Характеристики антенн, влияющих на КБВ и КПД антенно-фидерного тракта.

Эквивалентом антенны называют неизлучающую электрическую цепь, входное сопротивление которой равно или близко к входному сопротивлению антенны.

Входное сопротивление антенны Z_вх - это отношение напряжения к току на зажимах антенны.

Полное сопротивление Z_вх (импеданс) складывается из активной части R_вх и реактивной части X_вх. Чем меньше X_вх и чем ближе R_вх к волновому сопротивлению , тем лучше антенна согласована с фидером.

Коэффициент полезного действия устройств антенно-фидерных трактов (антенна, фидер) характеризует потери мощности в устройстве.

Коэффициент полезного действия антенны (КПД) ( ) есть отно­шение мощности излучения P_и к сумме мощностей излучения Р_и и потерь Р_п, т.е. к полной мощности, которая подводится к антенне передающей станции от передатчика:

.

Антенны метрового и дециметрового диапазонов волн имеет КПД близкий к единице. Поэтому, определив потери мощности в фидере и потери на согласование контуров передатчика, фидера и антенны, нам будет приблизительно известна мощность излуче­ния P_и .

Определение КПД антенных фидеров и устройств АФТ.

Возрастание частоты почти всегда приводит к увеличению коэффициента затухания. Существуют лишь редкие исключения из этого правила, например, для волны типа H₀ в круглом волноводе. Коэффициент затухания из-за потерь в диэлектрике растет прямо пропорционально частоте, а коэффициент затухания из-за потерь в проводниках увеличивается с ростом частоты более медленно – прямо пропорционально квадратному корню из частоты.

Поэтому неоднородности, образованные в кабеле из-за его сильных перегибов («изломов»), что очевидно в полевых условиях при частом разматывании и сматывании кабелей, имеют преимущественное значение, определяющее коэффициент затухания.

В антенно-фидерном тракте (АФТ) все устройства пассивные - вносящие затухание.

Затухание обусловлено неизбежным расходом части распространяющейся мощности на нагрев проводников и диэлектриков, а также на образование паразитного излучения.

В общем случае коэффициент затухания принято выражать в логарифмических единицах-децибелах (дБ):

Если общее затухание в линии разделить на длину линии l, получим погонное затухание .

Для перевода погонного затухания в децибелах в затухание в разах по мощности используют формулу

и наоборот

Эффективность передачи мощности в нагрузку принято характеризовать коэффициентом полезного действия (КПД), равным отношению мощности, выделяемой в нагрузке P_н, к мощности падающей волны P_пад, отдаваемой генератором (передатчиком) в линию передачи:

КПД фидера определяется отношением мощности сигнала на выходе фидера к мощности сигнала на его входе Р_вх:

Между формулами имеется значительная разница и заключается она в условии согласования выходного сопротивления передатчика е волновым сопротивлением фидера и последнего с нагрузкой.

В идеальном случае Р_пад = Р_вх, когда отраженной волны нет (Р_{отр вх} = 0). А если имеет место рассогласование, то в этом случае часть энергии отразится от входа фидера и .

В технической литературе приводится формула для определения КПД фидера:

которой нельзя пользоваться, так как в ней заложена грубая ошибка. Это связано с тем, что величина Р_{отр.вых} зависит от согласования волнового сопротивления фидера и сопротивления нагрузки. Получается, что при изменении согласования этих двух величин будет изменяться КПД фидера. Но КПД фидера зависит только от его параметров: погонного затухания ( ), магнитной проницаемости ( ) для данной частоты.

Тогда правильная формула для определения КПД фидера будет иметь вид:

Но для определения КПД_АФТ антенно-фидерного тракта (до антенны) используют другую формулу, в которой учитываются потери из-за рассогласования выходного сопротивления передатчика и волнового сопротивления фидера:

где Р_пад­.А и Р_отр.А соответственно падающая и отраженная мощности (подводимая и отраженная) от антенны, а Р_пер- мощность передатчика.

Коэффициент затухания и коэффициент полезного действия фидера связаны обратно пропорциональной зависимостью:

Распространение электромагнитной волны вдоль любой реальной линии передачи сопровождается ослаблением мощности бегущей волны по закону:

где l – расстояние вдоль линии передачи в сторону движения волны или длина фидера в метрах, – погонное затухание в дБ/м.

Множитель называют коэффициентом ослабления мощности падающей волны.

Отражение падающей волны от нагрузки из-за рассогласования волновых сопротивлений фидера и нагрузки приводит к дополнительному уменьшению передаваемой в нагрузку мощности в раз, и поэтому КПД антенно-фидерного тракта равен:

,

где Р_А – мощность, равная Р_{А пад} - P_{А отр};

Р_{А пад} – мощность, подводимая к антенне;

P_{А отр} – мощность, отраженная от антенны;

Р_пер – мощность передатчика;

– модуль коэффициента отражения.

,

где КБВн – коэффициент бегущей волны нагрузки (антенны).

Таким образом, мы выяснили, от каких параметров зависит затухание линии , КПД – это частота, длина линии, техническое состояние линии (состояние диэлектрика), коэффициента отраженной волны или согласования (равенства) импедансов линии и нагрузки.

Рис.2. Графическая взаимосвязь КПД и КБВ фидера

КБВ и режимы работы фидерных линий.

Фидерные линии предназначены для передачи энергии радиочастоты от передатчика к передающей антенне, от приемной антенны к приемнику, а также для изготовления симметрируюших и согласующих устройств, междуэтажных соединений в сложных антеннах и т.д.

Основные параметры фидерных линий: волновое сопротивление, коэффициент укорочения длины волны, постоянная распространения и погонное затухание.

Волновым сопротивлением линии ( ) называют предельное активное входное сопротивление линии без потерь, длина которой стремится к бесконечности. Волновое сопротивление определяется как отношение напряжения к току бегущей волны и зависит от первичных параметров линии С_пог и L _пог (погонные):

Волновое сопротивление зависит от формы и взаимного расположения проводников линии, а также от диэлектрической постоянной ( ) и магнитной проницаемости ( ) материала, разделяющего проводники.

Если сопротивление нагрузки Z на конце линии отличается от волнового сопротивления , то в линии возникают отраженные волны напряжения и тока, распространяющиеся от нагрузки к генератору.

Коэффициент отражения равен:

где U_отр и U_пад - соответственно амплитуды напряжений отраженной и падающей волн, а Р_отр и _Pпад соответствующие мощности сигнала.

Рис. 3. Распределение тока и напряжения вдоль линии, нагру­женной на активное сопротивление различной величины

Длина волны , измеренная между точками, имеющими одинаковую фазу, зависит от скорости распространения волны вдоль линии

определяемой первичными параметрами линии

При наличии отраженных волн распределение амплитуд напряжения (тока) вдоль линии становится неравномерным - пучности (места максимальной амплитуды) напряжения (тока) чередуются с узлами (местами минимальной амплитуды) напряжения (тока), причем расстояние между соседними пучностью и узлом составляет четверть длины волны, между соседними пучностями или соседними узлами- половину длины волны.

Коэффициент бегущей волны КБВ

Рис. 4. График изменения КБВ и КСВ фидера от изменения согласования с нагрузкой

Если сопротивление нагрузки чисто активно R_н , то при R < КБВ = R/ , а при R > КБВ = /R .

В зависимости от соотношения между волновым сопротивлением линии и сопротивлением нагрузки Z различают три основных режима работы линии.

Режим бегущей волны (рис. 2.2.1, б) имеет место при резистивной нагрузке с сопротивлением, равным волновому сопротивлению (Z =R_н = ). Волны напряжения и тока распространяются только в одном направлении – от генератора к нагрузке. Мощность, поступающая от генератора в линию, полностью передается в нагрузку. Амплитуды напряжения и тока вдоль линии - постоянны (КБВ=1). Линия полностью согласована с нагрузкой и работает в наивыгоднейшем режиме.

Ток и напряжение в линии в этом случае находятся в фазе. Входное сопротивление линии в таком режиме в любой точке равно её волновому сопротивлению.

Уравнение, описывающее изменение напряжения в линии для этого режима, можно получить следующим образом.

Если напряжение на генераторе (рис. 2, а), включенном в начале линии, изменяется по закону

то в точке, расположенной на расстоянии х от конца линии, оно изменяется так же, но с запаздыванием на время

за которое электромагнитная волна доходит до данной точки.

Следовательно, напряжение в этой точке изменяется по закону

С увеличением времени кривая распределения напряжения перемешается – «бежит» вдоль линии от её начала (от генератора) к концу (к нагрузке).

Режим стоячей волны (рис.2, в) имеет место, когда линия замкнута накоротко (Z_н=0), разомкнута (Zн= ) или нагружена на чисто реактивное сопротивление - индуктивность или емкость (Z_н=jx ). Перенос мощности вдоль линии отсутствует: вся мощность, поступающая из генератора в линию в виде падающих волн напряжения и тока, отражается от конца линии и поступает обратно в генератор. Эта волна, распространяющаяся от конца линии к генератору, называется обратной, или отраженной. Таким образом, в линии одновременно распространяются в противоположных направлениях две волны: падающая и отраженная. В результате их сложения в линии устанавливаются так называемые стоячие волны.

Линия полностью рассогласована с нагрузкой, распределение амплитуд напряжения и тока вдоль линии имеет вид стоячих волн (КБВ=0).

Промежуточный режим (рис.2, г) имеет место при сопротивлении нагрузки, содержащем резистивную и реактивную составляющие, а также при чисто резистивной нагрузке, не равной волновому сопротивлению

( Z_н=R ) . Часть мощности, поступающей из генератора в линию, передается в нагрузку, а другая часть отражается от нагрузки и поступает обратно в генератор (о < КБВ < 1) .

В реальных линиях амплитуда колебаний убывает к концу линии .

Погонное затухание фидерной линии - затухание на единицу ее длины; выражается обычно в децибелах на метр (дБ/м). С увеличением частоты затухание в линии вырастает.

Погонные затухания коаксиальных кабелей приведены в таблице 1.

Таблица 1

Примечание. 0,07^x - для 100МГц.

Потерями в линии определяется коэффициент полезного действия линии.

Поиск по сайту: