Теория антенн

I. ТЕОРИЯ АНТЕНН 1. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ПЕРЕДАЮЩИХ АНТЕНН 1.1. НАЗНАЧЕНИЕ ПЕРЕДАЮЩИХ АНТЕНН И ИХ ФУНКЦИИ Антенна является неотъемлемой составной частью любого радиотехнического устройства, которое предназначено для передачи или приёма информации с помощью радиоволн через окружающее пространство. Передающая антенна предназначена для непосредственного излучения радиоволн. Она решает следующие задачи: 1. Преобразование энергии токов высокой частоты в энергию излучаемых радиоволн. Одним из основных требований, предъявляемых к антеннам, является сохранение закона модуляции (отсутствие искажения передаваемой информации). 2. Пространственное распределение энергии электромагнитного поля. 3. Формирование определённой поляризационной структуры поля. Классификация антенн: 1. По функциональному назначению: приёмные; передающие; приёмопередающие. 2. По конструкции и принципу действия: линейные; апертурные; антенные решётки. Антенны линейного типа характерны тем, что размеры поперечного сечения у них малы по сравнению с длиной волны. Обычно такие антенны выполняются из отрезка провода или нескольких проводов либо в виде стержня. Апертурные антенны имеют раскрыв (апертуру), через который проходит поток излучаемой (принимаемой) энергии. В свою очередь, линейные и апертурные антенны могут быть представлены как непрерывные системы, состоящие из элементарных излучателей: диполей (вибраторов) Герца, элементарных рамок или источников Гюйгенса. Антенная решётка (АР) – это совокупность идентичных излучающих (приёмных) элементов, расположенных в определённом порядке и питаемых от одного или нескольких когерентных источников. 3. По поляризации: антенны с линейной поляризацией; антенны с вращающейся поляризацией. 4. По полосе пропускания: узкополосные; широкополосные; широкодиапазонные. 4 5. По диапазону радиоволн: антенны диапазона ОВЧ (МВ); антенны диапазона УВЧ (ДМВ); антенны диапазона СВЧ (СМВ); антенны диапазона КВЧ (ММВ). 6. По направленным свойствам: ненаправленные; узконаправленные. 7. По месту установки: наземные (стационарные); бортовые (подвижные). 8. По назначению радиотехнических устройств: связные; навигационные; радиолокационные и т.д. 1.2. ПЕРЕДАЮЩАЯ АНТЕННА КАК НАГРУЗКА ДЛЯ ГЕНЕРАТОРА, ЕЁ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ Для оценки качества антенн и сравнения их между собой используют характеристики и параметры. Параметры антенн представляют собой определённые числовые величины, а характеристики дают некоторую функциональную зависимость. Так как антенны обладают способностью преобразовывать энергию направляемых электромагнитных волн (ЭМВ) в энергию радиоволн (или наоборот), то существует ряд показателей, которые по своей сути для них являются энергетическими параметрами. К ним относятся: мощность излучения РΣ; сопротивление излучения RΣ; коэффициент полезного действия (КПД) ηА; входное сопротивление антенны Z& A ; действующая длина lд; эффективная площадь раскрыва (ЭПР) Аэфф; коэффициент использования площади (КИП) q. В режиме передачи (излучения) антенна является нагрузкой генератора токов высокой частоты. Как нагрузка, она характеризуется активной, реактивной и предельной мощностью, а также входным сопротивлением. Для получения наибольшей мощности излучения антенна должна быть согласована с линией передачи и с внутренним сопротивлением генератора. Эквивалентная схема передающей антенны представлена на рис. 1.1. RA XA Z& A Рис. 1.1. Эквивалентная схема передающей антенны 5 Входное сопротивление антенны – это комплексная величина, равная отношению комплексных амплитуд (или действующих значений) напряжения и тока на входе антенны: U& Z& A = A вх = RA + jX A , I&A вх (1.1) где RА и XA – активная и реактивная составляющие входного сопротивления соответственно. Входное сопротивление антенны как параметр относится к антеннам только линейного типа, у которых комплексное напряжение и ток на входе антенны физически определены и могут быть непосредственно измерены. Для антенн апертурного типа понятие входного сопротивления неприемлемо, так как у них нет входных зажимов. В общем случае входное сопротивление антенны зависит от частоты генератора сложным образом. Кроме того, на него оказывают влияние посторонние проводники и другие тела, расположенные вблизи антенны. Поэтому на практике входное сопротивление антенны определяют на заданных частотах с помощью измерительных приборов. Подводимая к антенне мощность генератора расходуется на излучение, потери в антенне и окружающих её телах и среде, а также на создание реактивных полей в ближней зоне, поэтому RA характеризует мощность излучения антенны и мощность тепловых потерь в антенне и в окружающих её телах и среде: RA = RΣ + Rп , (1.2) где RΣ – сопротивление излучения; Rп – сопротивление потерь. Сопротивление излучения – это некоторое воображаемое активное сопротивление, на котором выделяется мощность, равная мощности излучения антенны: I2R PΣ = A Σ , (1.3) 2 где IA – амплитуда тока на входных зажимах антенны. Сопротивление излучения характеризует излучающие свойства передающей антенны. Величина ХА характеризует собой реактивную мощность в ближней зоне, которая не излучается. Как сопротивление излучения, так и реактивное сопротивление антенны зависят от типа антенны, её конструктивного исполнения, а также от длины волны. Сопротивление потерь зависит от проводящих свойств металла, из которого изготовлена антенна, качества изоляторов, а также от окружающих антенну тел и среды. 6 Мощность излучения антенны – это та часть мощности, подводимой к антенне от генератора, которая преобразуется антенной в радиоволны и достигает дальней зоны. Её можно определить путём интегрирования плотности потока мощности этой антенны по замкнутой поверхности S, охватывающей некоторый объём пространства, окружающего антенну: PΣ = ∫ ПdS , (1.4) S где П = П(θ, φ) – плотность потока мощности (или модуль среднего значения вектора Умова–Пойнтинга). Так как П(θ, φ) = Пmax F 2 (θ, φ), а Пmax = E 2max / 240π, то П(θ, ϕ) = 2 Emax F 2 (θ, ϕ) , 240π (1.5) где F 2 (θ, φ) – диаграмма направленности (ДН) антенны по мощности. В качестве простейшей поверхности интегрирования удобно выбрать сферу радиусом r (рис. 1.2). Элемент площади dS на сферической поверхности (результат сечения поверхности сферы двумя меридиональными и двумя азимутальными плоскостями), как это видно из рисунка, равен dS = r 2 sin(θ) dφ dθ. (1.6) Подставляя в (1.4) выражения (1.5) и (1.6), можно получить PΣ = 2 r 2 Emax 240π π 2π ∫ ∫ F 2 (θ, ϕ) sin (θ)dϕ dθ . (1.7) θ=0 ϕ=0 Таким образом, для определения мощности излучения необходимо знать нормированную ДН по мощности и напряжённость поля в направлении максимального излучения при заданном расстоянии r. Мощность излучения антенны зависит от мощности генератора, условий согласования, а также от излучающей способности антенны. Эта способность зависит от типа антенны, особенностей конструктивного исполнения, размеров антенны по отношению к длине волны. Рис. 1.2. Поверхность интегрирования в сферической системе координат 7 Антенна, как любой преобразователь энергии, характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД). Коэффициент полезного действия – это отношение мощности излучения ко всей активной мощности, получаемой антенной: ηA = PΣ PΣ RΣ = = <1. PA PΣ + Pп RΣ + Rп (1.8) Отсюда следует, что для увеличения КПД антенны необходимо уменьшать сопротивление потерь и увеличивать сопротивление излучения антенны. КПД современных антенн различных диапазонов и типов весьма широк: от 25 до 95%. Действующая длина передающей антенны – это коэффициент, имеющий размерность длины и связывающий между собой амплитуду напряжённости поля в точке, находящейся в дальней зоне в направлении максимума излучения передающей антенны, с максимальным напряжением на зажимах антенны: U A max = lд Emax . (1.9) Этот параметр относится только к антеннам линейного типа и характеризует их энергетическую эффективность по преобразованию энергии токов высокой частоты в линии передачи в энергию электромагнитного поля (ЭМП) излучаемой волны. Действующая длина передающей антенны зависит от её геометрической длины и от закона распределения амплитуды и фазы тока вдоль антенны I&( z ) : lд = 1 IA l ∫ I&( z )dz . (1.10) z =0 Из выражения (1.10) следует: – при равномерном и синфазном законе распределения тока по антенне ( I&(z ) = IA = const) действующая длина антенны совпадает с геометрической l д = l ; – чем более неравномерно и несинфазно распределение тока вдоль антенны, тем меньший процент от геометрической длины антенны составляет действующая длина. Поэтому в общем случае действующая длина лежит в пределах от нуля до геометрической длины: 0 < lд < l. 8 Физический смысл действующей длины передающей антенны. Это такая геометрическая длина линейной антенны с равномерным и синфазным распределением тока вдоль неё, при котором эта антенна создаёт в точке, находящейся в дальней зоне по направлению максимума излучения, такую же напряжённость поля, как и реальная антенна с неравномерным и несинфазным распределением тока по длине. В свою очередь, закон распределения тока вдоль передающей антенны зависит от типа антенны и её конструктивного исполнения. Эффективная площадь раскрыва передающей антенны (ЭПР) – это коэффициент, имеющий размерность площади, который связывает между собой плотность потока мощности, создаваемой передающей антенной в точке пространства, находящейся в дальней зоне в направлении максимума излучения, и активную мощность, подводимую к антенне от генератора: PA max = AэффП max . (1.11) Этот параметр относится только к антеннам апертурного типа и характеризует их энергетическую эффективность по преобразованию энергии токов высокой частоты в линии передачи в энергию излучаемой волны. Эффективная площадь передающей антенны зависит от её геометрической площади и от закона распределения амплитуды и фазы поля по раскрыву антенны E& ( x, y ) : s 2 A эфф = ∫ E& S ( x, y ) dS ∫ 2 E& S ( x, y ) dS S . (1.12) S Из выражения (1.12) следует: – при равномерном и синфазном законе распределения поля в раскрыве апертурной антенны ( E& S ( x, y ) = E0 ) эффективная площадь раскрыва совпадает с его геометрической площадью; – чем больше неравномерность и несинфазность в распределении поля по раскрыву, тем меньший процент от геометрической площади раскрыва антенны составляет эффективная. Поэтому в общем случае эффективная площадь лежит в пределах от нуля до геометрической площади раскрыва: 0 < Aэфф < S. 9 Физический смысл эффективной площади раскрыва передающей антенны. Это такая геометрическая площадь раскрыва апертурной антенны с равномерным и синфазным распределением поля в её раскрыве, при котором эта антенна создаёт в точке, находящейся в дальней зоне по направлению максимума ДН, такую же плотность потока мощности, как и реальная антенна с неравномерным и несинфазным распределением поля в её раскрыве. Величина, равная отношению ЭПР к геометрической площади раскрыва антенны, называется коэффициентом использования площади (КИП): q= Aэфф S ≤ 1. (1.13) Этот коэффициент характеризует эффективность использования площади раскрыва апертурной антенны при излучении энергии электромагнитного поля и учитывает несинфазность и неравномерность возбуждения поверхности раскрыва. 1.3. ДИАПАЗОННЫЕ И ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПЕРЕДАЮЩИХ АНТЕНН Диапазоном рабочих частот (полосой пропускания) антенны называется интервал частот от fmin до fmax, в пределах которого все параметры антенны не выходят из заданных пределов: Δf = f max − f min . (1.14) Диапазон рабочих частот антенны чаще всего выражают в процентах к средней частоте диапазона: Δf f − f min = max ⋅ 2 ⋅100% . f ср f max + f min (1.15) Если Δf / fср < 10%, то антенна – узкополосная; если 10% < Δf / fср < 100%, то антенна – широкополосная; если Δf / fср > 100%, то антенна – широкодиапазонная. Диапазон рабочих частот широкодиапазонных антенн оценивают специальным параметром – коэффициентом перекрытия диапазона Kд = fmax / fmin. В зависимости от типа антенны, характеристики и параметры, наиболее критичные к изменению частоты, будут различными. Так, например, для линейных антенн это входное сопротивление, для антенных решёток – как входное сопротивление, так и направление максимума главного лепестка ДН. 10 Под поляризацией ЭМВ понимают ориентацию в пространстве вектора напряжённости электрического поля относительно линии горизонта. При этом следует иметь в виду, что ЭМП в пространстве является разделённым, отсюда и термин – поляризация. Так как магнитная составляющая поля всегда располагается в плоскости, перРис. 1.3. Составляющие ЭМП педикулярной электрической, то о ней в дальнейшем можно и не говорить. Плоскость, проходящую через вектор Е и направление распространения волны (вектор П), называют плоскостью поляризации, а плоскость, проходящую через векторы Е и Н, – картинной плоскостью (рис. 1.3). Различаются следующие виды поляризации: – линейная поляризация, если плоскость поляризации не меняет своего положения в пространстве. Линейная поляризация может быть вертикальной, горизонтальной и наклонной; – вращающаяся поляризация, если плоскость поляризации вращается вместе с вектором вокруг направления распространения с частотой колебаний ЭМП, т.е. делает один оборот за период колебаний. При распространении ЭМВ с вращающейся поляризацией вектор Е вращается с угловой скоростью ω = 2πf, совершая за один период высокочастотного колебания один оборот, и может изменять свою величину по гармоническому закону. При этом проекция конца вектора Е на картинную плоскость будет описывать в ней эллипс (рис. 1.4). Поляризационным эллипсом (ПЭ) называют геометрическое место точек, которые являются проекциями конца вектора Е на картинную плоскость за один его оборот. Поляризация поля, излучаемого антенной, соответствующая этому случаю, называется эллиптической. Рис. 1.4. Эллипс поляризации 11 Поляризационный эллипс характеризуется следующими параметрами: – коэффициентом эллиптичности, равным отношению малой оси эллипса к большой, Kэ = b/a. В общем случае при эллиптической поляризации коэффициент эллиптичности зависит от угловых координат точки наблюдения, т.е. Kэ = Kэ(θ, φ); (1.16) – углом наклона поляризационного эллипса – т.е. углом между большой осью эллипса и вертикальной осью выбранной системы координат γэ; – направлением вращения вектора Е, которое определяется, глядя вслед уходящей волне. При этом под поляризацией правого вращения подразумевают вращение вектора Е по часовой стрелке, тогда коэффициент эллиптичности принимает положительные значения, 0 < Kэ < 1. При поляризации левого вращения (вектор вращается против часовой стрелки) коэффициент эллиптичности отрицателен, –1 < Kэ < 0. При Kэ = 0 эллипс вырождается в прямую линию, и поле имеет линейную поляризацию. Поляризационная характеристика (ПХ) – это зависимость ЭДС в приёмной антенне с линейной поляризацией, принимающей ЭМВ рассматриваемой передающей антенны, от угла её поворота в картинной плоскости. Таким образом, поляризационный эллипс вписан в ПХ. На рисунке 1.5 представлены поляризационные характеристики антенн для различных видов поляризации. Рис. 1.5. ПХ антенн для различных видов поляризации 12 1.4. ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ПЕРЕДАЮЩЕЙ АНТЕННЫ На практике любой антенне присуще свойство концентрации энергии излучаемых ею ЭМВ в определённой области пространства (фокусирование энергии радиоволн). Для описания направленных свойств антенны используют специальные характеристики и параметры. К таким характеристикам относятся диаграммы направленности (ДН) передающей антенны по напряжённости поля и по плотности потока мощности, а к параметрам – ширина диаграммы направленности, уровень боковых лепестков ДН, коэффициент направленного действия (КНД) и коэффициент усиления (КУ). Понятие о ДН передающей антенны вводится в целях выяснения проблемы о распределении в пространстве энергии, излучаемой антенной. При этом различают ДН по напряжённости поля или по мощности. Но следует заметить, что они между собой жёстко связаны. ДН по напряжённости поля – это зависимость амплитуды напряжённости электромагнитного поля, излучаемого антенной, от угловых координат в пространстве при одинаковом расстоянии до неё. Причём выбор расстояния ограничен требованием нахождения измерителя в дальней зоне (зоне излучения) антенны: ( ) r >> 2L2A λ , (1.17) где LA – наибольший габаритный размер антенны. Обозначается ненормированная ДН следующим образом: E = E(θ, φ) = f E(θ, φ); H = H(θ, φ) = f H(θ, φ) при r = const, (1.18) где θ, φ и r – координаты точки наблюдения в сферической системе координат (рис. 1.2). На практике при изучении ЭМП в дальней зоне антенны ограничиваются рассмотрением только ДН по электрической составляющей ЭМП – E(θ, φ), так как величины Е и Н связаны между собой волновым сопротивлением свободного пространства: W0 = 377 Ом, Н = Е / W0 . ДН по плотности мощности – это зависимость плотности потока мощности ЭМП, излучаемого антенной, от угловых координат в пространстве. Ненормированная ДН по мощности обозначается следующим образом: (1.19) П = П(θ, φ) = f 2(θ, φ) при r = const. 13 Плотность потока мощности – это поток электромагнитной энергии в единицу времени (1 с) через площадку в 1 м. Ему соответствует физический смысл модуля вектора Умова–Пойнтинга r 1 Е2 1 Е2 П = П = ЕН = = . 2 2 W0 240π (1.20) Таким образом, ДН антенны по мощности равна квадрату её ДН по напряжённости поля. При сравнении нескольких ДН между собой более удобно пользоваться не их абсолютными значениями, а относительными. Тогда при графическом представлении все они будут иметь одну общую точку, соответствующую максимуму излучения и численно равную 1. Нормированная ДН по напряжённости обозначается следующим образом: F E (θ, ϕ) = E (θ, ϕ) H (θ, ϕ) ; F H (θ, ϕ) = Emax H max при r = const , (1.21) где Еmax или Нmax – напряжённости электрического или магнитного полей в направлении максимального излучения соответственно. Аналогично можно записать выражение для нормированной ДН по мощности: F 2 (θ, ϕ) = П (θ, ϕ) Е 2 (θ, ϕ) = при r = const . П max Е 2 max (1.22) Зная нормированные ДН, можно, обратно решая задачу, определить напряжённость поля и плотность потока мощности в произвольном направлении: Е(θ, φ) = Еmax FE(θ, φ); Н(θ, φ) = Нmax FН(θ, φ); П(θ, φ) = Пmax F 2(θ, φ). (1.23) Любая ДН в пространстве представляет собой замкнутую поверхность, расстояния до всех точек которой от начала выбранной системы координат пропорциональны значениям F(θ, φ) или F 2(θ, φ). На практике изображение пространственной ДН антенны на плоскости как в сферической, так и в прямоугольной системе координат, затруднено, так как отдельные участки пространственной ДН затеняют друг друга. 14 Рис. 1.6. Главные плоскости сечения пространственной ДН антенны Поэтому на плоскости обычно изображают сечения объёмной ДН двумя взаимно перпендикулярными плоскостями (рис. 1.6): вертикальной (для которой φ = const); горизонтальной (для которой θ = π/2). Для большей наглядности секущие плоскости проводят через направление главного максимума ДН. При этом систему координат целесообразно располагать относительно антенны так, чтобы одна из секущих плоскостей содержала бы в себе вектор Е излучаемого антенной электромагнитного поля. Тогда другая автоматически будет совпадать с положением вектора Н. В этом случае ДН будут при изображении соответственно называться: – ДН в Е-плоскости f E(θ), если секущая плоскость содержит вектор E; – ДН в H-плоскости f H(φ), если секущая плоскость содержит вектор H. Такие плоские сечения пространственной ДН можно изображать в прямоугольной или в полярной системе координат. Выбор системы координат определяется пользователем исходя из удобства и наглядности изображения ДН. В полярной системе координат изображают, как правило, ДН слабонаправленных антенн. Преимуществом изображения ДН в этой системе является наглядное представление пространственного распределения излучаемой антенной электромагнитной энергии (рис. 1.7). 15 Рис. 1.7. ДН в полярной системе координат а) б) Рис. 1.8. Нормированная ДН в прямоугольной системе координат: а – линейный масштаб; б – логарифмический масштаб Недостатком является малая наглядность при изображении ДН узконаправленных антенн, так как масштаб по углу в полярной системе координат произвольно изменяться не может. 16 ДН многих реальных антенн имеет многолепестковый характер. Наибольший по величине лепесток называют главным, меньшие – боковыми. Для изображения узконаправленных ДН целесообразно использовать прямоугольную систему координат. В этом случае можно выбрать только интересующий нас сектор углов и представить его на оси абсцисс в произвольном удобном масштабе. Это даёт возможность детально воспроизвести главный лепесток ДН и соседние с ним боковые (рис. 1.8). Часто ДН антенны изображают в прямоугольной системе координат с логарифмическим масштабом по оси ординат. Так поступают при изображении ДН с узким основным лепестком и малым уровнем боковых лепестков (рис. 1.8, б). ДН по напряжённости и по мощности в таких условиях совпадают: [ ] FдБ (θ) = 10 lg F 2 (θ) = 20 lg[F (θ)] . (1.24) 1.5. ШИРИНА ГЛАВНОГО ЛЕПЕСТКА И УРОВЕНЬ БОКОВЫХ ЛЕПЕСТКОВ Ширина ДН (главного лепестка) определяет степень концентрации излучаемой электромагнитной энергии. Ширина ДН – это угол между двумя направлениями в пределах главного лепестка, в которых амплитуда напряжённости электромагнитного поля составляет уровень 0,707 от максимального значения (или уровень 0,5 от максимального значения по плотности мощности). Ширина ДН обозначается так: 2θ0,5 – это ширина ДН по мощности на уровне 0,5; 2θ0,707 – ширина ДН по напряжённости на уровне 0,707. Индексы Е или Н, изображённые выше, означают ширину ДН в соответствующей плоскости: 2θ0E,707 , 2θ0H,5 . Уровню 0,5 по мощности соответствует уровень 0,707 по напряжённости поля или уровень – 3 дБ в логарифмическом масштабе: 10 lg(0,5) = 20 lg(0,707) = −3 дБ . Ширина ДН одной и той же антенны, представленная по напряжённости поля, по мощности или в логарифмическом масштабе и измеренная на соответствующих уровнях, будет одинаковой: 2θ0,5 = 2θ0,707 = 2θ − 3 дБ . 17 Экспериментально ширина ДН легко находится по графику ДН, изображённой в той или иной системе координат (рис. 1.8, б). Уровень боковых лепестков ДН определяет степень побочного излучения антенной электромагнитного поля. Он влияет на скрытность работы радиотехнического устройства и на качество электромагнитной совместимости с ближайшими радиоэлектронными системами. Относительный уровень бокового лепестка – это отношение амплитуды напряжённости поля в направлении максимума бокового лепестка к амплитуде напряжённости поля в направлении максимума главного лепестка: E (1.25) ηб.л = max б.л . Emax г.л На практике этот уровень выражают в абсолютных единицах либо в децибелах. Наибольший интерес представляет уровень первого бокового лепестка (рис. 1.8, а). Иногда оперируют усреднённым уровнем боковых лепестков. 1.6. КОЭФФИЦИЕНТ НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ И КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ ПЕРЕДАЮЩЕЙ АНТЕННЫ Коэффициент направленного действия (КНД) количественно характеризует направленные свойства реальной антенны по сравнению с эталонной антенной, представляющей собой совершенно ненаправленный (изотропный) излучатель с ДН в виде сферы: Fэ (θ, ϕ) = Fэ2 (θ, ϕ) = 1 . КНД – это число, показывающее, во сколько раз плотность потока мощности П(θ, φ) реальной (направленной) антенны больше плотности потока мощности Пэ(θ, φ) эталонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же удалении при условии, что мощности излучения антенн одинаковы: D(θ, ϕ) = П(θ, ϕ) Пэ при PΣ = PΣ э . (1.26) С учётом (1.5) можно получить: D(θ, ϕ) = П max 2 F (θ, ϕ) = D0 F 2 (θ, ϕ) , Пэ где D0 – КНД в направлении максимального излучения. 18 (1.27) На практике, говоря о КНД антенны, подразумевают значение D0, которое полностью определяется диаграммой направленности антенны: D0 = 4π π 2π ∫ ∫F 2 . (1.28) (θ, ϕ) sin(θ) dϕ dθ θ=0 ϕ=0 В инженерных расчётах пользуются приближённой эмпирической формулой, связывающей КНД с шириной ДН антенны в главных плоскостях: (35 ... 45) ⋅10 3 D0 = . (1.29) 2θ 0E,5 ⋅ 2θ 0H,5 Так как на практике затруднительно определить мощность излучения антенны (а тем более выполнить условие равенства мощностей излучения эталонной и реальной антенн), то вводят понятие коэффициента усиления (КУ) антенны, который учитывает не только фокусирующие свойства антенны, но и её возможности по преобразованию одного вида энергии в другой. Это выражается в том, что в определении, аналогичном КНД, изменяется условие, причём очевидно, что коэффициент полезного действия эталонной антенны равен единице: G (θ, ϕ) = П(θ, ϕ) Пэ при PA = PA э , (1.30) где PA – мощность, подведённая к антенне. Отсюда можно сформулировать определение коэффициента усиления передающей антенны. Коэффициент усиления – это число, показывающее, во сколько раз плотность потока мощности П(θ, φ) реальной (направленной) антенны больше плотности потока мощности Пэ(θ, φ) эталонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же удалении при условии, что мощности, подведённые к антеннам, одинаковы. Тогда коэффициент усиления выражается через коэффициент направленного действия следующим образом: G (θ, ϕ) = D(θ, ϕ)ηA , (1.31) где ηА – коэффициент полезного действия антенны. На практике используют G0 – коэффициент усиления антенны в направлении максимального излучения. 19 1.7. ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫ Фазовая диаграмма направленности – это зависимость фазы электромагнитного поля, излучаемого антенной, от угловых координат. Так как в дальней зоне антенны векторы поля Е и Н синфазны, то и фазовая ДН в одинаковой степени относится к электрической и магнитной составляющей ЭМП, излучаемого антенной. Обозначается фазовая ДН следующим образом: Ψ = Ψ(θ, φ) при r = const. Если Ψ(θ, φ) = const при r = const, то это означает, что антенна формирует фазовый фронт волны в виде сферы. Центр этой сферы, в котором находится начало системы координат, называют фазовым центром антенны (ФЦА) (рис. 1.9). Следует отметить, что фазовый центр имеют не все антенны. У антенн, имеющих фазовый центр и многолепестковую амплитудную ДН с чёткими нулями между ними, фаза поля в соседних лепестках отличается на π (180°). Взаимосвязь между амплитудной и фазовой диаграммами направленности одной и той же антенны иллюстрируется рис. 1.9. Так как направление распространения ЭМВ и положение её фазового фронта взаимно перпендикулярны в каждой точке пространства, то, измеряя положение фазового фронта волны, можно косвенно определить направление на источник излучения (пеленгование фазовыми методами). Рис. 1.9. Взаимосвязь между амплитудной и фазовой ДН 20