Эффективная площадь приемной антенны

Согласно принципу взаимности свойства и параметры приемной антенны можно определить, если известны свойства и параметры этой же антенны в режиме передачи. Сущность принципа взаимности заключается в том, что если на вход четырехполюсника (рис. 15.2) подать ЭДС е ₁, то на его выходе (в нагрузке) появится ток I ₁. Если же на выход четырехполюсника подключить ЭДС е ₂, равную е ₁, то на входе четырехполюсника появится ток I ₂, равный I ₁ .

Рис. 15.2. К объяснению принципа взаимности

Из принципа взаимности непосредственно вытекает принцип обратимости антенны, т.е. направленные свойства и КНД антенны одинаковы в режиме приема и передачи. Таким образом, свойства приемной антенны можно исследовать по ее свойствам в режиме передачи.

Используя принцип взаимности, нетрудно определить мощность сигнала, возникшего на входе приемника в результате воздействия поля волны.

На рис. 15.3 изображена эквивалентная схема приемной антенны, где е _пр – наведенная ЭДС, I _пр – ток во входных цепях приемника; Z _а =
= R _а + jX _а – входное сопротивление антенны; Z _пр = R _пр + jX _пр – входное сопротивление приемника.

Рис. 15.3. Эквивалентная схема приемной

антенны

В согласованном режиме Х _а = Х _пр = 0, R _а = R _пр. При этих условиях в нагрузку отдается максимальная мощность. Из рис. 15.3 следует, что

, (15.3)

где F (j) – зависимоcть тока в антенне от угла прихода волны и называется диаграммой направленности приемной антенны. Как следует из (15.2), максимум наведенной ЭДС в антенне соответствует условию
j = 0 (в случае симметричного вибратора в режиме приема вектор должен быть параллелен его оси). С учетом сказанного:

. (15.4)

Мощность сигнала, развиваемая на входе приемника:

. (15.5)

Так как е _пр имеет распределенный характер, то величину е _пр определим, воспользовавшись понятием действующей длины вибратора (12.5):

. (15.6)

С учетом (15.6) из (15.5) следует, что

. (15.7)

Как следует из (В.9), коэффициент усиления проволочных антенн

. (15.8)

С учетом (15.8)

. (15.9)

Мощность, извлекаемую из электромагнитного поля волны, можно рассчитать, введя понятие эффективной площади антенны. Антенна, находясь в поле волны, извлекает из окружающего пространства часть ее мощности. Отсюда под эффективной площадью приемной антенны принято понимать отношение мощности, извлекаемой антенной из поля приходящей плоской электромагнитной волны, к средней по времени плотности потока мощности волны (вектору Пойнтинга) в месте

расположения приемной антенны:

. (15.10)

С геометрической точки зрения эффективная площадь антенны представляет собой часть фронта плоской волны, через которую проходит вся мощность, извлекаемая антенной из окружающего пространства. Таким образом,

. (15.11)

Приравняв (15.9) к (15.11), получим:

. (15.12)

В случае полуволнового вибратора

. (15.13)

Если пренебречь потерями в антенне (чаще всего на СВЧ), то и

. (15.14)

Например, эффективная площадь полуволнового вибратора
(D = 1,64) равна

.

Учитывая обратимый характер приемопередающих антенн, понятие эффективной площади в равной мере можно отнести и к передающим антеннам.

Понятие эффективной площади удобнее всего применять к апертурным антеннам (параболическим, рупорным, линзовым), имеющим раскрыв. В этом случае эффективной площадью раскрыва называется площадь эквивалентной антенны с равномерным амплитудным и синфазным раскрывом при условии, что обе антенны излучают одинаковую мощность. При этом отношение

.. (15.15)

называется коэффициентом использования площади раскрыва (КИП).