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.
