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

Діаграма направленості антени

1,67°
-20 dB
рівень
бічної
пелюстки
бічні пелюстки
головна
(основна)
пелюстка

Рисунок 1. Приклад діаграми направленості параболічної антени в декартовій системі координат

1,67°
-20 dB
рівень
бічної
пелюстки
бічні пелюстки
головна
(основна)
пелюстка

Рисунок 1. Приклад діаграми направленості параболічної антени в декартовій системі координат

Діаграма направленості антени

Терміном діаграма направленості антени (або діаграма випромінення) зазвичай називають графічне зображення кутової залежності випромінення антени. На ньому, як правило, наносяться значення відносної (в основному, нормованої) інтенсивності поля, випромінюваного антеною. Нормування інтенсивності виконується за значенням інтенсивності поля, виміряним у напрямку максимуму випромінення антени. Відповідно до теореми взаємності діаграми направленості на випромінювання (залежність густини потужності від напряму) та на прийом (залежність чутливості від напряму) для однієї й той самої антени співпадають. Діаграми направленості можуть визначатися експериментально або шляхом математичного моделювання. Діаграми направленості використовують для оцінювання конкретної антени. Зокрема, на їх основі можливо отримати уявлення щодо ступеню погіршення характеристик радіолокатора у випадку, якщо антена не точно наведена на ціль.

Для ідеальної ізотропної антени, для якої густина випромінюваної потужності є однаковою у всіх напрямах, діаграма направленості має форму сфери. Направлені антени, такі як, наприклад, антени радіолокаторів, забезпечують значну концентрацію випромінення у одному заданому напрямі. Завдяки сфокусованій, вузькій ширині променю у цьому напрямі досягається більша дальність дії радіолокатора. Ця вузька ширина променю дає змогу здійснювати більш точне випромінювання зондувального сигналу в бік цілі та приймання відбитого від неї сигналу. Діаграма направленості являє собою графічне зображення залежності відносної величини напруженості поля, випромінюваного або прийманого антеною. На діаграмі направленості відстань її поверхні від початку координат пропорційна величині напруженості електричного поля Е на певній фіксованій відстані від антени у відповідному напрямку.

задні
пелюстки
бічні
пелюстки
головна
(основна)
пелюстка

Рисунок 2. Горизонтальний переріз діаграми направленості в полярній системі координат

задні
пелюстки
бічні
пелюстки
головна
(основна)
пелюстка

Рисунок 2. Горизонтальний переріз діаграми направленості в полярній системі координат

Горизонтальна діаграма направленості

Діаграма направленості антени зазвичай представляється у вигляді тривимірного графіка. Плоскі діаграми направленості частіше за все будують або в площині основи антени, або в площині, перпендикулярної до неї. Ці площини називають, відповідно, азимутальною та кутомісною. Такі графіки можуть будуватися у декартовій (прямокутній) системі координат (Рисунок 1) або в полярній системі координат (Рисунок 2). Кожен з цих форматів має свої переваги та недоліки. В декартовій системі координат досягається хороша деталізація, однак представлення форми променю не наочно. Такий тип представлення діаграми направленості є кращим у випадку, коли важлива точна оцінка рівня бічних пелюсток. При побудові діаграми направленості шляхом чисельного моделювання формується таблиця значень з потрібним ступенем деталізації.

Діаграми направленості антен, побудовані в полярній системі координат, мають кращу наочність і більше пристосовані для відображення їх на картах. За їх допомоги забезпечується швидке оцінювання властивостей антени у заданому напрямку.

Постачальники антен вимірюють діаграми направленості антен, фіксуючи положення точки спостереження та обертаючи антену навколо своєї осі, або, навпаки, виконуючи вимірювання (обчислення) у точках, що знаходяться навколо нерухомої антени.

Хоча зображення діаграм направленості антен може бути корисним для візуального оцінювання, при виконанні інженерного аналізу воно може виявитися недостатньо інформативним. Тому виміряні або розраховані дані також перетворюють у числові значення в формі таблиць.

Вертикальна діаграма направленості

Форма вертикальної діаграми направленості визначається шляхом перерізу тривимірного графіку вертикальною площиною. На графіку, наведеному на Рисунку 3, представлена чверть (один квадрант) кола. Тут вздовж осі х відкладаються значення дальності дії радіолокатора, а вздовж осі у — висота цілі. Одним з методів дослідження антен є метод вимірювання з використанням радіочастотного випромінення Сонця (в англомовній літературі — Sun-Strobe-Recording). Для реалізації цього метода можливо застосовувати RASS-S (Radar Analysis Support System for Sites), вимірювальний інструмент розробки компанії Intersoft Electronics. Він являє собою програмну систему, що виконує оцінювання різних елементів радіолокатора у заданих умовах, незалежно від його виробника.

Рисунок 3. Вертикальна діаграма направленості у вигляді косеканс-квадратичної залежності

Рисунок 3. Вертикальна діаграма направленості у вигляді косеканс-квадратичної залежності

Рисунок 4. Тривимірна діаграма направленості рупорного опромінювача

Рисунок 4. Тривимірна діаграма направленості рупорного опромінювача

На Рисунку 3 одиницею вимірювання дальності є морська миля, а висоти — фут. Обидві ці одиниці вимірювання все ще використовуються в системах управління повітряним рухом, де таке становище склалось історично. Тип одиниці вимірювання має другорядне значення тільки тому, що на графіках діаграма направленості відкладається відносний рівень. Це означає, що максимальне (теоретично) значення дальності дії, розраховане за допомогою рівняння радіолокації, відповідає напряму максимального випромінення антени. Форма графіку дає тільки якісну оцінку! Для отримання абсолютних значень необхідний другий графік, побудований за тих самих умов. Порівнявши між собою обидва ці графіки, можливо зробити висновок про характеристики антени.

Похилі промені на графіку відповідають кутам місця, що слідують з кроком пів-градуси. Різний масштаб по вісях системи координат (по дальності та по висоті цілі) призводить до нелінійного змінення кутової відстані між кутомісними променями. Лінії висоти утворюють лінійну сітку. Пунктирні лінії, розташовані рядом з ними, показують кривизну Землі.

Рисунок 5. Тривимірне представлення діаграми направленості антени у декартовій системі координат для радіолокатора моторного транспортного засобу (потужність відкладається у абсолютних значеннях)

Рисунок 5. Тривимірне представлення діаграми направленості антени у декартовій системі координат для радіолокатора моторного транспортного засобу (потужність відкладається у абсолютних значеннях)

Тривимірна діаграма направленості

Тривимірне представлення діаграм направленості отримують за допомогою комп’ютерного моделювання. Для цього використовуються різноманітні пакети програм, результати розрахунків яких бувають на диво близькі до результатів реальних вимірювань. Побудова такого зображення потребує обчислення значень у великій кількості точок. Тому в багатьох прикладних програмах такого призначення застосовується компроміс: за реальними вимірюваннями формуються вертикальний та горизонтальний перерізи діаграми направленості, а у решті точок значення отримують розрахунковим способом, шляхом перемноження усього масиву вертикального перерізу на одне значення горизонтального перерізу. Для виконання такого алгоритму потрібні значні обчислювальні ресурси. Однак, за винятком ефектності таких зображень на презентаціях, доцільність їх використання сумнівна, оскільки вони практично не додають нової інформації порівняно з двома плоскими діаграмами. Навпаки: у периферійних зонах, в результаті застосування компромісу, розрахункові значення можуть суттєво відрізнятися від виміряних.

Тривимірні діаграми можуть бути подані як у декартовій, так і полярній системах координат.

Приклад налаштування вимірювання для автомобільного радара від Rohde & Schwarz