книги из ГПНТБ / Молодов Б.И. Антенны (учебное пособие)

Рис. 1-3. К определению изменения фазы поля в точке Рх относительно точки Р i

6. Из выражения (1.1) видно, что амплитуда напряженности

поля диполя уменьшается с расстоянием по закону-^. Физически

это объясняется сферической расходимостью волн, излученных антенной. Действительно, поток энергии, расходящийся в радиаль­ ных направлениях от антенны, при отсутствии поглощения в окру­ жающей среде постоянен, однако плотность этого потока с увеличе­ нием расстояния уменьшается, поскольку площадь, через которую проходит поток энергии, возрастает.

Уменьшение напряженности поля в дальней зоне обратно про­ порционально расстоянию. Это присуще полю любой передающей

антенны.

7. Весьма существенной особенностью поля диполя в удаленных

Как величина напряженности поля, так и связанная с ней вели­ чина плотности потока мощности Оказываются зависящими от , направления на удаленную точку. Следовательно, энергия излу­ чается диполем в различных направлениях неравномерно. Наи­ большая часть энергии излучаетгс' в направлениях, близких к экваториальной плоскости (0 — 90°), перпендикулярной к оси диполя, в то время как вдоль оси диполя излучение отсутствует, таким образом, энергия излучается диполем направленно.

10

следовательно, часть мощности, подводимой к антенне, расходует­ ся на излучение. Обозначается излучаемая мощность Рг

Обычно нс вся подводимая мощность излучается, так как про­

подводимой мощности не излучается, а бесполезно расходуется н;.

Сопротивление излучения R„ представляет собой-как бы неко­

торое эквивалентное сопротивление, при протекании через которое тока / выделяется мощность, равная излучаемой мощности:

Практически, измеряя входное сопротивление антенны на рабо­ чей частоте, можно, конечно, определить только суммарное актив­ ное сопротивление /?вх и реактивную часть входного сопротивле­ ния

Следует отметить,, что если вместо реальной антенны к фидеру присоединить комплексное сопротивление, равное по величине входному сопротивлению антенны, то режим в фидере, а следова­ тельно, и режим работы передатчика не изменятся. Такое сопро­ тивление называют эквивалентом антенны.

Расчет величин сопротивления потерь Д,10Т, реактивного сопро­ тивления антенны XBi и сопротивления -излучения Д?а в большин­

стве случаев весьма затруднителен и на практике пользуются дан­ ными, полученными путем измерений гвх.

Для некоторых простых антенн, в частности для электрического диполя, расчет /?а прост и целесообразно его рассмотреть, так как

величина /?а диполя потребуется, в дальнейшем.

12

По определению

2 R

Я7Т

Следовательно, для того, чтобы найти сопротивление излучения, достаточно рассчитать мощность, излучаемую диполем.

Если в среде, окружающей диполь, потерь энергии нет, то сум­ марный ноток энергии, проходящей в единицу времени через лю­ бую замкнутую поверхность, охватывающую излучатель, одина­ ков. Подсчет излучаемой энергии оказывается наиболее простым, если в качестве замкнутой поверхности взять сферу большого радиуса R с центром в начале координат (рис. 1-4).

Для определения излучаемой мощ­ ности необходимо просуммировать поток мощности по поверхности сфе­ ры.

Площадь кольца равна:

dA —2т: R-sin Н d0.

Следовательно, ноток мощности через любое кольцо будет:

ЗОтСДЛ/- sin:f 0 d0.

X2

Произведя суммирование по всем значениям 0 в пределах от Одо тс, найдем общий поток мощности, т. е. мощность, излучаемую диполем:

13

Отметим существенную зависимость /?2 от отношения -у-:

с ростом длины антенны при постояннойщлине волны или с укоро­ чением рабочей волны при заданной длине антенны сопротивление излучения быстро растет.

Таким образом, по мере укорочения волны антенна излучает более интенсивно, так как при неизменной амплитуде тока в антен­ не оказывается возможным излучить большую мощность.

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

Передающая антенна предназначена для излучения радиоволн, поэтому чем большую долю подводимой мощности она излучает, тем более эффективно используется энергия передатчика. Отноше­ ние величины излучаемой мощности Ps к подводимой мощности Р

называют коэффициентом полезного действия т) антенны:

(U 2)

Чем ближе ij к единице, тем полнее используется мощность, подво­ димая к антенне.

Принимая во внимание соотношения (1.5), (1.7) и (1.9), можно представить т] иначе:

У большинства антенн УКВ коэффициент’полезного действия близок к единице и его в большинстве случаев принимают равным единице. Однако, например, для переносных антенн связи и неко­ торых других типов антенн т) иногда составляет 0,2-г0,3, поэюму при оценке свойств передающих антенн следует обращать внима­ ние также и на величину коэффициента полезного действия.

ДИАГРАММА (ХАРАКТЕРИСТИКА) НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫ

Как уже отмечалось ранее, амплитуда напряженности поля, создаваемого диполем, не во всех равноудаленных точках одина­ кова, т. е. диполь излучает энергию направленно. /

В соответствии с (1.1) при постоянном R

Таким образом, напряженность поля зависит от угла с осью дипо­ ля, т. е. от угла наблюдения. Графики зависимости величины на­ пряженности поля в равноудаленных точках, лежащих в одной плоскости, от угла наблюдения называются диаграммами (харак­ теристиками) направленности. Обычно на диаграммах изобра-

14

жается зависимость напряженности поля от угла наблюдения в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, в которых направ­

наблюдения, где /~(0) — величина напряженности поля на некото­ ром расстоянии R в направлении, определяемом углом в; Ь'м— максимальная величина напряженности поля, создаваемой антен­ ной на том же расстоянии R.

Отношение

называется нормированной диаграммой направленности антенны. Для передающего диполя

Поскольку /"(0) не может превышать £„„• то величинаД(в) принимает значения, лежащие в пределах от 0 до 1 для любой антенны.

Диаграммы направленности могут изображаться либо в поляр­ ных, либо в прямоугольных координатах.

На рис. 1-5 показаны диаграммы направленности диполя в двух плоскостях — проходящей через ось диполя и перпендикулярной оси, изображенные в полярных координатах.

Диаграммы дают наглядное представление о направленных свойствах диполя. Следует отметить, что в разных плоскостях одна и та же антенна может обладать различными направленными свой­ ствами. Например, диполь в плоскости, перпендикулярной оси, излучает во все стороны одинаково, т. е. не обладает направлен­ ностью, в то время как в плоскости, совпадающей с его осью, имеется явно выраженная направленность излучения. Вдоль своей оси диполь энергию не излучает. Диаграммы диполя могут быть изображены также и в прямоугольных координатах (рис. 1-6). Прямоугольные координаты более удобны при изображении диа­ грамм антенн, обладающих высокой направленностью, поскольку имеется возможность выбирать произвольно большой масштаб по оси, на которой откладывается угол наблюдения.

Диаграммы направленности антенн, обладающих большой на­ правленностью, имеют характерный вид, показанный на рис. 1-7. Диаграмма направленности имеет обычно «многолепестковый» характер. Наряду с главным лепестком, вдоль оси которого излу­ чение максимально, имеется ряд. боковых лепестков, в пределах которых излучение значительно меньше, чем в направлении макси-

15

/,о

0,9

48

4?

¥

%$

¥

¥

¥

го н) во го юо но то по то гооого24огво г го ко ito fi? зес 9>

i,

Рис. 1-8. Прострпнственная диаграмма направленности диполя, расположенного вдоль оси г

оси г ,— окружность, представляющую диаграмму диполя в эква­ ториальной плоскости.

Построение пространственной диаграммы обычно не произво­ дится. Как правило, ограничиваются рассмотрением диаграмм в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, проходящих через направление главного излучения и пересекающих главный лепе сток пространственной диаграммы в направлениях его наибольшей и наименьшей ширины. Как указывалось выше, такие плоскости называются главными.

В заключение отметим, что вместо нормированных д«ягп°мм f(f), F(6) или F(?, в) часто рассматривают зависимости f(f), /(0) или /(<р, 0), отличающиеся от нормированных диаграмм и от величины напряженности поля в равноудаленных точках на произ­ вольный постоянный множитель.

Если в аналитической форме или в виде таблицы задана ненор­ мированная диаграмма, например /(Я), то нормированную диа­ грамму находят, разделив /(0) на максимальное значение /йакс(^):

/(Q)

/=•(©) =

/макс )

или соответственно

КОЭФФИЦИЕНТ НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ И КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ

Как уже отмечалось выше, электрический диполь излучает энергию в различных направлениях неравномерно. Поток энергии, излученной диполем, имеет наибольшую плотность в экваториаль­ ной плоскости, перпендикулярной оси диполя. Из самых элементар­ ных соображений ясно, что при направленном излучении, когда энергия излучается антенной в пределах небольшого телесного

18

угла, в удаленных точках может быть создана большая плотность потока мощности, а следовательно, и большая напряженность поля, чем в том случае, когда излучаемая мощность распределяется по всем направлениям равномерно, т. е. антенна не обладает направ­ ленностью.

Действительно, определяя плотность потока мощности на неко­ тором расстоянии R от антенны, в случае ненаправленной антенны

В случае же направленного излучения энергия проходит только через некоторую часть поверхности сферы, и если мощности, излу­ чаемые направленной и ненаправленной антеннами, одинаковы, то плотность потока мощности, создаваемая направленной антенной, естественно, оказывается большей.

В тех случаях, когда осуществляется связь между двумя пунк­ тами или необходимо излучать энергию в направлении какого-либо точечного объекта (например при радиолокации), направленное излучение оказывается весьма выгодным во многих отношениях.

Для количественной оценки направленности передающей антен­ ны применяется параметр, носящий название «коэффициент на­ правленного действия», обозначаемый D или к.н.д.

Коэффициентом направленного действия называют отношение максимальной плотности потока мощности, создаваемой направ­ ленной передающей антенной на расстоянии R, к плотности потока мощности, создаваемой на таком же расстоянии ненаправленной антенной, при излучении направленной и ненаправленной антенна­ ми одинаковой мощности. Следовательно,

Pw— излучаемая мощность ненаправленной антенны.

Величину Д определенную по (1.16), называют иногда макси­ мальным коэффициентом направленного действия антенны.

Необходимо заметить, что величина коэффициента направлен­ ного действия определяется только направленными свойствами антенны, т. е. характером распределения относительной величины излучаемой мощности в различных направлениях. От величины мощности, подводимой к антенне, ни распределение излучаемой мощности в пространстве, ни коэффициент направленного действия не зависят.

Для двух антенн, пространственные нормированные характе­ ристики которых одинаковы, коэффициент направленного действия будет иметь одинаковую величину.

Определим D для электрического диполя.