Лекция №15. Қабылдаушы антенналар.

Лекция жоспары:

· антеннаның жүктемесіндегі бөлінетін қуатты анықтау;

· өзаралық принципін қолдану;

· қабылдаушы антеннаның параметрлерінің радиоқабылдау сапасына әсер етуі

15.1 Қабылдаушы антенналардың сәулеленуі үшін өзаралық принципін қолдану

Қабылдаушы антенна электромагнитті толқындарды қабылдап және оларды қабыдаушы антеннаның кірісіне түсетін жиілігі жоғары энергияға түрлендіруі керек. Қабылдаушы антенналарды оқу кезінде негізгі сұрақтар антеннаның жүктемесіндегі бөлінетін қуатты анықтау болып табылады, яғни қабылдағышта және антеннаның бағыталған қасиеттерін анықтау. Бұл сұрақтар егер қабылдаушы антеннада токтың таралуы белгілі болса шешілуі мүмкін. Таратқыш антеннамен шағылысқан электромагниттік толқынның әсерінен қабылдаушы антеннада ЭҚК пайда болады. Қабылдаушы антенна ретінде, жазық электромагниттік толқынның әсер ету өрісінде жатқан, кірісінің бағыты вибратордың осімен υ бұрышын түзетін, симметриялық вибраторды аламыз (сурет 15.1). суреттен көрініп тұрғандай Е векторы вибратордың осі арқылы өтетін жазықтықта жатыр. Бұл вектодың тангенциалды құраушының есебінен желінің әр нүктесінде ЭҚК пайда болады, олардың фазалары желінің айналасында өзгереді, ал амплитудасы тұрақты. Бір - бірінен z қашықтыққа қалып жатқан желінің екі нүктесіндегі ЭҚК фазалары тең шамасына ерекшеленеді. Осылайша, желінің барлық ұзындығында таратылған ЭҚК әсер етеі, осының әсерінен вибраторда ток пайда болады. бұл токты Z_H жүктемесінің қысқыштарындағы кернеу деп атайды.

Сурет 15.1 - ЭҚК анықтау үшін

Көрініп тұрғандай, жалпы жағдайда қабылдаушы антеннадағы токтардың таратуы таратушы антенна ретінде жұмыс істегенде токтарының таралу заңдары ерекшеленуі керек, себебі таратушы антеннадағы ток жинақталғы ЭҚК әсерінен пайда болады. Негізінен қабылдаушы антенналардың негізгі қасиеттерін анықтау үшін өзаралық принципін қолданады, яғни ол қабылдаушы антеннаның қасиеттерін және параметрлерін анықтауға мүмкіндік береді, егер оның таратушы антенна ретінде қасиеттері мен параметрлері белгілі болса. Өзаралық принципінің мағынасы келесіде. Егер сызықты пассивті төрұштының (сурет 15.2а)кірісінде ЭҚК Э₁ әсер етсе онда оның шығысында І₂ тогы пайда болады.

Сурет 15.1 - Өзаралық анықтау үшін

Егер осы ЭҚК төртұштының (сурет 15.2б) шығысына қоссақ, онда оның кірісінде І₂ тогына тең І₁ тогы пайда болады. Егер ЭҚК кірісіне шығысына қосып оны n есе жоғарылатсақ, І₁ тогы да сонша есе жоғарылайды. Жоғарда айтылғанды аналитикалық өзаралық принципін түсіндіретін қатынасы ретінде жазыға болады.

(15.1)

1927 жылы М.П.Свешников радиоканалды сызықтық пассивті төртұшты ретінде қарастыруға болатнын көрсетіп, бұл принципті антенналарға қолданылу дұрыстығын айтқан. М.С.Неймен 1935 жылы бірінші рет бұл әдісті қабылдаушы антеннаны херттеу үшін қолданған. Өзаралық принципін қолдану сызықтықтан басқа, сонымен қатар электромагниттік толқындар таралатын ортаның изотроптығын қажет етеді. Сондықтан радиотолқындарды ионосферада немесе басқа да анизотропты ортада тарату кезінде оны пайдалануға болмайды.

15.2 Қабылдаушы антеннаның параметрлерінің радиоқабылдау

сапасына әсер етуі

Радиоқабылдаудың сапасы антенна қабылдаған пайданы сигналдың абсолютті шамасымен емес, пайдалы сигналмен қабылдағыштың кірісінде түзілетін кернеудің, әр түрлі кедергілермен түзілетін кернеудің қатынастарымен анықталады. Бұл қатынастың жоғарылауы негізіен қабылдаушы антеннаның бағытталған қасеиттерені байланысты. Осыған байланысты кейбір жағдайларды қабылдаушы антенналардың бағыттаушы қасиеттеріне қатаң талаптар қойылады. Радиоқабылдау кезінде кедергілер сыртқы және ішкі болып екіге бөлінеді.

Сыртқы кедергілер келесілерден тұрады: 1) атмосфералық кедергілер, атмосферадағы электрлік зарядтармен пайда болатын; 2) өндірістік, әр түрлі электрлік аппараттармен пайда болатын; 3) интерфереционных, радиостанциялармен пайда болатын; 4) ғарыштық, жер атмосферасынан тыс жерлердегі радиосәулелену көздерінен пайда болады; 5) Жердің жылулық сәулеленуімен және атмосфералық газдармен пайда болатын кедергілер (шулар); 6) ауа райына байланысты пайда болатын кедергілер (шулар). Кедргілердің алдыңғы үш түрі негізінен орташа, ұзын және қысқа тоқын диапазондарында кездеседі.ультрақысқа тоқындағы диапазондарда негізінен қалған кедергілер кездеседі.

Ішкі кедергілер қабылдағыштағы әр түрлі элементтегіэлектрондардың жылулық қозғалысымен (фулуктациялық табиғаттағы шулармен), сонымен қатар қоректену трактісіндегі антеннамен және элементтермен түсіндіріледі.

Егер пайдалы және кедергі келтіретін сигналдар әр түрлі тіркелген бағытармен өтсе, онда бағытталған антеннаға қабылған кезде және оның бағытталу диаграммаларын дұрыстап бағыттаған кезде антеннаға келетін кедергі сигналдың ЭҚК шамасын айтарлықтай төмендетуге және пайдалы сигналдың қуатын қабылдағыштың кірісіндегі кедергі қуатына қатынасын жоғалытуға, яғни антеннаның берілісін жоғарылатуға болады. Бағытталған кедергілер кезінде реттелетін бағытталу диаграммасы бар антенналар эффективті болып келеді. Олар нөлдік қабылдаудың бағытын кедергігінң келу бағытымен біріктіруге мүмкіндік береді және олны толығымен жоюға мүмкіндік береді. Кейбір жағдайларда кедергілер бағытталған сипатта болмайды немесе кеңйтілген спектр кеңістігінен түседі. Бұл кедергілер ұзартылған деп аталатын көздерден пайда болады, мысалы галактикамен, Жермен, Жер атмосферасымен. Бұдан басқа кедергілер жауандық сипатта, интерференциялық кедергілер және басқалары өзінің келуін жиі ауыстырады және бір уақытта әр түрлі бағыттардан келуі мүмкін. Бұл жағдайларда қабылдаушы антеннаның жұмыс істеу шарттары, барлық бағыттардан бір уақытта өз бетінше амплитудалар мен фазалардан кедергілер келгенде пайда болатын шарттарға жақын. Сондықтан бағытталған антенна бағытталмаған кедергілерді қабылдау кезіндегі бағытталмаған антеннамен салыстырғанда ұтымды болатынын қарастыру керек. Бағытталмаған кедергілер кезіндегі аралсатын сигналдар, басты бағыттан немесе оған жақын бағыттардан өтетін, антеннамен күщейтіледі, минималды қабылдаудан өтетін кедергілер әлсірейді. Нәтижесінде кедергілердің әсері оратлықтандырылады және қабылдағыштың кірісіндегі эффект елестететін абсолююті антеннаның қабылдауы кезіндегіге ұқсас болады. Бұл жағдайда бағытталмаған антенналарды қолдану қабылдағыштың кірісіндегі орташа қуатты төмендетпейді. Бағытталмаған кедергілердің қабылдау кезіндегі қабылдағыштың кірісінде бөлінетін орташа қуаттың шамасының тәуелділігін антеннаның бағытталу диаграммасынан тура дәләлдеуге болады. Көрініп тұрғандай, бірақ, бұл жағдайда бағытталмаған антеннаны қолдану тиміді, себебі пайдалы сигналдың қауты мен кедергілерден пайда болатын қуаттың қатынасын жоғарылатады.

Қабылдаудың қуаты келесі теңдеумен анықталады:

(15.2)

мұнлдағы: Р_сигн – қабылдағыштың кірісіндегі пайдалы сигналдың қуаты; Е_ном – қабылдағыштың кірісінлдегі сыртқы кедергілердің қуаты; Р_ш – қабылдағыштың ішкі шуларының қуаты.

Қабылдаудың үш режимін бөліп көрсетеді: 1) сыртқы кедергілердің қуаты ішкі шулардың қуатынан айтарлықтай жоғары болады, яғни Р_пом>>Р_ш; 2) ішкі шулардың қуаты сыртқы кедергілерлің қуатынан айтарлықтай жоғары болады, яғни Р_пом>>Р_ш; 3) Р_пом және Р_ш шамалары бірдей болып келеді.

Режим 1. Р_ш шамасын ескермей Р_пом салыстырып (15.2) формуланы келесі түрде жазамыз . Қабылдаушы антеннаның жүктемесіндегі бағытталмаған кедергілермен түзілетін қуат келесі формула бойынша анықталуы мүмкін . Себебі бұл жағдайда бағытталған антенна абсолютті болады (D=1), онда жоғарыда келтірілген формула келемідей түрде болады:

мұндағы: η – антеннаның және қоректену трактісінң ПӘК; Е_ном – кедергі өрісінің кернеулілігі.

Пайдалы сигнал белгілі бағыттан өткендіктен, негізінен қабылдаудың басты бағытымен бірлесетін, онда қабылдаушы антеннаның жүктемесіндегі пайда болатын пайдалы сигналдың қуаты, келесіге тең болады:

.

мұндағы: D – басты бағыттағы антеннаның ПӘК; Е_сигн – пайдалы сигналдың кернеулілігі.

Осы жерден . Осылайша, бағытталмаған кедергілер кезінлегі қабылдаудың бірінші режимінде қабылдағыштың кірісіндегі пайдалы сигналдың қуатының кедергілер қуатының қатынастарының шамасы бағытталу диаграммасының коэффициентьіне пропорционал және оның ПӘК тәуелді емес. Бірінші режим орта және ұзын толқындар үшін сипатталады.

Режим 2. Р_ш салыстырғанда Р_ном шамасын ескермей келесі формуланы аламыз . Р_ш антеннаның параметрлеріне тәуелді болмағандықтан, пайдалы сигналдың қуатының кедергілердің қуатына қатынасының шамасы бұл жағдайда D және η көбейтіндісіне пропорционал болады, яғни антеннаның күшейту коэффициентіне. Осылайша, ω үлкен шамасы үшін бұл жағдайда антеннаның ПӘК үлкен және жоғалулары төмен боуы қажет. Екінші жұмыс істеу режимі қарапайым типтегі қабылдағыштардағы УКВ диапазонда ыңғайлы.

Режим 3. Ол қысқа толқынды, сонымен қатар УКВ диапазондарда төмен шулайтын қабылдаушықұрылғыларды орын алады. Бұл кезде ω жоғарылату үшін екінші режимдегі шарттарды орындау қажет.

Басқа тең шарттардағы жұмыс режимдері антеннаның күшейту коэффициентінің шамасына байланысты. Үлкен күшейту коэффициенттері кезінде бірінщі режим, төменгі күшейту коэффициенттері кезінде – екінші режим орын алады.