Suprafața efectivă a antenei este aria unei antene plate echivalente cu o distribuție uniformă a amplitudinii-fază și o directivitate maximă (directivitate) egală cu directivitatea antenei în cauză. Din această zonă, antena direcționată către sursa de semnal absoarbe energia radiației electromagnetice incidente. Pentru comoditatea explicației, luați în considerare aria efectivă a antenei de recepție. Puterea absorbită a antenei P definit ca
P = P d A
Aici P d- densitatea fluxului de putere (putere specifică pe unitatea de suprafață) a energiei electromagnetice incidente și A- zona de deschidere (zona geometrică) a antenei. Recepție semnal G direct proporțional cu aria geometrică a antenei A... Poate fi crescut prin focalizarea radiației într-o singură direcție, în timp ce scăderea radiației în toate celelalte direcții. Prin urmare, cu cât lățimea fasciculului este mai îngustă, cu atât câștigul antenei este mai mare. Relația dintre câștigul antenei și aria sa este exprimată prin formula, care include și eficiența antenei:
Aici λ - lungimea de undă şi η - Eficiența antenei, care este întotdeauna mai mică de unu:
Aici A e- aria efectivă (apertura) a antenei, care este definită ca aria fizică a antenei înmulțită cu eficiența antenei. Dacă eficiența antenei este 1 (sau 100%), aceasta înseamnă că toată energia furnizată de transmițător către antena de transmisie este radiată în spațiu. Dacă aceasta este o antenă de recepție, atunci cu o eficiență unitară, toată energia primită de antenă intră în receptor. Cu toate acestea, în practică, o parte din energie se pierde întotdeauna sub formă de energie termică, care este cheltuită pentru încălzirea antenei și a elementelor structurale de alimentare.
Înlocuirea produsului de zonă cu eficiență Aη pe zona efectivă A e, primim:
Această formulă este utilizată în acest calculator. Din aceasta se poate observa că pentru o anumită zonă efectivă a antenei, câștigul acesteia crește cu pătratul lungimii de undă sau, la o lungime de undă constantă, câștigul antenei este direct proporțional cu aria sa efectivă. Rețineți că pentru antenele cu deschidere, cum ar fi antenele corn sau parabolice, aria efectivă este legată de aria geometrică și este întotdeauna mai mică decât această zonă. Cu toate acestea, pentru antenele cu fir (de exemplu, dipoli echilibrați și asimetrici, antene cu canale de undă), aria efectivă este de obicei mult (uneori de zeci de ori) mai mare decât aria fizică a antenei.
Câștigul de putere al antenei (KU) G Denumit de obicei pur și simplu câștig, este raportul dintre puterea radiată a unei antene direcționale și puterea radiată de o antenă omnidirecțională ideală cu aceeași putere aplicată intrărilor ambelor antene. Câștigul este o valoare adimensională, dar cel mai adesea este exprimat în decibeli (dB, raport de putere) sau decibeli izotropi (dBi, dBi, de asemenea, raportul de putere). Decibelul izotrop se referă la câștigul unei antene în comparație cu o antenă izotropă ideală care radiază energie uniform în toate direcțiile.
De exemplu, să determinăm aria efectivă a telescopului rusesc RT-70, care este situat în Crimeea, nu departe de Evpatoria.
Recepție semnal G= 69,5 dBi sau 9.000.000.
Diametrul antenei d= 70 m.
Frecvența de lucru f= 5,0 GHz (6 cm).
Zona geometrică a antenei A = πD²/4 = π70²/ 4 = 3848 m². În același timp, zona sa efectivă este
După cum putem vedea, aria efectivă este de doar 67% din aria geometrică a antenei.
Acum să calculăm aria efectivă a unei antene „canal de undă” cu 5 elemente (numită și după numele inventatorilor japonezi Antena Yagi-Uda, antena Uda-Yagi sau pur și simplu antena Yagi), care funcționează la o frecvență de 500 MHz și având un câștig de 40 dBi, ceea ce corespunde unui câștig adimensional de 10. Lungimea elementului activ este puțin mai mică de jumătate din lungimea de undă 0,5λ = 30 cm, unde λ = 60 cm este lungimea de undă.
Diametrul unui cerc cu o suprafață de 0,28 mp. m este definit ca
Adică, pentru un element activ de aproximativ 0,5λ = 30 cm lungime, obținem un cerc cu diametrul de 60 cm (mai precis, o elipsă).
Atunci când calculează sisteme de comunicații radio care transmit un semnal în linie de vedere prin canale de microunde și satelit, proiectantul de sistem ar trebui să țină cont în special de dimensiunile antenelor emițătorului și receptorului, de puterea transmisă și de SNR necesar pentru a atinge nivelul dorit. de calitate la rata de date cerută.
Calculul sistemului este relativ simplu și este prezentat mai jos.
Începem cu o antenă de transmisie care radiază izotrop într-un spațiu deschis la un nivel de putere așa cum se arată în Fig. 5.5.2. Densitatea de putere la distanța de antenă este (W / m).
Orez. 5.5.2. Antenă de radiație izotropă
Dacă antena de transmisie are selectivitate într-o anumită direcție, densitatea de putere în acea direcție crește. Câștigul se numește câștig de antenă și este notat. În acest caz, densitatea de putere la distanță este 
... Produsul este denumit în mod obișnuit puterea radiată efectivă (EMP, ERP sau EIRP), care este în esență puterea radiată în raport cu antena izotropă pentru care.
Antena de recepție, orientată în direcția puterii radiate, colectează o fracțiune din putere care este proporțională cu aria sa transversală.
Astfel, puterea primită de antenă poate fi exprimată după cum urmează:
unde este aria efectivă a antenei. Din teoria câmpului electric, obținem relația de bază dintre câștigul antenei de recepție și aria sa efectivă:
unde este lungimea de undă a semnalului transmis, este viteza luminii (m / s), este frecvența semnalului transmis. Dacă înlocuim (5.5.5) cu în (5.5.4), obținem o expresie pentru puterea primită sub forma
(5.5.6)
Factor
numită pierdere de spațiu liber. Dacă în timpul transmiterii semnalului sunt întâlnite și alte pierderi, cum ar fi pierderile în atmosferă, atunci acestea pot fi luate în considerare prin introducerea unui factor de pierdere suplimentar, să zicem. Astfel, puterea primită poate fi scrisă în cele din urmă după cum urmează:
(5.5.8)
După cum sa menționat mai sus, cele mai importante caracteristici ale unei antene sunt câștigul și aria sa efectivă. Ele depind de obicei de lungimea de undă a puterii radiate și de dimensiunile fizice ale antenei. De exemplu, o antenă parabolică cu un diametru are o zonă efectivă
unde este zona fizică și este indicatorul eficacității iradierii care se află în zonă. Prin urmare, câștigul unei antene parabolice cu un diametru este
(5.5.10)
Ca un al doilea exemplu, să luăm o antenă cu corn cu o zonă de. Are un indice de eficiență de 0,8, o zonă efectivă și un câștig de antenă de
Un alt parametru care are legătură cu câștigul (directivitate) antenei este lățimea fasciculului, pe care o vom desemna. Este ilustrat grafic în Figura 5.5.3.
Figura 5.5.3. Lățimea fasciculului antenei (a) și diagrama de radiație (b)
De obicei, lățimea fasciculului este măsurată pe lățimea fasciculului la -3 dB de la vârf. De exemplu, lățimea fasciculului de -3 dB a unei antene parabolice este aproximativ egală cu
(5.5.12)
deci este invers proportional. Aceasta înseamnă că înjumătățirea lățimii fasciculului, obținută prin dublarea diametrului, crește câștigul antenei de aproximativ 4 ori (cu 6 dB).
Pe baza relațiilor generale pentru puterea semnalului recepționat date de (5.5.8), proiectantul antenei poate calcula din datele câștigului antenei și distanța dintre emițător și receptor. Astfel de calcule sunt de obicei efectuate în termeni de putere, după cum urmează:
Exemplul 5.5.2. Să presupunem că există un satelit pe orbită geostaționară (36.000 km deasupra suprafeței pământului) care emite energie, adică. 20 dB re 1 W (20 dBW). Antena de transmisie are un castig de 17 dB, deci 
... De asemenea, să presupunem că stația de la sol folosește o antenă parabolică de 3 m și că legătura în jos funcționează la 4 GHz. Raportul de eficiență. Prin înlocuirea acestor valori în (5.5.10), obținem valoarea câștigului antenei de 39 dB. Pierderea spațiului de cap, nicio altă pierdere nu contează. Prin urmare, puterea semnalului primit
sau echivalent
Pentru a finaliza calculul resurselor liniei, trebuie să luăm în considerare și efectul zgomotului aditiv pe partea de recepție. Zgomot termic care apare în receptor și are aproximativ aceeași densitate spectrală de putere până la frecvențe de Hz, egală cu
W/Hz, (5.5.14)
unde este constanta Boltzmann ( 
), și este temperatura zgomotului în Kelvin. Prin urmare, puterea totală a zgomotului în lățimea de bandă a semnalului este.
Recepție semnal
Să luăm acum în considerare modul în care proprietățile direcționale ale antenei afectează valoarea intensității semnalului la punctul de recepție.
Lasă la un moment dat A este amplasată o antenă de transmisie omnidirecțională, care într-un punct îndepărtat V creează un semnal E 1(fig. 7). Modelul de radiație al unei astfel de antene în planul desenului va fi un cerc. Dacă semnalele emise de antenă A, vor fi doar acceptate E punct V, apoi energia a radiat în toate direcțiile, altele decât direcția către punct V, va fi irosit, din moment ce până la obiect V ea nu va lovi.
Punând la punct A antenă direcțională direcționată de radiația maximă către un punct V, noi, fără a schimba puterea emițătorului, vom crește semnalul la punctul V datorită energiei care înainte era radiată inutil în alte direcţii.
Astfel, pentru corespondentul situat la punct V, o antenă direcțională va avea câștig față de o antenă omnidirecțională.
Prin urmare, proprietățile direcționale ale antenelor, pe lângă modelele direcționale, sunt caracterizate de una dintre cele două cantități - factor de acțiune direcțională (prescurtat în KND) sau câștig (abreviat în K a).
Câștigul antenei Ka este egal cu produsul înmulțirii factorului său de acțiune direcțională (factorul de directivitate) cu factorul de eficiență (COP):
K a = KND · randament.
Pentru o antenă ideală lipsită de pierderi (eficiență = 1), valorile lui Ka și directivitate coincid.
Deoarece K a caracterizează mai pe deplin antena din punct de vedere energetic, este de obicei folosit cel mai des în practică.
Câștigul antenei este o valoare relativă, care este egală cu pătratul raportului intensităților câmpului creat la punctul de recepție, toate celelalte lucruri fiind egale, această antenă și o altă antenă luate ca standard. Cu alte cuvinte, câștigul arată de câte ori trebuie redusă puterea de intrare dacă antena standard este înlocuită cu această antenă, păstrând în același timp intensitatea semnalului primit neschimbată.
La frecvențe ultraînalte, pentru comoditate, așa-numitul radiator izotrop este cel mai adesea luat ca antenă „standard”, care radiază uniform în toate direcțiile. Caracteristica de directivitate spațială a acestei antene ar trebui să fie sub forma unei bile. Cu toate acestea, o astfel de antenă nu există cu adevărat. Cea mai simplă antenă folosită în practică - un vibrator cu jumătate de undă - are deja proprietăți direcționale: caracteristica sa direcțională spațială are forma unui tor (Fig. 8). Această figură arată cazul în care axa vibratorului coincide cu axa 0Z.
Din fig. 8, unde un sfert din torus a fost îndepărtat pentru claritate, se poate observa că diagrama direcțională a vibratorului cu semiundă în planul perpendicular pe axa acestuia (planul ecuatorial) are forma unui cerc, adică vibratorul este nedirecțional în acest plan.
În toate celelalte planuri care trec prin axa vibratorului (prin axa OZ), modelele de radiație au forma unei cifre de opt, adică în direcția axei vibratorului există un zero al diagramei de radiație.
Calculele arată că, în ceea ce privește o antenă omnidirecțională, câștigul unui vibrator cu jumătate de undă este G λ / 2 = 1,64.
Să remarcăm, mergând puțin înainte, că câștigurile multor antene utilizate la frecvențe ultraînalte ajung la o mie sau chiar câteva mii.
Pentru antenele cu lobi laterali nesemnificativi, valoarea aproximativă a câștigului antenei poate fi calculată din unghiurile de deschidere cunoscute ale lobului principal al diagramei de radiație în planurile vertical și orizontal:
G @ 35000 / θ 0 Ф 0 (5)
unde θ 0 și Ф 0 sunt lățimea lobului principal în grade dintre punctele valorii de jumătate de putere, măsurate în planul vertical și respectiv orizontal.
Din formula (5) se poate observa că K al antenei este invers proporțional cu produsul unghiurilor de deschidere ale lobului principal și, prin urmare, antenele cu câștig egal în câștig vor avea aceleași produse ale unghiurilor de deschidere. Deci, de exemplu, două antene, dintre care una θ 0 = 1,5 ° și Ф 0 = 20 °, iar cealaltă θ 0 = 5 ° și Ф 0 = 6 °, vor avea același câștig, în ciuda diferenței lor puternice. caracteristicile directivitatii.
Exemplul dat arată că cunoașterea unei singure valori K este încă insuficientă pentru a caracteriza proprietățile direcționale ale unei anumite antene.
Câştig G antena și diagrama ei de radiație depind de dimensiunile geometrice ale orificiului radiant, și anume:
G = 4p · S eff / λ 2 (6)
unde S eff este aria efectivă a deschiderii radiante a antenei;
λ 2 - pătratul lungimii de undă în aceleași unități cu S,
În literatură, în special în literatura străină, câștigul este adesea exprimat în decibeli, adică în locul valorii G. dat de formula (6), dați logaritmul său de zece ori:
G | db | = 10 log (4p S eff / λ 2) (7)
În fig. 9, dependențele (6) și (7) sunt prezentate printr-un grafic, pe care valoarea ariei efective a deschiderii radiante în lungimi de undă pătrate S eff / λ 2 este reprezentată orizontal, iar mărimea factorului de amplificare este dat de-a lungul verticalei spre stânga G.
Scară suplimentară din dreapta în Fig. 9 oferă valorile de câștig corespunzătoare în decibeli.
Pentru antenele de recepție, mărimea câștigului este uneori exprimată prin așa-numita suprafață de absorbție Q eff.
G = 4p Q eff / λ 2 (8)
Datorită „reversibilității” antenei, câștigul acesteia rămâne același atât în timpul transmisiei, cât și în timpul recepției, prin urmare Q eff = S eff
Se numește raportul dintre aria efectivă a deschiderii radiante S eff și S r geometric rata de utilizare a suprafetei(abreviat ca instrumentație) a deschiderii radiante sau a deschiderii antenei și este notat cu litera γ.
γ = S eff / S r = Q eff / Q g (9)
Valoarea maximă a lui γ este egală cu unitatea, care se realizează numai atunci când în deschiderea antenei se formează o undă electromagnetică plană cu aceeași distribuție (uniformă) a amplitudinilor.
Fig. 9. Graficul câștigului antenei
pe dimensiunea găurii sale radiante.
La antenele reale, fie din cauza abaterii undei de la cea plană, fie din cauza dificultăților de a obține o distribuție uniformă a amplitudinilor câmpului în deschiderea antenei, coeficientul γ se dovedește a fi mai mic de unu.
Antena de recepție preia unde radio libere și le transformă în unde cuplate care sunt transmise receptorului printr-un alimentator. În conformitate cu principiul reversibilității antenei, proprietățile unei antene care funcționează în modul de transmisie nu se schimbă atunci când antena funcționează în modul de recepție.
Antena de transmisie convertește energia curenților de înaltă frecvență generați de emițător în energie liberă a undelor radio și o distribuie într-un anumit mod în spațiu. Antena de recepție transformă energia undelor radio libere care provin din anumite direcții în raport cu aceasta în energia curenților de înaltă frecvență la elementele de intrare ale dispozitivului de recepție.
Un transmițător radio cu antenă, un mediu de propagare a undelor radio și un receptor radio cu antenă formează un sistem de comunicație radio (legătură radio). Elementul de legătură aici este mediul, o zonă a spațiului (calea radio) în care se propagă undele radio.
Alături de semnalul util, antena de recepție poate fi influențată de semnale străine – interferențe. Fiabilitatea trecerii undelor radio purtătoare de un semnal util, „și calea de la antenele de transmisie la cele de recepție determină stabilitatea legăturii radio.
Undele radio se pot propaga în atmosferă, de-a lungul suprafeței pământului, în cea mai mare parte a pământului și în spațiu. Într-un mediu omogen (sau slab neomogen), undele radio se propagă de-a lungul traiectoriilor drepte (sau aproape drepte). Acestea sunt unde radio directe. Cu ajutorul lor, este posibil să se efectueze comunicații radio numai în prezența vizibilității geometrice directe între antenele corespondenților.
Gama liniei de vedere este limitată de sfericitatea pământului și de neuniformitatea reliefului său. În absența liniei directe de vedere, undele radio ajung la punctul de recepție datorită difracției, reflexiei și împrăștierii undelor radio. Aceste „fenomene sunt cauzate de influența suprafeței terestre, neomogenități ale troposferei și ionosferei.
Pe calea undei, energia acesteia este absorbită în pământul semiconductor. La aceasta se adaugă și atenuarea undei din cauza difracției cauzate de prezența obstacolelor în calea propagării acesteia.
În domeniul VHF, pentru a reduce pierderile în sol și pentru a crește raza de „line-of-sight” se instalează antene pe stâlpi (catarge). Troposfera afectează domeniul de propagare VHF. În unele condiții meteorologice apar regiuni care furnizează VHF. propagare pe distanțe considerabile.
Condițiile „propagarea undelor radio, prezența interferențelor, puterea transmițătorului, eficiența antenei, calitatea alimentatoarelor etc., determină fiabilitatea legăturii radio și fac sarcina multi-parametrică.
Fluxul vectorului Umov - Poynting al antenei de transmisie la distanță r din ea se determină prin formula $$ \ begin (equation) p = p_ (n) G = G \ frac (P_ (out)) (4 \ pi (r ^ 2)) \ end (equation) \ tag (2.142) ) $ $
Puterea interceptată de antenă depinde de un astfel de parametru precum aria deschiderii antenei (apertura). Pentru a înțelege mai bine acest termen, imaginați-vă antena de recepție sub forma unei antene cu corn, pe care este incidentă o undă plană (Fig. 2.57). Dacă această antenă ar putea absorbi toată puterea incidentă la deschiderea (apertura), atunci puterea primită de antenă ar fi $$ \ begin (equation) P = pA \ end (equation) \ tag (2.143) $$
O undă electromagnetică incidentă pe deschiderea antenei excită în antenă cu o impedanță de intrare Z A = R A + iХȘi forța electromotoare V... O parte din puterea antenei recepționată este transmisă la un receptor care are o impedanță de intrare Z 0 =R 0 +iX 0 (fig.2.58). Apoi curentul care curge în receptorul conectat la antena $$ \ begin (ecuația) I_A = \ frac (V) (Z_0 + Z_A) \ end (ecuația) \ tag (2.144) $$ și puterea eliberată în receptor este $$ \ begin (equation) 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 (equation) ) \ tag (2.145) $$
Este destul de ușor să arăți că puterea maximă eliberată în receptor corespunde condiției de potrivire a impedanței, conform căreia R A = R 0 și - X A = X 0 .
Să introducem conceptul zonă de deschidere eficientă, prin care înțelegem raportul dintre puterea care intră în receptor R 0, la densitatea de putere R incident pe deschiderea antenei: $$ \ begin (equation) A_ (eff) = \ frac (P_0) (p) \ end (equation) \ tag (2.146) $$
Pentru o antenă fără pierderi ( R n = 0) conform formulei (2.136) R A = R outl. Apoi, cu deplin acord, adică cu R 0 =R din l obținem formula pentru valoarea maximă a ariei efective a deschiderii $$ \ begin (ecuația) A_ (eff \; max) = \ frac (V ^ 2) (4pR_ (izl)) = \ frac (I_A ^ 2R_0) (p) \ end (ecuație) \ tag (2.147) $$
Masa 2.4 arată valorile A eff max pentru unele tipuri de antene.
Pentru antene reale, valoarea A eff max este întotdeauna mai mică decât aria fizică a deschiderii antenei. Pentru a estima aria efectivă a deschiderii antenei, se introduce conceptul de factor de utilizare a suprafeței deschiderii, care este egal cu raportul dintre aria efectivă a deschiderii antenei și aria fizică a deschiderii. : $$ \ begin (ecuația) K_ (ip) = \ frac (A_ (eff)) (A_ (f)) \ end (ecuația) \ tag (2.148) $$
Valoarea maximă a factorului de utilizare a suprafeței deschiderii atinge (pentru antene ideale) valoarea K un = 1. Pentru antene foarte bune, valoarea factorului de utilizare a suprafeței ajunge la valori de 0,7 ... 0,8.
Actual eu A într-o antenă cu rezistență la radiații R A este o sursă de undă reemisă cu o putere $$ \ begin (ecuația) P_ (ras) = I_A ^ 2R_A \ end (ecuația) \ tag (2.149) $$
Raportul dintre puterea re-radiată de antenă și densitatea de putere incidentă pe deschiderea antenei R, determină zona de reemisie (apertura de împrăștiere) A curse: $$ \ begin (ecuație) A_ (rase) = \ frac (P_ (rase)) (p) = \ frac (V ^ 2R_A) (\ stânga (R_A + R_0 \ dreapta) ^ 2 + \ stânga (X_A) + X_0 \ dreapta) ^ 2) \ end (ecuație) \ tag (2.150) $$
Pentru o antenă cu cușcă de veveriță complet adaptată câmpului incident, A curse = A eff max. Cu nepotrivirea antenei $$ \ begin (ecuație) \ alpha_ (rase) = \ frac (A_ (rase)) (A_ (eff \; max)) \ end (ecuație) \ tag (2.151) $$ și α curse ≤ 1 ...
Dacă rezistența la pierdere R n> 0, atunci o parte din energie este eliberată în antenă sub formă de energie termică. Puteți introduce conceptul zonei pierderilor $$ \ begin (ecuația) A_ (n) = \ frac (I_A ^ 2R_n) (p) \ end (ecuația) \ tag (2.152) $$
Acum deschiderea totală $$ \ începe (ecuația) A _ (\ sum) = A_ (eff) + A_ (ras) + A_ (n) = \ frac (I_A ^ 2) (p \ left (R_0 + R_ (izl) ) + R_ (n) \ dreapta)) \ end (ecuație) \ tag (2.153) $$
În fig. 2.59 prezintă graficele dependenței componentelor individuale A n și deschiderea totală AΣ din raportul rezistențelor R 0 /R outl.
Există o clasă de antene cu deschidere. Astfel de antene includ antene parabolice (aici deschiderea este deschiderea oglinzii), antene cu corn (deschiderea este deschiderea cornului), etc.
Unitatea de măsură pentru aria deschiderii poate fi fie metru pătrat, fie λ 2.
Coeficientul de utilizare al suprafeței deschiderii este determinat de formula (2.148).
Pentru clasa de antene cu deschidere K si n< 1, но для некоторых типов антенн значение этой величины может и превышать 1. К последним относятся антенны поверхностной волны и большинство проволочных антенн.
Relația dintre aria de deschidere efectivă A eff, factor de direcție D iar lungimea războiului λ se scrie ca relația $$ \ begin (equation) A_ (eff) = \ frac (\ lambda ^ 2D) (4 \ pi) \ end (equation) \ tag (2.154) $$
În fig. 2.60 prezintă graficele dependenței A eff ( D, λ). Relația dintre A eff și lățimea diagramei de radiație în două planuri α E și α H pot fi stabilite folosind formula (2.128).
Antena de recepție, care absoarbe puterea câmpului electromagnetic atunci când o undă electromagnetică incide pe ea, este un fel de scut pentru undele radio. În fig. 2.61 este o ilustrare schematică a distribuției câmpului din spatele antenei de recepție.
Din figură se poate observa că imediat în spatele antenei de recepție, puterea câmpului electromagnetic scade.
Pentru un dipol cu jumătate de undă, aria de deschidere efectivă este o elipsă (Fig. 2.62) cu o axă majoră A E = 3λ / 4 și axa minoră A H = λ/4.
Pentru antenele cu unde de suprafață, de exemplu, antena Uda-Yagi, relația dintre dimensiunile liniare ale deschiderii efective și lățimile modelului de radiație al antenei în cele două plane principale α E și α H este stabilită de relațiile $$ \ începe (ecuația) A_E = 2 \ sqrt (\ frac (A_ (eff) \ alpha_E) (\ pi \ alpha_H)) \ end (ecuația) \ tag (2.155) $$ $$ \ begin (ecuația) A_H = 2 \ sqrt (\ frac (A_ (eff) \ alpha_H) (\ pi \ alpha_E)) \ end (ecuație) \ tag (2.156) $$
Dacă două sau mai multe antene elementare sunt situate aproape una de cealaltă (de exemplu, una deasupra celeilalte, Fig. 2.63), atunci pentru a reduce pierderile de câștig ale sistemului de antenă rezultat, este necesar ca zonele de deschidere efectivă ale elementele parțiale ale antenei nu se suprapun. În acest caz, este cel mai convenabil să aranjați elementele sistemului de antenă în așa fel încât marginile zonelor efective parțiale ale deschiderii să fie în contact unele cu altele.
Pentru o serie de emițători de radiații transversale (Fig. 2.64), dimensiunile liniare ale ariei de deschidere efectivă a unui element sunt calculate prin formulele $$ \ begin (ecuația) A_E = \ sqrt (\ frac (A_ (eff)) \ alpha_E) (\ alpha_H)) \ end ( ecuație) \ tag (2.157а) $$ $$ \ begin (equation) A_H = \ sqrt (\ frac (A_ (eff) \ alpha_H) (\ alpha_E)) \ end (ecuație) \ tag (2.157b) $$
Compararea formulelor (2.156) și (2.157) arată că, în acest din urmă caz, dimensiunile liniare ale ariei efective de deschidere sunt cu aproximativ 12% mai mici decât atunci când se folosesc aceleași elemente în antenele de radiație longitudinale. Să ne uităm la câteva exemple.
La bornele antenei de recepție, realizată sub forma unui dipol semiundă care primește radiații radio cu lungimea de undă de λ = 2 m și este încărcat pe o rezistență R 0 = R rad = 73 Ohm, tensiune indusă U A = 0,1 mV. Este necesar să „calculăm puterea de radiație a unei stații situate la distanță r= 100 km de antena de recepție, cu condiția ca un dipol semiundă să fie folosit ca antenă de transmisie, iar ambele antene să fie orientate una față de cealaltă după maximele modelelor de radiație.
1. Forța electromotoare la ieșirea antenei de recepție V = 2 U A = 2 · 0,1 · 10 -3 = 2 · 10 -4 V.
2. Aria de deschidere efectivă pentru un dipol cu jumătate de undă (vezi tabelul 2.4) A eff = 0,13λ 2 = 0,13 2 2 = 0,52 m 2.
3. Densitatea puterii la locul antenei de recepție p = V 2 /4A eff R rad = (2 · 10 -4) 2/4 · 0,52 · 73 = 2,63 · 10 -10 W / m 2.
4. Puterea de radiație a antenei de transmisie P rad = 4π r 2 p/G= 4π (100 · 10 3) 2 · 2,63 · 10 -10 / 1,64 = 20,1 W.
Lățimile modelului direcțional al antenei Uda-Yagi care funcționează la o lungime de undă de λ = 2 m sunt egale cu α E = 25 ° și α H = 35 °. Această antenă este terminată cu o impedanță potrivită R 0 = 75 ohmi. Densitatea de putere a câmpului electromagnetic incident pe antenă este p = 2,63 · 10 -10 W/m 2. Este necesar să se determine tensiunea la bornele de ieșire ale acestei antene.
1. Folosind nomograma prezentată în fig. 2.54, pentru valorile date α E = 25 ° și α H = 35 ° determinăm câștigul antenei G= 15, l dB.
2. Folosind graficele prezentate în fig. 2,60, prin valori cunoscute G= 15, l dB și α = 2 m definim A eff = 16,5 m 2.
3. Folosind formula (2.147), determinăm EMF: $$ V = \ sqrt (4pR_ (out) A_ (eff)) = \ sqrt (4 \ cdot (2.63 \ cdot (10 ^ (- 10))) \ cdot (73) \ cdot (16,5))) = 1,12 mV $$
1. Folosind graficele prezentate în fig. 2.60, în funcție de valorile date ale α E și α H, determinăm aria efectivă a deschiderii A eff = 4,5λ 2.
2. Folosind formula (2.156), găsim: $$ H = A_H = 2 \ sqrt (\ frac (A_ (eff) \ alpha_H) (\ alpha_E)) = \ sqrt (\ frac (4,3 \ lambda ^ 2) ( 35)) (25)) = 2,8 \ lambda $$
3. Cu distanța dintre etajele unei antene cu două etaje N= 2,8λ, obținem valoarea maximă a câștigului, care, după cum știm deja, se realizează cu condiția ca marginile zonelor de deschidere efectivă ale ambelor elemente de antenă să fie în contact unele cu altele.
4. Pentru o lungime de undă λ = 2 m distanța necesară N= 5,6 m.
Rețineți că o creștere dublă a deschiderii antenei duce la o creștere de două ori a câștigului (+3 dB).
Pentru a calcula liniile de comunicație radio se introduce conceptul de factor de atenuare δ: $$ \ begin (ecuație) \ delta = \ frac (P_A) (P_ (ef)) = \ frac (A_ (eff.pr) A_ (eff) .per)) (\ lambda ^ 2 (r ^ 2)) \ end (ecuație) \ tag (2.158) $$ unde P A este puterea primită de antena de recepție având o zonă de deschidere efectivă A eff pr; P rad - puterea radiată de o antenă de transmisie cu o zonă de deschidere efectivă A eff lane; r- distanta intre antenele de emisie si receptie, m; λ - lungimea de undă, m.
Formula (2.158) a fost obținută în ipoteza că antenele nu au pierderi, sunt orientate unul față de celălalt în cel mai bun mod și, de asemenea, cu condiția ca distanța dintre ele $$ \ începe (ecuația) r \ geq \ frac ( 2d ^ 2) (\ lambda ) \ end (ecuație) \ tag (2.159) $$ unde d- cea mai mare dimensiune liniară a antenei; λ este lungimea de undă.
În cazul în care o undă radio se propagă în apropierea suprafeței pământului, poate apărea o undă reflectată, pe lângă unda directă. Rezultatul interacțiunii acestor două unde este o modificare a valorii lui δ, calculată prin formula (2.158). Valoarea reală a factorului de atenuare δ P variază în intervalul 0< δ р < 4δ.
Să continuăm cu exemple.
Puterea de radiație a antenei dipol cu semiundă de transmisie P rad = 20,1 W. Este necesar să se calculeze puterea disipată în sarcina potrivită a antenei de recepție la R 0 = 73 Ohm și cu condiția ca A eff per = 16,5 m 2, A eff pr = 0,13 m 2 și λ = 2 m.
1. Folosind formula (2.158), găsim $$ 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 \ stânga (10 ^ 5 \ dreapta) ^ 2) = 43 \ cdot (10 ^ (- 10)) W $$
2. Tensiune la bornele de ieșire a antenei $$ U = \ sqrt (P_ (A) R_ (0)) = \ sqrt (43 \ cdot (10 ^ (- 10)) \ cdot (73)) = 0,53 \ cdot ( 10 ^ (- 3)) În $$.
Să atragem atenția cititorului asupra faptului că uneori puterea este exprimată în decibeli, în timp ce un nivel de 0 dB corespunde unei puteri de 1 W.
Dacă R rad = 20,1 W sau R rad = 10 lg 20,1 = +13 dB / W, atunci R A = = 43 10 -10 W sau R A = 10 lg 43 10 -10 = -83,6 dB / W.
Acest ghid a fost compilat din diverse surse. Dar crearea sa a fost determinată de o carte mică „Biblioteca de radio de masă” publicată în 1964, ca traducere a cărții lui O. Kroneger în RDG în 1961. În ciuda vechimii sale, este cartea mea de referință (împreună cu alte câteva cărți de referință). Cred că timpul nu are putere asupra unor astfel de cărți, pentru că bazele fizicii, ingineria electrică și radio (electronica) sunt de neclintit și eterne.
Parametrii de bază ai antenelor de transmisie
| Rezistența la radiații cuplează puterea radiată de la antenă la curentul care furnizează antena |
|
R Σ = P Σ / I a |
| Aici P Σ puterea radiată de antenă, W; Rezistența la radiații Riz, ohm; Ia este valoarea efectivă a curentului, a. Magnitudinea R Σ depinde de cipul de antenă, de dimensiunile acestuia (în raport cu lungimea de undă) și de punctul de conectare al alimentatorului de alimentare. În cazul general, rezistența la radiații este de natură complexă, adică, pe lângă componenta activă, are și un Xyz reactiv. Impedanța antenei R A este suma rezistenței la radiații R Σ și pierderi de rezistență Rn |
|
R A = R Σ + R p |
| Eficiența antenei η Raportul dintre puterea radiată și cea furnizată |
|
η = R Σ / (R Σ + R p) |
| K. p. D. Din cele mai multe tipuri acordat antenele de transmisie sunt aproape de unitate. |
| Modelul de radiație al antenei Dependența intensității câmpului într-un punct îndepărtat de direcție. De obicei, modelul de radiație este luat în două planuri - orizontal și vertical. Pentru aprecierea directivității antenei în orice plan se folosește conceptul de lățime a modelului de radiație, adică lățimea lobului principal, măsurată la nivelul de 0,7 din intensitatea câmpului (sau la nivelul de 0,5 putere). Factorul de acțiune direcțională (directivitate) al antenei D- un număr care arată de câte ori trebuie crescută puterea emițătorului pentru a obține aceeași intensitate a câmpului într-un punct situat la o anumită distanță în direcția de radiație maximă folosind o antenă omnidirecțională. Directivitatea este determinată fără ambiguitate de diagrama de radiație spațială a antenei. Dacă se cunoaște lățimea modelului de radiație al antenei în planurile orizontale și verticale, atunci directivitatea este găsită prin următoarea formulă aproximativă: |
|
D = 41253 / Ф 0 θ 0 |
| Unde: F 0- directivitatea antenei în plan orizontal, ° θо- directivitate a antenei în plan vertical, °. Câștigul de putere al antenei G este produsul LPC și eficiența și caracterizează pe deplin câștigul de putere pe care îl oferă antena în comparație cu un radiator ideal nedirecțional (fără pierderi) - |
| Raspunsul in frecventa antenei iar lățimea de bandă caracterizează capacitatea antenei de a funcționa în intervalul de frecvență. Caracteristica de frecvență este dependența curentului care furnizează antena de frecvență, iar lățimea de bandă este domeniul de frecvență în care curentul nu scade sub 0,7 din valoarea sa maximă. |
Parametrii antenei de recepție |
| Înălțime efectivă hd
Suma cu care trebuie să înmulțiți intensitatea câmpului electric la punctul de recepție pentru a le obține. etc., dezvoltat de antenă. hd depinde de tipul de antenă și de dimensiunile sale relative (în raport cu lungimea de undă). Din punct de vedere fizic, hd este egal cu înălțimea unei antene imaginare, care are aceeași capacitate de a recepționa unde radio ca o antenă reală, dar în care curentul de-a lungul întregii lungimi are o valoare constantă egală cu curentul din antinodul realului. antenă I Ap(fig. 1). Este convenabil să folosiți conceptul de „înălțime efectivă” atunci când se calculează antene cu o singură vibrație cu o lungime de cel mult λ / 4. Zona efectivă a antenei Aeff determină acea parte a zonei frontului de undă plană de la care antena preia energie. Conceptul de suprafață efectivă este utilizat atunci când se calculează multivibrator și alte antene complexe (acest concept poate fi aplicat și unei antene cu un singur vibrator). |
|
Fig. 1. Înălțimea efectivă a antenei. |
| Aria efectivă a antenei și directivitatea sunt legate de următoarea relație: |
|
D = 4π A eff / λ 2 |
| Unde: O effși λ2 sunt măsurate în aceleași unități, de exemplu, - m 2. Puterea semnalului la intrarea receptorului potrivite cu antena este; |
|
P A = (E 2 o A eff) / 120 π |
| Unde: E 0- intensitatea câmpului, w/m; O eff-suprafata efectiva a antenei, m 2; P A- putere în antenă, Wt. Model direcțional Dependența EMF Cu. antene din direcția de sosire a undei. Lățimea diagramei de radiație este unghiul în care e. etc cu. antena nu scade sub 0,7 din valoarea sa maximă. Eficiența η A Raportul dintre puterea primită de la antenă și puterea primită de antenă de la unda electromagnetică. Factorul de acțiune direcțională (directivitate) al antenei D Un număr care indică de câte ori puterea preluată de la antenă depășește puterea care ar putea fi obținută în acest caz folosind o antenă omnidirecțională având aceeași eficiență. Mărimea directivității este complet determinată de diagrama de radiație spațială a antenei. Câștigul de putere al antenei G Un număr care indică de câte ori puterea luată de la antenă este mai mare decât puterea care ar fi putut fi preluată în aceleași condiții de la o antenă omnidirecțională fără pierderi. În ceea ce privește antena de transmisie, |
|
G = η Av D |
| Impedanța de intrare a antenei Z A
Impedanța antenei la frecvența de funcționare la punctele de conectare. În general Z A(precum și rezistența la radiații a antenei de transmisie) are atât componente active, cât și reactive. Raspunsul in frecventa antenei Impedanța de intrare a antenei în funcție de frecvență. Pentru antene, există principiul reciprocității, conform căruia aceeași antenă, la transmitere și la recepție, are aceleași caracteristici (directivitate, eficiență, diagramă de radiație etc.). Aceasta presupune că metoda de conectare a antenei este păstrată. |
Antene vibratoare |
| Datele de bază ale antenelor dipol simple sunt date în tabel. IX.1. O antenă cu canal de undă constă dintr-un vibrator activ, un reflector și mai mulți directori. Are o direcționalitate mare de-a lungul axei (în direcția de la vibratorul activ la directori). |
 |
|
Orez. 2 Antenă de tip „Wave channel”. |
| Dimensiunile recomandate ale vibratoarelor și distanțele dintre acestea sunt prezentate în fig. 2. Dimensionarea finală se face experimental. Pentru a reduce dimensiunea, cei doi front directori pot fi excluși. Creșterea numărului de directori de mai sus este ineficientă. Coeficientul de direcție al antenei „canal de undă” este determinat de formula aproximativă |
| Unde n- numărul de directori. |
Antene buclă |
| Antena buclă (Fig. IX.3) este o bobină plată de secțiune transversală arbitrară. De obicei, lungimea totală a firului unei antene buc este scurtă în comparație cu lungimea de undă |
| Aici: n- numărul de spire ale cadrului; l w- lungimea unei ture. În acest caz, modelul de radiație nu depinde de forma secțiunii transversale a cadrului și are forma prezentată în Fig. 4. |
 |
|
Orez. 4. Schema direcțională a antenei buclă. |
| Când lucrați la recepție e. d. s., ghidat pe cadru, este egal cu: |
|
e = (n S / λ) 2π cos φE |
| Unde: e- e. d. pagină, ghidată de cadru, în; S- suprafata cadrului, m 2; λ - lungimea de unda, m; E- intensitatea câmpului, V/m; φ este unghiul dintre direcția de recepție și planul cadrului, °, n este numărul de spire. |
| Rezistența la radiații a antenei bucle: R Σ = 31200 (nS/λ2) 2 ohmi |
| De obicei R Σ foarte mic și, prin urmare, eficiența sistemului este scăzută. Antena buclă este de obicei folosită numai pentru recepție. |
Recepție antene de ferită |
| Antenele de ferită sunt utilizate pe scară largă în receptoarele radio LW și MW de dimensiuni mici și sunt, de asemenea, utilizate în benzile HF și VHF. O antenă de ferită constă dintr-o tijă de ferită pe care este plasată o bobină de antenă, care acționează ca o ramură inductivă a circuitului de intrare. În principiu, o antenă cu ferdită este magnetică, asemănătoare cu o antenă buclă. Eficiența unei antene de ferită LW și MW este comparabilă cu o tijă lungă de 1-2 m. Antena din ferită are aceeași directivitate ca o antenă buclă (vezi Figura 4). Calculul și proiectarea unei antene de ferită... Alegerea gradului de ferită se face în conformitate cu domeniul de frecvență: |
| DV μ = 1000-2000; SV μ = 600-1000; KB μ = 100-400; VHF μ = 10-50. |
| Sârmă - sârmă unică sau litz (pe CB). Tipul de înfășurare este de obicei solid pe un singur rând (turn în tură). Ar trebui să depuneți eforturi pentru a obține factorul Q maxim al bobinei antenei, deoarece aceasta determină eficiența antenei de ferită. Tensiune de intrare |
| Aici: e- e. d. s., îndreptată în antenă; Q- factorul de calitate al circuitului de antenă, Potrivirea antenei cu intrarea primei trepte a receptorului se realizează de obicei prin pornirea parțială a circuitului antenei la intrarea lămpii și prin bobina de cuplare la intrarea tranzistorului. Cuplajul inductiv este mai flexibil deoarece, prin deplasarea bobinei de cuplare, cuplajul poate fi schimbat într-o gamă largă. Inductanța necesară a bobinei antenei se găsește prin formula: |
|
Lк = 2,53 10 4 / f 2 max C min μg |
| Unde: f max- frecvența maximă a gamei, MHz; Cn- capacitate minimă a buclei, pF. |
 |
|
Orez. 6. Antena din ferita. |
| Pentru cea mai simplă bobină de antenă solidă cu o singură secțiune, numărul de spire este: |
|
ω = (L k / L "d k μ k) 1/2 |
| Factor de formă L" depinde de raportul dintre lungimea bobinei și diametrul acesteia (Fig. 7). Coeficient μ la definit ca produsul a patru coeficienți empirici |
|
μ к = μ с m L p L q L |
|
m L - depinde de raportul dintre lungimile bobinei și miezului și se determină conform graficului prezentat în Fig. opt; p L - depinde de poziția bobinei pe tijă și se determină conform graficului prezentat în Fig. 9; q L - este raportul dintre pătratele diametrelor tijei de ferită și bobinei: q L = d 2 / d 2 к ; μ s -permeabilitatea magnetică efectivă a unei tije de ferită, în funcție de permeabilitatea magnetică inițială a feritei μ nşi dimensiunile tijei (Fig. 10). |
| Pentru a determina coeficienții t L , p Lși L" este necesar să se stabilească, în primul rând, lungimea bobinei, care este determinată de produsul diametrului firului cu un număr necunoscut de spire. Prin urmare, calculul se face prin aproximări succesive. |
Formule de bază care descriu parametrii antenelor dipol
| Tip antenă | Distribuția curentului de antenă | Factorul de direcție | Formule de determinare | ||
| înălțimea efectivă | rezistenta la radiatii, ohm |
intensitatea câmpului * în direcția maximului principal de radiație la o distanță r**, mV / m | |||
| Vibrator scurt simetric ( l<λ/2 ) cu recipiente la capete |
 |
1,5 | h d = 1 | R Σ = 80π 2 (l / λ) 2 | E = 6,7 × P 1/2 / r |
| Postare scurtă fără împământare ( l<λ/4
) cu o capacitate de sfarsit |
 |
3 | h d = 1 | R Σ = 160π 2 (l / λ) | E = 9,5 × P 1/2 / r |
| Vibrator scurt simetric ( l<λ/2 ) fără containere |
 |
0,375 | hd = 0,5l | R Σ = 20π 2 (l / λ) 2 | E = 3,35 × P 1/2 / r |
| Pin scurt cu împământare ( l<λ/4
) fără recipient la capăt |
 |
0,75 | hd = 0,5l | R Σ = 10π 2 (l / λ) 2 | E = 4,75 × P 1/2 / r |
| Vibrator simetric cu jumătate de undă |
 |
1,64 | hd = λ / π | 73,2 | E = 7 × P 1/2 / r |
| Sfert de undă cu împământare |
 |
3,28 | hd = λ / 2π | 36,6 | E = 10 × P 1/2 / r |
| Vibrator buclă cu jumătate de val |
 |
1,64 | hd = 2λ / π | 293 | E = 7 × P 1/2 / r |
| P este puterea radiată, W; ** r- distanța de la antenă la contorul de intensitate a câmpului |
|||||
