Диаграмма направленности

Направленное изменение силы радиоволн

Трехмерные диаграммы направленности антенны. Радиальное расстояние от источника в любом направлении представляет собой силу излучения, испускаемого в этом направлении. Вверху показана диаграмма направленности рупорной антенны , внизу показана всенаправленная диаграмма направленности 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 области волоконной оптики , лазеров и интегральной оптики термин «диаграмма излучения» также может использоваться как синоним диаграммы направленности ближнего поля или диаграммы Френеля . ^[4] Имеется в виду позиционная зависимость электромагнитного поля в ближней зоне или области Френеля источника. Диаграмма ближнего поля чаще всего определяется по плоскости, расположенной перед источником, или по цилиндрической или сферической поверхности, окружающей его. ^{[1] [4]}

Диаграмма направленности антенны в дальнем поле может быть определена экспериментально в диапазоне антенны или, альтернативно, диаграмма направленности в ближнем поле может быть найдена с помощью сканера ближнего поля , а диаграмма направленности выведена из него путем вычислений. ^[1] Диаграмму направленности в дальней зоне также можно рассчитать по форме антенны с помощью компьютерных программ, таких как NEC . Другое программное обеспечение, такое как HFSS , также может рассчитывать ближнее поле.

Диаграмма направленности в дальнем поле может быть представлена ​​графически в виде графика одной из ряда связанных переменных, в том числе; напряженность поля при постоянном (большом) радиусе ( диаграмма амплитуды или диаграмма поля ), мощность на единицу телесного угла ( диаграмма мощности ) и директивное усиление . Очень часто на графике отображается только относительная амплитуда, нормированная либо на амплитуду в направлении оси антенны , либо на полную излучаемую мощность. Величина на графике 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

Фундаментальным свойством антенн является то, что диаграмма направленности приема (чувствительность как функция направления) антенны, когда она используется для приема , идентична диаграмме направленности антенны в дальней зоне, когда она используется для передачи . Это является следствием теоремы взаимности электромагнетизма и доказывается ниже. Поэтому при обсуждении диаграмм направленности антенну можно рассматривать либо как передающую, либо как приемную, в зависимости от того, что удобнее. Это относится только к пассивным антенным элементам; активные антенны, в состав которых входят усилители или другие компоненты, больше не являются взаимными устройствами.

Типичные шаблоны

Типичный график полярной радиации. Большинство антенн имеют структуру «лепестков» или максимумов излучения. В показанной здесь направленной антенне самый большой лепесток в желаемом направлении распространения называется « основным лепестком ». Остальные лепестки называются « боковыми лепестками » и обычно представляют собой излучение в нежелательных направлениях.

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

Простейшие антенны — монопольные и дипольные — состоят из одного или двух прямых металлических стержней, расположенных вдоль общей оси. Эти аксиально-симметричные антенны имеют диаграммы направленности с аналогичной симметрией, называемые всенаправленными диаграммами направленности; они излучают одинаковую мощность во всех направлениях, перпендикулярных антенне, при этом мощность меняется только в зависимости от угла к оси и падает до нуля на оси антенны. Это иллюстрирует общий принцип: если форма антенны симметрична, ее диаграмма направленности будет иметь такую ​​же симметрию.

В большинстве антенн излучение разных частей антенны интерферирует под некоторыми углами; диаграмму направленности антенны можно считать интерференционной . Это приводит к нулевому излучению под определенными углами, где радиоволны из разных частей приходят не по фазе , и к локальным максимумам излучения под другими углами, где радиоволны приходят в фазе . Таким образом, график излучения большинства антенн показывает структуру максимумов, называемых « лепестками » под разными углами, разделенных « нулями », при которых излучение достигает нуля. Чем больше антенна по сравнению с длиной волны, тем больше будет лепестков.

Прямоугольный график радиации, 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 лепестке, направленном в желаемом направлении. Поэтому на графике излучения этот лепесток выглядит больше остальных; ее называют « главной долей ». Ось максимального излучения, проходящая через центр главного лепестка, называется «осью луча » или осью прицеливания ». В некоторых антеннах, таких как антенны с расщепленным лучом, может существовать более одного главного лепестка. Остальные лепестки Рядом с главным лепестком, представляющим нежелательное излучение в других направлениях, называются второстепенные лепестки. Второстепенные лепестки, ориентированные под углом к ​​основному лепестку, называются « боковыми лепестками ». Второстепенные лепестки в направлении, противоположном (180°) от основного лепестка. называется « задняя доля ».

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 крупными из второстепенных лепестков. Уровень второстепенных лепестков обычно выражается как отношение плотности мощности в рассматриваемом лепестке к плотности мощности в большом лепестке. Это соотношение часто называют соотношением 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 изготовления. Например, в большинстве радиолокационных систем низкие коэффициенты боковых лепестков очень важны для минимизации ложных указаний цели через боковые лепестки.

Доказательство взаимности

Полное доказательство см. в статье о взаимности (электромагнетизме) . Здесь мы представляем обычное простое доказательство, ограниченное приближением двух антенн, разделенных большим расстоянием по сравнению с размером антенны, в однородной среде. Первая антенна — это испытательная антенна, диаграммы направленности которой необходимо исследовать; эта антенна может быть направлена ​​в любом направлении. Вторая антенна является эталонной антенной и жестко направлена ​​на первую антенну.

Каждая антенна поочередно подключается к передатчику, имеющему определенный импеданс источника, и приемнику, имеющему одинаковый входной импеданс (импеданс может различаться между двумя антеннами).

Предполагается, что две антенны расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы на свойства передающей антенны не влияла нагрузка, возлагаемая на нее приемной антенной. Следовательно, количество мощности, передаваемой от передатчика к приемнику, может быть выражено как произведение двух независимых факторов; один зависит от свойств направленности передающей антенны, а другой - от свойств направленности 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 антенны, а обозначают мощность, которую передатчик мог бы передать в согласованную нагрузку. Выигрыш можно разделить на три фактора; усиление антенны (направленное перераспределение мощности), эффективность излучения (учет омических потерь в антенне) и, наконец, потери из-за рассогласования между антенной и передатчиком. Строго говоря, чтобы учесть несоответствие, его следует называть реализованным выигрышем ^[4] , но это не является общепринятым употреблением. ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \Phi }$ ${\displaystyle P_{t}}$ ${\displaystyle G}$

Для приемной антенны мощность, подаваемая в 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 будет занимать, чтобы перехватить наблюдаемую захваченную мощность). Аргументы направленности теперь относятся к приемной антенне и снова учитывают омические потери и потери рассогласования. ${\displaystyle W}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle A}$

Если объединить эти выражения, то мощность, передаваемая от передатчика к приемнику, равна

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

где и – зависящие от направления свойства передающей и приемной антенн соответственно. Для передачи от эталонной антенны (2) к тестовой антенне (1), т.е. ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle A}$

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

и для передачи в обратном направлении

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

Здесь коэффициент усиления 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 взаимности требует, чтобы передача мощности была одинаково эффективной 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 (поскольку ориентация антенны 2 фиксирована), и поэтому

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

т.е. зависимость эффективной апертуры (приема) и усиления (передачи) от направления идентична (QED). Более того, константа пропорциональности одинакова независимо от типа 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 чаще указывают коэффициент усиления, чем эффективную апертуру. Поэтому мощность, подаваемая в приемник, чаще всего записывается как

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

(см. ссылку бюджет ). Однако эффективная апертура представляет интерес для сравнения с фактическим физическим размером антенны.

Практические последствия

• При определении диаграммы направленности приемной антенны путем компьютерного моделирования нет необходимости выполнять расчет для всех возможных углов падения. Вместо этого диаграмма направленности антенны определяется путем одного моделирования, а диаграмма направленности приема выводится на основе взаимности.
• При определении диаграммы направленности антенны путем измерения антенна может быть либо приемной, либо передающей, в зависимости от того, что удобнее.
• Для практичной антенны уровень боковых лепестков должен быть минимальным, необходимо иметь максимальную направленность. ^[5]

Смотрите также

• Моделирование антенны
• E-плоскость и H-плоскость

Рекомендации

1. Константин А. Баланис: «Теория, анализ и проектирование антенн», John Wiley & Sons, Inc., 2-е изд. ISBN  1982 года 0-471-59268-4
2. Дэвид К. Ченг: «Полевая и волновая электромагнетика», Addison-Wesley Publishing Company Inc., издание 2, 1998. ISBN 0-201-52820-7 
3. Эдвард К. Джордан и Кейт Г. Балмейн; «Электромагнитные волны и излучающие системы» (2-е изд. 1968 г.) Прентис-Холл. ISBN 81-203-0054-8 
4. Институт инженеров по электротехнике и электронике, «Стандартный словарь IEEE терминов по электротехнике и электронике»; 6-е изд. Нью-Йорк, Нью-Йорк, Институт инженеров по электротехнике и электронике, 1997 г. Стандарт IEEE 100-1996. ISBN 1-55937-833-6 [изд. Координационный комитет по стандартам 10, Термины и определения; Джейн Радац, (председатель)] 
5. Сингх, Урвиндер; Салготра, Рохит (20 июля 2016 г.). «Синтез линейной антенной решетки с использованием алгоритма опыления цветов». Нейронные вычисления и их приложения . 29 (2): 435–445. дои : 10.1007/s00521-016-2457-7. S2CID  22745168.

 Эта статья включает общедоступные материалы из Федерального стандарта 1037C. Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).

Внешние ссылки

• Понимание и использование диаграмм направленности антенны Джозеф Х. Рейзерт
• Пояснение термина «Двусторонняя ширина луча»