СПИСОК СКОРОЧЕНЬ

1110

В осеннем семестре 2012/2013 уч. год

Начало лекций (2 неделя): 10.45 – в понедельник (33 ауд.)

Лекторы: доц. Арсениев Н.А., доц. Антонов М.М., ст. преп. Конончук В.В.

Заведующий кафедрой физиологии и патологии

профессор А.И. Тюкавин

1000110= 2⁶+2²+2¹ = 70.

Умножение на число, кратное степени основания системы счисления "2", например , производится приписыванием справа (в младшие разряды) нулей, т.е. сдвигом мантиссы числа влево.

ДЕЛЕНИЕ

Деление в двоичном коде:

Выполним теперь пример деления с заменой вычитания сложением в обратном коде:

70:5=14 1000110 |101

⁺1010 |1110

(плюс) ® 1 0010

⁺ 1

⁺010

(плюс) ® 1 001

⁺ 1

⁺ 010

(минус) ® 0 111

инвертируем 000

АР -антенна решітка

БП -бокові пелюстки

ГП -головна пелюстка

ДГ -диполь Герца

ДС -діаграма спрямованості

ЕГ -елемент Гюйгенса

ІА -ізотропна антена

КСД -коефіцієнт спрямованої дії

СВ -симетричний вібратор

ШГП -ширина головної пелюстки

Розділ 1

Основні відомості про антени та їх діаграма спрямованості

1.1 .Призначення та класифікація антен

Призначення антен. Серед багатьох радіотехнічних пристроїв антени виконують унікальну функцію. Якщо різні радіотехнічні пристрої виконують перетворення лише електричних сигналів з одного виду в інший, то антени перетворюють електричні сигнали в електромагнітні хвилі та навпаки. Саме завдяки перетворенню електричних сигналів в електромагнітні хвилі можливе випромінювання необхідної інформації передавальною стороною в навколишнє середовище. Аналогічно, завдяки зворотньому перетворенню можливе отримання переданої інформації на приймальній стороні. Отже, антени є невідємною частиною радіотехнічних систем, в яких використовується безпровідний канал зв’язку.

Але призначення антен не просто зводиться до вказаного перетворення, а до здійснення перетворення за певними додатковими вимогами, наприклад, випромінювання антени передавача лише в заданому напрямку. При цьому можна навіть збільшити віддаль зв’язку при незмінній потужності передавача. Аналогічно, здатність антени приймати сигнал з певного вузького напрямку дозволяє відсіяти сигнали завад, якщо напрям їх надходження відрізняється від напряму надходження корисного сигналу.

Антени продовжують постійно ускладнюватись, утворюючи антенні системи. В сучасних безпровідних технологіях, зокрема WiMAX, використовуються МІМО антени (Multiple Input - Multiple Output), тобто не одна, а декілька антен на передавальній та приймальній стороні. Навіть одна антена може бути досить складною, наприклад, антенною решіткою (АР), утвореною з декількох однотипних елементів. Такі АР можуть утворювати Smart-антени, які забезпечують сканування напрямку (передавання або приймання) , обробку сигналу з метою адаптації і т.д.

В залежності від будови та призначення антени можуть утворювати досить широку номенклатуру, тому виникає потреба в їх класифікації.

Класифікація антен.Найбільшдоцільно провести класифікацію антен за принципом дії та конструктивними особливостями (рис.1.1). В загальному випадку антени є оборотними пристроями, тобто їх можна використовувати як на передавальній, так і приймальній стороні систем зв’язку. Але оборотними є лише пасивні антени, які (на відміну від активних антен) не містять нелінійних елементів, наприклад, транзисторів

Рис.1.1. Класифікація антен за будовою і застосуванням та розподілом поля

Також антени можна розділити на дві основні групи в залежності від розподілу джерел поля в антені: з неперервним та дискретним розподілом.

Неперервний розподіл забезпечується в простіших антенах, які можна розглядати як сукупність нескінченної кількості елементарних випромінювачів (диполів Герца –ДГ, елементів Гюйгенса – ЕГ і т.д.). Серед простіших антен з неперервним розподілом найбільш поширеною антеною є симетричний вібратор (СВ).

Дискретний розподіл поля забезпечується в більш складних антенах, наприклад дискретних АР, що містять певну (обмежену) кількість простіших антен.

Подальша класифікація антен з неперервним розподілом джерела поля передбачає поділ на лінійні та апертурні антени (рис.1.2).

В лінійних антенах (на відміну від апертурних) поперечні розміри значно менші за довжину хвилі, а поздовжні розміри співрозмірні з довжиною хвилі. Тому розподіл струму в лінійних антенах практично залежить лише від її поздовжніх розмірів. Поляризація поля в обох видах антен може бути лінійною та обертовою.

Рис.1.2. Класифікація антен з неперервним розподілом джерела

поля(за поляризацією)

В АР кожен елемент характеризується певними значеннями (амплітуди та фази) струму або напруженості поля. Для статичних АР (на відміну від керованих) вказані значення в процесі функціонування залишаються незмінними. Очевидно, що більшими можливостями володіють керовані АР, які можуть бути скануючими або з обробкою сигналу.

Рис. 1.3. Класифікація антен з дискретним розподілом джерела поля – АР

Варто зауважити, що здійснення класифікації є багатоваріантним завданням, тому приведена класифікація є умовною та далеко неповною. В подальших розділах розглядається більш детальне функціонування значної кількості різних типів антен.

Серед такої великої номенклатури антен, з метою вибору необхідної для конкретної системи зв’язку, необхідно характеризувати їх певними показниками: характеристиками та параметрами. Найбільш детально антену характеризує її основна характеристика – діаграма спрямованості (ДС) та деякі параметри, отримані на її основі ,наприклад, ширина головної пелюстки (ШГП) .

1. 2. Діаграми спрямованості та їх складові

При виборі антен для конкретних мереж радіозв’язку в першу чергу звертають увагу на їх характеристики (функціональні залежності або значний масив даних) та параметри (як правило,кожен параметр антен містить одне-декілька значень). Варто зауважити, що антени характеризуються однією основною характеристикою – ДС та значною кількістю параметрів.

Слід розрізняти ДС передавальних та приймальних антен. В документації на реальну антену приводяться ДС, як правило , передавальних антен. Справа в тому, що в такому режимі їх значно простіше визначити для конкретної антени. Знаючи ДС антени в режимі передавання можна отримати (крім активних антен) всю необхідну інфрмацію для режиму приймання.

До визначення ДС передавальних антен.ДС передавальних антен вказують на розподіл поля випромінювання в просторі.При визначенні ДС антен необхідно отримати (аналітично або експериментально) значення комплексного вектора електричного або магнітного поля для кожної точки спостереження М

Рис.1.4. Визначення ДС передавальних антен

Точка М повинна бути розташована на сфері радіуса r (значно більшому за максимальні розміри антени), тобто на одинаковій віддалі від центру досліджуваної антени.

Положення точки спостереження М в просторі описується сукупністю трьох параметрів незалежно від системи координат (прямокутньої, циліндричної, сферичної). Такими значеннями є: x, y, z – в прямокутній системі, довжина вектора r та кути θ,φ – в сферичній системі.

Примітка. В зв’язку з широким застосуванням в даній роботі системи MATLAB, де використання в формулахта програмахгрецьких букв проблематичне, для кутівсферичної системи далі використовуються наступні позначення : θ=v; φ=g.

На основі даних про положення точки в сферичній системі можна отримати дані про її положення в прямокутній системі та навпаки

Рис. 1.5. Параметри сферичної системи координат

Наприклад, формули переходу від сферичної до прямокутньої системи, наступні:

, , (1.1)

Компплексний вектор поля передавальних антен. При визначенні ДС антен використовується сукупність трьох параметрів (r, v, g) сферичної системи. Тому в результаті теоретичних або експериментальних досліджень отримаємо, наприклад в точці спостереження М (рис.1.4), значення комплексного вектора електричного (або магнітного) поля передавальних антен

(1.2)

де амплітудна ДС поля;

На основі приведених понять можна сформувати визначення ДС передавальної антени.

ДС передавальної антени. ДС передавальної антени – це залежність комплексного вектора електричного (або магнітного) поля в рівновіддалених до антени точках від кутів v, g сферичної системи координат. Варто зауважити, що на практиці найбільш часто використовуються амплітудні ДС

1.3. Амплітудні діаграми спрямованості

Амплітудна ДС передавальної антени - це залежність величини (інтенсивності) поля випромінювання або його окремих складових в рівновіддалених від антени точках від кутів v, g сферичної системи координат. При визначенні амплітудної ДС в точці спостереження М (яка переміщується по поверхні сфери) визначають одну з трьох залежностей

Рис.1.6. Залежності , отримувані при визначенні поля випромінювання антени

В результаті визначення (розрахунково або експериментально) поля випромінювання антен отримують дані приведені в табл. 1.1

Дані, отримані при визначенні амплітудної ДС

Таблиця 1.1.

Варто зауважити, що E₁ ,р₁, П₁ –амплітудні множники, що не залежать від кутових координат, тому не визначають ДС. Між приведеними ДС також існують певні залежності:

· ДС f_р(v,g) пропорційна квадрату ДС f_Е (v,g), що також враховано в табл.1.1.

· ДС f_П(v,g) , f_р(v,g) – одинакові з точністю до постійного множника, тому що р=r²П;

Але максимальне значення ДС різних антен також приймає різні значення, що утруднює взаємопорівняння антен. Тому часто використовується нормоване значення ДС:

за напруженістю поля

F_Е(v,g)= F(v,g) = f(v,g)/ f(v,g)_max (1.3,а)

за кутовою густиною потужності

F_р(v,g)=F²(v,g) = f²(v,g)/ f²(v,g)_max (1.3,б)

де f(v,g), f(v,g)_max – ДС та її максимальне значення, відповідно.

Величина поля визначається через нормовані ДС наступним чином

Е(v,g)= Е_мах F(v,g) (1.4,а)

р (v,g)= р_мах F²(v,g) (1.4,б )

П(v,g)= П_мах F²(v,g) (1.4,в )

Форма амплітудної ДС може бути визначальною при виборі антен для конкретної мережі радіозв’язку. Наприклад, для забезпечення мобільного наземного зв’язку ДС повинна бути круговою вздовж земної поверхні

а) б)

Рис.1.7. Просторова ДС та її перерізи в головних площинах

Отже, з двох приведених ДС для наземного мобільного зв’язку можна використовувати лише ДС (рис.1.7,а), яка є круговою вздовж земної поверхні (в площині XOY). Обі приведені ДС (рис.1.7) можуть бути сформовані однією і тією ж антеною, але по-різному зорієнтованою в просторі.

Таким чином, амплітудна ДС належить до першочергових факторів, які необхідно враховувати при виборі антен.

Амплітудна ДС приймальних антен.При визначенні ДС приймальних антен необхідно визначити (аналітично або експериментально) деякі дані для кожної точки спостереження М, яка розташована на сфері радіуса r (значно більшому за максимальні розміри антени), тобто на одинаковій віддалі від центру досліджуваної антени.

Така ДС вказує на залежність величини А від кутів сферичної системи координат для точки спостереження М, від якої надходить сигнал в примач. Величиною А може бути:

· амплітуда електорорушійної сили ( е.р.с.) на клемах антени U_e(v,g);

· амплітуда струму на клемах антени I(v,g);

· потужність, що виділяється на активній частині вхідного опору приймача, Р_а.

Нормовані ДС визначаються наступним чином для ЕРС , струму та потужності, відповідно

(1.5,а)

F_p=F²(v,g) (1.5,б)

Варто зауважити, що нормовані ДС (1.3,а та 1.5,а) або (1.3,б та 1.5,б) повністю співпадають. Способи графічного представлення ДС для приймальних антен, аналогічні представленню для передавальних антен.

Розміщення антен при аналізі.При аналізі антен, з метою визначення аналітичних залежностей для ДС, їх центр розташовується в початку координат (рис.1.8 ), а вісь – вздовж однієї з осей системи координат ( найчастіше вздовж осі OZ).

Розглянемо, наприклад, розташування СВ при його аналізі. СВ містить два плеча (довжиною L), розташованих вздовж однієї прямої – його осі

Рис. 1.8. СВ: будова (а); розміщення при визначенні ДС (б)

При визначенні ДС СВ його вісь розміщується вздовж осі OZ, а його середина – в початку координатних осей.

Для вказаного розміщення антен в результаті аналізу, проведеного в подальших розділах, отримано значення ДС деяких антен (табл. 1.2)

Значення ДС антен за напруженістю поля

Таблиця 1.2

Саме на прикладі таких антен в даному розділі, буде проводитись дослідження ДС. Особливе місце серед вказаних антен займає ІА.

Ізотропна антена.Вона представляє собою точку, що розміщена в початку системи координат, причому її віссю може бути будь-яка пряма, що проходить через дану точку. ІА забезпечує одинакову інтенсивність випромінювання у всіх напрямках. Але неможливо побудувати строго ІА. Вона існує тільки в теорії та є ніби «еталоном», призначеним для порівняння з нею різноманітних реальних антен. Саме наявність результатів порівняння різних антен з «еталоном» дозволяє провести взаємне порівняння антен між собою. Ні одна реальна антена не здатна (та практично і не потрібна така антена) забезпечити однакову інтенсивність випромінювання у всіх напрямках.

Розміри антен та їх взаємозв’язок з довжиною хвилі. Розміри антен залежать від довжини хвилі, на якій вона повинна функціонувати. Довжина хвилі , тобто віддаль, яку проходить хвиля за час рівний періоду Т, визначається наступним чином:

λ=сТ =с/f (1.6)

де с=3·10⁸м/с –швидкість світла; f –частота коливань.

З залежності (1.6) видно, що довжині хвилі 1м відповідає частота 300 мГц, тобто вище частоти 300 мГц починаються дециметрові хвилі, вище частоти 3гГц – сантиметрові і т.д. В загальному випадку розміри антен повинні бути співрозмірні з довжиною хвилі високочастотних коливань, що використовуються в даній системі зв’язку.

Приклад одного з видів представлення амплітудних ДС.Нижче приведено приклад одного з видів графічного представлення ДС антен (згідно даних табл.1.2) - в полярній системі

Рис.1.9. ДС F(v) в полярній системі ( ДГ, ЕГ, СВ)

ДС для СВ (рис.1.9) отримана на основі програми 1.1