Antenas são dispositivos que combinam um sistema de canalização de ondas eletromagnéticas artificiais (EMW) com o ambiente natural de sua propagação.

As antenas são parte integrante de qualquer sistema de comunicação de rádio que usa ondas eletromagnéticas para fins tecnológicos. Além de coordenar os ambientes artificiais e naturais de propagação de EMW, as antenas podem realizar uma série de outras funções, a mais importante das quais é a seleção espacial e de polarização do EMW recebido e emitido.

Referência:

Os sistemas combinados são sistemas que transmitem entre si a quantidade máxima de energia eletromagnética destinada à transmissão.

Faça a distinção entre antenas de recepção e transmissão.

Antenas transmissoras

Esquema estrutural

1 - entrada de antena, à qual o guia de onda de alimentação do transmissor é conectado;

2 - um dispositivo de correspondência que fornece o modo de onda viajante no guia de onda de alimentação;

3 - um sistema de distribuição que fornece a distribuição espacial amplitude-fase necessária dos campos radiantes;

4 - o sistema emissor (emissor) fornece a polarização especificada e a radiação EMW direcional.

Recebendo antenas

Esquema estrutural

1 - a saída da antena, à qual o guia de ondas está conectado, que conecta a antena ao receptor;

2 - dispositivo compatível;

3 - integrador - um dispositivo que fornece soma ponderada coerente em fase de campos eletromagnéticos espaciais;

4 - o sistema de recepção, fornece polarização e seleção espacial de EMW entrando na antena de seu ambiente natural.

Referência:

Os elementos estruturais das antenas transmissoras e receptoras, designados pelos mesmos números, podem ter desenhos idênticos, pelo que, além do sistema em que operam as antenas, é impossível distinguir a antena transmissora da receptora e vice-versa.

Existem antenas de transmissão e recepção.

Classificação da antena

Para sistematizar vários tipos de antenas, elas são combinadas de acordo com uma série de características comuns. Os sinais de classificação podem ser:

faixa de trabalho da onda;

generalidade do design;

o princípio dos robôs;

compromisso.

As classes podem ser subclasses, etc.

Por design, todas as antenas são divididas em duas grandes classes:

transmitindo;

salas de recepção.

Essas duas classes incluem subtipos:

antenas de onda estacionária;

antenas de ondas progressivas;

antenas de abertura;

antenas de processamento de sinal;

arranjos de antenas ativas;

varredura de arranjos de antenas.

As principais tarefas da teoria da antena

Existem duas tarefas:

o problema de analisar as propriedades de antenas específicas;

a tarefa de projetar antenas de acordo com os requisitos iniciais dados para elas.

O problema de análise deve ser resolvido a partir das condições: o EME procurado deve satisfazer as equações de Maxwell, as condições de contorno na interface entre os meios e as condições de radiação de Sommerfeld.

Em tais condições adversas de formulação da solução de problemas, a análise só é possível para alguns casos especiais (por exemplo, para um vibrador elétrico simétrico).

Métodos aproximados para resolver problemas de análise são generalizados, de acordo com os quais esses problemas são divididos em duas partes:

Tarefa interna;

Um desafio externo.

A tarefa interna visa determinar a distribuição das correntes na antena, real ou equivalente. A tarefa externa é determinar o campo de radiação da antena a partir da distribuição conhecida de suas correntes. Na solução do problema externo, é amplamente utilizado o método de superposição, que consiste em dividir a antena em radiadores elementares e posterior somatório dos campos.

A tarefa de projetar uma antena é encontrar a forma geométrica e as dimensões da estrutura que fornecem as propriedades funcionais necessárias. A solução de problemas de design (síntese) de antenas é possível:

pela aplicação dos resultados da análise de tipos específicos de antenas e pelo método das aproximações sucessivas, ou seja, pela alteração dos parâmetros (etapa de otimização paramétrica) com a posterior comparação das características elétricas obtidas desta forma por novas versões de antenas conhecidas ;

por meio de síntese direta, ou seja, contornando a etapa de otimização paramétrica. Neste caso, as tarefas de design da antena são divididas em duas subtarefas:

problema de síntese clássico;

o problema da síntese construtiva.

O primeiro consiste em descrever a distribuição amplitude-fase da corrente (ou campo) no radiador da antena, que fornece as propriedades funcionais especificadas das antenas. A solução para este subproblema ainda não determina o desenho da antena, apenas determina os requisitos para sua distribuição.

O segundo visa encontrar a geometria completa da antena para uma dada distribuição amplitude-fase da corrente (ou campo) no radiador da antena. Este problema é muito mais complicado do que o primeiro e é estruturalmente ambíguo; muitas vezes é resolvido de forma aproximada.

No entanto, para alguns tipos de antenas, uma teoria rigorosa de síntese construtiva foi desenvolvida.

Antenas transmissoras

Suas características e parâmetros

A estrutura do campo eletromagnético (EMF) da antena

Cada antena pode ser considerada como um sistema de emissores elementares concentrados em um determinado volume limitado de espaço linear (), seu campo EM como uma superposição dos campos EM que compõem seus emissores elementares. Para identificar a estrutura do EMF da antena, considere a estrutura do EMF de um elemento retilíneo que muda harmonicamente com uma frequência angular , corrente com amplitude e comprimento constantes deste elemento em um meio isotrópico linear ilimitado com parâmetros constantes ,,.

- constante dielétrica absoluta do meio;

ε é a constante dielétrica relativa do meio;

Constante elétrica;

- permeabilidade magnética absoluta do meio;

Permeabilidade magnética relativa do meio;

Constante magnética;

- condutividade elétrica específica do meio;

λ é o comprimento de onda.

M - ponto de observação do EMF;

r - coordenada radial do ponto M (distância do centro do sistema de coordenadas esféricas ao ponto M);

- coordenada azimutal do ponto M;

A coordenada meridional do ponto M.

Para considerar um vibrador Hertz localizado ao longo do eixo z, o meio do qual está alinhado com o centro do sistema de coordenadas esféricas, a solução para a equação de Maxwell tem a forma (1.1), onde

Vetores unitários;

– momento da corrente elétrica;

Componentes de amplitude complexa ortogonal em coordenadas esféricas ,, vetor de intensidade de campo elétrico;

, , - componentes ortogonais de amplitude complexa em coordenadas esféricas ,, vetor de força do campo magnético;

- número de onda;

Comprimento de onda em espaço ilimitado.

A partir das expressões, segue-se que a EMF de um elemento de corrente linear é ortogonal em ondas espaciais de campos elétricos e magnéticos. Nesse caso, a taxa de variação da amplitude de cada onda é determinada pela distância relativa do ponto ao centro do vibrador.

Existem três áreas de campo:

Para a região do campo distante, as expressões assumem a forma:

Na região distante, o EMF tem as seguintes propriedades:

Para ar :.

Nas regiões dos campos intermediários e próximos, além da onda transversal esférica, existem campos reativos locais, cuja intensidade aumenta muito rapidamente com a diminuição de r. Esses campos contêm uma certa quantidade de energia EM, que eles trocam periodicamente com a antena (com um ponto). Esses campos determinam o componente reativo da impedância de entrada da antena.

As propriedades do EMF determinam as propriedades funcionais da antena, e as propriedades do EMF próximo e intermediário determinam a estabilidade das propriedades funcionais e a banda larga das antenas.

A região EMF distante é freqüentemente chamada de região de radiação, e a região EMF próxima é chamada de região de indução.

Para antenas reais, os limites dos campos distante, intermediário e próximo são determinados levando-se em consideração a diferença de fase das ondas que chegam ao ponto de observação pelas bordas da antena e seu centro.

Com uma diferença de fase permitida na região de campo distante igual a:

A área EMF distante estará em;

A área do campo intermediário;

Região de campo próximo, onde

Distância do centro da antena ao ponto de observação;

- a dimensão lateral máxima do sistema de radiação da antena.

Principais características e parâmetros da antena transmissora

As propriedades da antena são classificadas em:

Engenharia de rádio;

Construtivo;

Operacional;

Econômico;

As propriedades funcionais são inteiramente determinadas pelos parâmetros do sinal.

Características e parâmetros da antena transmissora:

Característica direcional de vetor complexo

O vetor complexo HNA é a dependência da direção (polarização, fase) do campo elétrico das ondas emitidas pela antena em pontos equidistantes dela (na superfície de uma esfera de raio r).

Em geral, um HNA complexo consiste em três fatores:

onde estão as coordenadas esféricas do ponto de observação do campo da onda da antena irradiada.

Amplitude HNA

Amplitude HNA é a dependência da direção da amplitude da intensidade da onda eletromagnética emitida pela antena em pontos equidistantes dela.

Normalmente, a amplitude normalizada HNA é considerada:

,

onde é a direção em que o valor da amplitude HNA é máximo.

Padrão de radiação da antena (BOTTOM)

O diagrama de diretividade da antena é uma seção da amplitude HNA por planos que passam pela direção ou perpendiculares a ela.

A seção mais comumente usada é com planos mutuamente ortogonais.

O padrão de radiação tem uma estrutura de lóbulo. As pétalas são caracterizadas por amplitude e largura.

Largura do lóbulo BPD - o ângulo dentro do qual a amplitude do lóbulo muda dentro dos limites especificados permitidos.

Pétalas são:

Pétala principal;

Pétalas laterais;

Lóbulo posterior.

A largura das pétalas é determinada por zeros ou pelo nível da metade da potência máxima.

Por campo = 0,707;

Por potência = 0,5;

Logarítmico = -3 dB.

A amplitude HNA normalizada em termos de potência está relacionada à amplitude HNA no campo pela razão:

Sistemas de coordenadas polares e retangulares e três tipos de escala são usados ​​para exibir o padrão da antena:

Linear (em todo o campo);

Quadrático (em termos de potência);

Logarítmico

Fase henna

Fase HNA é a dependência da direção da fase de uma onda eletromagnética harmônica na região de campo distante em pontos equidistantes da origem em um tempo fixo.

Referência:

Centro de fase da antena - um ponto no espaço, em relação ao qual o valor da fase no campo distante não depende da direção e muda abruptamente para ao passar de uma pétala do HNA para outra.

Para uma fonte pontual de uma onda eletromagnética que emite uma onda esférica, a superfície de fases iguais tem a forma de uma esfera.

Polarizando HNA

Uma onda eletromagnética é polarizada.

Polarização é a orientação espacial do vetor E, considerada em qualquer ponto fixo do campo distante durante uma oscilação.

No caso geral, o final do vetor E para um período de oscilação em qualquer ponto fixo no espaço descreve uma elipse, que está localizada em um plano perpendicular à direção de propagação da onda (elipse de polarização).

A polarização é caracterizada por:

parâmetros de elipse;

a orientação espacial da elipse;

a direção de rotação do vetor E.

Impedância de radiação da antena

A resistência à radiação de uma antena é a impedância característica do espaço ao redor da antena, que ela transferiu para a entrada, ou para qualquer seção do guia de ondas que a alimenta, onde o conceito de corrente total tem um significado e pode ser definido.

A resistência à radiação pode ser calculada usando a fórmula:

WL ,

onde I é o valor da corrente total em um determinado local da antena ou linha de dois fios que a alimenta, que é equivalente ao guia de onda oco de alimentação.

Impedância de entrada da antena

A impedância de entrada da antena é a razão das amplitudes complexas de tensões e correntes harmônicas nos terminais de entrada da antena.

A impedância de entrada da antena caracteriza a antena como uma carga na linha de alimentação.

Este parâmetro é usado principalmente para antenas lineares, ou seja, antenas para as quais as tensões e correntes de entrada têm um significado físico claro e podem ser medidas.

Para antenas de micro-ondas, as dimensões da seção transversal de seu guia de onda de entrada são geralmente especificadas.

Eficiência da antena (COP)

Determina a eficiência da transmissão da antena para a área circundante.

Resistência à perda

Referência:

Com um aumento em f, a eficiência da antena aumenta de uma pequena porcentagem em comprimentos de onda longos para 95-99% em frequências de micro-ondas.

Rigidez dielétrica e altura da antena

A rigidez dielétrica de uma antena é a capacidade das antenas de executar suas funções sem quebra elétrica de um dielétrico em sua estrutura ou no ambiente com um aumento na potência de uma onda eletromagnética entrando em sua entrada.

Quantitativamente, a rigidez dielétrica da antena é caracterizada pela potência máxima permissível e a intensidade do campo elétrico crítico correspondente na qual a quebra começa.

Altura da antena

A altura da antena é a capacidade das antenas de realizar suas funções sem quebra elétrica da atmosfera circundante com um aumento na altura desta antena para uma dada potência de transmissão.

Referência:

Com o aumento da altitude, a rigidez dielétrica primeiro diminui, atingindo um mínimo em altitudes de 40-100 km, e depois aumenta novamente.

Faixa de freqüência de operação da antena

O intervalo de frequência de f max a f min, dentro do qual nenhum dos parâmetros e características da antena ultrapassa os limites especificados nas especificações técnicas.

Normalmente, a faixa é determinada pelo parâmetro, o valor do qual, quando a frequência é alterada, sai da faixa antes dos outros. Na maioria das vezes, este parâmetro é a impedância de entrada da antena.

A largura de banda e a transmitância são estimativas quantitativas das propriedades de alcance de uma antena:

Uso frequente de largura de banda relativa

De acordo com o parâmetro, as antenas são divididas em:

Fator de ação direcional (LPC)

Coeficiente direcional da antena em para nesta direçãoé um número que mostra quantas vezes o valor do vetor de Poynting na direção considerada em um ponto fixo da zona distante difere do valor do vetor de Poynting no mesmo ponto se a antena considerada for substituída por uma absolutamente não direcional ( antena isotrópica), desde que suas potências irradiadas sejam iguais.

Referência:

Normalmente indica valor máximo Direcionalidade direcional da antena na direção do máximo de sua radiação.

Vibrador: KND = 0,5;

Vibrador simétrico de meia onda: KND = 1,64;

Antena de chifre: KND;

Antena refletora: KND;

Antenas de espaçonaves: KND;

O fator limitante do limite superior do LPC são os erros tecnológicos de fabricação e a influência das condições de operação.

Os valores mínimos dos máximos da diretividade das antenas reais são sempre> 1Desde a não existem antenas absolutamente omnidirecionais.

A diretividade está relacionada ao campo com a amplitude normalizada HNA:

,

Onde – valor máximo de diretividade na direção de radiação máxima da antena, em que .

CPV mostrando O ganho de potência que a antena direcional fornece, mas não leva em consideração a perda de calor nela.

NS NS ganho da antena

O ganho da antena em uma determinada direção é um número que mostra o ganho de potência do uso de uma antena direcional, levando em consideração as perdas de calor nela:

Potência isotrópica irradiada equivalente

A potência isotrópica irradiada equivalente é o produto da potência fornecida à antena pelo ganho máximo da antena.

Fator de dissipação de antena

O fator de dissipação da antena é um número que representa a proporção da potência irradiada atribuível aos lóbulos lateral e posterior.

Determina a queda de energia no lóbulo principal do HNA

Comprimento efetivo da antena

O comprimento efetivo da antena é o comprimento de um vibrador retilíneo hipotético com uma distribuição de corrente uniforme ao longo de todo o seu comprimento, que, na direção de sua radiação máxima, cria a mesma intensidade de campo que a antena em consideração com a mesma corrente de entrada.

Em um meio com impedância característica, o comprimento efetivo da antena é determinado pela expressão.

Polarização de ondas eletromagnéticas

A polarização de ondas eletromagnéticas (polarização francesa; fonte original: eixo polo grego, pólo) é uma violação da simetria axial de uma onda transversal em relação à direção de propagação dessa onda. Em uma onda não polarizada, oscilações dos vetores sev de deslocamento e velocidade no caso de ondas elásticas ou vetores E e H das intensidades dos campos elétricos e magnéticos no caso de ondas eletromagnéticas em cada ponto no espaço ao longo de todas as direções possíveis em um plano perpendicular à direção de propagação da onda, substituem-se rápida e aleatoriamente de forma que nenhuma dessas direções de vibração seja predominante. Uma onda transversal será chamada de polarizada se em cada ponto no espaço a direção das oscilações permanecer inalterada ou mudar ao longo do tempo de acordo com uma determinada lei. Uma onda polarizada no plano (polarizada linearmente) é chamada de onda com uma direção constante de oscilações, respectivamente, dos vetores s ou E. Se as extremidades desses vetores descrevem círculos ou elipses ao longo do tempo, então a onda é chamada de circular ou elipticamente polarizado. Uma onda polarizada pode surgir: devido à ausência de simetria axial no emissor excitando a onda; quando as ondas são refletidas e refratadas na interface entre duas mídias (consulte a lei de Brewster); quando uma onda se propaga em um meio anisotrópico (veja Birrefringência).
(veja o Grande Dicionário Politécnico Enciclopédico)
Na prática: se o sinal do telecentro vai na polarização horizontal, então os vibradores da antena devem estar localizados paralelamente ao plano do solo, se o sinal é transmitido na polarização vertical, então os vibradores da antena devem estar localizados perpendicularmente ao plano do solo, se os sinais são transmitidos em duas polarizações, então dois resumem as antenas e os sinais delas. Na zona de recepção confiável, você pode colocar uma antena em um ângulo de 45 graus em relação ao plano do solo.
O sinal de televisão por satélite é transmitido para a Terra em polarização linear e circular. Para receber esses sinais, são usados ​​diferentes conversores: por exemplo, para Continent TV, um conversor linear, e para Tricolor TV, um conversor circular. A forma e o tamanho do prato não afetam a polarização.

Um parâmetro importante das antenas é a impedância de entrada: (a impedância de entrada da antena), que a caracteriza como uma carga para o transmissor ou alimentador. A impedância de entrada da antena é a razão da tensão entre o ponto de conexão (ponto de excitação) da antena e o alimentador, para a corrente nesses pontos. Se a antena for alimentada por um guia de ondas, a impedância de entrada é determinada por reflexos no caminho do guia de ondas. A impedância de entrada da antena consiste na soma da resistência de radiação da antena e da resistência de perda: Z = R (out) + R (sweat). R (rad) - no caso geral, o valor é complexo. Na ressonância, o componente reativo da impedância de entrada deve ser zero. Em frequências acima da impedância ressonante, a impedância é indutiva, e em frequências abaixo da ressonante, é capacitiva, o que causa perda de potência nos limites da banda de trabalho da antena. R (suor) - a resistência à perda da antena depende de muitos fatores, por exemplo, sua proximidade com a superfície da Terra ou superfícies condutoras, perdas ôhmicas nos elementos e fios da antena, perdas de isolamento. A impedância de entrada da antena deve ser combinada com a impedância característica do caminho de alimentação (ou com a impedância de saída do transmissor) de modo a fornecer neste último um modo próximo ao modo de onda viajante.
Para antenas de televisão, a impedância de entrada é: antena log-periódica - 75 Ohm, para canal de onda - 300 Ohm. Para antenas de canal de onda, ao usar um cabo de televisão com uma impedância característica de 75 ohms, um dispositivo compatível, um transformador de RF é necessário.

Razão de onda estacionária (KSV)

A proporção da onda estacionária caracteriza o grau de correspondência antena-alimentador, bem como a correspondência de saída transmissor-alimentador. Na prática, uma parte da energia transmitida é sempre refletida e devolvida ao transmissor. A energia refletida faz com que o transmissor superaqueça e pode danificá-lo.

VSWR é calculado da seguinte forma:
KSV = 1 / KBV = (U pad + U ref) / (U pad - U ref), onde U pad e U ref são as amplitudes das ondas eletromagnéticas incidentes e refletidas.
As amplitudes das ondas incidentes (U pad) e refletidas (U ref) na linha KBV são relacionadas pela razão: KBV = (U pad + U ref) / (U pad - U ref)
Idealmente, SWR = 1, valores até 1,5 são considerados aceitáveis.

Padrão direcional (DP)

O padrão de radiação é uma das características mais óbvias das propriedades de recepção da antena. A construção dos padrões de radiação é realizada em coordenadas polares ou retangulares (cartesianas). . Considere, por exemplo, embutido coordenadas polares o diagrama direcional da antena do tipo "canal de onda" no plano horizontal (Fig. 1). A grade de coordenadas consiste em dois sistemas de linhas. Um sistema de linhas são círculos concêntricos centrados na origem. O círculo do maior raio corresponde ao EMF máximo, cujo valor é convencionalmente assumido como igual a um, e os círculos restantes são valores intermediários do EMF de um a zero. Outro sistema de linhas que formam uma grade de coordenadas é um feixe de linhas retas que dividem um ângulo central de 360 ​​° em partes iguais. Em nosso exemplo, esse ângulo é dividido em 36 partes de 10 ° cada.

Suponha que a onda de rádio venha da direção mostrada na Fig. 1 seta (ângulo de 10 °). Pode-se ver no diagrama direcional que esta direção de chegada da onda de rádio corresponde à EMF máxima nos terminais da antena. Ao receber ondas de rádio vindas de qualquer outra direção, a EMF nos terminais da antena será menor. Por exemplo, se as ondas de rádio chegam em ângulos de 30 e 330 ° (ou seja, em um ângulo de 30 ° em relação ao eixo da antena na direção dos diretores), então o valor EMF será 0,7 no máximo, nos ângulos 40 e 320 ° - 0,5 no máximo e etc.

O padrão de radiação (Fig. 1) mostra três áreas características - 1, 2 e 3. A área 1, que corresponde ao maior nível de sinal recebido, é chamada de principal , ou o lóbulo principal do padrão de radiação. As regiões 2 e 3, localizadas na lateral do refletor da antena, são chamadas de lóbulos posterior e lateral do padrão de radiação. . A presença de lóbulos posterior e lateral indica que a antena recebe ondas de rádio não só pela frente (pelo lado dos diretores), mas também por trás (pelo lado do refletor), o que reduz a imunidade de recepção ao ruído. Nesse sentido, ao sintonizar a antena, eles tendem a reduzir o número e o nível dos lóbulos posterior e lateral.
O padrão de radiação descrito, que caracteriza a dependência do EMF nos terminais da antena na direção de chegada da onda de rádio, é freqüentemente chamado de padrão de radiação de "campo" , uma vez que o EMF é proporcional à intensidade do campo eletromagnético no ponto de recepção. Ao quadrar o EMF correspondente a cada direção de chegada da onda de rádio, é possível obter um diagrama de diretividade de potência ( linha pontilhada na fig. 2).
Para uma avaliação numérica das propriedades direcionais da antena, são usados ​​os conceitos de ângulo de abertura do lóbulo principal do padrão direcional e o nível dos lóbulos posterior e lateral. O ângulo de abertura do lóbulo principal do padrão de radiação é o ângulo dentro do qual a EMF nos terminais da antena cai para um nível de 0,7 do máximo. O ângulo de abertura também pode ser determinado através do diagrama de diretividade da potência, por sua queda ao nível de 0,5 do máximo (o ângulo de abertura para "meia" potência). Em ambos os casos, o valor numérico do ângulo de abertura é obtido, naturalmente, o mesmo.
O nível dos lóbulos posterior e lateral do padrão de radiação de voltagem é definido como a proporção do EMF nos terminais da antena quando recebido do lado do máximo do lóbulo traseiro ou lateral para o EMF do lado do máximo do lóbulo principal. Quando a antena tem vários lóbulos laterais e traseiros de tamanhos diferentes, o nível do lóbulo maior é indicado.

Fator de ação direcional (LPC)

Fator direcional: (diretividade) da antena de transmissão - a relação entre o quadrado da intensidade do campo criado pela antena na direção do lóbulo principal e o quadrado da intensidade do campo criado pela antena de referência não direcional ou direcional (metade dipolo de onda - dipolo, cujo fator direcional em relação à antena não direcional hipotética é 1, 64 ou 2,15 dB) com a mesma potência de entrada. (KND) é uma grandeza adimensional, que pode ser expressa em decibéis (dB, dBi, dBd). Quanto mais estreito for o lobo principal (MD) e quanto mais baixo for o nível dos lobos laterais, maior será a diretividade.
O ganho real da antena em termos de potência em relação a um hipotético emissor isotrópico ou vibrador de meia onda é caracterizado pelo ganho de potência KU (Potência), que está relacionado à razão (KND):
KU (potência) = KND - eficiência (eficiência da antena)

Ganho (KU)

O ganho da antena (GF) é a razão entre a potência na entrada da antena de referência e a potência fornecida à entrada da antena em consideração, desde que ambas as antenas criem em uma determinada direção em distância igual valores iguais da intensidade do campo durante a emissão de energia, e durante a recepção - a proporção das potências alocadas para as cargas combinadas das antenas.
KU é uma grandeza adimensional, que pode ser expressa em decibéis (dB, dBi, dBd).
O ganho da antena é caracterizado por um ganho de potência (tensão) que é liberado em uma carga combinada conectada aos terminais de saída da antena em questão, em comparação com uma antena "isotrópica" (isto é, tendo um padrão circular) ou, por exemplo, um vibrador de meia onda. Neste caso, é necessário levar em consideração as propriedades direcionais da antena e a perda nela (eficiência). Para antenas de recepção de televisão (KU), é aproximadamente igual ao coeficiente de ação direcional (diretividade) da antena, uma vez que a eficiência dessas antenas está na faixa de 0,93 ... 0,96. O ganho das antenas de banda larga depende da frequência e é desigual em toda a banda de frequência. No passaporte, o valor máximo (KU) é freqüentemente indicado na antena.

Coeficiente de desempenho (COP)

No modo de transmissão, (eficiência) é a relação entre a potência emitida pela antena e a potência fornecida a ela, visto que há perdas no estágio de saída do transmissor, no alimentador e na própria antena, a eficiência da antena é sempre menos de 1. Ao receber antenas de televisão, a eficiência está entre 0, 93 ... 0,96.

O projeto, fabricação e uso de antenas para comprimentos de onda longos (LW), médios (MW) e curtos (KB) são significativamente menos problemáticos do que antenas para VHF, especialmente televisão. O fato é que nas bandas DV, SV, KB, os transmissores, via de regra, possuem uma alta potência, a propagação das ondas de rádio nessas bandas está associada a altos valores de difração e refração na atmosfera, e na recepção dispositivos têm alta sensibilidade.

Ao transmitir e receber um sinal na faixa de VHF e, em particular sinal de televisão a garantia dos valores exigidos para estes parâmetros acarreta uma série de dificuldades, nomeadamente: o alcance da potência de emissores de televisão, como os de radiodifusão, revelou-se até agora impossível; os fenômenos de difração e refração na faixa de VHF são insignificantes; a sensibilidade de um receptor de televisão é limitada pelo seu próprio nível de ruído e é, devido à necessidade de receber um sinal de banda larga, cerca de 5 μV. Portanto, para entrar na tela da TV alto nível o nível de imagem do sinal de entrada deve ser de pelo menos 100 µV. Porém, devido à baixa potência do transmissor e às piores condições de propagação das ondas de rádio, a intensidade do campo eletromagnético no ponto receptor é baixa. Portanto, surge um dos principais requisitos para uma antena de televisão: para uma determinada intensidade de campo no ponto de recepção, a antena deve fornecer a tensão de sinal necessária para a operação normal do receptor de televisão.

A antena receptora é um único fio ou um sistema de fios projetado para converter a energia das ondas eletromagnéticas em energia de correntes de alta frequência. Os parâmetros das antenas durante a operação para recepção e transmissão são idênticos, portanto, pode-se aplicar o princípio da reciprocidade dos dispositivos das antenas, o que possibilita determinar algumas características e parâmetros das antenas no modo de transmissão, e outros na recepção. modo.

Ondas de rádio, caindo sobre os objetos ao redor, induzem correntes elétricas de alta frequência neles. Este último cria um campo eletromagnético e a onda eletromagnética é refletida. A antena recebe ondas de rádio diretas e refletidas, que distorcem a imagem na tela da TV.

Estudos experimentais mostraram que, ao usar a polarização vertical, significativamente mais ondas refletidas chegam ao local de recepção do que ao usar a polarização horizontal. Isto deve-se ao facto de no espaço envolvente, especialmente nas cidades, existirem muitos obstáculos verticais e bem reflectores (edifícios, postes, canos, ímanes). Ao escolher o tipo de polarização, as propriedades das antenas também são levadas em consideração. Estruturalmente, as antenas horizontais são mais simples do que as verticais. Quase todos eles possuem direcionalidade no plano horizontal, o que enfraquece a recepção de interferências e ondas refletidas devido à seletividade espacial.

O recebimento de antenas de televisão deve atender aos seguintes requisitos básicos:

Possui um design simples e fácil de usar;

Alta seletividade espacial;

Passe uma ampla faixa de freqüência;

Fornece uma alta relação sinal-interferência durante a recepção;

Possui uma dependência fraca da impedância de entrada e ganho na frequência.

Impedância de entrada da antena

Uma antena é uma fonte de sinal caracterizada por uma força eletromotriz (EMF) e uma resistência interna chamada impedância de entrada da antena. A impedância de entrada é determinada pela relação entre a direção nos terminais da antena e a corrente na entrada do alimentador. O valor da impedância de entrada da antena deve ser conhecido para fazer a correspondência correta da antena com o cabo e a TV: somente nessas condições a potência máxima é fornecida à entrada da TV. Com a correspondência adequada, a impedância de entrada da antena deve ser igual à impedância de entrada do cabo, que, por sua vez, deve ser igual à impedância de entrada da TV.

A impedância de entrada da antena tem componentes ativos e reativos. A impedância de entrada da antena sintonizada é puramente ativa. Depende do tipo de antena e seu características de design... Por exemplo, a impedância de entrada de um vibrador de meia onda linear é de 75 ohms e a de um vibrador de loop é de cerca de 300 ohms.

Combinando a antena com o cabo alimentador

A combinação antena-cabo é caracterizada pela relação de onda viajante (TWR). Na ausência de uma combinação perfeita entre a antena e o cabo, a onda incidente (tensão de entrada) é refletida, por exemplo, da extremidade do cabo ou outro ponto onde sua propriedade muda drasticamente. Nesse caso, as ondas incidentes e refletidas se propagam ao longo do cabo em direções opostas. Nos pontos onde as fases de ambas as ondas coincidem, a tensão total é máxima (antinodo), e nos pontos onde as fases são opostas, é mínima (nó).

O coeficiente de onda viajante é determinado pela razão:

No caso ideal, KBV = 1 (quando há um modo de onda viajante, ou seja, um sinal da potência máxima possível é transmitido para a entrada da TV, uma vez que não há ondas refletidas no cabo). Isso é possível combinando as impedâncias de entrada da antena, cabo e TV. No pior caso (quando U min = 0) KBV = 0 (existe um modo de onda estacionária, ou seja, as amplitudes das ondas incidente e refletida são iguais e a energia não é transmitida ao longo do cabo).

A proporção da onda estacionária é determinada pela proporção:

Ganho direcional e de antena

A antena omnidirecional receptora recebe sinais de todas as direções. A antena de recepção direcional tem seletividade espacial. Isso é importante porque, com um baixo nível de diretividade de campo no local de recepção, tal antena aumenta o nível do sinal recebido e atenua a interferência externa vinda de outras direções.

O ganho direcional de uma antena receptora é um número que indica quantas vezes a potência fornecida à entrada de TV ao receber em uma antena direcional é maior do que a potência que pode ser obtida ao receber em uma antena omnidirecional (na mesma intensidade de campo).

As propriedades de diretividade da antena são caracterizadas por um padrão de diretividade. O diagrama direcional da antena receptora é uma representação gráfica da dependência da tensão do sinal na entrada da TV no ângulo de rotação da antena no plano correspondente. Este diagrama caracteriza a dependência do EMF induzido na antena pelo campo eletromagnético na direção de chegada do sinal. É construído em um sistema de coordenadas polares ou retangulares. Sobre arroz. 12 os padrões de radiação da antena do tipo "canal de onda" são apresentados.

Arroz. 1. O padrão de radiação da antena no sistema de coordenadas polares

Os padrões de radiação da antena são, na maioria das vezes, multi-lóbulos. A pétala correspondente à direção de chegada da onda na qual o EMF máximo é induzido na antena é chamada de principal. Na maioria dos casos, o padrão de radiação também tem lóbulos reversos (traseiros) e laterais. Para a conveniência de comparar diferentes antenas entre si, seus padrões direcionais são normalizados, ou seja, são plotados em valores relativos, tomando o maior EMF como um (ou cem por cento).

Os principais parâmetros do padrão de radiação são a largura (ângulo de abertura) do lobo principal nos planos horizontal e vertical. A largura do lóbulo principal é usada para avaliar as propriedades direcionais da antena. Quanto menor for a largura, maior será a diretividade.

Arroz. 2. Padrão de radiação da antena em um sistema de coordenadas retangular

O nível dos lóbulos lateral e posterior caracteriza a imunidade a ruído da antena. É determinado usando o fator de proteção da antena (SPC), que é entendido como a razão da potência emitida pela antena em uma carga combinada ao receber da direção traseira ou lateral para a potência na mesma carga ao receber da direção principal .

O coeficiente de ação protetora é frequentemente expresso em unidades logarítmicas - decibéis:

As propriedades direcionais da antena também são caracterizadas pelo coeficiente de ação direcional (DIR) - um número que mostra quantas vezes a potência do sinal que entra na entrada da TV quando recebida em uma determinada antena direcional é maior do que a potência que poderia ser obtida ao receber em uma antena de referência omnidirecional ou direcional. Um dipolo de meia onda (dipolo) é mais frequentemente usado como uma antena de referência, a diretividade da qual em relação a uma antena omnidirecional hipotética é 1,64 (ou 2,15 dB). O LPC caracteriza o ganho de potência máximo possível que uma antena pode dar devido às suas propriedades direcionais, assumindo que não há perdas nela. Na verdade, qualquer antena tem perdas e o ganho de potência que ela dá é sempre menor que o máximo possível. O ganho real da antena em termos de potência em relação a um hipotético radiador isotrópico ou vibrador de meia onda é caracterizado pelo ganho de potência K p, que está relacionado ao LPC pela proporção:

Onde η - coeficiente de desempenho (eficiência) das antenas.

A eficiência da antena caracteriza a perda de potência na antena e é a razão da potência de radiação para a soma das potências e perdas de radiação, ou seja, para a potência total fornecida à antena pelo transmissor:

Onde P u- poder de radiação, P n- perdas de potência.

Largura de banda da antena

A largura de banda de uma antena de televisão receptora é um espectro de freqüência dentro do qual todos os principais valores de suas características elétricas são mantidos. A resposta de frequência de uma antena sintonizada é semelhante a uma curva de ressonância circuito oscilatório... Portanto, por analogia com a largura de banda do loop, a largura de banda da antena também pode ser determinada.

Na frequência ressonante (fixa), a antena tem um certo valor de impedância de entrada, que é consistente com a impedância de carga. Esta frequência é geralmente considerada como a frequência média canal de televisão onde a reatância da antena é zero. Em frequências abaixo do ressonante, é capacitivo, e em frequências acima do ressonante, é indutivo.

Assim, uma mudança na frequência leva a uma mudança no componente ativo e ao aparecimento de um componente reativo da resistência de entrada. Como resultado, a energia fornecida à carga é reduzida.

Isso é especialmente perceptível nas frequências extremas mais distantes de frequência de ressonância... A potência não pode ser reduzida em mais de duas vezes. Com base nesta largura de banda 2Af tal espectro de frequência próximo à frequência ressonante é considerado, dentro do qual a energia fornecida à carga diminuirá em não mais do que duas vezes.

Fornecer boa qualidade A antena deve transmitir todo o espectro de freqüência do sinal de televisão, que para um canal é de 8 MHz. A qualidade da imagem ainda é boa se a antena tiver uma largura de banda de pelo menos 6 MHz. O estreitamento adicional da banda de frequência leva a uma deterioração na qualidade da imagem e à perda de sua clareza. Maioria método eficaz expansão da largura de banda - uma diminuição na impedância de onda equivalente do vibrador, aumentando suas dimensões transversais. Desta forma, a capacitância linear aumenta e a indutância linear do vibrador diminui. Entre outras coisas, a largura de banda da antena é limitada pela largura de banda do drop feeder.

impedância de entrada da antena. Acredita-se que seja uma reatância e resistência conectadas em série. Mas não há resistor, capacitor ou indutor real na antena ou no alimentador. Tudo isso é apenas o resultado do cálculo das resistências equivalentes do circuito da antena. Deixe uma certa "caixa preta" ser usada como uma carga, o conector de entrada da qual é fornecido com tensão RF. Neste conector, você pode realmente medir a tensão instantânea u 'e a corrente i', bem como a diferença de fase entre elas j. A resistência de entrada é o ativo e a reatância calculados, conectando-se à tensão de HF dada que obtemos exatamente o mesmo u ', i' e j.
Sabe-se que tal equivalente pode ter conexão serial (serial, Zs = Rs + jXs) e paralela (paralela, Zp = Rp || + jXp) de resistências ativas e de reatância. Cada conexão em série de resistências ativa (Rs) e reativa (Xs) corresponde a uma conexão paralela de resistências ativa (Rp) e reatância (Xp). Em geral, Rs # Rp e Xs # Xp. Aqui estão as fórmulas pelas quais você pode recalcular os valores numéricos de um composto para outro.

Por exemplo, vamos converter a conexão serial Zs = 40 + j30W para Zp paralelo.

Mais frequentemente, o equivalente da conexão em série é usado, mas o equivalente da conexão paralela tem o mesmo significado prático. Zs é chamada de impedância em série, R é a resistência, X é a reatância e Zp é a impedância paralela. Na conexão paralela, a administração é freqüentemente usada, mas isso é condutividade e a visibilidade ao ser usada é bastante reduzida. Normalmente, o termo "impedância" indica que estamos falando de uma conexão em série de resistência e reatância equivalentes.

88) Os poderes fornecidos à antena e irradiados pela antena.

O poder é dividido em duas partes:

1) emitido

2) perdas na resistência ativa (no solo, nos condutores de metal circundantes, caras, edifícios, etc.)

- a potência irradiada, como para qualquer circuito linear, é proporcional ao quadrado do valor efetivo da corrente na antena.

- coeficiente de proporcionalidade.

A resistência à radiação pode ser definida como o coeficiente que conecta antenas com em um determinado ponto da antena.

(forma da antena, dimensões geométricas, eu)

- poder útil

Perda de potência:

- Resistência de perda equivalente relacionada à corrente eu

– poder total(fornecido para a antena)

Onde - resistência ativa da antena no ponto de alimentação

Para avaliar a eficiência da antena, o conceito de eficiência da antena é introduzido , para aumentar é necessário diminuir.

89) Vibrador elétrico simétrico em espaço livre.

Leis aproximadas de distribuição de corrente e carga sobre o vibrador.

Arroz. 15. Vibrador simétrico

Vibrato simétrico - dois braços do mesmo tamanho e formato, entre os quais o gerador é ligado.

Antes do desenvolvimento de uma teoria rigorosa de um vibrador simétrico (final dos anos 30 - início dos 40), um método aproximado era usado para calcular o campo vibratório. É baseado na suposição de uma distribuição de corrente senoidal sobre o vibrador (a lei das ondas estacionárias) associada a alguma analogia externa entre um vibrador simétrico e uma linha de 2 fios aberta na extremidade.

AULA 9.

• 
  ^ Emissor isotrópico
• 
  Vibrador simétrico
• 
  Principais características das antenas. Amplitude característica de diretividade de antenas
• 
  Resistência à radiação
• 
  Impedância da antena
• 
  Impedância de entrada
• 
  Resistência à perda

^

RADIADOR ISOTRÓPICO.

Um emissor isotrópico é entendido como um dispositivo que irradia energia eletromagnética uniforme e igualmente em todas as direções.

No entanto, na prática, não existem emissores não direcionais. Cada antena transmissora, mesmo a mais simples, emite energia de forma desigual e sempre há uma direção na qual a energia máxima é irradiada.

O emissor mais simples ou elementar é um vibrador elétrico eletromagnético, que consiste em um fio muito curto em relação ao comprimento de onda, aerodinâmico choque elétrico, cuja amplitude e fase são iguais em qualquer ponto do fio. Um modelo prático de vibrador elementar é o dipolo Hertz. A estrutura do campo de radiação do dipolo Hertz tem um máximo em um ponto situado em uma linha reta perpendicular ao dipolo. Ao longo do campo dipolo = 0.
^

VIBRADOR SIMÉTRICO.

Consiste em dois condutores de mesmo comprimento, entre os quais é ligada uma linha de alimentação - um alimentador, que conecta a antena ao transmissor.

A maioria das frequências usadas é um vibrador simétrico com um comprimento de l pela metade , chamado de vibrador de meia onda na Fig. 37a.

Devido à reflexão da corrente e da voltagem nas pontas dos fios da antena, uma onda estacionária de corrente e voltagem é estabelecida ao longo dos fios.

Ao longo do vibrador de meia onda, a metade da onda de corrente e tensão é definida, ao longo do vibrador de comprimento de onda - a onda de corrente e tensão Fig. 37b. No entanto, em qualquer caso, um nó de corrente e um antinó de tensão são instalados nas extremidades.
^

PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DAS ANTENAS.

CARACTERÍSTICA DA AMPLITUDE DA DIREÇÃO DA ANTENA.

As propriedades direcionais das antenas são geralmente determinadas pela característica de amplitude direcional, ou seja, dependência da intensidade do campo emitido pela antena E (, ) no ponto de observação a uma distância constante. A imagem gráfica da característica de amplitude direcional é chamada de diagrama direcional, que é representado como uma superfície descrita pelo vetor de raio saindo da origem, cujo comprimento em cada direção é proporcional à função F (, ) .

O padrão de radiação é construído em sistemas de coordenadas polares (Fig. 38a) e retangulares (Fig. 38b).

A direção da radiação máxima das antenas é chamada de direção principal. E a pétala que lhe corresponde é a principal. O resto das pétalas são laterais. As direções nas quais a antena não recebe ou irradia são chamadas de zeros padrão.

O lóbulo principal é caracterizado por uma largura de metade da potência  0,5 e uma largura de zeros  0. A largura  0,5 é determinada a partir do RP no nível de 0,707, é assumido que a potência no nível de 0,5 e a intensidade do campo no nível de 0,707 estão relacionadas pela razão

R 0,5 / R balanço = E 2 0,707 / E 2 balanço = 0,5 .

O coeficiente direcional de diretividade da diretividade caracteriza a capacidade da antena de concentrar o campo eletromagnético irradiado em qualquer direção. É a razão entre a densidade do fluxo de potência emitida pela antena em uma determinada direção e a densidade média do fluxo de potência em todas as direções. Em outras palavras, na determinação da diretividade, a antena é comparada com uma antena imaginária, absolutamente não direcional ou isotrópica que irradia a mesma potência da considerada.

Para antenas de abertura

PARA WL = 4 PARA ISP S a /  2 ,

Onde: PARA isp é o fator de utilização da superfície emissora da instrumentação;

S a - área de abertura da antena.

A maioria das antenas RRL e sistemas de satélite A largura de transmissão do padrão na metade da potência no plano vertical é aproximadamente igual à largura do diagrama no plano horizontal.

Para levar em consideração a eficiência de uma antena real, é introduzido o conceito de ganho do ganho da antena, que é determinado pela razão

G =  a PARA WL ,

Onde:  uma = R  / R 0 - eficiência da antena;

R  é a potência irradiada da antena;

R 0 é a potência fornecida à antena.

O ganho da antena indica quantas vezes a potência fornecida à antena deve ser reduzida em comparação com a potência fornecida a um radiador isotrópico com eficiência igual a 1, de forma que a intensidade do campo no ponto de recepção permaneça inalterada.

Na faixa de ondas decimétricas e centimétricas  a  1 , Portanto

G = K WL.

O coeficiente de ação protetora do SPC é introduzido para caracterizar o grau de atenuação dos sinais da antena recebidos das direções laterais, e é calculado pela fórmula PARA bld = G balanço / G bb, onde G balanço e G bp - ganhos da antena na direção do feixe principal do padrão da antena e na direção lateral.
^

RESISTÊNCIA À RADIAÇÃO.

Impedância de radiação da antena R rad - um indicador que tem a dimensão da resistência e conecta a potência irradiada P rad com a corrente eu E, fluindo através de qualquer seção da antena

R Fora = R Fora / EU UMA 2 .

Uma vez que as correntes e tensões são distribuídas de forma desigual ao longo do comprimento da antena, para arredondar o valor R izl, na maioria dos casos, a potência irradiada é referida ao quadrado da amplitude máxima da corrente (no antinodo) ou ao quadrado da corrente nos terminais de entrada da antena.

A quantidade R O raio depende da relação entre o tamanho da antena e o comprimento de onda, o formato da antena e outros fatores.

Portanto, um aumento no comprimento de um vibrador simétrico solitário até eu = , leva a um aumento na resistência à radiação. Porém, mais adiante ele cai, então sobe novamente.

Em geral R izl tem um caráter complexo.

Por exemplo, para um vibrador fino de meia onda R Fora = 73,1 Ohm, um NS Fora = 42,5 Ohm.

Um aumento na espessura do vibrador leva a uma diminuição na magnitude da resistência da onda.
^

RESISTÊNCIA DE ONDAS DA ANTENA.

Impedância da antena Z OA é um dos parâmetros importantes. Sob consideração impedância de onda métodos da teoria das linhas longas.

Para comprimento de condutor cilíndrico único eu , ao qual a antena na forma de um dipolo simétrico pode ser atribuída, a fórmula de cálculo tem a forma

,

Onde: r n é o raio do condutor.

Um aumento na espessura do condutor leva a uma diminuição na impedância característica.
^

RESISTÊNCIA DE ENTRADA.

Impedância de entrada da antena - Um indicador que representa a relação entre a tensão nos terminais da antena e a corrente que flui através deles. Em geral, essa resistência é complexa.

Z Abh = R Abh + eu Abh

Onde: R Avx é o componente ativo da resistência de entrada;

NS Avx é o componente reativo da resistência de entrada.
^

RESISTÊNCIA À PERDA.

A resistência à perda é definida como:

R NS = R n + R e + R 3 ,

Onde: R n - resistência de perdas para fios de aquecimento;

R e é a perda de resistência nos isoladores da antena;

R 3 - resistência a perdas no aterramento e nos sistemas de aterramento.