Иркутск, Иркутская область, Россия
Важной частью радиоканала является приемная антенна, при математическом моделировании характеристик которой требуется электродинамический подход. Со времен изобретения радио и при последующих теоретических исследованиях передачи радиосигналов сложилась следующая ситуация: во сколько раз число приемных антенн превосходит число излучающих, во столько же раз им оказано меньше внимания в исследованиях. Рассматривается задача о построении электродинамической модели приемной антенны в рамках волноводного представления КВ-поля. Конструктивно антенна рассматривается в виде металлических проводов конечной длины и произвольной конфигурации. Расчет распределения тока в антенне проводится на основе теории длинных линий и метода нормальных волн. Математическим представлением электродинамической модели приемной антенны являются расчетные выражения для коэффициентов приема нормальных волн. Они отражают влияние характеристик приемной антенны, в том числе ее диаграммы направленности, на эффективность преобразования энергии внешнего падающего КВ-поля в энергию возбуждаемых волн тока и установившегося распределения полного тока в антенне. На их основе выведено выражение для расчета действующей длины приемной антенны. Полученные математические выражения электродинамической модели приемной антенны не противоречат принципу взаимности антенн. Представлены расчетные формулы для коэффициентов приема и возбуждения электромагнитной модели изотропной антенны.
КВ-поле, приемная антенна, волновод Земля — ионосфера, метод нормальных волн
ВВЕДЕНИЕ
Большинство задач при проектировании систем радиосвязи решается методом математического моделирования. Цель моделирования — создание расчетной модели радиоканала, той части всего канала связи, в которой информационный сигнал имеет пространственное распределение [Khakhinov, Kurkin, 2006]. Эти модели исчерпывающе характеризуются передаточной функцией и определяют характеристики выходного сигнала (модуляция напряжения или тока на выходе приемной антенны) при известных характеристиках входного сигнала (модуляция напряжения или тока на входе передающей антенны). Структурно модель радиоканала в общем случае состоит из передающей антенно-фидерной системы, среды распространения радиоволн и приемной антенно-фидерной системы. В этом случае передаточную функцию радиоканала можно представить произведением передаточных функций каждой из составляющих.
При коротковолновой (КВ) связи составной частью радиоканала является волновод Земля — ионосфера. Антенно-фидерные системы представляют собой металлические проволочные конструкции, расчет распределения тока в которых проводится в рамках теории длинных линий [Айзенберг и др., 1985] или теории скин-эффекта [Вайнштейн, 1988] с использованием приближенных граничных условий Леонтовича [Леонтович, 1985]. Электродинамические модели передающих и приемных антенн определяются представлением электромагнитного поля.
В рамках волноводного представления распространения КВ-радиоволн в волноводе Земля — ионосфера разработан метод нормальных волн (МНВ) [Куркин и др., 1981] для расчета характеристик поля с учетом распределения тока в произвольной передающей антенне [Куркин, Хахинов, 1984 ]. Первые результаты моделирования декаметрового радиоканала на основе МНВ представлены в [Алтынцева и др., 1987]. Однако рассматриваемый радиоканал не содержал приемную антенну, т. е. результатом работы стала модель распространения КВ-радиоволн, аналогичная модели представленной в [Пономарчук и др., 2014]. В работе [Khakhinov, 2004] представлена упрощенная модель декаметрового радиоканала с изотропными передающей и приемной антеннами.
Использовать известную теорему взаимности антенн [Фейнберг, 1961] для определения значения тока на выходе приемной антенны не представляется возможным. Из теоремы следует, что направленные свойства произвольной антенны одинаковы при ее работе на излучение и прием, но рассчитать распределение уровня тока в ней нельзя.
Впервые расчет распределения тока в приемной антенне на основе МНВ в электродинамической постановке задачи был проведен в [Хахинов, 2000]. Первые результаты, полученные при создании электродинамической модели приемной антенны в волноводном представлении падающего КВ-поля, были представлены в трудах конференции [Khakhinov, 2002].
1. Айзенберг Г.З., Белоусов С.П., Журбенко Э.М. и др. Коротковолновые антенны. М.: Радио и связь, 1985. 536 с.
2. Алтынцева В.И., Ильин Н.В., Куркин В.И. и др. Моделирование декаметрового радиоканала на основе метода нормальных волн // Техника средств связи. Серия СС. М.: Экос, 1987. Вып. 5. С. 28–34.
3. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1988. 440 с.
4. Куркин В.И., Хахинов В.В. О возбуждении сферического волновода Земля — ионосфера произвольным распределением тока // Иссл. по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1984. Вып. 69. С. 16–22.
5. Куркин В.И., Орлов И.И., Попов В.Н. Метод нормальных волн в проблеме коротковолновой радиосвязи. М.: Наука, 1981. 121 с.
6. Куркин В.И., Ильин Н.В., Пензин М.С. и др. Расчет характеристик нормальных волн в декаметровом волноводе Земля — ионосфера. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017613880 от 03.04.2017 г.
7. Лавров Г.А., Князев А.С. Приземные и подземные антенны. М.: Наука, 1965. 472 с.
8. Леонтович М.А. Избранные труды. Теоретическая физика. М.: Наука, 1985. 432 с.
9. Пономарчук С.Н., Ильин Н.В., Пензин М.С. Модель распространения радиоволн в диапазоне частот 1–10 МГц на основе метода нормальных волн // Солнечно-земная физика. 2014. Вып. 25. С. 33–39.
10. Попов В.Н., Потехин А.П. Структура поля импульсного сигнала декаметрового диапазона в волноводе Земля — ионосфера // Иссл. по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1982. Вып. 59. С. 68–76.
11. Фейнберг Е.Л. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности. М.: Изд-во АН СССР, 1961. 548 с.
12. Хахинов В.В. Расчет тока в приемной антенне в КВ-поле, заданном рядом нормальных волн // Иссл. по геомагнетизму, https://naukaru.ru/ru/manage/agreement/Article/21095аэрономии и физике Солнца. 2000. Вып. 111. С. 74–83.
13. Bremmer H. Terrestrial Radio Waves. Theory of Propagation. Amsterdam, 1949. 343 p.
14. Khakhinov V.V. Analyzing the HF field in the wave zone of the antenna using the normal-mode approach // Proc. VIII International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory. IEEE: Kharkov, Ukraine, 2000. P. 298–300.
15. Khakhinov V.V. Electromagnetic model of the receiving antenna in terms of a waveguide representation of the HF field // Proc. IX International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory. IEEE: Kiev, Ukraine, 2002. V. 2. Р. 617–619.
16. Khakhinov V.V. The electrodynamical model of decameter radiochannel with isotropic receiving-transmitting antennas // Proc. X International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory. IEEE: 04EX840. Dnepropetrovsk, Ukraine. 2004. P. 372–374.
17. Khakhinov V.V., Kurkin V.I. Waveguide approach to modeling of the ionosphere radiochannel // Proc. XI International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory. IEEE: 06EX1428, Kharkov, Ukraine. 2006. P. 284–286.
