Основы теории приемных антенн

1.40. Описать схему применения принципа взаимности к антеннам. В чем выражается обратимость передающей и приемной антенн?

1.41. Какие условия необходимы для выделения максимальной мощности сигнала на входе приемника? Вывести формулу этой мощности.

1.42. В приемной антенне, имеющей внутреннее сопротивление  Ом радиоволна наводит ЭДС сигнала ε_А = 150 мкВ. Определить входное сопротивление приемника, согласованного с антенной,   и мощность сигнала на входе приемника. Эквивалентная схема приемной антенны изображена на рис. 1.8.

Рис. 1.8.

Поиск решения. Для согласования приемника с антенной его входное сопротивление  должно быть комплексно сопряженным с внутренним сопротивлением антенны , т.е. должно быть   и .Тогда максимальная (номинальная) мощность сигнала на входе приемника . По этим формулам определяем искомые величины.

Решение.

1. Реактивная составляющая входного сопротивления приемника

= 50 Ом

2. Активная составляющая входного сопротивления приемника

= 75 Ом

3. Комплексное входное сопротивление приемника

 Ом

4. Номинальная мощность сигнала на входе приемника

 Вт.

1.43. Сформулировать определение характеристики направленности приемной антенны. Показать на примере диполя Герца, что его характеристика направленности одинакова в режимах передачи и приема.

1.44. Сформулировать определения следующих параметров приемной антенны: КПД, КУ, действующая длина (высота) и эффективная площадь.

1.45. Вывести формулу зависимости между КНД и эффективной площадью антенны. Что называется коэффициентом использования площади раскрыва антенны (КИП)?

1.46. Написать формулу зависимости КУ антенны G ₀ от эффективной S _эф.А и геометрической S _Aплощади ее раскрыва. Что называется коэффициентом эффективности (эффективностью) антенны?

Ответ.

где ν – коэффициент использования площади раскрыва антенны (КИП), η_А – КПД антенны, (v·η_А) – коэффициент эффективности (эффективность) антенны.

1.47. Описать в чем выражается согласованность по поляризации приемной антенны и приходящей волны.

1.48. Заполнить пропуски следующими словами и символами: входным, Х_А, ЭДС, согласовании, направления, согласованная, квадрату, комплексно сопряженными, R_A, плотность потока, внутренним, эффективная площадь.

Приемная антенна играет роль источника ____ с ____ сопротивлением , нагрузкой которого является приемник с _____ сопротивлением . Антенна сообщает приемнику максимальную мощность при полном ___ этих сопротивлений. Иначе говоря, величины  и  должны быть ____ ____ R_пр = ____ Х_пр =. ___ Характеристикой направленности приемной антенны называется зависимость ___ в антенне от___ приходящей волны. Эффективная площадь раскрыва антенны равна отношению максимальной мощности, которую извлекает из проходящей электромагнитной волны антенна, ___ с нагрузкой, к ___ мощности данной волны. КНД антенны прямо пропорционален отношению ___ ___ раскрыва антенны к ____ длины волны.

1.49. Определить эффективное значение ЭДС, наводимой в антенне, действующая длина которой h_д = 5м. Антенна полностью согласована с принимаемой волной по поляризации. Амплитуда напряженности электрического поля в пункте приема Е _m = 14,1 мкВ/м.

Ответ. ε_А = 50 мкВ.

1.50. Определить амплитуду ЭДС, наводимой в вертикальном вибраторе с действующей высотой h_д = 12 м, если в пункте приема амплитуда напряженности электрического поля волны Е _m = 120 мкВ/м и вектор Е образует с осью вибратора угол θ =30°.

Ответ. ε_m = 1247 мкВ.

1.51. Доказать, что сигнал, подводимый к приемнику от полностью согласованной с ним антенны, имеет максимально возможную мощность

   и ЭДС

где Е_τ – действующее значение тангенциальной составляющей напряженности электрического поля; G₀ – максимальный КУ антенны, R _Авх – активное входное сопротивление антенны.

Решение. Эффективная площадь антенны S_эф связана с КНД D ₀ зависимостью . Умножив S _эф на плотность потока мощности , получаем максимальную мощность, улавливаемую антенной,

.

Так как КПД антенны η_А < 100%, то в приемник поступает не вся мощность, а именно:

С другой стороны,   и, следовательно, ЭДС в приемной антенне, согласованной с приемником,

Как видно, увеличение КУ антенны G₀ способствует повышению мощности и ЭДС сигнала, подводимого от антенны к приемнику.

1.52. Приемная антенна, имеющая действующую высоту h = 1,4 м и полное сопротивление излучения R _A = 75 Ом, полностью согласована с приемником. Какова мощность сигнала на входе приемника при напряженности поля Е = 200 мкВ/м?

Ответ.  = 2,62 10^-10 Вт.

1.53. Приемная антенна, имеющая при длине принимаемой волны λ = 10 м коэффициент усиления G₀ = 20 дБ и активное входное сопротивление R_Авх =250 Ом, согласована с приемником и ориентирована относительно передающей антенны на максимально возможный прием сигналов. Действующее значение напряженности поля в пункте приема Е_τ = 50 мкВ/м. Определить мощность

Р_{пр макс}и ЭДС сигнала, подводимого к приемнику.

Ответ.   = 0,52 10^-8 Вт;  = 2,29 мВ.

1.54. Как изменится мощность Р_пр и ЭДС ε_пр на входе приемника, если по условиям распространения волны линейная поляризация ее изменит угол на γ = 30°. Остальные исходные данные соответствуют предыдущей задаче.

Поиск решения. Так как ЭДС на входе приемника ε_пр во столько же раз уменьшилась по сравнению с , во сколько тангенциальная составляющая напряженности поля Е_τ уменьшилась за счет рассогласования антенны по поляризации, то , а мощность .

Решение.

1. ЭДС сигнала на входе приемника

 мВ.

2. Мощность сигнала на входе приемника

 Вт.

1.55. Описать природу помех, наводимых в приемной антенне. Что называется эквивалентной шумовой температурой антенны и спектральной плотностью шумов? Какой формулой выражается зависимость между этими величинами? Какие факторы влияют на эквивалентную шумовую температуру антенны.

1.56. Заполнить пропуски соответствующими словами: в зенит, приемника, ниже, выше, на Землю, меньше, больше, целесообразно, нецелесообразно, поляризации, комплексно сопряженным, максимумом.

Приемная антенна отдает наибольшую мощность приемнику, если: она согласована с принимаемой волной по ___; ее внутреннее сопротивление является ___ ___ относительно входного сопротивления ___; направление на передающую радиостанцию совпадает с ___ ДН передающей антенны. Внутренние шумы влияют на прием сигналов тем меньше, чем ___ КПД антенны и ___ ее физическая температура. Внешние шумы, вносимые в приемник, сказываются ____ с повышением направленности антенны, и при угловой ориентации ее ___ ___, а не ___ ___. Эквивалентная шумовая температура антенны должна быть тем меньше, чем ___ шумовая температура приемника. С увеличением КПД антенны внешние шумы ее сказываются ___. Для приема на низких радиочастотах повышать КПД антенны ___, а на сверхвысоких частотах ___.

1.57. Определить КУ G₀ приемной антенны СВЧ, имеющей КНД D ₀ = 25 10³ и эффективную шумовую температуру Т_А = 30 К при температуре внешней среды Т_Афиз = 290 К и внешних шумах, которые оцениваются температурой Т_∑ = 5 К.

Поиск решения. Зная, что , стремимся сначала найти КПД антенны η_А. Это позволяет сделать формула . Затем находим коэффициент усиления.

Тема 2. Симметричный вибратор.

Симметричный электрический вибратор в свободном пространстве. Направленные свойства симметричного вибратора. Диаграмма направленности симметричных вибраторов.

Литература: [1] с. 80-99.