Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства

Важным параметром, определяющим эффективность антенны, является коэффициент полезного действия (к.п.д.), который равен отношению излученной мощности РΣ к мощности РА, подаваемой на вход антенны:

ηа= РΣ/РА = РΣ /( РΣ + РП) = RΣ /( RΣ +RП).

Формула записана для антенны, согласованной с фидером. В рассогласован-

ном режиме следует учитывать потери, связанные с отражением от её входа части подводимой к антенне мощности. Если мощность, поступающая от пе-

редатчика на вход фидера равна Р0, то РА=Р0(1–| Г|2).

Кроме потерь в металлических конструкциях, диэлектрике и изоляторах в антеннах, работающих на больших уровнях мощности, могут появиться по-

тери, связанные с коронными и факельными разрядами.

Вторая группа параметров характеризует антенну как источник элек-

тромагнитных волн и определяет зависимость от направления амплитуды,

фазы и поляризации излученных радиоволн. К этим параметрам относятся:

– амплитудная диаграмма направленности – зависимость от направле-

ния амплитуды волны в дальней зоне при фиксированном расстоянии;

Используемая в определениях фраза «в дальней зоне при фиксирован-

ном расстоянии» эквивалентна математическому понятию «необходимое и достаточное условие» и при определении характеристик направленности яв-

ляется обязательной.

Согласно определению амплитудная диаграмма направленности

(ДН) представляет собой пространственную фигуру, поверхность которой описывается концом исходящего из начала координат радиус-вектора, длина которого в каждом направлении равна значению функции f(θ,ϕ). Примеры некоторых видов пространственных ДН приведены на рис. 1.3.

31

На практике обычно ограничиваются сечениями ДН в двух взаимно ортого-

нальных плоскостях θ = const и ϕ = const,

проходящих через направления максиму-

мов излучения. Эти сечения называются главными (на рис. 1.3 они заштрихованы).

Их можно провести таким образом, чтобы вектор электрического либо вектор маг-

Рис.1.3. Виды пространственных ДН нитного поля лежал в этих сечениях. Тогда говорят о ДН в E-плоскости или в H-

плоскости. Диаграммы в этих сечениях изображают в полярной или декарто-

вой системах координат, причем в последнем случае возможны линейный и логарифмический масштабы (рис. 1.4). Если антенна имеет остронаправлен-

ную ДН или важна информация о боковых или заднем лепестках, то ДН изображают в

декартовой системе координат.

Форма ДН определяется тремя параметрами: направление максимума излучения θ0, или ϕ0, ширина главного лепестка ДН Δθ и уровень боковых ле-

пестков (УБЛ).

Ширина ДН определяется на уровне

0,707 от максимального значения (на

уровне –3 дБ) и обозначается Δθ0,5. Иногда

Рис. 1.4. Способы изображения ДН.

ширина ДН определяется по нулям Δθ0, но это специально оговаривается. УБЛ определяется по величине максимально-

го бокового лепестка.

Диаграмма направленности характеризует возможность антенны кон-

центрировать энергию в заданном угловом секторе в пространстве. Угловая

32

зависимость плотности потока мощности П(θ,ϕ) = f (θ,ϕ) 2 называется ДН по мощности.

Обычно переходят к нормированным ДН по напряжённости поля

значения которых изменяются в пределах от 0 до 1. Переход к нормирован-

ным ДН облегчает возможность сравнения их между собой.

Согласно принципу суперпозиции поле системы излучателей представ-

ляет собой векторную сумму полей ее отдельных элементов. Если эти элемен-

ты имеют одинаковые размеры, одинаковые амплитудно-фазовые распреде-

ления возбуждающего поля или тока, одинаковым образом ориентированы в

пространстве, то они имеют одинаковые ДН. Суммарная ДН такой системы

может быть записана в виде произведения векторной комплексной ДН одного элемента Fэл(θ,ϕ) на скалярной множитель направленности FΣ (θ, ϕ) , представ-

ляющий ДН совокупности элементарных излучателей, расположенных в фа-

зовых центрах элементов системы, т.е.

Эта формула представляет собой математическую запись принципа пе-

ремножения диаграмм направленности (правило Бонч-Бруевича) [4].

Его применяют для нахождения ДН любых типов антенных систем, которые можно представить в виде совокупности однотипных непрерывно или дис-

кретно распределенных излучателей.

– фазовая диаграмма направленности (ФД) – зависимость от направле-

ния фазы поля в дальней зоне при фиксированном расстоянии. Существует и второе равнозначное определение: фазовой диаграммой называют угловую зависимость расстояния r(θ,j) от фазового центра до точек на эквифазной поверхности. Таким образом, ФД характеризует фронт волны, который явля-

ется поверхностью равных фаз и определяется уравнением

kr(q,j) = Φ0 – Φ (θ,j), где Φ0 = const.

33

Если r(θ,j) = const, то и Φ (θ,j) = const, т.е. поверхность равных фаз является поверхностью сферы, а антенна является источником сферических волн с то-

чечным фазовым центром, совпадающим с ее геометрическим центром,

находящимся в начале координат. Если Φ(θ,j) ¹ const, т.е. поверхность рав-

ных фаз не является сферической, то фазовый центр у антенны может или от-

сутствовать или не быть точечным. Поэтому вводят понятие центра излуче-

ния, относительно которого поверхность равных фаз в заданном угловом секторе пространства менее всего отличается от сферической. Обычно доста-

точно знания ФД в пределах главного лепестка или в угловом секторе, рав-

ном ширине ДН антенны. Знание положения фазового центра необходимо,

например, при проектировании антенных решеток, облучателей зеркальных или линзовых антенн, систем фазовой пеленгации.

– поляризационная характеристика (ПХ) антенны – это совокупность сведений о поляризации излученного поля в различных направлениях в даль-

ней зоне, т.е. определяет характер изменения во времени и в пространстве величины и ориентации вектора напряжённости электрического поля E.

Плоскость, в которой лежат вектор Е и волновой вектор k, называется плос-

кость поляризации.

представляет собой эллипс (рис. 1.6).

Поляризация поля полностью описывается следующими тремя парамет-

рами поляризационного эллипса:

34

где m=Eϕ /Eθ – отношение амплитуд ортогональных компонент;

ψ=(argEϕ–arg Eθ) – разность фаз этих компонент.

Обратные зависимости имеют вид

При КЭ= 0 поляризационный эллипс вырождается в прямую линию, т.е.

плоскость поляризации с течением времени не меняет своего положения в пространстве. Такая поляризация называется линейной. Различают при этом горизонтальную (вектор Е параллелен поверхности земли), верти-

кальную (вектор Е перпендикулярен поверхности земли) и наклонную по-

ляризации.

Если вектор Е вращается вокруг направления распространения, делая один оборот за период колебаний, то вместе с ним вращается плоскость по-

ляризации и тогда поляризацию называют вращающейся. Если смотреть вслед уходящей волне, то вращение вектора Е по часовой стрелке (КЭ>0) со-

35

ответствует поляризация правого вращения, а вращение против часовой

стрелки (КЭ<0) – поляризации левого вращения.

При КЭ=±1 и ψ=±π/2 поляризационный эллипс вырождается в окруж-

ность. Такая поляризация называется круговой. В общем случае для произ-

вольных значений КЭ и ψ излученная волна имеет эллиптическую поляри-

зацию правого или левого вращения. В антеннах, предназначенных для излу-

чения волн линейной поляризации, может возникнуть паразитное излучение с ортогональной поляризацией. В этом случае различают главную (основ-

ную) поляризацию и кроссполяризационную (паразитную) составляю-

щую.

Коэффициент направленного действия (КНД) характеризует способность антенны концентрировать излученную мощность в определен-

ном направлении. КНД определяется как отношение интенсивности поля в

данном направлении θ0 ,ϕ0 к средней интенсивности

θ=0 ϕ= 0

Обычно КНД определяют в направлении главного максимума ДН. В этом случае

Если ДН имеет осевую симметрию, т.е. не зависит от азимутального угла ϕ,

∫ F 2 (θ)sinθd θ

θ= 0

Вслучае антенн эллиптической поляризации для нахождения КНД ино-

гда удобнее использовать парциальные КНД по θ-й и ϕ-й поляризациям:

36

тогда D0=Dθo+Dϕo.

Для антенн линейной поляризации применяют приближенную оценку КНД по формуле

В направлении максимального излучения для реальных антенн КНД до-

стигает значений от единиц до многих тысяч. Он показывает тот выигрыш в мощности, который можно получить за счет использования направленного действия антенны, но не учитывает возможных потерь в антенне.

Выигрыш, даваемый антенной, при учете потерь в ней определяется па-

раметром, называемым коэффициентом усиления антенны (КУ). Коэф-

фициент усиления антенны равен произведению КНД на КПД:

Мощность излучения антенны Р∑ определяется интегралом от вектора Пойн-

тинга по сферический поверхности, находящейся в дальней зоне:

Таким образом, КУ показывает, во сколько раз нужно уменьшить (или уве-

личить) мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с

37

мощностью, подводимой к идеальной ненаправленной антенне без потерь,

для того чтобы получить одинаковую напряженность поля в рассматривае-

мом направлении. Если специальных оговорок не делается, то под КУ (так же, как и под КНД) подразумевается его максимальное значение, соответ-

ствующее направлению максимума диаграммы направленности.

Рассмотренные выше параметры антенн соответствуют случаю работы при монохроматических колебаниях, т.е. на одной частоте. В реальных ра-

диосистемах используются сигналы с различной шириной спектра. Поэтому важными параметрами антенн являются: рабочая полоса частот или по-

лоса пропускания, в пределах которой все параметры антенны не выходят за допустимые пределы и диапазон рабочих частот. Требуемая полоса пропускания антенны должна быть не уже ширины спектра излучаемого ан-

тенной сигнала, а рабочий диапазон частот обеспечивать возможность одно-

временного излучения нескольких узкополосных сигналов на различных участках этого диапазона, т.е. допускает изменение некоторых параметров антенны (например, фазовой диаграммы). Диапазон рабочих частот или по-

лосу пропускания антенны определяют как

Широкополосные свойства антенны характеризуется также коэффициен-

том перекрытия по частоте

KП = fmax / fmin.

К узкополосным относятся антенны с полосой пропускания в несколько про-

центов, если 5%< f/fср<25% антенна считается широкополосной, а при f/fср>25% – сверхширокополосной.

Параметры антенн в режиме приема.

Приемная антенна преобразует энергию свободных волн в энергию то-

ков в нагрузке антенны ZН, т.е. может рассматриваться как источник ЭДС (с

внутренним сопротивлением ZА), создающий эти токи. Эквивалентная схема

38

приемной антенны представлена на рис. 1.7. Электромагнитное поле наводит в антенне токи, создающие на разомкнутых за-

сит от направления прихода волны, угла между ориентацией вектора Е и

единичным вектором поляризации антенны р. Максимальное значение этого коэффициента, когда волна приходит с направления максимального приема и антенна согласована по поляризации с падающей волной, называется эф-

фективная (действующая) длина антенны lэф [5]. Тогда

где Е0 – амплитуда падающей волны; θ и ϕ – углы, определяющие направле-

ние прихода волны; F(θ,ϕ) – нормированная амплитудная диаграмма направ-

ленности приемной антенны; Φ(θ,ϕ) – фазовая диаграмма направленности

приемной антенны; eo=E/E0 – вектор поляризации падающей волны (единич-

ный вектор, совпадающий по направлению с вектором Е); (eo,p)=cosχ – поля-

ризационный коэффициент передачи.

Согласно эквивалентной схеме ток в нагрузке антенны равен

IA=εА/(ZA+ZН), а напряжение на нагрузке – UA=IAZН=εАZA/(ZA+ZН). В режиме приема амплитудная ДН определяет зависимость амплитуды напряжения или тока в нагрузке антенны от направления прихода плоской одиночной волны. Соответственно, фазовая диаграмма определяет зависимость фазы напряжения или тока в нагрузке антенны от направления прихода плоской одиночной волны. Импеданс приемной антенны согласно теореме Тевенена-

Гельмгольца равен отношению ЭДС (UA при ZН→∞) к току короткого замы-

кания (IA при ZН=0).

На основании принципа взаимности можно показать, что импеданс, эф-

39

фективная длина, нормированная ДН, фазовая диаграмма и поляризационная характеристика приемной антенны не изменяются, если эта антенна работает в режиме передачи. Сущность принципа взаимности состоит в следующем.

Радиоканал, включающий в себя часть пространства от входа передающей антенны А1 до выхода приемной антенны А2 (рис.В.1), можно представить как четырехполюсник [3]. Если среда, в которой распространяются радио-

волны, линейна, изотропна и не содержит дополнительных источников энер-

гии, то такой четырехполюсник является линейным и взаимным. Пусть на входе передающей антенны 1 действует источник ЭДС ε1 с внутренним им-

педансом Z1, которая в нагрузке Z2 приемной антенны 2 вызывает ток I12. Ес-

ли поменять местами вход и выход четырехполюсника, т.е. антенна 2 стано-

вится передающей и возбуждается источником ЭДС ε2 с внутренним импе-

дансом Z2, а приемная антенна 1 нагружена на

импеданс Z1, в котором под действием поля,

создаваемого антенной 2 возникает ток I21 (рис. 1.8), то согласно принципу взаимности коэф-

фициент передачи не изменится и должно вы-

полняться условие

вектор поляризации волны, который в режиме передачи совпадает с вектором поляризации антенны p1t (θ,ϕ) .

В нагрузке антенны 2 под действием поля Е12 возникает ток I12

40