Irkutsk, Irkutsk region, Russian Federation
The receiving antenna is an important part of a radio channel that requires electrodynamic approach in mathematical simulation of its characteristics. Since the invention of radio, and due to further theoretical studies of radio signal transmission, the following situation has arisen: researchers’ attention to receiving antennas is inversely proportional to the factor by which their number exceeds the number of transmitting antennas. We address the problem of building a receiving antenna electrodynamic model in terms of a waveguide representation of HF field. Structurally, the antenna is considered as metal wires of a finite length and arbi-trary configuration. Current distribution in antenna is calculated using the long-line theory and normal-mode approach. The mathematical representation of the receiving antenna electrodynamic model is calculation expressions for receiving coefficients of normal modes. They reflect the effects of receiving antenna characteristics, including its directional pattern, on ef-fectiveness of the incident HF field energy conversion into the energy of the driven current waves and final distribution of net current in antenna. These expressions are used to derive the expression to calculate the effective length of the receiving antenna. The obtained mathematical expressions of the re-ceiving antenna electrodynamic model do not contradict the principle of antenna reciprocity. We present calculation formulas for the receiving coefficients and excitation of the isotropic antenna electromagnetic model.
HF field, receiving antenna, Earth — ionosphere waveguide, normal-mode approach
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. Aizenberg G.Z., Belousov S.P., Zhurbenko E.M., Kliger G.A., Kurashov A.G. Korotkovolnovye antenny [Shortwave antennas]. M .: Radio i Svyaz Publ. 1985, 536 p. (In Russian).
2. Altyntseva V.I., Ilyin N. V., Kurkin V.I., Orlov A. I., Orlov I.I., Polekh N.M., Ponomarchuk S.N., Khakhinov V.V. Modeling a decameter radiochannel based on normal-mode approach. Tekhnika sredstv svyazi [Technology of communications assets]. Ser. SS. Moscow, Ekos Publ., 1987, iss. 5, pp. 28-34. (In Russian).
3. Bremmer H. Terrestrial Radio Waves. Theory of Propagation. Amsterdam, 1949, 343 p.
4. Feinberg E.L. Rasprostranenie radiovoln vdol zemnoi poverkhnosti [Propagation of radiowaves along the terrestrial surface]. Moscow, USSR Academy of Sciences Publ., 1961, 548 p. (In Russian).
5. Khakhinov V.V. Calculation of current in receiving antenna in HF field is generated by a series of normal modes. Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii I fizike Solntsa [Res. on Geomagnetism, Aeronomy and Solar Physics]. 2000, iss. 111, pp. 74-83. (In Russian).
6. 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, pp. 298-300.
7. 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, vol. 2, pp. 617-619.
8. 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, pp. 372-374.
9. Khakhinov V. V., Kurkin V.I. Waveguide approach to modeling of the ionosphere radio channel. Proc. of the XI International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory. IEEE: 06EX1428, Kharkov, Ukraine. 2006, pp. 284-286.
10. Kurkin V.I., Khakhinov V.V. On excitation of a spherical Earth - ionosphere waveguide using arbitrary current distribution. Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii I fizike Solntsa [Res. on Geomagnetism, Aeronomy and Solar Physics]. 1984, iss. 69, pp. 16-22. (In Russian).
11. Kurkin V.I., Orlov I.I., Popov V.N. Metod normalnykh voln v problem korotkovolnovoi radiosvyazi [Normal-Mode Approach in the Problem of HF Radio Communication]. Moscow, Nauka Publ., 1981, 121 p. (In Russian).
12. Kurkin V.I., Ilyin N.V., Penzin M.S., Ponomarchuk S.N., Potekhin A. P., Khakhinov V.V. Calculation of characteristics of normal modes in a decameter Earth - ionosphere waveguide. Certificate of Computer Program State Registration No. 2017613880 of 04/03/2017. (In Russian).
13. Lavrov G.A., Knyazev A.S. Prizemnye i podzemnye antenny [Near-Surface and Subsurface Antennas. Moscow, Nauka Publ., 1965, 472 p. (In Russian).
14. Leontovich M.A. Izbrannye trudy. Teoreticheskaya Fizika [Selected works. Theoretical Physics]. Moscow, Nauka Publ., 1985, 432 p. (In Russian).
15. Ponomarchuk S.N., Ilyin N.V., Penzin M.S. The model of radio wave propagation in 1-10 MHz frequency range on the base of normal wave technique. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terrestrial Physics]. 2014, iss. 25, pp. 33-39. (In Russian).
16. Popov V.N., Potekhin A.P. Field structure of a pulse decameter signal in the Earth-ionosphere waveguide. Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii I fizike Solntsa [Res. on Geomagnetism, Aeronomy and Solar Physics]. 1982, iss. 59, pp. 68-76. (In Russian).
17. Vainshtein L.A. Elektromagnitnye volny [Electromagnetic waves]. Moscow, Radio i Svyaz Publ. 1988, 440 p. (In Russian).
