Document 4735271

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ
Кафедра «Теоретические основы радиотехники»
Физические основы
защиты информации
Составил доцент кафедры ТОР
Лучинин А.С.
Лекция 6
Приемные антенны.
Основные характеристики
приемных антенн
Содержание лекции
• 1. Работа электрических проводников в
качестве приемных антенн
• 2. Электрический вибратор – основные
характеристики.
• 3. Короткая антенна.
• 4. Длинная антенна.
• 5. Согласование антенн с входным
сопротивлением приемника
Литература
•
•
•
•
•
•
•
•
Волин М.Л. Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре. –
М.: Радио и связь, 1981. – 296 с.
Фрадин А.З. Антенно – фидерные устройства. – М.: Связь, 1977. – 440
с.
Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. – М.: Высшая школа, 1988.
432 с.
Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Учебник для
студентов энергетических и электротехнических вузов. – М.: Высш.
Шк, 1973. – 752 с.
Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В.
Широкополосные беспроводные сети передачи информации. М.:
Техносфера. 2005. – 592 с.
Калихман С.Г., Левин Я.М. Основы теории и расчета
радиовещательных приемников на полупроводниковых приборах. –
М.: Связь, 1969. – 447 с.
Современная радиоэлектронная борьба. Вопросы методологии/ Под
ред. В.Г. Радзиевского. – М.: «Радиотехника», 2006. – 424 с.
Рембовский А.М., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг:
задачи, методы, средства/ Под ред. А.М. Рембовского. – М.: Горячая
линия-Телеком, 2006. – 492 с. (УДК 621.396.67)
•
•
•
•
•
Проводники, находящиеся в переменном
электромагнитном поле, выполняют обратную
функцию по сравнению с излучением – прием поля и
сигналов, содержащихся в электромагнитном поле.
Электромагнитное поле наводит в проводниках
э.д.с. и ток, которые могут быть обнаружены
приемными измерительными приборами,
подключенными к проводникам – антеннам.
Приемные антенны можно разделить на два вида.
1. Приемные антенны, специально построенные и
использующиеся для приема или перехвата
радиосигналов.
2. Случайные антенны, на которые наводятся сигналы,
излученные передающими (возможно случайными)
антеннами.
•
Простейшими антеннами того и другого вида являются
электрический проволочный вибратор и проволочная
рамка. Моделями этих антенн являются электрический и
магнитный диполи.
•
Различие специально созданных антенн и случайных
состоит в количественных характеристиках их
параметров. Специально созданные антенны
оптимизируются по параметрам (могут иметь более
сложную конструкцию) таким образом, чтобы
обеспечивать наиболее высокое качество приема сигналов.
Параметры случайных антенн случайны.
•
Более сложные приемные антенны представляют собой
конструкции, спроектированные для получения заданных
характеристик при приеме электромагнитных излучений.
Такими характеристиками, например, являются диапазон
рабочих частот, диаграмма направленности,
характеристики согласования антенны с приемным
устройством и другие.
•
Электрический вибратор – основные
характеристики
•
Простейшей приемной антенной, имеющей
очень широкое распространение, является
электрический вибратор. В радиотехнических
устройствах находят применение два типа
вибраторов: симметричный и несимметричный.
Симметричный вибратор представляет собой
отрезок проводника, разрезанный по середине.
В разрыв включается источник возбуждения у
передающей антенны или приемное устройство
у приемной антенны.
•
Симметричный вибратор,
использующийся в качестве передающей
и приемной антенн
Передатчик
a1 a2
Приёмник
E
R
Несимметричный вибратор,
использующийся в качестве передающей и
приемной антенн
Передатчик
а1
а2
Приемник
•
Основными характеристиками приемной
антенны являются диаграмма направленности,
эффективная длина (высота) la, эффективная
площадь Sa, входное сопротивление Za.
•
Диаграмма направленности характеризует
пространственную эффективность передающей и
приемной антенн. Нормированная диаграмма
направленности показывает уменьшение
плотности потока мощности в различных
направлениях по сравнению с максимальным
значением. На рисунках ниже показаны
диаграммы направленности двух антенн
(заданных размеров) на разных частотах.
Трехмерные
диаграммы
направленности
штыревой антенны
на частотах:
600 МГц,
1200 МГц,
3000 МГц,
5000 МГц
Трехмерная
диаграмма
направленности
петлевой антенны
на частотах:
30 МГц,
300 МГц,
600 МГц,
1200 МГц
Трехмерные
диаграммы
направленности
логопериодической
штыревой антенны
на частотах
600 МГц,
1200 МГц,
3000 МГц,
5000 МГц
ZА
EА
Zвх
Uвх
Эквивалентная схема приемной антенны, нагруженной
на входное сопротивление приемника
E A  E la
la - эффективная длина антенны
- полуволновой вибратор, la = 2λ/π.
a2 = 
2
z A  R A  jX a ; RА = 73 Ом, XА = 0.
•
Короткая антенна
•
При выборе длины антенны, равной половине длины
волны (полуволновой вибратор) обеспечиваются
наилучшие условия согласования с входом приемного
устройства, обеспечивается высокий коэффициент
преобразования напряженности поля в э.д.с. (la = 2λ/π)
при почти сферической диаграмме направленности.
Такие антенны широко применяются на практике.
Во многих практических задачах наряду с
полуволновыми вибраторами часто встречаются
короткие антенны, длина которых существенно меньше
длины волны a2 << λ/2. Такие антенны применяются в
системах радиосвязи на относительно низких частотах –
длина волны более 1 м (частоты ниже 300 МГц).
•
• Короткие антенны имеют комплексное,
емкостного характера, выходное сопротивление
za = Ra+jXa.
• Активная и реактивная составляющие
определяются соотношениями [1]:
RA  20  ( k  la )2
X A   w  ctg ( k l a )
la
w  120  (ln( )  1 )
r
w- волновое сопротивление,
,
k  2

la - действующая длина, r –радиус провода, из
которого выполнен вибратор.
•
Действующая длина антенны lа определяется
ее геометрической длиной a2 и распределением
тока вдоль длины антенны [1, 2]. Если длина
антенны мала, a2  0 , то ее свойства
приближаются с свойствам диполя и la  a2 .
•
При малых, но не нулевых размерах a2 << λ/2,
порядка a2= 0,1λ, распределение тока
возбуждения становится не равномерным. Вид
распределения приметно соответствует
треугольному закону.
I(x)
Imax
a
(а)
-a/2
a/2
x
la = a/2
(б)
Распределение тока вдоль короткой антенны при
длине a << λ
•
В случае полуволнового вибратора a2 = λ/2,
распределение тока вдоль длины будет
косинусоидальным :
I ( x )  I 0 cos( k  x )  I 0 cos(
I(x)
2

x)
I0
λ/4
-λ/4
Эффективная длина la=λ/π
x
•
•
•
Длинная антенна
В случае, когда геометрическая длина антенны
превышает половину длины волны соотношения,
описывающие электрический диполь, становятся не
пригодными даже для приблизительного описания
картины электромагнитного поля, создаваемого этой
антенной. Пространственное распределение поля
становится более сложным. В частности, диаграмма
направленности становится изрезанной.
Действующая длина длинной антенны сложным
образом зависит от ее геометрической длины. Закон
распределения тока возбуждения вдоль длины антенны
описывается косинусом:
I ( x )  I 0 cos( k  x )  I 0 cos(
2

x)
I(x)
x
Распределение
тока вдоль
длинной антенны

2
Диаграмма направленности
электрического вибратора длиной
в плоскости антенны
E(θ)
x
•
•
•
•
Согласование антенн с входным
сопротивлением приемника
Наведенная полем э.д.с. антенны ЕА поступает на вход
приемника через выходное сопротивление Za (рис. 6.3). На
входном сопротивлении Zвх создается входное напряжение,
которое приемником усиливается и обрабатывается.
Наилучшие условия приема (наивысшая
чувствительность) реализуются при условии согласования
выходного сопротивления антенны и входного
сопротивления приемника по критерию передачи
максимальной активной мощности от антенны на вход
приемника. Это условие соответствует равенству
комплексно сопряженного сопротивления антенны с
комплексным входным сопротивлением приемника [4]:
Z*A=Zвх.
•
Выходное сопротивление антенны зависит от ее
конструкции и габаритов. Выходное сопротивление
симметричного полуволнового вибратора активно и
равно 73 Ом, сопротивление несимметричного
четверть волнового вибратора также активно и
примерно равно 37 Ом [1].
•
При подключении названных антенн
непосредственно к входу приемника с входным
сопротивлением 50 Ом обеспечивается достаточно
хорошее согласование по мощности. Потери
мощности составляют 3,5% для полуволнового
вибратора и 2,2% - для четверть волнового.
•
При использовании короткой антенны, имеющей
комплексное выходное сопротивление, условия
согласования ухудшаются.
RА
СА
EA
Эквивалентная схема короткой антенны
Cимметричный вибратор, имеющий длину a = 10 см и диаметр
1 мм, при работе на частоте 300 МГц (длина волны 1 м) имеет:
RA ≈ 2 Ом, СА ≈ 0,4 пФ.
Емкостное сопротивление равно XA = - 1333 Ом.
При подключении такой антенны к входу приемника с входным
сопротивлением 50 Ом на вход поступает лишь 0,022%
максимальной мощности. Потери составляют 36,5 дБ.
•
Действующая длина антенны составляет 5 см.
Действующая длина полуволнового вибратора на
этой частоте равна 0,32 м. Таким образом, общий
проигрыш в чувствительности короткой антенны изза рассогласования и меньшего значения
действующей длины составляет 52,6 дБ.
•
Проигрыш в дальности приема сигналов в
свободном пространстве из-за названного снижения
чувствительности составляет в 428 раз.
•
Потери в чувствительности из-за рассогласования
можно уменьшить, если выполнить согласование
антенны с входом приемника по сопротивлению.
RА
EА
СА
Lдоп
Rдоп
L1
L2
Rвх
Схема согласования антенны с входным сопротивлением
приемника
Индуктивность Lдоп следует выбрать такой, чтобы на рабочей
частоте скомпенсировать емкостное сопротивление:
ωLдоп = -1/ωСА.
Коэффициент трансформации трансформатора n должен
уравнять входное сопротивление приемника Rвх и активную
составляющую выходного сопротивления антенны с
добавлением сопротивления потерь Rдоп:
L1 N1
n

L2 N 2
•
Согласующая цепь в практических приложениях
чаще реализуется с использованием согласующего
колебательного контура. Параметры контура
выбираются из условия согласования выходного
сопротивления антенны с входным сопротивлением
приемника.
RА
EА
Lдоп
СА
С1
Rдоп
С2
Rвх
Курс лекций является частью учебно-методического комплекса
«Техническая защита информации», авторский коллектив:
• Мальцев Ардалион Павлович, профессор каф. ТОР, канд. техн.
наук, доцент
• Лучинин Александр Сергеевич, доцент каф. ТОР, канд. техн. наук,
доцент,
• Гуляев Владимир Павлович, доцент каф. ТОР, канд. техн. наук,
доцент
• Вострецова Елена Владимировна, доцент каф. ТОР,
канд.техн.наук., доцент
• Учебно-методический комплекс подготовлен на кафедре
Теоретических основ радиотехники
Никакая часть данной презентации не может быть воспроизведена в
какой бы то ни было форме без письменного разрешения
авторов