www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основы радиолокации

Диаграмма направленности антенны

1,67°
-20 dB
уровень
бокового
лепестка
боковые лепестки
главный
(основной)
лепесток

Рисунок 1. Пример диаграммы направленности антенны типа LVA в декартовой системе координат

1,67°
-20 dB
уровень
бокового
лепестка
боковые лепестки
главный
(основной)
лепесток

Рисунок 1. Пример диаграммы направленности антенны типа LVA в декартовой системе координат

Термином «диаграмма направленности антенны» (или «диаграмма излучения») обычно называют графическое изображение угловой зависимости излучения антенны. На нем, как правило, наносится значение относительной (в основном, нормированной) интенсивности поля, излучаемого антенной. Нормирование интенсивности выполняется по значению интенсивности поля, измеренному в направлении максимума излучения антенны. Вследствие теоремы взаимности диаграммы направленности на излучение (зависимость плотности мощности от направления) и на прием (зависимость чувствительности от направления) для одной и той же антенны совпадают. Диаграммы направленности могут определяться экспериментально либо путем математического моделирования. Диаграммы направленности используют для оценки конкретной антенны. В частности, на их основе можно получить представление о степени ухудшения характеристик радиолокатора в случае, если антенна не точно наведена на цель.

Для идеальной изотропной антенны, для которой плотность излучаемой мощности одинакова во всех направлениях, диаграмма направленности имеет форму сферы. Направленные антенны, такие как, например, антенны радиолокаторов, обеспечивают значительную концентрацию излучения в одном заданном направлении. Благодаря сфокусированной, узкой ширине луча в этом направлении достигается большая дальность действия радиолокатора. Эта узкая ширина луча позволяет осуществлять более точное излучение зондирующего сигнала в сторону цели и прием отраженного от нее сигнала. Диаграмма направленности представляет собой графическое изображение относительной напряженности поля, излучаемого или принимаемого антенной. На диаграмме направлености расстояние ее поверхности от начала координат пропорциональной величине напряженности электрического поля Е на некотором фиксированном расстоянии от антенны в соответствующем направлении.

задние лепестки
боковые
лепестки
главный (основной)
лепесток

Рисунок 2. Горизонтальное сечение диаграммы направленности в полярной системе координат

задние лепестки
боковые
лепестки
главный (основной)
лепесток

Рисунок 2. Горизонтальное сечение диаграммы направленности в полярной системе координат

Горизонтальная диаграмма направлености

Диаграмма направленности антенны обычно представляется в виде трехмерного графика. Плоские диаграммы направленности чаще всего строят либо в плоскости оси антенны, либо в плоскости, ей перпендикулярной. Эти плоскости называют, соответсвенно, азимутальной и угломестной. Такие графики могут строиться в декартовой (прямоугольной) системе координат (Рисунок 1) либо в полярной системе координат (Рисунок 2). Каждый из этих форматов имеет свои преимущества и недостатки. В декартовой системе координат достигается хорошая детализация, однако представление формы луча не наглядно. Такой тип представления диаграммы направленности предпочтителен в случае, когда важна точная оценка уровня боковых лепестков. При построении диаграммы направленности путем численного моделирования имеется таблица значений с нужной степенью детализации.

Диаграммы направленности антенн, построенные в полярной системе координат, обладают лучшей наглядностью и более приспособленны для отображения их на картах. С их помощью обеспечивается быстрая оценка свойств антенны в заданном направлении.

Поставщики антенн измеряют диаграммы направленности антенн, фиксируя положение точки наблюдения и вращая антенну вокруг своей оси, либо, наоборот, выполняя измерения (вычисления) в точках, находящихся вокруг неподвижной антенны.

Хотя изображение диаграмм направленности антенн может быть полезным для визуальной оценки, при выполнении инжинерного анализа оно может оказаться недостточно информативным. Поэтому измеренные или рассчитанные данные также преобразовывают в числовые значение в форме таблиц.

Вертикальная диаграмма направленности

Форма вертикальной диаграммы направленности определяется путем сечения трехмерного графика вертикальной плоскостью. На графике, приведенном на Рисунке 3, представлена четверть (один квадрант) круга. Здесь вдоль оси х откладываются значения дальности действия радиолокатора, а вдоль оси у — высота цели. Одним из методов исследования антенн является метод измерения с использованием радиочастотного излучения Солнца (в англоязычной литературе — Sun-Strobe-Recording). Для реализации этого метода можно применять RASS-S (Radar Analysis Support System for Sites), измерительный инструмент разработки компании Intersoft Electronics. Он представляет собой программную систему, выполняющую оценку различных элементов радиолокатора в заданных условиях, вне зависимости от его производителя.

Рисунок 3. Вертикальная диаграмма направленности в виде косеканс-квадратичной зависимости

Рисунок 3. Вертикальная диаграмма направленности в виде косеканс-квадратичной зависимости

Рисунок 4. Трехмерная диаграмма направленности рупорного облучателя

Рисунок 4. Трехмерная диаграмма направленности рупорного облучателя

На Рисунке 3 единицей измерения дальности является морская миля, а высоты — фут. Обе эти единицы измерения все еще используются в системах управления воздушным движением, где такое положение сложилось исторически. Тип единицы измерения имеет второстепенное значение только потому, что на графиках диаграмма направленности откладывается относительный уровень. Это означает, что максимальное (теоретически) значение дальности действия, рассчитанное с помощью уравнения радиолокации, соответсвует направлению максимального излучения антенны. Форма графика дает только качественную оценку! Для получения абсолютных значений необходим второй график, построенный при тех же условиях. Сравнив между собой оба эти графика, можно сделать заключение о характеристиках антенны.

Наклонные лучи на графике соответствуют углам места, следующим с шагом пол-градуса. Разный масштаб по осям системы координат (по дальности и по высоте цели) приводит к нелинейному изменению углового расстояния между угломестными лучами. Линии высоты образуют линейную сетку. Пунктирные линии, расположенные рядом с ними, показывают кривизну Земли.

Трехмерная диаграмма направленности

Трехмерное представление диаграмм направленности получают при помощи компьютерного моделирования. Для этого используются различные пакеты программ, результаты расчетов которых бывают удивительно близки к результатам реальных измерений. Построение такого изображения требует вычисления значений в большом количестве точек. Поэтому во многих прикладных программах такого назначения применяется компромисс: по реальным измерениям формируются вертикальное и горизонтальное сечения диаграммы направленности, а в остальных точках значения получают рассчетным способом, путем перемножения всего массива вертикального сечения на одно значение горизонтального сечения. Для выполнения такого алгоритма требуются огромные вычислительные ресурсы. Однако, за исключением эффектности таких изображений на презентациях, целесообразность их использования сомнительна, поскольку они практически не добавляют новой информации по сравнению с двумя плоскими диаграммами. Напротив: в перефирийных зонах, в результате применения компромисса, рассчетные значения могут существенно отличаться от измеренных.