CC BY
27
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХКАНАЛЬНОИ МОДЕЛИ ПРОИЗВОЛЬНЫХ ПРИЕМНЫХ АНТЕНН
Смирнов Евгений Владимирович,
доцент кафедры техническая электродинамики и антенны, Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия, [email protected]
Ключевые слова: информационный канал, антенная теорема, диаграмма рассеяния, приемная антенна, ортогональный канал, оптическая теорема.
Начиная с 20 годов прошлого века и до настоящего времени, в научной и учебной литературе основным методом исследования приемных антенн является теорема взаимности. Такой подход вполне адекватно описывает мощность, выделяемую в нагрузке приемной антенны, но не дает никакой информации об ее рассеивающих свойствах и собственно процессах передачи информации в ней. В последние годы в МТУСИ разработана физическая теория приемных антенн, в основу которой положены метод ортогональных составляющих, оптическая и обобщенная антенная теорема. Эта теория позволяет с единой точки зрения рассматривать процессы приема, рассеяния и передачи информации. Согласно ей передача энергии от плоской волны к приемной антенне происходит по трем каналам взаимодействия, которые образуются ортогональной (ОСПР), информационной (ИСПР) и управляемой диаграммной (УДСПР) составляющими полного поля рассеяния. Такой подход позволил сделать вывод о том, что информация от плоской волны передается в нагрузку антенны только по информационному каналу взаимодействия, который образуется за счет взаимодействия ИСПР с полем плоской волны. Поэтому важно экспериментально обнаружить в полном поле рассеяния антенны эту составляющую. Для того чтобы информационная составляющая была хорошо заметна на фоне двух других, необходимо их уменьшить, а лучше устранить. УДСПР можно относительно легко устранить, нагружая антенну на сопротивление комплексно-сопряженное входному сопротивлению антенны в режиме передачи. Что касается относительного снижения ОСПР по сравнению с ИСПР, то, как показали наши исследования, здесь возможны два подхода. Первый предполагает исследование минимально рассеивающих антенн (МРА), так как в этих антеннах ОСПР равняется нулю. Примером антенны приближающейся по свойствам к МРА является настроенный полуволно-вый диполь. Второй подход состоит в том, чтобы максимально увеличить саму ИСПР. Исследования показали, что для этого целесообразно рассматривать остронаправленные антенны и облучать их с направления максимума диаграммы направленности антенны в режиме передачи, так как амплитуда ИСПР пропорциональна усилению антенны в направлении прихода волны. Полученные в настоящей работе строгие теоретические результаты позволили на примере известных экспериментальных результатов для поля рассеяния рупорной антенны показать существование ИСПРА.
Для цитирования:
Смирнов Е.В. Исследование трехканальной модели произвольных приемных антенн // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2016. Том 10. №12. С. 43-47.
For citation:
Smirnov E.V. Study three-channel model of arbitrary receiving antenna. T-Comm. 2016. Vol. 10. No.12, рр. 43-47. (in Russian)
43
T-Comm Vol. 10. #12-2016
3
Введение
[ 1ачиная с 20 годов прошлого века и до настоящего времени в научной и учебной литературе [1-2,10] основным методом исследования приемных антенн является теорема взаимности. Такой подход вполне адекватно описывает мощность, выделяемую в нагрузке приемной антенны, по не дает никакой информации об ее рассеивающих свойствах и собственно процессах передачи информации в ней. В последние годы в МТУСИ разработана физическая теория приемных антенн [3-5] в основу которой положены метод ортогональных составляющих [6], оптическая [7] и обобщенная антенная теорема [8]. Эта теория позволяет с единой точки зрения рассматривать процессы приема, рассеяния и передачи информации. Согласно ей передача энергии от плоской волны к приемной антенне происходит по трем каналам взаимодействия, которые образуются ортогональной (ОСПР), информационной (ИСПР) и управляемой диаграммной (УДСПР) составляющими полного поля рассеяния, Такой подход позволил сделать вывод о том, что информация от плоской волны передается в нагрузку антенны только по информационному каналу взаимодействия, который образуется за счет взаимодействия ИСПР с полем плоской волны. Настоящая работа посвящена продолжению теоретических исследований трехканальной модели приемных антенн, предложенной в [5] и обсуждению результатов экспериментальных исследований [9], подтверждающих существование ИСПР.
Анализ трехканальной модели приемных антенн
Для начала изложим основные понятия и положения трехканальной модели приемных антенн (физическая теория приемных антенн), основываясь на результатах наших предыдущих работ [5-6], Основным соотношением, характеризующим процесс взаимодействия приемной антенны и падающей на нее плоской волны, является оптическая теорема [7|. Согласно ей, мощность взаимодействия антенны с полем падающей на нее плоской волны равна мощности взаимодействия падающей волны с полем рассеяния антенны в направлении распространения волны и имеет вид
(1)
где А(п0,п0) - диаграмма рассеяния антенны (ДРА) в направлении распространения плоской волны, р - мощность,
выделяемая в нагрузке характеризуемой коэффициентом отражения Г, а р — мощность, рассеиваемая антенной.
2й - волновое сопротивление свободного пространства, а £ - - волновое число. Вектор й0 определяет направление
Л
распространения плоской волны, а е0 - ее поляризацию. Поле рассеяния антенны Ё (Й,,к.} связано с диаграммой рассеяния Д («о Л) соотношением
Кму-ЫХ)*3^ <2>
г
Комплексная диаграмма направленности (ДН)
исследуемой приемной антенны в режиме передачи предполагается известной, причем
где /-"{/;,) - нормированная в направлении максимума амплитудная ДН; Т(гс) -фазовая ДН; ? -единичный вектор в сферической системе координат (г, 9, <р); р(г()) - единичный
комплексный вектор, характеризующий поляризацию поля излучения антенны,
р0(г0) = сов1/&0+ехр[г^]ш1^0, (4)
где параметр /;(0 </; </г/2) определяет соотношение амплитуд составляющих векгора /?(г0); Р — фазовый сдвиг между компонентами; и ф0— орты сферической системы координат.
Л("о>'о) ~ диаграмма рассеяния исследуемой антенны (ДРА), облучаемой плоской волной, заданной в форме
Ё'(«оЛ) = К ехр[-1к(я/0>], (5)
(6)
ñ:{>!,„?„) = [?0 х е„ ] exp [-ik( зд, )/*].
где
ё _ единичный комплексный вектор ([ ¿ |_ \), характеризующий поляризацию первичной волны, причем
ё|1(7'|) = eos v6ü+exp [wr] sin v<p0, (1)
параметры v и к аналогичны величинам и ft в (4).
В физической теории приемных антенн полное поле рассеяния антенны (ППРА) представляется в виде суммы информационной Ёы (ИСПР), ортогональной Ё (ОСПР) и
управляемой диаграммной (УДСПР) составляющих поля рассеяния в виде
ЁД«0,/"о) = Ё± + É¡nf +Ё,= + ДП1 + ÍjeXpW, (8)
г
где А^А^ёА, диаграммы рассеяния ортогональной, информационной и управляемой диаграммной составляющих соответственно.
Ортогональность ИСПР и ОСПР понимается в смысле отсутствия между ними взаимной мощности, что позволяет рассматривать мощности этих составляющих раздельно и полагать суммарную мощность рассеяния антенны равной
где р и Р/ - мощности ортогональной, информационной и диаграммных составляющих соответственно, а Р -
взаимная мощность между диаграммной составляющей и суммой ортогональной и информационной составляющих полного ноля рассеяния приемной антенны.
В |5] для информационной и диаграммной составляющих поля рассеяния антенны в строгой постановке было показано, что они могут быть представлены в виде
j D ~ ■. ¿ ехр(-/Ат)
2 ik г
2 ik
A-y
1 -уА
hra)~
ikr
(10) (11)
где О — максимальное значение КПД исследуемой антенны, А - коэффициент отражения от нагрузки антенны, а у — коэффициент отражения от входа антенны. Анализируя (10) и (11) можно сделать практически важный вывод о том,
T-Comm Том 10. #1 2-2016
что ИСПР и ДСПР зависят только от параметров антенны в режиме передачи, и поэтому для определения этих компонент полного поля рассеяния нет необходимости решать задачу рассеяния. Как видно из (IÜ) информационная компонента поля рассеяния произвольной приемной антенны по форме центрально - симметрична Относительно формы Д1-1 этой антенны в режиме передачи. Из (10) также можно сделать вывод о том, что ни форма, ни амплитуда информационной составляющей не зависят от сопротивления нагрузки.
Поскольку [IIIPA представляется в виде суммы компонент полей рассеяния, то появляется возможность с каждой из этих компонент связать свой канал взаимодействия (КВ) с нолем плоской волны, который будет описываться своей оптической теоремой. Ниже приводится система оптических теорем, полностью описывающих приемный режим работы произвольных антенн, нагруженных на произвольную на-фузку
(12)
=р, Ры = %П
1 -yA
и»
2л-kZn
(13)
(14)
где p¡™* - мощность, выделяемая в нагрузке при Y -у опре-
деляемая соотношением яй
г>та*
п.
жга
(Г(-»0).е0>
(15)
Оптическая теорема (12) описывает работу информационного канала взаимодействия. Мощность, передаваемая но этому каналу, расходуется на мощность, выделяемую в нагрузке и па мощность рассеяния информационной и диаграммной компонент рассеянного антенной поля. Сравнивая между собой оптические теоремы (12-14) можно сделать вывод о том, что в нагрузку информация может передаваться только по информационному каналу взаимодействия. Поэтому он собственно и был назван информационным. Из (12) следует, что мощность, отбираемая от плоской волны по информационному каналу, не зависит от сопротивления нагрузки и равна удвоенной мощности, выделяемой в нагрузке *
при г -у - Мощность информационной составляющей поля
рассеяния равна мощности, выделяемой в нагрузке при *
Г = у и от нагрузки также не зависит. От нагрузки в информационном канале зависит только соотношение мощности, выделяемой в нагрузке и мощности диаграммной составляющей поля рассеяния антенны, с учетом того, сумма этих мощностей постоянна и равна максимальной мощности, выделяемой в нагрузке Согласно (12) мощность, выделяемая в нафузке пропорциональна значению информационной компоненты ноля рассеяния антенны а направлении распространения волны. Учитывая, что ИСПР центрально -симметрична относительно ДН антенн в режиме передачи, то это и объясняет, почему ДН в режиме приема и передачи совпадают, несмотря на то, что распределение токов в антенне в режиме приема и передачи в общем случае разное. Оптическая теорема (13) описывает работу диаграммного
канала взаимодействия. Из нее видно, что мощность, переносимая по этому каналу расходуется только на создание
взаимной мощности р между диаграммной составляющей
•
и составляющей поля рассеяния антенны при Г - у ■ Причем как можно видеть из (13) эта мощность зависит от сопротивления нагрузки. Выбором нагрузки можно менять не только величину взаимной мощности, но и ее знак, а это в свою очередь позволяет минимизировать или максимизировать мощность, рассеиваемую антенной за счет выбора оптимального сопротивления нагрузки антенны при сохранении требований к мощности, выделяемой в нагрузке, что и было реализовано в [3]. Оптическая теорема (14) описывает работу ортогонального канала взаимодействия. Из нее следует, что мощность, отбираемая от плоской волны по этому каналу, расходуется только на создание мощности ортогональной компоненты поля рассеяния. При этом интересно отметить, что при облучении антенны с направления ее нулевого приема согласно (10) и (11) Дп( и Д; будут равны нулю н
поэтому информационный и диаграммный каналы выключаются. В этом случае информационная связь по радиолинии прекращается, но при этом падающая на антенну плоская волна наводит на ее поверхности токи, которые создают ортогональную составляющую поля рассеяния антенны. Согласно Оптической теореме для ортогональной составляющей (14) при этом происходит передача энергии от плоской волны по ортогональному каналу взаимодействия, то есть электродинамическая связь в радиолинии будет сохраняться. Таким образом, наличие электродинамической связи в радиолинии еще не говорит о наличии в нем информационной связи.
Экспериментальное обнаружение ИСПР
Из изложенного выше видно, что ключевым положением в физической теории приемных антенн, является утверждение о том, что в состав полного поля рассеяния произвольной приемной антенны входит информационная составляющая, ответственная за передачу информации в нагрузку антенны. Поэтому, несмотря на то, что сама ИСПР была найдена нами из строгого решения задачи падения плоской волны па приемную антенну, принципиально важно эксперимента;! ьпо обнаружить в полном поле рассеяния антенны эту составляющую. Для того чтобы информационная составляющая была хорошо заметна на фоне двух других составляющих, необходимо их уменьшить, а лучше устранить. Как видно из (11) УДСПР можно относительно легко устранить, нагружая антенну на сопротивление комплексно-сопряженное входному сопротивлению антенны в режиме передачи. Что касается относительного снижения ОСПР по сравнению с ИСПР. то, как показали наши исследования, здесь возможны два подхода. Первый предполагает исследование минимально рассеивающих антенн (МРА), так как в этих антеннах ОСПР равняется нулю. Примером антенны приближающейся по свойствам к МРА является настроенный полуволновый диполь. Второй подход состоит в том, чтобы максимально увеличить саму ИСПР. Анализируя (10) можно сделать вывод, что для этого целесообразно рассматривать остронаправленные антенны с высоким КНД и облучать их с направления максимума диаграммы направленности антенны в режиме передачи, так как амплитуда ИСПР
T-Comm Vol. 10. #12-2016
7Тл
пропорциональна КНД антенны в направлении прихода волны. Рассмотрим второй подход на примере экспериментальных данных по рассеянию плоской волны на пирамидальном рупоре, при его облучении с направления максимума ДП в режиме передачи, приведенных в [9].
s / / N ч . л...........
/ ; / \ \
/ ; t Í S \
i / i / i / \ X \ *
г / \ V \ v
/ / / / \ г \ * ..........Д. Д..
i 7 / / д ^ \ \ .................
1 ~т..........
.........х
7 V
"—■ -
-н -во .м а я м »
Рис. 1. ДИ и ДР пирамидального рупора для разных значений сопротивления нагрузки антенны (расчет)
На рис. I приведены результаты нашего теоретического исследования ДН этого рупора токовым методом (пунктирная линия), его диаграмм рассеяния (ДР) при коротко зам к-
нугой на]рузке (сплошная линия) и нагрузке г -у (точечная линия). Как видно из рисунка подключение на вход приемной антенны сопротивления комплексно-сопряженного входному сопротивлению антенны в режиме передачи практически полностью устраняет управляемую диаграммную составляющую ноля рассеяния рупорной антенны. Наличие небольшого поля рассеяния в направлении главного лепестка ДН антенны может быть объяснено существованием в этой области незначительных полей рассеяния ортогональной и информационной составляющих.
Рис. 2. Информационная составляющая поля рассеяния пирамидального рупора (расчет)
На рисунке 2 пунктирной линией показана расчетная ДН исследуемого пирамидального рупора, а сплошной линией ДР информационной составляющей, которая была получена из ДН рупора в соответствии с соотношением (10), то есть с помощью центрально - симметричного отображения ДН антенны из области углов наблюдения близких к 0 на область углов наблюдения близких к 180 . Как видно из рис. 2 ДП рупора достаточно узконаправленна, КНД антенны высокое—40 и антенна облучается с направления максимума ДП антенны в режиме передачи, то есть все требования, сформулированные выше к эксперименту по обнаружению ИСПР, здесь выполнены. Необходимо также обратить внимание на то, что основная доля энергии ИСПР сосредоточена в узком секторе углов наблюдения в окрестности угла 180, поэтому нас в первую очередь будут интересовать результаты эксперимента именно в этом секторе.
Па рисунке 3 приведены результаты сравнения экспериментальных данных для пирамидального рупора, приведенные в [9] (сплошная линия) с нашими теоретическими результатами для информационной составляющей, полученными в соответствии с (10) и данными рис. 2 (пунктирная линия). Сравнительный анализ этих результатов показывает, что измеренная диаграмма рассеяния рупора в секторе углов наблюдения в окрестности угла 180 очень хорошо совпадает с расчетными значениями ИСПР, что является основанием полагать, что в этом эксперименте мы наблюдаем именно ИСПР, Отличие поля рассеяния антенны от ИСПР при углах наблюдения близких к 90 можно объяснить тем, что в этой области ИСПР очень мата и рассеянное поле определяется ортогональной составляющей поля рассеяния, которая, суля по экспериментальным данным существует в основном в окрестности углов наблюдения близких к 90 и поэтому вносит незначительный вклад в рассеянное ноле в области существования ИСПР. Именно этим обстоятельством и можно объяснить такое хорошее совпадение экспериментальных и расчетных результатов для ИСПР. Таким образом, можно считать экспериментально доказанным, как существование ИСПР, так и обоснованность всей, обсуждае-
T-Comm Том 10. #1 2-2016
мой в настоящей работе физической теории приемных антенн. Приведенные в настоящей работе строгие теоретические результаты могут служить надежной основой для проведения дальнейших машинных и натурных экспериментов по исследованию свойств информационной составляющей полною поля рассеяния произвольных приемных антенн.
Литература
1. Свешникове! МП. Теорема взаимности в электродинамике и радиотелеграфии И ЖРФХО. ¡927. Т.59. С. 453-464.
2. Нейман М.С. Принцип взаимности в теории антенн // ИЭСТ. 1935. №8. С. 1-11.
3. Смирнов Е.В. Применение метода диаграммной составляющем для анализа работы приемной антенны // T-Comm -Телекоммуникации и транспорт. 2010, Вып. 8. С. 40-43.
4. Смирное Е.В. Исследование влияния диаграммы направленности антенны на каналы взаимодействия плоской волны с рассеянным антенной полем // Труды НТОРЭС им. A.C. Попова, 2010. Вып. LXV. С. 14-16.
ELECTRONICS. RADIO ENGINEERING
5. Смирнов Е.В. Исследование информационною канала взаимодействия произвольных приемных антенн // T-Comm -Телекоммуникации и транспорт. 2015. Том 9. № 7. С. 41-46.
6. Смирнов Е.В. Применение метола ортогональных составляющих в задачах рассеяния приемных антенн // [NTERMAT1C 2015 Материалы Международной научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения", 1-5 декабря 2015 г, Москва, М.: МИРЭА, 2015. Часть 5. С. 274-278.
7. Ерохин Г.А. Оптическая теорема лля приемных антенн и ее следствия // РЭ. 1990. Т. 35. С. 2065-2071.
Смирнов Е.В. Обобщенная антенная теорема // T-Comm -Телекоммуникации и транспорт. 2014. Вып. 12. С, 83-87,
8. Midgiey D "A theory of receiving aerials applied to Ihe re radiation of an electromagnetic hom" // Proceedings I.E.E. November, 1961, pp. 645-650.
9. Ерохин Г.А., Черны шов О. В.. Козырев Н.Д.. Кочержевский ВТ'. Антенно-фидерпые устройства и распространение радиоволн. М.: Горячая Линия - Телеком, 2007. 531 с.
STUDY THREE-CHANNEL MODEL OF ARBITRARY RECEIVING ANTENNA
Evgeniy V. Smirnov, Associate Professor of technical electrodynamics and antennas Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, [email protected]
Abstract. Since the 20's of the last century to the present time, in the scientific and educational literature, the main research method of receiving antennas is reciprocity theorem. This approach is quite adequately describes the power generated in the load of the receiving antenna, but provides no information about its scattering properties and the actual transfer of information in it. In recent years, it developed a physical theory receiving antennas in MTUCI, which is based on the method of orthogonal components, the optical and generalized antenna theorem. This theory allows a single point of view to consider acceptance processes, scattering and transmission of information. According to this transfer of energy from a plane wave to the receiving antenna takes place through three channels of interaction that are formed orthogonal (OCSF), information (ICSF) and managed by the diagram components of the total scattering field (MDCSF). This approach led to the conclusion that the information is transmitted from a plane wave in the antenna load only the information on channel interaction, which is formed by the interaction the field ICSF with plane wave. Therefore, it is important to experimentally detect the full scattering field of the antenna this component. In order for the information component was clearly visible against the background of the other two, it is necessary to reduce them, but rather to eliminate. MDCSF can be relatively easy to fix, loading the antenna resistance complex conjugate of the input impedance of the antenna in the transmit mode. As for the relative decline OCSF in comparison with the ICSF then as shown by our study there are two possible approaches. The first involves the study of a minimum of scattering antenna (MSA) as the OCSF these antennas is zero. An example of an antenna approaching the properties of a MSA is tuned half-wave dipole. The second approach is to maximize the very ICSF. Research has shown that for this purpose it is advisable to consider the highly directional antennas and irradiate them with the radiation pattern of the antenna in the direction of maximum transmission mode, since the amplitude of ICSF proportional gain of the antenna in the direction of wave arrival. Strict theoretical results obtained in this study allowed the example of the known experimental results for the scattering field of a horn antenna to show the existence of ICSF.
Keywords: information channel, antenna theorem, scattering diagrams, receiving antenna, orthogonal channel, optical theorem. References
1. Sveshnikova M.P. (1927), "Reciprocity theorem in electrodynamics and radiotelegraphy" / Zhurnal Rossiyskogo fiziko-khimicheskogo obshchestva. Vol. 59. No. 5-6. Pp. 453-464. (in Russian)
2. Neiman M.S. (1935), "Principle of reciprocity in antenna theory" / Izvestiya elektropromyshlennosti slabogo toka. No. 8. Pp. 1-11. (in Russian)
3. Smirnov E.V. (2010), "Application of the chart component for the analysis of the receiving antenna" / T-Comm. No. 8. Pp. 40-43. (in Russian)
4. Smirnov E.V. (2010), "Investigation of the influence of the antenna pattern on the channels of communication with scattered plane wave antenna field" / Trudy Rossiyskogo nauchno-tekhnicheskogo obshchestva radiotekhniki, elektroniki i svyazi imeni A.S. Popova [Proceedings of the Russian Scientific and Technical Society of Radio Engineering, Electronics and Communication named after A.S. Popova], no. LXV, pp. 14-16. (in Russian)
5. Smirnov E.V. (2014)," Generalized antenna theorem" / T-Comm. No. 12. Pp. 83-87. (in Russian)
6. Smirnov E.V. (2015), "Study information channel of interaction of arbitrary receiving antenna" / T-Comm. No. 7. Pp. 41-46. (in Russian)
7. Smirnov E.V. (2015), "Application orthogonal components in scattering problems receiving antennas" / Fundamental problems of radioingineering and construction (Proceedings of the International Scientific and Technical Conference "INTERMATIC-2015") December 1-5, 2015, Moscow, part 5, pp. 274-278. (in Russian)
8. Erokhin G.A (1990), "Optical theorem for the receiving antennas and its consequences" / Radiotekhnika i elektronika. Vol. 35. No. 10. Pp. 2065-2071.
9. Midgley D. (1961), "A theory of receiving aerials applied to the reradiation of an electromagnetic horn" / Proceedings I.E.E. November. Pp. 645-650.
10. Erokhin G.A., Chernyshov O.V., Kozyrev N.D. and Kocherzhevskiy V.G. (2007), Antenno-fidernyye ustroystva i rasprostraneniye radiovoln [Antenna-feeder devices and radio wave propagation]. Goryachaya Liniya - Telekom, Moscow, Russia. (in Russian)
T-Comm Vol. 10. #12-2016
THT
