Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств

Подождите немного. Документ загружается.

поля Е и Н, то построенные графики показывают изме-

нение в зависимости

о г

углов 8 и у соответствующих

компонент векторов напряженности электрического и маг-

нитного полей в некотором масштабе. Поскольку функции

и \N | являются функциями [двух переменных, то в

пространстве ДН представляет собой [некоторую замкну-

тую поверхнось, радиус-вектор которой равен в некото-

ром

масш 1 абе

величине | N | или

N |. В общем случае

Рис.

1-1. Диаграмма направленности

антенны

/ — главный (основной) лепесгок диаграммы

направленности; 2 — боковые (побочные) ле-

пестки диаграммы направленности. 3 — задний

лепесток диаграммы направленности

эта поверхность представляет собой несколько объемных

лепестков различной формы. Наибольший из них называют

главным или основным лепестком ДН, остальные

—

боко-

выми или побочными лепестками (рис. 1-1). Если ДН имеет

лепесток, направление коюрого противоположно основному,

то его называют задним лепестком.

На практике обычно интересуются не пространствен-

ной ДН, а ее сечениями какими-либо характерными

плоскостям,!. В качестве таких плоскостей часто выби-

рают две взаимно перпендикулярные плоскости, линия

пересечения которых совпадает с направлением макси-

мума ДН. Одну из этих плоскостей обычно совмещают

с вектором Е и называют ^-плоскостью. Очевидно, что

в силу ортогональности векторов поля в дальней зоне

другая плоскость будет совпадать с вектором Н и назы-

вается Я-плоскостью. Сечение ДН /^-плоскостью назы-

вают ДН в ^-плоскости, а Я-плоскостыо

—

ДН в Я-пло-

скости.

Легко видеть, что сечение ДН какой-либо плоскостью

будет представлять собой кривую на плоскости, изобра-

женную

полярной системе координат

(рис. 1-2).

Если,

например, совместить ^-плоскость

плоскостью

хОг, то

ДН

^-плоскости будет представлять собой кривую

iV(6,

0)|;

JV(6,

IT)

//-плоскости сечение

ДН

определяется выражением

(1-5)

>-т)

"*1=Ч,

/ з

240°220°

200°180°160°

ПГ

а)

280 300 320 340

(1-b)

0,6 1

0,*

о, г

«0 60 гра<?

Рис.

1-2 Сечение диаграммы направленности антенны.

в полярной системе координат; б —в прямоугольной системе координат

Изображение ДН в полярной системе координат

очень наглядно, однако ее структура при этом выявля-

ется недосгаточно Четко. Поэтому часто предпочитают

пользоваться прямоугольными координатами, особенно

для узких ДН. В этом случае направление максимума

ДН ориентируют вдоль оси ординат, а по оси абсцисс

откладывают значения угла б (рис.

1-2,6).

При постро-

ении ДН в прямоугольных координатах часто прибега-

ют к логарифмическому масштабу по оси ординат

(рис.

1-3). Это позволяет более полно показать структу-

ру боковых лепестков.

В некоторых случаях, например при построении ДН

с учетом влияния земли, удобнее направить ось z вер-

тикально и строить сечения ДН плоскостями

<р^

Фгл

+ я и конической поверхностью

—6

ГЛ

где углы

(рис.

1-4).

\ =

I^V(8,

?гл

)|;

>(9

1?1Л

«)|;

|^| =

|^(в

гл>

?)|,

^гл и <р

гл

соответствуют максимуму

0-7)

(1-8)

ДН

Itl

'с

маис

_А

г\

\г

-10

-го

-зо -

-ад

О 20 НО SO 80 100 120 ШО

КО

град

Рис.

1-3. Диаграмма направленности

антенны в прямоугольной системе коор-

динат с логарифмическим масштабом по

оси ординат.

График функции |/V

| называют ДН в вертикальной

плоскости, а функции \N

\—ДН в горизонтальной пло-

скости. ДН обычно нормируют к единице:

FAvJy-

(

9)| . )

F,(?J)-

I J*Q (МЛ С

IV?-

}

(Щ

Следует иметь в виду, что ДН в Е- и Я-плоскостях

могут недостаточно полно характеризовать поле излу-

чения антенны. Поэтому в последнее время все шире

применяют картографическое изображение ДН.

Идея такого г^зображенпя ДН заключается в следу-

ющем. Если построенную в сферической системе коор-

Динат ДН окружить сферой, то каждой точке ее поверх-

ности будет соответствовать определенное значение уг-

лов 6 и ф (рис. 1-5). На поверхность сферы можно спро-

ектировать кривые, соответ-

ствующие равным значени-

ям интенсивности поля. Про-

екции этих кривых на по-

верхность сферы образуют

замкнутые кривые равной

интенсивности поля. Макси-

мум ДН и максимум боко-

вых лепестков будут отобра-

жены па сфере в виде точек.

Участок поверхности сферы

вместе с полученными кри-

выми равной интенсивности

можно изобразить на пло-

скости, используя какую-ли-

бо картографическую проек-

цию (рис. 1-6 и 1-7). Такой

метод изображения ДН по-

зволяет весьма наглядно

представлять пространствен-

ную ДН и, если это необходимо, легко построить пря-

моугольные или полярные ДН в любой интересующей

плоскости.

Помимо ДН по полю, рассмотренных выше, часто

строят ДН по мощности, которая показывает зависимость

излучаемой мощности от направления в пространстве. Можно

показать, что поток излученной мощности, отнесенной к

единице телесного угла в направлении, определяемом уг-

лами 8 и «р» пропорционален сумме

17V

—|— |

Л''

. Эта

функция и является ДН по мощное!и Я'(б, <р), причем

Рис.

1-4 К построению диа-

граммы направленности в вер-

тикальной и горизонтальной

плоскостях.

Р'(9,

?) = Р'

(6, ?) + Я;(0, ?).

(1-10)

Функции Р'

и Р' представляют собой парциальные ДП

по мощности, связанные с соответствующими компонен-

тами поля. ДН по мощности, также как и ДП по полю,

обычно нормируют к единице:

Р(6,

9) =

Р'(в. ?)

ItfJ'

+ IAU"

[/"(в,

?)]«аьо (|Лд

[^,(,[

)ма„с

• (Ml)

Построение различных сечений ДН по мощности совер-

шенно аналогично рассмотренным выше построениям

сечений ДН по полю.

Направленные свойства антенны оценивают по вели-

чине угла раствора ДН в какой-либо плоскости на за-

данном уровне напряженности или мощности поля. Ве-

Рис.

1-5. К построению картографическо-

го изображения диаграммы направлен-

ности.

личину угла называют шириной ДН в этой плоскости,

причем указывают, к какой ДН это относится — по по-

лю или по мощности. Обычно под шириной ДН пони-

мают величину угла между направлениями, вдоль кото-

рых напряженность поля уменьшается в V

! раз. Не-

трудно видеть, что такому определению ширины ДН со-

ответствуют те направления, в которых величина излу-

f,ad

Рис.

1-6 Диа1рамма направленности антенны,

изображенная с помощью равнопромежуточной

(прямоугольной) проекции сферы на плоскость.

чаемой мощности уменьшается в 2 раза, поэтому этот

угол называют шириной ДН на уровне половинной мощ-

ности и обозначают

0)5

Иногда говорят о ширине ДН,

соответствующей другому уровню поля или излучаемой

мощности. Так, ширина ДН «по нулям» соответствует

величине угла между ближайшими от максимума ДН

направлениями, в которых поле равно нулю, а ширина

if град

Рис 1 7 Диаграмма направценности антенны, изображенная с по-

ощью прямоугольно-параболической проекции поверхности сфе

ры на плоскость

ДН «на уровне одной десятой мощности» соответствует

величине угла между направлениями, в которых излу-

чаемая мощность, отнесенная к единице телесного угла,

уменьшается в 10 раз по сравнению с мощностью в ма-

ксимуме ДН Это соответствует относительной величине

поля в этих направлениях, равной 0,316. При построении

ДН в логарифмическом масштабе ширине ее на уровне

0,5 по мощности соответствует ширина на уровне —Здб,

а ширине на уровне 0,1 по мощности— 10 дб.

Часто ДН классифицируют по их форме. Наиболее

широкое применение нашли ДН следующих типов То-

роидальная ДН (рис.

1-8,а)

имеет вид поверхности то-

роида. Характерной ее особенностью является нена-

правленность в плоскости, перпендикулярной оси торои-

да, из-за которой такую ДН часто называют ненаправ-

ленной. Тороидальную ДН имеют, например, простей-

шие излучатели — элементарные диполь и рамка. Антен-

ны с тороидальными ДН находят применение в радио-

вещании, радиосвязи и т. п.

Игольчатые

ДН (рис. 1-8,6)

характеризуются обыч-

но высокой степенью направленности

имеют почти

одинаковую ширину

ДН во

всех плоскостях, проходя-

щих через направление максимума главного лепестка

ДН. Веерные

ДН (рпс. 1-8,в)

характеризуются

тем, что

в)

г)

Ршс.

1-8.

Виды диаграмм направленности антенн.

а- юроидальнан диапрамма направленности;

— июльчаття

диаграмма направленности,

— веерная диаграмма направлен-

ности,

г —

косекансная диаграмма направленности

их ширины

двух взаимно перпендикулярных 'плоско-

стях резко отличаются друг

от

друга. Игольчатые

и ве-

ерные

ДН

находят широкое применение

различных

радиолокационных станциях.

Косекансные

ДН (рис. 1-8,г)

применяются

само-

летных радиолокационных станциях

для

наблюдения

за

земной поверхностью

также

радиолокационных

станциях наблюдения

зе

летальными аппаратами.

Форма такой

ДН в

одной

из

плоскостей (обычно верти-

кальной) весьма близка

форме кривой, определяемой

уравнением

ыаъс

cosecS.

(1-12)

В другой плоскости (горизонтальной)

ДН, как

прави-

ло,

узкая, чтобы обеспечить высокую разрешающую спо-

собность станции

по

азимуту.

других случаях,

как, на-

пример,

некоторых типах радиомаяков,

ДН,

косеканс-

ная

вертикальной плоскости,

горизонтальной плоско-

сти может быть ненаправленной.

2—2541

БИБЛИОТЕКА

П \

тАгаярвгемс*

Помимо амплитудной ДН, отображающей изменение

модуля функций М

JV^

В пространстве, для более пол-

ной характеристики поля излучения антенны строят гра-

фики изменения аргументов этих функции, которые на-

зывают фазовыми диаграммами антенны

Для многих антенн фазовая диаграмма в пределах

главного лепестка остается постоянной при изменении

углов б и ф, а при переходе от лепестка к лепестку ме-

няется скачком на угол л Следует отметить, что в об-

щем случае фазовая диаграмма может иметь сложную

форму Так, например, фазовая диаграмма некоторых

рупорных антенн имеет форму, близкую к форме по-

верхности второго порядка

Если поверхность равных фаз (фронт волны) пред-

ставляет собой поверхность сферы, то центр этой сферы

называют ф азов ы м центром антенны Для того

чтобы антенна имела фазовый центр, функция arg./V

должна иметь вид

arg

sin

cos

-J-

sin

-[-

cos

f- S, (1-13)

где a, p\ у и

б —

постоянные коэффициенты

Координаты фазового центра при этом будут

Многие типы антенн не имеют фазового центра, и в этом

случае на практике обычно подбирают сферу, ко-

торая в некотором секторе углов излучения (обычно

только в пределах главного лепестка) наилучшим обра-

зом аппроксимирует фронт волны Центр этой сферы

называют центром излучения антенны

Коэффициент направленного действия (КНД), как и

ширина ДП, является мерой концентрации электромаг-

нитной энергии в пространстве, которое осуществляется

антенной В литературе часто встречаются два совер-

шенно эквивалентных друг другу определения КНД

Первое определение КНД —это число, показывающее,

во сколько раз необходимо увеличить мощность излуче-

ния антенны при переходе от направленной антенны

к абсолютно ненаправленной ', при условии сохранения

Абсолютно ненаправленный излучатель элсктромапшгных

волн имеющий ДН в виде поверхности сферы, в природе существо

вать не может Простейший ичлучатсль, которым является ^темен-

тарный вибратор, уже имеет направленность

одинаковой напряженности поля в точке приема при

прочих равных условиях:

i-nanp

при условии

-Епршпр

£папр

в точке приема.

Второе определение: КНД

—

это число, показываю-

щее,

во сколько раз мощность, излучаемая антенной

в данном направлении, отнесенная к единице телесного

угла, больше мощности излучения абсолютно ненаправ-

ленной антенны, отнесенной к единице телесного угла,

при условии равенства полных мощностей, излучаемых

обеими антеннами:

D(f,b) = ^L.

(Мб,

471

здесь Я (0,

<р) —

мощность, излученная антенной в направ-

лении, определяемом уигами 6 и <?, и

от

несенная к единице

телесного угла, Р

— полная мощность, излученная антен-

ной.

Иногда при определении КНД сравнение производят

не с ненаправленным излучателем, а с некоторой антен-

ной, принятой за эталон:

(9,у)

^[РЖ!)}'

(М7)

где Р

—

мощность, излученная антенной в направле-

нии 6, ф, отнесенная к единице телесного угла;

—

мощность излучения эталонной антенны, также

отнесенная к единице телесного угла.

КНД антенны £>ль определенный по отношению

к эгалонной антенне 1, может быть пересчитан в КНД

антенны D

2, определяемый по отношению к эталонной

антенне 2, по формуле

где D

\ — КНД второй эталонной антенны относительно

первого эталона.

Из (1-16) видно, что график изменения КНД в про-

странстве отличается от ДН по мощности лишь посто-

янным множителем, не зависящим от координат. Ма-.

ксимальная величина КНД достигает значений от еди-

ниц (слабонаправленные антенны) до нескольких десят-

ков и даже сотен тысяч (антенны с очень узкой ДН).

Коэффициент полезного действия антенны (к. п. д.).

Не вся подводимая к антенне мощность излучается в ви-

де энергии электромагнитных волн. Часть подводимой

мощности будет теряться в антенне. Для характеристи-

ки потерь в антенне вводят коэффициент полезного дей-

ствия антенны (ц), равный отношению мощности, излу-

ченной антенной в пространство (PJ, к мощности, ко-

торая к ней подводится

{РА)'-

(MS)

Коэффициент усиления антенны (КУ). Две антенны,

имеющие одинаковые ДН, а следовательно, и одинако-

вый КНД, при равной подводимой мощности могут соз-

давать в одинаково расположенных относительно антенн

точках приема различные напряженности поля. Это обу-

словлено различной величиной потерь энергии в антен-

нах. Чтобы учесть при наличии потерь изменение напря-

женности поля в точке приема, вводят понятие коэффи-

циента усиления антенны— КУ. Определение КУ ана-

логично определению КНД, только рассматривается

полная излучаемая мощность реальной антенны и пол-

ная излучаемая мощность эталонной антенны, имеющей

к. п. д., равный 100%.

Таким образом, можно дать КУ следующее опреде-

ление: КУ

—

это число, показывающее, во сколько раз

мощность, излучаемая реальной антенной в данном на-

правлении, отнесенная к единице телесного угла, боль-

ше мощности, излучаемой в единице телесного угла, аб-

солютно ненаправленной антенны, с к. п. д., равным

100%,

при условии равенства подводимых к антеннам

мощностей. Из этого определения сразу следует, что КУ

равен:

G(6,

?)^ф(Ь,

). (1-20)

Обычно, если нет специальных оговорок, под КНД и

КУ понимается их максимальное значение, т. е.

м шс

;

-^мш(с'П-

(1-21)