Диаграмма направленности излучения

Направленное изменение силы радиоволн

Трехмерные диаграммы направленности антенны. Радиальное расстояние от начала координат в любом направлении представляет собой силу излучения, испускаемого в этом направлении. Сверху показана диаграмма направленности рупорной антенны , снизу показана всенаправленная диаграмма простой вертикальной дипольной антенны .

В области проектирования антенн термин «диаграмма направленности» (или «диаграмма направленности антенны» или «диаграмма направленности в дальней зоне » ) относится к направленной (угловой) зависимости силы радиоволн от антенны или другого источника. ^{[1] [2] [3]}

В частности, в областях волоконной оптики , лазеров и интегральной оптики термин «диаграмма направленности» может также использоваться как синоним диаграммы направленности ближнего поля или диаграммы направленности Френеля . ^[4] Это относится к позиционной зависимости электромагнитного поля в ближнем поле или области Френеля источника. Диаграмма направленности ближнего поля чаще всего определяется по плоскости, расположенной перед источником, или по цилиндрической или сферической поверхности, охватывающей его. ^{[1] [4]}

Диаграмма направленности антенны в дальней зоне может быть определена экспериментально на антенном полигоне , или, в качестве альтернативы, диаграмма направленности в ближней зоне может быть найдена с помощью сканера ближнего поля , а диаграмма направленности выведена из нее путем вычисления. ^[1] Диаграмма направленности в дальней зоне также может быть рассчитана из формы антенны с помощью компьютерных программ, таких как NEC . Другое программное обеспечение, такое как HFSS, также может вычислять ближнее поле.

Диаграмма направленности в дальней зоне может быть представлена ​​графически как график одной из ряда связанных переменных, таких как напряженность поля при постоянном (большом) радиусе ( амплитудная диаграмма или диаграмма направленности поля ), мощность на единицу телесного угла ( диаграмма направленности мощности ) и коэффициент направленного усиления . Очень часто наносится только относительная амплитуда, нормализованная либо к амплитуде на оси визирования антенны , либо к полной излучаемой мощности. Нанесенная на график величина может быть показана в линейном масштабе или в дБ . График обычно представляется в виде трехмерного графика (как справа) или в виде отдельных графиков в вертикальной и горизонтальной плоскостях . Это часто называют полярной диаграммой .

Взаимность

Диаграммы направленности вертикального полуволнового диполя , всенаправленной антенны. Горизонтальная и вертикальная полярные диаграммы являются проекциями трехмерной диаграммы на горизонтальную и вертикальную плоскости соответственно. Всенаправленная антенна излучает сигнал одинаковой силы во всех горизонтальных направлениях, поэтому ее горизонтальная диаграмма представляет собой просто окружность.

Фундаментальным свойством антенн является то, что диаграмма направленности приема (чувствительность как функция направления) антенны при использовании для приема идентична диаграмме направленности излучения антенны в дальней зоне при использовании для передачи . Это является следствием теоремы о взаимности электромагнетизма и доказывается ниже. Поэтому при обсуждении диаграмм направленности антенну можно рассматривать либо как передающую, либо как принимающую, в зависимости от того, что удобнее.

Существуют ограничения на взаимность: она применима только к пассивным элементам антенны — активные антенны, включающие усилители или другие индивидуально питаемые компоненты, не являются взаимными. И даже когда антенна сделана исключительно из пассивных элементов, взаимность применима только к волнам, излучаемым и перехватываемым антенной. Взаимность не применима к распределению тока в различных частях антенны, генерируемого перехваченными волнами, или к токам, которые создают излучаемые волны: профили тока антенны обычно различаются для приема и передачи, несмотря на то, что волны в дальнем поле излучаются внутрь и наружу по одному и тому же пути, с той же общей картиной, только с обратным направлением.

Типичные образцы

Типичный полярный график излучения. Большинство антенн показывают картину «лепестков» или максимумов излучения. В направленной антенне , показанной здесь, самый большой лепесток в желаемом направлении распространения называется « главным лепестком ». Другие лепестки называются « боковыми лепестками » и обычно представляют излучение в нежелательных направлениях.

Поскольку электромагнитное излучение является дипольным излучением , невозможно построить антенну, которая излучает когерентно одинаково во всех направлениях, хотя такая гипотетическая изотропная антенна используется в качестве эталона для расчета коэффициента усиления антенны .

Простейшие антенны, монопольные и дипольные антенны , состоят из одного или двух прямых металлических стержней вдоль общей оси. Эти аксиально-симметричные антенны имеют диаграммы направленности с похожей симметрией, называемые всенаправленными диаграммами; они излучают одинаковую мощность во всех направлениях, перпендикулярных антенне, причем мощность меняется только с углом к ​​оси, спадая до нуля на оси антенны. Это иллюстрирует общий принцип, что если форма антенны симметрична, ее диаграмма направленности будет иметь ту же симметрию.

В большинстве антенн излучение от различных частей антенны интерферирует под некоторыми углами; диаграмму направленности антенны можно считать интерференционной диаграммой . Это приводит к минимальному или нулевому излучению под определенными углами, где радиоволны от различных частей приходят не в фазе , и локальным максимумам излучения под другими углами, где радиоволны приходят в фазе . Поэтому диаграмма излучения большинства антенн показывает диаграмму максимумов, называемых « лепестками » под различными углами, разделенных « нулями », при которых излучение обращается в нуль. Чем больше антенна по сравнению с длиной волны, тем больше будет лепестков.

Прямоугольный график излучения, альтернативный метод представления полярного графика

В направленной антенне , целью которой является излучение радиоволн в одном конкретном направлении, антенна спроектирована так, чтобы излучать большую часть своей мощности в лепесток, направленный в желаемом направлении. Поэтому на графике излучения этот лепесток кажется больше других; он называется « главным лепестком ». Ось максимального излучения, проходящая через центр главного лепестка, называется « осью луча » или осью визирования . В некоторых антеннах, таких как антенны с расщепленным лучом, может существовать более одного главного лепестка. Другие лепестки рядом с главным лепестком, представляющие нежелательное излучение в других направлениях, называются второстепенными лепестками. Малые лепестки, ориентированные под углом к ​​главному лепестку, называются « боковыми лепестками ». Малый лепесток в противоположном направлении (180°) от главного лепестка называется « задним лепестком ».

Малые лепестки обычно представляют собой излучение в нежелательных направлениях, поэтому в направленных антеннах целью проектирования обычно является уменьшение малых лепестков. Боковые лепестки обычно являются самыми большими из малых лепестков. Уровень малых лепестков обычно выражается как отношение плотности мощности в рассматриваемом лепестке к плотности мощности большого лепестка. Это отношение часто называют отношением боковых лепестков или уровнем боковых лепестков. Уровни боковых лепестков −20 дБ или выше обычно нежелательны во многих приложениях. Достижение уровня боковых лепестков менее −30 дБ обычно требует очень тщательного проектирования и строительства. Например, в большинстве радиолокационных систем низкие отношения боковых лепестков очень важны для минимизации ложных указаний цели через боковые лепестки.

Доказательство взаимности

Для полного доказательства см. статью о взаимности (электромагнетизме) . Здесь мы представляем общее простое доказательство, ограниченное приближением двух антенн, разделенных большим расстоянием по сравнению с размером антенны, в однородной среде. Первая антенна является тестовой антенной, диаграммы направленности которой должны быть исследованы; эта антенна может свободно указывать в любом направлении. Вторая антенна является опорной антенной, которая жестко указывает на первую антенну.

Каждая антенна поочередно подключается к передатчику, имеющему определенное входное сопротивление, и к приемнику, имеющему такое же входное сопротивление (сопротивление может различаться для двух антенн).

Предполагается, что две антенны находятся достаточно далеко друг от друга, так что свойства передающей антенны не зависят от нагрузки, оказываемой на нее приемной антенной. Следовательно, количество мощности, передаваемой от передатчика к приемнику, может быть выражено как произведение двух независимых факторов: один зависит от направленных свойств передающей антенны, а другой зависит от направленных свойств приемной антенны.

Для передающей антенны, по определению коэффициента усиления, плотность мощности излучения на расстоянии от антенны (т.е. мощность, проходящая через единицу площади) равна ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle r}$

${\displaystyle \mathrm {W} (\theta ,\Phi )={\frac {\mathrm {G} (\theta ,\Phi )}{4\pi r^{2}}}P_{t}}$.

Здесь углы и указывают на зависимость от направления от антенны, а означает мощность, которую передатчик будет передавать в согласованную нагрузку. Усиление можно разбить на три фактора: усиление антенны (направленное перераспределение мощности), эффективность излучения (учет омических потерь в антенне) и, наконец, потери из-за несоответствия между антенной и передатчиком. Строго говоря, чтобы включить несоответствие, его следует называть реализованным усилением ^[4] , но это не общепринятое использование. ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \Phi }$ ${\displaystyle P_{t}}$ ${\displaystyle G}$

Для приемной антенны мощность, подаваемая на приемник, равна

${\displaystyle P_{r}=\mathrm {A} (\theta ,\Phi )W\,}$.

Здесь — плотность мощности падающего излучения, а — апертура антенны или эффективная площадь антенны (площадь, которую антенна должна была бы занять, чтобы перехватить наблюдаемую захваченную мощность). Аргументы направления теперь относятся к приемной антенне, и снова принимаются с учетом омических и несогласованных потерь. ${\displaystyle W}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle A}$

Объединяя эти выражения, получаем мощность, передаваемую от передатчика к приемнику:

${\displaystyle P_{r}=A{\frac {G}{4\pi r^{2}}}P_{t}}$,

где и - направленно-зависимые свойства передающей и приемной антенн соответственно. Для передачи от эталонной антенны (2) к тестовой антенне (1), то есть ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle A}$

${\displaystyle P_{1r}=\mathrm {A_{1}} (\theta ,\Phi ){\frac {G_{2}}{4\pi r^{2}}}P_{2t}}$,

и для передачи в обратном направлении

${\displaystyle P_{2r}=A_{2}{\frac {\mathrm {G_{1}} (\theta ,\Phi )}{4\pi r^{2}}}P_{1t}}$.

Здесь усиление и эффективная площадь антенны 2 фиксированы, поскольку ориентация этой антенны фиксирована относительно первой. ${\displaystyle G_{2}}$ ${\displaystyle A_{2}}$

Теперь для данного расположения антенн теорема о взаимности требует, чтобы передача энергии была одинаково эффективна в каждом направлении, т.е.

${\displaystyle {\frac {P_{1r}}{P_{2t}}}={\frac {P_{2r}}{P_{1t}}}}$,

откуда

${\displaystyle {\frac {\mathrm {A_{1}} (\theta ,\Phi )}{\mathrm {G_{1}} (\theta ,\Phi )}}={\frac {A_{2}}{G_{2}}}}$.

Но правая часть этого уравнения фиксирована (потому что ориентация антенны 2 фиксирована), и поэтому

${\displaystyle {\frac {\mathrm {A_{1}} (\theta ,\Phi )}{\mathrm {G_{1}} (\theta ,\Phi )}}=\mathrm {constant} }$,

т.е. направленная зависимость (приемной) эффективной апертуры и (передающего) усиления идентичны (QED). Более того, константа пропорциональности одинакова независимо от природы антенны, и поэтому должна быть одинаковой для всех антенн. Анализ конкретной антенны (например, диполя Герца ), показывает, что эта константа равна , где - длина волны в свободном пространстве. Следовательно, для любой антенны усиление и эффективная апертура связаны соотношением ${\displaystyle {\frac {\lambda ^{2}}{4\pi }}}$ ${\displaystyle \lambda }$

${\displaystyle \mathrm {A} (\theta ,\Phi )={\frac {\lambda ^{2}\mathrm {G} (\theta ,\Phi )}{4\pi }}}$.

Даже для приемной антенны обычно указывают усиление, а не эффективную апертуру. Мощность, подаваемая на приемник, поэтому обычно записывается как

${\displaystyle P_{r}={\frac {\lambda ^{2}G_{r}G_{t}}{(4\pi r)^{2}}}P_{t}}$

(см. ссылку бюджет ). Эффективная апертура, однако, представляет интерес для сравнения с фактическим физическим размером антенны.

Практические последствия

• При определении диаграммы направленности приемной антенны с помощью компьютерного моделирования нет необходимости выполнять расчет для каждого возможного угла падения. Вместо этого диаграмма направленности антенны определяется одним моделированием, а диаграмма приема выводится по принципу взаимности.
• При определении диаграммы направленности антенны путем измерения антенна может быть как приемной, так и передающей, в зависимости от того, что удобнее.
• Для практической антенны уровень боковых лепестков должен быть минимальным, необходимо иметь максимальную направленность. ^[5]

Смотрите также

• Моделирование антенн
• E-плоскость и H-плоскость

Ссылки

1. Константин А. Баланис: «Теория, анализ и проектирование антенн», John Wiley & Sons, Inc., 2-е изд. 1982 ISBN  0-471-59268-4
2. Дэвид К. Ченг: «Полевые и волновые электромагнетики», Addison-Wesley Publishing Company Inc., издание 2, 1998. ISBN 0-201-52820-7 
3. Эдвард С. Джордан и Кейт Г. Балмейн; «Электромагнитные волны и излучающие системы» (2-е изд. 1968) Prentice-Hall. ISBN 81-203-0054-8 
4. Institute of Electrical and Electronics Engineers, «Словарь стандартов IEEE по терминам электротехники и электроники»; 6-е изд. Нью-Йорк, Нью-Йорк, Institute of Electrical and Electronics Engineers, c1997. IEEE Std 100-1996. ISBN 1-55937-833-6 [ред. Комитет по координации стандартов 10, Термины и определения; Джейн Радац, (председатель)] 
5. Сингх, Урвиндер; Салготра, Рохит (20 июля 2016 г.). «Синтез линейной антенной решетки с использованием алгоритма опыления цветка». Neural Computing and Applications . 29 (2): 435–445. doi :10.1007/s00521-016-2457-7. S2CID  22745168.

 В этой статье использованы материалы из общедоступного федерального стандарта 1037C. Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 2022-01-22. (в поддержку MIL-STD-188 ).

Внешние ссылки

• Понимание и использование диаграмм направленности антенн Джозеф Х. Рейсерт
• Объяснение термина «Двусторонняя ширина луча»