Área de apertura efectiva de la antena. Para ayudar a los estudiantes que estudian electrónica. Energía suministrada por la antena a la carga.

Ganancia de antena

Consideremos ahora cómo las propiedades direccionales de la antena afectan la intensidad de la señal en el punto de recepción.

dejar en algún momento A Se coloca una antena transmisora ​​​​omnidireccional, que en un punto remoto EN crea una señal mi 1(Figura 7). El patrón de radiación de dicha antena en el plano del dibujo será un círculo. Si las señales emitidas por la antena A, sólo será aceptado mi punto EN, entonces la energía emitida en todas las direcciones excepto la dirección hacia el punto EN, será en vano, porque al punto EN ella no golpeará.

Poniéndolo en punto A Antena direccional orientada con máxima radiación en un punto. EN, sin cambiar la potencia del transmisor, aumentaremos la señal en el punto EN debido a la energía que antes se irradiaba inútilmente en otras direcciones.

Así, para un corresponsal situado en el punto EN, una antena direccional tendrá ganancia en comparación con una antena omnidireccional.

Por lo tanto, las propiedades direccionales de las antenas, además de los patrones de radiación, se caracterizan por una de dos cantidades más: Coeficiente direccional (abreviado como KND) o ganancia (abreviado como K a).

La ganancia de la antena K a es igual al producto de multiplicar su coeficiente direccional (DC) por el coeficiente acción útil(eficiencia):

K a = KND · Eficiencia.

Para una antena ideal sin pérdidas (eficiencia = 1), los valores de K a y eficiencia coinciden.

Dado que Ka caracteriza más completamente la antena desde el lado de la energía, generalmente se usa con mayor frecuencia en la práctica.

La ganancia de la antena es un valor relativo, que es igual al cuadrado de la relación de las intensidades de campo creadas en el punto de recepción, en igualdad de condiciones, por esta antena y otra antena tomada como estándar. En otras palabras, la ganancia muestra cuántas veces se debe reducir la potencia de entrada si se reemplaza la antena estándar por esta antena, manteniendo la misma intensidad de la señal recibida.

En frecuencias ultraaltas, por conveniencia, la antena "estándar" suele ser el llamado emisor isotrópico, que irradia uniformemente en todas las direcciones. La directividad espacial característica de esta antena debería tener la forma de una esfera. Sin embargo, en realidad tal antena no existe. La antena más simple utilizada en la práctica, un vibrador de media onda, ya tiene propiedades direccionales: su característica de directividad espacial tiene la forma de un toroide (Fig. 8). Esta figura muestra el caso en el que el eje del vibrador coincide con el eje. 0Z.

De la Fig. 8, en la que se ha eliminado una cuarta parte del toro para mayor claridad, se puede ver que el patrón direccional del vibrador de media onda en un plano perpendicular a su eje (plano ecuatorial) tiene forma de círculo, es decir, el vibrador en este plano no es direccional.

En todos los demás planos que pasan por el eje del vibrador (a través del eje ONZ), Los patrones de radiación tienen forma de ocho, es decir, el cero del patrón de radiación se encuentra en la dirección del eje del vibrador.

Los cálculos muestran que, con respecto a una antena omnidireccional, la ganancia de un vibrador de media onda es G λ/2 = 1,64.

Observemos, mirando un poco más adelante, que las ganancias de muchas antenas utilizadas en frecuencias ultraaltas alcanzan mil o incluso varios miles.

Para antenas con lóbulos laterales menores, el valor aproximado de la ganancia de la antena se puede calcular a partir de los ángulos conocidos del lóbulo principal del diagrama de radiación en los planos vertical y horizontal:

G @ 35000/θ 0 Ф 0 (5)

donde θ 0 y Ф 0 son el ancho del lóbulo principal en grados entre los puntos de la mitad del valor de potencia, medido en los planos vertical y horizontal, respectivamente.

De la fórmula (5) se desprende claramente que la antena K es inversamente proporcional al producto de los ángulos de apertura del lóbulo principal y, por tanto, antenas de igual ganancia tendrán los mismos productos de los ángulos de apertura. Así, por ejemplo, dos antenas, una de las cuales tiene θ 0 = 1,5° y Ф 0 = 20°, y la otra tiene θ 0 = 5° y Ф 0 = 6°, tendrán la misma ganancia, a pesar de su fuerte diferencia. características direccionales espaciales.

El ejemplo anterior muestra que el conocimiento del valor K por sí solo no es suficiente para caracterizar las propiedades direccionales de una antena en particular.

Ganar GRAMO La antena y sus patrones de radiación dependen de las dimensiones geométricas del orificio radiante, a saber:

G = 4p·S eff /λ 2 (6)

donde Seff es el área efectiva del orificio radiante de la antena;

λ 2 - longitud de onda al cuadrado en las mismas unidades que S,

En la literatura, especialmente en la literatura extranjera, el factor de ganancia a menudo se expresa en decibelios, es decir, en lugar del valor. GRAMO. dado por la fórmula (6), su logaritmo décimo viene dado:

G|db| = 10 log(4p·S eff /λ 2)(7)

En la figura. 9, las dependencias (6) y (7) se presentan mediante un gráfico en el que el área efectiva del orificio emisor en longitudes de onda cuadradas S eff /λ 2 se traza horizontalmente y los valores de ganancia se dan verticalmente a la izquierda. GRAMO.

Escala adicional a la derecha en la Fig. 9 da los valores de ganancia correspondientes en decibeles.

Para las antenas receptoras, el valor de ganancia a veces se expresa mediante la denominada superficie de absorción Qeff.

G = 4p Q efectivo /λ 2 (8)

Debido a la “reversibilidad” de la antena, su ganancia sigue siendo la misma tanto cuando opera para transmisión como cuando opera para recepción, por lo tanto Q eff = S eff

La relación entre el área efectiva del orificio emisor S eff y el geométrico S r se llama factor de utilización de la superficie(abreviado KIP) del orificio radiante o apertura de la antena y se designa con la letra γ.

γ = S eff / S r = Q eff /Q g (9)

El valor máximo de γ es igual a la unidad, lo que se logra sólo en el caso de que se forme una onda electromagnética plana con la misma distribución de amplitud (uniforme) en la apertura de la antena.

Fig.9. Gráfico de ganancia de antena

del tamaño de su orificio emisor.

En antenas reales, ya sea por la desviación de la onda del plano, o por las dificultades para obtener una distribución uniforme de amplitudes de campo en la apertura de la antena, el coeficiente γ resulta ser menor que la unidad.

La antena receptora capta ondas de radio libres y las convierte en ondas acopladas, que se envían a través de un alimentador al receptor. De acuerdo con el principio de reversibilidad de la antena, las propiedades de una antena que funciona en modo de transmisión no cambian cuando esta antena funciona en modo de recepción.

La antena transmisora ​​convierte la energía de las corrientes de alta frecuencia generadas por el transmisor en energía. ondas de radio gratis y lo distribuye de cierta manera en el espacio. La antena receptora convierte la energía de las ondas de radio libres provenientes de ciertas direcciones en relación con ella en energía de corrientes. frecuencia alta en los elementos de entrada del dispositivo receptor.

Un transmisor de radio con antena, un medio para propagar ondas de radio y un receptor de radio con antena forman un sistema de comunicación por radio (enlace de radio). El elemento conector aquí es el medio, la región del espacio (trayectoria de radio) en la que se propagan las ondas de radio.

Además de la señal útil, la antena receptora puede verse afectada por señales extrañas: interferencias. La confiabilidad del paso de las ondas de radio que transportan una señal útil y el camino desde las antenas transmisoras hasta las receptoras determina la estabilidad del enlace de radio.

Las ondas de radio pueden propagarse en la atmósfera, a lo largo de la superficie de la Tierra, en el espesor de la Tierra y en el espacio. En un medio homogéneo (o ligeramente heterogéneo), las ondas de radio se propagan a lo largo de trayectorias rectilíneas (o casi rectilíneas). Estas son ondas de radio directas. Con su ayuda, la comunicación por radio solo se puede realizar si existe visibilidad geométrica directa entre las antenas de los corresponsales.

El alcance de la línea de visión está limitado por la esfericidad de la tierra y el desnivel de su topografía. En ausencia de línea de visión, las ondas de radio llegan al punto de recepción debido a la difracción, reflexión y dispersión de las ondas de radio. Estos “fenómenos son causados ​​por la influencia de la superficie terrestre, las faltas de homogeneidad de la troposfera y la ionosfera.

A lo largo de la trayectoria de la onda, su energía es absorbida por la tierra semiconductora. A esto se suma la atenuación de la onda por difracción provocada por la presencia de obstáculos en el camino de su propagación.

En la gama VHF, para reducir las pérdidas en el suelo y aumentar el alcance de la línea de visión, se instalan antenas sobre soportes (mástiles). El rango de propagación de VHF está influenciado por la troposfera. Bajo ciertas condiciones meteorológicas, surgen áreas que aseguran. Propagación VHF a distancias significativas.

Las condiciones de propagación de las ondas de radio, la presencia de interferencias, la potencia del transmisor, la eficiencia de la antena, la calidad del alimentador, etc. determinan la confiabilidad del enlace de radio y hacen que el problema sea multiparamétrico.

Al diseñar sistemas de comunicación por radio que transmiten señales de línea de visión a través de enlaces de microondas y satélite, el diseñador del sistema debe considerar especialmente los tamaños de las antenas del transmisor y del receptor, la potencia transmitida y la SNR requerida para lograr el nivel requerido calidad a la velocidad de transferencia de datos requerida.

El cálculo del sistema es relativamente simple y se detalla a continuación.

Comencemos con una antena transmisora, que irradia un nivel de potencia isotrópicamente hacia el espacio abierto, como se muestra en la Fig. 5.5.2. La densidad de potencia a una distancia de la antena es (W/m).

Arroz. 5.5.2. Antena radiante isotrópica

Si una antena transmisora ​​es selectiva en una dirección determinada, la densidad de potencia en esa dirección aumenta. El factor de aumento se llama ganancia de antena y se denota por. En este caso, la densidad de potencia a distancia es igual a . La obra suele llamarse poder efectivo radiación (EMR, ERP o EIRP), que es esencialmente la potencia radiada en relación con una antena isotrópica para la cual.

La antena receptora, orientada en la dirección de la potencia radiada, recoge una fracción de la potencia que es proporcional a su área de sección transversal.

Así, la potencia recibida por la antena se puede expresar de la siguiente manera:

¿Dónde está el área efectiva de la antena? De la teoría del campo eléctrico obtenemos la relación básica entre la ganancia de una antena receptora y su área efectiva:

donde es la longitud de onda de la señal transmitida, es la velocidad de la luz (m/s), es la frecuencia de la señal transmitida. Si sustituimos (5.5.5) por (5.5.4), obtenemos una expresión para la potencia recibida en la forma

(5.5.6)

Factor

llamada pérdida de espacio libre. Si se encuentran otras pérdidas durante la transmisión de la señal, como pérdidas en la atmósfera, entonces se pueden tener en cuenta introduciendo un multiplicador de pérdidas adicional, por ejemplo. Por tanto, la potencia recibida se puede escribir en última instancia de la siguiente manera:

(5.5.8)

Como se señaló anteriormente, las características más importantes de una antena son su ganancia y su área efectiva. Por lo general dependen de la longitud de onda de la potencia emitida y dimensiones fisicas antenas. Por ejemplo, una antena parabólica con un diámetro tiene un área efectiva

donde es el área física y es el indicador de eficiencia de irradiación, que se encuentra en la región. Por tanto, la ganancia de una antena parabólica con un diámetro es igual a

(5.5.10)

Como segundo ejemplo, tomemos una antena de bocina con un área de. Tiene un índice de eficiencia de 0,8, un área efectiva de y una ganancia de antena de

Otro parámetro que está relacionado con la ganancia de la antena (directividad) es el ancho del haz, que denotaremos por . Se ilustra gráficamente en la Fig. 5.5.3.

Fig.5.5.3. Ancho del haz de la antena (a) y patrón de radiación (b)

Normalmente, el ancho del haz se mide por el ancho del patrón de radiación a -3 dB de su pico. Por ejemplo, el ancho del haz de una antena parabólica a -3 dB es aproximadamente igual a

(5.5.12)

entonces es inversamente proporcional. Esto significa que reducir a la mitad el ancho del haz, obtenido duplicando el diámetro, aumenta la ganancia de la antena aproximadamente 4 veces (6 dB).

Con base en las relaciones generales para la potencia de la señal recibida, dadas por (5.5.8), el diseñador de la antena puede calcular, dada la ganancia de la antena y la distancia entre el transmisor y el receptor. Estos cálculos se suelen realizar según la potencia de la siguiente manera:

Ejemplo 5.5.2. Supongamos que hay un satélite en órbita geoestacionaria (36000 km sobre la superficie terrestre) que emite energía, es decir 20 dB respecto a 1 W (20 dBW). La antena transmisora ​​tiene una ganancia de 17 dB, por lo que . Suponga también que la estación terrestre utiliza una antena parabólica de 3 metros y que el enlace descendente opera a 4 GHz. Factor de eficiencia. Sustituyendo estos valores en (5.5.10) obtenemos el valor ganancia de antena 39 dB. Pérdida de espacio libre. No se tienen en cuenta otras pérdidas. Por lo tanto, la potencia de la señal recibida

o, equivalentemente,

Para completar el cálculo de los recursos del enlace, también debemos considerar el efecto del ruido aditivo en el extremo receptor. Ruido térmico que se produce en el receptor y tiene aproximadamente la misma densidad espectral de potencia hasta frecuencias Hz iguales a

W/Hz, (5.5.14)

¿Dónde está la constante de Boltzmann ( ), A - temperatura de ruido en Kelvin. Por tanto, la potencia total de ruido en la banda de señal es igual a.

ACADEMIA Bandera Roja de INGENIERÍA MILITAR de LENINGRADO que lleva el nombre de A.F. MOZHAYSKY

Leningrado-1972

El libro de texto está destinado a estudiantes de la Facultad No. 3 y debería ayudar a mejorar la eficiencia del estudio del curso sobre dispositivos alimentadores de antenas. También puede ser útil para los estudiantes de las facultades No. 6 y 7 cuando estudien un curso similar.

El manual se basa en conferencias impartidas durante varios años por el profesor asociado A.G. Kislov.

La introducción, la conclusión y los temas 1-7, 9-11 y 13-15 fueron preparados para su publicación por A. G. Kislov y N. F. Sokolov, el tema 8 por V. I. Nevzorov, el tema 12-A. G. Kislov, tema 16 autores conjuntamente.

INTRODUCCIÓN

Una instalación de radio destinada a emitir o recibir ondas de radio incluye una antena.

La figura 1 muestra el más simple. diagrama de bloques el paso de una señal de radio desde el transmisor al receptor. Las oscilaciones moduladas de alta frecuencia excitadas por el transmisor ingresan a la antena transmisora ​​​​a través del alimentador, que las emite en forma de ondas electromagnéticas al espacio circundante. Una pequeña fracción de la energía de estas ondas llega a la ubicación de la estación de radio receptora. Bajo la influencia de ondas electromagnéticas, se excitan corrientes de alta frecuencia en la antena receptora, energía

que se utiliza para influir en el receptor de radio. Así, una antena transmisora ​​puede definirse como un dispositivo diseñado para irradiar ondas electromagnéticas, y una antena receptora puede definirse como un dispositivo diseñado para recibir ondas electromagnéticas con el fin de utilizar la información transportada por estas ondas.

Los requisitos de la antena dependen del propósito de la estación de radio. Por lo tanto, en el caso de una estación de radiodifusión que presta servicio en un área determinada, o durante las transmisiones en la práctica de búsqueda, la antena transmisora, por regla general, debe crear una radiación uniforme en todas las direcciones, es decir. ser no direccional en el plano horizontal. La antena de la estación de radar está diseñada para concentrar la radiación en un sector estrecho, es decir. debe tener un enfoque nítido. A menudo también se requiere que la antena receptora sea direccional, es decir, la necesidad de una recepción más eficaz de las ondas procedentes de determinadas direcciones. Selectividad espacial antena receptora, junto con la selectividad de frecuencia y el uso de filtros especiales en un receptor de radio, es un medio eficaz para combatir las interferencias externas naturales y artificiales. Por lo tanto, además de los requisitos para una radiación o recepción efectiva de ondas de radio, la antena debe distribuir de cierta manera el flujo de energía de las ondas emitidas en el espacio.

Antes de embarcarse en un estudio detallado de los dispositivos alimentadores de antenas, es recomendable familiarizarse en términos generales con algunos de los tipos más simples de antenas.

La Figura 2 muestra un vibrador simétrico, a veces llamado dipolo. Esta antena es muy utilizada en el rango de onda corta y ultracorta de forma independiente y como elemento incluido en antenas más complejas.

La Figura 3 muestra una antena de bocina típica del rango de microondas. Está alimentado por una sección de guía de ondas, cuyo campo es excitado por un pasador vertical. El extremo abierto de la guía de ondas también puede servir como fuente de intensa radiación de ondas electromagnéticas. El uso de una bocina al final de la guía de ondas hace

La radiación es más direccional. La radiación máxima generalmente se obtiene en

dirección perpendicular al plano de la abertura de la bocina. Además de concentrar las ondas emitidas, la bocina también crea transición suave de guía de ondas a espacio libre, es decir. proporciona una mejor coincidencia.

La Figura 4 también muestra una antena reflectora típica para el rango de microondas. Consta de un reflector parabólico metálico y un irradiador. Este último en este ejemplo contiene un vibrador con un contrarreflector. El vibrador es alimentado por un alimentador coaxial a través de un balun de transición. La fuente de alimentación, cuyo centro de fase se encuentra en el foco del paraboloide, excita corrientes en la superficie interior del reflector y un campo electromagnético en fase en el plano de apertura. Esta abertura de antena (apertura) puede considerarse como una fuente de radiación de ondas con un máximo orientado a lo largo del eje del paraboloide. El grado de concentración de radiación de dicha antena depende principalmente de la relación entre el diámetro de la abertura del espejo y la longitud de onda. En ondas centimétricas, en lugar de alimentadores coaxiales, se utilizan guías de ondas para alimentar la antena, y el papel de alimentación lo desempeña alguna antena débilmente direccional (por ejemplo, una bocina pequeña).

Flujo de Umov - Vector de Poynting de la antena transmisora ​​a distancia r a partir de él está determinado por la fórmula $$\begin(equation)p=p_(n)G=G\frac(P_(izl))(4\pi(r^2))\end(equation)\tag(2.142 )$$

La potencia interceptada por la antena depende de un parámetro como el área de apertura (apertura) de la antena. Para comprender mejor este término, imaginemos la antena receptora en forma de antena de bocina sobre la que cae una onda plana (figura 2.57). Si esta antena pudiera absorber toda la potencia incidente en su apertura, entonces la potencia recibida por la antena sería igual a $$\begin(equation)P=pA\end(equation)\tag(2.143) $$

Una onda electromagnética que incide en la apertura de la antena excita la antena con una impedancia de entrada. z A= R A+ iX Y la fuerza electromotriz V. Parte de la potencia de la antena recibida se transmite al receptor, que tiene impedancia de entrada z 0 =R 0 +iX 0 (figura 2.58). Entonces la corriente que pasa al receptor conectado a la antena es $$\begin(equation)I_A=\frac(V)(Z_0+Z_A)\end(equation)\tag(2.144)$$ y la potencia liberada en el el receptor es $$\begin(ecuación)P_0=I_A^2R_0=\frac(V^2R_0)(\left(R_A+R_0\right)^2+\left(X_A+X_0\right)^2) \end( ecuación) \tag(2.145)$$

Basta simplemente demostrar que la potencia máxima liberada en el receptor corresponde a la condición de adaptación de impedancia, según la cual R A= R 0 y - incógnita A= incógnita 0 .

Introduzcamos el concepto. área de apertura efectiva, con lo que nos referimos a la relación de la potencia que ingresa al receptor R 0 , a densidad de potencia r, incidente en la apertura de la antena: $$\begin(equation)A_(eff)=\frac(P_0)(p)\end(equation)\tag(2.146)$$

Para una antena sin pérdidas ( R n =0) según la fórmula (2.136) R A= R izl. Entonces, con pleno acuerdo, es decir, con R 0 =R izl obtenemos la fórmula para el valor máximo del área de apertura efectiva $$\begin(equation)A_(eff\;max)=\frac(V^2)(4pR_(izl))=\frac(I_A^2R_0) (p)\end (ecuación)\tag(2.147)$$

en la mesa 2.4 muestra los valores A eff max para algunos tipos de antenas.

Para antenas reales el valor A eff max es siempre menor que el área de apertura física de la antena. Para estimar el área efectiva de apertura de la antena, se introduce el concepto de factor de utilización de la superficie de apertura, igual a la relación entre el área efectiva de apertura de la antena y el área de apertura física: $$\begin(equation)K_(ip)= \frac(A_(eff))(A_( f))\end(ecuación)\tag(2.148)$$

El valor máximo del coeficiente de utilización de la superficie de apertura alcanza (para antenas ideales) el valor k un = 1. Por muy buenas antenas el valor del coeficiente de utilización de la superficie alcanza valores de 0,7 ... 0,8.

Actual I A en una antena con resistencia a la radiación. R A es una fuente de onda reemitida con potencia $$\begin(equation)P_(ras)=I_A^2R_A\end(equation)\tag(2.149)$$

La relación entre la potencia rerradiada por la antena y la densidad de potencia incidente en la apertura de la antena. r, determina el área de reemisión (apertura de dispersión) A ras: $$\begin(ecuación)A_(ras)=\frac(P_(ras))(p)=\frac(V^2R_A)(\left(R_A+R_0\right)^2+\left(X_A +X_0\right)^2)\end(ecuación)\tag(2.150)$$

Para una antena en cortocircuito completamente adaptada al campo incidente, A raza = A eficacia máx. Cuando la falta de coincidencia de la antena es $$\begin(equation)\alpha_(dis)=\frac(A_(dis))(A_(eff\;max))\end(equation)\tag(2.151)$$ y α dis ≤ 1 .

Si la pérdida de resistencia R n > 0, entonces parte de la energía se libera en la antena en forma de energía térmica. Puede introducir el concepto de área de pérdida $$\begin(equation)A_(p)=\frac(I_A^2R_p)(p)\end(equation)\tag(2.152)$$

Ahora la apertura total $$\begin(equation)A_(\sum)=A_(eff)+A_(ras)+A_(p)=\frac(I_A^2)(p\left(R_0+R_(isl) + R_(n)\right))\end(ecuación)\tag(2.153)$$

En la figura. 2.59 muestra gráficos de la dependencia de componentes individuales. A n y apertura total AΣ de la relación de resistencia R 0 /R izl.

Existe una clase de antenas de apertura. Tales antenas incluyen antenas parabólicas(aquí la apertura es la apertura de los espejos), antenas de bocina (la apertura es la apertura de la bocina), etc.

La unidad de medida para el área de apertura puede ser o metro cuadrado, o λ 2.

El coeficiente de utilización de la superficie de la abertura está determinado por la fórmula (2.148).

Para clase de antena de apertura k yp< 1, но для некоторых типов антенн значение этой величины может и превышать 1. К последним относятся антенны поверхностной волны и большинство проволочных антенн.

Relación entre el área de apertura efectiva A eff, coeficiente direccional D y la duración de la guerra λ se escribe como la relación $$\begin(equation)A_(eff)=\frac(\lambda^2D)(4\pi)\end(equation)\tag(2.154)$$

En la figura. 2.60 muestra las gráficas de dependencia. A efecto ( D, λ). Relación entre A eff y el ancho del patrón de radiación en dos planos α E y α H se pueden establecer usando la fórmula (2.128).

Potencia de absorción de la antena receptora campo electromagnético cuando una onda electromagnética incide sobre él, actúa como una especie de pantalla para las ondas de radio. En la figura. La Figura 2.61 muestra esquemáticamente la distribución del campo detrás de la antena receptora.

La figura muestra que inmediatamente detrás de la antena receptora la intensidad del campo electromagnético disminuye.

Para un dipolo de media onda, el área de apertura efectiva es una elipse (figura 2.62) con un eje mayor A E = 3λ/4 y eje menor A H = λ/4.

Para antenas de ondas de superficie, por ejemplo la antena Uda-Yagi, la relación entre las dimensiones lineales de la apertura efectiva y los anchos del patrón de radiación de la antena en dos planos principales α E y α H se establecen mediante las relaciones $$\begin( ecuación)A_E=2\sqrt(\frac(A_ (eff)\alpha_E)(\pi\alpha_H))\end(equation)\tag(2.155)$$ $$\begin(ecuación)A_H=2\sqrt( \frac(A_(eff)\alpha_H)(\ pi\alpha_E))\end(ecuación)\tag(2.156)$$

Si dos o más antenas elementales están ubicadas cerca una de la otra (por ejemplo, una encima de la otra, Fig. 2.63), para reducir las pérdidas de ganancia del sistema de antena resultante es necesario que las áreas de apertura efectiva de los elementos de antena parciales no se superpongan. En este caso, lo más recomendable es disponer los elementos del sistema de antena de tal manera que los bordes de las áreas efectivas parciales de la apertura estén en contacto entre sí.

Para una matriz de emisores de radiación transversales (Fig. 2.64), las dimensiones lineales del área de apertura efectiva de un elemento se calculan usando las fórmulas $$\begin(equation)A_E=\sqrt(\frac(A_(eff) \alpha_E)(\alpha_H))\end( ecuación)\tag(2.157a)$$ $$\begin(ecuación)A_H=\sqrt(\frac(A_(eff)\alpha_H)(\alpha_E))\end (ecuación)\tag(2.157b)$$

Una comparación de las fórmulas (2.156) y (2.157) muestra que en el último caso las dimensiones lineales del área de apertura efectiva son aproximadamente un 12% más pequeñas que cuando se utilizan los mismos elementos en antenas de radiación longitudinales. Veamos algunos ejemplos.

En los terminales de la antena receptora, realizada en forma de dipolo de media onda, que recibe emisión de radio con una longitud de onda λ = 2 m y cargada con resistencia R 0 = R il = 73 ohmios, tensión inducida Ud. A = 0,1 mV. Es necesario "calcular la potencia de radiación de una estación ubicada a una distancia r= 100 km de la antena receptora, siempre que se utilice un dipolo de media onda como antena transmisora ​​y ambas antenas estén orientadas entre sí con los máximos de los diagramas de radiación.

1. fuerza electromotriz a la salida de la antena receptora V = 2 Ud. A = 2·0,1·10 -3 = 2·10 -4 V.

2. Área de apertura efectiva para un dipolo de media onda (ver Tabla 2.4) A eff = 0,13λ 2 = 0,13 2 2 = 0,52 m 2.

3. Densidad de potencia en la ubicación de la antena receptora. pag = V 2 /4A eff R radio = (2·10 -4) 2 /4·0,52·73 = 2,63·10 -10 W/m2.

4. Potencia de radiación de la antena transmisora. PAG il = 4π r 2 pag/GRAMO= 4π(100·10 3) 2 ·2,63·10 -10 /1,64 = 20,1 W.

Los anchos del diagrama de radiación de la antena Uda-Yagi que funciona a una longitud de onda de λ = 2 m son iguales a α E = 25° y α H = 35°. Esta antena está cargada con una impedancia adaptada. R 0 = 75 ohmios. La densidad de potencia del campo electromagnético incidente sobre la antena es pag= 2,63·10-10W/m2. Es necesario determinar el voltaje en los terminales de salida de esta antena.

1. Usando el nomograma que se muestra en la Fig. 2,54, por valores dadosα E = 25° y α H = 35° determinan la ganancia de la antena GRAMO= 15,1 dB.

2. Usando los gráficos que se muestran en la Fig. 2,60, por valores conocidos GRAMO= 15,l dB y α = 2 m definimos A efectivo = 16,5 m2.

3. Usando la fórmula (2.147), determinamos la FEM: $$V=\sqrt(4pR_(izl)A_(eff))=\sqrt(4\cdot(2.63\cdot(10^(-10))\cdot (73)\cdot(16,5)))=1,12 mV$$

1. Usando los gráficos que se muestran en la Fig. 2.60, con base en los valores dados de α E y α H, determinamos el área de apertura efectiva A eficaz = 4,5λ 2.

2. Usando la fórmula (2.156), encontramos: $$H=A_H=2\sqrt(\frac(A_(eff)\alpha_H)(\alpha_E))=\sqrt(\frac(4.3\lambda^2( 35 ))(25))=2.8\lambda$$

3. Cuando la distancia entre pisos de una antena de dos pisos norte= 2,8λ obtenemos el valor máximo de la ganancia, que, como ya sabemos, se consigue con la condición de que los bordes de las áreas de apertura efectiva de ambos elementos de antena estén en contacto entre sí.

4. Para una longitud de onda λ = 2 m, la distancia requerida norte= 5,6 metros.

Tenga en cuenta que duplicar la apertura de la antena da como resultado una duplicación de la ganancia (+3 dB).

Para calcular enlaces de radiocomunicaciones se introduce el concepto de factor de atenuación δ: $$\begin(equation)\delta=\frac(P_A)(P_(izl))=\frac(A_(eff.pr)A_(eff. trans))(\ lambda^2(r^2))\end(ecuación)\tag(2.158)$$ donde PAG A es la potencia recibida por la antena receptora que tiene un área de apertura efectiva A efecto pr; PAG iz - potencia radiada por una antena transmisora ​​que tiene un área de apertura efectiva A efecto por; r- distancia entre las antenas transmisora ​​​​y receptora, m; λ - longitud de onda, m.

La fórmula (2.158) se obtuvo bajo el supuesto de que las antenas no tienen pérdidas y están orientadas entre sí. de la mejor manera posible, y siempre que la distancia entre ellos sea $$\begin(equation)r\geq\frac(2d^2)(\lambda)\end(equation)\tag(2.159)$$ donde d- más grande dimensión lineal antenas; λ - longitud de onda.

En el caso de que una onda de radio se propague cerca de la superficie de la tierra, además de la onda directa, también puede surgir una onda reflejada. El resultado de la interacción de estas dos ondas es un cambio en el valor de δ, calculado mediante la fórmula (2.158). El valor real del factor de atenuación δ P varía dentro de 0< δ р < 4δ.

Sigamos viendo los ejemplos.

Potencia de radiación de una antena dipolo transmisora ​​de media onda. PAG il = 20,1 W. Es necesario calcular la potencia liberada en la carga adaptada de la antena receptora en R 0 = 73 Ohm y siempre que A eficacia por = 16,5 m 2, A eff pr = 0,13 m 2 y λ = 2 m.

1. Usando la fórmula (2.158), encontramos $$P_A=P_(izl)\frac(A_(eff.per)A_(eff.pr))(\lambda^2(r^2))=20.1\frac ( 0.13\cdot(2^2)\cdot(16.5))(2^2\left(10^5\right)^2)=43\cdot(10^(-10)) W$$

2. Voltaje en los terminales de salida de la antena $$U=\sqrt(P_(A)R_(0))=\sqrt(43\cdot(10^(-10))\cdot(73))=0.53\cdot ( 10^(-3))B$$.

Llamamos la atención del lector sobre el hecho de que a veces la potencia se expresa en decibelios, correspondiendo un nivel de 0 dB a una potencia de 1 W.

Si R il = 20,1 W o R radio = 10 lg 20,1 = +13 dB/W, entonces R A = = 43·10 -10 W o R A = 10 lg 43 10 -10 = -83,6 dB/W.

Área efectiva de la antena- área de una antena plana equivalente con una distribución uniforme de amplitud-fase, que tiene la misma valor máximo coeficiente direccional como esta antena.

Para una antena en modo de recepción, el área efectiva de la antena (también llamada superficie efectiva de la antena) caracteriza la capacidad de la antena recolectar(interceptar) el flujo de energía de la radiación electromagnética que incide sobre él y convertir este flujo de energía en energía en la carga (con una precisión de la eficiencia de la antena y la calidad de la adaptación de la antena a la carga).

Área efectiva de la antena

A e f f = P Π (\displaystyle A_(eff)=(\frac (P)(\Pi ))), Dónde

P (\displaystyle P), W - la potencia máxima posible liberada en la carga de una antena determinada; Π (\displaystyle \Pi ), W/m 2 - densidad de flujo de potencia de una onda plana en la ubicación de la antena. Área efectiva de la antena como factor de proporcionalidad entre PAG y P es similar altura efectiva de la antena como coeficiente de proporcionalidad entre la amplitud de voltaje campo eléctrico[V/m] de una onda plana que incide sobre la antena y la amplitud de la FEM [V] en los terminales de la antena.

Debido a la distribución desigual de la fase de amplitud y la difracción de las ondas de radio en la antena, el área efectiva de la antena es siempre menor que su área geométrica (área de apertura de la antena). Las ondas electromagnéticas con una longitud de onda demasiado larga (en comparación con el tamaño de la antena) se curvan alrededor de la antena; si la longitud de onda es demasiado corta, se producen errores en la fabricación de la antena. Por lo tanto, se cree que el rango de longitud de onda operativa λ de la antena 20 σ< λ < 1 20 D {\displaystyle 20\sigma <\lambda <{\frac {1}{20}}D} , Dónde σ (\displaystyle \sigma)- error en las superficies de la antena, D (\displaystyle D)- diámetro de apertura. Más allá de este rango de longitudes de onda, el área efectiva de la antena cae bruscamente.

La relación entre el área de apertura de la antena y el área efectiva de la antena se llama factor de utilización de la superficie(instrumentación) antenas. Es decir, el área efectiva de la antena es proporcional al área de apertura de la antena y al área de instrumentación. Para maximizar el rendimiento energético (EC), la antena está diseñada de tal manera que su área efectiva sea máxima, lo que, con una limitación en el área de apertura de la antena (con una limitación en las dimensiones generales de la antena), se logra maximizando el PAI. Para ello se esfuerzan por garantizar una distribución uniforme de las fases de amplitud.

El área efectiva está relacionada con el patrón de radiación (DP) de la antena y su eficiencia:

A e f f = λ 2 Ω a = D 0 λ 2 4 π (\displaystyle A_(eff)=(\frac (\lambda ^(2))(\Omega _(a)))=D_(0)(\frac (\lambda ^(2))(4\pi ))), Dónde Ω a = ∫ 4 π A (θ , φ) d Ω (\displaystyle \Omega _(a)=\int \limits _(4\pi )A(\theta ,\varphi)d\Omega )

Ángulo sólido efectivo; A (θ, φ) (\displaystyle A(\theta,\varphi))- diagrama de radiación de la antena normalizado al máximo; D 0 (\displaystyle D_(0))- valor máximo de la eficiencia de la antena.