ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ АНТЕНН И ИХ ВЗАИМОСВЯЗИ

​PARAMETERS OF ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY OF ANTENNAS AND THEIR INTERRELATIONSHIPS

Mariya Melnikova

student, Department of Radio Communication and Broadcasting, St. Petersburg State University of Telecommunications named after Prof. M. A. Bonch-Bruevich,

Russia, Saint Petersburg

Petr Nesterchuk

student, Department of Radio Communication and Broadcasting, St. Petersburg State University of Telecommunications named after Prof. M. A. Bonch-Bruevich,

Russia, Saint Petersburg

Nikita Pirogov

student, Department of Radio Communication and Broadcasting, St. Petersburg State University of Telecommunications named after Prof. M. A. Bonch-Bruevich,

Russia, Saint Petersburg

АННОТАЦИЯ

Основные концепции в области ЭМС часто утопают в потоке повседневных измерений и объеме отчетной документации. Одним из ключевых параметров, используемых в технических средствах, является коэффициент антенны (AF), который часто применяется без понимания его истинного значения. Изучение основ этого параметра, а также связанного с ним коэффициента передающей антенны (TAF), поможет лучше понять числовые значения и принципы измерения излучения в области ЭМС.

ABSTRACT

The basic concepts in the field of EMC are often drowned in the flow of everyday measurements and the volume of accounting documentation. One of the key parameters used in technical means is the antenna coefficient (AF), which is often used without understanding its true value. Studying the basics of this parameter, as well as the associated transmitting antenna coefficient (TAF), will help to better understand the numerical values and principles of radiation measurement in the field of EMC.

Ключевые слова: антенна; электромагнитная совместимость; коэффициент.

Keywords: antenna; electromagnetic compatibility; factor.

ЭМС-антенны

Антенны для измерений ЭМС используются в сложных условиях, где требуется частая замена и износ антенн при постоянном использовании. В процессе разработки таких антенн важным параметром является широкая полоса пропускания, которая обеспечивает охватываемый частотный спектр для измерений электромагнитного излучения. Хотя коэффициент усиления и другие характеристики также играют роль, основное внимание уделяется именно широкой полосе пропускания.

Калибровка антенн и использование соответствующих параметров (AF для измерений излучаемых излучений и TAF для измерений помехоустойчивости) является важным аспектом проведения электромагнитных испытаний. Важно отметить, что параметры антенн, хоть и могут казаться второстепенными, имеют решающее значение для эффективности операций по измерению и оценке электромагнитной совместимости.

Antenna Factor — Коэффициент антенны

Коэффициент антенны — это показатель, который переводит уровень напряжения, поступающего на входные клеммы анализатора электромагнитных помех от преобразователя, в единицы напряженности электромагнитного поля, вызывающего это напряжение. Он отражает соотношение между входным и выходным напряжением для антенны с электрическим полем:

                                                                                                  (1)

Обычно AF измеряется в децибелах, и когда он применяется для определения уровня падающего электрического поля, он выражается следующим образом:

)                                                      (2)

Вывод AF является простым и опирается на несколько основных соотношений теории антенн. Одно из этих соотношений заключается в том, что соотношение мощности нагрузочного сопротивления к плотности мощности падающей волны определяет эффективную апертуру. Таким образом:

                                                                                                (3)

                                                                                        (4)

                                                                                           (5)

Связь между выходным напряжением антенны VL и выходной мощностью зависит от сопротивления, которое антенна воспринимает.

                                                                                        (6)

где

— выходная мощность антенны, Вт;

    — выходное напряжение, В;

 Z — сопротивление нагрузки устройства, подключенного к антенне, Ом.

Связь между напряженностью электрического поля, плотностью мощности падающего поля и напряженностью электрического поля равна:

  (7)

где

 — плотность мощности падающего поля, Вт/м²;

— напряженность электрического поля, В/м.

Подставляя уравнения (4), (5) и (6) в уравнение (7), получаем для плоской волны

                                                                                (8)

Тогда, для AF получаем:

                                                                              (9)

Для удобства, в 50-омной системе:

                                                          (10)

Переводя в базисные единицы(дБ) (в единицах обратных метров)

                                                  (11)

Transmit Antenna Factor—Коэффициент передающей антенны

Коэффициент передачи антенны (TAF) определяет необходимую мощность входного сигнала для получения определенного уровня поля на заданном расстоянии от антенны. Этот коэффициент отражает взаимосвязь между сигналом, поступающим на антенну, и полем, создаваемым данной антенной. Таким образом, TAF позволяет определить соотношение между параметрами антенны и ее характеристиками.

                                                                                       (12)

В пересчете на дБ:

                                                           (13)

или:

                                                         (14)

Вывод TAF основан на трех стандартных соотношениях, первое из которых является модификацией формулы передачи Фрисса.

                                                                                            (15)

где

 — плотность излучаемой мощности на расстоянии r от антенны, Вт/м²;

 — входная мощность антенны, Вт;

 — численное усиление антенны;

 — расстояние от антенны, на котором оценивается плотность мощности, м.

Второй- закон Ома:

                                                                                            (16)

где

 — мощность, рассеиваемая в нагрузке, Вт;

 — напряжение на рассеивающем элементе, В;

 сопротивление (импеданс) рассеивающего элемента или нагрузки, Ом.

Следующее отношение —  закон Ома для свободного пространства:

                                                                                    (17)

где

—плотность мощности падающей волны, Вт/м²;

 напряженность электрического поля в некоторой точке пространства, В/м;

— полное сопротивление свободного пространства, равное 377 Ом.

Объединение уравнений (14) и (16) приводит к знакомому выражению

                                                                                    (18)

Связь между напряженностью электрического поля в точке r на расстоянии от передающей антенны, и входной мощностью Pt и коэффициентом усиления Gt можно выразить следующим образом, изменив уравнение (15):

                                                                                     (19)

При TAF, который представляет собой отношение создаваемого электрического поля к входному напряжению на антенну, мы можем определить TAF, используя отношение электрического поля, согласно уравнению (17), к мощности, рассеиваемой в антенне, описанной в уравнении (18).

                                                                          (20)

Так как передаваемая мощность P_t равна мощности, рассеиваемой в нагрузке P_in, и значение R равно 50 Ом, уравнение (19) можно упростить до следующего:

                                                                           (21)

Этот результат легко объясним, поскольку TAF обратно пропорционален расстоянию от источника сигнала и прямо пропорционален усилению передающей антенны, которое не зависит от входной мощности. Указанное значение усиления в уравнении (17) представляет собой эффективное усиление антенны, рассчитанное на основе измеренных значений AF. Используемый TAF учитывает эффективность антенны, несоответствие антенн и другие потери.

Для преобразования выражения TAF в форму дБ можно воспользоваться:

                                     (22)

Следует учесть, что степень усиления антенны прямо пропорциональна TAF, а расстояние от антенны обратно пропорционально этой величине. Это логично и подтверждает правильность вывода.

Конверсия между AF и TAF

Согласно выводам, несмотря на то, что AF и TAF имеют одинаковые единицы измерения м-1, они не являются одинаковыми или взаимозаменяемыми. Однако они связаны друг с другом. Этот факт позволяет вычислить TAF на основе AF, переписав уравнение (11), получаем:

                                       (23)

Замена уравнения (22) на уравнение (23) дает

                               (24)

Это преобразование применимо при измерениях AF или TAF в условиях, когда AF измеряется над землей. TAF, рассчитанный по AF, будет соответствовать аналогичным условиям. Важно помнить, что взаимность антенн относится к схеме передачи и приема, и не включает в себя эффекты рассогласования импедансов или других факторов. Поэтому TAF, рассчитанный на основе измеренных коэффициентов антенны, будет точным при использовании антенны в тех же условиях над землей. Полубезэховая камера также удовлетворяет этим условиям, при условии эффективности радиочастотного поглотителя в диапазоне частот.

Выводы

Обсуждение выше привело к выводу о двух ключевых параметрах антенны для ЭМС: AF и TAF. Эти параметры широко используются, но их источник не так хорошо известен. Цель данной статьи - представить результаты этих параметров, чтобы проиллюстрировать важность использования антенн и понять, как они работают.

Список литературы:

1. Ефанов В.И. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем. Учебное пособие / В.И. Ефанов, А.А. Тихомиров. – Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники : Томск, 2012. – 228 с. – ISBN 5-86889-188-0.
2. Марков, Г.Т. Антенны. Учебник для студентов радиотехничсеких специальностей. Изд. 2-е, перераб. и доп. / Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов. — Москва : Энергия, 1975. — 528 с.