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

Параметры антенн

ширина луча
уровень боковых
лепестков
уровень заднего
лепестка

Рисунок 1. Диаграмма направленности антенны в полярных координатах

ширина луча
уровень боковых
лепестков
уровень заднего
лепестка

Рисунок 1. Диаграмма направленности антенны в полярных координатах

Параметры антенн

Коэффициент усиления и коэффициент направленного действия

Благодаря особой конструкции антенны обеспечивают сосредоточение плотности излучения в определенных пространственных направлениях. Мерой направленности антенны без потерь является коэффициент усиления антенны. Этот параметр тесно связан с коэффициентом направленного действия антенны. Однако, в отличие от коэффициента направленного действия, который характеризует только направленные свойства антенны, коэффициент усиления учитывает также и эффективность антенны. Следовательно, он позволяет оценить фактическую излучаемую мощность. Она, очевидно, является несколько меньшей, чем мощность, подводимая к антенне от передатчика. Поскольку эту мощность легче измерить, чем оценить направленность антенны, коэффициент усиления антенны используется чаще, чем коэффициент направленного действия. Если же предположить, что рассматривается антенна без потерь, то можно считать, что коэффициент направленного действия приблизительно равен коэффициенту усиления антенны.

Для определения коэффициента усиления антенны используется физическая абстракция – изотропная антенна. В большинстве случаев в этом качестве рассматривается гипотетический всенаправленный или изотропный излучатель (то есть излучающий во всех направлениях) без потерь. Иногда вместо него может рассматриваться дипольная антенна, которая тоже может считаться всенаправленной, по крайней мере, в одной плоскости.

Для измеряемой антенны в некоторой точке на определенном расстоянии от нее измеряется плотность мощности излучения (мощность на единицу площади) и сравнивается со значением, полученным при использовании изотропной антенны при прочих равных условиях. Отношение этих двух измеренных плотностей мощности будет равно коэффициенту усиления антенны (в данном направлении).

Например, если направленная антенна порождает в заданной точке плотность мощности, в 200 раз большую, чем изотропна антенна, то ее коэффициент усиления G равен 200 или 23 дБ.

Диаграмма направленности антенны

Диаграммой направленности антенны называют графическое представление пространственного распределения излучаемой антенной энергии. В зависимости от назначения, к антеннам могут предъявляться требования принимать сигналы только с определенного направления и не принимать с других направлений (например, телевизионная антенна, радиолокационная антенна) или, напротив, принимать сигналы со всех возможных направлений.

Желаемый коэффициент направленного действия достигается целенаправленным конструированием антенны, включающим в себя проектирование электрических и механических свойств. Коэффициент направленного действия показывает, насколько хорошо антенна принимает или излучает в определенном направлении. Он отображается в графическом представлении (в виде диаграммы направленности антенны) в функции азимута (горизонтальная диаграмма направленности) и угла места (вертикальная диаграмма).

ширина луча
уровень боковых
лепестков
уровень заднего
лепестка

Рисунок 2. Та же диаграмма направленности антенны в прямоугольных координатах

ширина луча
уровень боковых
лепестков
уровень заднего
лепестка

Рисунок 2. Та же диаграмма направленности антенны в прямоугольных координатах

Для отображения может использоваться как прямоугольная (Декартова) система координат, так и полярная. Измеренные значения могут откладываться в линейном или в логарифмическом масштабе.

Ширина луча по уровню половинной мощности

Ширина луча по уровню половинной мощности есть угловой размер диаграммы направленности, в котором излучается как минимум половина максимальной мощности. Точки на диаграмме направленности, соответствующие границам ее основного лепестка, являются точками, в которых напряженность излучаемого антенной поля уменьшается на 3 дБ по сравнению с максимальной. Угол Θ между этими двумя точками называют углом апертуры или шириной луча по уровню половинной мощности. Чтобы упростить вычисления, иногда предполагают, что излучаемая мощность равномерно распределена в пределах этого угла и равна нулю за его пределами.

Телесный угол луча

Телесным углом называют двумерный угол. Его принято обозначать переменной Ω, а единицей измерения является стредиан [Sr]. Пространственный угловой размер луча антенны ΩA определяется как телесный угол, в пределах которого будет излучаться вся мощность при условии, если интенсивность излучения постоянна (и равна максимальному значению) для всех углов в пределах ΩA. Это сугубо теоретическая величина, которая, однако, может приближенно характеризовать антенны с очень высокой направленностью и малыми боковыми лепестками:

ΩA ≈ Θaz·Θel где: Θaz = ширина луча по уровню половинной мощности в горизонтальной плоскости;
Θel = ширина луча по уровню половинной мощности в вертикальной плоскости.
(1)

Применяются разные модели пространственного представления луча: модель, где сечение луча плоскостью, перпендикулярной его оси, имеет прямоугольную форму со сторонами, длины которых соответствуют ширине луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также модели, в которых это сечение имеет круговую или эллиптическую форму (каноническое представление пространственного угла).

Уровень бокового излучения

Кроме основного лепестка диаграмма направленности антенны имеет еще несколько боковых лепестков и задний лепесток. Эти явления нежелательны, поскольку они негативно влияют на направленные свойства антенны и отбирают энергию из основного лепестка. Как правило, оценивается отношение между уровнем основного лепестка и наибольшего бокового лепестка диаграммы направленности. При проектировании и эксплуатации антенн нужно стремиться к тому, чтобы это отношение было как можно большим.

Уровень заднего излучения

Для оценки антенн продольного излучения используют такой показатель как относительный уровень заднего излучения. В англоязычной литературе используется обозначение F/B (front / back). Он определяется как отношение величины основного лепестка в направлении главного максимума излучения (то есть в направлении 0º) к величине заднего лепестка в направлении 180º. Нужно стремиться, чтобы это отношение также было как можно больше.

Рисунок 3. Апертура антенны – это часть сферической поверхности

Апертура антенны – это часть сферической поверхности, 
(нажмите для увеличения: 600·400 пиксель = 14 килобайт)

Рисунок 3. Апертура антенны – это часть сферической поверхности

Эффективная площадь антенны

Важным параметром является эффективная площадь антенны или «апертура антенны», обозначаемая символом Ae. При условии оптимальной ориентации антенны и поляризации волны максимальная мощность, которая может быть получена на выходе приемной антенны, пропорциональна плотности мощности электромагнитной волны, падающей в точку приема. Эта плотность мощности представляет собой количество мощности на единицу площади. Таким образом, коэффициент пропорциональности между мощностью на выходе антенны и плотностью мощности падающей электромагнитной волны имеет значение площади антенны в электромагнитном поле. Эту площадь называют эффективной площадью антенны Ae. Она тесно связана с коэффициентом направленного действия антенны D, который, в свою очередь, равен коэффициенту усиления антенны в случае отсутствия в ней потерь:

D = G·η = 4π · Ae ; Ae = Ka·A где: η = эффективность антенны;
λ = длина волны;
Ae = эффективная площадь антенны;
A = геометрическая площадь антенны;
Ka = коэффициент апертуры.
(2)
λ2

Эта формула показывает очень важное свойство: характеристики направленности антенны определяются ее площадью. Чем больше диаметр антенны по отношению к длине волны, тем выше ее направленность.

Эффективная площадь антенны может также быть определена для линейных антенн. Она не обязательно будет соответствовать геометрическим размерам антенны, что особенно видно на примере проволочных антенн. Соотношение между этими двумя величинами называют коэффициентом апертуры Ka. Для антенн с большими параболическими зеркалами принимают, что Ka = 0,6 … 1. Эффективная площадь антенны для прямоугольного рупорного облучателя со сторонами a и b немного меньше геометрической площади его раскрыва a·b.

Эффективная площадь антенны зависит от распределения в раскрыве антенны (по ее поверхности). Если это распределение является линейным, то Ka= 1. Однако такая высокая эффективность апертуры при линейном распределении поля в раскрыве приводит к возрастанию боковых лепестков. Если для практического использования антенны требуется обеспечить низкий уровень боковых лепестков, то распределение поля не должно быть линейным, но тогда эффективная площадь антенны будет меньше, чем ее геометрическая площадь (Ae< A).

Полоса частот антенны

Полосой частот антенны называют диапазон рабочих частот, в пределах которого антенна еще сохраняет требуемые характеристики, такие как:

  • диаграмма направленности (пространственное распределение излучаемого поля);
  • поляризация;
  • сопротивление (импеданс);
  • режим распространения.

Большинство антенных технологий обеспечивают работу в полосе частот, которая составляет 5 … 10% от центральной частоты, в силу того, что антенна представляет собой резонансное устройство. Например, для центральной частоты 2 ГГц полоса частот будет составлять 100 … 200 МГц. Для достижения широкополосной работы требуется применение антенн специальных типов (например, логопериодическая дипольная антенна, щелевая антенна с коническими щелями).


Sponsors: