λ2 mjere se u istim jedinicama, na primjer, - m 2. Snaga signala na ulazu prijemnika usklađena sa antenom je; |
|
P A = (E 2 o A eff) / 120 π |
| gdje: E 0- jačina polja, w/m; A eff-efektivna površina antene, m 2; P A- snaga u anteni, Wt. Usmjereni obrazac Ovisnost emf sa. antene iz pravca dolaska talasa. Širina dijagrama zračenja je ugao unutar kojeg je e. itd. sa. antena ne pada ispod 0,7 svoje maksimalne vrijednosti. Efikasnost η A Odnos snage primljene od antene prema snazi koju antena primi od elektromagnetnog talasa. Faktor usmjerenog djelovanja (usmjerenost) antene D Broj koji pokazuje koliko puta snaga uzeta iz antene premašuje snagu koja bi se u ovom slučaju mogla dobiti korištenjem omnidirekcione antene iste efikasnosti. Veličina usmjerenosti u potpunosti je određena prostornim dijagramom zračenja antene. Pojačanje snage antene G Broj koji pokazuje koliko je puta snaga uzeta iz antene veća od snage koja bi se mogla uzeti od omnidirekcione antene pod istim uslovima bez gubitka. Što se tiče predajne antene, |
|
G = η Av D |
| Ulazna impedansa antene Z A
Impedansa antene na radnoj frekvenciji na priključnim točkama. Uglavnom Z A(kao i otpornost na zračenje predajne antene) ima i aktivne i reaktivne komponente. Frekvencijski odziv antene Ulazna impedancija antene u odnosu na frekvenciju. Za antene postoji princip reciprociteta, prema kojem ista antena, prilikom odašiljanja i prijema, ima iste karakteristike (usmjerenost, efikasnost, dijagram zračenja itd.). Ovo pretpostavlja da je način povezivanja antene očuvan. |
Vibrirajuće antene |
| Osnovni podaci jednostavnih dipolnih antena dati su u tabeli. IX.1. Antena sa talasnim kanalom sastoji se od aktivnog vibratora, reflektora i nekoliko direktora. Ima veliku usmjerenost duž ose (u smjeru od aktivnog vibratora prema direktorima). |
 |
|
Rice. 2 Antena tipa "Wave channel". |
| Preporučene veličine vibratora i razmaci između njih prikazani su na sl. 2. Konačno dimenzioniranje se vrši eksperimentalno. Da bi se smanjila veličina, dva prednja direktora mogu se isključiti. Povećanje broja direktora iznad toga je neefikasno. Koeficijent usmjerenja antene "talasnog kanala" određen je približnom formulom |
| gdje n- broj direktora. |
Loop antene |
| Okvirna antena (slika IX.3) je ravna zavojnica proizvoljnog poprečnog presjeka. Obično je ukupna dužina žice okvirne antene kratka u poređenju sa talasnom dužinom |
| ovdje: n- broj okreta okvira; l w- dužina jednog okreta. U ovom slučaju, dijagram zračenja ne ovisi o obliku poprečnog presjeka okvira i ima oblik prikazan na sl. 4. |
 |
|
Rice. 4. Dijagram smjera okvirne antene. |
| Kada radite na recepciji e. d. s., vođen na okviru, jednak je: |
|
e = (n S / λ) 2π cos φE |
| gdje: e- NS. d. stranica, vođena okvirom, u; S- površina okvira, m 2; λ - talasna dužina, m; E- jačina polja, V/m; φ je ugao između smjera prijema i ravnine okvira, °, n je broj okreta. |
| Otpornost na zračenje okvirne antene: R Σ = 31200 (nS / λ 2) 2 oma |
| Obično R Σ veoma mali, pa je stoga niska efikasnost sistema. Okružna antena se obično koristi samo za prijem. |
Prijemne feritne antene |
| Feritne antene se široko koriste u malim LW i MW radio prijemnicima, a također se koriste u HF i VHF opsezima. Feritna antena se sastoji od feritne šipke na koju je postavljena zavojnica antene, koja djeluje kao induktivna grana ulaznog kola. U principu, ferditna antena je magnetna, slična petljnoj anteni. Efikasnost LW i MW feritne antene je uporediva sa štapom dužine 1-2 m. Feritna antena ima istu usmjerenost kao i okvirna antena (vidi sliku 4). Proračun i projektovanje feritne antene... Izbor razreda ferita vrši se u skladu sa frekvencijskim opsegom: |
| DV μ = 1000-2000; SV μ = 600-1000; KB μ = 100-400; VHF μ = 10-50. |
| Žica - jednožilna ili litz žica (na CB). Tip namotaja je obično jednoredni čvrsti (od okreta do okreta). Treba težiti maksimalnom Q-faktoru antenske zavojnice, jer to određuje efikasnost feritne antene. Ulazni napon |
| ovdje: e- NS. d. s., usmjerena u antenu; Q- faktor kvaliteta antenskog kola, Usklađivanje antene sa ulazom prvog stepena prijemnika obično se vrši delimičnim uključivanjem antenskog kola na ulazu lampe i spojnicom na ulazu tranzistora. Induktivna spojnica je fleksibilnija jer se pomicanjem zavojnice spojnice može mijenjati u širokom rasponu. Potrebna induktivnost zavojnice antene nalazi se po formuli: |
|
Lk = 2,53 10 4 / f 2 max C min μg |
| gdje: f max- maksimalna frekvencija opsega, MHz; Cn- minimalni kapacitet petlje, pF. |
 |
|
Rice. 6. Feritna antena. |
| Za najjednostavniji jednostruki namotani antenski kalem, broj zavoja je: |
|
ω = (L k / L "d k μ k) 1/2 |
| Form factor L " zavisi od odnosa dužine namotaja i njegovog prečnika (slika 7). Koeficijent μ to definiran kao proizvod četiri empirijska koeficijenta |
|
μ k = μ s m L p L q L |
|
m L - zavisi od odnosa dužina zavojnice i jezgra i određuje se prema grafikonu prikazanom na sl. osam; p L - zavisi od položaja zavojnice na štapu i određuje se prema grafikonu prikazanom na sl. devet; q L - je omjer kvadrata prečnika feritne šipke i zavojnice: q L = d 2 / d 2 k ; μ s -efektivna magnetna permeabilnost feritne šipke, u zavisnosti od početne magnetne permeabilnosti ferita μ n i dimenzije štapa (slika 10). |
| Za određivanje koeficijenata t L , p L i L " potrebno je prije svega postaviti dužinu zavojnice, koja je određena umnoškom promjera žice nepoznatim brojem zavoja. Stoga se proračun vrši uzastopnim aproksimacijama. |
Osnovne formule koje opisuju parametre dipolnih antena
| Tip antene | Raspodjela struje antene | Faktor usmjerenja | Formule za određivanje | ||
| efektivna visina | otpornost na zračenje, ohm |
jačina polja * u smjeru glavnog maksimuma zračenja na udaljenosti r **, mV / m | |||
| Kratki simetrični vibrator ( l<λ/2 ) sa posudama na krajevima |
 |
1,5 | h d = 1 | R Σ = 80π 2 (l / λ) 2 | E = 6,7 × P 1/2 / r |
| Kratki neutemeljeni post ( l<λ/4
) kapaciteta od kraj |
 |
3 | h d = 1 | R Σ = 160π 2 (l / λ) | E = 9,5 × P 1/2 / r |
| Kratki simetrični vibrator ( l<λ/2 ) bez kontejnera |
 |
0,375 | hd = 0,5l | R Σ = 20π 2 (l / λ) 2 | E = 3,35 × P 1/2 / r |
| Kratki uzemljeni pin ( l<λ/4
) bez kontejnera na kraju |
 |
0,75 | hd = 0,5l | R Σ = 10π 2 (l / λ) 2 | E = 4,75 × P 1/2 / r |
| Polutalasni simetrični vibrator |
 |
1,64 | hd = λ / π | 73,2 | E = 7 × P 1/2 / r |
| Quarter Wave Grounded Pin |
 |
3,28 | hd = λ / 2π | 36,6 | E = 10 × P 1/2 / r |
| Half Wave Loop Vibrator |
 |
1,64 | hd = 2λ / π | 293 | E = 7 × P 1/2 / r |
| P je snaga zračenja, W; ** r- udaljenost od antene do mjerača jačine polja |
|||||
