От чего зависит уровень боковых лепестков. Фазовая диаграмма направленности

Уровень задних и боковых лепестков диаграммы направленности по напря­жению γυ определяется как отношение ЭДС на клеммах антенны при приеме -со стороны максимума заднего или бокового лепестка к ЭДС со стороны мак­симума основного лепестка. Когда антенна имеет несколько задних и боковых лепестков различной величины, то указывается обычно уровень наибольшего лепестка. Уровень задних и боковых лепестков можно определить также по мощности (γ Ρ), возведя в квадрат уровень задних и боковых лепестков по напряжению. На диаграмме направленности, показанной на рис. 16, задние и боковые лепестки имеют одинаковый уровень, равный 0,13 (13%) по ЭДС или 0,017 (1,7%) по мощности. Задние и боковые лепестки направленных прием­ных телевизионных антенн находятся обычно в пределах 0,1… ,25 (по напря­жению).

В литературе при описании направленных свойств приемных телевизион­ных антенн часто указывают уровень задних и боковых лепестков, равный среднему арифметическому из уровней лепестков на средней и крайних часто­тах телевизионного канала. Допустим, что уровень лепестков (по ЭДС) диа­граммы направленности антенны 3-го канала (f = 76… 84 МГц) составляет: на частотах 75 МГц - 0,18; 80 МГц - 0,1; 84 МГц - 0,23. Средний уровень ле­пестков будет равен (0,18+0,1+0,23)/3, т. е. 0,17. Помехозащищенность антенны может быть охарактеризована средним уровнем лепестков только в том случае, если в полосе частот телевизионного канала нет резких «выбросов» уровня ле­пестков, значительно превышающих средний уровень.

Необходимо сделать важное замечание, касающееся помехозащищенности антенны с вертикальной поляризацией. Обратимся к диаграмме направленности, изображенной на рис. 16. На этой диаграмме, характерной для антенн гори­зонтальной поляризации в горизонтальной плоскости, основной лепесток отделен от задних и боковых лепестков направлениями нулевого приема. Антенны вер­тикальной поляризации (например, антенны «волновой канал» с вертикальным расположением вибраторов) направлений нулевого приема в горизонтальной плоскости не имеют. Поэтому задние и боковые лепестки в этом случае однозначно не определены и помехозащищенность определяется на практике, как Отношение уровня сигнала, принятого с переднего направления, к уровню сиг­нала, принятого с заднего направления.

Коэффициент усиления. Чем направленнее антенна, т. е. чем меньше угол раствора основного лепестка и меньше уровень задних и боковых лепестков диаграммы направленности, тем больше ЭДС на клеммах антенны.

Представим себе, что в некоторую точку электромагнитного поля помещен симметричный полуволновый вибратор, ориентированный на максимум приема, т. е. расположенный так, что его продольная ось перпендикулярна направле­нию прихода радиоволны. На подключенной к вибратору согласованной на­грузке развивается определенное напряжение Ui, зависящее от напряженности поля в точке приема. Поместим далее! в ту же точку поля вместо полуволнового вибратора ориентированную на максимум приема антенну с большей направ­ленностью, например антенну типа «волновой канал», диаграмма направлен­ности которой изображена на рис. 16. Будем считать, что эта антенна имеет ту же нагрузку, что и полуволновый вибратор, и так же с ней согласована. Так как антенна «волновой канал» является более направленной, чем полувол­новый вибратор, то и напряжение на ее нагрузке U2 будет больше. Отношение напряжений U 2 /’Ui и представляет собой коэффициент усиления Ки четырех­элементной антенны по напряжению или, как его иначе называют, по «полю».

Таким образом, коэффициент усиления антенны по напряжению или по «полю» можно определить как отношение напряжения, развиваемого антенной на согласованной нагрузке, к напряжению, развиваемому на той же нагрузке согласованным с ней полуволновым вибратором. Обе антенны считаются рас­положенными в той же точке электромагнитного поля и ориентированными на максимум приема. Часто применяется также понятие коэффициента усиления по мощности Кр, который равен квадрату коэффициента усиления по напряже­нию (К Р = Ки 2).

В определении коэффициента усиления необходимо подчеркнуть два мо­мента. Во-первых, для того чтобы антенны различных конструкций можно было соноставить друг с другом, каждую из них сравнивают с одной и той же антен­ной - полуволновым вибратором, который считается эталонной антенной. Вовторых, для получения на практике выигрыша в напряжении или мощности, определяемых коэффициентом усиления, нужно сориентировать антенну на мак­симум принимаемого сигнала, т. е. так, чтобы максимум главного лепестка диаграммы направленности был ориентирован в сторону прихода радиоволны. Коэффициент усиления зависит от типа и конструкции антенны. Обратимся для пояснения к антенне типа «волновой канал». Коэффициент усиления этой антенны возрастает с увеличением числа директоров. Четырехэлементная ан­тенна (рефлектор, активный вибратор и два директора) имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 2; семиэлементная (рефлектор, активный виб­ратор и пять директоров) - 2,7. Это означает, что если вместо полуволнового

вибратора использовать четырехэлементную антенну) то напряжение на входе телевизионного приемника возрастет в 2 раза (мощность в 4 раза), а семиэле­ментную- в 2,7 раза (мощность в 7,3 раза).

Значение коэффициента усиления антенны указывают в литературе либо па отношению к полуволновому вибратору, либо по отношению к так называемому изотропному излучателю. Изотропный излучатель представляет собой такую воображаемую антенну, у которой полностью отсутствуют направленные свой­ства, и пространственная диаграмма направленности имеет соответственно* вид -сферы. В природе изотропных излучателей не существует, и такой излучатель является просто удобным эталоном, с которым можно сравнивать направлен­ные свойства различных антенн. Расчетное значение коэффициента усиления полуволнового вибратора по напряжению относительно изотропного излучателя составляет 1,28 (2.15 дБ). Поэтому если известен коэффициент усиления какойлибо антенны по напряжению относительно изотропного излучателя, то, раз­делив его на 1,28. получим коэффициент усиления этой антенны относительно полуволнового вибратора. Когда коэффициент усиления относительно изотроп­ного излучателя указан в децибелах, то для определения коэффициента уси­ления относительно полуволнового вибратора нужно вычесть 2,15 дБ. Например, коэффициент усиления антенны по напряжению относительно изотропного из­лучателя равен 2,5 (8 дБ). Тогда коэффициент усиления этой же антенны относительно полуволнового вибратора составит 2,5/1,28, т. е. 1,95^ а в децибе­лах 8-2,15 = 5,85 дБ.

Естественно, что реальный выигрыш по уровню сигнала на входе телеви­зора, даваемый той или иной антенной, не зависит от того, по отношению к какой эталонной антенне-полуволновому вибратору или изотропному излуча­телю - указан коэффициент усиления. В настоящей книге значения коэффи­циента усиления указаны по отношению к полуволновому вибратору.

В литературе направленные свойства антенн часто оценивают коэффициент том направленного действия КНД, который представляет собой выигрыш в мощности сигнала в нагрузке при условии, что антенна не имеет потерь. Коэф­фициент направленного действия связан с коэффициентом усиления по мощно­сти Кр соотношением

Если измерить напряжение на входе приемника, то можно по этой же фор­муле определить напряженность поля в месте приема.

Снижение уровня боковых лепестков зеркальных антенн методом позиционирования металлических полосок в раскрыве

Акики Д, Биайнех В., Нассар Е., Хармуш А,

Университет "Нотр-Дам", г. Триполи, Ливан

Введение

В мире повышающейся мобильности нарастает потребность для людей в взаимоконтактах и доступе к информации независимо от места расположения информации или индивидуума. Из этих соображений невозможно отрицать, что телекоммуникации, а именно, передача сигналов на расстояние, является насущной необходимостью. Требования для беспроводных систем связи к их совершенству и вездесущности ведут к тому, что необходима разработка все более эффективных систем. При улучшении системы основным начальным шагом является улучшение антенн, которые являются основным элементом современных и будущих систем беспроводной связи. На данном этапе под улучшением качества параметров антенны будем понимать снижение уровня ее боковых лепестков ее диаграммы направленности. Снижение уровня боковых лепестков, естественно, не должно влиять на главный лепесток диаграммы. Снижение уровня бокового лепестка желательно потому, что для антенн, используемых в качестве приемных, боковые лепестки делают систему более уязвимой для посторонних сигналов. В передающих антеннах боковые лепестки снижают защищенность информации, так как сигнал может быть принят нежелательной приемной стороной. Основной трудностью является то, что чем выше уровень боковых лепестков, тем выше вероятность взаимовлияния в направлении бокового лепестка с наибольшим уровнем. Кроме того, повышение уровня боковых лепестков означает, что мощность сигнала рассеивается бесполезно. Выполнено много исследований (см., например, ), но целью данной статьи является рассмотрение метода "позиционирования полосок", который проявил себя, как простой, эффективный и обладающий низкой стоимостью. Любая параболическая антенна

может быть разработана или даже модифицирована с помощью этого метода (рис. 1) для снижения взаимовлияния между антеннами.

Однако проводящие полоски должны быть очень точно расположены, чтобы достичь снижения уровня боковых лепестков. В этой статье метод "позиционирования полосок" протестирован с помощью эксперимента.

Описание задачи

Задача формулируется следующим образом. Для конкретной параболической антенны (рис. 1) требуется снизить уровень первого бокового лепестка. Диаграмма направленности антенны есть не что иное, как Фурье-преобразование функции возбуждения апертуры антенны.

На рис. 2 показаны две диаграммы параболической антенны - без полосок (сплошная линия) и с полосками (линия изображенная знаками *), иллюстрирующие тот факт, что при использовании полосок уровень первого бокового лепестка понижается, однако при этом понижается и уровень главного лепестка, а также изменяется уровень остальных лепестков. Это показывает, что положение полосок является очень критичным. Необходимо располагать полоски таким образом, чтобы ширина главного лепестка по половинной мощности или коэффициент усиления антенны заметно не изменялись. Уровень заднего лепестка тоже не должен заметно меняться. Возрастание уровня остальных лепестков не столь существенно, поскольку уровень этих лепестков обычно значительно проще снизить, чем уровень первых боковых лепестков. Однако указанное возрастание должно быть умеренным. Будем помнить также, что рис. 2 является иллюстративным.

По изложенным причинам при использовании метода "позиционирования полосок" необходимо иметь в виду следующее: полоски должны быть металлическими, чтобы полностью отражать электрическое поле. В этом случае положение полосок можно четко определить. В настоящее время для измерения уровня боковых лепестков

Рис. 2. Диаграмма направленности антенны без полосок (сплошная)

и с полосками (

Рис. 3. Теоретическая нормированная диаграмма направленности в дБ

используются два метода - теоретический и экспериментальный. Оба метода дополняют друг друга, но поскольку наши доказательства основываются на сравнении экспериментальных диаграмм антенн без поломок и с полосками, то в данном случае будем пользоваться экспериментальным методом.

А. Теоретический метод. Этот метод состоит из:

Нахождения теоретической диаграммы направленности (ДН) испытуемой антенны,

Измерения боковых лепестков этой ДН.

ДН может быть взята из технической документации антенны, или может быть рассчитана, например, с помощью программы Ма1!аЬ или с помощью любой другой подходящей программы по известным соотношениям для поля.

В качестве испытуемой антенны использовалась зеркальная параболическая антенна Р2Р-23-ЫХА. Теоретическое значение ДН было получено с помощью формулы для круглой апертуры с равномерным возбуждением :

]ка2Е0е ікг Jl (ка 8Іпв)

Измерения и расчеты выполнялись в Е-плоскости. На рис. 3 показана нормированная диаграмма направленности в полярной системе координат.

Б. Экспериментальный метод. В экспериментальном методе должны быть использованы две антенны:

Испытуемая приемная антенна,

Передающая антенна.

ДН испытуемой антенны определяется при ее вращении и фиксации уровня поля с необходимой точностью. Для повышения точности предпочтительно выполнять отсчеты в децибелах.

В. Регулирование уровня боковых лепестков. По определению первые боковые лепестки - ближайшие к главному лепестку. Для фиксации их положения необходимо измерить угол в градусах или радианах между направлением главного излучения и направлением максимального излучения первого левого или правого лепестка. Направления левого и правого боковых лепестков должны быть одинаковы из-за симметричности ДН, но в экспериментальной ДН это может быть и не так. Далее необходимо определить также ширину боковых лепестков. Она может быть определена как разница между нулями ДН слева и справа от бокового лепестка. Здесь также следует ожидать симметрии, но только теоретически. На рис. 5 показаны экспериментальные данные по определению параметров бокового лепестка.

В результате ряда измерений было определено положение полосок для антенны Р2Р-23-ЫХА, которые определяются расстоянием (1,20-1,36)^ от оси симметрии антенны до полоски.

После определения параметров бокового лепестка определяется положение полосок. Соответствующие расчеты выполняются как для теоретической, так и для экспериментальной ДН по одинаковому методу, описанному ниже и проиллюстрированному на рис. 6.

Константа d - расстояние от оси симметрии параболической антенны до полоски расположенной на поверхности апертуры параболического зеркала, определяется по следующему соотношению:

„ d <Ф = ъ,

где d - экспериментально измеренное расстояние от точки симметрии на поверхности зеркала до полоски (рис. 5); 0 - угол между направлением главного излучения и направлением максимума бокового лепестка найденный экспериментально.

Диапазон значений С находится по соотношению: с! = О/дв

для значений 0, соответствующих началу и концу бокового лепестка (соответствующим нулям ДН).

После определения диапазона С, этот диапазон разбивается на ряд значений, из которых экспериментально выбирается оптимальное значение

Рис. 4. Экспериментальная установка

Рис. 5. Экспериментальное определение параметров боковых лепестков Рис. 6. Метод позиционирования полосок

Результаты

Было испытано несколько положений полосок. При перемещении полосок от главного лепестка, но в пределах найденного диапазона С результаты улучшались. На рис. 7 показаны две ДН без полосок и с полосками, демонстрирующие четкое снижение уровня боковых лепестков.

В табл. 1 приведены сравнительные параметры ДН по уровню боковых лепестков, направленности и ширине главного лепестка.

Заключение

Снижение уровня боковых лепестков при использовании полосок - на 23 дБ (уровень боковых лепестков антенны без полосок-

12,43 дБ). Ширина главного лепестка при этом почти не меняется. Рассмотренный метод весьма гибок, так как он может быть применен к любой антенне.

Однако определенной трудностью является влияние многолучевых искажений, связанных с влиянием земли и окружающих предметов на ДН, что приводит к изменению уровня боковых лепестков до 22 дБ.

Рассмотренный метод является простым, недорогим и может быть выполнен в течение небольшого времени. В последующем мы попытаемся добавить дополнительные полоски в различных положениях и исследовать полоски с поглощением. Кроме того, будут выполнены работы по теоретическому анализу задачи с помощью метода геометрической теории дифракции.

Far field radiation pattern of the antenna P2F- 23-NXA linear magnitude - polar plot

Рис. 7. ДН антенны P2F-23-NXA без полосок и с полосками

Сравнительные параметры антенны

Уровень боковых лепестков

Теоретическая ДН (программа Ма11аЬ) ДН по технической документации 18 дБ 15 дБ

Измеренная ДН без полосок 12,43 дБ

Измеренная ДН с полосками С многолучёвостью Без многолучёвости

Ширина главного лепестка в градусах D D, дБ

Теоретическая ДН (программа Ма^аЬ) 16 161,45 22,07

ДН по технической документации 16 161,45 22,07

Измеренная ДН без полосок 14 210,475 23,23

Измеренная ДН с полосками 14 210,475 23,23

Литература

1. Balanis. C Antenna Theory. 3rd Ed. Wiley 2005.

2. IEEE standard test procedures for antennas IEEE Std. 149 - 1965.

3. http://www.thefreedictionary.com/lobe

4. Searle AD., Humphrey AT. Low sidelobe reflector antenna design. Antennas and Propagation, Tenth International Conference on (Conf. Publ. No. 436) Volume 1, 14-17 April 1997 Page(s):17 - 20 vol.1. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

5. Schrank H. Low sidelobe reflector antennas. Antennas and Propagation Society Newsletter, IEEE Volume 27, Issue 2, April 1985 Page(s):5 - 16. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

6. Satoh T. shizuo Endo, Matsunaka N., Betsudan Si, Katagi T, Ebisui T. Sidelobe level reduction by improvement of strut shape. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on Volume 32, Issue 7, Jul 1984 Page(s):698 - 705. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

7. D. C Jenn and W. V. T. Rusch. "Low sidelobe reflector design using resistive surfaces," in IEEE Antennas Propagat., Soc./ URSI Int. Symp. Dig., vol. I, May

1990, p. 152. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

8. D. C Jenn and W. V. T. Rusch. "Low sidelobe reflector synthesis and design using resistive surfaces," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 39, p. 1372, Sep.

1991. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

9. Monk AD., and Cjamlcoals PJ.B. Adaptive null formation with a reconfig-urable reflector antenna, IEEE Proc. H, 1995, 142, (3), pp. 220-224. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

10. Lam P., Shung-Wu Lee, Lang K, Chang D. Sidelobe reduction of a parabolic reflector with auxiliary reflectors. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on . Volume 35, Issue 12, Dec 1987 Page(s):1367-1374. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

Уровень боковых лепестков диаграммы направленности

Уровень боковых лепестков (УБЛ) диаграммы направленности (ДН) антенны - относительный (нормированный к максимуму ДН) уровень излучения антенны в направлении боковых лепестков. Как правило, УБЛ выражается в децибелах .

Пример диаграммы направленности антенны и параметры: ширина, КНД, УБЛ, коэффициент подавления обратного излучения

ДН реальной (конечных размеров) антенны - осциллирующая функция, в которой выделяют направление основного (наибольшего) излучения и соответствующий этому направлению главный лепесток ДН, а также направления прочих локальных максимумов ДН и соответствующие им так называемые боковые лепестки ДН.

• Как правило, под УБЛ понимают относительный уровень наибольшего бокового лепестка ДН . У направленных антенн, как правило, наибольшим по величине является первый (прилегающий к главному) боковой лепесток.

• Используют также средний уровень бокового излучения (ДН усредняется в секторе углов бокового излучения), нормированный к максимуму ДН.

Как правило, для оценки уровня излучения в направлении «назад», (в направлении, обратном главному лепестку ДН) используется отдельный параметр, и при оценке УБЛ это излучение не учитывается.

Причины снижения УБЛ

• В режиме приема антенна с низким УБЛ «более помехоустойчива», поскольку лучше осуществляет селекцию по пространству полезного сигнала на фоне шума и помех, источники которых расположены в направлениях боковых лепестков
• Антенна с низким УБЛ обеспечивает системе бо́льшую электромагнитную совместимость с другими радиоэлектронными средствами и высокочастотными устройствами
• Антенна с низким УБЛ обеспечивает системе бо́льшую скрытность
• В антенне системы автосопровождения цели возможно ошибочное сопровождение по боковым лепесткам
• Снижение УБЛ (при фиксированной ширине главного лепестка ДН) ведет к росту уровня излучения в направлении главного лепестка ДН (к росту КНД): излучение антенны в направлении, отличном от главного - пустая потеря энергии. Однако, как правило, при фиксированных габаритах антенны снижение УБЛ ведет к снижению КИП, расширению главного лепестка ДН и снижению КНД .

Расплатой за более низкий УБЛ является расширение главного лепестка ДН (при фиксированных размерах антенны), а также, как правило, более сложная конструкция распределительной системы и меньший КПД (в ФАР).

Способы уменьшения УБЛ

Основным способом снижения УБЛ при проектировании антенны является выбор более плавного (спадающего к краям антенны) пространственного распределения амплитуды тока. Мера этой «плавности» - коэффициент использования поверхности (КИП) антенны.

Снижение уровня отдельных боковых лепестков возможно также за счет введения излучателей со специально подобранной амплитудой и фазой возбуждающего тока - компенсационных излучателей в ФАР , а также путем плавного изменения длины стенки излучаюшей апертуры (в апертурных антеннах).

К росту УБЛ ведет неравномерное (отличное от линейного закона) пространственное распределение фазы тока по антенне («фазовые ошибки»).

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Уровень боковых лепестков диаграммы направленности" в других словарях:

Это уровень излучения антенны в направлении (как правило) второго максимума диаграммы направленности. Различают два уровня боковых лепестков: По первому боковому лепестку Средний уровень всего бокового излучения Отрицательные стороны бокового… … Википедия

Уровень боковых лепестков ДН это уровень излучения антенны в направлении (как правило) второго максимума диаграммы направленности. Различают два уровня боковых лепестков: По первому боковому лепестку Средний уровень всего бокового излучения… … Википедия

уровень боковых лепестков - Максимальный уровень диаграммы направленности за пределами основного ее лепестка. [ГОСТ 26266 90] [Система неразрушающего контроля. Виды (методы) и технология неразрушающего контроля. Термины и определения (справочное пособие). Москва 2003 г.]… …

Рис. 1. Радиоинтерферометр ВСРТ … Википедия

Антенна, основные технические характеристики которой регламентированы с определенными погрешностями. Измерительные антенны являются самостоятельными приборами широкого применения, позволяющими работать с различными измерителями и источниками… … Википедия

дольф-чебышевская антенная решетка - Антенная система с поперечным излучением, питание к элементам которой подается с такими фазовыми смещениями, что диаграмма направленности описывается полиномом Чебышева. Такая антенна обеспечивает минимальный уровень боковых лепестков диаграммы… … Справочник технического переводчика

Ход лучей в сечении линзы Люнеберга. Градации голубого иллюстрируют зависимость коэффициента преломления Линза Люнеберга линза, в которой коэффициент преломления не является постоянн … Википедия

волновод с расширенным концом - Простейший тип рупорного излучателя, используемого в многолучевых антенных системах. Расширение раскрыва позволяет улучшить согласование волновода со свободным пространством и снизить уровень боковых лепестков диаграммы направленности антенны. [Л … Справочник технического переводчика

Широкополосная измерительная рупорная антенна на частоты 0,8 – 18 ГГц Рупорная антенна металлическая конструкция, состоящая из волновода переменного (расширяющегося) … Википедия

Устройство для излучения и приёма радиоволн. Передающая А. преобразует энергию электромагнитных колебаний высокой частоты, сосредоточенную в выходных колебательных цепях радиопередатчика, в энергию излучаемых радиоволн. Преобразование… … Большая советская энциклопедия

Ширина ДН (главного лепестка) определяет степень концентра­ции излучаемой электромагнитной энергии.

Ширина ДН – это угол между двумя направлениями и в пределах главного ле­пест­ка, в которых амплитуда напряженности электромагнитного поля составляет уро­вень 0,707 от максимального значения (или уровень 0,5 от мак­симального по плот­нос­ти значения мощности).

Ширина ДН обозначается так: 2θ 0,5 - это ширина ДН по мощности на уровне 0,5; ­2θ 0,707 - ширина ДН по напряженности на уровне 0,707.

Индекс Е или Н, изображенный выше, означает ширину ДН в соответствующей плос­кости: , . Уровню 0,5 по мощности соответствует уровень 0,707 по нап­ря­женности поля или уровень - 3дБ в логарифмическом масштабе:

Ширина ДН одной и той же антенны, представленной по напря­женности поля, по мощности или в логарифмическом масштабе и изме­ренная на соответствующих уров­нях, будет одинаковой:

Экспериментально ширина ДН легко находится по графику ДН, изобра­женной в той или иной системе координат, например, как это показано на рисунке.

Уровень боковых лепестков ДН определяет степень побочного излучения антен­ной электромагнитного поля. Он влияет на скрыт­ность работы радиотехнического уст­ройства и на качество электро­магнитной совместимости с ближайшими радио­элект­ронными системами.

Относительный уровень бокового лепестка - это отношение амп­литуды напряженности поля в направлении максимума бокового ле­пестка к амплитуде напряженности поля в направлении максимума главного лепестка:

На практике этот уровень выражают в абсолютных единицах, либо в деци-белах. Наибольший ин­терес представляет уровень первого бокового лепест­ка. Иногда оперируют усред­нен­ным уровнем боковых лепестков.

4. Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления переда­ю­щей антенны.

Коэффициент направленного действия количественно характери­зует направлен­ные свойства реальной антенн по сравнению с эталон­ной антенной, представляющей собой совершенно ненаправленный (изотропный) излучатель с ДН в виде сферы:

КНД - это число, показывающее во сколько раз плотность пото­ка мощности П(θ,φ) реальной (направленной) антенны больше плот­ности потока мощности

П Э (θ,φ) эта­лонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же уда­лении при условии, что мощности излучения антенн одинаковы:

С учетом (1) можем получить:

где D 0 - КНД в направлении максимального излучения.

На практике, говоря о КНД антенны, подразумевают значение, которое полностью опре­деляется диаграммой направленности антенны:

В инженерных расчетах пользуются приближенной эмпирической формулой, свя­зы­ва­ющей КНД с шириной ДН антенны в главных плос­костях:

Так как на практике затруднительно определить мощность из­лучения антенны (а тем более выполнить условие равенства мощнос­тей излучения эталонной и реаль­ной антенн), то вводят понятие ко­эффициента усиления антенны, который учитывает не только фокуси­рующие свойства антенны, но и ее возможности по преобразова­нию одного вида энергии в другой.

Это выражается в том, что в определении, аналогичному КНД, изменяется усло­вие, причем очевидно, что коэффициент полезного действия эталонной антенны ра­вен единице:

где P A - мощность, подведенная к антенне.

Тогда коэффициент направленного действия выражается через коэффициент направ­лен­ного действия следующим образом:

где η А - коэффициент полезного действия антенны.

На практике используют G 0 - коэффициент усиления антенны в направлении макси­маль­ного излучения.

5. Фазовая диаграмма направленности. Понятие о фазовом цент­ре антенны.

Фазовая диаграмма направленности - это зависимость фазы электромагнитного поля, излучаемого антенной от угловых коорди­нат. Так как в дальней зоне антенны век­то­ры поля Е и Н синфазны, то и фазовая ДН в одинаковой степени относится к элек­три­ческой и магнитной составляющей ЭМП, излучаемого антенной. Обознача­ется ФДН следующим образом:

Ψ = Ψ (θ,φ) при r = const.

Если Ψ (θ,φ) при r = const, то это означает, что антенна формирует фазовый фронт вол­­ны в виде сферы. Центр этой сфе­ры, в котором находится начало системы коор­ди­­нат называют фазовым центром антенны (ФЦА). Фазовый центр имеют не все антенны.

У антенн, имеющих фазовый центр и многолепестковую амплитудную ДН с чет­кими нулями меж­ду ними, фаза поля в соседних лепестках отличается на (180 0). Взаимосвязь между амплитудной и фазовой диаграммами направленности одной и той же антенны иллюстрируется следующим рисунком.

Так как направление распространения ЭМВ и положение ее фазо­вого фронта вза­им­но перпендикулярны в каждой точке пространства, то измеряя положение фа­зового фронта волны, можно косвенно опре­делить направление на источник излуче­ния (пеленгование фазовыми методами).

Ширина главного лепестка и уровень боковых лепестков

Ширина ДН (главного лепестка) определяет степень концентрации излучаемой электромагнитной энергии. Ширина ДН - это угол между двумя направлениями в пределах главного лепестка, в которых амплитуда напряжённости электромагнитного поля составляет уровень 0,707 от максимального значения (или уровень 0,5 от максимального значения по плотности мощности). Ширина ДН обозначается так:

2и - это ширина ДН по мощности на уровне 0,5;

2и - ширина ДН по напряжённости на уровне 0,707.

Индексом Е или Н обозначают ширину ДН в соответствующей плоскости: 2и, 2и. Уровню 0,5 по мощности соответствует уровень 0,707 по напряжённости поля или уровень - 3 дБ в логарифмическом масштабе:

Экспериментально ширину ДН удобно определять по графику, например, как это показано на рисунке 11.

Рисунок 11

Уровень боковых лепестков ДН определяет степень побочного излучения антенной электромагнитного поля. Он влияет на качество электромагнитной совместимости с ближайшими радиоэлектронными системами.

Относительный уровень бокового лепестка - это отношение амплитуды напряжённости поля в направлении максимума первого бокового лепестка к амплитуде напряжённости поля в направлении максимума главного лепестка (рисунок 12):

Рисунок 12

Выражается этот уровень в абсолютных единицах, либо в децибелах:

Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления передающей антенны

Коэффициент направленного действия (КНД) количественно характеризует направленные свойства реальной антенны по сравнению с эталонной ненаправленной (изотропной) с ДН в виде сферы:

КНД - это число, показывающее, во сколько раз плотность потока мощности П (и, ц) реальной (направленной) антенны больше плотности потока мощности П(и, ц) эталонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же удалении при условии, что мощности излучения антенн одинаковы:

С учётом (25) можно получить:

Коэффициент усиления (КУ) антенны - это параметр, который учитывает не только фокусирующие свойства антенны, но и её возможности по преобразованию одного вида энергии в другой.

КУ - это число, показывающее, во сколько раз плотность потока мощности П (и, ц) реальной (направленной) антенны больше плотности потока мощности ПЭ (и, ц) эталонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же удалении при условии, что мощности, подведённые к антеннам, одинаковы.

Коэффициент усиления можно выразить через КНД:

где - коэффициент полезного действия антенны. На практике используют - коэффициент усиления антенны в направлении максимального излучения.

Фазовая диаграмма направленности. Понятие о фазовом центре антенны

Фазовая диаграмма направленности - это зависимость фазы электромагнитного поля, излучаемого антенной, от угловых координат.

Так как в дальней зоне антенны векторы поля Е и Н синфазны, то и фазовая ДН в одинаковой степени относится к электрической и магнитной составляющей ЭМП, излучаемого антенной. Обозначается фазовая ДН следующим образом: Ш = Ш (и, ц) при r = const.

Если Ш (и, ц) = const при r = const, то это означает, что антенна формирует фазовый фронт волны в виде сферы. Центр этой сферы, в котором находится начало системы координат, называют фазовым центром антенны (ФЦА). Следует отметить, что фазовый центр имеют не все антенны.

У антенн, имеющих фазовый центр и многолепестковую амплитудную ДН с чёткими нулями между ними, фаза поля в соседних лепестках отличается на р (180°). Взаимосвязь между амплитудной и фазовой диаграммами направленности одной и той же антенны иллюстрируется на рисунке 13.

Рисунок 13 - Амплитудная и фазовая ДН

Направление распространения ЭМВ и положение её фазового фронта в каждой точке пространства взаимно перпендикулярны.