Чувствительность и характеристики направленности в режиме приема.
Режим приема.
/1/ с. 20-28
/3/ с.28-35
В режиме приема А преобразует энергию акустического поля в электрическую энергию. Под чувствительностью антенн в режиме приема понимают модуль отношения напряжения на выходных клеммах антенн к давлению в плоской падающей волне, фронт которой перпендикулярен направлению главного максимума характеристики направленности антенн.
(5.1)
При отсутствии шумов (собственных и усилителей) сигнал требуемой величины можно было бы получить при любом . Однако при наличие шумов нужно иметь такую , чтобы на вход усилителя последующий сигнал был больше приведенного уровня шумов.
Чувствительность
антенны является мерой помехоустойчивости
ее по отношению к собственным шумам
преобразователя и входным шумам
электрических трактов. Очень часто для
мозаичных антенн вводят понятие
чувствительности группы преобразователей,
когда сигналы от них поступают на один
усилитель.
В практике определения чувствительности приемной антенны существует два понятия чувствительности: по полю и по давлению. Первое указывает, что характеризует звуковое давление в поле, действующем на антенну. Второе говорит о том, что величина определяет распределение давления на поверхности антенны, равное разности давлений в падающей и отраженной волнах. Обычно чувствительность антенн определяют в исправлении главного максимума. В отдельных случаях чувствительность антенны в режиме приема определяют не только по оси главного максимума, но и в некотором выбранном направлении.
Пусть на сфере большого радиуса, в центре которой помещена приемная антенна, помещается ненаправленный излучатель, тогда под характеристикой направленности приемной антенны понимают отношение напряжений на выходных клеммах при приходе сигнала с оси главного максимума и в некотором выбранном направлении:
(5. 2)
Рассматривая методику определения ХН в режиме приема, предположим, что все преобразователи заторможены. Тогда сил, действующую на преобразователь с номером !, можно записать соотношением
(5.3)
Однако реальные преобразователи не являются заторможенными м в результате колебания поверхности образуется вторичное акустическое поле, которое воздействует и ослабляет падающее поле.
ХН антенны в режиме приема и в режиме излучения совпадают при отсутствии взаимодействия элементов в антенне и при равенстве коэффициентов передачи каналов. Существует доказательство, что эти характеристики совпадают и при учете взаимодействия.
Как и ранее силу, вызванную вторичным акустическим полем можно записать в виде суммы
(5.4)
Общая сила, действующая на преобразователь,
тогда для колебательной скорости преобразователя с номером q
(5. 5)
Интеграл в числителе этого выражения может быть вычислен с помощью теоремы взаимности. Применительно к антеннам теорема взаимности читается: при излучении и приеме совмещенные антенны обладают одинаковыми характеристиками направленности, если пространственное распределение амплитуд остается одним и тем же. Записывается:
(5.6)
S и V – поверхность и колебательная скорость удаленного ненаправленного источника плоской волны падающей на антенну,
– давление развиваемое преобразователем на поверхности ненаправленного источника, который можно считать малым по сравнению с длиной волны.
Известно, что – производительность источника Q. Учитывая, что излучатель является точечным и ненаправленным, а величина акустического давления является малой величиной и ее можно вынести из-под знака интеграла, получим
(5.7)
Окончательно, колебательную скорость на поверхности q-го элемента в некотором выбранном направлении можно записать,
Записывая это
выражение для каждого преобразователя
антенны, получают систему алгебраических
выражений с неизвестным V,
при этом необходимо учесть, что значение
V
зависит от направления прихода сигнала,
падающего на антенну, поэтому систему
алгебраических уравнений для анализа
антенны в режиме приема необходимо
решать для каждого выбранного направления.
Рассмотрим случай, когда элементы антенны можно считать независимыми по полю, т.е.
При этом условии колебательная скорость для q-го источника запишется
Напряжение на выходе преобразователя пропорционально колебательной скорости на его поверхности:
(5.8)
где — некоторый постоянный коэффициент.
Исходя из типовой структуры приемной антенны, введем понятие коэффициента передачи. Для первого канала коэффициента передачи принято считать равным 1, и напряжение на выходе сумматора определится соотношением
,
а характеристика направленности будет равна,
(5.9)
Как видно из
этого выражения, ХН антенны в режиме
приема и излучения при отсутствии
взаимодействия элементов антенны и при
равенстве коэффициента передачи каждого
канала совпадают между собой.
В практике расчета характеристик антенн, учитывая сложность процедуры расчета, колебательную скорость для приемной антенны обычно рассчитывают как для излучающей, так как в этом случае достаточно решить только одну систему алгебраических уравнений относительно и определить все параметры антенны. Расчеты с учетом взаимовлияния элементов антенны, как правило, очень сложные и не все поддаются расчету на современных ЭВМ, отсюда в практических расчетах почти всегда считают элементы антенны независимыми.
Найдем связь между чувствительностью всей А и одного элемента g. Пусть направление главного максимума антенны и элемента g совпадает.
В соответствии с (5.8)
(5.10)
ЭДС на выходе всей
А и ЭДС на выходе элемента g
при падении плоской волны из точки,
расположенной в направлении
пропорциональны чувствительностям
всей А и элемента с номером g.
Из (5.9) и (5.10) получим.
(5.11)
и — чувствительность антенн и элемента в режиме приема
— коэффициент усиления антенн по давлению.
В режиме приема показывает во сколько раз чувствительность А больше чувствительности элемента. В режиме излучение показывает во сколько раз давление в направлении всей антенны больше давления одного элемента (при отсутствии взаимодействия преобразователей.)
Вопросы:
Что из ХН приемной антенны
Что такое чувствительность приемной антенны
Связь между ХН в режиме излучения и приема.
Измерение чувствительности радиоприемников с магнитной антенной
Магнитные антенны широко применяются в радиоприемных устройствах для приема сигналов в ДВ, СВ и реже KB диапазонах. Для измерения чувствительности в точке расположения антенны радиоприемника с помощью известной методики создают электромагнитное поле известной напряженности. В статье проведен анализ этой методики и приведены рекомендации по ее усовершенствованию.
Чувствительность радиоприемника — такая величина входного сигнала, при которой на его выходе создается определенное отношение сигнал/шум. При измерении чувствительности по напряжению вход радиоприемника подключают к генератору сигналов через эквивалент антенны — электрическую цепь, имитирующую параметры внешней антенны. Для радиоприемников с магнитной антенной проводят измерения чувствительности по полю, но в технической литературе этому вопросу уделяется очень мало внимания. Обычно все сводится к ссылке на якобы хорошо известные методики [1—3], суть которых заключается в создании заданной напряженности магнитного поля с помощью рамки с током, подключенной к измерительному генератору. Изменяя сигнал генератора с учетом коэффициента преобразования рамки, находят напряженность поля, при которой выходной сигнал радиоприемника имеет требуемые параметры.
Ознакомление с источниками [1—3] показало, что имеется в виду одна и та же методика, в которой применена одновитковая рамка квадратной формы со стороной 380 мм, выполненная из медной трубки диаметром 3. ..5 мм. Ее через резистор сопротивлением 80 Ом подключают непосредственно к выходу генератора сигналов. Середину магнитной антенны радиоприемника располагают на расстоянии 1 м от центра рамки так, чтобы ось антенны была перпендикулярна плоскости рамки. При этом напряженность поля (мВ/м) в точке расположения магнитной антенны численно равна выходному напряжению генератора сигналов (мВ).
Применение этой методики при использовании современных генераторов ВЧ сигналов привело к удручающим результатам — измеренная чувствительность радиоприемников оказалась хуже ожидаемой примерно в десять раз. Более подробное изучение этой ситуации показало, что данная методика была разработана для случая использования генератора ГСС-6, в котором при отключении выносного аттенюатора выходной сигнал в десять раз больше показаний его аттенюатора (выносной аттенюатор имеет коэффициенты передачи 10, 1 и 0,1). Следовательно, напряжение на рамке оказывается в десять раз больше, а суммарный коэффициент преобразования сигнала генератора в электромагнитное поле равен 1 за счет того, что коэффициент преобразования измерительной рамки равен 0,1. Кроме того, выходное сопротивление генератора ГСС-6 в этом режиме равно 80 Ом, что и объясняет сопротивление добавочного резистора. Но современные генераторы ВЧ сигналов, как правило, имеют выходное сопротивление 50 Ом. Все это побудило заняться корректировкой известной методики проверки чувствительности приемников с магнитной антенной.
Начнем с самой магнитной рамки. Так называемая стандартная рамка состоит из одного витка квадратной формы со стороной 380 мм и применяется в диапазоне частот 0,15…1,6 МГц. Очевидно, что ее размеры много меньше длины волны Я., а расстояние от рамки до магнитной антенны больше ее размеров, поэтому в рабочем диапазоне частот она представляет собой элементарный магнитный излучатель.
Анализ поля элементарного магнитного излучателя [4] показывает, что на расстояниях r<λ,магнитное поле существует во всех направлениях от излучателя. Представляют интерес два направления (показаны на рисунке). Первое — перпендикулярное к плоскости рамки, при этом ось магнитной антенны должна быть направлена на центр рамки. Теоретически это направление в дальней зоне соответствует минимуму диаграммы направленности. Второе — в плоскости рамки, ось магнитной антенны при этом перпендикулярна ей. В дальней зоне это направление соответствует максимуму диаграммы направленности излучателя.
Используя выражения для напряженности магнитного поля по этим направлениям [4] и перейдя от магнитного момента вибратора к рамке с током [5], получим
где h2 Н2 — напряженность магнитной составляющей поля в точках 1 и 2 (см. рисунок) соответственно; S — площадь рамки, м2; I — ток в рамке, А; г — расстояние между центрами рамки и магнитной антенны, м; А,—длина волны сигнала, м.
Выражения (1), (2) позволяют рассчитать напряженность магнитного поля на любом расстоянии от рамки в двух направлениях. Можно показать, что при малых расстояниях {λ/2π) они совпадают с выражениями для магнитного поля рамки с постоянным током. Но напряженность электромагнитного поля принято измерять по напряженности его электрической составляющей. В сформировавшемся электромагнитном поле существует строгая зависимость между напряженностью электрической и магнитной составляющих. Чтобы найти напряженность электрической составляющей поля, которая соответствует известной магнитной составляющей, необходимо выражения (12) умножить на волновое сопротивление среды, для воздуха равное 120π . С учетом того, что на малых расстояниях 2πr<<λ эти выражения преобразуются:
где E1,E2 — напряженность электромагнитного поля в точках 1 и 2 (см. рисунок) соответственно.
Полученные выражения показывают, что напряженность электромагнитного поля вблизи рамки с током зависит от ее площади, значения тока, обратно пропорциональна кубу расстояния и не зависит от длины волны. При этом напряженность поля в первом направлении в два раза больше, чем во втором. Этим, в частности, объясняется тот факт, что в металлоискателях в большинстве случаев используется положение катушки, параллельное исследуемой поверхности.
Используя выражения (3), (4), можно рассчитать напряженность поля для рамки любых приемлемых размеров при известном токе и расстоянии. Однако удобнее связать напряженность поля с выходным сигналом генератора сигналов, к которому подключена рамка. Для задания тока последовательно с ней включают добавочный резистор. Обычно индуктивное сопротивление рамки пренебрежимо мало и его можно не учитывать. В этом случае ток в рамке без учета его индуктивного сопротивления равен
где U — выходное напряжение (по показаниям его аттенюатора) генератора, В; Rr — выходное сопротивление генератора, Ом; Rд— сопротивление добавочного резистора, Ом.
В итоге получены выражения
где К1 К2 — коэффициент преобразования напряжения сигнала генератора в напряженность электромагнитного поля при положении приемной антенны в точках 1 и 2 (см. рисунок) соответственно.
Выражения (5), (6) позволяют рассчитать коэффициент преобразования выходного сигнала генератора в значение напряженности электромагнитного поля либо определить площадь рамки или расстояние до нее для заданного значения коэффициента преобразования. В соответствии с ними в известной методике коэффициент преобразования для квадратной рамки со стороной 380 мм, генератора с выходным сопротивлением 80 Ом и добавочным резистором с таким же сопротивлением дает значение 0,108 при расстоянии 1 м. Очевидно, что в этой методике рамка была рассчитана на коэффициент преобразования 0,1. Небольшая погрешность, скорее всего, вызвана округлением размеров рамки в сторону увеличения и для измерения чувствительности не имеет существенного значения.
Для современных генераторов сигналов с выходным сопротивлением 50 Ом с такой рамкой при сопротивлении добавочного резистора 80 Ом коэффициент преобразования K1 = 0,133, а с добавочным резистором 51 Ом К1 = 0,172, что неудобно для практического использования.
Размеры рамки (ее площадь) при коэффициенте преобразования К, = 1 можно определить из выражения (5). Для r = 1 м, Rr = 50 Ом, Rд = 51 Ом площадь должна составлять 0,84 м2. Это соответствует квадратной рамке со стороной около 0,917 м или круглой диаметром 1,035 м. Но ее индуктивность, в зависимости от примененного диаметра провода, будет 4…4,5 мГн, что приведет к заметной зависимости тока в рамке от частоты сигнала на частотах свыше 1 МГц. Кроме того, такие размеры становятся соизмеримыми с расстоянием до антенны, из-за чего формулы, полученные для элементарного магнитного излучателя, становятся не применимыми.
Удобнее использовать коэффициент преобразования К1 =0,1, что позволит применить сравнительно небольшую рамку площадью 0,085 м2 — это соответствует квадратной рамке со стороной 291 мм или круглой диаметром 328 мм. При диаметре проводника 3 мм ее индуктивность — около 1 мГн. Для таких рамок при добавочном резисторе 51 Ом выходной сигнал генератора, равный 15 мВ, будет соответствовать напряженности поля 1,5 мВ/м на расстоянии 1 м.
Учет влияния индуктивности рамки показывает, что с ее помощью можно проводить измерение чувствительности радиоприемников с магнитной антенной до частоты 8 МГц, на которой напряженность поля уменьшится примерно на 9 %.
На более высоких частотах можно применить рамку площадью 84,17 см2 (что соответствует квадрату со стороной 92 мм или кругу диаметром 104 мм), выполненную из медной трубки или проволоки диаметром 3 мм С такой рамкой и добавочным резистором 51 Ом коэффициент преобразования составит К, = 0,01, поэтому для создания поля напряженностью 1,5 мВ/м на расстоянии 1 м потребуется выходной сигнал генератора 150 мВ. Измерение чувствительности можно проводить до частоты 30 МГц, на которой напряженность поля уменьшится примерно на 8 %. Эта же рамка обеспечит коэффициент преобразования К, =0,1 на расстоянии 465 мм, однако в таком случае потребуется высокая точность установки расстояния между рамкой и антенной.
Точность установки этого расстояния влияет на погрешность измерений. Так, при расстоянии 1 м погрешность ±3,33 см приводит к погрешности измерения ±10%. На расстоянии 465 мм такая же погрешность измерения будет при точности установки ±1,55 см.
Круглая и квадратная рамки эквивалентны, можно также применять рамки другой формы, например треугольной, важно, чтобы их площадь в точности равнялась требуемой. Поэтому с конструктивной точки зрения удобнее применить именно квадратную рамку, так как в этом случае проще получить заданную площадь.
Все приведенные примеры справедливы для случая, когда ось магнитной антенны расположена на перпендикуляре к плоскости рамки, проведенным через ее центр (положение 1, см. рисунок). Но для измерения чувствительности можно применить и другое направление (положение 2). В соответствии с выражением (6) в этом положении коэффициент преобразования уменьшится ровно в два раза. Поэтому для создания требуемой напряженности поля при прочих равных условиях необходимо в два раза увеличивать сигнал генератора либо уменьшить расстояние до центра рамки в раза. Но расстояние менее 0,5 м применять не рекомендуется, поскольку кубическая зависимость сильно увеличивает погрешность измерения от неточности установки расстояния до антенны. К тому же, когда расстояние до рамки становится соизмеримым с ее размерами, приведенные выражения дают завышенное значение напряженности электромагнитного поля, так как излучатель уже не может рассматриваться как точечный.
Однако второе положение может быть удобным с точки зрения компактности рабочего места, поскольку рамку можно расположить, например, над рабочим столом. Но во всех случаях важно, чтобы в зоне измерений не было крупных металлических предметов, способных заметно исказить поле.
ЛИТЕРАТУРА
- Левитин Е. А., Левитин Л. Е. Радиовещательные приемники. Справочник. — М.: Энергия, 1967, с. 347.
- Белов Н. Ф., Дрызго Е. В. Справочник по транзисторным радиоприемникам. — М.: Сов. Радио, 1973, ч. 2, с. 663—691.
- Бродский М. А. Справочник радиомеханика. — Минск: Высш. школа, 1974, с. 115.
- Айзенберг Г. 3., Ямпольский В. Г., Терешин О. Н. Антенны УКВ, ч. 1. — М.: Связь, 1977, с. 86.
- Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. — М.: Энергия, 1975, с. 34, формула (1-52).
Автор: Д. Алхимов, г. Смоленск
Общая изотропная чувствительность (TIS) — это широко распространенная спецификация в индустрии мобильных телефонов.![]() ЧувствительностьЧувствительность приемника – это наименьшая мощность, которая может быть подведена к приемнику, при которой приемник может по-прежнему поддерживать надежную связь. В качестве примера предположим, что пороговая частота ошибок по битам (BER) составляет 2,0%. Это означает, что данные могут надежно передаваться до тех пор, пока BER В качестве примера и для большей конкретики рассмотрим беспроводной модуль Broadcom на рис. 1: 9.0008 Рис. 1. Беспроводной приемник Broadcom. Розовые стрелки указывают на клеммы приемника.
Соединения приемника отмечены розовыми стрелками. Эти разъемы относятся к типу UFL, если вы хотите знать.
Устройство, известное как CMU (по какой-то причине расшифровывается как Universal Radio Communications Tester), подключается непосредственно к
порты приемника. Предположим, начальная мощность была -60 дБм (дБм=децибелы). относительно милливатт), а результирующий BER составил 0,001%. Мы снова возьмем порог BER равным 2%. Мощность будет снижена, скажем, до -61 дБм, и процесс повторится. Предположим, что при -90 дБм BER составлял 1,9%. Затем мощность упадет до -90,5 дБм, и предположим, что BER составляет 2,03%. Результирующий чувствительность приемника будет записана как -90 дБм, потому что это самая низкая мощность, при которой надежная связь был измерен. Поскольку чувствительность измеряется по проводам, а не по воздуху, как описано ниже, этот тип измерения чувствительности приемника известен как проводимая чувствительность приемника. Общая изотропная чувствительность
Общая изотропная чувствительность, или TIS, представляет собой меру средней чувствительности системы приемник-антенна, усредненную по
вся трехмерная сфера. Чтобы определить ТИС, тестируемая система (комплект приемник/антенна) помещается в безэховая камера, и антенна камеры передает в тестируемой системе. Мощность снижается до тех пор, пока BER не достигнет порогового значения. Предположим, что мы сделали это для фиксированного угла и для фиксированной поляризации сказать . То, что мы только что нашли, Единицы измерения EIS такие же, как и для чувствительности (т. е. мощности, обычно измеряемой в дБм). Чтобы определить полную изотропную чувствительность, нам также необходимо измерить фи-компонент поляризации, который для этого конкретного угла будет записано как: Суммарная изотропная чувствительность представляет собой компоненты ЭИС, усредненные по всей сфере углов:
Усреднение в уравнении [1] может показаться немного странным. Как вы можете себе представить, поскольку измерение чувствительности является итеративным измерением, и поскольку мы должны измерять оба поляризации по всей сфере, это измерение имеет тенденцию занимать очень много времени. Из-за того, сколько времени занимает измерение, вы можете спросить, можем ли мы просто использовать чувствительность приемника вместе с диаграмма направленности антенны для упрощения этот процесс. Поскольку, когда мы меняем поляризацию или угол, единственной переменной является антенна, кажется, мы должны в состоянии объяснить это, используя только диаграмму направленности антенны?
Что ж, ответ — нет. Также, как отмечается на Страница ГТО, неидеальная импеданс антенны также влияет на получатель. Обычно это приводит к дальнейшему ухудшению характеристик приемника.
Из этой страницы должно быть ясно, что TIS является функцией антенны, модуля приемника и шумовой среды.
в котором выполняется измерение (шумовая среда включает окружающий шум [тепловой] и собственный шум
от соответствующей электроники). См. также эффективную изотропную чувствительность (EIS). |
Чувствительность антенных решеток для длинноволновой радиоастрономии
- Эллингсон, Стивен В.
Аннотация
Ряд новых и запланированных радиотелескопов будет состоять из больших массивов антенн с низким коэффициентом усиления, работающих на частотах ниже 300 МГц. В этом частотном режиме галактический шум может быть значительным или доминирующим вкладом в общий шум. Это, в сочетании с взаимной связью между антеннами, затрудняет прогнозирование чувствительности этих инструментов. В этом документе описывается модель системы и процедура оценки эквивалентной плотности потока системы (SEFD) — полезного и значимого показателя чувствительности радиотелескопа, который учитывает эти проблемы. Этот метод применяется к LWA-1, первой «станции» интерферометра с длинноволновой решеткой (LWA). LWA-1 состоит из 512 антенн типа «бабочка» на эллиптической площадке размером 110 x 100 м и предназначен для работы в диапазоне частот от 10 МГц до 88 МГц с использованием приемников с шумовой температурой около 250 К. Показано, что корреляция галактического шума между антенн значительно снижает чувствительность решетки для наведения лучей, которые не находятся близко к зениту. Также показано, что значительное улучшение возможно при использовании коэффициентов формирования диаграммы направленности, разработанных для оптимизации отношения сигнал/шум в этих условиях. Обнаружено, что взаимная связь играет значительную роль, но не оказывает последовательно положительного или отрицательного влияния. В частности, мы демонстрируем, что умножение шаблонов (при условии, что поведение одиночных антенн, встроенных в решетку, такое же, как и у этих же антенн самих по себе) не дает надежных оценок SEFD.
- Публикация:
-
Транзакции IEEE на антеннах и распространение
- Дата публикации:
- июнь 2011 г.