Чувствительность антенны: Чувствительность и характеристики направленности в режиме приема.

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.

Если их преобразователи нагружены каждый на свой усилитель, то бессмысленно определять чувствительность антенн по напряжению на выходных клеммах, так как оно может сколь угодно большим и оно (!!!) свидетельствует о превышении сигнала над уровнем собственных шумов.

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.

Существует строгое доказательство, что эти характеристики совпадают и при учете взаимодействия между элементами антенны.

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:

1. Что из ХН приемной антенны

2. Что такое чувствительность приемной антенны

3. 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

1. Левитин Е. А., Левитин Л. Е. Радиовещательные приемники. Справочник. — М.: Энергия, 1967, с. 347.
2. Белов Н. Ф., Дрызго Е. В. Справочник по транзисторным радиоприемникам. — М.: Сов. Радио, 1973, ч. 2, с. 663—691.
3. Бродский М. А. Справочник радиомеханика. — Минск: Высш. школа, 1974, с. 115.
4. Айзенберг Г. 3., Ямпольский В. Г., Терешин О. Н. Антенны УКВ, ч. 1. — М.: Связь, 1977, с. 86.
5. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. — М.: Энергия, 1975, с. 34, формула (1-52).

   Автор: Д. Алхимов, г. Смоленск

Теория антенн — полная изотропная чувствительность (TIS)

Общая изотропная чувствительность (TIS) — это широко распространенная спецификация в индустрии мобильных телефонов. Это похоже на Общая излучаемая мощность (TRP) — это параметр, который зависит от антенна и приемник (или радиоприемник), составляющие линию связи. Чтобы определить TIS, мы начнем с понимания приемника. чувствительность. Чувствительность Чувствительность 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. Тестер начнет с отправки некоторого известного сигнала данных, после чего тестируемый приемник передает его обратно, и CMU может определить BER. 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. Результат будет сильно зависеть от антенны. диаграмма направленности, как мы увидим. 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, эффективная изотропная чувствительность (EIS) для данного конкретного угла и поляризации волны. EIS записывается как: 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: [1] Усреднение в уравнении [1] может показаться немного странным. Некоторые размышления над этим прояснят ситуацию. С EIS должен быть очень маленьким, чтобы внести вклад в интеграл, нам нужны такие термины, как 1/EIS, способствующие интеграции. Если бы мы интегрировали по сфере, не беря обратную величину, то углы, для которых чувствительность была бы очень плохой (высокие значения чувствительности) будет доминировать в интеграции. В результате уравнение инвертируется, так что меньшие числа (хорошая чувствительность) взвешен правильно. 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. Первая и основная причина заключается в том, что антенна улавливает шум всей электроники. составляющие тестируемую систему, которые в противном случае не подвергались бы воздействию приемника. Например, на мобильных телефонах антенна получает энергию из памяти и экрана телефона, которая поступает непосредственно на приемник. Этот десенсибилизация приемника известна как десенсибилизация . Поскольку антенна улавливает дополнительный шум, приемник в противном случае не подвергались бы воздействию, и поскольку антенна КПД всегда меньше 1, ТИС будет всегда быть хуже (выше) кондуктивной чувствительности приемника. 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.