L'area effettiva dell'antenna è l'area di un'antenna piatta equivalente con una distribuzione ampiezza-fase uniforme e una direttività massima (direttività) pari alla direttività dell'antenna in questione. Da questa zona, l'antenna diretta alla sorgente del segnale assorbe l'energia della radiazione elettromagnetica incidente. Per comodità di spiegazione, considerare l'area effettiva dell'antenna ricevente. Potenza assorbita dall'antenna P definito come
P = P D UN
Qui P d- la densità di flusso di potenza (potenza specifica per unità di superficie) dell'energia elettromagnetica incidente e UN- area di apertura (area geometrica) dell'antenna. Guadagno dell'antenna G direttamente proporzionale all'area geometrica dell'antenna UN... Può essere aumentato focalizzando la radiazione in una sola direzione e diminuendo la radiazione in tutte le altre direzioni. Pertanto, minore è la larghezza del raggio, maggiore è il guadagno dell'antenna. La relazione tra il guadagno dell'antenna e la sua area è espressa dalla formula, che include anche l'efficienza dell'antenna:
Qui λ - lunghezza d'onda e η - Efficienza dell'antenna, che è sempre inferiore a uno:
Qui un e- l'area effettiva (apertura) dell'antenna, definita come l'area fisica dell'antenna moltiplicata per l'efficienza dell'antenna. Se l'efficienza dell'antenna è 1 (o 100%), significa che tutta l'energia fornita dal trasmettitore all'antenna trasmittente viene irradiata nello spazio. Se questa è un'antenna ricevente, quindi con un'efficienza dell'unità, tutta l'energia ricevuta dall'antenna entra nel ricevitore. Tuttavia, in pratica, parte dell'energia viene sempre persa sotto forma di energia termica, che viene spesa per riscaldare gli elementi strutturali dell'antenna e dell'alimentatore.
Sostituzione del prodotto dell'area con efficienza Aη sull'area effettiva un e, noi abbiamo:
Questa formula viene utilizzata in questa calcolatrice. Si può vedere da esso che per una data area effettiva dell'antenna, il suo guadagno aumenta con il quadrato della lunghezza d'onda, oa lunghezza d'onda costante, il guadagno dell'antenna è direttamente proporzionale alla sua area effettiva. Si noti che per antenne ad apertura come antenne a tromba o paraboliche, l'area effettiva è correlata all'area geometrica ed è sempre inferiore a quest'area. Tuttavia, per le antenne filari (ad esempio dipoli bilanciati e asimmetrici, antenne a canale d'onda), l'area effettiva è solitamente molto (a volte decine di volte) più grande dell'area fisica dell'antenna.
Guadagno di potenza dell'antenna (KU) G Solitamente indicato semplicemente come guadagno, è il rapporto tra la potenza irradiata di un'antenna direzionale e la potenza irradiata da un'antenna omnidirezionale ideale con la stessa potenza applicata agli ingressi di entrambe le antenne. Il guadagno è un valore adimensionale, ma più spesso è espresso in decibel (dB, rapporto di potenza) o decibel isotropi (dBi, dBi, anche rapporto di potenza). Il decibel isotropico si riferisce al guadagno di un'antenna rispetto a un'antenna isotropica ideale che irradia energia in modo uniforme in tutte le direzioni.
Ad esempio, determiniamo l'area effettiva del telescopio russo RT-70, che si trova in Crimea non lontano da Evpatoria.
Guadagno dell'antenna G= 69,5 dBi o 9.000.000.
Diametro dell'antenna D= 70 metri.
Frequenza di lavoro F= 5,0 GHz (6 cm).
Area geometrica dell'antenna A = D²/4 = 70²/ 4 = 3848 mq. Allo stesso tempo, la sua area effettiva è
Come possiamo vedere, l'area effettiva è solo il 67% dell'area geometrica dell'antenna.
Ora calcoliamo l'area effettiva di un'antenna "canale d'onda" a 5 elementi (chiamata anche dai nomi degli inventori giapponesi Antenna Yagi-Uda, antenna Uda-Yagi o semplicemente antenna Yagi), funzionante a una frequenza di 500 MHz e con un guadagno di 40 dBi, che corrisponde a un guadagno adimensionale di 10. La lunghezza dell'elemento attivo è leggermente inferiore alla metà della lunghezza d'onda 0,5λ = 30 cm, dove λ = 60 cm è la lunghezza d'onda.
Diametro di un cerchio con un'area di 0,28 mq. m è definito come
Cioè, per un elemento attivo lungo circa 0,5λ = 30 cm, otteniamo un cerchio con un diametro di 60 cm (più precisamente, un'ellisse).
Quando si calcolano i sistemi di comunicazione radio che trasmettono un segnale in linea di vista tramite canali a microonde e satellitari, il progettista del sistema deve tenere in considerazione in particolare le dimensioni delle antenne del trasmettitore e del ricevitore, la potenza trasmessa e l'SNR richiesto per raggiungere il livello desiderato di qualità alla velocità di trasmissione dati richiesta.
Il calcolo del sistema è relativamente semplice ed è mostrato di seguito.
Iniziamo con un'antenna trasmittente che irradia isotropicamente in uno spazio aperto a un livello di potenza come mostrato in Fig. 5.5.2. La densità di potenza alla distanza dall'antenna è (W/m).
Riso. 5.5.2. Antenna radiante isotropica
Se l'antenna trasmittente ha selettività in una particolare direzione, la densità di potenza in quella direzione aumenta. Il guadagno è chiamato guadagno dell'antenna ed è indicato. In questo caso, la densità di potenza a distanza è 
... Il prodotto è comunemente indicato come potenza irradiata effettiva (EMP, ERP o EIRP), che è essenzialmente la potenza irradiata relativa all'antenna isotropica per la quale.
L'antenna ricevente, orientata nella direzione della potenza irradiata, raccoglie una frazione della potenza che è proporzionale alla sua area di sezione trasversale.
Pertanto, la potenza ricevuta dall'antenna può essere espressa come segue:
dove è l'area effettiva dell'antenna. Dalla teoria del campo elettrico si ricava la relazione fondamentale tra il guadagno dell'antenna ricevente e la sua area effettiva:
dove è la lunghezza d'onda del segnale trasmesso, è la velocità della luce (m/s), è la frequenza del segnale trasmesso. Se sostituiamo (5.5.5) in (5.5.4), otteniamo un'espressione per la potenza ricevuta nella forma
(5.5.6)
Fattore
chiamata perdita di spazio libero. Se si riscontrano altre perdite durante la trasmissione del segnale, come le perdite nell'atmosfera, è possibile tenerne conto introducendo, ad esempio, un fattore di perdita aggiuntivo. Pertanto, la potenza ricevuta può in definitiva essere scritta come segue:
(5.5.8)
Come notato sopra, le caratteristiche più importanti di un'antenna sono il suo guadagno e la sua area effettiva. Di solito dipendono dalla lunghezza d'onda della potenza irradiata e dalle dimensioni fisiche dell'antenna. Ad esempio, un'antenna parabolica con un diametro ha un'area effettiva
dove è l'area fisica, ed è l'indicatore dell'efficacia dell'irradiazione, che è nell'area. Pertanto, il guadagno di un'antenna parabolica di diametro è
(5.5.10)
Come secondo esempio, prendiamo un'antenna a tromba con un'area di. Ha un indice di efficienza di 0,8, un'area effettiva e un guadagno dell'antenna di
Un altro parametro correlato al guadagno dell'antenna (direttività) è la larghezza del raggio, che designeremo. È illustrato graficamente nella Figura 5.5.3.
Figura 5.5.3. Larghezza del fascio dell'antenna (a) e diagramma di radiazione (b)
Tipicamente, l'ampiezza del raggio viene misurata attraverso l'ampiezza del raggio a -3 dB dal suo picco. Ad esempio, un'ampiezza di fascio di -3 dB di un'antenna parabolica è approssimativamente uguale a
(5.5.12)
quindi è inversamente proporzionale. Ciò significa che dimezzare l'ampiezza del fascio, ottenuta raddoppiando il diametro, aumenta il guadagno dell'antenna di circa 4 volte (di 6 dB).
Sulla base delle relazioni generali per l'intensità del segnale ricevuto fornite da (5.5.8), il progettista dell'antenna può calcolare dai dati di guadagno dell'antenna e dalla distanza tra trasmettitore e ricevitore. Tali calcoli vengono generalmente eseguiti in termini di potenza come segue:
Esempio 5.5.2. Supponiamo che ci sia un satellite in orbita geostazionaria (36.000 km sopra la superficie terrestre) che emette energia, ad es. 20 dB re 1 W (20 dBW). L'antenna trasmittente ha un guadagno di 17 dB, quindi 
... Supponiamo inoltre che la stazione di terra utilizzi un'antenna parabolica da 3 m e che il downlink funzioni a 4 GHz. Rapporto di efficienza. Sostituendo questi valori nella (5.5.10), si ottiene il valore di guadagno dell'antenna di 39 dB. Perdita di spazio di testa, nessun'altra perdita conta. Pertanto, la potenza del segnale ricevuto
o equivalente
Per completare il calcolo delle risorse di linea bisogna considerare anche l'effetto del rumore additivo lato ricezione. Rumore termico che si verifica nel ricevitore e ha all'incirca la stessa densità spettrale di potenza fino a frequenze di Hz, pari a
W/Hz, (5.5.14)
dove è la costante di Boltzmann ( 
), ed è la temperatura del rumore in Kelvin. Pertanto, la potenza del rumore totale nella larghezza di banda del segnale è.
Guadagno dell'antenna
Consideriamo ora come le proprietà direzionali dell'antenna influenzino il valore dell'intensità del segnale nel punto di ricezione.
Lascia che a un certo punto UN si trova un'antenna trasmittente omnidirezionale, che in un punto lontano V crea un segnale MI 1(fig.7). Il diagramma di radiazione di tale antenna nel piano del disegno sarà un cerchio. Se i segnali emessi dall'antenna UN, sarà accettato solo E punto V, quindi l'energia irradiata in tutte le direzioni diverse dalla direzione al punto V, sarà sprecato, poiché al punto V lei non colpirà.
Mettere al punto UN antenna direzionale diretta dalla massima radiazione verso un punto V, noi, senza cambiare la potenza del trasmettitore, aumenteremo il segnale nel punto V a causa dell'energia che prima veniva inutilmente irradiata in altre direzioni.
Quindi, per il corrispondente situato nel punto V, un'antenna direzionale avrà guadagno su un'antenna omnidirezionale.
Pertanto, le proprietà direzionali delle antenne, oltre ai modelli direzionali, sono caratterizzate da una delle due quantità: fattore di azione direzionale (abbreviato in KND) o guadagno (abbreviato in K a).
Il guadagno dell'antenna K a è uguale al prodotto della moltiplicazione del suo fattore di azione direzionale (fattore di direttività) per il fattore di efficienza (COP):
K a = KND · rendimento.
Per un'antenna ideale priva di perdite (efficienza = 1), i valori di K a e direttività coincidono.
Poiché K a caratterizza in modo più completo l'antenna dal lato dell'energia, di solito viene utilizzata più spesso nella pratica.
Il guadagno dell'antenna è un valore relativo, che è uguale al quadrato del rapporto tra le intensità di campo create nel punto di ricezione, a parità di altre condizioni, questa antenna e un'altra antenna prese come standard. In altre parole, il guadagno mostra di quante volte la potenza in ingresso deve essere ridotta se l'antenna standard viene sostituita con questa antenna, mantenendo inalterata l'intensità del segnale ricevuto.
Alle frequenze ultraelevate, per comodità, il cosiddetto radiatore isotropico viene spesso considerato un'antenna "standard", che si irradia uniformemente in tutte le direzioni. La caratteristica di direttività spaziale di questa antenna dovrebbe essere sotto forma di una palla. Tuttavia, una tale antenna non esiste realmente. L'antenna più semplice utilizzata nella pratica - un vibratore a semionda - ha già proprietà direzionali: la sua caratteristica direzionale spaziale ha la forma di un toro (Fig. 8). Questa figura mostra il caso in cui l'asse del vibratore coincide con l'asse 0Z.
Dalla fig. 8, in cui viene rimosso per chiarezza un quarto del toro, si vede che il diagramma direzionale di un vibratore a semionda in un piano perpendicolare al suo asse (piano equatoriale) ha la forma di un cerchio, cioè il vibratore non è direzionale in questo piano.
In tutti gli altri piani passanti per l'asse del vibratore (per l'asse OZ), i modelli di radiazione hanno la forma di una cifra di otto, cioè nella direzione dell'asse del vibratore c'è uno zero del modello di radiazione.
I calcoli mostrano che rispetto a un'antenna omnidirezionale, il guadagno di un vibratore a semionda è G λ / 2 = 1,64.
Notiamo, andando un po' più avanti, che i guadagni di molte antenne usate alle frequenze ultraelevate raggiungono le mille o anche diverse migliaia.
Per antenne con lobi laterali insignificanti, il valore approssimativo del guadagno dell'antenna può essere calcolato dagli angoli di apertura noti del lobo principale del diagramma di radiazione nei piani verticale e orizzontale:
G @ 35000 / 0 Ф 0 (5)
dove θ 0 e Ф 0 sono la larghezza del lobo principale in gradi tra i punti del valore di metà potenza, misurati rispettivamente nei piani verticale e orizzontale.
Dalla formula (5) si vede che K dell'antenna è inversamente proporzionale al prodotto degli angoli di apertura del lobo principale e, quindi, antenne di uguale guadagno in guadagno avranno gli stessi prodotti degli angoli di apertura. Quindi, ad esempio, due antenne, una delle quali ha 0 = 1,5 ° e 0 = 20 °, e l'altra ha θ 0 = 5 ° e 0 = 6 °, avranno lo stesso guadagno, nonostante la loro forte differenza .caratteristiche spaziali della direttività.
L'esempio fornito mostra che la conoscenza di un solo valore K è ancora insufficiente per caratterizzare le proprietà direzionali di una particolare antenna.
Guadagno G l'antenna e il suo diagramma di radiazione dipendono dalle dimensioni geometriche del foro radiante, ovvero:
G = 4p · S eff / 2 (6)
dove S eff è l'area effettiva dell'apertura radiante dell'antenna;
2 - il quadrato della lunghezza d'onda nelle stesse unità di S,
In letteratura, soprattutto straniera, il guadagno è spesso espresso in decibel, cioè al posto del valore G. data dalla formula (6), dare il suo logaritmo decuplicato:
G | db | = 10 log (4p S eff / λ 2) (7)
Nella fig. 9, le dipendenze (6) e (7) sono presentate da un grafico, su cui viene tracciato orizzontalmente il valore dell'area effettiva dell'apertura radiante in lunghezze d'onda quadrate S eff / λ 2 e l'entità del fattore di amplificazione è dato lungo la verticale a sinistra G.
Scala aggiuntiva a destra in Fig. 9 fornisce i corrispondenti valori di guadagno in decibel.
Per le antenne riceventi, l'entità del guadagno è talvolta espressa attraverso la cosiddetta superficie di assorbimento Q eff.
G = 4p Q eff / λ 2 (8)
A causa della "reversibilità" dell'antenna, il suo guadagno rimane lo stesso sia in trasmissione che in ricezione, quindi Q eff = S eff
Viene chiamato il rapporto tra l'area effettiva dell'apertura radiante S eff e la S r geometrica tasso di utilizzo della superficie(abbreviato come strumentazione) dell'apertura radiante o apertura dell'antenna ed è indicato dalla lettera γ.
γ = S eff / S r = Q eff / Q g (9)
Il valore massimo di è uguale all'unità, che si ottiene solo quando si forma un'onda elettromagnetica piana con la stessa distribuzione (uniforme) delle ampiezze nell'apertura dell'antenna.
figura 9. Grafico del guadagno dell'antenna
dalle dimensioni del suo foro radiante.
Nelle antenne reali, vuoi per la deviazione dell'onda da quella piana, vuoi per le difficoltà nell'ottenere una distribuzione uniforme delle ampiezze di campo nell'apertura dell'antenna, il coefficiente γ risulta essere inferiore a uno.
L'antenna ricevente capta le onde radio libere e le converte in onde accoppiate che vengono alimentate attraverso un alimentatore al ricevitore. In accordo con il principio della reversibilità dell'antenna, le proprietà di un'antenna che funziona in modalità di trasmissione non cambiano quando l'antenna funziona in modalità di ricezione.
L'antenna trasmittente converte l'energia delle correnti ad alta frequenza generate dal trasmettitore in energia di onde radio libere e la distribuisce in un certo modo nello spazio. L'antenna ricevente converte l'energia delle onde radio libere provenienti da determinate direzioni rispetto ad essa nell'energia delle correnti ad alta frequenza agli elementi di ingresso del dispositivo ricevente.
Un trasmettitore radio con antenna, un mezzo di propagazione delle onde radio e un ricevitore radio con antenna formano un sistema di comunicazione radio (collegamento radio). L'elemento di collegamento qui è l'ambiente, un'area dello spazio (percorso radio) in cui si propagano le onde radio.
Insieme al segnale utile, l'antenna ricevente può essere influenzata da segnali estranei - interferenze. L'affidabilità del passaggio delle onde radio che trasportano un segnale utile, “e il percorso dalle antenne trasmittenti a quelle riceventi determina la stabilità del collegamento radio.
Le onde radio possono propagarsi nell'atmosfera, lungo la superficie terrestre, nella massa terrestre e nello spazio. In un mezzo omogeneo (o debolmente disomogeneo), le onde radio si propagano lungo traiettorie diritte (o quasi). Queste sono onde radio dirette. Con il loro aiuto, è possibile effettuare comunicazioni radio solo in presenza di visibilità geometrica diretta tra le antenne dei corrispondenti.
La portata della linea di vista è limitata dalla sfericità della terra e dall'irregolarità del suo rilievo. In assenza di una linea di vista diretta, le onde radio raggiungono il punto di ricezione a causa della diffrazione, riflessione e diffusione delle onde radio. Questi “fenomeni sono causati dall'influenza della superficie terrestre, dalle disomogeneità della troposfera e della ionosfera.
Sul percorso dell'onda, la sua energia viene assorbita nella terra semiconduttrice. A ciò si aggiunge l'attenuazione dell'onda dovuta alla diffrazione causata dalla presenza di ostacoli nel percorso della sua propagazione.
Nella gamma VHF, per ridurre le perdite nel terreno e aumentare la "linea di vista", le antenne sono installate su pali (pali). La troposfera influisce sulla gamma di propagazione VHF. In alcune condizioni meteorologiche, appaiono regioni che forniscono VHF propagazione su distanze considerevoli.
Le condizioni "propagazione delle onde radio, presenza di disturbi, potenza del trasmettitore, efficienza dell'antenna, qualità degli alimentatori, ecc., determinano l'affidabilità del collegamento radio e rendono il compito multiparametrico.
Il flusso del vettore Umov - Poynting dell'antenna trasmittente a distanza R da esso è determinato dalla formula $$ \ begin (equazione) p = p_ (n) G = G \ frac (P_ (out)) (4 \ pi (r ^ 2)) \ end (equation) \ tag (2.142 ) $ $
La potenza intercettata dall'antenna dipende da un parametro come l'area dell'apertura dell'antenna (apertura). Per comprendere meglio questo termine, immaginate l'antenna ricevente sotto forma di un'antenna a tromba, sulla quale incide un'onda piana (Fig. 2.57). Se questa antenna potesse assorbire tutta la potenza incidente sulla sua apertura (apertura), allora la potenza ricevuta dall'antenna sarebbe $$ \ begin (equazione) P = pA \ end (equazione) \ tag (2.143) $$
Un'onda elettromagnetica incidente sull'apertura dell'antenna eccita nell'antenna con un'impedenza di ingresso Z A = R A + io E la forza elettromotrice V... Una parte della potenza dell'antenna ricevuta viene trasmessa a un ricevitore con un'impedenza di ingresso Z 0 =R 0 +iX 0 (fig.2.58). Quindi la corrente che fluisce nel ricevitore collegato all'antenna $$ \ begin (equation) I_A = \ frac (V) (Z_0 + Z_A) \ end (equation) \ tag (2.144) $$ e la potenza rilasciata nel ricevitore is $$ \ begin (equazione) P_0 = I_A ^ 2R_0 = \ frac (V ^ 2R_0) (\ left (R_A + R_0 \ right) ^ 2 + \ left (X_A + X_0 \ right) ^ 2) \ end (equazione ) \ tag (2.145) $$
È abbastanza facile dimostrare che la massima potenza rilasciata nel ricevitore corrisponde alla condizione di adattamento di impedenza, secondo la quale R A = R 0 e - X A = X 0 .
Introduciamo il concetto area di apertura effettiva, con cui intendiamo il rapporto tra la potenza che entra nel ricevitore R 0, alla densità di potenza R incidente sull'apertura dell'antenna: $$ \ begin (equazione) A_ (eff) = \ frac (P_0) (p) \ end (equazione) \ tag (2.146) $$
Per un'antenna senza perdite ( R n = 0) secondo la formula (2.136) R A = R fuori Quindi, con completo accordo, cioè con R 0 =R da l otteniamo la formula per il valore massimo dell'area di apertura effettiva $$ \ begin (equation) A_ (eff \; max) = \ frac (V ^ 2) (4pR_ (izl)) = \ frac (I_A ^ 2R_0) (p) \ fine (equazione) \ tag (2.147) $$
Tavolo 2.4 mostra i valori UN eff max per alcuni tipi di antenne.
Per le antenne reali, il valore UN eff max è sempre inferiore all'area fisica dell'apertura dell'antenna. Per stimare l'area effettiva dell'apertura dell'antenna, viene introdotto il concetto del fattore di utilizzo della superficie dell'apertura, che è uguale al rapporto tra l'area effettiva dell'apertura dell'antenna e l'area fisica dell'apertura : $$ \ inizio (equazione) K_ (ip) = \ frac (A_ (eff)) (A_ ( f)) \ fine (equazione) \ tag (2.148) $$
Il valore massimo del fattore di utilizzazione della superficie di apertura raggiunge (per antenne ideali) il valore K un = 1. Per antenne molto buone, il valore del fattore di utilizzazione della superficie raggiunge valori di 0,7 ... 0,8.
Attuale io A in un'antenna con resistenza alle radiazioni R A è una sorgente di un'onda riemessa con una potenza $$ \ begin (equation) P_ (ras) = I_A ^ 2R_A \ end (equation) \ tag (2.149) $$
Il rapporto tra la potenza ri-irradiata dall'antenna e la densità di potenza incidente sull'apertura dell'antenna R, determina l'area di riemissione (apertura di diffusione) UN razze: $$ \ inizio (equazione) A_ (razze) = \ frac (P_ (razze)) (p) = \ frac (V ^ 2R_A) (\ sinistra (R_A + R_0 \ destra) ^ 2 + \ sinistra (X_A + X_0 \ destra) ^ 2) \ fine (equazione) \ tag (2.150) $$
Per un'antenna a gabbia di scoiattolo completamente adattata al campo incidente, UN gare = UN eff max. Con mancata corrispondenza dell'antenna $$ \ begin (equation) \ alpha_ (races) = \ frac (A_ (races)) (A_ (eff \; max)) \ end (equation) \ tag (2.151) $$ e α races ≤ 1 ...
Se la resistenza alla perdita R n> 0, quindi parte dell'energia viene rilasciata nell'antenna sotto forma di energia termica. Puoi introdurre il concetto di area delle perdite $$ \ begin (equation) A_ (n) = \ frac (I_A ^ 2R_n) (p) \ end (equation) \ tag (2.152) $$
Ora l'apertura totale $$ \ begin (equazione) A _ (\ sum) = A_ (eff) + A_ (ras) + A_ (n) = \ frac (I_A ^ 2) (p \ left (R_0 + R_ (izl ) + R_ (n) \ destra)) \ fine (equazione) \ tag (2.153) $$
Nella fig. 2.59 mostra i grafici della dipendenza dei singoli componenti UN n e apertura totale UN dal rapporto delle resistenze R 0 /R fuori
Esiste una classe di antenne ad apertura. Tali antenne includono antenne paraboliche (qui l'apertura è l'apertura dello specchio), antenne a tromba (l'apertura è l'apertura del corno), ecc.
L'unità di misura per l'area di apertura può essere metro quadrato o 2.
Il coefficiente di utilizzo della superficie di apertura è determinato dalla formula (2.148).
Per la classe delle antenne ad apertura K e n< 1, но для некоторых типов антенн значение этой величины может и превышать 1. К последним относятся антенны поверхностной волны и большинство проволочных антенн.
Il rapporto tra l'area di apertura effettiva UN eff, fattore direzionale D e la durata della guerra λ è scritta come la relazione $$ \ begin (equation) A_ (eff) = \ frac (\ lambda ^ 2D) (4 \ pi) \ end (equation) \ tag (2.154) $$
Nella fig. 2.60 mostra i grafici della dipendenza UN eff ( D, ). La relazione tra UN eff e l'ampiezza del diagramma di radiazione in due Piani α E e α H possono essere impostati utilizzando la formula (2.128).
L'antenna ricevente, che assorbe la potenza del campo elettromagnetico quando un'onda elettromagnetica è incidente su di essa, è una sorta di schermo per le onde radio. Nella fig. 2.61 è un'illustrazione schematica della distribuzione del campo dietro l'antenna ricevente.
Si può vedere dalla figura che immediatamente dietro l'antenna ricevente, l'intensità del campo elettromagnetico diminuisce.
Per un dipolo a semionda, l'area di apertura effettiva è un'ellisse (Fig. 2.62) con un asse maggiore UN E = 3λ / 4 e asse minore UN H = / 4.
Per le antenne ad onde di superficie, ad esempio l'antenna Uda-Yagi, il rapporto tra le dimensioni lineari dell'apertura effettiva e le larghezze del diagramma di radiazione dell'antenna nei due piani principali α E e α H è fissato dalle relazioni $$ \ inizio (equazione) A_E = 2 \ sqrt (\ frac (A_ (eff) \ alpha_E) (\ pi \ alpha_H)) \ fine (equazione) \ tag (2.155) $$ $$ \ inizio (equazione) A_H = 2 \ sqrt (\ frac (A_ (eff) \ alpha_H) (\ pi \ alpha_E)) \ end (equation) \ tag (2.156) $$
Se due o più antenne elementari si trovano vicine l'una all'altra (ad esempio, una sopra l'altra, Fig. 2.63), allora per ridurre le perdite di guadagno del sistema di antenne risultante, è necessario che le aree di apertura effettiva del gli elementi parziali dell'antenna non si sovrappongono. In questo caso, è più opportuno disporre gli elementi del sistema d'antenna in modo tale che i bordi delle aree effettive parziali dell'apertura siano in contatto tra loro.
Per una serie di emettitori di radiazioni trasversali (Fig. 2.64), le dimensioni lineari dell'area di apertura effettiva di un elemento sono calcolate dalle formule $$ \ begin (equazione) A_E = \ sqrt (\ frac (A_ (eff) \ alpha_E) (\ alpha_H)) \ end ( equazione) \ tag (2.157а) $$ $$ \ begin (equation) A_H = \ sqrt (\ frac (A_ (eff) \ alpha_H) (\ alpha_E)) \ end (equazione) \ tag (2.157b) $$
Il confronto delle formule (2.156) e (2.157) mostra che in quest'ultimo caso, le dimensioni lineari dell'area di apertura effettiva sono inferiori di circa il 12% rispetto a quando si utilizzano gli stessi elementi nelle antenne a radiazione longitudinale. Diamo un'occhiata ad alcuni esempi.
Ai terminali dell'antenna ricevente, realizzata sotto forma di un dipolo a semionda che riceve radiazione radio con una lunghezza d'onda di = 2 m e viene caricata su una resistenza R 0 = R rad = 73 Ohm, tensione indotta tu A = 0,1 mV. È necessario "calcolare la potenza di radiazione di una stazione situata a distanza R= 100 km dall'antenna ricevente, a condizione che come antenna trasmittente venga utilizzato un dipolo a semionda e che entrambe le antenne siano orientate l'una verso l'altra dai massimi dei modelli di radiazione.
1. Forza elettromotrice all'uscita dell'antenna ricevente V = 2 tu A = 2 · 0,1 · 10 -3 = 2 · 10 -4 V.
2. Area di apertura effettiva per un dipolo a semionda (vedi tabella 2.4) UN eff = 0,13λ 2 = 0,13 2 2 = 0,52 m 2.
3. Densità di potenza nella posizione dell'antenna ricevente P = V 2 /4UN eff R rad = (2 · 10 -4) 2/4 · 0,52 · 73 = 2,63 · 10 -10 W/m2.
4. Potenza di radiazione dell'antenna trasmittente P rad = 4π R 2 P/G= 4π (100 · 10 3) 2 · 2,63 · 10 -10 / 1,64 = 20,1 W.
Le larghezze del pattern direzionale dell'antenna Uda-Yagi operante a una lunghezza d'onda di = 2 m sono pari a α E = 25 ° e α H = 35 °. Questa antenna è terminata con un'impedenza abbinata R 0 = 75 ohm. La densità di potenza del campo elettromagnetico incidente sull'antenna è p = 2,63 · 10 -10 W/m2. È necessario determinare la tensione ai terminali di uscita di questa antenna.
1. Utilizzando il nomogramma mostrato in fig. 2.54, per i valori dati α E = 25 ° e α H = 35 ° determiniamo il guadagno dell'antenna G= 15, ldB.
2. Utilizzando i grafici riportati in fig. 2,60, per valori noti G= 15, l dB e α = 2 m definiamo UN eff = 16,5 m2.
3. Usando la formula (2.147), definiamo l'EMF: $$ V = \ sqrt (4pR_ (out) A_ (eff)) = \ sqrt (4 \ cdot (2.63 \ cdot (10 ^ (- 10)) \ cdot (73) \ cdot (16,5))) = 1,12 mV $$
1. Utilizzando i grafici riportati in fig. 2.60, in base ai valori dati di α E e α H, determiniamo l'area di apertura effettiva UN eff = 4.5λ 2.
2. Usando la formula (2.156), troviamo: $$ H = A_H = 2 \ sqrt (\ frac (A_ (eff) \ alpha_H) (\ alpha_E)) = \ sqrt (\ frac (4,3 \ lambda ^ 2 ( 35)) (25)) = 2,8 \ lambda $$
3. Con la distanza tra i piani di un'antenna a due piani n= 2.8λ, si ottiene il valore massimo del guadagno, che, come già sappiamo, si realizza a condizione che i bordi delle aree di apertura effettiva di entrambi gli elementi d'antenna siano in contatto tra loro.
4. Per una lunghezza d'onda λ = 2 m la distanza richiesta n= 5,6 metri.
Si noti che un doppio aumento dell'apertura dell'antenna comporta un doppio aumento del guadagno (+3 dB).
Per calcolare le linee di comunicazione radio si introduce il concetto di fattore di attenuazione δ: $$ \ begin (equation) \ delta = \ frac (P_A) (P_ (ef)) = \ frac (A_ (eff.pr) A_ (eff .per)) (\ lambda ^ 2 (r ^ 2)) \ end (equazione) \ tag (2.158) $$ dove P A è la potenza ricevuta dall'antenna ricevente con un'area di apertura effettiva UN eff pr; P rad - potenza irradiata da un'antenna trasmittente con un'area di apertura effettiva UN corsia eff; R- distanza tra antenne trasmittenti e riceventi, m; - lunghezza d'onda, m.
La formula (2.158) è stata ottenuta assumendo che le antenne non abbiano perdite, siano orientate l'una rispetto all'altra nel modo migliore e anche a condizione che la distanza tra loro $$ \ begin (equazione) r \ geq \ frac ( 2d ^ 2) (\ lambda ) \ fine (equazione) \ tag (2.159) $$ dove D- la maggiore dimensione lineare dell'antenna; è la lunghezza d'onda.
Nel caso in cui un'onda radio si propaghi vicino alla superficie terrestre, può verificarsi un'onda riflessa, oltre all'onda diretta. Il risultato dell'interazione di queste due onde è una variazione del valore di , calcolato dalla formula (2.158). Il valore reale del fattore di attenuazione δ P varia entro 0< δ р < 4δ.
Continuiamo con gli esempi.
Potenza di radiazione dell'antenna dipolo a semionda trasmittente P rad = 20,1 W. È necessario calcolare la potenza dissipata nel carico abbinato dell'antenna ricevente a R 0 = 73 Ohm e purché UN eff per = 16,5 m 2, UN eff pr = 0,13 m 2 e = 2 m.
1. Usando la formula (2.158), troviamo $$ 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 \ sinistra (10 ^ 5 \ destra) ^ 2) = 43 \ cdot (10 ^ (- 10)) W $$
2. Tensione ai terminali di uscita dell'antenna $$ U = \ sqrt (P_ (A) R_ (0)) = \ sqrt (43 \ cdot (10 ^ (- 10)) \ cdot (73)) = 0,53 \ cdot (10 ^ (- 3)) In $$.
Attiriamo l'attenzione del lettore sul fatto che a volte la potenza è espressa in decibel, mentre un livello di 0 dB corrisponde ad una potenza di 1 W.
Se R rad = 20,1 W o R rad = 10 lg 20,1 = +13 dB/W, quindi R A = = 43 10 -10 W o R A = 10 lg 43 10 -10 = -83,6 dB/W.
Questa guida è stata compilata da varie fonti. Ma la sua creazione è stata suggerita da un piccolo libro "Mass Radio Library" pubblicato nel 1964, come traduzione del libro di O. Kroneger nella DDR nel 1961. Nonostante la sua antichità, è il mio libro di riferimento (insieme a molti altri libri di riferimento). Penso che il tempo non abbia potere su questi libri, perché le basi della fisica, dell'ingegneria elettrica e radiofonica (elettronica) sono incrollabili ed eterne.
Parametri di base delle antenne trasmittenti
| La resistenza alle radiazioni accoppia la potenza irradiata dall'antenna alla corrente che fornisce l'antenna |
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R Σ = P Σ / I a |
| Qui P la potenza irradiata dall'antenna, W; resistenza alle radiazioni Riz, ohm; Ia è il valore effettivo della corrente, a. La grandezza R Σ dipende dal chip dell'antenna, dalle sue dimensioni (in relazione alla lunghezza d'onda) e dal punto di connessione dell'alimentatore. Nel caso generale, la resistenza alle radiazioni è di natura complessa, cioè, oltre al componente attivo, ha anche un Xyz reattivo. L'impedenza dell'antenna R A è la somma della resistenza alla radiazione R Σ e perdite di resistenza Rn |
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R A = R Σ + R p |
| Efficienza dell'antenna Il rapporto tra la potenza irradiata e quella fornita |
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η = R Σ / (R Σ + R p) |
| K. p. D. Della maggior parte dei tipi sintonizzato antenne trasmittenti sono vicine all'unità. |
| Diagramma di radiazione dell'antenna Dipendenza dell'intensità del campo in un punto remoto dalla direzione. Tipicamente, il diagramma di radiazione viene preso su due piani: orizzontale e verticale. Per valutare la direttività dell'antenna su un qualsiasi piano si utilizza il concetto di larghezza del diagramma di radiazione, ovvero la larghezza del lobo principale, misurata al livello di 0,7 dell'intensità di campo (o al livello di 0,5 di potenza). Fattore di azione direzionale (direttività) dell'antenna D- un numero che indica quante volte è necessario aumentare la potenza del trasmettitore per ottenere la stessa intensità di campo in un punto situato a una determinata distanza nella direzione di massima radiazione utilizzando un'antenna omnidirezionale. La direttività è determinata in modo univoco dal diagramma di radiazione spaziale dell'antenna. Se è nota la larghezza del diagramma di radiazione dell'antenna nei piani orizzontale e verticale, la direttività si trova con la seguente formula approssimativa: |
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D = 41253 / 0 θ 0 |
| dove: FA 0- direttività dell'antenna sul piano orizzontale, ° о- direttività dell'antenna nel piano verticale, °. Guadagno di potenza dell'antenna Gè il prodotto dell'LPC e dell'efficienza e caratterizza appieno il guadagno di potenza che l'antenna dà rispetto ad un radiatore ideale non direzionale (non avendo perdite) - |
| Risposta in frequenza dell'antenna e la larghezza di banda caratterizzano la capacità dell'antenna di operare sulla gamma di frequenze. La caratteristica di frequenza è la dipendenza della corrente che alimenta l'antenna dalla frequenza e la larghezza di banda è l'intervallo di frequenza in cui la corrente non scende al di sotto di 0,7 del suo valore massimo. |
Ricezione dei parametri dell'antenna |
| Altezza effettiva hd
L'importo per il quale è necessario moltiplicare l'intensità del campo elettrico nel punto di ricezione per ottenerli. ecc., sviluppato dall'antenna. hd dipende dal tipo di antenna e dalle sue dimensioni relative (in relazione alla lunghezza d'onda). Fisicamente hd è uguale all'altezza di un'antenna immaginaria, che ha la stessa capacità di ricevere onde radio di un'antenna reale, ma in cui la corrente su tutta la lunghezza ha un valore costante pari alla corrente nell'antinodo dell'antenna reale antenna io ap(Fig. 1). È conveniente utilizzare il concetto di "altezza effettiva" quando si calcolano antenne a vibrazione singola con una lunghezza non superiore a / 4. Area effettiva dell'antenna Aeff determina quella parte dell'area del fronte d'onda piana da cui l'antenna preleva energia. Il concetto di area effettiva viene utilizzato quando si calcola il multivibratore e altre antenne complesse (questo concetto può essere applicato anche a un'antenna a vibratore singolo). |
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Fig. 1. Altezza effettiva dell'antenna. |
| L'area effettiva dell'antenna e la direttività sono legate dalla seguente relazione: |
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D = 4π La eff / λ 2 |
| Dove: un effetto e 2 sono misurati nelle stesse unità, ad esempio - m 2. La potenza del segnale all'ingresso del ricevitore abbinato all'antenna è; |
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P A = (MI 2 o LA eff) / 120 π |
| dove: E 0- intensità di campo, w / m; un effetto-area effettiva dell'antenna, m 2; PAPÀ- potenza nell'antenna, Wt. Modello direzionale Dipendenza dell'emf Con. antenne dalla direzione di arrivo dell'onda. La larghezza del diagramma di radiazione è l'angolo entro il quale l'e. ecc. con. l'antenna non scende al di sotto di 0,7 del suo valore massimo. Efficienza η A Il rapporto tra la potenza ricevuta dall'antenna e la potenza ricevuta dall'antenna dall'onda elettromagnetica. Fattore di azione direzionale (direttività) dell'antenna D Un numero che indica quante volte la potenza prelevata dall'antenna supera la potenza che si potrebbe ottenere in questo caso utilizzando un'antenna omnidirezionale avente la stessa efficienza. L'entità della direttività è completamente determinata dal diagramma di radiazione spaziale dell'antenna. Guadagno di potenza dell'antenna G Un numero che indica quante volte la potenza prelevata dall'antenna è maggiore della potenza che avrebbe potuto essere prelevata nelle stesse condizioni da un'antenna omnidirezionale senza perdite. Per quanto riguarda l'antenna trasmittente, |
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G = Av D |
| Impedenza di ingresso dell'antenna Z A
Impedenza dell'antenna alla frequenza operativa nei punti di connessione. Generalmente Z A(così come la resistenza alle radiazioni dell'antenna trasmittente) ha componenti sia attivi che reattivi. Risposta in frequenza dell'antenna Impedenza di ingresso dell'antenna in funzione della frequenza. Per le antenne esiste il principio di reciprocità, secondo il quale la stessa antenna, in trasmissione e ricezione, ha le stesse caratteristiche (direttività, efficienza, diagramma di radiazione, ecc.). Ciò presuppone che il metodo di connessione dell'antenna sia preservato. |
Antenne vibranti |
| I dati di base delle antenne a dipolo semplici sono riportati nella tabella. IX.1. Un'antenna a canale d'onda è costituita da un vibratore attivo, un riflettore e diversi direttori. Ha una grande direzionalità lungo l'asse (nella direzione dal vibratore attivo ai direttori). |
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Riso. 2 Antenna di tipo "Wave channel" |
| Le dimensioni consigliate dei vibratori e le distanze tra loro sono mostrate in fig. 2. Il dimensionamento finale viene eseguito sperimentalmente. Per ridurre le dimensioni, i due direttori di facciata possono essere esclusi. Aumentare il numero degli amministratori oltre tale limite è inefficace. Il coefficiente direzionale dell'antenna "canale d'onda" è determinato dalla formula approssimativa |
| dove n- il numero degli amministratori. |
Antenne ad anello |
| L'antenna ad anello (Fig. IX.3) è una bobina piatta di sezione arbitraria. Di solito, la lunghezza totale del cavo di un'antenna a telaio è corta rispetto alla lunghezza d'onda |
| Qui: n- il numero di giri del telaio; l w- la lunghezza di un giro. In questo caso, il diagramma di radiazione non dipende dalla forma della sezione trasversale del telaio e ha la forma mostrata in Fig. 4. |
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Riso. 4. Diagramma direzionale dell'antenna a telaio. |
| Quando si lavora alla reception e. d. s., guidato sul telaio, è pari a: |
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e = (n S / λ) 2π cos φE |
| dove: e- e. d. pagina, guidata dalla cornice, in; S- area telaio, m 2; λ - lunghezza d'onda, m; E- intensità di campo, V / m; è l'angolo tra la direzione di ricezione e il piano del telaio, °, n è il numero di giri. |
| Resistenza alle radiazioni dell'antenna a telaio: R Σ = 31200 (nS / λ 2) 2 ohm |
| Solitamente R Σ molto piccolo, e quindi l'efficienza del sistema è bassa. L'antenna a telaio viene solitamente utilizzata solo per la ricezione. |
Ricezione di antenne in ferrite |
| Le antenne in ferrite sono ampiamente utilizzate nei ricevitori radio LW e MW di piccole dimensioni e sono utilizzate anche nelle bande HF e VHF. Un'antenna in ferrite è costituita da un'asta di ferrite su cui è posta una bobina d'antenna, che funge da ramo induttivo del circuito di ingresso. In linea di principio, un'antenna ferdita è magnetica, simile a un'antenna ad anello. L'efficienza di un'antenna in ferrite LW e MW è paragonabile a un'asta lunga 1-2 m. L'antenna in ferrite ha la stessa direttività di un'antenna a telaio (vedi Figura 4). Calcolo e progetto di un'antenna in ferrite... La scelta del grado di ferrite viene effettuata in base alla gamma di frequenza: |
| DVμ = 1000-2000; SVμ = 600-1000; KBμ = 100-400; VHF μ = 10-50. |
| Filo - filo unipolare o litz (su CB). Il tipo di avvolgimento è solitamente solido a fila singola (giro per giro). Dovresti cercare il massimo fattore Q della bobina dell'antenna, poiché questo determina l'efficienza dell'antenna in ferrite. Tensione di ingresso |
| Qui: e- e. d. s., diretto nell'antenna; Q- fattore di qualità del circuito dell'antenna, L'adattamento dell'antenna all'ingresso del primo stadio del ricevitore viene solitamente effettuato mediante accensione parziale del circuito di antenna all'ingresso della lampada e dalla bobina di accoppiamento all'ingresso del transistor. L'accoppiamento induttivo è più flessibile perché, spostando la bobina di accoppiamento, l'accoppiamento può essere modificato in un'ampia gamma. L'induttanza richiesta della bobina dell'antenna si trova con la formula: |
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Lк = 2,53 10 4 / f 2 max C min μg |
| dove: f max- la frequenza massima della gamma, MHz; Cn- capacità minima del circuito, pF. |
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Riso. 6. Antenna in ferrite. |
| Per la più semplice bobina d'antenna ad avvolgimento solido a sezione singola, il numero di spire è: |
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ω = (L k / L "d k μ k) 1/2 |
| Fattore di forma L" dipende dal rapporto tra la lunghezza della bobina e il suo diametro (Fig. 7). Coefficiente μ to definito come il prodotto di quattro coefficienti empirici |
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μ ê = μ с m L p L q L |
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m L - dipende dal rapporto tra le lunghezze della bobina e del nucleo ed è determinato secondo il grafico mostrato in Fig. otto; p L - dipende dalla posizione della bobina sullo stelo ed è determinato secondo il grafico riportato in Fig. 9; qL - è il rapporto tra i quadrati dei diametri dell'asta di ferrite e della bobina: q L = d 2 / d 2 ê ; μs -permeabilità magnetica effettiva di una barra di ferrite, a seconda della permeabilità magnetica iniziale della ferrite μ n e le dimensioni dell'asta (Fig. 10). |
| Per determinare i coefficienti t L , p L e L"è necessario impostare, prima di tutto, la lunghezza della bobina, che è determinata dal prodotto del diametro del filo per un numero imprecisato di spire. Pertanto, il calcolo viene effettuato per approssimazioni successive. |
Formule di base che descrivono i parametri delle antenne a dipolo
| Tipo di antenna | Distribuzione della corrente dell'antenna | Fattore direzionale | Formule per determinare | ||
| altezza effettiva | resistenza alle radiazioni, ohm |
intensità di campo * nella direzione del massimo principale di radiazione a una distanza r **, mV / m | |||
| Vibratore corto simmetrico ( io<λ/2 ) con contenitori alle estremità |
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1,5 | h d = 1 | R Σ = 80π 2 (l / λ) 2 | E = 6,7 × P 1/2 / r |
| Post breve senza fondamento ( io<λ/4
) con una capacità di la fine |
 |
3 | h d = 1 | R Σ = 160π 2 (l / λ) | E = 9,5 × P 1/2 / r |
| Vibratore corto simmetrico ( io<λ/2 ) senza contenitori |
 |
0,375 | hd = 0,5l | R Σ = 20π 2 (l / λ) 2 | E = 3,35 × P 1/2 / r |
| Pin corto con messa a terra ( io<λ/4
) senza contenitore alla fine |
 |
0,75 | hd = 0,5l | R Σ = 10π 2 (l / λ) 2 | E = 4,75 × P 1/2 / r |
| Vibratore simmetrico a semionda |
 |
1,64 | hd = / π | 73,2 | E = 7 × P 1/2 / r |
| Pin con messa a terra a quarto d'onda |
 |
3,28 | hd = / 2π | 36,6 | E = 10 × P 1/2 / r |
| Vibratore ad anello a mezza onda |
 |
1,64 | hd = 2λ / π | 293 | E = 7 × P 1/2 / r |
| P è la potenza irradiata, W; ** R- la distanza dall'antenna al misuratore di intensità di campo |
|||||
