|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Прием электромагнитных волн антенной |
 | |
Анимация
0
Описание
Прием электромагнитных волн осуществляется с помощью антенны (от лат. antenna - мачта, рей). Антенна - устройство для приема (или излучения) радиоволн. Антенна оптимально преобразует падающие на нее электромагнитные волны в электромагнитные колебания, которые воздействуют на приемник (приемная антенна) или, наоборот, оптимально преобразует подводимые к ней электромагнитные колебания в излучаемые электромагнитные волны (передающая антенна).
Приемные антенны характеризуются теми же параметрами, что и излучающие. Взаимности принцип связывает характеристики излучающих и приемных антенн. Одно из следствий теоремы взаимности - совпадение диаграмм направленности антенны при ее работе в режимах передачи и приема. Для приемных антенн диаграмма направленности - зависимость напряжения, тока или мощности на клеммах антенны от угла прихода (u, j) на антенну плоской волны. Приемную антенну характеризуют дополнительные параметры: эффективная площадь seff (для линейных антенн - действующая длина или высота), шумовая температура Та, помехозащищенность. Если бы вся мощность, попадающая на раскрыв антенны, поглощалась ею, то эффективная поверхность антенны seff равнялась бы геометрической площади sg ее раскрыва. Поскольку, однако, часть мощности рассеивается, а часть теряется (джоулевы потери), то seff < sg. Теорема взаимности устанавливает однозначную связь между sg и Gmax:
seff = (l /4p)·Gmax.
На приемную антенну всегда, кроме "полезного" сигнала, воздействуют шумы. Шумовая температура приемной антенны Та вводится соотношением:
Pin = (k/2p)·Та·Dw,
где Dw - полоса частот приемника;
Pin - мощность на входе приемника.
Величина Та обусловлена как собственными шумами самой антенны:
Таn = (1 - h)Т0,
где Т0 - температура материала антенны;
так и внешним радиоизлучением Земли Таea, атмосферы Таatm и космического пространства Таsp.
Таea = (0,6 - 0,8)Т0·b·h,
где Т0 - температура почвы;
b - доля мощности, излучаемой в направлении на Землю.
При b » 0,2 и Т0 = 300 К величина Таea ~ (30 - 40) К. Для миллиметровых волн Таatm » Т0, а в сантиметровом и миллиметровом диапазонах Таatm меняется в безоблачную погоду от единиц до десятков К при направлении соответствующему в зенит и на горизонт; во время облачности и осадков Таatm существенно увеличивается.
Температура Таsp связанная с распределением космического радиоизлучения, растет от 1 - 2 К на сантиметровых волнах до десятков тысяч К на метровых и декаметровых волнах. Существенно повышается Таsp при попадании в диаграмму направленности антенной радиоизлучения Солнца и мощности дискретных космических источников.
Существенной для высокочувствительных приемных антенн является помехозащищенность, достигаемая как за счет снижения общего уровня боковых лепестков, так и за счет создания так называемых адаптивных антенн, параметры которых автоматически изменяются в зависимости от условий работы и "помеховой" обстановки.
Огромный диапазон длин волн принимаемых антенной (от десятков км до долей мм), и многообразие областей использования антенн (связь, медицина, радиолокация, радиоастрономия, геология и др.) обусловили большое число типов и конструкций антенн. На длинных, средних и коротких волнах используются в основном проволочные и вибраторные антенны и их совокупности, в частности фазированные антенные решетки и "антенные поля", антенны типа волновой канал, ромбичные антенны и т.п. Плоская синфазная фазированная антенная решетка относится к поперечным антеннам, принимающая излучение в направлении, перпендикулярном плоскости расположения вибраторов. В этом направлении принимаемые волны складываются синфазно, и туда направляется максимальная энергия. Если разность фаз токов в соседних приемниках постепенно увеличивать вдоль какого-либо направления в плоскости решетки (что эквивалентно созданию бегущей волны тока), то направление максимума диаграммы направленности будет поворачиваться. Этим пользуются для т.н. качания (сканирования) антенного луча в пространстве. Другая разновидность антенн - продольные (линейные) антенны, максимально принимающие в плоскости расположения приемников (ромбичные антенны, логопериодические антенны типа волновой канал).
В ДВ и СВ антеннах обе функции антенны- создание поля излучения и формирование диаграммы направленности, выполняют одни и те же элементы-вибраторы. В антеннах СВЧ диапазона поле излучения по-прежнему создают вибраторы, но диаграмма направленности формируется в результате суперпозиции не только непосредственно полей вибраторов, но и полей, рассеянных на различных структурах - зеркале, линзе, щели, отверстии рупора и т.д. В антеннах СВЧ диапазона можно выделить (условно) ряд типов: рупорные антенны, линзовые антенны, щелевые антенны, диэлектрические антенны, зеркальные антенны, антенны поверхностных волн, фазированные антенные решетки, антенны с искусственной апертурой, интерферометры, системы апертурного синтеза. Каждый из этих типов содержит множество разновидностей.
Весьма существенна форма диаграммы направленности. Например, в качестве бортовых антенн летательных аппаратов используются слабонаправленные антенны с широкой диаграммой. В антеннах радиолокационных систем, предназначенных для обзора пространства и вращающихся (вокруг вертикальной оси), диаграмма узкая в горизонтальной плоскости и широкая в вертикальной, либо состоящая из множества узких лучей, сканирующих в пространстве. Радиоастрономические антенны и антенны космической связи должны обладать чрезвычайно высокой направленностью для точного определения координат объекта, что требует увеличения отношения D/l и, следовательно, при данной l увеличения размеров антенны.
Однако беспредельное наращивание размеров антенны бесполезно, т.к. формирование узкой диаграммы и реализация большой эффективной площади приема предъявляют жесткие требования к точности изготовления и сохранения во времени поверхности антенны. Дисперсия D отклонений поверхности от заданной должна быть на порядок меньше l.
Например, антенна 100 м волноповоротного радиотелескопа в Бонне для эффективной работы на волне l = 3 см (l/D » 3·10-4) имеет погрешность изготовления и сохранения поверхности зеркала D/D »10-5 в условиях ветровых, тепловых и весовых деформаций.
Для обеспечения этого используют т.н. гомологический принцип конструирования, когда при движении зеркала с помощью управляемого ЭВМ перераспределения нагрузок сохраняется заданная форма поверхности, но со смещенным фокусом, в который автоматически перемещается облучатель. Другими наиболее радикальными способами повышения разрешающей способности приемной антенной является расчленение антенны на отдельные регулируемые элементы. Это имеет место в антенне переменного профиля, в фазированных антенных решетках и при разнесении антенны, используемых в качестве элементов интерферометрических систем и систем апертурного синтеза.
Характерная особенность современной антенной техники - использование антенн с обработкой сигнала (цифровой, аналоговой, пространственно-временной, методами когерентной и некогерентной оптики и т.д.). Если излучение принимается антенной, в которой токи от отдельных излучателей или участков суммируются в одном тракте, то обработка такого суммарного сигнала связана с потерей информации. В то же время в фазированных антенных решетках можно обрабатывать отдельно каждый принятый элементами или их совокупностью сигнал и затем подвергать полученные сигналы дополнительной обработке.
Антеннами с обработкой сигнала являются радиоастрономические системы апертурного синтеза. Принцип апертурного синтеза заключается в использовании ряда антенн, последовательно во времени или стационарно занимающих определенные положения. Их сигналы суммируются и перемножаются с различными взаимными фазовыми соотношениями. В результате соответствующей обработки на ЭВМ получается информация, эквивалентная такой, как при использовании сплошной апертуры, значительно превосходящей апертуры отдельных антенн. При машинной обработке можно осуществлять сканирование луча в пределах достаточно широкого лепестка отдельной антенны и другие преобразования диаграммы.
Ключевые слова
Области техники и экономики
Применение эффекта
Современные приемные антенны характеризуются большими диапазонами длин волн (от десятков км до долей мм) и многообразием областей использования: связь, радиолокация, геология, медицина и т.д. Большое число типов и конструкций антенн обуславливают реализацию широкого диапазона длин волн (длинных, средних и коротких волн).
Схема антенны-мачты Айзенберга изображена на рис. 2.
Антенна-мачта Айзенберга
Рис. 2
Схема однозеркальной приемной параболической антенны изображена на рис. 3.
Однозеркальная приемная параболическая антенна
Рис. 3
Обозначения:
1 - параболический отражатель;
2 - приемник.
Радиотелескопом называется устройство для приема и измерения радиоизлучения космических объектов в диапазоне от декаметровых до миллиметровых длин волн (в пределах окна "прозрачности" земной атмосферы для радиоволн). Радиоантенны состоят из антенны и измерителя малых мощностей - радиометра.
Реализации эффекта
На рис. 1 показана техническая реализация опыта Герца.
Опыт Г. Герца
Рис. 1
Обозначения:
cлева - излучающий вибратор;
справа - приемный вибратор;
1 - повышающий трансформатор;
2 - дроссели;
3 - газоразрядная трубка.
Литература
1. Политехнический словарь.- М.: Советская энциклопедия, 1989.- С.29-30.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |