 |
Глава 9. Теория приемных антенн
|
|
|
|
Глава 9. ТЕОРИЯ ПРИЕМНЫХ АНТЕНН
§ 9. 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ О ПРИЕМНОЙ АНТЕННЕ
Приемная антенна - преобразователь энергии приходящих волн в энергию электрического тока высокой частоты.
Под действием приходящей волны на клеммах приемной антенны наводится э. д. с. Ток в нагрузке антенны (т. е. приемнике) зависит при этом от входного сопротивления приемника и сопротивления антенны на ее клеммах. Таким образом, приемная антенна для нагрузки является как бы генератором.
При проектировании приемных антенн надо знать:
1) величину э. д. с., возникающую на клеммах антенны, и ее зависимость от направления приходящей волны;
2) внутреннее сопротивление приемной антенны;
3) максимальную мощность, отдаваемую в приемник;
4) температуру шумов и т. д.
Известны два метода определения параметров приемных антенн. Первый метод связан с определением тока в приемной антенне путем непосредственного анализа ее работы. Однако он значительно сложнее, чем нахождение закона распределения тока в передающей антенне. Это связано с тем, что э. д. с., наводимая в приемной антенне, является распределенной по ее длине.
Второй метод связан с определением параметров приемной антенны через параметры этой же антенны в режиме передачи. Для этого используют принцип взаимности, позволяющий весьма просто дать ответы на основные вопросы теории приемных антенн.
§ 9. 2. ПРИМЕНЕНИЕ ПРИНЦИПА ВЗАИМНОСТИ К АНАЛИЗУ ПРИЕМНЫХ АНТЕНН
Сущность принципа взаимности состоит в следующем. Как известно из теории линейных пассивных четырехполюсников, ток во входном контуре J1 от единичной э. д. с. в выходном контуре е2 такой же, как ток J2 от единичной э. д. с. е1 (рис. 9. 1, а), т. е.
|
|
|
(9. 1)
Справедливость этого принципа применительно к антеннам показала М. П. Свешникова в 1927 г. Для исследования приемных антенн принцип взаимности впервые применил М. С. Нейман в 1935 г.
Используя указанный подход к решению задачи, разместим в пространстве на расстоянии r, соответствующем дальней зоне, две антенны произвольной конструкции (рис. 9. 1, б). Такую пару антенн, образующую радиоканал, можно рассматривать как линейный (среда линейна) пассивный (в поле антенны нет дополнительных источников энергии) четырехполюсник.
Рис. 9. 1. Определение параметров приемных антенн: a-к принципу взаимности при анализе приемных антенн; σ - четырехполюсники " передающая - приемная антенны"
Будем использовать попеременно одну из антенн в роли передающей, а другую - в роли приемной, предполагая, что среда, в которой происходит распространение электромагнитных волн, изотропная.
Задачу будем решать для случая, когда входные сопротивления каждой из антенн как в режиме передачи, так и в режиме приема согласованы соответственно с внутренним сопротивлением генератора и сопротивлением нагрузки, а сопротивления нагрузки и генератора присоединены к одним и тем же точкам антенны.
Приложим к клеммам антенны 1 э. д. с. ė 1. Под влиянием поля 1 антенны в антенне 2 возникает ток 
. На основании принципа взаимности э. д. с. 
, действующая в цепи антенны 2, вызовет в цепи антенны 1 ток 
, удовлетворяющий соотношению (9. 1).
Найдем зависимость токов антенн 1 и 2 в режиме приема от параметров этих же антенн в режиме передачи.
В режиме передачи ток антенны 1 равен
(9. 2)
где 
- входное сопротивление на клеммах антенны 1;
|
|
|
- внутреннее сопротивление генератора.
Напряженность электрического поля у антенны 2, созданная антенной 1, равна
где А - постоянный коэффициент;
- действующая высота антенны 1;
) - Функция направленности (ДН) антенны 1.
Если передающей является антенна 2, то аналогично
, а 
Найдем значение тока J1 через Ẻ 21:
Подставим его в уравнение (9, 2):
Тогда
(9. 3)
Аналогичным образом выразим э. д. с. На клеммах антенны 2 в случае работы её в режиме передачи:
(9. 4)
Подставим уравнения (9. 3) и (9. 4) в соотношение (9. 1)
выражающее аналитически принцип взаимности (здесь 
- токи в нагрузках первой и второй антенн, возникающие соответственно под действием э. д. с. 
). В результате получим
Сократив далее на А, объединим по обе стороны равенства величины, относящиеся к одной и той же антенне:
(9. 5)
Так как уравнение (9. 5) получено для пары антенн произвольной конструкции, можно утверждать, что для любой антенны справедливо равенство
где 
- ток на клеммах антенны в режиме приема;
Ẻ - напряженность поля волны, воздействующей на приемную антенну;
- соответственно действующая высота, входное сопротивление и ДН антенны в режиме передачи;
Z - сопротивление нагрузки (или сопротивление, включенное между клеммами).
Таким образом, ток в нагрузке любой приемной антенны
Постоянную N можно определить на примере антенны простейшего типа. Так, в случае диполя Герца сопоставление выражений для э. д. с. на его клеммах, полученное двумя путями (непосредственно вычислением и на основании принципа взаимности), показывает, что N = 1 [2] при совпадении плоскости поляризации излучаемой и принимаемой волн для антенн с линейной поляризацией. В случае антенн вращающейся поляризации должно совпадать также направление вращения полей этих волн. Следовательно,
(9. 6)
где 
- э. д. с., возбуждаемая в приемной антенне:
|
|
|
(9. 61)
Выражения (9. 6) и (9. 61) для тока и э. д. с. можно записать иначе, учитывая, что из формулы (6. 8) 
:
(9. 7)
(9. 7)
Таким образом, при изложенных выше условиях согласования э. д. с. приемной антенны можно вычислить через действующую высоту и ДН или через к. н. д. и сопротивление излучения, определенные для случая, когда эта же антенна работает в режиме передачи. Ток на клеммах антенны и в нагрузке ее можно определить через эту э. д. с. и сопротивление антенны, также подученное для случая работы ее в режиме передачи. Иными словами, ток в нагрузке приемной антенны, отдаваемую мощность, напряжение на клеммах можно рассчитать с помощью параметров, определенных для данной антенны в режиме передачи. В этом смысле принято говорить, что параметры одной и той же антенны в режиме передачи и в режиме приема одинаковы. Однако у приемной антенны эти параметры приобретают несколько иной смысл.
Под ДН приемной антенны понимают зависимость э. д. с. на ее клеммах от угла прихода радиоволн. ДН антенны при приеме и передаче одинаковы, следовательно, одинаковы и к. н. д.
Действующей высотой приемной антенны называют такую высоту, которая, будучи умноженной на величину напряженности поля в месте приема, дает величину э. д. с. наводимой в антенне волной, приходящей с направления максимума ДН 
при F(Ө, φ )=1. Действующая высота антенны при приеме и передаче одинаковая.
Входное сопротивление антенны 
при работе на передачу в случае приема выполняет роль внутреннего сопротивления генератора, так как всякую приемную антенну можно рассматривать как генератор с э. д. с.
или 
Таким образом, сопротивление антенны Za при передаче и приеме одинаково.
Рис. 9. 2. К учету взаимной ориентации плоскостей поляризации приходящей волны и приемной антенны
|
|
|
При определении э. д. с. в приемной антенне по формулам (9. 6) и (9. 7)предполагалось, что плоскости поляризации приемной антенны и приходящей линейно поляризованной волны совпадают. Если же угол между ними равен φ 0 (рис. 9. 2), то э. д. с. на клеммах приемной антенны
или 
|
|
|
