Suprimarea lobilor laterali ai diagramelor drl si prl. Metode de reducere a nivelurilor lobilor laterali în sistemele de emitere Cerințe de proiectare

În mod ideal, fasciculul direcționat de antenă către satelit ar trebui să aibă forma unui creion ascuțit. Din păcate, deoarece lungimile de undă în acest caz sunt mici în comparație cu deschiderea (diametrul) antenei, punctul focal fix nu este cu adevărat precis. Acest lucru determină o ușoară divergență a fasciculului principal și o oarecare captare nedorită a semnalelor în afara axei. Modelul polar rezultat constă dintr-un fascicul îngust numit petală principalăşi o serie de lobi laterali de amplitudine mai mică.

Deoarece diagrama polară este adesea dificil de interpretat, se preferă sistemul de coordonate dreptunghiulare. Caracteristica semnalului teoretic normalizat pentru o antenă iradiată uniform cu un diametru de 65 cm la o frecvență de 11 GHz este prezentată în figură:

De fapt, factorii enumerați mai sus vor contribui la introducerea denivelărilor în această caracteristică, dar imaginea generală a dependenței afișată va rămâne neschimbată.

Zgomotul de fond intră în sistemul de antenă în primul rând prin lobii laterali, de aceea este necesar să se mențină cât mai mici posibil în raport cu amplitudinea lobului principal. O antenă iradiată uniform produce teoretic primul și cel mai mare dintre acești lobi laterali la aproximativ -17,6 dB sub valoarea maximă a lobului principal.

În practică, iradierea este rareori uniformă. Precizia distribuției radiațiilor depinde de tipul de iradiator instalat. Acest lucru ne aduce la conceptul de suprafață efectivă sau eficiență a unui sistem de antenă. Cu alte cuvinte, cea mai mare parte a puterii semnalului este colectată din partea centrală a oglinzii și scade spre marginile exterioare ale antenei. Prin urmare, o deschidere slabă a reflectorului antenei poate servi ca protecție împotriva zgomotului de fond.

Iradierea parțială (insuficientă) a oglinzii reduce nivelul primului lob lateral la mai puțin de -20 dB, reducând astfel impactul zgomotului de fond. La prima vedere, această soluție pare ideală, dar duce la unele consecințe nedorite - o scădere a câștigului antenei și o creștere corespunzătoare a lățimii fasciculului (lobul principal). Principala caracteristică a modelului de radiație al unei antene este lățimea sa la jumătatea nivelului de putere, care este calculată ca lățimea lobului principal al modelului la un nivel de -3 dB. Ecuațiile care sunt folosite pentru a calcula lățimea fasciculului la orice nivel dat al lobului principal sunt destul de complexe și necesită timp de realizat. Cu toate acestea, parametri precum lățimea lobului principal la -3 dB, amplitudinea primului lob lateral și locația primului nul (crestătură în modelul de radiație), în funcție de metoda stabilita expunerea poate fi calculată cu ușurință folosind expresiile date în tabelul de mai jos. Distribuția cosinusului este apropiată de medie, iar dacă modul de iradiere recepționat este necunoscut, acesta poate fi folosit ca primă aproximare în calcularea lățimii fasciculului de -3 dB.

Nivelul lobilor din spate și laterali ai diagramei de radiație de tensiune γυ este definit ca raportul EMF la bornele antenei în timpul recepției - de la partea maximă a lobului posterior sau lateral la EMF din partea maximului a lobului principal. Când o antenă are mai mulți lobi posteriori și laterali de dimensiuni diferite, de obicei este indicat nivelul celui mai mare lob. Nivelul lobilor posterior și lateral poate fi determinat și prin putere (γ P) prin pătrarea nivelului lobilor posterior și lateral în funcție de tensiune. În modelul de radiație prezentat în Fig. 16, lobii posterior și lateral au același nivel, egal cu 0,13 (13%) în EMF sau 0,017 (1,7%) în putere. Lobii posterior și laterali ai receptorilor direcționali antene de televiziune sunt de obicei în intervalul 0,1....25 (tensiune).

În literatură, atunci când se descriu proprietățile direcționale ale antenelor de televiziune de recepție, este adesea indicat nivelul lobilor posterior și lateral, egal cu media aritmetică a nivelurilor lobilor la frecvențele medii și extreme. canal de televiziune. Să presupunem că nivelul lobilor (conform EMF) modelului de antenă al canalului 3 (f = 76 ... 84 MHz) este: la frecvențe 75 MHz - 0,18; 80 MHz - 0,1; 84 MHz - 0,23. Nivelul mediu al petalelor va fi egal cu (0,18+0,1+0,23)/3, adică 0,17. Imunitatea la zgomot a unei antene poate fi caracterizată prin nivelul mediu al lobilor numai dacă în banda de frecvență a canalului de televiziune nu există „tepi” ascuțite în nivelul lobilor care depășesc semnificativ nivelul mediu.

Trebuie făcut nota importanta privind imunitatea la zgomot a unei antene polarizate vertical. Să ne întoarcem la modelul de radiație prezentat în Fig. 16. În această diagramă, tipică antenelor polarizate orizontal în plan orizontal, lobul principal este separat de lobii posterior și lateral prin direcțiile de recepție zero. Antenele de polarizare verticală (de exemplu, antenele „canal de undă” cu vibratoare verticale) nu au direcții de recepție zero în plan orizontal. Prin urmare, lobii din spate și laterali în acest caz nu sunt definiți clar și imunitatea la zgomot este definită în practică ca raportul dintre nivelul semnalului primit din direcția înainte și nivelul semnalului primit din direcția din spate.

Factorul de câștig. Cum antenă mai direcțională, adică cu cât unghiul de deschidere al lobului principal este mai mic și cu cât nivelul lobilor posterior și lateral ai diagramei de radiație este mai mic, cu atât este mai mare EMF la bornele antenei.

Să ne imaginăm că un vibrator simetric semiundă este plasat într-un anumit punct al câmpului electromagnetic, orientat spre recepție maximă, adică amplasat astfel încât axa lui longitudinală să fie perpendiculară pe direcția de sosire a undei radio. O anumită tensiune Ui se dezvoltă la o sarcină adaptată conectată la vibrator, în funcție de intensitatea câmpului la punctul de recepție. Să o punem mai departe! în același punct din câmp, în loc de un vibrator cu jumătate de undă, o antenă cu o directivitate mai mare orientată spre recepție maximă, de exemplu, o antenă de tip „canal de undă”, al cărei model direcțional este prezentat în Fig. 16. Vom presupune că această antenă are aceeași sarcină ca și vibratorul cu jumătate de undă și este, de asemenea, potrivită cu ea. Deoarece antena „canal de undă” este mai direcțională decât un vibrator cu jumătate de undă, tensiunea pe sarcina sa U2 va fi mai mare. Raportul de tensiune U 2 /'Ui este câștigul Ki al unei antene cu patru elemente din punct de vedere al tensiunii sau, cum se numește altfel, din punct de vedere al „câmpului”.

Astfel, tensiunea sau câștigul de „câmp” al unei antene poate fi definit ca raportul dintre tensiunea dezvoltată de antenă la o sarcină potrivită și tensiunea dezvoltată la aceeași sarcină de un vibrator cu jumătate de undă potrivit acesteia. Ambele antene sunt considerate a fi situate în același punct în câmpul electromagnetic și orientate spre recepție maximă. Este adesea folosit și conceptul de câștig de putere Kp, care este egal cu pătratul câștigului de tensiune (K P = Ki 2).

În determinarea câștigului, trebuie subliniate două puncte. În primul rând, pentru antene diverse modele ar putea fi comparate între ele, fiecare dintre ele este comparată cu aceeași antenă - un vibrator cu jumătate de undă, care este considerat o antenă de referință. În al doilea rând, pentru a obține în practică un câștig în tensiune sau putere, determinat de câștig, este necesară orientarea antenei către maximul semnalului recepționat, adică astfel încât maximul lobului principal al diagramei de radiație să fie orientat către sosirea undei radio. Câștigul depinde de tipul și designul antenei. Să ne întoarcem la o antenă de tip „canal de undă” pentru clarificare. Câștigul acestei antene crește odată cu numărul de directori. Antena cu patru elemente (reflector, vibrator activ și doi directori) are un câștig de tensiune de 2; cu șapte elemente (reflector, vibrator activ și cinci directori) - 2.7. Aceasta înseamnă că dacă în loc de jumătate de undă

vibratorul folosește o antenă cu patru elemente), apoi tensiunea la intrarea receptorului de televiziune va crește de 2 ori (puterea de 4 ori) și o antenă cu șapte elemente de 2,7 ori (putere de 7,3 ori).

Valoarea câștigului antenei este indicată în literatură fie în raport cu un vibrator cu jumătate de undă, fie în raport cu așa-numitul emițător izotrop. Un radiator izotrop este o antenă imaginară care nu are complet proprietăți direcționale, iar modelul de radiație spațială are forma corespunzătoare a unei sfere. Emițătorii izotropi nu există în natură, iar un astfel de emițător este pur și simplu un standard convenabil cu care pot fi comparate proprietățile direcționale ale diferitelor antene. Câștigul de tensiune calculat al vibratorului cu jumătate de undă în raport cu emițătorul izotrop este de 1,28 (2,15 dB). Prin urmare, dacă se cunoaște câștigul de tensiune al oricărei antene în raport cu un emițător izotrop, atunci împărțiți-l la 1,28. obţinem câştigul acestei antene în raport cu vibratorul cu semiundă. Când câștigul relativ la un driver izotrop este specificat în decibeli, atunci pentru a determina câștigul față de un vibrator cu jumătate de undă, scădeți 2,15 dB. De exemplu, câștigul de tensiune al antenei în raport cu un emițător izotrop este de 2,5 (8 dB). Apoi, câștigul aceleiași antene în raport cu vibratorul cu jumătate de undă va fi 2,5/1,28, adică 1,95 ^ și în decibeli 8-2,15 = 5,85 dB.

Desigur, câștigul real în nivelul semnalului la intrarea TV, dat de una sau alta antenă, nu depinde de ce antenă de referință - vibrator semiundă sau emițător izotrop - câștigul este specificat în raport cu care. În această carte, valorile câștigului sunt date în raport cu un vibrator cu jumătate de undă.

În literatura de specialitate, proprietățile direcționale ale antenelor sunt adesea evaluate prin coeficientul de directivitate, care reprezintă câștigul în puterea semnalului în sarcină, cu condiția ca antena să nu aibă pierderi. Coeficientul de direcție este legat de câștigul de putere Kr prin relație

Dacă măsurați tensiunea la intrarea receptorului, puteți utiliza aceeași formulă pentru a determina intensitatea câmpului la locația de recepție.

Nivel relativ (normalizat la modelul de radiație maxim) al radiației antenei în direcția lobilor laterali. De regulă, UBL este exprimat în decibeli, mai rar, UBL este determinat "prin putere" sau "de peste câmp".

Un exemplu de model de radiație antenei și parametri de model de radiație: lățime, directivitate, UBL, nivelul relativ al radiației din spate

Modelul unei antene reale (dimensiuni finite) este o funcție oscilantă în care este identificat un maxim global, care este centrul petală principală DP, precum și alte maxime locale ale DP și așa-numitele corespunzătoare lobii laterali DN. Termen lateral ar trebui înțeles ca lateral, și nu literal (petală îndreptată „în lateral”). Petalele DN sunt numerotate în ordine, începând cu cea principală, căreia i se atribuie numărul zero. Lobul de difracție (interferență) al unui model care apare într-o matrice rară de antene nu este considerat lateral. Minimele modelului care separă lobii modelului sunt numite zerouri(nivelul de radiație în direcțiile nulurilor modelului poate fi arbitrar mic, dar în realitate radiația este întotdeauna prezentă). Regiunea de radiație laterală este împărțită în subregiuni: aproape de regiunea lobului lateral(adiacent lobului principal al modelului), zona intermediaraŞi regiunea lobului lateral posterior(întreaga emisfera posterioară).

• UBL este înțeles ca nivelul relativ al celui mai mare lob lateral al modelului. De regulă, cea mai mare dimensiune este primul lob lateral (adiacent principalului).

Pentru antene cu directivitate mare se folosesc si nivelul mediu de radiație laterală(modelul normalizat la maximul său este mediat în sectorul unghiurilor de radiație laterale) și nivelul lobului lateral îndepărtat(nivelul relativ al celui mai mare lob lateral din regiunea lobilor laterali posteriori).

Pentru antenele de radiație longitudinale, pentru a estima nivelul de radiație în direcția „înapoi” (în direcția opusă direcției lobului principal al diagramei de radiație), parametrul nivelul relativ de radiație din spate(din engleza fata/spate, F/B- raportul înainte/înapoi), iar această radiație nu este luată în considerare la evaluarea UBL. De asemenea, pentru a evalua nivelul de radiație în direcția „lateral” (în direcția perpendiculară pe lobul principal al modelului), parametrul radiație laterală relativă(din engleza fata/laterala, F/S- raport fata/lateral).

UBL, precum și lățimea lobului principal al modelului de radiație, sunt parametri care determină rezoluția și imunitatea la zgomot a sistemelor de inginerie radio. Prin urmare, în specificațiile tehnice pentru dezvoltarea antenelor, acestor parametri li se acordă o mare importanță. Lățimea fasciculului și UBL sunt controlate atât la punerea în funcțiune a antenei, cât și în timpul funcționării.

Obiectivele de reducere a UBL

• În modul de recepție, o antenă cu un UBL scăzut este „mai rezistentă la zgomot”, deoarece selectează mai bine spațiul de semnal dorit pe fundalul zgomotului și interferențelor, ale căror surse sunt situate în direcțiile lobilor laterali.
• O antenă cu un UBL scăzut oferă sistemului o compatibilitate electromagnetică mai mare cu alte electronice radio și dispozitive de înaltă frecvență
• O antenă cu un UBL scăzut oferă sistemului o mai mare ascundere
• În antena sistemului automat de urmărire a țintei, este posibilă urmărirea eronată de către lobii laterali
• O scădere a UBL (la o lățime fixă ​​a lobului principal al modelului) duce la o creștere a nivelului de radiație în direcția lobului principal al modelului (la o creștere a directivității): radiația antenei într-un altă direcție decât cea principală este o risipă de energie. Cu toate acestea, de regulă, cu dimensiuni fixe ale antenei, o scădere a UBL duce la o scădere a coeficientului de performanță, o extindere a lobului principal al modelului și o scădere a eficienței.

Prețul de plătit pentru un UBL mai mic este extinderea lobului principal al modelului de radiație (cu dimensiuni de antenă fixe), precum și, de regulă, un design mai complex al sistemului de distribuție și o eficiență mai scăzută (în matrice fază) .

Modalități de reducere a UBL

Deoarece modelul de antenă din zona îndepărtată și distribuția amplitudine-fază (APD) a curenților de-a lungul antenei sunt interconectate prin transformarea Fourier, UBL ca parametru secundar al modelului este determinat de legea APD. Calea principală Reducerea UBL la proiectarea unei antene înseamnă a selecta o distribuție spațială mai netedă (căzând spre marginile antenei) a amplitudinii curentului. O măsură a acestei „netezimi” este factorul de utilizare a suprafeței (SUF) al antenei.

Lățimea lobului principal și nivelul lobului lateral

Lățimea modelului (lobul principal) determină gradul de concentrare a energiei electromagnetice emise. DN latime este unghiul dintre două direcții în interiorul lobului principal în care amplitudinea intensității câmpului electromagnetic este de 0,707 niveluri față de valoarea maximă (sau 0,5 nivele față de valoarea maximă a densității de putere). Lățimea liniei de jos este indicată după cum urmează:

2i este lățimea modelului în termeni de putere la nivelul de 0,5;

2i - lățimea modelului în termeni de tensiune la nivelul de 0,707.

Indicele E sau H indică lățimea modelului în planul corespunzător: 2i, 2i. Un nivel de 0,5 în putere corespunde unui nivel de 0,707 în intensitatea câmpului sau unui nivel de 3 dB pe o scară logaritmică:

Este convenabil să determinați experimental lățimea modelului folosind un grafic, de exemplu, așa cum se arată în Figura 11.

Figura 11

Nivelul lobilor laterali ai modelului determină gradul de radiație falsă a câmpului electromagnetic de către antenă. Afectează calitatea compatibilității electromagnetice cu sistemele radio-electronice din apropiere.

Nivelul relativ al lobului lateral este raportul dintre amplitudinea intensității câmpului în direcția maximului primului lob lateral și amplitudinea intensității câmpului în direcția maximului lobului principal (Figura 12):

Figura 12

Acest nivel este exprimat în unități absolute sau în decibeli:

Coeficientul de direcție și câștigul antenei de transmisie

Coeficientul direcțional (DC) caracterizează cantitativ proprietățile direcționale ale unei antene reale în comparație cu o antenă omnidirecțională (izotropă) de referință cu un model sferic:

KND este un număr care arată de câte ori densitatea de flux de putere P (u, q) a unei antene reale (direcționale) este mai mare decât densitatea de flux de putere P (u, q) a unei antene de referință (nedirecționale) pentru aceeași direcție și la aceeași distanță, cu condiția ca puterile de radiație ale antenelor să fie aceleași:

Ținând cont de (25), putem obține:

Factorul de câștig (GC) al unei antene este un parametru care ia în considerare nu numai proprietățile de focalizare ale antenei, ci și capacitatea acesteia de a converti un tip de energie în altul.

KU- acesta este un număr care arată de câte ori densitatea de flux de putere P (u, c) a unei antene reale (direcționale) este mai mare decât densitatea de flux de putere PE (u, c) a unei antene de referință (nedirecționale) pentru aceeași direcție și la aceeași distanță, cu condiția ca puterile furnizate antenelor să fie aceleași.

Câștigul poate fi exprimat în termeni de eficiență:

unde este coeficientul acțiune utilă antene. În practică, câștigul antenei este utilizat în direcția radiației maxime.

Modelul de radiație de fază. Conceptul centrului de fază al antenei

Diagrama de fază se concentreze este dependența fazei câmpului electromagnetic emis de antenă de coordonatele unghiulare.

Deoarece în zona îndepărtată a antenei vectorii de câmp E și H sunt în fază, modelul de fază este în egală măsură legat de componentele electrice și magnetice ale EMF emise de antenă. Modelul de fază este desemnat după cum urmează: Ш = Ш (u, ц) la r = const.

Dacă W (u, q) = const la r = const, atunci aceasta înseamnă că antena formează frontul de fază al undei sub forma unei sfere. Centrul acestei sfere, unde se află originea sistemului de coordonate, se numește centrul de fază al antenei (PCA). Trebuie remarcat faptul că nu toate antenele au un centru de fază.

Pentru antenele care au un centru de fază și un model de amplitudine multi-lobi cu zerouri clare între ele, faza câmpului în lobii adiacenți diferă cu p (180°). Relația dintre modelele de radiație de amplitudine și fază ale aceleiași antene este ilustrată în Figura 13.

Figura 13 - Modele de amplitudine și fază

Direcția de propagare a undelor electromagnetice și poziția frontului său de fază în fiecare punct din spațiu sunt reciproc perpendiculare.

Fie distribuția curentului de-a lungul lungimii antenei să fie constantă:

Antenele reale (de exemplu, ghidurile de undă cu slot) sau rețelele de antene imprimate au adesea exact această distribuție a curentului. Să calculăm modelul de radiație al unei astfel de antene:

Acum să construim un model normalizat:

(4.1.)

Orez. 4.3 Diagrama de radiație al unei antene liniare cu distribuție uniformă a curentului

În acest model de radiație pot fi distinse următoarele zone:

1) Lobul principal este secțiunea diagramei de radiație în care câmpul este maxim.

2) Petalele laterale.

Următoarea figură arată diagrama de radiație în sistemul de coordonate polare, în care
are un aspect mai vizual (Fig. 4.4).

Orez. 4.4 Modelul de radiație al unei antene liniare cu distribuție uniformă a curentului într-un sistem de coordonate polar

O evaluare cantitativă a directivității antenei este de obicei considerată a fi lățimea lobului principal al antenei, care este determinată fie de un nivel de -3 dB de la maxim, fie de zero puncte. Să determinăm lățimea lobului principal pe baza nivelului zerourilor. Aici putem presupune aproximativ că pentru antenele cu direcționalitate ridicată:
. Condiția ca multiplicatorul de sistem să fie egal cu zero poate fi scrisă aproximativ după cum urmează:

Având în vedere că
, ultima condiție poate fi rescrisă astfel:

Pentru valori mari ale lungimii electrice a antenei (pentru valori mici ale jumătății de lățime a lobului principal al antenei), ținând cont de faptul că sinusul argumentului mic este aproximativ egal cu valoarea a argumentului, ultima relație poate fi rescrisă ca:

De unde obținem în sfârșit relația care conectează lățimea lobului principal și dimensiunea antenei în fracțiuni din lungimea de undă:

O concluzie importantă rezultă din ultima relație: pentru o antenă liniară de mod comun la o lungime de undă fixă, creșterea lungimii antenei duce la o îngustare a modelului de radiație.

Să estimăm nivelul lobilor laterali din această antenă. Din relația (4.1) putem obține condiția pentru poziția unghiulară a primului (maxim) lob lateral:

(-13 dB)

Se pare că în acest caz nivelul lobilor laterali nu depinde de lungimea și frecvența antenei, ci este determinat doar de tipul de distribuție a curentului de amplitudine. Pentru a reduce UBL, ar trebui să abandonați tipul acceptat de distribuție a amplitudinii (distribuție uniformă) și să treceți la o distribuție care descrește spre marginile antenei.

5. Matrice liniară de antene

5.1. Derivarea expresiei pentru day lar

Expresia 4.2. vă permite să vă mutați cu ușurință de la câmpul unui sistem de antenă liniară continuă la câmpul unei rețele de antene discrete. Pentru a face acest lucru, este suficient să specificați distribuția curentului sub semnul integral sub forma unei funcții de rețea (un set de funcții delta) cu greutăți corespunzătoare amplitudinilor de excitație ale elementelor și coordonatele corespunzătoare. În acest caz, rezultatul este modelul de radiație al matricei de antene ca transformată Fourier discretă. Studenții de la masterat sunt lăsați să implementeze această abordare în mod independent ca exercițiu.

6. Sinteza afr într-o zi dată.

6.1. Revizuire istorică, caracteristici ale problemelor de sinteză a antenei.

Adesea, pentru a asigura funcționarea corectă a sistemelor radio, sunt impuse cerințe speciale dispozitivelor de antenă care fac parte din acestea. Prin urmare, proiectarea antenelor cu caracteristici specificate este una dintre cele mai importante sarcini.

Practic, cerințele sunt impuse modelului de radiație (DP) al dispozitivului de antenă și sunt foarte diverse: o formă specifică a lobului principal al modelului (de exemplu, sub formă de sector și cosecant), un anumit nivel de lobii laterali, poate fi necesară o înclinare într-o direcție dată sau într-un interval de unghi dat. Secțiunea de teorie a antenei dedicată rezolvării acestor probleme se numește teoria sintezei antenei.

În cele mai multe cazuri, o soluție exactă a problemei de sinteză nu a fost găsită și putem vorbi despre metode aproximative. Astfel de probleme au fost studiate destul de mult timp și au fost găsite multe metode și tehnici. Metodele de rezolvare a problemelor de sinteză a antenei sunt supuse și ele unor cerințe: viteza; durabilitate, adică sensibilitate scăzută la modificări minore ale parametrilor (frecvență, dimensiunile antenei etc.); fezabilitate practică. Sunt considerate cele mai simple metode: diagramele parțiale și integrala Fourier. Prima metodă se bazează pe analogia transformării Fourier și conexiunea dintre distribuția amplitudine-fază și modelul a doua se bazează pe extinderea seriei de modele în funcții de bază (modele parțiale). Adesea, soluțiile obținute prin aceste metode sunt greu de aplicat în practică (antenele au caracteristici de instrumentare slabe, distribuția amplitudine-fază (APD) este dificil de implementat, soluția este instabilă). Sunt considerate metode care permit luarea în considerare a restricțiilor privind PRA și evitarea așa-numitelor. „efect supradirecțional”.

Separat, merită evidențiate problemele sintezei mixte, dintre care cea mai importantă este problema sintezei de fază, adică găsirea distribuției de fază pentru o amplitudine dată, care să conducă la modelul necesar. Relevanța problemelor de sinteză a fazelor poate fi explicată prin utilizarea pe scară largă a rețelelor de antene în faze (PAA). Metodele de rezolvare a unor astfel de probleme sunt descrise în și.