Лучшие вопросы
Таймлайн
Чат
Перспективы

Диаграмма направленности

Из Википедии, свободной энциклопедии

Диаграмма направленности
Remove ads

Диаграмма направленности (антенны) — графическое представление зависимости коэффициента усиления антенны или коэффициента направленного действия антенны от направления антенны в заданной плоскости[1]. 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.

Thumb
ДН типичной направленной антенны (азимутальная).
Thumb
ДН по углу места.
Remove ads

Основные положения

Суммиров вкратце
Перспектива

При рассмотрении излучения антенны в дальней зоне саму антенну можно считать точечной и принять за центр сферической системы координат (, , ). Электрическая компонента электромагнитной волны, излучаемой антенной, в дальней зоне может быть представлена в комплексном виде как произведение комплексной амплитуды электрического поля, вектора поляризации и фазового множителя:

,

где — сдвиг фазы по сравнению с фазой при , — частота сигнала, — время. В дальней зоне и зависят только от углов (, ), а , помимо углов, еще и от , при этом модуль пропорционален . С магнитной компонентой всё аналогично, а средняя плотность потока энергии (вектор Пойнтинга) по величине обратно пропорциональна квадрату расстояния .

Диаграмма направленности (ДН) представляет собой нормированную на максимальное значение зависимость среднего вектора Пойнтинга

от угловых координат и точки наблюдения. Такая величина пропорциональна квадрату амплитуды поля . Она часто обозначается как

;

очевидно, что . Собственно картинка диаграммы может быть построена средствами трёхмерной или двумерной графики. С учётом того, что за основу диаграммы берётся величина вектора Пойнтинга, ДН может называться распределением «по мощности» («по энергии»).

Remove ads

Стандартные виды ДН

По форме диаграммы направленности антенны 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.

Remove ads

Характеристики

Суммиров вкратце
Перспектива

ДН характеризуется шириной её основного лепестка (главного луча) на уровне 0,5 от максимального значения по мощности и коэффициентом усиления , которые связаны соотношениями

, , ,

где , — эффективная площадь и протяженность апертуры антенны, длина волны.

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.

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

Remove ads

Специальные типы ДН

Суммиров вкратце
Перспектива

Помимо наиболее распространённых ДН — «по мощности» — существуют амплитудные, фазовые и поляризационные ДН.

В частности, амплитудная ДН антенны по полю представляет собой зависимость модуля комплексной амплитуды вектора напряженности электрической компоненты электромагнитного поля от угловых координат и в горизонтальной и вертикальной плоскости, то есть зависимость .

Также можно определить ДН как комплексную величину. В этом случае ДН есть

,

где — комплексная амплитуда вектора в точке дальней зоны.

Remove ads

Измерение ДН

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.

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

Remove ads

Формирование ДН

Суммиров вкратце
Перспектива

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

Формирование ДН 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[2][3][4].

Наибольшее распространение получило выполнение цифрового диаграммообразования (англ. digital beamforming) на основе операции быстрого преобразования Фурье[5][6][7], позволяющего формировать ортогональную систему так называемых вторичных пространственных каналов, в которой максимум диаграммы направленности одного канала совпадает с нулями остальных.

Remove ads

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

Loading related searches...

Wikiwand - on

Seamless Wikipedia browsing. On steroids.

Remove ads