Interested Article - Диаграмма направленности

ДН типичной направленной антенны (азимутальная).

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

Диаграммой направленности (ДН) антенны по полю часто называют зависимость модуля комплексной амплитуды вектора напряженности ${\bar {E}}$ ${\bar {E}}$ электрической компоненты электромагнитного поля, создаваемого антенной в дальней зоне , от угловых координат $\theta$ $\theta$ и $\phi$ $\phi$ точки наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскости, то есть зависимость $E(\theta ,\phi)$ $E(\theta ,\phi)$ .

ДН обозначается символом $f(\theta ,\phi)$ $f(\theta ,\phi)$ . ДН нормируют — все значения $E(\theta ,\phi)$ $E(\theta ,\phi)$ делят на максимальное значение $E_{m}$ $E_m$ и обозначают нормированную ДН символом $F(\theta ,\phi)$ $F(\theta ,\phi)$ . Очевидно, $0\leq F(\theta ,\phi)\leq 1$ $0\leq F(\theta ,\phi)\leq 1$ .

Также можно определить ДН как комплексную величину. В этом случае, аналогично указанному выше, ДН есть:

{\stackrel {\circ }{F}}\left(\theta ,\phi \right)={\frac {{\stackrel {\circ }{E}}_{m}\left(\theta ,\phi \right)}{\max _{\theta ,\phi }\left[\left|{\stackrel {\circ }{E}}_{m}(\theta ,\phi)\right|\right]}}

{\stackrel {\circ }{F}}\left(\theta ,\phi \right)={\frac {{{\stackrel {\circ }{E}}}_{m}\left(\theta ,\phi \right)}{\max _{{\theta ,\phi }}\left[\left|{{\stackrel {\circ }{E}}}_{m}(\theta ,\phi)\right|\right]}}

,

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

ДН характеризуется шириной $\Theta _{A}$ $\Theta _{A}$ её главного луча на уровне 0,5 от её максимального значения по мощности и коэффициентом усиления $G$ $G$ , которые связаны соотношениями:

G={\frac {4\pi S_{A}}{\lambda ^{2}}}

G={\frac {4\pi S_{A}}{\lambda ^{2}}}

,

S_{A}={\frac {\pi d_{A}^{2}}{4}}

S_{A}={\frac {\pi d_{{A}}^{{2}}}{4}}

,

\Theta _{A}={\frac {\lambda }{d_{A}}}

\Theta _{A}={\frac {\lambda }{d_{{A}}}}

,

где $S_{A}$ $S_{A}$ , $d_{A}$ $d_{A}$ — эффективная площадь и протяженность апертуры антенны .

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.

Существуют амплитудные $A(\theta ,\phi)$ $A(\theta ,\phi)$ , фазовые Δω(θ, φ) и поляризационные ${\bar {P}}$ ${\bar {P}}$ ↑↓(θ, φ) ДН.

По форме диаграммы направленности антенны обычно 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 .

Диаграмма направленности антенны определяется амплитудно-фазовым распределением компонент электромагнитного поля в апертуре антенны — некоторой условной расчётной плоскости, связанной с её конструкцией. Разработка антенны с требуемой диаграммой направленности сводится, таким образом, к задаче обеспечения нужной картины электромагнитного поля в плоскости апертуры. Существуют 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.

ДН обычно измеряют в горизонтальной или вертикальной плоскостях, для облучателей — в плоскостях Е или Н.

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

Экспериментальное изучение

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.

Формирование диаграммы направленности

Формирование диаграммы направленности в антеннах 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 ( англ. digital beamforming) 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

Примечания

ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения
Слюсар, В.И. (неопр.) Электроника: наука, технология, бизнес. – 2002. - № 1. C. 46 - 52. (2002). Дата обращения: 3 марта 2019. 12 мая 2021 года.
Слюсар, В.И. (неопр.) Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника.- Том 46, № 12. C. 48 - 62. (2003). Дата обращения: 3 марта 2019. 3 марта 2019 года.
Слюсар, В.И. (неопр.) Электроника: наука, технология, бизнес. – 2004. - № 8. C. 34 - 40. (2004). Дата обращения: 3 марта 2019. 17 мая 2017 года.
Слюсар В.И. Точность измерений угловых координат линейной цифровой антенной решеткой при неидентичностях приемных каналов.// Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. – 1999. - Том 42, № 1. - C. 18. - .
Слюсар В.И., Дубик А.Н. Метод многоимпульсной передачи сигналов в МІМО-системе.// Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника.- 2006. - Том 49, № 3. - С. 75 - 80. от 3 марта 2019 на Wayback Machine
Слюсар В.И., Дубик А.Н., Волошко С.В. МІМО-метод передачи телекодовой информации.// Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника.- 2007. - Том 50, № 3. - С. 61 - 70. от 3 марта 2019 на Wayback Machine

Литература

Лавров, А. С. Антенно-фидерные устройства: учеб. пособие для вузов / А. С. Лавров, Г. Б. Резников. — М. : «Советское радио», 1974. — 368 с.
Дудник, П. И. Многофункциональные радиолокационные системы: учеб. пособие для вузов / П. И. Дудник, А. Р. Ильчук [и др.]. — М. : Дрофа, 2007. — 283 с. — ISBN 978-5-358-00196-1 .
Mahafza, B. R. Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB / Bassem R. Mahafza. — CHAPMAN&HALL/CRC, 2000. — 532 с. — ISBN 1-58488-182-8 .