Характеристики направленности антенны
Если антенна направленная, то плотность потока мощности излучения такой антенны в разных направлениях различная. Абсолютно ненаправленным является только точечный изотропный излучатель, а всякая реальная антенна хотя бы в какой-то мере направлена. О направленных свойствах антенны судят по ее характеристике направленности и параметрам — ширине диаграммы направленности, коэффициентам направленного действия и усиления антенны.
Характеристикой направленности антенны называется зависимость напряженности поля излучения от направления при условии измерения этого поля на одинаковом расстоянии от антенны.
Напряженность поля в полной мере характеризуется амплитудой, фазой и поляризацией. В связи с этим можно говорить об амплитудной, фазовой и поляризационной характеристиках направленности. Чаще всего пользуются амплитудной характеристикой направленности; в ее названии обычно опускают слово «амплитудная». Функция, выражающая эту характеристику, называется функцией направленности. Графически представленная функция направленности называется диаграммой направленности.
Шириной диаграммы
направленности называется угловой
сектор, охватывающий часть главного
лепестка диаграммы, в пределах которого
напряженность поля изменяется до
= 0,707 от напряженности поля в направлении
максимального излучения. Это, очевидно,
соответствует изменению по мощности
до (
= 0,5 (3 дб). Иногда ширина диаграммы
направленности антенны отсчитывается
на нулевом уровне (обозначается
)
или на уровне 0,1 (обозначается
)
от максимума.
Коэффициентом направленного действия (КНД) D называется отношение плотности потока мощности, излучаемой данной антенной в определенном направлении, к плотности потока мощности, которая излучалась бы абсолютно ненаправленной антенной в любом направлении, при равенстве полной мощности излучения обеих антенн и при условии, что измерения производятся на одинаковом удалении от них. Наибольший интерес представляет КНД в направлении максимального излучения антенны:
(72)
Этот коэффициент впервые введен А. А. Пистолькорсом в 1929 г.
Обозначим действующие
значения напряженности поля на расстоянии
r
от
данной антенны в направлении ее
максимального излучения через
и на том же расстоянии от фиктивного
ненаправленного (изотропного) излучателя
через
.
Так как
,
a
(73)
Теперь выведем
зависимость коэффициента D от параметров
вибратора с равномерным распределением
тока. По определению, мощность излучения
этого вибратора
должна
быть равна мощности излучения изотропного
излучателя. Поэтому, разделив
на поверхность сферы радиуса г, т. е. на
,
получим плотность потока мощности
изотропного излучателя
.
Вместе с тем
где
.
Отсюда находим:
. (74)
Это соотношение позволяет записать:
(75)
Для диполя Герца сопротивление излучения:
(76)
и, следовательно, его коэффициент направленного действия равен:
Коэффициентом усиления антенны (КУ) G называется произведение коэффициента направленного действия на к. п. д. антенны, т. е.
(77)
КУ более полно характеризует антенну, чем КНД, так как множитель D учитывает только концентрацию энергии в определенном направлении, а другой множитель г)А — еще и уменьшение излучения вследствие потерь мощности в антенне.
Коэффициенты направленного действия и усиления антенны могут быть измерены в неперах и децибелах.
Допустим, что
мощность излучения антенны равномерно
распределена по всем направлениям,
тогда в направлении, где плотность
потока мощности максимальна
,
она уменьшится до
.
Пусть, кроме того, такая ненаправленная
антенна станет идеальной, т. е. в ней не
будет потерь (к. п. д.
); тогда плотность потока мощности
излучения уменьшится менее значительно
до величины.
В антенне, не
имеющей потерь, мощность излучения
равна подводимой. Следовательно, для
реальной антенны плотность
соответствует подводимой мощности и
ее к. п. д.
равен:
;
(78)
а коэффициент усиления:
; (79)
Иначе говоря,
коэффициент направленного действия
определяется на основе сравнения данной
антенны с ненаправленной, имеющей такие
же потери, как данная направленная
антенна, т. е. отношением
,
а коэффициент усиления на основе
сравнения с ненаправленной и не имеющей
потерь антенной, т. е. отношением
.
Так как абсолютно
ненаправленных излучателей нет, то
коэффициент усиления антенны часто
определяют, сравнивая ее с симметричным
вибратором длиной
.