Loading AI tools
Из Википедии, свободной энциклопедии
Диаграмма направленности (антенны) — графическое представление зависимости коэффициента усиления антенны или коэффициента направленного действия антенны от направления антенны в заданной плоскости[1]. 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.
При рассмотрении излучения антенны в дальней зоне саму антенну можно считать точечной и принять за центр сферической системы координат (, , ). 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:
где — сдвиг фазы по сравнению с фазой при , — частота сигнала, — время. В дальней зоне и зависят только от углов (, ), а , помимо углов, еще и от , при этом модуль пропорционален . С магнитной компонентой всё аналогично, а средняя плотность потока энергии (вектор Пойнтинга) по величине обратно пропорциональна квадрату расстояния .
Диаграмма направленности (ДН) представляет собой нормированную на максимальное значение зависимость среднего вектора Пойнтинга
от угловых координат и точки наблюдения. Такая величина пропорциональна квадрату амплитуды поля . Она часто обозначается как
очевидно, что . 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»).
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.
ДН характеризуется шириной её основного лепестка (главного луча) на уровне 0,5 от максимального значения по мощности и коэффициентом усиления , которые связаны соотношениями
где , — эффективная площадь и протяженность апертуры антенны, — длина волны.
ДН обычно описываются не только в плоскости, но и в трехмерном отображении. Для упрощения их рассмотрения, принимают две проекции ДН:
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.
Помимо наиболее распространённых ДН — «по мощности» — существуют амплитудные, фазовые и поляризационные ДН.
В частности, амплитудная ДН антенны по полю представляет собой зависимость модуля комплексной амплитуды вектора напряженности электрической компоненты электромагнитного поля от угловых координат и в горизонтальной и вертикальной плоскости, то есть зависимость .
Также можно определить ДН как комплексную величину. В этом случае ДН есть
где — комплексная амплитуда вектора в точке дальней зоны.
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 или .
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[2][3][4].
Наибольшее распространение получило выполнение цифрового диаграммообразования (англ. digital beamforming) на основе операции быстрого преобразования Фурье[5][6][7], позволяющего формировать ортогональную систему так называемых вторичных пространственных каналов, в которой максимум диаграммы направленности одного канала совпадает с нулями остальных.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.