2. Основные электрические параметры антенн.

Прежде чем перейти к изучению теории антенно-фидерных устройств, остановимся на вопросе об основных электрических или, точнее, радио­технических параметрах антенны.

Основным параметром передающей антенны как нагрузки для ге­нератора или фидера является ее входное сопротивление. Характерис­тикой антенны как излучателя электромагнитных волн является ее коэффициент полезного действия, а также характер распределения энергии этих волн в пространстве и их поляризация. Рассмотрим эти параметры антенны более подробно.

Входное сопротивление антенны определяется отношением напря­жения высокой частоты U_A на зажимах антенны к току питания I_A (рис. 1.9):

В общем случае это сопротивление содержит как активную R_A, так и реактивную Х_А составляющие, которые сложным образом зависят от частоты f:

На входное сопротивление антенны оказывают влияние посторонние проводники и другие тела, расположенные неподалеку от антенны.

При наличии соответствующих измерительных приборов входное сопротивление антенны можно определить путем измерения на опре­деленной частоте. Для измерения могут служить специальные высо­кочастотные измерительные мосты, антенные омметры, измеритель­ные линии и другие приборы. Для некоторых типов антенн входное сопротивление может быть определено расчетным путем. Несколько сложнее определить входное сопротивление антенны СВЧ, энергия к которой подводится с помощью волновода. О входном сопротивлении такой антенны можно судить лишь по тем отражениям от антенны, ко­торые возникают в волноводном тракте. При этом следует помнить, что коэффициент от­ражения определяется для каждого типа волны в отдельности.

Рис. 1.9. Условное обозна­чение проволочной антенны (а) и ее эквивалентная схе­ма (б).

На практике в большинстве случаев используется лишь один тип колебаний. В этом случае коэффициент отражения р можно выразить через сопротивление ан­тенны Z_A и волновое сопротивление волноводной линии Z₀ как

Коэффициент р является комплексной ве­личиной.

Из выражения (1.З) следует, что

Здесь Z_A/Z₀ есть так называемое нормированное сопротивление антенны, то есть сопротивление, выраженное в долях волнового сопротивления волновода. Коэффициент отражения в правой части равенства (1.4) может быть определен, например, экспериментально с помощью соот­ветствующих волноводных измерений или в некоторых случаях рас­считан теоретически.

Если по волноводу распространяется несколько типов волн, коэф­фициент отражения для разных типов будет иметь различные значения, и тогда понятие о входном нормированном сопротивлении антенны ста­новится неопределенным.

Антенно-фидерная система должна быть согласована определенным образом с генератором или приемником. Согласование передающей ан­тенны с фидером обеспечивает бегущую волну в фидере, а согласование фидера с генератором — нормальную работу последнего. Особенно чувствительны к изменению нагрузочного сопротивления генераторы СВЧ. Так, например, при изменении в небольших пределах сопротив­ления нагрузки по сравнению с оптимальным магнетронный генера­тор начинает генерировать колебания с неустойчивой частотой или меньшей мощности.

В приемной антенне согласование фидера с приемником обеспечи­вает бегущую волну в фидере; согласование же антенны с нагрузкой, каковой является фидер с приемником на конце, позволяет извлечь максимальную мощность из падающей на антенну электромагнитной волны.

Подводимая к антенне мощность Р_А частично излучается, а частич­но расходуется бесполезно в активном сопротивлении проводников антенны, в земле, в окружающих антенну проводниках и других пред­метах (оттяжках, строениях и т.д.).

Излучаемая антенной мощность Р_х, как для всякой линейной цепи, пропорциональна квадрату действующего значения тока в антенне I, что можно записать в виде:

где - коэффициент пропорциональности, измеряемый в омах и называемый сопротивлением излучения, отнесенным к току I.

Таким образом, сопротивление излучения можно определить как коэффициент, связывающий мощность излучения антенны с квадра­том действующего значения тока в данной точке антенны.

При определении сопротивления излучения следует оговаривать, к какому току антенны оно относится, так как ток в разных точках антенны имеет во многих случаях разное значение. Сопротивление из­лучения антенны обычно относят либо к току в пучности, либо к току в точках подвода питания. Величина сопротивления излучения зави­сит от формы антенны, ее геометрических размеров и от длины волны, на которой работает антенна.

Излучаемая антенной мощность является полезной мощностью, и соответственно сопротивление излучения антенны является полезной частью активного сопротивления, в отличие от другой части активного сопротивления антенны, обусловливающего потери.

Мощность потерь в антенне так же, как и мощность излучения, пропорциональна квадрату тока в антенне. Поэтому можно записать:

где R_п — эквивалентное сопротивление потерь, отнесенное к току I.

Сумма мощности излучения и мощности потерь дает полную мощность в антенне:

Считая, что сопротивления излучения и потерь относятся к току в точках питания антенны, получаем:

где - активное сопротивление антенны в точках пи­тания.

Для оценки эффективности работы антенны вводят понятие к.п.д. антенны, под которым понимают отношение излучаемой мощности к полной мощности, подводимой к антенне:

Из последнего выражения видно, что для увеличения к.п.д. антенны надо по возможности уменьшать сопротивление потерь по сравнению с сопротивлением излучения.

Рис. 1.10. Сферические координаты точки наблюдения.

Наглядное представление о распределении энергии волн дает ам­плитудная характеристика направленности, определяемая зависи­мостью амплитуды напряженности создаваемого антенной поля (или величины, ей пропорциональной) от направления в пространстве. Направление определяется азиму­тальным ( ) и меридиональным ( ) углами сферической системы коор­динат, как показано на рис. 1.10. При этом поле измеряется на од­ном и том же (достаточно большом) расстоянии r от антенны и предпо­лагается, что потери в среде отсут­ствуют. Графическое изображение характеристики направленности на­зывают диаграммой направлен­ности.

Пространственная диаграмма на­правленности изображается в виде поверхности . Построение такой диаграммы неудобно. Поэтому на практике обычно строят диа­граммы направленности в какой-нибудь одной плоскости, в которой она изображается плоской кривой или в полярной или де­картовой системе координат.

Данное определение относится к диаграмме направленности по по­лю. В некоторых случаях используется понятие характеристики (диаграммы) направленности по мощности, определяемой зависимостью плотности потока мощности от направления в пространстве. Плот­ность потока мощности представляет собой мощность, проходящую че­рез единичную площадку, расположенную перпендикулярно направ­лению распространения волны. Поэтому диаграмма направленности по мощности пропорциональна .

Пространственная диаграмма направленности, у которой макси­мальное значение равняется единице, называется нормированной диа­граммой и обозначается как . Она легко получается из ненор­мированной диаграммы путем деления всех ее значений на максималь­ное:

На рис. 1.11-1.15 - изображены примеры диаграмм направлен­ности различных типов. На рис. 1.11 представлена шаровая диаграмма гипотетического изотропного излучателя. Такой излучатель подобен световому точечному источнику с равномерным излучением во всех направлениях.

Простейший излучатель в виде элементарного диполя имеет торои­дальную диаграмму направленности, показанную на рис. 1.12 и выра­жаемую уравнением:

где Е₀ - напряженность поля в направлении максимума (то есть при = 90°);

- угол, отсчитываемый от оси диполя.

На рис. 1.12, а изображена пространственная диаграмма направ­ленности; на рис. 1.12, б и в — диаграммы направленности в полярных координатах для двух взаимно перпендикулярных плоскостей; на рис. 1.12, г и д - те же диаграммы в декартовых координатах. Как видно из рисунков, максимальное излучение получается в направле­ниях, перпендикулярных оси вибратора; вдоль оси вибратора излу­чение отсутствует.

На рис. 1.13 показан пример игольчатой диаграммы. Основное излучение антенны с такой диаграммой направленности сконцентри­ровано в пределах небольшого телесного утла.

На рис. 1.14 показан пример веерной диаграммы направленности. Такая диаграмма в одной плоскости сжата (обычно горизонтальной), а в другой расширена.

На рис. 1.15 показаны примеры диаграмм направленности специаль­ной формы, определяемой в вертикальной плоскости уравнением

где Е₀ - коэффициент пропорциональности; - угол в вертикальной плоскости, отсчитываемый относительно горизонта. Такие диаграммы желательно иметь в некоторых типах радиолокационных станций, на­пример в самолетных радиолокаторах наземных объектов. При отра­жении от таких объектов, находящихся на поверхности земли на раз­личных расстояниях от самолета в пределах радиуса действия радио­локатора, уровень отраженного сигнала на входе приемника будет сохраняться неизменным.

Наряду с амплитудной характеристикой направленности в качест­ве параметра антенны можно рассматривать фазовую характеристику направленности , под которой подразумевается зависимость фазы поля от направления в пространстве (на одинаковых расстояниях). Графическое изображение этой зависимости называется фазовой диа­граммой направленности антенны. Фазовая характеристика представ­ляет интерес, например, при определении угловых координат цели.

Направленное действие антенны часто оценивают по углу раство­ра диаграммы направленности, который также называют шириной Диаграммы. Под шириной диаграммы (главного лепестка) под­разумевают угол между направлениями, вдоль которых напряженность поля уменьшается в раз, по сравнению с напряженностью поля в на­правлении максимума излучения (рис. 1.16), а поток мощности соот­ветственно уменьшается вдвое.

Рис. 1.11. Диаграмма направ­ленности изотропного излуча­теля.

Рис. 1.12. Тороидальная диаграмма направленности элементарного диполя: а - пространственная диаграмма направленности; б, г - в плоскости, перпендикулярной оси диполя, в, д - в плоскости, проходящей через ось диполя.

Рис. 1.13. Игольчатая диаграмма направленности.

Рис. В.14. Веерная ди­аграмма направленности.

Рис. 1.15. Косекансная диаграмма направленности, целесообразная для исполь­зования:

в самолетном радиолокаторе (а); в наземной радиолокационной станции дальнего обна­ружения (б).

Рис. В. 16. К определению шири­ны диаграммы направленности.

В некоторых случаях под шириной подразумевают угол между направлениями (ближайшими к направлению максимума), вдоль ко­торых напряженность поля равна нулю.

Антенны, которые должны обладать ненаправленным действием, характеризуются коэффициентом равномерности диаграммы направ­ленности, под которым подразумевается отношение минимального зна­чения напряженности поля к макси­мальному в пределах диаграммы в данной плоскости.

Напряженность электрического поля, создаваемого передающей ан­тенной, характеризуется не только величиной и фазой, но и поляриза­цией, плоскость которой определяет­ся как плоскость, проходящая через направление распространения и век­тор напряженности электрического поля. Поляризация излучаемых волн определяется типом передающей ан­тенны и ее положением в пространстве. Поле одного прямолиней­ного проводника с током в свободном пространстве является ли­нейно поляризованным, то есть в рассматриваемой точке в любой момент ориентировано вдоль одной и той же прямой. Вертикальный вибратор излучает вертикально поляризованные волны (то есть волны с вектором электрического поля, лежащим в вертикальной плоскости); горизон­тальный вибратор - горизонтально поляризованные волны (то есть вол­ны с вектором электрического поля в плоскости, проходящей через ось вибратора). В приемном проводе, расположенном вдоль силовых линий электрического поля, индуктируется некоторая э.д.с. Если же провод ориентирован перпендикулярно силовым линиям электрического поля, никакой э.д.с. в нем индуктироваться не будет. В промежуточном случае, когда приемный провод и направление силовых линий электри­ческого поля составляют некоторый угол , э.д.е., наводимая в прово­де, будет пропорциональна проекции вектора Е на ось провода, то есть будет пропорциональна . Поэтому для наилучшего приема, напри­мер, вертикально поляризованных волн следует применять приемный провод, располагаемый в вертикальной плоскости перпендикулярно направлению распространения, или какую-нибудь другую антенну, рассчитанную на прием поля вертикальной поляризации.

Помимо электромагнитных полей линейной поляризации известны поля вращающейся (эллиптической) поляризации. Поле вращающей­ся поляризации может быть получено в результате сложения двух ли­нейно поляризованных полей, электрические векторы которых повер­нуты в пространстве друг относительно друга и не совпадают по фазе. Такое поле называется эллиптически поляризованным потому, что конец вектора напряженности электрического поля описывает в про­странстве эллипс за период высокой частоты. Этот эллипс при распро­странении волн в свободном пространстве лежит в плоскости, перпен­дикулярной направлению распространения, и называется поляризационным эллипсом или поляризационной характеристикой. Отношение малой оси эллипса поляризации к большой называют коэффициентом равномерности (эллиптичности) поляризационной характеристики, а зависимость его от направления - поляризационной диаграммой направленности антенны.

Коэффициент равномерности поляризационной характеристики мо­жет иметь значения от 0 до 1. В первом случае он характеризует поле линейной поляризации. Во втором случае эллипс поляризации обра­щается в круг и поле называется поляризованным по кругу.

Действующая длина антенны связывает напряженность электри­ческого поля, создаваемого антенной в направлении главного излу­чения, с током в передающей антенне. Этот параметр имеет размер­ность длины и зависит от формы антенны, ее геометрических размеров и длины волны. Более подробно вопрос о действующей длине антенны рассматривается в гл. 1.

Для сравнения между собой направленных антенн вводят пара­метр, называемый коэффициентом направленного действия (КНД).

Коэффициент направленного действия - это число, показывающее, во сколько раз пришлось бы увеличить мощность излучения антенны при переходе от направленной антенны к ненаправленной при условии сохранения одинаковой напряженности поля в месте приема (при про­чих равных условиях):

где - мощность излучения ненаправленной антенны; - мощ­ность излучения направленной антенны.

Коэффициент направленного действия в направлении максимально­го излучения для реальных антенн достигает значений от единиц до многих тысяч. Он показывает тот выигрыш в мощности, который мож­но получить за счет использования направленного действия антенны, но он не учитывает возможных потерь в направленной антенне.

Для суждения об выигрыше, даваемом антенной, при учете как ее направленного действия, так и потерь в ней служит параметр, назы­ваемый коэффициентом усиления антенны.

Коэффициент усиления антенны равен произведению КПД на к.п.д.:

Учитывая (1.10), получаем

Отношение мощностей в последнем выражении определяется при усло­вии получения одинаковой напряженности поля в точке приема.

Таким образом, коэффициент усиления показывает, во сколько раз нужно уменьшить (или увеличить) мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с мощностью, подводимой к идеаль­ной ненаправленной антенне без потерь, для того чтобы получить оди­наковую напряженность поля в рассматриваемом направлении. Если специальных оговорок не делается, то под коэффициентом усиления (так же, как и под коэффициентом направленного действия) подразу­мевается его максимальное значение, соответствующее направлению максимума диаграммы направленности.

Рабочий диапазон волн - это тот диапазон, в пределах которого антенна сохраняет свои основные параметры (направленное действие, поляризационную характеристику, согласование с фидером) с заданной точностью. Требования к постоянству параметров в пределах рабочего диапазона могут быть различными в зависимости от условий использо­вания антенны. Если ширина рабочего диапазона не превосходит не­скольких процентов от средней волны диапазона, антенна называется, узкодиапазонной; антенны с рабочим диапазоном в несколько десятков процентов и больше называются широкодиапазонными.

Максимально допустимая мощность, которая может быть подведе­на к антенне, лимитируется напряжением пробоя, возникающим в фи­дерном тракте или в самой антенне.

Большинство рассмотренных выше параметров передающих антенн будут характеризовать ту же антенну, если она используется и как приемная, причем некоторые параметры несколько изменяют свой смысл.

Внутреннее сопротивление приемной антенны равняется входному сопротивлению той же антенны, используемой как передающая.

Характеристика направленности приемной антенны определяет­ся по величине наводимой в ней э.д.с. в зависимости от угла падения приходящей волны.

Поляризационная характеристика антенны, используемой для при­ема, соответствует характеристике антенны в режиме передачи; из нее видно, какова должна быть поляризация поля в точке приема для по­лучения максимального полезного эффекта.

Коэффициент направленного действия приемной антенны показы­вает, какому увеличению мощности передатчика эквивалентно давае­мое направленной антенной превышение сигнала над уровнем помех (по сравнению с приемом на ненаправленную антенну) при условии рав­номерного распределения помех во всех направлениях.

Действующая длина антенны приобретает смысл коэффициента, связывающего э.д.с. ( _А) антенны с напряженностью электрического поля Е для направления максимального приема (при условии, что приемная антенна ориентирована в соответствии с поляризацией поля):

Эффективная площадь антенны (А) определяется как отношение максимальной мощности, которая может быть отдана приемной антен­ной (без потерь) в согласованную нагрузку, к мощности П, приходящей на единицу площади в падающей (неискаженной антенной) плоской волне:

где П равно численному значению вектора Пойнтинга.

Между эффективной площадью А и коэффициентом направленного действия антенны D существует простая связь (доказываемая в даль­нейшем):

или

Поскольку параметр D применяется как к передающим, так и к приемным антеннам, постольку и параметр А также может быть ис­пользован для характеристики свойств любых антенн - приемных или передающих.