4.9. Параметры антенн

4.9.1. Назначение и классификация антенн

Антенной называется радиотехническое устройство, предназначенное для излучения или приема электромагнитных волн. Это важнейший элемент любой радиотехнической системы, к которым относятся системы радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиоуправления, радиорелейной связи, радиолокации и др.

В конструктивном отношении антенна представляет собой провода, металлические поверхности, диэлектрики, магнитодиэлектрики с распределенными на них токами. Назначение антенн видно из рис. 4.9, на котором изображена блок-схема системы радиосвязи.

Электромагнитные колебания высокой частоты с помощью направляющей системы, которая называется фидером, возбуждают токи (проводимости и (или) смещения) в антенне. Антенна преобразует указанные токи в электромагнитные волны, которые излучаются в свободное пространство. Приемная антенна улавливает электромагнитные волны свободного пространства, преобразует их в электромагнитные волны фидера, которые поступают на вход приемника.

Антенны можно классифицировать по различным признакам: по диапазонному принципу, по характеру излучающих элементов, по виду радиотехнической системы, в которой используется антенна. По диапазонному признаку антенны делятся на: мириаметровые, километровые, гектометровые, декаметровые, метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые. Последние четыре в литературе часто называют антеннами УКВ диапазона. Названия антенн соответствуют названиям диапазонов волн, данных в «Регламенте радиосвязи» (более подробно см. в разд. 5). По характеру излучающих элементов антенны делят на: вибраторные, апертурные, поверхностных волн и др. По виду радиотехнических систем: для радиосвязи, для радиовещания, телевизионные и др.

4.9.2. Основные параметры антенн

При нахождении электромагнитного поля, создаваемого антенной, ее рассматривают как совокупность бесконечно большого числа элементарных излучателей, поля излучения которых известны. Применяя принцип суперпозиции, можно найти поле, создаваемое антенной.

Из теории антенн известно, что комплексные амплитуды векторов электромагнитного поля, создаваемого антенной в однородной среде и в дальней зоне, определяются следующими формулами:

, (4.24)

, (4.25)

где – множитель, не зависящий от направления на точку наблюдения;,  – координаты точки наблюдения; – расстояние от антенны до точки наблюдения;– орт радиус-вектор точки наблюдения;– волновое сопротивление среды, окружающей антенну;– волновое число;– векторная комплексная характеристика направленности антенны, которая полностью характеризует поле антенны в дальней зоне и в сферической системе координат представляется в следующем виде:

, (4.26)

где

, . (4.27)

Функции ив формуле (4.27) называютамплитудными характеристиками направленности (по соответствующим проекциям), а функции и– фазовыми характеристиками направленности.

Отметим, что вид поляризации электромагнитного поля, излучаемого антенной, определяется видом функций ,,и. Например, если одна из функцийиравна нулю, то электромагнитное поле антенны линейно поляризовано.

Кроме амплитудных характеристик направленности вводят также характеристику направленности по мощности

. (4.28)

Отметим, что все приведенные характеристики определяются при постоянном расстоянии r до точки наблюдения.

Для удобства анализа вводятся понятия нормированных (к максимально­му значению) характеристик направленности. Например, нормированная харак­теристика направленности по мощности определяется по формуле

, (4.29)

где Р_max(₀, ₀) – значение характеристики направленности по мощности в направлении максимального излучения (₀, ₀).

Графическое представление нормированных характеристик направлен­ности называют диаграммами направленности (ДН) антенны. При этом разли­чают пространственные ДН и сечения пространственных ДН главными плоскостями.

Для антенн, излучающих линейно поляризованное поле, главными плоскостями прост­ранственной ДН называют плос­кости, в которых лежит либо век­тор (плоскость Е), либо вектор(плоскостьН).

Изображают ДН в полярных и декартовых системах координат. Например, ДН элементарного виб­ратора в Е плоскости в полярных координатах изображе­на на рис. 4.10.

На рис. 4.11 представлено сечение ДН реальной антенны в прямоугольных координатах.

Отметим, что ДН иногда удобно изображать в логарифмическом масштабе:

Р(, )=10lg Р(, ), дБ. (4.30)

Из рис 4.11 видно, что ДН антенны имеет многолепестковый характер. При этом различают главный лепесток – лепесток, в направлении которого значение ДН максимально, и боковые лепестки. Для сравнения ДН вводят следующие понятия:

1) – ширина главного лепестка (ширина луча) по уровню 0,5 по мощности (по уровню 0,707 по напряженности поля);

2) ₀ – ширина главного лепестка по нулям (см. рис. 4.11);

3) _N – уровень боковых лепестков, который равен отношению напряженности поля, создаваемой антенной в направлении максимума боковых лепестков к излучению в направлении максимума главного излучения.

Ширина луча и уровень боковых лепестков антенны являются параметрами, определяющими разрешающую способность и помехозащищен­ность радиосистем.

Важнейшей характеристикой антенны, которая характеризует способ­ность антенны концентрировать излучение электромагнитного поля в каком-нибудь определенном направлении (это понятие введено в 1929 г. А.А. Пис­толькорсом), является коэффициент направленного действия (КНД).

КНД называется отношение модуля вектора Пойнтинга в данном направлении (, ) к усредненному (по поверхности сферы в дальней зоне) модулю вектора Пойнтинга:

D(, ) = П(, )/П_уср. (4.31)

КНД показывает, во сколько раз должна быть увеличена излучаемая мощность при замене направленной антенны на абсолютно не направленную гипотетическую антенну при условии сохранения постоянного модуля вектора Пойнтинга в точке наблюдения.

Например, КНД элементарного вибратора 1,5.

КНД тем больше, чем уже главный лепесток пространственной ДН и чем меньше относительный уровень боковых лепестков.

КНД не учитывает потерь подводимой энергии в проводниках антенны, в изоляторах, в окружающих антенну предметах и в земле. В связи с этим вводится параметр, учитывающий эти потери, называемый коэффициентом усиления (КУ) антенны. КУ рассчитывается по формуле:

G = D  , (4.32)

где  – КПД антенны.

КУ для современных антенн может достичь сотен тысяч и даже миллионы единиц.

Антенны излучают поля линейно поляризованных волн (например, симметричный вибратор) во всех направлениях. Существуют антенны, рассчитанные на излучение (прием) поля круговой поляризации (спиральные антенны).

Однако имеются антенны, которые либо из-за своих конструктивных особенностей, либо из-за неточностей исполнения излучают волны чисто линейной поляризации только в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через направления максимального излучения (главные плоскости). Поляризация поля в этих плоскостях называется главной или основной.