Основные параметры антенн режиме передачи

РАЗДЕЛ 2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ АНТЕНН В РЕЖИМЕ ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧИ

 

2.1 Основные  параметры и характеристики антенны  в режиме передачи

 

2.1.1 Комплексная характеристика  направленности

 

 

Одним из важнейших первичных  параметров передающей антенны является ее векторная комплексная нормированная характеристика направленности полностью определяющая угловое распределение и все поляризационные и фазовые свойства излучаемого электромагнитного поля в дальней зоне антенны. При конкретном определение функции для реальной антенны должно быть обязательно указано положение начала координатной системы r, , , по отношению к которому ведется отсчет разности фаз. В самом общем случае векторная комплексная характеристика направленности состоит из произведения трех сомножителей:

 

,  (2.1)

 

описывающих соответственно амплитудную, поляризационную и  фазовую структуру дальнего поля антенны [9].

 

Вещественный сомножитель  представляет собой амплитудную характеристику направленности, которая определяется как зависимость амплитуды напряженности излучаемого антенной поля (или величины, ей пропорциональной) от направления в пространстве при неизменном расстоянии до точки наблюдения М. Направление задается меридиональным (q) и азимутальным (j) углами сферической системы координат, как показано на рис. 2.1.

 

Рис. 2.1. Элементарный излучатель в сферической системе координат

Таким образом, амплитудная характеристика направленности описывается модулем некоторой функцией . Формула для расчета модуля напряженности электрического поля антенны в произвольном направлении определяется [9] соотношением

 

    (2.2)

 

где А – постоянный множитель, не зависящий от направления на точку наблюдения.

В дальнейшем для упрощения записи амплитудной характеристики направленности знак модуля можно опускать.

Наряду с амплитудной характеристикой направленности антенны существует понятие фазовой характеристики направленности , под которой понимается зависимость фазы напряженности поля, создаваемого антенной в точке наблюдения, от направления на эту точку. Знание фазовой характеристики направленности важно, прежде всего, для решения вопроса, имеет ли данная антенна фазовый центр. Если (или меняется скачком на 180° при переходе амплитудной характеристики направленности через нуль), то такая антенна имеет фазовый центр в точке, с которой было совмещено начало координат при расчете фазовой характеристики направленности. Поле излучения антенны в этом случае представляет чисто сферическую волну, исходящую из фазового центра.

В большинстве случаев, однако, пользуются амплитудными характеристиками направленности, так как интересуются значением амплитуды напряженности поля.

Поляризационная же характеристика направленности определяется по форме  кривой, которую описывает конец  вектора  за период высокочастотных колебаний в плоскости, перпендикулярной к направлению на точку наблюдения: если он описывает окружность, то поляризация круговая, если колеблется вдоль самого вектора - линейная.

Круговая и линейная поляризация – частные случаи эллиптической. Причем при вращении вектора по часовой стрелке (взгляд наблюдателя направлен вдоль направления распространения волны) поляризации приписывается правое направление вращения, при вращении против часовой стрелки – левое. Вектор может быть представлен в виде суммы двух взаимно ортогональных составляющих

 

,  (2.3)

 

причем

 

. (2.4)

Обычно одна составляющая поляризации поля является заданной, основной, а другая – паразитной (кроссполяризационной). Уровень кроссполяризационной составляющей можно определить [10] из разложения поляризационной диаграммы направленности по базисным ортам (2.3), записанный в виде

 

,  (2.5)

 

где – взаимно ортогональные орты соответственно основной и паразитной составляющих поляризации;

 – вещественная положительная  функция, характеризующая уровень  поля основной поляризации для  различных направлений;

 – фазовый сдвиг между  составляющими основной и паразитной поляризации.

Величину  , характеризующую плотность потока мощности основной поляризации, называют поляризационной эффективностью антенны в данном направлении [10].

Конец вектора  , заданного выражением (2.5), в общем случае описывает эллипс (рис. 2.2). Отношение малой оси эллипса к большой называют, коэффициентом эллиптичности . Он может принимать значение от 0 до 1. Часто величине приписывают знак плюс при правом вращении вектора и знак минус при левом вращении.

 

Рис. 2.2. Эллипс поляризации

 

При и эллипс поляризации вырождается в отрезок прямой и поле имеет линейную поляризацию. Аналогичное явление имеет место при и .

При и коэффициент эллиптичности равен ±1, т.е. получается круговая поляризация.

Зависимость коэффициента эллиптичности от направления на точку наблюдения называется поляризационной диаграммой направленности. Следовательно, для измерения поляризационной диаграммы направленности  нужно определить эллипс поляризации, т.е. поляризационную характеристику антенны [10].

 

 

2.1.2 Диаграмма направленности  и её основные характеристики

 

 

Графическое изображение  характеристики направленности называют диаграммой направленности (ДН). По своей сущности функция является аналитическим выражением (формулой) некоторой поверхности. На рис. 2.3 приведены диаграммы направленности двух антенн. Диаграммы относительно просты, поскольку образованы вращением достаточно простых фигур вокруг оси Z.

В общем случае построение графического изображения функции (объемной ДН) неудобно. На практике обычно строят ДН в какой-нибудь одной плоскости, в которой она изображается плоской кривой  или . Когда речь идет о направленных свойствах антенны, то интересуются характером зависимости напряженности поля от направления на точку наблюдения, а не абсолютным значением напряженности поля. Поэтому обычно используют понятие нормированной характеристики направленности, которое будем обозначать как или . Любая из этих функций легко получается [11] путем нормирования или относительно их максимальных значений:

 

  (2.6)

  (2.7)

 

Рис. 2.3. Примеры диаграмм направленности

 

При наличии четко  выраженной направленности излучения  в диаграмме различают главный, задний и боковые лепестки. Главным лепестком ДН является тот, в пределах которого излучение антенны максимально. Лепесток ДН, направление которого образует по отношению к направлению главного лепестка угол равный или близкий 180°, называется задним. Боковым лепестком ДН является любой лепесток кроме главного и заднего. Пример ДН с указанием названий лепестков приведен на рис. 2.4.

 

Рис. 2.4. Диаграмма направленности и виды лепестков

 

Задний лепесток и  боковые лепестки характеризуются  своими уровнями. Под уровнем лепестка понимают отношение его максимума к максимуму главного лепестка. Численно уровень любого лепестка равен значению нормированной характеристики направленности в точке, соответствующей направлению его максимума. В некоторых случаях говорят о кривой, которая огибает все боковые лепестки. Эта кривая так и называется «огибающая уровней боковых лепестков».

В зависимости от области применения радиосредства могут меняться требования к форме и пространственной ориентации главного лепестка, уровням заднего и боковых лепестков [11].

Диаграмма направленности, представленная в полярной системе координат (рис. 2.4), очень наглядна, но не всегда удобна для работы, так как масштаб графика можно задавать только вдоль радиуса. Неудобств можно избежать, если ДН строить в декартовых (прямоугольных) координатах. В этом случае по оси абсцисс откладывается координатный угол, по оси ординат – нормированное значение характеристики направленности. Масштаб можно выбирать по любой координатной оси, что и предопределяет большее удобство и повышенную точность изображения. Чем уже основной лепесток многолепестковой диаграммы, тем сильнее проявляется преимущество изображения ДН в декартовой системе координат. На рис. 2.5,а приведена ДН в полярной системе координат, а на рис. 2.5,б эта же диаграмма представлена в декартовой системе.

 

Рис. 2.5. Диаграмма направленности в полярной (а) и декартовой (б) системе координат

 

Часто при изображении ДН в декартовой системе координат используют [11] логарифмический масштаб (в децибелах), вводимый соотношением

 

  (2.8) 

 

Логарифмический масштаб  позволяет существенно повысить точность изображения боковых лепестков с малым уровнем.

На рис. 2.6 приведена одна и та же ДН в декартовой системе координат в относительных единицах (вверху) и децибелах (внизу). Следует обратить внимание на то, что максимальному значению соответствует , а нулевому значению соответствуют . Все значения диаграммы направленности в логарифмическом масштабе удовлетворяют условию .

 

Рис. 2.6. Диаграмма направленности в декартовой системе координат в относительных единицах (вверху) и децибелах (внизу)

 

В некоторых случаях, при рассмотрении характеристики направленности, пользуются понятием характеристики направленности в квадрате . В учебной и научной литературе по антенной технике её традиционно называют характеристикой направленности по мощности, что физически не совсем корректно [11]. Правильнее называть функцию энергетической характеристикой направленности. Характеристику направленности по мощности можно нормировать к максимальному значению и получить, таким образом, нормированную характеристику направленности по мощности .

На практике обычно рассчитывают нормированные характеристики направленности по мощности и строят соответствующие нормированные ДН в отдельных плоскостях, в которых они изображается плоскими кривыми или .

Нормированная характеристика направленности по мощности, например, , представленная в децибелах, имеет вид .

Следует обратить внимание на то, что нормированная ДН по мощности и нормированная ДН по полю , если их построить в линейном масштабе, не совпадут по форме. Однако, эти же диаграммы при переходе к логарифмическому масштабу (к децибелам) будут в точности совпадать, так как  [11].

Угол между двумя  направлениями ДН передающей антенны, на границах которого напряженность поля падает до определенного значения, называется шириной диаграммы направленности. Обычно вводят понятие ширины диаграммы по уровню половинной мощности и по уровню нулевого излучения . Если рассматривать ДН по полю, то значение соответствует углу между направлениями диаграммы, которые ограничивают главный лепесток по уровню . Если же перейти к ДН по мощности, то значение будет соответствовать углу между направлениями, где . Следует обратить внимание на то, что поскольку среднее (во времени) значение плотности потока энергии прямо пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля, то на границах угла среднее значение плотности потока энергии будет равно половине своего максимального значения  [11].

Значение  соответствует углу между двумя направлениями ДН, на границах которого напряженность поля падает до нулевых значений.

Примеры определения  ширины главного лепестка по уровню половинной мощности и по уровню нулевого излучения приведены на рис. 2.7. для диаграммы, представленной в полярной системе координат, и на рис. 2.8 для этой же диаграммы, представленной в декартовой системе координат. При этом на рис. 2.8,а ДН изображена в обычном относительном масштабе, а на рис. 2.8,б – в логарифмическом.

 

 

Рис. 2.7. Определение ширины главного лепестка для диаграммы, представленной в полярной системе координат

 

Рис. 2.8. Определение ширины главного лепестка для диаграммы направленности, представленной в декартовой системе координат в относительном масштабе (а) и в логарифмическом (б)

 

В тех случаях, когда провалы до нуля в диаграмме направленности отсутствуют, вместо ширины ДН «по нулям» говорят о ширине диаграммы направленности по уровню 0,1 мощности , т.е. В этом случае уровень ДН по полю равен.

 

 

2.1.3 Коэффициент полезного действия, коэффициент направленного действия, коэффициент усиления

 

 

Обратимся к схеме радиолинии, приведенной  на рис. 2.9. На передающей стороне точка 1 схемы соответствует выходу передатчика (входу фидера). Через обозначена мощность радиочастотного сигнала на выходе передатчика (входе фидера). Точка 1′ соответствует выходу фидера (входу передающей антенны). Через обозначена мощность радиочастотного сигнала на выходе фидера (входе передающей антенны).

 

Рис. 2.9. Схема радиолинии

 

Реальные антенны выполняются  из проводов или металлических поверхностей с конечной проводимостью или из диэлектрика, обладающего потерями. Поэтому не вся мощность радиочастотного сигнала , подводимая к антенне, преобразуется в мощность излучения . Часть подводимой мощности выделяется в виде тепла в антенне, в близко расположенных предметах и в почве.

Коэффициентом полезного действия (КПД) антенны называется отношение мощности радиоизлучения, создаваемого антенной, к мощности радиочастотного сигнала, подводимого к её входу:

 

, (2.9)

 

где - мощность потерь в антенне.

Передающая антенна  излучает в окружающее пространство определенную мощность. Известно [12], что средняя мощность, излучаемая в пространство антенной, находящейся в среде без потерь, равна среднему потоку энергии через любую замкнутую поверхность, окружающую антенну. Значения плотности потока энергии в различных точках поверхности, окружающей антенну, в общем случае, будут различными  Другими словами, степень концентрации энергии, исходящей от антенны, будет зависеть от направления на точку наблюдения. По существу это и есть проявление эффекта направленности излучения антенны. Для оценки степени концентрации излучаемой энергии в заданном направлении вводится специальный параметр передающей антенны – коэффициент направленного действия (КНД).