www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основи на радиолокацията

Параметри на антената

главния лист
ниво на
страничните листи
ниво на
обратния лист

Изображение 1: Диаграма на насоченост на антената в полярни координати

главния лист
ниво на
страничните
листи
ниво на
обратния лист

Изображение 1: Диаграма на насоченост на антената в полярни координати

Параметри на антената

Коефициент на усилване и насоченост

Поради специалната си конструкция антените осигуряват концентрация на плътността на излъчване в определени пространствени посоки. Мярка за насочеността на антената без загуби е коефициентът на усилване на антената. Този параметър е тясно свързан с коефициента на насоченост на антената. За разлика от коефициента на насоченост, който характеризира само насочените свойства на антената, коефициентът на усилване отчита и ефективността на антената. Следователно тя ни позволява да оценим действителната излъчена мощност. Това очевидно е малко по-малко от мощността, подавана към антената от предавателя. Тъй като тази мощност е по-лесна за измерване, отколкото за оценка на насочеността на антената, усилването на антената се използва по-често от усилването на насочеността. Ако приемем, че се разглежда антена без загуби, може да се приеме, че коефициентът на насоченост е приблизително равен на коефициента на усилване на антената.

За определяне на усилването на антената се използва физическа абстракция – изотропна антена. В повечето случаи за такъв се счита хипотетичен всепосочен или изотропен излъчвател (т.е. излъчващ във всички посоки) без загуби. Понякога вместо това може да се разгледа диполна антена, за която също може да се приеме, че е всенасочена поне в една равнина.

За измерваната антена се измерва плътността на мощността на излъчване (мощност на единица площ) в определена точка на определено разстояние от антената и се сравнява със стойността, получена при използване на изотропна антена, при равни други условия. Отношението на тези две измерени плътности на мощността ще бъде коефициентът на усилване на антената (в тази посока).

Например, ако една насочена антена произвежда плътност на мощността в дадена точка 200 пъти по-голяма от изотропна антена, нейното коефициент на усилване G е 200 или 23 dB.

Диаграма на насоченост на антената

Диаграмата на насоченост на антена е графично представяне на пространственото разпределение на енергията, излъчвана от антената. В зависимост от предназначението може да се изисква антените да приемат сигнали само от определена посока, но не и от други посоки (напр. телевизионна антена, радарна антена), или обратното – да приемат сигнали от всички възможни посоки.

Желаният коефициент на насоченост се постига чрез целенасочено проектиране на антената, което включва проектиране на електрическите и механичните свойства. Коефициентът на насоченост показва колко добре приема или излъчва антената в определена посока. Тя се показва в графично изображение (като насочен модел на антената) като функция на азимута (хоризонтална или азимутална равнина) и ъгъла на мястото (вертикална или ъгломестна равнина).

главния лист
ниво на
страничните
листи
ниво на
обратния
лист

Изображение 2. Диаграмата на насоченост на същата антена в правоъгълни координати

главния лист
ниво на
страничните
листи
ниво на
обратния
лист

Изображение 2. Диаграмата на насоченост на същата антена в правоъгълни координати

За изобразяване може да се използва както правоъгълна (декартова) координатна система, така и полярна координатна система. Измерените стойности могат да се нанасят в линейна или логаритмична скала.

Ширина на диаграма на насоченост

Ширина на диаграма на насоченост при ниво на половин мощност е ъгловият размер на излъчвателната картина, при който се излъчва поне половината от максималната мощност. Точките върху диаграмата на излъчване, съответстващи на границите на основната й част, са точките, в които интензивността на полето, излъчвано от антената, намалява с 3 dB от максималната стойност. Ъгълът Θ между тези две точки се нарича ъгъл на апертурата или широчина на диаграма на насоченост при половин мощност. За да се опростят изчисленията, понякога се приема, че излъчваната мощност е равномерно разпределена в рамките на този ъгъл и е равна на нула извън него.

Твърдият ъгъл на лъч

Твърдият ъгъл е двуизмерен ъгъл. Обикновено се обозначава с променливата Ω, а мерната единица е страдиан [Sr]. Твърдото ъглово измерение на антенния лъч ΩA се определя като плътния ъгъл, в рамките на който ще бъде излъчена цялата мощност, при условие че интензитетът на излъчване е постоянен (и равен на максималната стойност) за всички ъгли в рамките на ΩA. Това е чисто теоретична величина, която обаче може приблизително да характеризира антени с много висока насоченост и малки странични листове:

ΩA ≈ Θaz·Θel където: Θaz = ширина на диаграма на насоченост в хоризонталната равнина
Θel = ширина на диаграма на насоченост във вертикалната равнина.
(1)

Използват се различни модели на пространственото представяне на гредата: модел, при който напречното сечение на гредата от равнина, перпендикулярна на оста ѝ, има правоъгълна форма със страни, чиито дължини съответстват на ширината на гредата в хоризонталната и вертикалната равнина, и модели, при които това сечение има кръгла или елиптична форма (канонично представяне на пространствения ъгъл).

Ниво на страничните листи

В допълнение към главния лист моделът на излъчване на антената има няколко странични листове и обратен лист. Тези явления са нежелателни, тъй като оказват отрицателно влияние върху насочените свойства на антената и отнемат енергия от главния лист. Обикновено се оценява съотношението между нивото на главното и най-голямото странично листо на насочения модел. При проектирането и експлоатацията на антените трябва да се цели това съотношение да бъде възможно най-голямо.

Ниво на обратния лист

За оценка на антените с надлъжно излъчване се използва относителното фоново ниво на излъчване. В англоезичната литература се използва обозначението F/B (front-to-back). То се определя като съотношение между стойността на главния лист в посоката на главния максимум на излъчване (т.е. в посока 0º) и стойността на обратния лист в посока 180º. Трябва да се стремим това съотношение също да бъде възможно най-голямо.

Изображение 3: Ефективна площ на антената е част от сферична повърхност

The antenna aperture is a section of a spherical surface, 
(Кликнете за да увеличите снимката: 600·400 пиксел = 14 kB

Изображение 3: Ефективна площ на антената е част от сферична повърхност

Ефективна площ на антената

Важен параметър е ефективната площ на антената или «апертурата на антената», обозначавана със символа Ae. При оптимална ориентация на антената и поляризация на вълните максималната мощност, която може да се получи на изхода на приемната антена, е пропорционална на плътността на мощността на електромагнитната вълна, падаща в точката на приемане. Тази плътност на мощността е количеството енергия на единица площ. По този начин коефициентът на пропорционалност между мощността на изхода на антената и плътността на мощността на падащата електромагнитна вълна има стойността на площта на антената в електромагнитното поле. Тази площ се нарича ефективна площ на антената Ae. Тя е тясно свързана с коефициента на насоченост на антената D, който от своя страна е равен на усилването на антената, ако в нея няма загуби:

D = G·η = 4π · Ae ; Ae = Ka·A където: η = ефективност на антената
λ = дължина на вълната
Ae = ефективната площ на антената
A = геометричната площ на антената
Ka = коефициент на апертурата
(2)
λ2

Тази формула показва едно много важно свойство: характеристиките на насоченост на антената се определят от нейната площ. Колкото по-голям е диаметърът на антената спрямо дължината на вълната, толкова по-голяма е нейната насоченост.

Ефективната площ на антената може да се определи и за линейни антени. Не е задължително той да съответства на геометричния размер на антената, което е особено очевидно в случая на жичните антени. Съотношението между тези две величини се нарича коефициент на апертурата Ka. За антени с големи параболични огледала се приема Ka = 0,6 … 1,0. Ефективната площ на антена за правоъгълен рогов радиатор със страни a и b е малко по-малка от геометричната площ на отвора му a·b.

Ефективната площ на антената зависи от разпределението в отвора на антената. Ако това разпределение е линейно, тогава Ka= 1. Такава висока ефективност на апертурата при линейно разпределение на полето в разкритието обаче води до увеличаване на страничните листове. Ако практическото използване на антената изисква ниски странични листове, разпределението на полето не трябва да бъде линейно, но тогава ефективната площ на антената ще бъде по-малка от нейната геометрична площ (Ae< A).

Честотна лента на антената

Честотната лента на антената е диапазонът от работни честоти, в който антената все още запазва желаните характеристики, като например:

  • диаграма на насоченост (пространствено разпределение на излъчваното поле);;
  • поляризация;
  • импеданс (съпротивление);
  • режим на разпространение.

Повечето антенни технологии осигуряват работа в честотна лента, която е 5 … 10% от централната честота, поради факта, че антената е резонансно устройство. Например за централна честота от 2 GHz ширината на честотната лента е 100 … 200 MHz. За да се постигне широколентова работа, е необходимо използването на специални типове антени (напр. логпериодична диполна антена антиподална антена Vivaldi).