Меню

Как определить ширину диаграммы направленности по уровню половинной мощности



Лепестки диаграммы направленности и ширина луча

В идеале луч, направляемый антенной на спутник, должен иметь форму острого карандаша. К сожалению, поскольку длина волн в данном случае мала по сравнению с апертурой (диаметром) антенны, фиксированная фокальная точка в действительности не является точной. Это вызывает небольшое расхождение главного луча и некоторое нежелательное улавливание внеосевых сигналов. Результирующая полярная диаграмма состоит из узкого луча, называемого главным лепестком и серии боковых лепестков меньшей амплитуды.

Типовая диаграмма направленности параболического рефлектора в полярной системе координат
Типовая диаграмма направленности параболического
рефлектора в полярной системе координат

Поскольку полярную диаграмму часто трудно интерпретировать, предпочтение отдается форме представления в прямоугольной системе координат. Нормированная теоретическая характеристика сигнала для равномерно облучаемой антенны диаметром 65 см на частоте 11 ГГц представлена на рисунке:

Лепестки диаграммы направленности параболического рефлектора
Лепестки диаграммы направленности параболического рефлектора

На самом деле факторы, перечисленные выше, будут способствовать внесению неровностей в данную характеристику, но общая картина показанной зависимости останется неизменной.

Фоновый шум поступает на антенную систему в основном через боковые лепестки, поэтому необходимо, чтобы они были как можно меньше по отношению к амплитуде главного лепестка. Равномерно облучаемая антенна теоретически создает первый и самый большой из этих боковых лепестков на уровне около -17,6 дБ ниже максимального значения главного лепестка.

На практике облучение редко бывает равномерным. Точность распределения облучения зависит от типа установленного облучателя. Это приводит нас к понятию эффективной площади или эффективности антенной системы. Другими словами, наибольшая часть мощности сигнала собирается с центральной части зеркала и уменьшается по направлению к внешним краям антенны. Поэтому слабый раскрыв рефлектора антенны может служить защитой от фонового шума.

Неполное (недостаточное) облучение зеркала уменьшает уровень первого бокового лепестка до значения менее -20 дБ, снижая таким образом воздействие фонового шума. На первый взгляд, это решение кажется идеальным, но оно приводит к некоторым нежелательным последствиям — уменьшению коэффициента усиления антенны и соответствующему увеличению ширины луча (главного лепестка). Основной характеристикой диаграммы направленности антенны является ее ширина по уровню половинной мощности, которая рассчитывается как,ширина главного лепестка диаграммы на уровне -3 дБ. Уравнения, которые применяются для вычисления ширины диаграммы направленности на любом заданном уровне главного лепестка, достаточно сложны и трудоемки для выполнения. Однако такие параметры, как ширина главного лепестка на уровне -3 дБ, амплитуда первого бокового лепестка и расположение первого нуля (провала в диаграмме направленности), зависящего от установленного способа облучения, могут быть легко рассчитаны при помощи выражений, приведенных ниже в таблице. Косинусное распределение близко к среднему, и если способ принятого облучения неизвестен, то оно может быть использовано в качестве первого приближения при расчете ширины диаграммы направленности на уровне -3 дБ.

Расчет параметров диаграммы направленности антенны
Расчет параметров диаграммы направленности антенны Также читайте:
Двусторонние зеркальные антенны
Моторизованные позиционные системы

Источник

Основы радиолокации

Параметры антенн

Рисунок 1. Диаграмма направленности антенны в полярных координатах

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).

Читайте также:  Как вычислить мощность электродвигателя формула

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).

Рисунок 2. Та же диаграмма направленности антенны в прямоугольных координатах

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:

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 ).

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).

Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрей Музыченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)

Источник

Форма и ширина диаграммы направленности антенны (ДНА) по точкам половинной мощности (Q0,5 ГОР, Q0,5 ВЕР).

В РЛС используют иглообразные и плоские ДНА. Ширина иглообразных ДНА в горизонтальной и вертикальной плоскостях примерно одинакова и составляет единицы (2..3)градуса и в редких случаях доли градуса. Ширина плоских ДНА в горизонтальной плоскости такая же, т.е. 2-3 градуса, а в вертикальной плоскости составляет от 20 до 60 градусов.

Ширина ДНА зависит от величины раскрыва антенны (размера апертуры в соответствующей плоскости). Так, например, для зеркальной антенны в виде усеченного параболоида ширина луча по точкам половинного значения мощности (в градусах)

где da – максимальный линейный размер зеркала в плоскости луча.

9.Коэффициент направленного действия антенны (Gн) или коэффициент усиления (G)

где – коэффициент полезного действия антенны.

Коэффициент усиления характеризует степень концентрации энергии в луче и составляет в плоских ДНА 500..2000, а в иглообразных 2000..10000.

Перечень технических характеристик РЛС может быть расширен и конкретизирован применительно к конкретному техническому устройству, входящему в состав РЛС. Например: технические характеристики устройства генерирования и формирования сигналов, технические характеристики устройства приёма и обработки сигналов и т.д. К техническим характеристикам радиолокационных средств можно также отнести методы обзора, измерения координат и параметров движения целей, вид и параметры устройств отображения и съема информации, параметры, определяющие защищенность средства от различного вида помех, массогабаритные характеристики средства, потребляемая энергия от источников питания и др.

ТРЕТИЙ УЧЕБНЫЙ ВОПРОС: Взаимосвязь между техническими и тактическими параметрами.

Так как технические параметры РЛС формируются в процессе её разработки на заводе изготовителе, исходя из ТТЗ, в котором заданы требуемые тактические параметры, то, естественно, что тактические и технические параметры одного средства находятся в теснейшей взаимосвязи и взаимной зависимости друг от друга.

Подробно эта взаимосвязь будет рассмотрена в рамках курсового проекта по дисциплине УГиФС и УПиОС, где курсант будет выступать в качестве завода изготовителя, а преподаватель – в качестве НИИ, формирующего ТТЗ на разработку.

Читайте также:  Фен мощность 3500 вт

Задача исполнителя на основе полученных (заданных) тактических параметров РЛС (а именно: максимальной дальности обнаружения заданной цели в заданной помеховой обстановке с заданным качеством, разрешающей способности РЛС, точности измерения ею координат цели, дистанция упреждения для станций РТР и головок самонаведения ПКР и ПРР и др.) разработать функциональную схему такой РЛС, которая бы удовлетворяла заданным требованиям и обосновать её технические параметры (а именно: несущую частоту, вид генератора СВЧ, количество каналов и каскадов УГиФС, чувствительность УПиОС, среднюю и импульсную мощность передатчика, размеры антенного устройства и ряд других).

Центральное место при этих расчётах среди всех других соотношений занимает основное уравнение радиолокации, которое мы будем рассматривать несколько позднее в рамках дисциплины ОРЛ.

Основное уравнение радиолокации показывает взаимосвязь важнейшего тактического параметра «максимальная дальность обнаружения цели» от ряда технических параметров РЛС и от условий обнаружения, в частности от помеховой обстановки. Не вдаваясь на данном этапе обучения детально в суть основного уравнения радиолокации, следует сказать, что максимальная дальность обнаружения прямо пропорциональнасредней мощности передатчика, длине волны РЛС, коэффициенту усиления антенны, ЭОП цели, базе сигнала (коэффициенту сжатия сложных сигналов при обработке) и обратно пропорциональна чувствительности приёмного устройства, спектральной плотности мощности внутренних шумов приёмника, спектральной плотности мощности преднамеренных и непреднамеренных помех на входе приёмника, энергетическим потерям зондирующего сигнала при излучении, распространении в среде, приёме и обработке.

Необходимо также отметить, что так как параметры РЛС (как тактические, так и технические) находятся в тесной взаимосвязи, то и основное уравнение радиолокации может быть записано в различной транскрипции, каждая из которых подчёркивает (наглядно показывает) ту или иную взаимосвязь.

Некоторые технические параметры также взаимосвязаны. Так, например, связь коэффициента усиления антенны и ее эффективной площади определяется выражением (для режима излучения – аналогично):

где: -эффективная площадь антенны РЛС при приеме (излучении), м 2 ;

а связь коэффициента усиления антенны и размеров ДНА определяется выражением:

где: — ширина ДНА на прием (излучение) в горизонтальном и вертикальном направлении соответственно, рад;

Длительность импульса находится в непосредственной зависимости от сложности сигнала и определяется выражением:

где коэффициент сжатия характеризует сложность сигнала, а ширину спектра сигнала можно считать равным (при условии оптимальности приёма, т.е. согласовании полосы пропускания приемника со спектром сигнала) полосе пропускания приёмника .

Важный тактический параметр «время обзора» ,который соответствует времени просмотра всех элементов разрешения в зоне обзора РЛС, определяется для РЛС с последовательным обзором по трем координатам следующим выражением:

где: — время облучения цели (длительность пачки).

, — количество элементов разрешения в зоне обзора РЛС по курсовому углу и по углу места соответственно;

— сектора обзора РЛС по курсовому углу и углу места соответственно;

Тактические параметры разрешения связаны с техническими параметрами размера антенны, ширины спектра сигнала следующими соотношениями:

— параметр разрешения по дальности:

где: — эффективная ширина спектра сигнала, Гц;

— параметр разрешения по курсовому углу и углу места:

где: — рабочая длинна волны, м;

-горизонтальный и вертикальный размеры апертуры антенны при приеме, м.

— параметр разрешения по радиальной скорости:

Тактические параметры ошибок измерения дальности, курсового угла, угла места и радиальной скорости связаны с тактическими параметрами разрешения следующими соотношениями:

где: g — коэффициент ухудшения точности (зависит от реализации конкретного измерителя), при первичных оценках можно считать его равным 1.

— суммарное отношение сигнал / помеха (ОСП), т.е. отношение суммарной энергии принятых полезных сигналов с учетом потерь к суммарной спектральной плотности мощности внутренних шумов приемника и внешних помех, приведенных к одной и той же части приемника – к его входу (может быть выражено из основного уравнения радиолокации).

где: — ОСП для одного принятого импульса;

— количество проинтегрированных импульсов (импульсов в пачке);

— суммарный коэффициент потерь в величине ОСП, обусловленный как ослаблениями, так и искажениями сигналов в устройствах РЛС и в среде распространения

Дата добавления: 2016-01-07 ; просмотров: 4891 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Как определить ширину диаграммы направленности по уровню половинной мощности



Диаграмма антенны

Диаграмма антенны. Смотрим.

Диаграмма антенны – один из главных параметров направленной антенны. Определяется как в горизонтальной плоскости, так и в вертикальной плоскости. Само слово диаграмма в переводе с греческого – это рисунок, изображение. Будем рассматривать в полярной системе координат.

Такой рисунок, или диаграмма дает представление, где, какой лепесток и какой уровень по отношению к главному лепестку. Лепесток – это выбросы в виде лепестков, как к примеру, у ромашки. У ромашки они почти все одинаковые. У диаграммы направленности антенны лепестки бывают разные, но симметричны.

Так что же это такое диаграмма направленности антенны – Это рисунок в полярной системе (бывают в декартовой системе) где показано усиление антенны в зависимости от угла к главному лепестку.

Для чего и для кого этот материал. Для тех, кто начинает моделировать и строить антенны, в первую очередь для радиолюбителей. Чтобы иметь представление. От простых антенн, до (ФАР) Фазированные Антенных Решетки. Радиолюбители называют стеками.

Возьмем один вибратор, разрезной или петлевой, для примера на частоту 145 МГц. Рисунки они же диаграммы будет рисовать бесплатный антенный калькулятор, программа для моделирования антенн MMANA. Мы видим, что уровни перпендикулярные вибратору одинаковы. Радиолюбители называют восьмерка такую диаграмму.

Диаграмма антенны 3 элементной антенны

Диаграмма антенны 3 элементной антенны

Добавим к вибратору еще один, а лучше два элемента, диаграмма изменится. Такую антенну уже можно назвать направленной.

Диаграмма антенны 8 элементов Х антенна - диаграмма

Диаграмма антенны 8 элементов Х антенна — диаграмма

Диаграмма направленности антенной решетки.

Для повышения эффективности антенны, собирают антенную систему из нескольких антенн. Из двух антенн, из четырех, и более. Давайте для примера возьмем четыре антенны и посмотрим диаграммы. Четверка антенн хорошее решение для проведения радио связей через Луну, да и через «тропо» будут хорошие результаты.

Диаграмма антенны стека из 4 антенн

Диаграмма антенны стека из 4 антенн

Диаграмма антенны стека из 4 антенн с другим расстоянием

Диаграмма антенны стека из 4 антенн с другим расстоянием

Диаграмма в стеке из 4 антенн

Диаграмма антенны в моделировании

меняется и зависит от расстояния между антеннами. Если такую систему антенную использовать в поле, где нет помех, это одни условия приема. Если в городских условиях, где уровень помех, шума очень большой, то это другие условия.

На рисунках 4 и 5 диаграммы разные. А антенны одинаковы, разница только в расстояниях между антеннами в стеке.

Хотелось бы услышать мнения, пишите в комментариях. Куда стремиться, чтобы антенна работала как надо в конкретных условиях. Если говорить о моих условиях, то они очень плохие. Шумы и помехи.

Ширина диаграммы направленности антенны

Определяется по уровню — 3 дБ. На рисунке 2 эта точка отмечена красным кружком, видим, что 31 градус влево, и вправо также будет 31 градус. В итоге ширина получается 62 градуса.

На рисунке 3 ширина диаграммы получается 42 градуса.

В характеристиках антенн, которые продаются указывают эти данные

Диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости.

На всех предоставленных картинках с левой стороны вертикальная плоскость, слева горизонтальная. В программах для расчета антенн можно еще смотреть в 3D.

Антенны с круговой диаграммой.

Как правило эти антенны вертикальной поляризации. Чтобы была антенна круговой направленности в горизонтальной поляризации, надо потрудиться.

Антенны с переключаемой диаграммой.

Чаще используются на низких частотах. Один из примеров такой антенны на диапазон 40 метров здесь где пассивные элементы антенн могут быть то директорами, то рефлекторами. Кстати рекомендую у кого нет возможности крутить направленную антенну на диапазон 40 метров.

Воспользуйтесь лучшей бесплатной картой от Тинькофф

Читайте также:

  • 6 элементов 144-146 МГц. Размеры, характеристики.
  • RQ-23 антенна на кв диапазоны
  • N2061 анализатор антенный описание характеристики и где купить
  • КВ Антенны любительские

Если жить хотите лучше, то немного потрудитесь. Будет вам и хлеб и масло, не стесняйтесь заходите Приглашаю тех, кто хочет изменить свою жизнь к лучшему. Будем вместе мы идти, работать над собой и для себя.

Источник

Диаграмма направленности по полю и по мощности

date image2013-12-31
views image4062

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Вторая функция антенны — концентрация излучения в определенных направлениях при заданной поляризации радиоволн в режиме передачи или преимущественный прием приходящих с определенных направлений радиоволн заданной поляризации в режиме приема.

Преобразование энергии токов высокой частоты в энергию ра­диоволн в режиме передачи или обратное преобразование в режиме приема является первой функцией антенны.

Назначение, классификация и основные параметры антенн.

АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ СИСТЕМЫ СРЕДСТВ РЭП

Назначение передающей и приемной антенн

Любая радиолиния состоит из двух устройств — передающего и приемного, связь между которыми осуществляется с помощью электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве. Модулированные высокочастотные колебания, вырабатываемые передатчиком, подводятся к специальному устройству, задачей которого является излучение свободно распространяющихся радиоволн. Это устройство называется излучающей или передающей антенной.

Таким образом, основным назначением передающей антенны является излучение свободно распространяющихся электромагнитных волн.

Читайте также:  Чему точнее всего соответствует электрическая мощность 2200 вт

Образовавшиеся электромагнитные волны распространяются в свободном пространстве и достигают приемной установки. Последняя, очевидно, должна содержать устройство, которое улавливает часть энергии из поля приходящих электромагнитных волн. Это устройство называется приемной антенной.

Следовательно, основным назначением приемной антенны является улавливание энергии из поля распространяющихся радиоволн и передача этой энергии в приемник.

Если передающая антенна преобразует энергию токов высокой частоты в энергию свободно распространяющихся электромагнитных волн, то приемная антенна выполняет обратную задачу — преобразует энергию свободно распространяющихся электромагнитных волн в энергию токов высокой частоты.

В обоих случаях основным физическим процессом в антенне является взаимодействие зарядов с электромагнитным полем.

В случае передающей антенны токи, текущие в антенне, возбуждают электромагнитное поле в пространстве. Так как поле распространяется, «уходит» от антенны, то необходимо все время поддерживать его, что осуществляется благодаря передаче энергии от движущихся в антенне зарядов полю.

В случае приемной антенны поле приходящих радиоволн воздействует на имеющиеся в антенне свободные заряды. Под влиянием этого поля заряды приобретают составляющую скорости в направлении действия электрического поля, т. е. в антенне возникает переменный ток. При этом часть энергии падающей волны поступает в антенну, которая в свою очередь передает ее с определенным КПД приемнику.

Обратный характер процессов, происходящих в передающей и приемной антеннах, определяет их обратимость. Последнее означает, что принципиально передающую антенну можно использовать как приемную, и наоборот. Это свойство обратимости имеет большое практическое значение и широко используется, например, в РЛС, где весьма часто одна и та же антенна работает как на передачу, так и на прием. Такие антенны называются приемно-передающими.

Ценность свойства обратимости состоит еще и в том, что имеется тесная связь между параметрами антенны в режиме передачи и приема. Это является весьма важным с точки зрения анализа антенн, так как позволяет обойтись изучением параметров антенны при работе ее в одном из режимов.

Антенна, как самостоятельный элемент любого передающего и приемного устройства, была впервые предложена изобретателем радио А. С Поповым. В 1895 году он впервые применил антенну для регистрации грозовых разрядов. В 1896 году А. С. Попов применил антенну для излучения радиоволн. В качестве передающей и приемной антенн применялся вертикальный заземленный провод, к зажимам которого подключался приемник или передатчик.

В течение длительного времени, вплоть до 20-х годов прошлого столетия, заземленный провод (несимметричный вибратор) в различном конструктивном выполнении его был основным типом антенн, применяв­шимся в радиосвязи на длинных и средних волнах. Освоение коротковолнового, а впоследствии, начиная с 30-х годов. и УКВ диапазонов привели к интенсивному развитию антенной техники и в настоящее время существует большое количество разнообразных типов антенн. Различие в их конструкции и электрических параметрах обусловлено диапазоном волн и разными требованиями, предъявляемыми к антеннам радиоустановок различного назначения.

Классификация антенн по диапазонам волн

В соответствии с используемым диапазоном волн различают антенны длинных, средних, коротких волн, антенны УКВ и антенны оптического диапазона. [12]

На длинных, средних и коротких волнах антенны представляют собою системы тонких проводов, которые преобразуют токи высокой частоты в радиоволны и формируют диаграмму направленности. Отношение линейного размера антенны L к длине волны λ здесь меньше или порядка единицы (для антенн длинных средних волн L/λ ˃1), что позволяет обеспечить высокие направленные свойства антенны;

— вместо линейных токов, текущих по тонким проводам, широко используются поверхностные токи, обтекающие большие металлические поверхности;

— преобразование токов высокой частоты в радиоволны и фор­мирование диаграммы направленности производится зачастую разными элементами антенны. Так, в зеркальных или линзовых антеннах источником излучения является обычно вибратор, щель, рупор (или система вибраторов, щелей, рупоров). Диаграмма же направленности этих антенн формируется зеркалом или линзой.

Диапазон УКВ, являющийся основным для радиолокации, а также для станций помех РЭБ-С характеризуется большим разнообразием применяемых в нем типов антенн. Это обусловлено, с одной стороны, широкими возможностями варьирования относительных размеров антенны, а с другой — весьма разнообразными требованиями, предъявляемыми к антеннам таких станций.

Следует отметить, что антенна является одним из наиболее важных устройств, определяющим в значительной мере тактико-технические данные станции. Основные тактико-технические требования к станции помех: дальность действия, точность определения координат, разрешающая способность, помехозащищенность, скорость обзора пространства и т.д. в значительной мере обеспечиваются надлежащим выбором антенны. Правильный выбор антенны имеет существенное значение и с точки зрения надежности, удобства эксплуатации, мобильности и стоимости станции Стоимость современной станции в значительной мере определяется стоимостью антенного устройства.

В отличие от ряда других узлов станции антенна не может быть «спрятана» и поэтому наиболее подвержена как воздействию различного рода метеофакторов, так и воздействию со стороны противника. Это вынуждает зачастую применять различные меры защиты антенны, например, обтекатели.

Читайте также:  Фен мощность 3500 вт

Классификация антенн УКВ

Как уже обмечалось, диапазон УКВ отличается большим раз­нообразием применяемых в нем типов антенн.

Дадим краткую характеристику основных классов антенн УКВ (рис.3.4.1).

Проволочные антенны. Этот класс антенн (который также широко применяется и в КВ диапазоне) можно разбить на два основных подкласса вибраторные и спиральные.

В подклассе вибраторных антенн основным элементом является симметричный вибратор длиною около λ/2 (рис.3.4.2).

Ряд таких вибраторов, одинаково ориентированных и размещенных на некотором расстоянии друг от друга, образуют вибраторные решетки. Эти решетки могут быть двух основных типов: с поперечным и с осевым излучением.

В решетках первого типа максимум излучения направлен по нормали к плоскости решетки или отклонен от нормали на некоторый угол. Пример такой решетки — антенна «синфазное полотно», показанная на рис 3.4.3.

Вибраторы здесь питаются синфазно. Максимум излучения направлен по нормали к плоскости полотна. Для того, чтобы излучение в подобных

антеннах было в одну сторону, применяют рефлектор (металлический лист, сетку или аналогичную решетку вибраторов), установленный на расстоянии примерно четверти длины волны от решетки. В решетках с осевым излучением вибраторы питаются бегущей волной. Максимум излучения направлен вдоль линии расположения вибраторов. Примером подобной системы является весьма простая по конструкции директорная антенна (рис. 3.4.4).

В этой системе питается лишь один — «активный» вибратор, поле которого возбуждает остальные «пассивные» вибраторы. Необходимые фазы токов в вибраторах обеспечиваются подбором длин вибраторов и расстояний между ними.

Помимо простоты конструкции достоинством антенн осевого из­лучения является формирование сравнительно узкой диаграммы направленности одновременно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях путем увеличения лишь одного линейного размера — длины антенны, в то время как в антеннах с поперечным излучением для этого необходимо увеличивать оба размера полотна.

Недостаток антенн осевого излучения (по сравнению с антеннами с поперечным излучением) — большой уровень боковых лепестков.

Остановимся теперь на спиральных антеннах. Наиболее типичным представителем их является цилиндрическая спираль (рис.3.4.5). Обычно такая спираль применяется с рефлектором. Если длина витка спирали приблизительно равна длине волны в свободном пространстве, то максимум излучения направлен вдоль оси.

Помимо цилиндрической используются и другие виды спиральных антенн — коническая, с переменным углом намотки, плоская и т. д.

Наиболее ценными качествами спиральных антенн являются их диапазонность и круговая поляризация поля, создаваемого ими в направлении оси спирали.

К проволочным антеннам относятся также антенны, состоящие из тонких проводов или металлических лент: прямолинейных или изогнутых в виде зигзага, рамки и т. п.

Антенны акустического типа. Кним относятся волноводные излучатели и рупорные антенны.

Простейшим волноводным излучателем является открытый конец прямоугольного или круглого волновода (рис.3.4.6,а,б). Направленность излучения такой антенны невелика. Кроме того, она плохо согласована со свободным пространством.

Для увеличения направленности и улучшения согласования открытый конец волновода снабжают рупором, который в конструктивном отношении подобен акустическому рупору.

Возможны различные типы рупоров: пирамидальный, секториальный, конический и т. д. (рис.3.4.7а,б,в).

Рупорные антенны просты, широкополосны. Они находят широкое применение как самостоятельные антенны (особенно в измерительной технике), так и в качестве элементов более сложных антенн (в станциях РЭБ-С).

Недостатком рупорных антенн является трудность получения узких диаграмм направленности.

Антенны оптического типа.К антеннам оптического типа относятся зеркальные (рефлекторные) (рис.3.4.8) и линзовые антенны (рис.3.4.9).

Принцип работы этих антенн заимствован из оптики. Антенны состоят из двух элементов — первичного источника (облучателя) и зеркала или линзы, преобразующих расходящийся от точечного облучателя пучок лучей в параллельный на выходе системы.

Зеркальные и линзовые антенны получили весьма широкое распространение, в, частности, станциях помех РЭБ-С. Зеркальные антенны являются основным типом антенн, применяемых в настоящее время в радиолокации, космической связи, радиоастрономии. Это обусловлено простотой и механической прочностью конструкции этих антенн, их диапазонностью, высоким КПД и возможностями сравнительно несложными способами создавать различные диаграммы направленности.

На рис.3.4.1 отдельно выделены два весьма перспективных класса антенн: фазированные антенные решетки (ФАР) и антенны с обработкой сигнала. Эти антенны представляют собой сложные устройства с разветвленной схемой управления и обработки сигнала. В качестве же излучающих элементов здесь используются рассмотренные выше типы антенн.

Основные параметры антенн

Как было отмечено ранее, в настоящее время существует множество различных типов антенн. Тем не менее можно указать ряд основных присущих любой антенне электрических параметров, характеризующих свойства антенны как преобразователя энергии и направленные свойства ее.

Значения этих параметров обычно и определяются при электрическом расчете или экспериментальном исследовании антенны. Они позволяют качественно и количественно оценивать свойства антенны, сопоставлять различные типы антенн между собою и производить выбор целесообразного типа антенны.

Перейдем к рассмотрению основных параметров передающей антенны.

Читайте также:  Как платить за резерв мощности

Параметры антенны в режиме приема можно, в соответствии с принципом взаимности , найти по параметрам ее в режиме передачи.

Диаграммой (или характеристикой) направленности по полю f(θ, φ) называется зависимость амплитуды поля, излучаемого антенной, от пространственных углов θ и φ при постоянном расстоянии до точек наблюдения и неизменных условиях возбуждения антенны.

Диаграмма направленности по полю f(θ, φ) представляет собою модуль комплексной ДН. ДН может быть выражена либо аналитически (в виде определенной формулы), либо графически (в виде определенной поверхности).

Весьма удобным является использование так называемой нормированной диаграммы направленности.

Под нормированной ДН понимается отношение значения ДН в произвольном направлении к максимальному значению ДН. Нор- мированную ДН будем далее обозначать

Очевидно, что наибольшее значение нормированной диаграммы направленности равно единице.

Использование нормированных ДН облегчает сравнение направленных свойств различных антенн.

Кроме ДН по полю, широко используются также ДН по мощности.

Диаграммой направленности по мощности называется зависимость плотности потока излучаемой мощности S от пространственных углов θ и φ при постоянном расстоянии до точек наблюдения и неизменных условиях возбуждения антенны.

Нормированная ДН по мощности обозначается Ψ(θ, φ).

Ψ(θ,φ)= = = F 2 (θ, φ) (3.4.2)

Обычно антенны имеют сложную многолепестковую диаграмму направленности (рис.3.4.10)

Наибольший лепесток называется главным, а направление, в котором поле имеет наибольшую величину, носит название направления главного максимума. Остальные лепестки называются боковыми или побочными. Если существует лепесток в направлении, противоположном главному, то его называют задним лепестком.

Направления, в которых антенна не излучает, называются «нулевыми» направлениями.

Пространственная ДН неудобна для изображения. Поэтому, как правило, пользуются ее плоскими сечениями, проходящими через направление главного максимума. Обычно для антенн, излучающих линейно поляризованное поле, рассматривают ДН в электрической и магнитной плоскостях. Эти плоскости (называемые также главными) взаимно перпендикулярны и проходят через направление главного максимума и векторы Е или Н соответственно.

Диаграмму направленности характеризуют формой главного лепестка и шириной его в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, а также уровнем боковых лепестков в определенном секторе.

Форма главного лепестка может быть разной — тороидальной, игольчатой, веерной, специальной формы (например, косекансной, воронкообразной и т. п.).

Тороидальная ДН (рис.3.4.11,а) характерна отсутствием направ­ленности излучения в одной из главных плоскостей; при игольчатой ДН (рис. 3.4.11,б) главный лепесток приблизительно одинаков в главных плоскостях; в случае веерообразной ДН (рис. 3.4.11,в) — главный лепесток в одной плоскости значительно шире, чем в другой; при косекансной ДН (рис. 3.4.11,г) форма главного лепестка ДН по полю в одной из плоскостей изменяется по закону сosecθ.

Важным численным параметром антенны, характеризующим степень направленности ее, является ширина ДН (главного лепестка ее).

Ширина ДН отсчитывается на некотором условном уровне oтносительно максимального значения ее. Обычно ширина ДН в данной плоскости определяется как угол между направлениями, в которых плотность потока мощности уменьшается в два раза, десять раз или до нуля по сравнению с направлением главного максимума. Соответственно говорят (рис. 3.4.10) о ширине ДН: «по половине мощности» (2θ0,5р),«по 0,1 мощности» (2θ 0,1р ),или «по нулям» (2θ ). Чаще всего используется величина 2θ 0,5р.

Уровень боковых лепестков определяют как отношение максимумов боковых лепестков к главному максимуму и выражают эту величину в процентах или децибелах. Обычно боковые лепестки характеризуют уровнем первого из них (ближайшего к главному, имеющего, как правило, наибольшую величину.

В последнее время зачастую интересуются средним уровнем бокового излучения в определенном секторе.

Наличие боковых лепестков в диаграмме направленности крайне нежелательно, так как они «уносят» бесполезно много энергии, могут привести к ложному пеленгу цели, снижают помехоустойчивость и разведустойчивость РЭС, мешают нормальной работе расположенных рядом радиотехнических устройств.

Одной из важных задач при конструировании антенн является задача получения главного лепестка заданной формы при минимальном уровне боковых лепестков.

Остановимся теперь на способах изображения ДН. Обычно ДН в выбранной плоскости изображают в полярной (рис. 3.4.12,а) или прямоугольной (рис. 3.4.12,б) системах координат.

В полярной системе координат изображение ДН нагляднее. В прямоугольной системе координат изображение ДН менее наглядно, но удобно при высокой направленности антенны, так как масштаб по оси абсцисс можно растянуть. Это позволяет более полно отобразить детали ДН:число и уровень боковых лепестков.

Для этой же цели весьма часто используют логарифмический масштаб. Изображение ДН в логарифмическом масштабе может производиться как в прямоугольной (рис. 3.4.12,в), так и в полярной (рис. 3.4.12,г)системах координат. Пересчет в децибелы производится по формуле

Ψ(θ, φ)дБ=10 lgΨ(θ, φ)=20lg F(θ, φ) (3.4.3)

Значение Ψ(θ, φ)дБ везде будет отрицательным за исключением направления главного максимума, где оно равно нулю. Логарифмический масштаб особенно удобен при изображении ДН, у которых уровень боковых лепестков очень мал.

Источник