Efektivna površina antene je površina ekvivalentne ravne antene s ujednačenom distribucijom amplitude i faze i maksimalnom usmjerenošću (usmjerenošću) jednakom usmjerenosti dotične antene. Iz tog područja antena usmjerena na izvor signala apsorbira energiju upadnog elektromagnetskog zračenja. Radi lakšeg objašnjenja, razmotrite efektivno područje prijemne antene. Antena apsorbira snagu P definirano kao
P = P d A
Ovdje P d- gustoću toka snage (specifične snage po jedinici površine) upadne elektromagnetske energije i A- područje otvora (geometrijsko područje) antene. Pojačanje antene G izravno proporcionalno geometrijskom području 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 njezine površine izražava se formulom, koja također uključuje učinkovitost antene:
Ovdje λ - valna duljina i η - Učinkovitost antene, koja je uvijek manja od jedan:
Ovdje A e- efektivna površina (otvor blende) antene, koja je definirana kao fizička površina antene pomnožena učinkovitošću antene. Ako je učinkovitost antene 1 (ili 100%), to znači da se sva energija koju odašiljač dovodi do odašiljačke antene zrači u svemir. Ako je ovo prijemna antena, tada s jediničnom učinkovitošću sva energija koju antena prima ulazi u prijamnik. Međutim, u praksi se dio energije uvijek gubi u obliku toplinske energije, koja se troši na zagrijavanje strukturnih elemenata antene i fidera.
Zamjena proizvoda površine učinkovitošću Aη na efektivnom području A e, dobivamo:
Ova formula se koristi u ovom kalkulatoru. Iz njega se može vidjeti da za dano efektivno područje antene, njezino pojačanje raste s kvadratom valne duljine, ili je pri konstantnoj valnoj duljini pojačanje antene izravno proporcionalno njenom efektivnom području. Imajte na umu da je za antene s otvorom blende kao što su rog ili parabolične antene, efektivno područje povezano je s geometrijskim područjem i uvijek je manje od tog područja. Međutim, za žičane antene (na primjer, uravnotežene i asimetrične dipole, antene s valnim kanalom), efektivno područje je obično mnogo (ponekad i desetke puta) veće od fizičkog područja antene.
pojačanje snage antene (KU) G Obično se naziva jednostavno pojačanjem, to je omjer snage zračenja usmjerene antene prema snazi koju zrači idealna svesmjerna antena s 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 odnosi se na pojačanje antene u usporedbi s idealnom izotropnom antenom koja ravnomjerno zrači energiju u svim smjerovima.
Na primjer, odredimo efektivno područje ruskog teleskopa RT-70, koji se nalazi na Krimu nedaleko od Evpatorije.
Pojačanje antene G= 69,5 dBi ili 9.000.000.
Promjer antene d= 70 m.
Radna frekvencija f= 5,0 GHz (6 cm).
Geometrijsko područje antene A = πD²/4 = π70²/ 4 = 3848 m². Istodobno, njegovo djelotvorno područje je
Kao što vidimo, efektivna površina je samo 67% geometrijske površine antene.
Sada izračunajmo efektivnu površinu antene "valnog kanala" od 5 elemenata (također nazvane 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 bezdimenzijskom pojačanju od 10. Duljina aktivnog elementa je nešto manja od polovice valne duljine 0,5λ = 30 cm, gdje je λ = 60 cm valna duljina.
Promjer kruga površine 0,28 kvadratnih metara. m je definiran kao
Odnosno, za aktivni element duljine oko 0,5λ = 30 cm dobivamo krug promjera 60 cm (točnije, elipsu).
Prilikom proračuna radiokomunikacijskih sustava koji odašilju signal u pravocrtnoj liniji putem mikrovalnih i satelitskih kanala, projektant sustava treba posebno uzeti u obzir dimenzije antene odašiljača i prijemnika, snagu odašiljanja i potreban SNR za postizanje željene razine. kvalitete pri traženoj brzini podataka.
Izračun sustava je relativno jednostavan i prikazan je u nastavku.
Počinjemo s odašiljačkom antenom koja izotropno zrači u otvoreni prostor na razini snage kao što je prikazano na sl. 5.5.2. Gustoća snage na udaljenosti od antene je (W/m).
Riža. 5.5.2. Antena za izotropno zračenje
Ako odašiljačka antena ima selektivnost u određenom smjeru, gustoća snage u tom smjeru se povećava. Pojačanje se naziva pojačanje antene i označava se. U ovom slučaju, gustoća snage na udaljenosti je 
... Proizvod se obično naziva efektivna snaga zračenja (EMP, ERP ili EIRP), što je u biti snaga zračenja u odnosu na izotropnu antenu za koju.
Prijemna antena, orijentirana u smjeru izračene snage, skuplja dio snage koji je proporcionalan njenoj površini poprečnog presjeka.
Dakle, snaga koju prima antena može se izraziti na sljedeći način:
gdje je efektivno područje antene. Iz teorije električnog polja dobivamo osnovni odnos između pojačanja prijemne antene i njenog efektivnog područja:
gdje je valna duljina odaslanog signala, brzina svjetlosti (m/s), frekvencija odaslanog signala. Zamijenimo li (5.5.5) u (5.5.4), dobivamo izraz za primljenu snagu u obliku
(5.5.6)
Faktor
naziva se gubitak slobodnog prostora. Ako se tijekom prijenosa signala naiđu i drugi gubici, kao što su gubici u atmosferi, onda se oni mogu uzeti u obzir uvođenjem dodatnog faktora gubitka, npr. Dakle, primljena snaga se u konačnici može zapisati na sljedeći način:
(5.5.8)
Kao što je gore navedeno, najvažnije karakteristike antene su njezino pojačanje i djelotvorno područje. Obično ovise o valnoj duljini snage zračenja i fizičkim dimenzijama antene. Na primjer, parabolična antena s promjerom ima efektivno područje
gdje je fizička površina, a pokazatelj je učinkovitosti zračenja koje je u tom području. Stoga je dobitak parabolične antene s promjerom
(5.5.10)
Kao drugi primjer, uzmimo rog antenu s površinom od. Ima indeks učinkovitosti od 0,8, efektivno područje i pojačanje antene od
Drugi parametar koji se odnosi na pojačanje (usmjerenost) antene je širina snopa, koju ćemo označiti. Grafički je ilustrirano na slici 5.5.3.
Slika 5.5.3. Širina snopa antene (a) i uzorak zračenja (b)
Obično se širina snopa mjeri preko širine snopa na -3 dB od svog vrha. Na primjer, širina snopa -3 dB parabolične antene približno je jednaka
(5.5.12)
pa je obrnuto proporcionalan. To znači da prepolovljenje širine snopa, dobivene udvostručavanjem promjera, povećava pojačanje antene za oko 4 puta (za 6 dB).
Na temelju općih odnosa za snagu primljenog signala danih u (5.5.8), projektant antene može izračunati iz podataka o pojačanju antene i udaljenosti između odašiljača i prijemnika. Takvi se izračuni 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 emitira snagu, t.j. 20 dB re 1 W (20 dBW). Odašiljačka antena ima pojačanje od 17 dB, dakle 
... Također pretpostavite da zemaljska stanica koristi paraboličnu antenu od 3 m i da downlink radi na 4 GHz. Omjer učinkovitosti. Zamjenom ovih vrijednosti u (5.5.10), dobivamo vrijednost pojačanja antene od 39 dB. Gubitak prostora glave, drugi gubici se ne računaju. Dakle, snaga primljenog signala
ili ekvivalentno
Da bismo dovršili izračun resursa linije, moramo također uzeti u obzir učinak aditivne buke na prijemnoj strani. Toplinski šum koji se javlja u prijemniku i ima približno istu spektralnu gustoću snage do frekvencija od Hz, jednaku
W / Hz, (5.5.14)
gdje je Boltzmannova konstanta ( 
), i je temperatura buke u Kelvinima. Stoga je ukupna snaga šuma u širini signala.
Pojačanje antene
Razmotrimo sada kako svojstva usmjerenja antene utječu na vrijednost intenziteta signala u točki prijema.
Neka u nekom trenutku A nalazi se svesmjerna odašiljačka antena koja na udaljenoj točki V stvara signal E 1(sl. 7). Uzorak zračenja takve antene u ravnini crteža bit će krug. Ako signali koje emitira antena A, samo će se prihvatiti E točka V, tada je energija zračila u svim smjerovima osim smjera prema točki V, bit će potrošeno, jer do točke V ona neće pogoditi.
Stavljajući na točku A usmjerena antena usmjerena maksimalnim zračenjem na točku V, mi ćemo, bez promjene snage odašiljača, povećati signal u točki V zbog energije koja se prije beskorisno zračila u drugim smjerovima.
Dakle, za dopisnika koji se nalazi u točki V, usmjerena antena će imati pojačanje u odnosu na svesmjernu antenu.
Dakle, svojstva usmjerenja antena, osim dijagrama usmjerenja, karakteriziraju se jednom od dvije veličine - faktor usmjerenog djelovanja (skraćeno KND) ili pojačanje (skraćeno K a).
Dobitak antene K a jednak je umnošku njezinog faktora usmjerenog djelovanja (faktor usmjerenosti) s faktorom učinkovitosti (COP):
K a = KND · učinkovitost.
Za idealnu antenu bez gubitaka (učinkovitost = 1), vrijednosti K a i usmjerenost se podudaraju.
Budući da K a potpunije karakterizira antenu s energetske strane, obično se najčešće koristi u praksi.
Pojačanje antene je relativna vrijednost, koja je jednaka kvadratu omjera jakosti polja stvorenih na prijemnoj točki, uz sve ostale jednakosti, ova i druga antena se uzimaju kao standardna. Drugim riječima, pojačanje pokazuje koliko se puta 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 zrači jednoliko u svim smjerovima. Karakteristika prostorne usmjerenosti ove antene trebala bi biti u obliku lopte. Međutim, takva antena zapravo ne postoji. Najjednostavnija antena koja se koristi u praksi - poluvalni vibrator - već ima svojstva usmjerenja: njena prostorna usmjerena karakteristika ima oblik torusa (slika 8). Ova slika prikazuje slučaj kada se os vibratora poklapa s osi 0Z.
Od sl. 8, gdje je zbog preglednosti uklonjena jedna četvrtina torusa, može se vidjeti da dijagram smjera poluvalnog vibratora u ravnini okomitoj na njegovu os (ekvatorijalnu ravninu) ima oblik kružnice, tj. vibratora nije usmjerena u ovoj ravnini.
U svim ostalim ravninama koje prolaze kroz os vibratora (kroz os OZ), obrasci zračenja imaju oblik osmice, tj. u smjeru osi vibratora nalazi se nula uzorka zračenja.
Proračuni pokazuju da je u odnosu na svesmjernu antenu dobit poluvalnog vibratora G λ / 2 = 1,64.
Napomenimo, idući malo naprijed, da pojačanja mnogih antena koje se koriste na ultravisokim frekvencijama dosežu tisuću ili čak nekoliko tisuća.
Za antene s beznačajnim bočnim režnjevima, približna vrijednost pojačanja antene može se izračunati iz poznatih kutova otvora glavnog režnja uzorka zračenja u okomitoj i horizontalnoj ravnini:
G @ 35000 / θ 0 F 0 (5)
gdje su θ 0 i F 0 širina glavnog režnja u stupnjevima između točaka vrijednosti polovice snage, mjerene u okomitoj i horizontalnoj ravnini, respektivno.
Iz formule (5) se može vidjeti da je K antene obrnuto proporcionalan umnošku kutova otvora glavnog režnja i stoga će antene jednakog dobitka u pojačanju imati iste umnožake kutova 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, unatoč 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 njezin dijagram zračenja ovise o geometrijskim dimenzijama zračne rupe, i to:
G = 4p · S eff / λ 2 (6)
gdje je S eff efektivna površina zračnog otvora antene;
λ 2 - kvadrat valne duljine 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, ovisnosti (6) i (7) prikazane su grafom na kojem je vodoravno ucrtana vrijednost efektivne površine zračnog otvora u kvadratnim valnim duljinama S eff / λ 2, a veličina faktora pojačanja je dano po vertikali lijevo G.
Dodatna skala desno na sl. 9 daje odgovarajuće vrijednosti pojačanja u decibelima.
Za prijamne antene, veličina pojačanja se ponekad izražava kroz takozvanu apsorpcijsku površinu Q eff.
G = 4p Q eff / λ 2 (8)
Zbog "reverzibilnosti" antene, njezino pojačanje ostaje isto i tijekom prijenosa 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) zračnog otvora 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 ravni elektromagnetski val s istom (jednolikom) raspodjelom amplituda.
Slika 9. Zemljište dobivanja antene
na veličinu njegove zračne rupe.
U stvarnim antenama, bilo zbog odstupanja vala od ravninskog, bilo zbog poteškoća u dobivanju jednolike raspodjele amplituda polja u otvoru antene, koeficijent γ ispada manji od jedan.
Prijemna antena hvata slobodne radio valove i pretvara ih u spregnute valove koji se dovode kroz fider do prijemnika. U skladu s principom reverzibilnosti antene, svojstva antene koja radi u načinu odašiljanja ne mijenjaju se kada antena radi u načinu prijema.
Odašiljačka antena pretvara energiju visokofrekventnih struja koje generira odašiljač u slobodnu energiju radio valova i distribuira je na određeni način po prostoru. Prijemna antena pretvara energiju slobodnih radio valova koji dolaze iz određenih smjerova u odnosu na nju u energiju visokofrekventnih struja na ulaznim elementima prijamnog uređaja.
Radio odašiljač s antenom, medij za širenje radio valova i radio prijemnik s antenom čine radiokomunikacijski sustav (radiolink). Spojni element ovdje je okoliš, područje prostora (radioput) u kojem se šire radio valovi.
Uz korisni signal, na prijemnu antenu mogu utjecati i strani signali – smetnje. Pouzdanost prolaska radio valova koji nose koristan signal, “i put od odašiljačke do prijemne antene određuje stabilnost radio veze.
Radio valovi se mogu širiti u atmosferi, duž površine zemlje, u površini zemlje i u svemiru. U homogenom (ili slabo nehomogenom) mediju, radio valovi se šire ravnim (ili gotovo ravnim) putanjama. To su izravni radio valovi. Uz njihovu pomoć moguće je obavljati radio komunikaciju samo uz prisutnost izravne geometrijske vidljivosti između antena dopisnika.
Domet vidljivosti ograničen je sferičnosti zemlje i neravninama njezina reljefa. U nedostatku izravnog vidnog polja, radio valovi dolaze do točke prijema zbog difrakcije, refleksije i raspršenja radio valova. Ove “pojave uzrokovane su utjecajem zemljine površine, nehomogenostima troposfere i ionosfere.
Na putu vala, njegova energija se apsorbira u poluvodičkoj zemlji. Tome se dodaje i slabljenje vala zbog difrakcije uzrokovano prisutnošću prepreka na putu njegova širenja.
U VHF rasponu, kako bi se smanjili gubici u tlu i povećao domet "linije vidljivosti", antene se postavljaju na stupove (jarbole). Troposfera utječe na VHF raspon širenja. Pod nekim meteorološkim uvjetima pojavljuju se regije koje pružaju VHF širenje na značajnim udaljenostima.
Uvjeti „širenja radio valova, prisutnost smetnji, snaga odašiljača, učinkovitost antene, kvaliteta fidera itd. određuju pouzdanost radio veze i čine zadatak višeparametarskim.
Tok Umov - Poynting vektora odašiljačke antene na udaljenosti r iz nje se određuje formulom $$ \ begin (jednadžba) p = p_ (n) G = G \ frac (P_ (out)) (4 \ pi (r ^ 2)) \ end (jednadžba) \ tag (2.142 ) $ $
Snaga koju antena presreće ovisi o parametru kao što je površina otvora antene (otvor blende). Da bismo bolje razumjeli ovaj pojam, zamislimo prijamnu antenu u obliku rog antene, na koju upada ravni val (slika 2.57). Ako bi ova antena mogla apsorbirati svu snagu koja pada na svom otvoru (otvoru), tada bi snaga koju antena primila bila $$ \ begin (jednadžba) P = pA \ end (jednadžba) \ tag (2.143) $$
Elektromagnetski val koji upada na otvor antene pobuđuje u anteni s ulaznom impedancijom Z A = R A + iH I elektromotorna sila V... Dio primljene snage antene prenosi se na prijemnik koji ima ulaznu impedanciju Z 0 =R 0 +iX 0 (sl. 2.58). Zatim struja koja teče u prijemnik spojen na antenu $$ \ begin (jednadžba) I_A = \ frac (V) (Z_0 + Z_A) \ end (jednadžba) \ tag (2.144) $$ i snaga koja se oslobađa u prijemniku je $$ \ početak (jednadžba) 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 (jednadžba ) \ oznaka (2.145) $$
Dovoljno je lako pokazati da maksimalna snaga oslobođena u prijemniku odgovara uvjetu usklađivanja impedancije, prema kojem R A = R 0 i - x A = x 0 .
Hajde da predstavimo koncept učinkovito područje otvaranja, pod kojim podrazumijevamo omjer snage koja ulazi u prijemnik R 0, na gustoću snage R incident na otvoru antene: $$ \ početak (jednadžba) A_ (eff) = \ frac (P_0) (p) \ kraj (jednadžba) \ oznaka (2.146) $$
Za antenu bez gubitaka ( R n = 0) prema formuli (2.136) R A = R outl. Zatim, uz potpuni dogovor, tj. s R 0 =R izl dobivamo formulu za maksimalnu vrijednost efektivne površine otvora $$ \ begin (jednadžba) A_ (eff \; max) = \ frac (V ^ 2) (4pR_ (izl)) = \ frac (I_A ^ 2R_0) (p) \ kraj (jednadžba) \ oznaka (2.147) $$
Stol 2.4 prikazuje vrijednosti A eff max za neke vrste antena.
Za prave antene, vrijednost A eff max je uvijek manji od fizičke površine otvora antene. Za procjenu efektivne površine otvora antene uvodi se koncept faktora iskorištenja površine otvora, koji je jednak omjeru efektivne površine otvora antene i fizičke površine otvora. : $$ \ početak (jednadžba) K_ (ip) = \ frac (A_ (eff)) (A_ ( f)) \ kraj (jednadžba) \ oznaka (2.148) $$
Maksimalna vrijednost faktora iskorištenja površine otvora doseže (za idealne antene) vrijednost K un = 1. Za vrlo dobre antene, vrijednost faktora iskorištenja površine doseže vrijednosti od 0,7 ... 0,8.
Trenutno ja A u anteni s otpornošću na zračenje R A je izvor ponovno emitiranog vala snage $$ \ početak (jednadžba) P_ (ras) = I_A ^ 2R_A \ kraj (jednadžba) \ oznaka (2.149) $$
Omjer snage koju antena ponovno zrači prema gustoći snage koja pada na otvor antene R, određuje područje ponovne emisije (otvor za raspršivanje) A utrke: $$ \ 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 (jednadžba) \ oznaka (2.150) $$
Za antenu s kavezom u potpunosti usklađenu s poljem incidenta, A utrke = A eff max. S neusklađenošću antene $$ \ begin (jednadžba) \ alpha_ (utrke) = \ frac (A_ (utrke)) (A_ (eff \; max)) \ end (jednadžba) \ oznaka (2.151) $$ i α utrke ≤ 1 ...
Ako je otpornost na gubitke R n> 0, tada se dio energije oslobađa u anteni u obliku toplinske energije. Možete uvesti koncept područja gubitaka $$ \ početak (jednadžba) A_ (n) = \ frac (I_A ^ 2R_n) (p) \ kraj (jednadžba) \ tag (2.152) $$
Sada ukupni otvor $$ \ begin (jednadžba) A _ (\ sum) = A_ (eff) + A_ (ras) + A_ (n) = \ frac (I_A ^ 2) (p \ lijevo (R_0 + R_ (izl ) + R_ (n) \ desno)) \ kraj (jednadžba) \ oznaka (2.153) $$
Na sl. 2.59 prikazani su grafikoni ovisnosti pojedinih komponenti A n i ukupni otvor blende AΣ iz omjera otpora R 0 /R outl.
Postoji klasa antena s otvorom blende. Takve antene uključuju parabolične antene (ovdje je otvor otvor zrcala), rog antene (otvor je otvor rog) itd.
Mjerna jedinica za površinu otvora može biti kvadratni metar ili λ 2.
Koeficijent korištenja površine otvora određen je formulom (2.148).
Za klasu antena s otvorom blende K i n< 1, но для некоторых типов антенн значение этой величины может и превышать 1. К последним относятся антенны поверхностной волны и большинство проволочных антенн.
Odnos između efektivnog područja otvaranja A eff, faktor usmjerenja D a duljina rata λ zapisuje se kao relacija $$ \ begin (jednadžba) A_ (eff) = \ frac (\ lambda ^ 2D) (4 \ pi) \ end (jednadžba) \ tag (2.154) $$
Na sl. 2.60 prikazani su grafovi ovisnosti A eff ( D, λ). Odnos između A eff i širina uzorka zračenja u dvije ravnine α E i α H mogu se postaviti pomoću formule (2.128).
Prijemna antena, koja apsorbira snagu elektromagnetskog polja kada na nju upadne elektromagnetski val, svojevrsni je štit za radio valove. Na sl. 2.61 je shematski prikaz raspodjele polja iza prijemne antene.
Iz slike se vidi da se odmah iza prijemne antene smanjuje jačina elektromagnetskog polja.
Za poluvalni dipol, efektivna površina otvora je elipsa (slika 2.62) s velikom osi A E = 3λ / 4 i mala os A H = λ / 4.
Za antene na površinskim valovima, na primjer, antenu Uda-Yagi, odnos između linearnih dimenzija efektivnog otvora i širine uzorka zračenja antene u dvije glavne ravnine α E i α H postavljen je odnosom $$ \ početak (jednadžba) A_E = 2 \ sqrt (\ frac (A_ (eff) \ alpha_E) (\ pi \ alpha_H)) \ kraj (jednadžba) \ oznaka (2.155) $$ $$ \ početak (jednadžba) A_H = 2 \ sqrt (\ frac (A_ (eff) \ alpha_H) (\ pi \ alpha_E)) \ end (jednadžba) \ oznaka (2.156) $$
Ako se dvije ili više elementarnih antena nalaze blizu jedna drugoj (na primjer, jedna iznad druge, slika 2.63), tada je kako bi se smanjili gubici pojačanja rezultirajućeg antenskog sustava potrebno da efektivna područja otvora djelomični elementi antene se ne preklapaju. U tom je slučaju najprikladnije elemente antenskog sustava rasporediti na način da rubovi djelomičnih djelotvornih područja otvora budu u međusobnom kontaktu.
Za niz transverzalnih emitera zračenja (slika 2.64), linearne dimenzije efektivne površine otvora jednog elementa izračunavaju se po formulama $$ \ begin (jednadžba) A_E = \ sqrt (\ frac (A_ (eff)) \ alpha_E) (\ alpha_H)) \ end ( jednadžba) \ oznaka (2.157a) $$ $$ \ početak (jednadžba) A_H = \ sqrt (\ frac (A_ (eff) \ alpha_H) (\ alpha_E)) \ end (jednadžba) \ oznaka (2.157b) $$
Usporedba formula (2.156) i (2.157) pokazuje da su u potonjem slučaju linearne dimenzije efektivne površine otvora približno 12% manje nego kod korištenja istih elemenata u antenama uzdužnog zračenja. Pogledajmo nekoliko primjera.
Na stezaljkama prijemne antene, izrađene u obliku poluvalnog dipola koji prima radio zračenje valne duljine λ = 2 m i opterećuje se na otpor R 0 = R rad = 73 Ohm, inducirani napon U A = 0,1 mV. Potrebno je „izračunati snagu zračenja stanice koja se nalazi na udaljenosti r= 100 km od prijemne antene, pod uvjetom da se kao odašiljačka antena koristi poluvalni dipol, a obje antene su orijentirane jedna na drugu po maksimumima dijagrama zračenja.
1. Elektromotorna sila na izlazu prijamne antene V = 2 U A = 2 · 0,1 · 10 -3 = 2 · 10 -4 V.
2. Djelotvorna površina otvora za poluvalni dipol (vidi tablicu 2.4) A eff = 0,13λ 2 = 0,13 2 2 = 0,52 m 2.
3. Gustoća snage na mjestu prijemne antene str = V 2 /4A eff R rad = (2 · 10 -4) 2/4 · 0,52 · 73 = 2,63 · 10 -10 W / m 2.
4. Snaga zračenja odašiljačke antene P rad = 4π r 2 str/G= 4π (100 · 10 3) 2 · 2,63 · 10 -10 / 1,64 = 20,1 W.
Širina dijagrama smjera antene Uda-Yagi koja radi na valnoj duljini λ = 2 m jednaka je α E = 25 ° i α H = 35 °. Ova antena je završena usklađenom impedancijom R 0 = 75 oma. Gustoća snage elektromagnetskog polja upada na antenu je p = 2,63 · 10 -10 W / m 2. Potrebno je odrediti napon na izlaznim stezaljkama ove antene.
1. Koristeći nomogram prikazan na sl. 2.54, za dane vrijednosti α E = 25 ° i α H = 35 ° određujemo pojačanje antene G= 15, l dB.
2. Koristeći grafikone prikazane na sl. 2,60, prema poznatim vrijednostima G= 15, l dB i α = 2 m definiramo A eff = 16,5 m 2.
3. Koristeći formulu (2.147), definiramo EMF: $$ V = \ sqrt (4pR_ (out) A_ (eff)) = \ sqrt (4 \ cdot (2.63 \ cdot (10 ^ (- 10)) \ cdot (73) \ cdot (16,5))) = 1,12 mV $$
1. Koristeći grafikone prikazane na sl. 2.60, prema zadanim vrijednostima α E i α H, određujemo efektivnu površinu otvora A eff = 4,5λ 2.
2. Koristeći formulu (2.156), nalazimo: $$ H = A_H = 2 \ sqrt (\ frac (A_ (eff) \ alpha_H) (\ alpha_E)) = \ sqrt (\ frac (4,3 \ lambda ^ 2) ( 35)) (25)) = 2,8 \ lambda $$
3. S razmakom između katova dvokatne antene N= 2,8λ, dobivamo maksimalnu vrijednost pojačanja, koja se, kao što već znamo, ostvaruje pod uvjetom da su rubovi efektivnih površina otvora oba antenska elementa u međusobnom kontaktu.
4. Za valnu duljinu λ = 2 m potrebna udaljenost N= 5,6 m.
Imajte na umu da dvostruko povećanje otvora antene dovodi do dvostrukog povećanja pojačanja (+3 dB).
Za izračunavanje radiokomunikacijskih vodova uvodi se koncept faktora prigušenja δ: $$ \ begin (jednadžba) \ delta = \ frac (P_A) (P_ (ef)) = \ frac (A_ (eff.pr) A_ (eff) .per)) (\ lambda ^ 2 (r ^ 2)) \ end (jednadžba) \ oznaka (2.158) $$ gdje je P A je snaga koju prima prijemna antena koja ima efektivno područje otvora A eff pr; P rad - snaga koju zrači odašiljačka antena s efektivnim područjem otvora A eff traka; r- udaljenost između odašiljačke i prijemne antene, m; λ - valna duljina, m.
Formula (2.158) je dobivena pod pretpostavkom da antene nemaju gubitaka, da su orijentirane jedna prema drugoj na najbolji način, a također i pod uvjetom da je udaljenost između njih $$ \ begin (jednadžba) r \ geq \ frac ( 2d ^ 2) (\ lambda ) \ kraj (jednadžba) \ oznaka (2.159) $$ gdje je d- najveća linearna veličina antene; λ je valna duljina.
U slučaju kada se radio val širi blizu površine zemlje, može se pojaviti i reflektirani val, osim izravnog. Rezultat interakcije ova dva vala je promjena vrijednosti δ, izračunate po formuli (2.158). Stvarna vrijednost faktora prigušenja δ P varira unutar 0< δ р < 4δ.
Nastavimo s primjerima.
Snaga zračenja odašiljajuće poluvalne dipolne antene P rad = 20,1 W. Potrebno je izračunati snagu raspršenu u usklađenom opterećenju prijamne antene na R 0 = 73 Ohma i pod uvjetom da A eff po = 16,5 m 2, A eff pr = 0,13 m 2 i λ = 2 m.
1. Koristeći formulu (2.158), nalazimo $$ 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 $$
2. Napon na izlaznim stezaljkama antene $$ U = \ sqrt (P_ (A) R_ (0)) = \ sqrt (43 \ cdot (10 ^ (- 10)) \ cdot (73)) = 0,53 \ cdot (10 ^ (- 3)) U $$.
Skrenimo pozornost čitatelju na činjenicu da se ponekad snaga izražava u decibelima, dok razina od 0 dB odgovara snazi od 1 W.
Ako R rad = 20,1 W ili R rad = 10 lg 20,1 = +13 dB / W, tada 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. No na njezino stvaranje potaknula je mala knjiga "Mass Radio Library" objavljena 1964., kao prijevod knjige O. Kronegera u DDR-u 1961. godine. Unatoč tolikoj starini, to je moja referentna knjiga (zajedno s nekoliko drugih priručnika). Mislim da vrijeme nema moć nad takvim knjigama, jer su temelji fizike, elektrotehnike i radiotehnike (elektronike) nepokolebljivi i vječni.
Osnovni parametri odašiljačkih antena
| Otpor na zračenje povezuje izračenu snagu iz antene sa strujom koja dovodi antenu |
|
R Σ = P Σ / I a |
| Ovdje P Σ snaga koju zrači antena, W; Otpornost Riz zračenja, ohm; Ia je efektivna vrijednost struje, a. Veličina R Σ ovisi o antenskom čipu, njegovim dimenzijama (u odnosu na valnu duljinu) i točki spajanja napojnog fidera. U općem slučaju, otpornost na zračenje je složene prirode, tj. osim aktivne komponente, ima i reaktivni Xyz. Impedancija antene R A je zbroj otpora zračenja R Σ i gubitke otpora Rn |
|
R A = R Σ + R str |
| Učinkovitost antene η Omjer snage zračenja i isporučene |
|
η = R Σ / (R Σ + R p) |
| K. p. D. Od većine vrsta uklopljeno odašiljačke antene su blizu jedinice. |
| Uzorak zračenja antene Ovisnost jakosti polja u udaljenoj točki o smjeru. Obično se uzorak zračenja uzima u dvije ravnine - horizontalnoj i vertikalnoj. Za procjenu usmjerenosti antene u bilo kojoj ravnini koristi se koncept širine uzorka zračenja, što znači širinu glavnog režnja, mjerenu na razini od 0,7 jakosti polja (ili na razini od 0,5 snage). Faktor usmjerenog djelovanja (usmjerenost) antene D- broj koji pokazuje koliko se puta mora povećati snaga odašiljača da bi se dobila ista jakost polja u točki koja se nalazi na određenoj udaljenosti u smjeru maksimalnog zračenja korištenjem svesmjerne antene. Usmjerenost je nedvosmisleno određena prostornim uzorkom zračenja antene. Ako je poznata širina uzorka zračenja antene u horizontalnoj i okomitoj ravnini, tada se usmjerenost nalazi sljedećom približnom formulom: |
|
D = 41253 / F 0 θ 0 |
| gdje: F 0- usmjerenost antene u horizontalnoj ravnini, ° θo- usmjerenost antene u okomitoj ravnini, °. Pojačanje snage antene G je proizvod LPC-a i učinkovitosti i u potpunosti karakterizira pojačanje snage koje antena daje u usporedbi s neusmjerenim idealnim radijatorom (bez gubitaka) - |
| Frekvencijski odziv antene i širina pojasa karakteriziraju sposobnost antene da radi u frekvencijskom rasponu. Frekvencijska karakteristika je ovisnost struje koja napaja antenu o frekvenciji, a širina pojasa je frekvencijski raspon u kojem struja ne pada ispod 0,7 svoje maksimalne vrijednosti. |
Parametri prijemne antene |
| Efektivna visina hd
Iznos s kojim trebate pomnožiti jakost električnog polja u točki prijema da biste dobili em. itd. koje je razvila antena. hd ovisi o vrsti antene i njezinim relativnim dimenzijama (u odnosu na valnu duljinu). Fizički, hd je jednaka visini zamišljene antene, koja ima istu sposobnost primanja radio valova kao i prava antena, ali u kojoj struja cijelom dužinom ima konstantnu vrijednost jednaku struji u antičvoru stvarnog antena I Ap(Sl. 1). Prikladno je koristiti koncept "učinkovite visine" pri izračunavanju antena s jednom vibracijom duljine ne veće od λ / 4. Učinkovito područje antene Aeff određuje onaj dio prednjeg područja ravnog vala s kojeg antena preuzima energiju. Koncept efektivne površine koristi se pri proračunu multivibratorskih i drugih složenih antena (ovaj koncept se također može primijeniti na antenu s jednim vibratorom). |
|
Sl. 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 s 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. Uzorak smjera Ovisnost emf S. antene iz smjera dolaska vala. Širina uzorka zračenja je kut unutar kojeg se e. itd. sa. antena ne pada ispod 0,7 svoje maksimalne vrijednosti. Učinkovitost η A Omjer snage primljene od antene prema snazi koju antena primi od elektromagnetskog vala. 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 svesmjerne antene iste učinkovitosti. Veličina usmjerenosti u potpunosti je određena prostornim uzorkom zračenja antene. Pojačanje snage antene G Broj koji pokazuje koliko je puta snaga uzeta iz antene veća od snage koja bi se pod istim uvjetima mogla uzeti od svesmjerne antene bez gubitka. Što se tiče odašiljačke antene, |
|
G = η Av D |
| Ulazna impedancija antene Z A
Impedancija antene na radnoj frekvenciji na mjestima spajanja. Općenito Z A(kao i otpornost na zračenje odašiljačke antene) ima i aktivnu i reaktivnu komponentu. 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, učinkovitost, uzorak zračenja itd.). To pretpostavlja da je način povezivanja antene očuvan. |
Vibrirajuće antene |
| Osnovni podaci jednostavnih dipolnih antena dati su u tablici. IX.1. Antena s valnim kanalom sastoji se od aktivnog vibratora, reflektora i nekoliko usmjerivača. Ima veliku usmjerenost duž osi (u smjeru od aktivnog vibratora prema direktorima). |
 |
|
Riža. 2 Antena tipa "valni kanal". |
| Preporučene veličine vibratora i razmaci između njih prikazani su na sl. 2. Konačno dimenzioniranje se vrši eksperimentalno. Kako bi se smanjila veličina, dva prednja direktora mogu se isključiti. Povećanje broja direktora iznad toga je neučinkovito. Koeficijent usmjerenja antene "valnog kanala" određuje se približnom formulom |
| gdje n- broj direktora. |
Okvirne antene |
| Okvirna antena (slika IX.3) je ravna zavojnica proizvoljnog presjeka. Obično je ukupna duljina žice okvirne antene kratka u usporedbi s valnom duljinom |
| Ovdje: n- broj zavoja okvira; l w- duljina jednog okreta. U ovom slučaju, uzorak zračenja ne ovisi o obliku poprečnog presjeka okvira i ima oblik prikazan na Sl. 4. |
 |
|
Riža. 4. Dijagram usmjerenja okvirne antene. |
| Kada radite na recepciji e. d. s., vođen na okviru, jednak je: |
|
e = (n S / λ) 2π cos φE |
| gdje: e- e. d. stranica, vođena okvirom, u; S- površina okvira, m 2; λ - valna duljina, m; E- jačina polja, V / m; φ je kut između smjera prijema i ravnine okvira, °, n je broj zavoja. |
| Otpornost na zračenje okvirne antene: R Σ = 31200 (nS / λ 2) 2 ohma |
| Obično R Σ vrlo mala, pa je stoga niska učinkovitost sustava. Okvirna antena se obično koristi samo za prijem. |
Prijamne feritne antene |
| Feritne antene se široko koriste u malim LW i MW radio prijemnicima, a također se koriste u HF i VHF pojasevima. Feritna antena se sastoji od feritne šipke na koju je postavljena zavojnica antene koja djeluje kao induktivna grana ulaznog kruga. U principu, ferditna antena je magnetska, slična petljnoj anteni. Učinkovitost LW i MW feritne antene usporediva je sa štapom duljine 1-2 m. Feritna antena ima istu usmjerenost kao i okvirna antena (vidi sliku 4). Proračun i projektiranje feritne antene... Izbor razreda ferita vrši se u skladu s frekvencijskim rasponom: |
| DV μ = 1000-2000; SV μ = 600-1000; KB μ = 100-400; VHF μ = 10-50. |
| Žica - jednožilna ili litz žica (na CB). Tip namota je obično jednoredni čvrsti (okret do okreta). Trebate težiti maksimalnom Q-faktoru zavojnice antene, jer to određuje učinkovitost feritne antene. Ulazni napon |
| Ovdje: e- e. d. s., usmjeren u antenu; P- faktor kvalitete antenskog kruga, Usklađivanje antene s ulazom prvog stupnja prijemnika obično se provodi djelomičnim uključivanjem antenskog kruga na ulazu žarulje i spojkom zavojnice na ulazu tranzistora. Induktivna spojka je fleksibilnija jer se pomicanjem zavojnice spojke spojka 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 raspona, MHz; Cn- minimalni kapacitet petlje, pF. |
 |
|
Riža. 6. Feritna antena. |
| Za najjednostavniji jednosječni antenski svitak, broj zavoja je: |
|
ω = (L k / L "d k μ k) 1/2 |
| Faktor oblika L " ovisi o omjeru duljine svitka i njegovog promjera (slika 7). Koeficijent μ do definiran kao proizvod četiri empirijska koeficijenta |
|
μ k = μ s m L p L q L |
|
m L - ovisi o omjeru duljina zavojnice i jezgre i određuje se prema grafikonu prikazanom na sl. osam; p L - ovisi o položaju svitka na štapu i određuje se prema grafikonu prikazanom na sl. 9; q L - je omjer kvadrata promjera feritne šipke i zavojnice: q L = d 2 / d 2 k ; μ s -efektivna magnetska propusnost feritne šipke, ovisno o početnoj magnetskoj propusnosti ferita μ n te dimenzije štapa (slika 10). |
| Za određivanje koeficijenata t L , p L i L " potrebno je prije svega postaviti duljinu zavojnice koja je određena umnoškom promjera žice nepoznatim brojem zavoja. Stoga se izračun vrši uzastopnim aproksimacijama. |
Osnovne formule koje opisuju parametre dipolnih antena
| Vrsta antene | Raspodjela struje antene | Faktor usmjerenja | Formule za određivanje | ||
| efektivna visina | otpornost na zračenje, ohm |
jakost 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 kontakt ( l<λ/4
) bez posude na kraju |
 |
0,75 | hd = 0,5l | R Σ = 10π 2 (l / λ) 2 | E = 4,75 × P 1/2 / r |
| Poluvalni 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 |
| Vibrator poluvalne petlje |
 |
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 |
|||||
