Параметры антенны

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 23:11, 17 ноября 2016.

Диаграмма направленности в общем случае записывается как комплексная функция полярного и азимутального углов:

,
где - амплитудная ДН, обычно равная 1 в направлении главного максимума,
- единичная векторная функция, поляризационная ДН,
- фазовая ДН.

Кроме амплитудной, часто используют ДН по мощности - угловое распределение плотности потока энергии излучения антенны в дальней зоне.

Обе эти ДН сложных антенн имеют лепестковую структуру, обусловленную интерференцией волн, излучаемых и рассеиваемых различными элементами антенны. Там, где синфазно складываются поля всех элементов, формируется максимум, называемый главным. ДН и обычно изображают в виде "объемной", рельефной картины, контурной карты с линиями равных уровней, либо с помощью отдельных плоских сечений, чаще всего двух ортогональных плоских сечений, проходящих через направление главного максимума и векторы и (рис. 13). Т. к. основная часть мощности, излучаемой антенной, сосредоточена в главном лепестке, направленность излучения характеризуется его шириной, обычно по уровню половинной мощности , иногда - углом между ближайшими нулями. Величина определяет угловое разрешение антенны и может быть приближенно оценена (в радианах) как ( - размер антенны в измеряемом сечении ДН) для остронаправленных антенн с максимумом излучения, ориентированным перпендикулярно плоскости излучающего раскрыва (антенны с поперечным излучением). Это соотношение совпадает с критерием Рэлея, используемым в оптике для оценки разрешающей способности систем. В т. н. сверхнаправленных антеннах это ограничение можно преодолеть за счет создания резко осциллирующего фазового распределения (неустойчивого к малейшим флуктуациям). Кпд таких антенн весьма мал, т. к. подавляющая часть энергии заключена в реактивном поле.

При уменьшении отношения ДН расширяется, однако даже у предельно малой антенны ДН не является полностью изотропной из-за векторного характера электромагнитного поля (в акустике возможны изотропные ДН). Например, ДН электрического и магнитного диполей имеет вид тороида, ось которого совпадает с осью диполя (рис. 14). Для антенн, излучающие элементы которых расположены вдоль некоторой оси и питаются со сдвигом фаз, ориентирующих максимум излучения вдоль этой оси, (антенны с продольным излучением).

Кроме главного, ДН содержит боковые и задние лепестки. Формирование этих лепестков удобно проследить на примере осесимметричиой зеркальной антенны, где качественно боковые лепестки можно представить как результат интерференции "краевых волн", отразившихся от противоположных краев раскрыва. На рис. 15 заштрихованы переходные области границ свет-тень, а кривые - гиперболы, линии постоянной разности хода от противоположных краев раскрыва, соответствующих максимумам первого, второго, ..., n-го боковых лепестков (т. е. краевые волны от обоих краев приходят в фазе и их амплитуды складываются). Очевидно, боковой лепесток можно качественно считать сформировавшимся, если соответствующая ему гипербола вышла за пределы заштрихованной области. По мере увеличения номера лепестка гиперболы приближаются к раскрыву антенны, т. е. дальние боковые лепестки формируются ближе к антенне. Задние лепестки определяются излучением облучателя антенны, прошедшим мимо зеркала, и дифракцией этого излучения на краях зеркала. Обычно можно считать, что по мере удаления от антенны общая энергия, излучаемая в задние лепестки, остается неизменной и лишь перераспределяется по углам. Шероховатости поверхности зеркала и детали конструкции антенны, рассеивая поле облучателя, приводят к появлению в ДН "фона" бокового и заднего излучения.

Рис. 15. Формирование боковых лепестков диаграммы направленности.

Кроме ДН по амплитуде и мощности часто используют поляризационные и фазовые ДН. Поляризацонная ДН - это зависимость поляризации поля (ориентации вектора ) от направления в дальней зоне (векторы и в дальней зоне лежат в плоскости, нормальной к направлению распространения). Различают линейную и эллиптическую (в частности, круговую) поляризацию (см. Поляризация волн). Если плоскость, проходящая через и (направление распространения), с течением времени не меняет своей ориентации, то поляризация поля линейная, если конец вектора описывает в плоскости, перпендикулярной , эллипс или окружность (по часовой стрелке относительно - правое вращение, против - левое}, то поляризация эллиптическая или круговая. В общем виде поляризационные свойства полей излучения антенн удобно описывать такими энергетическими параметрами, как матрица когерентности или параметры Стокса. Последние имеют размерность плотности потока энергии и могут быть непосредственно измерены, что позволяет экспериментально исследовать поляризационную ДН.

Фазовая ДН , в отличие от амплитудной, зависит от расположения начала координат на антенне. Если можно найти такое положение начала координат, относительно которого фаза постоянна (не зависит от угла) или скачком меняется на при переходе от одного лепестка ДН к другому, то такое начало координат называется фазовым центром антенны. Обладающую фазовым центром антенну можно считать источником сферических волн. В большинстве случаев антенны не имеют фазового центра. Поэтому часто вводят условный фазовый центр - центр кривизны поверхности (или линии) равных фаз в заданном (обычно - главном) направлении.