Suzbijanje bočnih režnjeva drl i prl dijagrama. Metode za smanjenje nivoa bočnih režnja u sistemima emitera. Zahtjevi za projektovanje

U idealnom slučaju, snop koji antena usmjerava na satelit trebao bi biti oblikovan kao oštra olovka. Nažalost, pošto su talasne dužine u ovom slučaju male u poređenju sa otvorom (prečnikom) antene, fiksna fokusna tačka nije baš tačna. Ovo uzrokuje blagu divergenciju glavnog snopa i neželjeno hvatanje signala izvan ose. Rezultirajući polarni uzorak sastoji se od uskog snopa tzv glavna latica i niz bočnih režnjeva manje amplitude.

Pošto je polarni dijagram često teško interpretirati, pravougaoni koordinatni sistem je poželjniji. Normalizovana teorijska karakteristika signala za ravnomerno ozračenu antenu prečnika 65 cm na frekvenciji od 11 GHz prikazana je na slici:

Zapravo, gore navedeni faktori će doprinijeti unošenju neravnina ovu karakteristiku, ali će opća slika prikazane zavisnosti ostati nepromijenjena.

Pozadinski šum u antenski sistem ulazi prvenstveno kroz bočne režnjeve, pa ih je potrebno držati što manjim u odnosu na amplitudu glavnog režnja. Ravnomjerno ozračena antena teoretski proizvodi prvi i najveći od ovih bočnih režnjeva na oko -17,6 dB ispod maksimalne vrijednosti glavnog režnja.

U praksi, zračenje je rijetko ujednačeno. Točnost distribucije zračenja ovisi o vrsti ugrađenog ozračivača. Ovo nas dovodi do koncepta efektivne površine ili efikasnosti antenskog sistema. Drugim riječima, većina snage signala prikuplja se iz središnjeg dijela ogledala i smanjuje se prema vanjskim rubovima antene. Stoga, slab otvor reflektora antene može poslužiti kao zaštita od pozadinske buke.

Djelomično (nedovoljno) zračenje ogledala smanjuje nivo prvog bočnog režnja na manje od -20 dB, čime se smanjuje uticaj pozadinske buke. Na prvi pogled ovo rješenje izgleda idealno, ali dovodi do nekih neželjenih posljedica - smanjenja pojačanja antene i odgovarajućeg povećanja širine snopa (glavnog režnja). Glavna karakteristika dijagrama zračenja antene je njena širina na nivou polovine snage, koja se računa kao širina glavnog režnja dijagrama na nivou od -3 dB. Jednačine koje se koriste za izračunavanje širine snopa na bilo kojem nivou glavnog režnja su prilično složene i dugotrajne za izvođenje. Međutim, parametri kao što su širina glavnog režnja na -3 dB, amplituda prvog bočnog režnja i lokacija prve nule (zarez u obrascu zračenja), u zavisnosti od utvrđena metoda izloženost se može lako izračunati koristeći izraze date u tabeli ispod. Kosinusna distribucija je blizu srednje vrednosti, i ako je primljeni mod ozračivanja nepoznat, može se koristiti kao prva aproksimacija pri izračunavanju širine snopa -3 dB.

Nivo zadnjeg i bočnog režnja dijagrama naponskog zračenja γυ definira se kao omjer EMF-a na terminalima antene tokom prijema - sa strane maksimuma zadnjeg ili bočnog režnja do EMF-a sa strane maksimuma. glavnog režnja. Kada antena ima nekoliko stražnjih i bočnih režnjeva različitih veličina, obično je naznačen nivo najvećeg režnja. Nivo zadnjeg i bočnog režnja se takođe može odrediti snagom (γ P) kvadriranjem nivoa zadnjeg i bočnog režnja naponom. U dijagramu zračenja prikazanom na sl. 16, zadnji i bočni režanj imaju isti nivo, jednak 0,13 (13%) u EMF-u ili 0,017 (1,7%) u snazi. Zadnji i bočni režnjevi usmjerenih prijemnika televizijske antene obično su u rasponu od 0,1...25 (napon).

U literaturi se pri opisivanju svojstava usmjerenosti prijemnih televizijskih antena često navodi nivo stražnjeg i bočnog režnjeva, jednak aritmetičkoj sredini nivoa režnjeva na srednjim i ekstremnim frekvencijama. televizijski kanal. Pretpostavimo da je nivo režnjeva (prema EMF) dijagrama antene 3. kanala (f = 76 ... 84 MHz): na frekvencijama 75 MHz - 0,18; 80 MHz - 0,1; 84 MHz - 0,23. Prosječni nivo latica će biti jednak (0,18+0,1+0,23)/3, odnosno 0,17. Otpornost antene na buku može se okarakterizirati prosječnim nivoom režnjeva samo ako u frekvencijskom opsegu televizijskog kanala nema oštrih "šiljaka" u nivou režnjeva koji značajno premašuju prosječni nivo.

Mora biti urađeno važna napomena u vezi sa otpornošću na buku vertikalno polarizovane antene. Okrenimo se dijagramu zračenja prikazanom na Sl. 16. Na ovom dijagramu, tipičnom za horizontalno polarizovane antene u horizontalnoj ravni, glavni režanj je odvojen od zadnjeg i bočnog režnja pravcima nultog prijema. Antene s vertikalnom polarizacijom (na primjer, antene sa “talasnim kanalom” sa vertikalnim vibratorima) nemaju smjerove prijema nula u horizontalnoj ravni. Zbog toga zadnji i bočni režnjevi u ovom slučaju nisu jasno definisani, a otpornost na buku je u praksi definisana kao omjer nivoa signala primljenog iz prednjeg smjera prema nivou signala primljenog iz stražnjeg smjera.

Faktor pojačanja. Kako više usmerena antena, tj. što je manji ugao otvaranja glavnog režnja i što je niži nivo zadnjeg i bočnog režnja dijagrama zračenja, veći je EMF na terminalima antene.

Zamislimo da je simetrični polutalasni vibrator postavljen u određenoj tački u elektromagnetnom polju, orijentisan prema maksimalnom prijemu, odnosno smješten tako da je njegova uzdužna os okomita na smjer dolaska radio vala. Određeni napon Ui razvija se pri usklađenom opterećenju spojenom na vibrator, ovisno o jačini polja na prijemnoj tački. Hajde da ga stavimo dalje! na istoj tački polja, umjesto polutalasnog vibratora, antena sa većom usmjerenošću orijentisana ka maksimalnom prijemu, na primjer, antena tipa "talasnog kanala", čiji je dijagram usmjerenja prikazan na sl. 16. Pretpostavićemo da ova antena ima isto opterećenje kao polutalasni vibrator, i da je takođe usklađena sa njim. Budući da je antena "talasnog kanala" više usmjerena od polutalasnog vibratora, napon na njenom opterećenju U2 će biti veći. Odnos napona U 2 /'Ui je pojačanje Ki antene sa četiri elementa u smislu napona ili, kako se drugačije naziva, u smislu "polja".

Stoga se napon ili pojačanje “polja” antene može definirati kao omjer napona koji antena razvija pri usklađenom opterećenju prema naponu koji pri istom opterećenju razvija polutalasni vibrator koji joj odgovara. Smatra se da su obje antene smještene na istoj tački u elektromagnetnom polju i orijentirane prema maksimalnom prijemu. Često se koristi i koncept pojačanja snage Kp, koji je jednak kvadratu pojačanja napona (K P = Ki 2).

Pri određivanju dobitka moraju se naglasiti dvije tačke. Prvo, radi antena razni dizajni mogu se porediti jedna sa drugom, svaka od njih se poredi sa istom antenom - polutalasnim vibratorom, koji se smatra referentnom antenom. Drugo, da bi se u praksi dobilo pojačanje u naponu ili snazi, određeno pojačanjem, potrebno je antenu orijentisati prema maksimumu primljenog signala, odnosno tako da maksimum glavnog režnja dijagrama zračenja bude orijentisan prema dolazak radio talasa. Pojačanje zavisi od tipa i dizajna antene. Okrenimo se anteni tipa "talasnog kanala" radi pojašnjenja. Pojačanje ove antene raste sa brojem direktora. Antena sa četiri elementa (reflektor, aktivni vibrator i dva direktora) ima naponsko pojačanje od 2; sedmoelementni (reflektor, aktivni vibrator i pet direktora) - 2.7. To znači da ako je umjesto poluvalnog

vibrator koristite antenu sa četiri elementa), tada će se napon na ulazu televizijskog prijemnika povećati za 2 puta (snaga za 4 puta), a za antenu sa sedam elemenata za 2,7 puta (snaga za 7,3 puta).

Vrijednost pojačanja antene je u literaturi naznačena ili u odnosu na polutalasni vibrator, ili u odnosu na takozvani izotropni emiter. Izotropni radijator je zamišljena antena kojoj u potpunosti nedostaju svojstva usmjerenja, a prostorni uzorak zračenja ima odgovarajući oblik -sfere. Izotropni emiteri ne postoje u prirodi, a takav emiter je jednostavno prikladan standard s kojim se mogu porediti svojstva usmjerenja različitih antena. Izračunato pojačanje napona polutalasnog vibratora u odnosu na izotropni emiter je 1,28 (2,15 dB). Stoga, ako je naponsko pojačanje bilo koje antene u odnosu na izotropni emiter poznato, onda ga podijelite sa 1,28. dobijamo pojačanje ove antene u odnosu na polutalasni vibrator. Kada je pojačanje u odnosu na izotropni drajver specificirano u decibelima, tada da biste odredili pojačanje u odnosu na polutalasni vibrator, oduzmite 2,15 dB. Na primjer, naponsko pojačanje antene u odnosu na izotropni emiter je 2,5 (8 dB). Tada će pojačanje iste antene u odnosu na polutalasni vibrator biti 2,5/1,28, tj. 1,95^ i u decibelima 8-2,15 = 5,85 dB.

Naravno, stvarni dobitak u nivou signala na TV ulazu, koji daje jedna ili druga antena, ne zavisi od toga koja je referentna antena - polutalasni vibrator ili izotropni emiter - u odnosu na koju je specificirano pojačanje. U ovoj knjizi date su vrijednosti pojačanja u odnosu na polutalasni vibrator.

U literaturi se svojstva usmjerenja antena često ocjenjuju koeficijentom usmjerenosti, koji predstavlja povećanje snage signala u opterećenju, pod uvjetom da antena nema gubitaka. Usmjereni koeficijent je povezan sa pojačanjem snage Kr relacijom

Ako mjerite napon na ulazu prijemnika, možete koristiti istu formulu za određivanje jačine polja na lokaciji prijema.

Relativni (normalizovan na maksimalni dijagram zračenja) nivo zračenja antene u pravcu bočnih režnjeva. U pravilu se UBL izražava u decibelima rjeđe, UBL se određuje "po moći" ili "preko polja".

Primjer dijagrama zračenja antene i parametara dijagrama zračenja: širina, usmjerenost, UBL, relativni nivo stražnjeg zračenja

Obrazac stvarne antene (konačne veličine) je oscilirajuća funkcija u kojoj je identificiran globalni maksimum, koji je centar glavna latica DP, kao i drugi lokalni maksimumi DP i odgovarajući tzv bočne režnjeve DN. Termin strana treba shvatiti kao strana, a ne doslovno (latica usmjerena “postrance”). DN latice su numerisane redom, počevši od glavne, kojoj je dodijeljen broj nula. Režanj difrakcije (interferencije) uzorka koji se pojavljuje u rijetkom antenskom nizu ne smatra se bočnim. Zovu se minimumi uzorka koji razdvajaju režnjeve uzorka nule(nivo zračenja u smjerovima nulti uzorka može biti proizvoljno mali, ali u stvarnosti je zračenje uvijek prisutno). Područje lateralnog zračenja podijeljeno je na podregije: region blizu bočnog režnja(u blizini glavnog režnja uzorka), srednje područje I region stražnjeg bočnog režnja(cijela zadnja hemisfera).

• UBL se podrazumijeva kao relativni nivo najvećeg bočnog režnja uzorka. U pravilu, najveći po veličini je prvi (uz glavni) bočni režanj.

Za antene sa visokom usmerenošću se takođe koriste prosečan nivo bočnog zračenja(šablon normalizovan na maksimum je usrednjen u sektoru bočnih uglova zračenja) i nivo krajnjeg bočnog režnja(relativni nivo najvećeg bočnog režnja u regionu zadnjih bočnih režnjeva).

Za longitudinalne radijacijske antene, za procjenu nivoa zračenja u smjeru "nazad" (u smjeru suprotnom od smjera glavnog režnja uzorka zračenja), parametar relativni zadnji nivo zračenja(sa engleskog sprijeda/pozadi, F/B- omjer naprijed/nazad), i ovo zračenje se ne uzima u obzir prilikom procjene UBL. Također, za procjenu nivoa zračenja u "bočnom" smjeru (u smjeru okomitom na glavni režanj uzorka), parametar relativno bočno zračenje(sa engleskog prednji/bočni, F/S- odnos prednje/bočne strane).

UBL, kao i širina glavnog režnja dijagrama zračenja, su parametri koji određuju rezoluciju i otpornost na buku radiotehničkih sistema. Stoga se u tehničkim specifikacijama za razvoj antena ovim parametrima pridaje veliki značaj. Širina snopa i UBL se kontrolišu kako prilikom puštanja antene u rad tako i tokom rada.

Ciljevi smanjenja UBL

• U režimu prijema, antena sa niskim UBL-om je „otpornija na šum“, jer bolje odabire željeni signalni prostor na pozadini šuma i smetnji, čiji se izvori nalaze u smjerovima bočnih režnjeva.
• Antena sa niskim UBL-om obezbeđuje sistemu veću elektromagnetsku kompatibilnost sa drugom radio elektronikom i visokofrekventnim uređajima
• Antena sa niskim UBL-om daje sistemu veću skrivenost
• U anteni automatskog sistema za praćenje cilja moguće je pogrešno praćenje po bočnim režnjevima
• Smanjenje UBL (pri fiksnoj širini glavnog režnja uzorka) dovodi do povećanja nivoa zračenja u pravcu glavnog režnja uzorka (do povećanja usmerenosti): zračenje antene u smjer koji nije glavni je gubitak energije. Međutim, u pravilu, kod fiksnih dimenzija antene, smanjenje UBL-a dovodi do smanjenja koeficijenta performansi, proširenja glavnog režnja uzorka i smanjenja efikasnosti.

Cena za niži UBL je proširenje glavnog režnja dijagrama zračenja (sa fiksnim dimenzijama antene), kao i, po pravilu, složeniji dizajn distributivnog sistema i niža efikasnost (u faznom nizu) .

Načini smanjenja UBL

Budući da su dijagram antene u dalekoj zoni i amplitudno-fazna distribucija (APD) struja duž antene međusobno povezani Fourierovom transformacijom, UBL kao sekundarni parametar dijagrama određen je APD zakonom. Glavni način Da bi se smanjio UBL prilikom projektovanja antene, potrebno je odabrati glatkiju (padajući prema ivicama antene) prostornu distribuciju amplitude struje. Mjera ove „uglađenosti“ je faktor iskorištenja površine (SUF) antene.

Širina glavnog režnja i nivo bočnih režnja

Širina uzorka (glavni režanj) određuje stupanj koncentracije emitirane elektromagnetne energije. DN širina je ugao između dva pravca unutar glavnog režnja u kojem je amplituda jačine elektromagnetnog polja 0,707 nivoa od maksimalne vrednosti (ili 0,5 nivoa od maksimalne vrednosti gustine snage). Širina donje linije je naznačena na sljedeći način:

2i je širina uzorka u smislu snage na nivou od 0,5;

2i - širina uzorka u smislu napetosti na nivou od 0,707.

Indeks E ili H označava širinu uzorka u odgovarajućoj ravni: 2i, 2i. Nivo od 0,5 snage odgovara nivou od 0,707 u jačini polja ili nivou od 3 dB na logaritamskoj skali:

Pogodno je eksperimentalno odrediti širinu uzorka pomoću grafikona, na primjer, kao što je prikazano na slici 11.

Slika 11

Nivo bočnih režnjeva uzorka određuje stepen lažnog zračenja elektromagnetnog polja antene. To utiče na kvalitet elektromagnetne kompatibilnosti sa obližnjim radioelektronskim sistemima.

Relativni nivo bočnog režnja je omjer amplitude jačine polja u smjeru maksimuma prvog bočnog režnja i amplitude jačine polja u smjeru maksimuma glavnog režnja (slika 12):

Slika 12

Ovaj nivo se izražava u apsolutnim jedinicama, ili u decibelima:

Koeficijent usmjerenja i pojačanje predajne antene

Koeficijent usmjerenosti (DC) kvantitativno karakterizira usmjerena svojstva stvarne antene u poređenju sa referentnom omnidirekcionom (izotropnom) antenom sa sfernim uzorkom:

KND je broj koji pokazuje koliko je puta gustoća toka snage P (u, q) stvarne (usmjerene) antene veća od gustoće fluksa snage P (u, q) referentne (neusmjerene) antene za istu smjeru i na istoj udaljenosti, pod uslovom da su snage zračenja antena iste:

Uzimajući u obzir (25), možemo dobiti:

Faktor pojačanja (GC) antene je parametar koji uzima u obzir ne samo svojstva fokusiranja antene, već i njenu sposobnost pretvaranja jedne vrste energije u drugu.

KU- ovo je broj koji pokazuje koliko je puta gustina toka snage P (u, c) stvarne (usmjerene) antene veća od gustoće fluksa snage PE (u, c) referentne (neusmjerene) antene za u istom pravcu i na istoj udaljenosti, pod uslovom da su snage koje se napajaju antenama iste.

Dobitak se može izraziti u smislu efikasnosti:

gdje je koeficijent korisna akcija antene. U praksi se pojačanje antene koristi u pravcu maksimalnog zračenja.

Fazni uzorak zračenja. Koncept faznog centra antene

Fazni dijagram fokus je zavisnost faze elektromagnetnog polja koje emituje antena o ugaonim koordinatama.

Budući da su u dalekoj zoni antene vektori polja E i H u fazi, fazni uzorak je podjednako povezan sa električnim i magnetskim komponentama EMF-a koje emituje antena. Fazni obrazac je označen na sljedeći način: Š = Š (u, c) na r = konst.

Ako je W (u, q) = const pri r = const, onda to znači da antena formira fazni front talasa u obliku kugle. Centar ove sfere, gdje se nalazi početak koordinatnog sistema, naziva se fazni centar antene (PCA). Treba napomenuti da nemaju sve antene fazni centar.

Za antene koje imaju fazni centar i amplitudnu šemu sa jasnim nulama između njih, faza polja u susjednim režnjevima se razlikuje za p (180°). Odnos između amplitudnog i faznog dijagrama zračenja iste antene ilustrovan je na slici 13.

Slika 13 – Amplitudni i fazni obrasci

Smjer prostiranja elektromagnetnih valova i položaj njegovog faznog fronta u svakoj tački prostora međusobno su okomiti.

Neka raspodjela struje po dužini antene bude konstantna:

Prave antene (na primjer, slot talasovodi) ili štampani antenski nizovi često imaju upravo ovu distribuciju struje. Izračunajmo dijagram zračenja takve antene:

Sada napravimo normalizirani obrazac:

(4.1.)

Rice. 4.3 Dijagram zračenja linearne antene sa ujednačenom distribucijom struje

U ovom obrascu zračenja mogu se razlikovati sljedeća područja:

1) Glavni režanj je dio dijagrama zračenja gdje je polje maksimalno.

2) Bočne latice.

Sljedeća slika prikazuje obrazac zračenja u polarnom koordinatnom sistemu, u kojem
ima više vizuelni izgled (slika 4.4).

Rice. 4.4. Dijagram zračenja linearne antene sa ujednačenom distribucijom struje u polarnom koordinatnom sistemu

Kvantitativnom procjenom usmjerenosti antene obično se smatra širina glavnog režnja antene, koja je određena ili nivoom od -3 dB od maksimuma ili nultom tačkom. Odredimo širinu glavnog režnja na osnovu nivoa nula. Ovdje otprilike možemo pretpostaviti da za visoko usmjerene antene:
. Uslov da sistemski množitelj bude jednak nuli može se približno napisati na sljedeći način:

S obzirom na to
, posljednji uslov se može prepisati na sljedeći način:

Za velike vrijednosti električne dužine antene (za male vrijednosti poluširine glavnog režnja antene), uzimajući u obzir činjenicu da je sinus malog argumenta približno jednak vrijednosti argumenta, zadnja relacija se može prepisati kao:

Odakle konačno dobijamo odnos koji povezuje širinu glavnog režnja i veličinu antene u delovima talasne dužine:

Iz posljednje relacije slijedi važan zaključak: za linearnu antenu zajedničkog moda na fiksnoj talasnoj dužini, povećanje dužine antene dovodi do sužavanja dijagrama zračenja.

Procijenimo nivo bočnih režnjeva u ovoj anteni. Iz relacije (4.1) možemo dobiti uslov za ugaoni položaj prvog (maksimalnog) bočnog režnja:

(-13 dB)

Ispada da u ovom slučaju nivo bočnih režnjeva ne zavisi od dužine i frekvencije antene, već je određen samo vrstom distribucije amplitudske struje. Da bi se smanjio UBL, treba napustiti prihvaćeni tip raspodjele amplitude (ujednačena raspodjela) i prijeći na raspodjelu koja se smanjuje prema rubovima antene.

5. Linearni antenski niz

5.1. Izvođenje izraza za dan lar

Izraz 4.2. omogućava vam lako prelazak iz polja linearnog kontinuiranog antenskog sistema u polje diskretnog antenskog niza. Da biste to učinili, dovoljno je odrediti raspodjelu struje pod predznakom integrala u obliku rešetkaste funkcije (skup delta funkcija) s težinama koje odgovaraju amplitudama pobude elemenata i odgovarajućim koordinatama. U ovom slučaju, rezultat je dijagram zračenja antenskog niza kao diskretna Fourierova transformacija. Studentima master studija je ostavljeno da ovaj pristup implementiraju samostalno kao vježbu.

6. Sinteza afr-a na određeni dan.

6.1. Istorijski pregled, karakteristike problema sinteze antena.

Često, kako bi se osigurao ispravan rad radio sistema, postavljaju se posebni zahtjevi za antenske uređaje koji su dio njih. Stoga je projektovanje antena sa određenim karakteristikama jedan od najvažnijih zadataka.

U osnovi, zahtjevi se postavljaju na dijagram zračenja (DP) antenskog uređaja i vrlo su raznoliki: specifičan oblik glavnog režnja uzorka (na primjer, u obliku sektora i kosekansa), određeni nivo bočne režnjeve, pad u datom smjeru ili u datom rasponu kutova može biti potreban. Odjeljak teorije antena posvećen rješavanju ovih problema naziva se teorija sinteze antena.

U većini slučajeva nije pronađeno tačno rješenje za problem sinteze i možemo govoriti o približnim metodama. Ovakvi problemi se proučavaju dosta dugo i pronađene su mnoge metode i tehnike. Metode za rješavanje problema sinteze antena također podliježu određenim zahtjevima: brzina; održivost, tj. niska osjetljivost na manje promjene parametara (frekvencija, veličine antene, itd.); praktična izvodljivost. Razmatraju se najjednostavniji metodi: parcijalni dijagrami i Fourierov integral. Prva metoda je zasnovana na analogiji Fourierove transformacije i povezanosti između amplitudno-fazne distribucije i uzorka, druga je zasnovana na proširenju niza šablona u osnovne funkcije (parcijalne obrasce). Često je rješenja dobijena ovim metodama teško primijeniti u praksi (antene imaju loše instrumentacijske karakteristike, amplitudno-fazna raspodjela (APD) je teško implementirati, rješenje je nestabilno). Razmatraju se metode koje omogućavaju uzimanje u obzir ograničenja na PRA i izbjegavanje tzv. "efekat preusmjerenosti".

Odvojeno, vrijedi istaknuti probleme mješovite sinteze, od kojih je najvažniji problem fazne sinteze, odnosno pronalaženja fazne distribucije za datu amplitudu, koja vodi do traženog uzorka. Relevantnost problema fazne sinteze može se objasniti širokom upotrebom faznih antenskih nizova (PAA). Metode za rješavanje takvih problema opisane su u i.