7. Дальняя, ближняя и промежуточная зоны антенны. Структура эмп в данных зонах. Комплексная дн антенны. Формы представления диаграмм направленности (Богачков)

В настоящее время принято изучать главным образом свойства антенны в передающем режиме. Если распределение электрических токов известно во всех точках антенны (например, проволочного вибратора), то ЭМП, создаваемое антенной, можно найти, вычислив сначала векторный потенциал, а затем продифференцировав по координатам компоненты этого потенциала, но более просто расчет поля таких антенн осуществляют методом суперпозиции. Ввиду линейности уравнений Максвелла можно разбить проволочную антенну на элементарные участки, каждый из которых при малой толщине провода можно рассматривать как элементарный электрический вибратор, и далее найти результирующее поле путем суммирования всех элементарных полей с учетом их поляризаций, амплитуд и фаз. Принцип суперпозиции используется при расчете поля излучения и магнитных токов.

Как элемент цепи, антенна в режиме излучения описывается входным сопротивлением. Некоторое представление о действительной части этой комплексной величины, а также об излучающих способностях антенны дает параметр, называемы сопротивлением излучения антенны R_ [Ом] , где комплексная амплитуда тока берется в некоторой удобной точке антенны. Наибольший практический интерес при излучении антенны представляет ЭМП, создаваемое на большом расстоянии от нее (т.н. дальняя зона антенны или зона Фраунгофера).

Главные свойства ЭМП излучающей системы в дальней зоне:

1. Поле дальней зоны имеет поперечный характер, т.е. составляющие векторов Е и Н в направлении распространения отсутствуют.

2. Векторы полей Е и Н имеют в общем случае по два компонента и .Так как компоненты могут быть сдвинуты по фазе один относительно другого, то вектор Е (а также и вектор Н) не будет иметь постоянного направления в пространстве. Поле излучения в дальней зоне будет иметь в общем случае эллиптическую поляризацию.

3. Поле в окрестности точки наблюдения в дальней зоне носит характер плоской волны, т.е. , а также находятся в фазе и их отношение равно волновому сопротивлению

4. Зависимость поля от расстояния R имеет вид элементарной сферическойblость поля от расстояния К.т характер плоской волны00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 волны.

5. Угловое распределение составляющих вектора поля Е в дальней зоне не зависит от расстояния R.

6. Поток мощности излучения в дальней зоне всегда направлен радиально.

При расстояниях дальняя зона излучающей системы плавно переходит в промежуточную зону (область Френеля). В целом ЭМП в промежуточной зоне носит более сложный характер. Свойства 1-3 для дальней зоны сохраняются неизменными. Зависимость поля от расстояния уже не имеет характера сферической волны, на монотонное убывание поля по закону 1/R накладывается осциллирующее затухающее колебание. Угловое распределение составляющих векторов поля оказывается зависящим от расстояния R, ДН искажаются.

На расстояниях располагается ближняя зона излучающей системы. ЭМП здесь носит сложный характер. В ближней зоне в общем случае присутствуют все компоненты поля, зависимость поля от расстояния носит нерегулярный характер, вектор Пойтинга является комплексным и по направлению может не совпадать с радиус–вектором R. В ближней зоне всегда имеется некоторый запас ЭМ энергии, затрудняющий согласование входа антенны в широкой полосе частот.

Комплексную диаграмму направленности (ДН) антенны можно вводить по отношению как к результирующему полю (независимо, электрическому или магнитному, ввиду их пропорциональности в дальней зоне), так и к его отдельным компонентам

Векторную комплексную ДН антенны удобно записать в виде

где - амплитудная ДН антенны (её квадрат является ДН антенны по мощности); - нормированная векторная комплексная функция, которая характеризует зависимость поляризации излучения от направления (поляризационная ДН); - зависимость фазы ЭМП от направления излучения (фазовая ДН антенны).

- угол между осью z и направлением r-вектора;

- угол между i направлением проекции r- вектора.

Амплитудная ДН представляет собой пространственную фигуру, поверхность которой описывается концом радиуса-вектора, исходящего из начала координат, длина которого в каждом направлении равна функции Часто ограничиваются амплитудными ДН, изображающими сечения пространственных ДН в каких-либо плоскостях, обычно взаимно перпендикулярных.

Если и имеют фазовый сдвиг, то вектор поля вращается со временем и описывает эллипс в плоскости, перпендикулярной направлению распространения (поле эллиптической поляризации). Если и не имеют фазового сдвига, то ЭМП колеблется в фиксированной плоскости (волна линейной поляризации).

Знание фазовой ДН важно прежде всего для решения вопроса, имеет ли данная антенна фазовый центр. Если (или меняется скачком на 180⁰ при переходе амплитудной ДН через нуль), то такая антенна имеет фазовый центр в точке, с которой было совмещено начало координат при расчете или измерении фазовой ДН. Поле излучения антенны в этом случае представляет чисто сферическую волну, исходящую из фазового центра. Если , то антенна не имеет фазового центра, но для неё можно подобрать точку, относительно которой фазовая ДН наименее уклоняется от некоторой постоянной величины. Эта точка называется центром излучения антенны.

Направленные свойства ДН оценивают по углу раствора. Ширина ДН – величина угла между направлениями, вдоль которых напряженность поля уменьшается в раз. Ширина ДН ''по нулям'' соответствует величине угла между ближайшими от максимума направлениями, в которых поле равно 0. ДН бывают по мощности и по напряжению. По форме ДН классифицируют на: 1). Торроидальная 2). Игольчатая(характеризуется высокой степенью направленности и имеет одинаковую ширину во всех плоскостях, проходящих через направление главного лепестка 3). Веерные 4). Косекансные(форма похожа на форму прямой ).

Виды построения ДН могут быть следующими:

- Двумерные (в двух плоскостях)

- Картографическое построение ДН (в плоскостях азимута и угла места строятся уровни).

- Плоские ДН – представляют в полярной системе координат, реже – в декартовой системе координат. Шкалы применяют равномерную и логарифмическую.