5. Характеристики антенных устройств и их влияние на ЭМС

Привет, Вы узнаете о том , что такое характеристики антенных устройств, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое характеристики антенных устройств , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электромагнитная совместимость.

Антенна является с одной стороны пространственным фильтром и обеспечивает пространственную и поляризационную избирательность, а с другой стороны она может выполнять функции частотного фильтра то есть осуществлять частотную селекцию электромагнитных полей. Следовательно, уровень полезного сигнала и помех, проникающих на вход приемника, в значительной мере зависит от свойств антенных устройств.

Электродинамические характеристики антенн принято определять в режиме передачи, считая, что характеристики антенн в режиме приема (приемных антенн) совпадают с их характеристиками в режиме передачи.

Направленные свойства антенн характеризует амплитудная характеристика направленности антенны – функция отображающая зависимость амплитуды напряженности электрического поля, создаваемого антенной на фиксированном расстоянии в дальней зоне, от угловых точки наблюдения.

Рисунок 5.1 - Пример изображения диаграммы направленности антенны

В большинстве случаев ДН антенны имеет многолепестковый вид (рис. 5.1). Наибольший лепесток называется главным, остальные – боковыми лепестками ДН, причем главных лепестков, иногда может быть несколько.

Главный лепесток ДН характеризуется шириной определяемой на уровне половинной мощности (-3 дБ), либо на уровне -10 дБ. Боковые лепестки нумеруются, начиная от главного лепестка ДН, и характеризуются своим угловым положением и уровнем.

Немаловажное значение в задачах ЭМС имеет описание направленных свойств антенны не только в области главного, но и бокового лепестков, не только на больших расстояниях, но и в ближней зоне антенны. Поэтому всю область пространства, окружающую антенны разбивают на две части:

• область главного лепестка характеристики направленности, где КУ антенны относительно постоянен;
• область бокового и заднего излучения, в которой КУ претерпевает резкие изменения.

Рассматривая совокупность одинаковых антенн, можно отметить, что для различных экземпляров этих антенн главный лепесток сохраняет относительно постоянную форму. Поэтому для описания свойств антенн в области главного лепестка ДН возможно применять детерминированное описание.

В отличие от этого, боковые и задние лепестки диаграмм направленности в совокупности таких антенн могут произвольным образом отличаться, как по величине, так по положению и форме. Такое различие обусловлено воздействием нескольких случайных факторов таких как:

• допуски на точность изготовления элементов антенны;
• наличие окружающих предметов;
• механические деформации (ветровые, весовые, температурные); - особенности конструкции.

Поэтому в области боковых и задних лепестков ДН антенны применяют их вероятностное описание.

5.2 Основные понятия

Направленные свойства антенн в области главного лепестка в рабочем диапазоне частот характеризуют следующие параметры: коэффициент направленного действия , коэффициент усиления антенны и ширина главного лепестка ДН в главных плоскостях, определенная на уровне половины излучаемой мощности.

Коэффициент направленного действия – это функция угловых координат, численно равная отношению квадрата модуля напряженности поля, создаваемого антенной в данном направлении , к усредненному по всем направлениям квадрату напряженности поля

где

Коэффициентом усиления антенны (абсолютным или изотропным КУ) называют произведение коэффициента полезного действия  и КНД

Если это специально не оговаривается, то под КНД и КУ антенны понимают максимальное значение соответствующих функций в направлении главного лепестка ДН и обозначают их как D₀ либо G₀ , соответственно.

Во многих практических приложениях используют понятие относительного коэффициента усиления, то есть КУ по отношению к некоторой антенне принимаемой за эталонную.

В Рекомендациях МСЭ-Р за эталонные принято выбирать следующие типы антенн:

• в диапазонах километровых и гектометровых волн ̶ короткий, по сравнению с длиной волны, несимметричный вибратор, расположенный над идеально проводящей плоскостью ( КУ = 2,3);
• в диапазонах декаметровых волн – симметричный полуволновой вибратор с (КУ = 1,64);
• в дециметровом и более коротковолновых диапазонах – гипотетический изотропный излучатель (КУ = 1).

Понятия характеристики направленности (ДН), КУ и КНД в строгом смысле можно использовать только в дальней зоне антенны (зоне Фраунгофера), где уже нет зависимости этих функций от расстояния. Тем не менее, в задачах прогнозирования уровня помех и анализа ЭМС иногда требуется знать характеристики излучения и на сравнительно малых расстояниях. В ближней зоне эти характеристики являются не только функциями координат, но и расстояния. Расстояние дальней зоны для антенн с высокой и средней направленностью определяется неравенством:

где L – максимальный размер антенны, λ рабочая длина волны, r – расстояние до точки наблюдения.

Для слабонаправленных антенн критерием дальней зоны является неравенство .

Для антенн с относительно узким главным лепестком ДН и высоким

КУ (G₀ > 20дБ ) приближенное значение КУ в дальней зоне можно рассчитать по приближенным формулам:

, или в децибелах

Очень часто в задачах ЭМС область основного излучения определяется по уровню –10 дБ. Тогда, если заранее ширина главного лепестка на этом уровне заранее неизвестна, то ее принимают равной удвоенному значению ширины на уровне –3 дБ. При детерминированном описании КУ в пределах главного лепестка ДН пользуются аппроксимацией, применяя удобную для расчетов функцию. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Примеры таких функций приведены в Приложении 3 (см. табл. П3.1).

5.3 Модели аппроксимации ДН

Заметим, что форма диаграммы направленности и величина коэффициента усиления антенн зависят от частоты. Для аппроксимации частотной зависимости КУ антенн при расчете уровня помех используют математическую модель усиления по главному лепестку ДН:

G₀ ( f ) = G₀ ( f₀ ) + Clg( f / f₀ + D). (5.1)

Коэффициенты модели (5.1) определяются на основе статистических расчетов по результатам измерений вне рабочего диапазона частот, при этом f₀ – рабочая частота, f - частота помехи.

В отличие от дальней зоны, где КУ постоянен, в ближней зоне с уменьшением расстояния он может испытывать значительные колебания при общей тенденции к уменьшению.

При этом главный лепесток характеристики направленности расширяется. Приближенно оценить величину КУ в ближней зоне антенн, имеющих высокое усиление в дальней зоне, можно с помощью выражения:

G(r) =11+ 20lg(r) -10lg(S) , (5.2)

где r – расстояние от антенны, м; S – площадь раскрыва, м².

Применительно к антеннам со слабой направленностью и невысоким коэффициентом усиления (штыревые, рамочные антенны, диполи) изменением усиления в ближней зоне пренебрегают.

Поскольку не всегда имеется достаточный набор статистики для вычисления указанных коэффициентов, то иногда используют пороговую модель (рис. 5.2), считая в рабочем диапазоне частот усиление постоянным и равным G₀ , вне этого диапазона считают C = 0 , а коэффициент D определяют экспериментально или теоретически.

Для ориентировочных расчетов с использованием пороговой модели можно пользоваться данными из Приложения 3 (см. табл. П3.2).

Для каждой пары из нескольких стационарно размещенных близкорасположенных антенн ДН которых не изменяют взаимной ориентации, вводят понятие коэффициента пространственной развязки.

Рисунок 5.2 - Пороговая модель частотной зависимости КУ антенны

Этот коэффициент численно равен отношению мощности P_T , подведенной к антенне источника помехи к мощности P_R в нагрузке антенны рецептора этой помехи. Он показывает, во сколько раз ослабляется мощность излучения источника помехи на входе приемника

Коэффициент развязки позволяет учесть не только направленные и поляризационный свойства антенн, но и потери в антеннах, а также наличие близкорасположенных и экранирующих объектов.

Помехозащищенность антенн характеризуется в первую очередь их амплитудными и поляризационными характеристиками направленности. При рассмотрении амплитудной диаграммы направленности (ДН) апертурных, например зеркальных антенн, обычно выделяют три пространственные области. В первой из них ДН в основном определяется токами на «освещенной» части поверхности антенны, точнее равномерной частью токов. Это так называемая область апертурного излучения. В ней находятся главный и несколько первых боковых лепестков ДН.

Во второй области, так называемого дальнего бокового излучения, ДН антенны определяется излучением равномерной и неравномерной составляющей тока, прямым полем облучателя и т.п.

В третьей области, области заднего излучения, ДН в основном определяется дифракционными эффектами на кромках антенны. При практическом использовании антенны появляются дополнительные причины, искажающие ее направленные свойства (в особенности во второй и третьей областях), вызванные наличием опоры и поддерживающих ее конструкций, влиянием расположенных рядом объектов.

Поскольку вероятность прихода помехи в секторе главного лепестка ДН обычно мала, то считают, что помехозащищенность в основном определяется областью боковых и задних лепестков.

Приведем некоторые данные о характеристиках осесимметричных антенн с круглой апертурой. Для равномерного амплитудного распределения поля в раскрыве характеристика направленности описывается формулой , d – диаметр апертуры. При этом выражение для огибающей ДН имеет вид

Основные числовые величины для этого случая приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1 – Характеристики антенны при равномерном распределении

В главном лепестке по уровню - 3 дБ заключено 47% излученной мощности, а по нулевому уровню 84%. В первых трех боковых лепестках излучается соответственно 7,2, 2,8 и 1,4% мощности. Для параболического на пьедестале амплитудного распределения поля в раскрыве характеристика направленности описывается формулой

При этом выражение для огибающей ДН имеет вид

Таблица 5.2 – Характеристики антенны при параболическом распределении

Для часто используемого на практике параболического распределения с пьедесталом -10 дБ (Δ= 0,316 ) доля мощности в пределах главного лепестка ДН составляет 53 % по уровню -3 дБ и 95,5 % по нулям. Мощность в первых трех боковых лепестках ДН составляет 2,3, 0,8 и 0,4 %, соответственно.

Наличие в раскрыве антенны облучателя, элементов фидерного тракта, элементов крепления и т.п. приводит к изменению направленных свойств, что особенно заметно в области боковых лепестков ДН. Это объясняется, как появлением в апертуре антенны затененных областей, так и рассеянием энергии на затеняющих предметах. Наличие затенения не позволяет обеспечить низкий уровень боковых и задних лепестков ДН даже при низком уровне поля на краях апертуры антенны. В Приложении 3 (см. табл. П3.3) приведены зависимости уровней трех первых боковых лепестков от степени затенения раскрыва антенны.

Еще одним существенным фактором, определяющим уровень как ближних, так и дальних боковых лепестков ДН антенн, является наличие случайных амплитудно-фазовых ошибок в распределения поля в апертуре антенны. Обычно эти ошибки обусловлены или технологическими погрешностями конструкции антенны или погрешностями реализации характеристик возбуждения, например, в антенных решетках. Физическое толкование взаимосвязи погрешностей в фазовом возбуждении антенны с появлением дополнительного фона в области боковых лепестков состоит в следующем: отсутствие синфазного возбуждения приводит к снижению уровня излучения в главном направлении, а «неизрасходованная» часть мощности переизлучается по боковым направлениям.

5.4 Усиление антенн в области боковых и задних лепестков ДН

Структура бокового излучения антенн носит случайный характер, она не остается постоянной при изменении рабочей частоты и поляризации сигнала. Эта структура заметно меняется от одного образца однотипных антенн к другому. Поэтому наиболее адекватным описанием усиления в рассматриваемой области является статистическое.

Многочисленные статистические расчеты на основании измерений направленных антенн показали, что усиление их в этой области хорошо описывается нормальным законом распределения вероятности и отличается хорошей статистической устойчивостью.

Распределение вероятности (для дискретных случайных величин) – вероятность того, что случайная величина принимает заданное значение. Плотность распределения вероятности (для непрерывных случайных величин) – предел отношения вероятности попадания случайной величины в заданный интервал к величине этого интервала при стремлении последнего к нулю.

Для ориентировочных и оперативных расчетов при прогнозировании уровня помех в задачах ЭМС можно использовать данные Приложения 3 (см. табл. П3.4).

5.5 Зоны взаимного влияния антенн

Уровень мощности помехи, поступающей на вход приемника, зависит от того по какой области ДН происходит излучение и прием мешающего сигнала. В общем случае принято различать следующие четыре ситуации, характеризующие взаимодействие РЭС через антенные тракты передатчика и приемника:

• излучение по главному лепестку ДН антенны передатчика воспринимается главным лепестком ДН антенны приемника (ГT-ГR);
• излучение по главному лепестку ДН антенны передатчика воспринимается в области бокового или заднего лепестков ДН антенны приемника (ГT-БR);
• излучение из области бокового или заднего лепестков ДН антенны передатчика воспринимается главным лепестком ДН антенны приемника (БT-ГR);
• излучение из области бокового или заднего лепестков ДН антенны передатчика воспринимается в области бокового или заднего лепестков ДН антенны приемника (БTБR).

Ниже приводится расположение антенн источника и рецептора в системе координат в горизонтальной (рис. 5.3, а) и в вертикальной плоскости (рис. 5.3, б) , а также показаны угловые параметры рассматриваемой задачи.

а) б)

Рисунок 5.3 - К расчету взаимодействия антенн

На этих рисунках приняты следующие обозначения:

• x_T , y_T , h_T – координаты антенны передатчика;
• ^x_R , ^y_R , ^h_R – координаты антенны приемника;
• d_TR – расстояние в плоскости x0y ;
• – секторы обзора антенны передатчика в горизонтальной и вертикальной плоскостях;
• – секторы обзора антенны приемника в горизонтальной и вертикальной плоскостях;
• – углы, определяющие центры секторов обзора антенн передатчика и приемника в горизонтальной плоскости;
• – углы, определяющие центры секторов обзора антенн передатчика и приемника в вертикальной плоскости;
• – углы, задающие направление от антенны передатчика на антенну приемника и наоборот, в горизонтальной плоскости;
• – углы, задающие направление от антенны передатчика на антенну приемника и наоборот, в вертикальной плоскости;
• – ширина главного максимума ДН антенны передатчика в горизонтальной и вертикальной плоскостях;
• – ширина главного максимума ДН антенны приемника в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Если положение антенн в пространстве фиксировано, то при расчетах требуется установить зону постоянного взаимодействия антенн.

Пределы изменения координатных углов , причем угол отсчитывается от плоскости параллельной плоскости x0y . Из рис. 5.3 видно, что

где: и . Если ^d_TR=0, то при ^h_T > ^h_R и при h_T < h_R.

Условия, при которых главный лепесток ДН антенны передатчика ориентирован в направлении на антенну приемника, имеют вид

(5.3)

При расчете зон взаимодействия неподвижных антенн следует в неравенствах (5.3) принять .

Должны также выполняться неравенства и .

Если они не выполняются, то следует положить и .

В случае выполнения неравенств (5.3), при определении коэффициента усиления антенны передатчика в направлении на приемник, для наихудшего случая используют модель главного лепестка ДН, а если хотя бы одно не выполняется, – то модель бокового излучения.

При необходимости определения ориентации антенны приемника в направлении передатчика в (5.3) следует заменить индексы T на R и R на T, а значения _RT и _RT можно определить из выражений и , учитывая при этом пределы изменения углов  и .

В том случае, когда положение ДН в пространстве меняется (например, при сканировании) следует выяснить, какие ситуации взаимодействия могут иметь место и каково наихудшее из возможных взаимодействий, какой процент времени соответствует каждой ситуации. Приведем формулы для расчета вероятностей различных ситуаций взаимодействий антенн независимо сканирующих в горизонтальной плоскости

где p(*) – вероятность события (*). Предварительно должно быть установлено, что перечисленные ситуации имеют место, в противном случае вероятности равны нулю.

Исследование, описанное в статье про характеристики антенных устройств, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое характеристики антенных устройств и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электромагнитная совместимость