Диаграмма направленности

ДН типичной направленной антенны (азимутальная).

ДН по углу места.

Диаграмма направленности (антенны) — графическое представление зависимости коэффициента усиления антенны или коэффициента направленного действия антенны от направления антенны в заданной плоскости. Также термин «диаграмма направленности» применим к другим устройствам, излучающим сигнал различной природы, например акустическим системам. Диаграмма направленности антенны определяет также положение и размер слепой зоны антенны.

Основные положения

При рассмотрении излучения антенны в дальней зоне саму антенну можно считать точечной и принять за центр сферической системы координат ($r$, $\theta$, $\varphi$). Электрическая компонента электромагнитной волны, излучаемой антенной, в дальней зоне может быть представлена в комплексном виде как произведение комплексной амплитуды электрического поля, вектора поляризации и фазового множителя:

$\stackrel{\circ }{\overrightarrow{E}}={\stackrel{\circ }{E}}_m\cdot \overrightarrow{p}\cdot \exp (-i\mathrm{\Delta }\mathrm{\Phi }+i\omega t)$,

где $\mathrm{\Delta }\mathrm{\Phi }$ — сдвиг фазы по сравнению с фазой при $\theta =\varphi =0$, $\omega$ — частота сигнала, $t$ — время. В дальней зоне $\mathrm{\Delta }\mathrm{\Phi }$ и $\overrightarrow{p}$ зависят только от углов ($\theta$, $\varphi$), а ${\stackrel{\circ }{E}}_m$, помимо углов, еще и от $r$, при этом модуль $|{\stackrel{\circ }{E}}_m|$ пропорционален $r^{-1}$. С магнитной компонентой $\overrightarrow{H}$ всё аналогично, а средняя плотность потока энергии (вектор Пойнтинга) по величине обратно пропорциональна квадрату расстояния $r^{-2}$.

Диаграмма направленности (ДН) представляет собой нормированную на максимальное значение зависимость среднего вектора Пойнтинга

$f(\theta ,\varphi )=|<\overrightarrow{E}\times \overrightarrow{H}>|$

от угловых координат $\theta$ и $\varphi$ точки наблюдения. Такая величина пропорциональна квадрату амплитуды поля $|{\stackrel{\circ }{E}}_m{|}^2(\theta ,\varphi )$. Она часто обозначается как

$F(\theta ,\varphi )=\frac{f(\theta ,\varphi )}{f_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x},\theta ,\varphi }}$;

очевидно, что $0\le F(\theta ,\varphi )\le 1$. Собственно картинка диаграммы может быть построена средствами трёхмерной или двумерной графики. С учётом того, что за основу диаграммы берётся величина вектора Пойнтинга, ДН может называться распределением «по мощности» («по энергии»).

Стандартные виды ДН

По форме диаграммы направленности антенны подразделяются на узконаправленные и широконаправленные.

Узконаправленные антенны имеют один ярко выраженный максимум, который называют основным лепестком, и побочные максимумы (обычно имеющие отрицательное влияние), амплитуду которых стремятся уменьшить. Узконаправленные антенны применяют для концентрации мощности радиоизлучения в одном направлении для увеличения дальности действия радиоаппаратуры, а также для повышения точности угловых измерений в радиолокации.

Широконаправленные антенны имеют хотя бы в одной плоскости диаграмму направленности, которую стремятся приблизить к круговой. Они находят применение, например, в телерадиовещании. Часто лепестки диаграммы направленности называют лучами антенны.

Характеристики

ДН характеризуется шириной ${\mathrm{\Theta }}_A$ её основного лепестка (главного луча) на уровне 0,5 от максимального значения по мощности и коэффициентом усиления $G$, которые связаны соотношениями

$G=\frac{4\pi S_A}{{\lambda }^2}$, $S_A=\frac{\pi d_A^2}{4}$, ${\mathrm{\Theta }}_A=\frac{\lambda }{d_A}$,

где $S_A$, $d_A$ — эффективная площадь и протяженность апертуры антенны, $\lambda$ — длина волны.

ДН обычно описываются не только в плоскости, но и в трехмерном отображении. Для упрощения их рассмотрения, принимают две проекции ДН:

• горизонтальную (азимутальная);
• вертикальную (по углу места).

При совместном рассмотрении проекций проясняется более полная картина самой ДН и, как подтверждает практика, по этим данным можно судить об эффективности антенны применительно к решению конкретной задачи.

Диаграмма направленности любой антенны обладает свойством взаимности, то есть имеет аналогичные характеристики на передачу и приём в одном и том же диапазоне длин волн.

Специальные типы ДН

Помимо наиболее распространённых ДН — «по мощности» — существуют амплитудные, фазовые $\mathrm{\Delta }\mathrm{\Phi }(\theta ,\varphi )$ и поляризационные $\overrightarrow{p}(\theta ,\varphi )$ ДН.

В частности, амплитудная ДН антенны по полю представляет собой зависимость модуля комплексной амплитуды $|{\stackrel{\circ }{E}}_m|$ вектора напряженности $\overrightarrow{E}$ электрической компоненты электромагнитного поля от угловых координат $\theta$ и $\varphi$ в горизонтальной и вертикальной плоскости, то есть зависимость $|{\stackrel{\circ }{E}}_m|(\theta ,\varphi )$.

Также можно определить ДН как комплексную величину. В этом случае ДН есть

$\stackrel{\circ }{F}(\theta ,\varphi )=\frac{{\stackrel{\circ }{E}}_m(\theta ,\varphi )}{\underset{\theta ,\varphi }{\max }\left[|{\stackrel{\circ }{E}}_m(\theta ,\varphi )|\right]}$,

где ${\stackrel{\circ }{E}}_m$ — комплексная амплитуда вектора в точке дальней зоны.

Измерение ДН

Исследование ДН небольших антенн производят в безэховых камерах. Для больших антенн, не помещающихся в камеру, используют их уменьшенные модели; длину волны излучения также уменьшают в соответствующее число раз.

В случае построения диаграммы направленности для радиотелескопов выбирается яркий точечный источник на небе (зачастую — Солнце). Далее проводится серия наблюдений под разными углами, позволяющая построить распределение интенсивности в зависимости от направления, то есть искомую диаграмму направленности.

ДН обычно измеряют в горизонтальной или вертикальной плоскостях, для облучателей — в плоскостях $\overrightarrow{E}$ или $\overrightarrow{H}$.

Формирование ДН

ДН антенны определяется амплитудно-фазовым распределением компонент электромагнитного поля в апертуре антенны — условной расчётной плоскости, связанной с её конструкцией. Разработка антенны с требуемой ДН сводится, таким образом, к задаче обеспечения нужной картины электромагнитного поля в плоскости апертуры. Имеются фундаментальные ограничения, связывающие обратной зависимостью ширину луча и относительный размер антенны, то есть размер, делённый на длину волны. Поэтому узкие лучи требуют антенн больших размеров или применения более коротких волн. С другой стороны, максимальное сужение луча при заданном размере антенны ведёт к возрастанию уровня боковых лепестков. Поэтому в данном моменте приходится идти на приемлемый компромисс.

Формирование ДН может осуществляться аналоговым либо цифровым способом.

Цифровой метод применяется в цифровых антенных решётках. Цифровое диаграммообразование подразумевает под собой цифровой синтез диаграммы направленности в режиме приёма, а также формирование заданного распределения электромагнитного поля в раскрыве антенной решётки в режиме передачи.

Наибольшее распространение получило выполнение цифрового диаграммообразования (Шаблон:Lang-en) на основе операции быстрого преобразования Фурье, позволяющего формировать ортогональную систему так называемых вторичных пространственных каналов, в которой максимум диаграммы направленности одного канала совпадает с нулями остальных.

См. также

• Антенна
• Дальняя зона
• Индикатриса рассеяния
• Основное уравнение радиолокации

Литература

• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга

Ссылки

• Диаграммы направленности различных типов антенн.
• Двухпутная диаграмма направленности, получаемая при отличающихся направлениях зондирования и приема