Пр. 3.5. Основные параметры антенн

Коэффициент усиления (КУ) - это число, показывающее во сколько раз плотность пото­ка мощности П(θ,φ) реальной (направленной) антенны в направлении с азимутом θ и углом возвышения φ больше плот­ности потока мощности П_Э (θ,φ) эта­лонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же уда­лении при условии, что мощности, подводимые к антеннам одинаковы:

. (6.5)

На практике, говоря о КУ, подразумевают его значение в максимуме диаграммы направленности антенны (ДНА). Оно обозначается G_max и при известной ширине ДНА может быть определено из выражения:

, дБ, (6.6)

где θ_0,5 и φ_0,5 – ширина ДНА в главных плоскостях.

В составе многих РЭС используются антенны так называемого апертурного типа, в которых излучение или прием электромагнитной энергии происходит через некоторую поверхность (в простейшем случае – плоскость). К антеннам этого типа относятся зеркальные, рупорные, линзовые и некоторые другие виды антенн. В инженерных расчетах можно использовать следующую формулу для расчета КУ таких антенн:

, дБ, (6.7)

где S_a – эффективная площадь раскрыва антенны, м²; S_р – геометрическая площадь раскрыва антенны, м²; k_ИП – коэффициент использования площади раскрыва антенны, лежащий для разных типов апертурных антенн в пределах 0,5…0,85 и характеризующий неравномерность возбуждения поверхности раскрыва антенны передаваемым радиосигналом.

Для ближней зоны КУ антенны можно оценить по формуле: , дБ. (6.8) В случае использования параболической зеркальной антенны с известным диаметром раскрыва зеркала D, ее КУ может быть с приемлемой для инженерной практики точностью рассчитан по следующей формуле:

, дБ. (6.9)

Диаграмма направленности антенны (ДНА).

ДНА по напряженности поля - это зависимость амплитуды напря­женности элек­тро­­магнитного поля, излучаемого антенной, от угловых координат в пространстве при одинаковом расстоянии до нее. При­чем, выбор расстояния ограничен требо­ва­ни­ем нахождения измерителя в дальней зоне (зоне излучения) антенны. Нормированная ДНА по напряженности обозначается следующим обра­зом: , (6.10)

Здесь θ, φ и r - координаты точки наблюдения в сферической системе коорди­нат.

Реально, при изучении электромагнитного поля в дальней зоне антенны ограни­чи­ваются рассмотрением только ДН по электрической составляющей ЭМП - E(θ,φ), т.к. здесь величины Е и Н связаны меж­ду собой волновым сопротивлением свобод­ного пространства: W₀ = 377 Ом и Н = Е / W₀ .

ДН по плотности мощности (по мощности) - это зависимость плотности пото­ка мощности ЭМП, излучаемого антенной, от угловых координат в пространстве. Нормированная ДН по мощности обозна­чается следующим образом:

. (6.11)

Таким образом, ДН антенны по мощности равна квадрату ее ДН по напряженности по­ля.

Зная нормированные ДНА, можно, решая обратную задачу, опреде­лить напряжен­ность поля и плотность потока мощности в произволь­ном направлении:

Е(θ,φ) = Е_max F_Е(θ,φ); Н(θ,φ) = Н_max F_Н(θ,φ); П(θ,φ) = П_max F²(θ,φ). (6.12)

Следует иметь ввиду, что в общем случае любая антенна может излучать или принимать электромагнитные волны (ЭМВ) любой поляризации. Поэтому существуют понятия ДНА по основной и паразитной (кроссполяризации) поляризации, которые существенно отличаются друг от друга. Вид ДНА по основной поляризации представлен на рисунке (6.13)

Рис.6.13 Вид ДНА по основной поляризации

φ – угол наблюдения, образуемый направлением от точки расположения антенны до точки наблюдения направлением главного лепестка ДНА;

φ_0,5 – ширина ДНА по уровню половинной мощности (по уровню -3 дБ);

φ₀ - ширина ДНА “по нулям”.

Приведем весьма полезную для оценочных расчетов приближенную формулу, определяющую ширину ДНА типовой параболической антенны по уровню -3 дБ по известным значениям диаметра зеркала D и длины волны :

φ_{0,5 = 70 ( /} (6.14)

Реальные ДНА, как правило, отличаются от теоретических, поэтому при расчетах ЭМС используют их усредненные математические модели. Их называют гарантированными огибающими ДНА, т.к. они являются результатом аппроксимации “сверху” экспериментальных ДН реальных антенн. Пример такой гарантированной огибающей ДНА дан на рис . 6.5.

Рис.6.5. Примергарантированной огибающей ДНА

Важным параметром любой антенны, влияющим на ЭМС РЭС является кроссполяризационная защита. Она определяется количественно коэффициентом поляризационной защиты:

, (6.15)

где G_оп(φ) и G_кп(φ) - коэффициенты усиления антенны по основной поляризации и кроссполяризации, соответственно.

Зависимость XPD_а(φ) имеет сложный характер, связанный с конструктивными особенностями антенны, однако для всех типов антенн максимум зависимости XPD_а наблюдается при φ = 0^о, т.е. на главном направлении приема или вблизи оси ДНА. Для антенн с линейной поляризацией (вибраторных, директорных, рупорных и др.) коэффициент поляризационной защиты лежит в пределах 25 дБ ≤ XPD_{а max} ≤ 40 дБ.

Коэффициент защитного действия.

Коэффициент защитного действия К_зд характеризует разность КУ антенны в направлении максимума главного лепестка и с обратного направления и определяется выражением:

(6.16) Значения К_зд для современных антенн РЭС лежат в пределах 20…70 дБ. Диаграммы направленности антенн, используемые при расчетах ЭМС, приведены, например, в Рекомендациях МСЭ-R P.620, МСЭ-R F.699, МСЭ-R F.1245, МСЭ‑R S.465 и МСЭ‑R S.580,+ Cекторальные антенны - описаны в Рекомендации МСЭ-R F.1336,

Нормирование характеристик антенн

При расчетах ЭМС РЭС наиболее важными характеристиками антенн, требующими нормирования, являются их ДН по основной и кроссполяризации. Поэтому нормирование ДНА осуществляется для всех видов РЭС общего назначения как на международном, так и на национальном уровнях. Особенно актуально нормирование ДНА РЭС, работающих в общих полосах частот. К таким РЭС относятся радиорелейные станции, наземные станции космической связи, радиолокационные и радионавигационные станции и др. В частности, для практических расчетов помех и решения вопросов координации систем радиорелейной и космической связи в диапазоне частот (1…40)ГГц рекомендуется использовать эталонные ДНА, устанавливающие допустимые значения огибающей ДНА. Например, для параболических зеркальных антенн (с круглым раскрывом диаметром D) радиорелейных станций при отношении D/λ > 100 выражения, описывающие эталонную ДН имеют вид:

для 0 ≤ φ < φ_m;

для φ_m≤ φ < φ_r ; (6.17)

для φ_r≤φ < 48^o;

для 48° £ φ £ 180°,

где G_max определяется выражением (Пр. 3.8);

G₁ = 2 + 15 lg , дБ – уровень первого бокового лепестка;

угловые параметры φ_m и φ_r определяются формулами:

(6.18)

Аналогичные выражения имеются и для антенн базовых и абонентских станций сухопутной подвижной службы и других радиослужб.

***

. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов

Одним из важнейших факторов при оценке ЭМС РЭС является учет влияния сред распространения полезных и мешающих радиосигналов. При распространении в виде электромагнитных волн как ПС, так и МС, происходит их затухание, рассеяние и искажения,что необходимо учитывать при оценке ЭМО и анализе ЭМС РЭС.

7.1 Общие закономерности распространения радиоволн

При работе систем радиосвязи, телерадиовещания и радиосистем многих других типов в земных условиях уровень сигнала, принятого после его прохождения по трассе распространения от передающей антенны, зависит от характеристик местности на трассе, а также от изменчивости тропосферы и ионосферы в зависимости от сезона года, времени суток и ряда других условий. Вследствие этого радиосигнал на входе приемника имеет паразитные амплитудно-фазовые флуктуации, которые принято называть замираниями.Вероятностные расчеты уровней полезных и мешающих радиосигналов различных частот для различных трасс обычно производятся в соответствии с Рекомендациями Международного Союза Электросвязи (МСЭ или ITU), в разработке которых в течение многих десятилетий принимали участие специалисты многих стран. Большой вклад внесли и ученые нашей страны. В частности, начальник отдела распространения радиоволн НИИР д.т.н. А.И. Калинин в течение многих лет являлся вице-председателем Исследовательской комиссии МСЭ по вопросам распространения радиоволн и вместе с возглавляемым им коллективом внес огромный вклад в развитие теории распространения радиоволн различных диапазонов и практических аспектов ее применения.

При анализе процессов распространения радиосигналов на соответствующих трассах для характеристики их замираний широко используется понятие множителя ослабления радиосигнала V(t), определяемое следующим образом:

V(t) = E(t) / Eо, (7.1)

где E(t) -- реальное текущее значение напряженности электрического поля в точке приема, а Eо -- значение напряженности электрического поля в точке приема при распространении радиосигнала между антеннами передатчика и приемника в условиях свободного пространства, т.е. в случае замены реальной трассы распространения радиоволн вакуумом (космосом). При этом реальная напряженность электрического поля в точке приема E(t) = Eо * V(t), из-за чего множитель ослабления и получил свое название. Соответственно, реальная мощность радиосигнала на входе приемника P (t )= Pо* , (7.2) где Pо - мощность радиосигнала на входе приемника при распространении радиоволн в условиях свободного пространства.

Различают медленные и быстрые замирания радиосигналов. Одной из важнейших характеристик случайного процесса V(t) является его медианное значение Vм – значение , превышаемое в течение 50% времени. Оно может быть определено для временных отрезков tмед различной длины (год, месяц, час, минута). Флуктуации мгновенных значений множителя ослабления относительно медианного значения )/Vм называются быстрыми замираниями. В течение интервала времени Tмед >>tмед происходят флуктуации самого медианного значения Vм(t) относительно своего долгосрочного значения, обычно обозначаемого как V мм.Отношение Vм(t)/ V мм называется медленными замираниями.

Из сказанного выше вытекает следующая связь флуктуаций результирующего множителя ослабления c быстрыми и медленными замираниями :

/ Vмм =( )/Vм(t))* (Vм(t)/ Vмм) = Vб (t)* VМ (t), (7.3)

где Vб(t) = ( )/Vм(t)) – множитель ослабления для быстрых замираний, а VМ (t)= (Vм(t)/ Vмм) -- множитель ослабления для медленных замираний.

Причины возникновения быстрых и медленных замираний обусловлены различными механизмами распространения радиоволн и потому рассматриваются отдельно. Отметим, что величина множителя ослабления V(t) (глубина замираний) на реальных трассах может варьироваться от примерно -40 дБ (V = 0, 01) до нескольких положительных дБ, т.е. V(t) при определенных условиях может быть и больше 1 (несмотря на слово “ослабления”! ). Например, при поступлении на вход рецептора помехи “прямого луча” (радиосигнала, распространяющегося в условиях прямой видимости) и луча, отраженного от хорошо проводящей земной “подстилающей поверхности трассы”, c равными фазами величина множителя ослабления V будет близка к 2 (или +6 дБ).

Для каждого диапазона частот характерны свои типовые механизмы распространения радиоволн.