www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основи радіолокації

Параметри антен

ширина променю
рівень бічних
пелюсток
рівень задньої
пелюстки

Рисунок 1. Діаграма направленості антени в полярних координатах

ширина променю
рівень бічних
пелюсток
рівень задньої
пелюстки

Рисунок 1. Діаграма направленості антени в полярних координатах

Параметри антен

Коефіцієнт підсилювання та коефіцієнт направленої дії

Завдяки особливій конструкції антени забезпечують зосередження щільності випромінення у певних просторових напрямках. Мірою направленості антени без втрат є коефіцієнт підсилювання антени. Цей параметр тісно пов’язаний з коефіцієнтом направленої дії антени. Однак, на відміну від коефіцієнту направленої дії, який характеризує тільки направлені властивості антени, коефіцієнт підсилювання враховує також і ефективність антени. Отже, він дає змогу оцінити фактичну випромінювану потужність. Вона, вочевидь, є дещо меншою, ніж потужність, що подається на антену від передавача. Оскільки цю потужність легше виміряти, ніж оцінити направленість антени, коефіцієнт підсилювання антени використовується частіше, ніж коефіцієнт направленої дії. Якщо ж припустити, що розглядається антена без втрат, то можливо вважати, що коефіцієнт направленої дії приблизно дорівнює коефіцієнту підсилювання антени.

Для визначення коефіцієнту підсилювання антени використовується фізична абстракція – ізотропна антена. В більшості випадків в цій якості розглядається гіпотетичний ненаправлений або ізотропний випромінювач (тобто такий, що випромінює у всіх напрямках) без втрат. Іноді замість нього може розглядатися дипольна антена, яка також може вважатися ненаправленою, принаймні, в одній площині.

Для вимірюваної антени в певній точці на певній відстані від неї вимірюється щільність потужності випромінення (потужність на одиницю площі) і порівнюється із значенням, отриманим при використанні ізотропної антени за інших рівних умов. Відношення цих двох виміряних щільностей потужності буде дорівнювати коефіцієнту підсилювання антени (в даному напрямку).

Наприклад, якщо направлена антена породжує в заданій точці щільність потужності, в 200 разів більшу, ніж ізотропна антена, то її коефіцієнт підсилювання G дорівнює 200 або 23 дБ.

Діаграма направленості антени

Діаграмою направленості антени називають графічне подання просторового розподілу випромінюваної антеною енергії. Залежно від призначення, до антен можуть висуватися вимоги приймати сигналі тільки з певного напрямку і не приймати з інших напрямків (наприклад, телевізійна антена, радіолокаційна антена) або, навпаки, приймати сигнали з усіх можливих напрямків.

Бажаний коефіцієнт направленої дії досягається цілеспрямованим конструюванням антени, включно із проектуванням електричних та механічних властивостей. Коефіцієнт направленої дії показує, наскільки добре антена приймає або випромінює у певному напрямку. Він відображається в графічному поданні (у вигляді діаграми направленості антени) як функція азимуту (горизонтальна діаграма направленості) і кута місця (вертикальна діаграма).

ширина променю
рівень бічних
пелюсток
рівень
задньої
пелюстки

Рисунок 2. Та ж діаграма направленості антени в прямокутних координатах

ширина променю
рівень бічних
пелюсток
рівень
задньої
пелюстки

Рисунок 2. Та ж діаграма направленості антени в прямокутних координатах

Для відображення може використовуватися як прямокутна (Декартова) система координат, так і полярна. Виміряні значення можуть відкладатися в лінійному або в логарифмічному масштабі.

Ширина променю по рівню половинної потужності

Ширина променю по рівню половинної потужності – це кутовий розмір діаграми направленості, в якому випромінюється як мінімум половина максимальної потужності. Точки на діаграмі направленості, які відповідають межам її основної пелюстки, є точками, в яких напруженість випромінюваного антеною поля зменшується на 3 дБ порівняно із максимальною. Кут Θ між цими двома точками називають шириною променю по рівню половинної потужності. Щоби спростити обчислення, іноді припускають, що випромінювана потужність рівномірно розподілена в межах цього кута і дорівнює нулю за його межами.

Тілесний кут променю

Тілесним (просторовим) кутом називають двовимірний кут. Його прийнято позначати літерою Ω, а одиницею вимірювання є стерадіан [Sr]. Просторовий кутовий розмір променю антени ΩA визначається як тілесний кут, в межах якого буде випромінюватися вся потужність за умови, якщо інтенсивність випромінювання є постійною (і дорівнює максимальному значенню) для всіх кутів в межах ΩA. Це суто теоретична величина, яка, однак, може наближено характеризувати антени з дуже високою направленістю і малими бічними пелюстками:

ΩA ≈ Θaz·Θel де: Θaz – ширина променю по рівню половинної потужності в горизонтальній площині
Θel – ширина променю по рівню половинної потужності у вертикальній площині.
(1)

Застосовуються різні моделі просторового подання променю: модель, де переріз променю площиною, перпендикулярною до його вісі, має прямокутну форму із сторонами, довжини яких відповідають ширині променю в горизонтальній та вертикальній площинах, а також моделі, в яких цей переріз має кругову або еліптичну форму (канонічне подання просторового кута).

Рівень бічного випромінення

Крім основної (головної) пелюстки діаграма направленості антени має ще кілька бічних пелюсток і задню пелюстку. Ці явища є небажаними, оскільки вони негативно впливають на направлені властивості антени та відбирають енергію з основної пелюстки. Як правило, оцінюється відношення між рівнем основної пелюстки і найбільшої бічної пелюстки діаграми направленості. Під час проектування та експлуатування антен потрібно прагнути до того, щоби це відношення було якомога більше.

Рівень заднього випромінення

Для оцінювання антен поздовжнього випромінювання використовують такий показник як відносний рівень заднього випромінення. В англомовній літературі використовується позначення F/B (front / back). Цей параметр визначається як відношення величини основної пелюстки в напрямку головного максимуму випромінювання (тобто в напрямку 0º) до величини задньої пелюстки в напрямку 180º. Потрібно прагнути, щоби це відношення також було якомога більше.

Рисунок 3. Апертура антенны – это часть сферической поверхности

Апертура антени – це частина сферичної поверхні, 
(Натисніть для збільшення: 600·400 пiксель = 14 кiлобайт)

Рисунок 3. Апертура антени – це частина сферичної поверхні

Ефективна площа антени

Важливим параметром є ефективна площа антени або «апертура антени», що позначається символом Ae. За умови оптимальної орієнтації антени і поляризації хвилі максимальна потужність, яка може бути отримана на виході приймальної антени, пропорційна щільності потужності електромагнітної хвилі, яка падає в точку прийому. Ця щільність потужності являє собою кількість потужності на одиницю площі. Таким чином, коефіцієнт пропорційності між потужністю на виході антени та щільністю потужності падаючої електромагнітної хвилі має розмірність площі антени. Цю площу називають ефективною площею антени Ae. Вона тісно пов’язана із коефіцієнтом направленої дії антени D, який, своєю чергою, дорівнює коефіцієнту підсилювання антени у випадку відсутності в ній втрат:

D = G·η = 4π · Ae ; Ae = Ka·A де: η – ефективність антени;
λ – довжина хвилі;
Ae – ефективна площа антени;
A – геометрична площа антени;
Ka – коефіцієнт апертури.
(2)
λ2

Ця формула показує дуже важливу властивість: характеристики направленості антени визначаються її площею. Чим більший діаметр антени по відношенню до довжини хвилі, тим вища її направленість.

Ефективна площа антени може також бути визначена для лінійних антен. Вона не обов’язково буде відповідати геометричним розмірам антени, що особливо видно на прикладі дротових антен. Співвідношення між цими двома величинами називають коефіцієнтом апертури (коефіцієнтом використання апертури) Ka. Для антен з великими параболічними дзеркалами приймають, що Ka = 0,6 … 1. Ефективна площа антени для прямокутного рупорного опромінювача із сторонами a та b трохи менша геометричної площі його розкриву a·b.

Ефективна площа антени залежить від розподілу випромінення в розкриві антени (по її поверхні). Якщо цей розподіл є лінійним, то Ka= 1. Однак така висока ефективність апертури при лінійному розподілі поля в розкриві призводить до зростання бічних пелюсток. Якщо для практичного використання антени потрібно забезпечити низький рівень бічних пелюсток, то розподіл поля не має бути лінійним, але тоді ефективна площа антени буде меншою, ніж її геометрична площа (Ae< A).

Смуга частот антени

Смугою частот (діапазоном) антени називають діапазон робочих частот, в межах якого антена ще зберігає задані характеристики, такі як:

  • діаграма направленості (просторовий розподіл випромінюваного поля);
  • поляризація;
  • опір (імпеданс);
  • режим розповсюдження.

Більшість антенних технологій забезпечують роботу в смузі частот, яка складає 5 … 10% від центральної частоти, в силу того, що антена є резонансним пристроєм. Наприклад, для центральної частоти 2 ГГц смуга частот буде складати 100 … 200 МГц. Для досягнення широкосмугової роботи потрібно використовувати антени спеціальних типів (наприклад, логоперіодичні дипольні антени, щілинні антени з конічними щілинами).