Принципы расчёта

где - КПД антенны; R _∑ и R_∏ - сопротивление излучения и потерь соответственно.

Обычно интересуются максимальными значениями КНД и КУ:

Отличие ку и кнд

Для реальных антенн простой конструкции, таких как симметричный вибратор, значение КУ практически совпадает со значением КНД, поскольку КПД таких антенн близок к 100%. Однако в ряде случаев (антенна расположена вблизи земли, содержит в конструкции поглощающие материалы, антенна сложной конструкции, антенна с управляемым положением максимума ДН) КПД может опускаться до значений 30-50% и даже ниже. Поэтому КНД и КУ таких антенн могут значительно отличаться друг от друга.

Изотропный излучатель

Изотропный излучатель — воображаемая антенна, излучающая во все направления электромагнитную энергию одинаковой интенсивности. Диаграмма направленности изотропного излучателя — круговая во всех сечениях (по векторам E и H в частности). Изотропный излучатель имеет коэффициент усиления, равный единице; его КПД = 100 %.

Применение

Изотропный излучатель считается эталоном при проектировании антенн и расчете их направленных свойств. Принятая логарифмическая оценка усиления (ослабления) реальной антенны по сравнению с изотропным излучателем — dBi (Децибел-Изотроп). В настоящее время на ИСЗ устанавливаются антенны, максимально приближенные по диаграмме направленности к изотропному излучателю.

Диаграмма направленности антенны

Диаграммой направленности (ДН) антенны по полю часто называют зависимость модуля комплексной амплитуды вектора напряженности электрической компоненты электромагнитного поля, создаваемого антенной в дальней зоне, от угловых координат θ и φ точки наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскости, то есть зависимость E(θ,φ).

ДН обозначается символом  f(θ,φ). ДН нормируют — все значения E(θ,φ) делят на максимальное значение E_m и обозначают нормированную ДН символом F(θ,φ). Очевидно,

Также можно определить ДН как комплексную величину. В этом случае, аналогично указанному выше, ДН есть:

,

где — комплексная амплитуда вектора в точке дальней зоны.

ДН характеризуется шириной θ_A её главного луча на уровне 0,5 от её максимального значения по мощности и коэффициентом направленного действия G, которые связаны соотношениями:

, , ,

где S_A, d_A — эффективная площадь и протяженность апертуры антенны.

ДН обычно описываются не только в плоскости, но и в трехмерном отображении. Для упрощения их рассмотрения, принимают две проекции ДН:

горизонтальную (азимутальная) вертикальную (по углу места)

При совместном рассмотрении проекций проясняется более полная картина самой ДН и, как подтверждает практика, по этим данным можно судить об эффективности антенны применительно к решению конкретной задачи. Существуют амплитудные A(θ,φ), фазовые Δω(θ,φ) и поляризационные ↑ ↓(θ,φ) ДН.

По форме диаграммы направленности антенны обычно подразделяются на узконаправленные и широконаправленные. Узконаправленные антенны имеют один ярко выраженный максимум, который называют основным лепестком и побочные максимумы, обычно имеющие отрицательное влияние, высоту которых стремятся уменьшить. Узконаправленные антенны применяют для концентрации мощности радиоизлучения в одном направлении для увеличения дальности действия радиоаппаратуры, а также для повышения точности угловых измерений в радиолокации. Широконаправленные антенны имеют, хотя бы в одной плоскости, диаграмму направленности, которую стремятся приблизить к кругу. Они находят применение, например, в радиовещании. Часто лепестки диаграммы направленности называют лучами антенны.

Диаграмма направленности антенны определяется амплитудно-фазовым распределением компонент электромагнитного поля в апертуре антенны, некоторой условной расчетной плоскости, связанной с ее конструкцией. Разработка антенны с требуемой диаграммой направленности сводится, таким образом, к задаче обеспечения нужной картины электромагнитного поля в плоскости апертуры. Существуют фундаментальные ограничения, связывающие обратной зависимостью ширину луча и относительный размер антенны, то есть размер, деленный на длину волны. Поэтому узкие лучи требуют антенн больших размеров или коротких волн. С другой стороны, максимальное сужение луча при данном размере антенны ведет к возрастанию уровня боковых лепестков. Поэтому в данном моменте приходится идти на приемлемый компромисс.

ДН обычно измеряют в горизонтальной или вертикальной плоскостях, для облучателей - в плоскостях Е или Н. Диаграмма направленности антенн обычно обладает свойством взаимности, то есть аналогично работает на передачу и прием.

Поляризация электромагнитных волн  — характеристика волн, определяющая пространственную направленность векторных волновых полей. В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как возмущения в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения.

Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды, всегда перпендикулярным к волновому вектору.  В трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы — вращение вокруг волнового вектора.

Причиной возникновения поляризации волн может быть:

• несимметричная генерация волн в источнике возмущения;

• анизотропность среды распространения волн;

• преломление и отражение на границе двух сред.

Основными являются два вида поляризации:

• линейная — колебания возмущения происходит в какой-то одной плоскости. В таком случае говорят о «плоско-поляризованной волне»;

• круговая — конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний. В зависимости от направления вращения вектора может быть правой или левой. На основе этих двух или только круговой можно сформировать и другие, более сложные виды поляризации. Например, эллиптическая.

Линейная поляризация	Круговая поляризация	Эллиптическая поляризация

Большинство антенн, используемых для беспроводной связи, являются антеннами с линейной поляризацией, горизонтальной или вертикальной.  Первое означает что вектор электрического поля лежит в вертикальной плоскости, второе - в горизонтальной.  Чаще применяется вертикальная поляризация, хотя в некоторых ситуациях антенны с горизонтальной поляризацией эффективнее. Диаграмму направленности также принято характеризовать шириной, под которой понимают угол, внутри которого коэффициент усиления уменьшается по отношению к максимальному не более чем на 3 дБ. Чем больше усиление, тем уже диаграмма, и наоборот.