5.1.1. Направленность излучения

Направленность (Н) излучателей и приемников ЛИС - это свойство, заключающееся в наличии некоторой пространственной избирательности, т.е. способности излучать (принимать) волны в одних направлениях в большей степени, чем в других.

В общем случае различают Н излучателя и Н приемника. В режиме излучения Н определяется интерференцией когерентных колебаний, приходящих в данную точку среды от отдельных (малых по сравнению с длиной волны в среде) участков из­луча­теля или отдельных элементов сложного излучателя, состоящего из многих элементов (в частности, излу­чающей антенны). Для Н необходимо, чтобы

d_хар >> 

где d_хар - характерный размер излучателя (например, его диаметр).

В случае приемника Н вызывается интерференцией напряженностей (для звука - давлений) на его поверхности.

Н - важнейшая характеристика локации, обеспечивающая саму возможность связи. В природе она реализуется благодаря фокусировке сигнала, за счет интерференции его составляющих, излучаемых несколькими источниками. (Такими источниками у летучей мыши, например, подковоноса, являются две ноздри, расстояние между которыми приблизительно соответствует 2 излучаемого звука). Ширина диаграммы направленности излучающего аппарата летучих мышей составляет 30 ... 50⁰, а приемного -варьируется впределах 1 … 50⁰. Указанные обстоятельства обеспечиваю высокую разрешающую способность локационного аппарата летучей мыши, и позволяет ей различать проволоку толщиной 0,2 мм, натянутую на расстоянии всего 5 мм от плоской отра­жающей поверхности. Высокая разрешающая способность характерна и для навигационной системы дельфина. В частности, афалина обнаруживает шарик диаметром 3 мм на расстоянии 5 м [ ].

Наиболее простая математическая мо­дель, описывающая излучатель, основана на его представлении в виде дискретной или непрерывной совокупности малых по срав­нению с длиной волны излучающих эле­ментов, а поле излучателя определяется суммированием сферических волн, созда­ваемых отдельными элементами. Общие теоретические методы описания Н излучений основываются на использовании функций Грина, позволяющих связать геометрические характеристики излучателя и излучаемого сигнала. Однако точные решения для излучателей произвольной формы в настоящее время отсутствуют. Это обусловлено сложностью формы поля вблизи излучающей поверхности. Полученные решения относятся лишь к преобразователям, имеющим достаточно простые формы излучающих поверхностей (плоские, сферические).

Н излучателей и приемников ЛИС описывается двумя параметрами:

• характеристикой (диаграммой) направленности;

• коэффициентом концентрации.

Характеристикой Н D(r) преобразователя называется зависимость мощности или напряженности E излучаемого поля от направления r: D(r) = E(r)/E(R₀). Здесь направление R₀ обычно выбирают так, чтобы оно совпадало с направлением максимума излучения или максимума чувствительности (для приемника). В графическом виде характеристика Н представляется пространственной или плоской диаграммой Н (рис. 5.3), отображаемой в полярных (а) или декартовых (б) координатах. На практике обычно рассматривают модуль плоской диаграммы Н, называемый ее амплитудной характеристикой:

|D()| = |E()|/|E_max|.

Аргументом характеристики Н, как правило, является угол , отсчитываемый от направления мак­­­­­сималь­ного излучения. Угол ди­аграм­мы зависит от час­тоты излучателя.

Диаграмма Н описывается следующими параметрами:

• главным и добавочным максимумами (лепестками);

• шириной главного максимума ₀, определяемой углом ме­жду направлениями нулевого излучения (или по уровню 0,707, т.е. по уровню соответствующему 50 % излучаемой мощности);

• отношением значений уровней добавочных максимумов к главному.

Лепестковый характер диаграммы Н связан с интерференцией полей, излучаемых отдельными элементами. В главном лепестке направленного преобразователя сосредоточено свыше 90% всей излучаемой мощности. Наименее направленными излучателями являютсявибратор Герца (диполь), представляющий собой короткий кусок провода с емкостями на концах и рамка (магнитный диполь) - виток провода, диаметр которого мал по сравнению с . Их диаграммы Н имеют форму тороида (рис. 5.4). Н реальных излучателей (и приемников) в горизонтальной и вертикальной плоскостях различаются. Так, в радиолокационных системах сантиметрового ди­апазона диаграмму Н делают узкой в горизонтальной плоскости и широкой (либо состоящей из множества узких лучей) - в вертикальной.

Коэффициент концентрации (называемый также коэффициентом направленного действия - КНД), характеризует меру концентрации излучаемой энергии вдоль некоторого направления (обычно направления главного максимума диаграммы Н). КНД K_нд определяется как отношение мощности излучения, в направлении главного максимума W_, к мощности гипотетического «нена­правленного» излучателя с такой же излучае­мой мощностью W на том же расстоянии l:

K_нд = W_/W

«Ненаправленным» считается излучатель с диаграммой Н типа шара. Его мощность W₁ в единице телесного угла равна W/4. Тогда K_нд = 4 W_/W. Для простейших преобразователей ЛИС (диполей) K_нд = 1,5.

Н зависит от волнового размера излучателя d_хар/ (от­ношения его характерных разме­ров, обы­чно длины или диаметра к длине волны). С уве­личением d_хар/ уменьшается ширина диаграммы Н и возрастает коэффициент концентрации (рис. 5.5б). В современных ЛИС, преобразователи которых состоят из большого числа элементарных диполей (так называемые антенные решетки), существует возможность уп­равления диаграммой Н. Это делается путем соответствующего амплитудно-фа­зового рас­пре­деления излучения по поверхности преобразователя (рис. 5.5а). Так, например, амплитудные распределения, характеризуемые спадом амплитуды излучения к краям изл­учающей повер­хно­сти, расширяют основной максимум диаграммы Н и уменьшают добавочные, а распределения с возрастанием амплитуды к краям, наоборот, уменьшают ширину главного максимума и увеличивают уровень добавочных (рис. 5.5а). Использование принципов управления фазой излучения позволяет поворачивать главный максимум диаграммы Н. В частности, при линейной зависимости фазы от координаты излучателя осуществляется сканирование среды излучения.

В ЛИС довольно часто применяются обратимые преобразователи. Их характеристики Н в режимах приема и излучения будут одинаковы, если обеспечивается постоянство амплитудного распределения и внутреннего механического сопротивления преобразователя.