Основные параметры антенн режиме передачи

Пусть некоторый радиопередатчик  работает на направленную антенну (сечение диаграммы антенны показано на рис. 2.10,а). Мощность, излучаемую этой антенной, обозначим , а напряженность поля в точке M, находящейся в направлении максимального излучения на расстоянии r от антенны – .

Заменим направленную антенну  на изотропную (сечение ДН изотропной антенны показано на рис. 2.10,б). Мощность, излучаемую этой антенной, обозначим  , а напряженность поля в точке M, находящейся на расстоянии r от антенны - .

 

 

Рис. 2.10. Амплитудная диаграмма  направленности  для направленной (а) и изотропной (б) антенн

 

Если обеспечить равенство  значений излучаемых мощностей направленной и изотропной антенн , то из физических соображений понятно, что значение плотности потока энергии в точке M, в случае использования направленной антенны будет больше значения плотности потока энергии в этой же точке М, в случае применения изотропной антенны [11]. Таким образом, можно записать

 

. (2.10)

 

Поскольку плотность  потока энергии прямо пропорциональна  квадрату амплитуды напряженности  электрического поля , то на основании (2.10) можно утверждать [11] справедливо неравенство

 

. (2.11)

 

По определению КНД (обозначим его D) есть число, показывающее во сколько раз квадрат напряженности электрического поля, создаваемого в точке М направленной антенной , превышает квадрат напряженности электрического поля, создаваемого в этой же точке М изотропной антенной при условии, что мощности излучения направленной и изотропной антенны равны  , то есть

 

. (2.12)

 

Возможен иной подход к определению КНД. Вновь обратимся  к рис. 2.10. обеспечить равенство амплитуд напряженности полей в точке  М  , создаваемых направленной (рис. 2.10,а)  и изотропной антеннами (рис. 2.10,б), можно только за счет того, что будет выполняться условие

 

. (2.13)

 

С учетом изложенного, второе определение КНД – это число, показывающее, во сколько раз пришлось бы увеличить мощность излучения при переходе от направленной антенны к изотропной (ненаправленной) антенне при условии создания в точке М на одинаковом расстоянии r равных значений напряженности электрического поля , то есть

 

. (2.14)

 

Таким образом, второе определение  КНД и выражение (2.14) подчеркивают тот факт, что увеличение значения КНД передающей антенны эквивалентно как бы возрастанию мощности радиопередатчика.

Мощность, излучаемая направленной антенной, пропорциональна значению следующего интеграла:

 

, (2.15)

 

где A - коэффициент пропорциональности;

- нормированная амплитудная характеристика направленности.

Формула (2.15) справедлива, если применена сферическая система координат (рис. 2.1).

Мощность, излучаемая изотропной антенной, будет определяться так  же формулой (2.15). Амплитудная характеристика направленности изотропной антенны  , что позволяет получить

 

. (2.16)

 

Пользуясь вторым определением КНД, для направления максимального  излучения направленной антенны  получаем

 

. (2.17)

 

Обычно всегда определяется КНД антенны для направления  максимального излучения, и для  сокращения записи индекс «макс» опускается, или вместо  пишется . Если же требуется определить значение КНД для любого направления, заданного углами и , то следует применить формулу:

 

. (2.18)

 

По определению КНД  есть безразмерное число, определяемое как отношение значений двух величин, имеющих одинаковую размерность (формулы (2.12) и (2.14)). Значения КНД реальных антенн могут быть от единиц до сотен, тысяч  и даже миллионов.

Часто значения КНД выражается в децибелах:

 

. (2.19)

 

На практике чаще интересуются не КНД антенны, а её коэффициентом  усиления. Объясняется это тем, что  КНД не учитывает мощность потерь , а, следовательно, и КПД антенны . Зависимость между коэффициентом усиления (обозначим его G), коэффициентом направленного действия D и коэффициентом полезного действия определяется выражением

 

. (2.20)

 

Смысл этого параметра, учитывая данное выше определение КНД, заключается в следующем. Коэффициент  усиления – это число, показывающее во сколько раз квадрат напряженности  электрического поля, создаваемого в  точке М направленной антенной , превышает квадрат напряженности электрического поля, создаваемого в этой же точке М изотропной антенной при условии равенства мощностей, подводимых к обеим антеннам. При этом предполагается, что КПД изотропной антенны равен единице.

Возможно и другое определение коэффициента усиления, согласно которому этот коэффициент показывает, во сколько раз пришлось бы увеличить мощность, подводимую к антенне, при переходе от направленной антенны к изотропной антенне с КПД, равным единице, чтобы напряженность поля в данном направлении (при неизменном расстоянии до точки наблюдения M) осталась неизменной.

Приведенные определения справедливы для, так называемого, абсолютного коэффициента усиления. Наряду с понятием абсолютного коэффициента усиления существует определение просто коэффициента усиления. Оно отличается тем, что реальная антенна сравнивается не с изотропной антенной, а с эталонной, например, линейным симметричным электрическим вибратором. В дальнейшем будем делать различие между абсолютным коэффициентом усиления и просто коэффициентом усиления только в тех случаях, кода это принципиально важно.

Выделение коэффициента усиления антенны, как самостоятельного параметра, связано с тем, что именно такая величина легко поддается непосредственному измерению методом сравнения. В этом методе используется эталонная антенна с известным значением коэффициента усиления.

 

 

2.1.4 Входное сопротивление

 

 

На рис. 2.11 представлена эквивалентная схема соединения передатчика, передающего фидера и передающей антенны.

 

 

Рис. 2.11. Эквивалентная  схема передающей части радиолинии

 

Передающая антенна  представляет для фидера некоторую нагрузку, которая определяется отношением комплексной амплитуды на зажимах антенны 1′−1′ к комплексной амплитуде тока питания :

 

. (2.21)

 

Другими словами, это  полное электрическое сопротивление  цепи, измеренное на входных зажимах  антенны. В общем случае входное  сопротивление содержит как активную , так и реактивную составляющие, которые сложным образом зависят от частоты.

Следует подчеркнуть, что двухполюсник с комплексным сопротивлением характеризует антенну только с точки зрения формирования волнового режима в фидере и его нельзя интерпретировать как излучающее устройство [11].

При наличии соответствующих  измерительных приборов входное сопротивление можно определить путем измерения на определенной частоте или даже в полосе частот. Для некоторых типов антенн входное сопротивление может быть определено расчетным путем. Существенно сложнее определить входное сопротивление антенн, у которых фидер выполнен в виде волновода. О входном сопротивлении такой антенны можно судить лишь по тем отражениям, которые возникают на стыке фидер антенна.

На практике в большинстве  случаев используется лишь один тип  волны. В этом случае коэффициент  отражения p выражается через входное сопротивление антенны и волновое сопротивление фидера :

 

. (2.22)

 

Коэффициент отражения p в общем случае является комплексной величиной.

Из выражения (2.18) следует, что 

 

. (2.23)

 

Интерпретация входного сопротивления в соответствии с формулой (2.23) является более общей, чем интерпретация формулой (2.21), потому что, как уже отмечалось, введение понятия тока , как и входного напряжения , в точках соединения фидера с передающей антенной не всегда физически возможно.

 

 

2.1.5 Коэффициент бегущей  и стоячей волны

 

 

Для рассмотрения волнового  режима работы филера [11] часто используют коэффициент бегущей волны в фидере, обозначаемый обычно КБВ. Этот коэффициент определяется по распределению значений модуля суммарной комплексной амплитуды напряжения с применением формулы

 

. (2.24)

 

Величина, обратная коэффициенту бегущей волны, называется коэффициентом  стоячей волны и обозначается сокращенно КСВ:

 

. (2.25)

 

Оба эти коэффициента остаются постоянными на протяжении всего фидера (если он без потерь) и характеризуют его волновой режим в целом.

Значения КБВ и КСВ  в фидере без потерь выражаются через модуль коэффициента отражения:

 

, (2.26)

. (2.27)

 

В режиме бегущей волны (режиме согласования) и поэтому из формулы (2.26) и (2.27) следует, что КБВ=КСВ = 1.

В режиме стоящей волны  . При этом из формулы (2.26) получаем КБВ= 0, а из формулы (2.27) – КСВ = ¥.

Очевидно, что в смешанном  режиме, когда  , справедливы соотношения:

 

, (2.28)

. (2.29)

 

В таблице 2.1 обобщены сведения по характеристике волновых режимов фидера – значениям входного сопротивления, модуля коэффициента отражения, коэффициентах бегущей и стоячей волны [11].

Следует обратить внимание на то, что коэффициент отражения p коэффициент бегущей волны (КБВ) и коэффициент стоячей волны (КСВ) являются параметрами антенны, хотя их физическая сущность рассматривается на примере волновых процессов, происходящих в фидере.

 

Таблица 2.1 - Характеристика волновых режимов фидера

 

Волновой режим	Волновое сопротивление  антенны	Модуль коэффициента отражения	КБВ	КСВ
Бегущей волны		0	1	1
Стоячей волны	1) или 2) Или 3)	1	0	¥
Смешанный	и и и

 

 

2.1.6 Рабочая полоса  частот

 

 

Рассмотренные в предыдущих разделах параметры передающей антенны характеризовали её работу на одной частоте. Однако реально на практике радиосредства работают в некоторой полосе частот. Обычно границы рабочей полосы частот определяются условием соответствия основных электрических параметров определенным техническим требованиям. Другими словами, в пределах диапазона частот параметры антенны не должны выходить за пределы допусков, установленных техническими требованиями.

Как правило, границы рабочей полосы частот определяются тем параметром, значение которого при изменении частоты раньше других выходит из допустимых пределов. Очень часто критичным параметром является коэффициент бегущей волны передающей антенны. Падение его значения ниже допустимого при изменении частоты и определяет границы диапазона антенны. В данном случае причиной падения коэффициента бегущей волны является характер зависимости входного сопротивления антенны от частоты. В других случаях ограничение диапазона антенны может быть вызвано увеличением ширины диаграммы по уровню половинной мощности и падение коэффициента усиления, ростом уровня боковых лепестков, изменением направления максимального излучения, изменением поляризационных характеристик и т.д.

С точки зрения рабочей полосы частот различают антенны: настроенные, узко-диапазонные (узкополосные), широкодиапазонные (широкополосные) и сверхширокополосные.

Антенны, параметры которых соответствуют предъявляемым требованиям на одной рабочей частоте, называются настроенными.

Основные параметры узко-диапазонных антенн сильно зависят от частоты. Вследствие этого они могут работать без перестройки только в узком диапазоне частот (относительная полоса частот, , т.е. отношение разности граничных частот диапазона к его центральной частоте , составляет менее 10 %).

Широкодиапазонные антенны работают без перестройки в широком  диапазоне частот (относительная  полоса частот находится в пределах от 10 % до 50 %).

Наконец, сверхширокополосные антенны  обеспечивают соответствие параметров предъявляемым требованиям при коэффициенте перекрытия диапазона частот и более.