Для изображения ДН в широком динамическом диапазоне часто пользуются логарифмическим масштабом, при этом нормированная ДН по напряженности поля определяется выражением
F (θ,φ)дБ=20 lg F(θ,φ),
Нормированная ДН по мощности — выражением
FР(θ,φ)дБ=10 lg FP(θ,φ). (5)
Важными параметрами ДН, характеризующими направленность излучения антенны, являются ширина ДН и уровень боковых лепестков. Шириной ДН называется угловая ширина главного лепестка, в котором находится направление максимального излучения, в пределах которой амплитуда напряженности электрического поля снижается до уровня 
по отношению к максимальному значению (при этом плотность потока мощности снижается в 2 раза по отношению к максимальному значению). Соответственно, ширину ДН по напряженности поля, например, в Е-плоскости можно обозначить как 
, по мощности — как 
(рис. 5). Заметим, что 
.
Рис. 5. Определение ширины ДН
При построении ДН в логарифмическом масштабе ширина ДН определяется, соответственно, по уровню −3 дБ.
Рис. 6. Пример нормированной ДН в прямоугольной системе координат
Уровнем боковых лепестков (УБЛ) ДН называется относительный уровень самого интенсивного бокового лепестка (или лепестков, если таких несколько), выраженный в безразмерных или логарифмических единицах (например, FБЛ на рис. 6). Естественным стремлением при разработке антенн различных РТС является снижение УБЛ, не только с целью получения заданного КНД, но и для обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронных средств и систем.
|
|
|
При необходимости ширину ДН определяют и по другим относительным уровням в пределах ГЛ, например, по уровню нулевой мощности излучения или уровню 0,1 от максимального мощности (−10 дБ).
На практике также часто пользуются ДН в виде зависимости коэффициента усиления антенны, пропорциональной нормированной ДН по мощности 
от углового направления в какой-либо выбранной плоскости.
В некоторых случаях применяется картографический метод изображения пространственных (трехмерных) ДН. Он удобен для изображения многолепестковых (т.е. имеющих много нулей и максимумов) ДН в широком диапазоне углов.
Рис. 7. Пример ДН в виде зависимости коэффициента усиления антенны
от углового направления
Расчет КНД и коэффициента усиления
Коэффициент направленного действия (КНД) характеризует способность антенны концентрировать ЭМП ее излучения в каком-либо определенном направлении. Это понятие было введено в 1929 г. советским ученым А.А. Пистолькорсом. Коэффициентом направленного действия называется отношение среднего за период высокой частоты значения плотности активного потока мощности (среднего значения вектора Пойнтинга), излучаемого антенной в данном направлении 
, к усредненному по всем направлениям значению плотности потока мощности ПΣ :
|
|
|
, (6)
где 
, | 
| — амплитудное значение напряженности электрического поля в направлении, характеризуемом углами 
; А — амплитудный коэффициент; 
— нормированная ДН антенны по напряженности поля.
Из сказанного выше следует еще одно определение КНД антенны: это число, которое показывает, во сколько раз надо уменьшить излучаемую мощность при замене изотропной антенны данной антенной, чтобы среднее значение плотности потока мощности (значение напряженности электрического поля) в одной и той же точке наблюдения в дальней зоне осталось неизменным.
Таким образом, при определении КНД антенна сравнивается с воображаемой абсолютно ненаправленной (изотропной) антенной с равномерной диаграммой направленности 
, излучающей ту же мощность 
. Усредненное значение плотности потока мощности
, (7)
|
|
|
где — мощность излучения; r — радиус воображаемой сферы, охватывающей антенну, причем величина r должна быть такой, чтобы поверхность сферы находилась в дальней зоне поля антенны. Тогда
. (8)
С другой стороны, мощность излучения антенны в соответствии с методом вектора Пойнтинга определяется выражением
. (9)
Подставив (9) в (8), получаем общее выражение, определяющее КНД антенны:
. (10)
На практике чаще всего требуется знать максимальное значение КНД антенны 
в направлении максимального излучения, в котором значение нормированной ДН 
. Тогда формула для расчета максимального КНД принимает вид
. (11)
Учитывая, что квадрат нормированной ДН по полю 
есть нормированная ДН по мощности, выражение (2.16) можно записать в виде
.
Из выражения (11) следует важный вывод: чем уже главный лепесток и чем ниже УБЛ ДН антенны, тем выше будет ее КНД.
|
|
|
В случае антенны с осесимметричной ДН (форма которой не зависит от азимутального угла φ) выражение (11) приобретает вид
. (12)
В частности, в случае элементарного электрического вибратора (диполя Герца) 
и Dm=1,5.
На практике КНД часто выражают в логарифмических единицах (дБ):
.
В приведенных выше определениях КНД реальная антенна сравнивалась с воображаемой изотропной антенной с равномерным излучением во всех направлениях в пространстве. Поскольку такая антенна является физически нереализуемой, для практических целей, в частности для измерения КНД, вместо нее используют другой эталон — любую реальную антенну, КНД которой заранее известен (рассчитан или измерен).
Полученные выше результаты справедливы для антенн с линейной поляризацией излучения.
Для практических расчетов полезно выразить максимальный КНД антенны через амплитудное значение напряженности поля в направлении максимального излучения в дальней зоне. Так, если антенна находится в свободном пространстве с волновым сопротивлением W0=120π Ом, то из (8) можно получить новое выражение:
, (13)
где 
. Соответственно, 
.
В частности, для элементарного электрического вибратора в эту формулу вместо 
можно подставить выражение (2.1) в квадрате (без фазовых множителей) и учесть, что 
, где 
— сопротивление излучения элементарного электрического вибратора. В результате КНД элементарного вибратора Dm=1,5 (1,76 дБ).
КНД можно выразить с помощью еще одного параметра, называемого действующей длиной 
или высотой 
антенны. Этот параметр особенно часто используют при анализе приемных антенн.
В случае реальной линейной антенны ток по ее длине l распределен неравномерно. Однако реальную антенну можно заменить воображаемой антенной длиной lД ≤l (действующей длиной) с равномерным синфазным распределением тока, создающим в направлении максимального излучения такую же напряженность электрического поля, как и данная антенна в направлении максимального излучения.При этом амплитуда тока в точках питания воображаемой антенны считается равной амплитуде тока на входе реальной антенны. Напряженность поля, создаваемую реальной антенной в главном направлении, можно определить с помощью выражения
(14)
где I0 — амплитуда тока в точках питания антенны. Запишем выражение для величины напряженности поля любой антенны в произвольном направлении
. (15)
Подставляя в (13) вместо 
выражение (14) и учитывая, что 
( 
— сопротивление излучения антенны, отнесенное к току в точках питания), получаем
или 
(м) . (16)
Формально параметром «действующая длина» можно пользоваться в случае любой антенны, так как этот параметр выражается через КНД, а последний определяется только характеристикой направленности.
Из определения КНД следует, что он не учитывает потери энергии электромагнитных колебаний в антенне. В связи с этим для более полного описания свойств антенны как преобразователя энергии подводимых к ее входу направляемых ЭМВ в излучаемые в окружающее пространство вводится параметр, учитывающий тепловые потери, — коэффициент усиления (КУ).
Определим коэффициент полезного действияантенны η в режиме излучения как отношение мощности излучения к мощности колебаний на входе антенны:
, (17)
где Рп — мощность потерь в реальных проводниках и диэлектриках конструкции антенны, рассеиваемая в виде тепла. Из закона сохранения энергии следует, что η≤1.
По аналогии с КНД коэффициентом усиления называется отношение среднего за период высокой частоты значения плотности активного потока мощности (среднего значения вектора Пойнтинга), излучаемого антенной в данном направлении , к среднему значению плотности потока мощности 
, создаваемого воображаемой идеальной (имеющей КПД η=1) антенной в том же направлении при условии, что мощности колебаний на входах обеих антенн равны и обе антенны согласованы с питающими линиями передачи (фидерами). При этом предполагается, что точка наблюдения находится в дальней зоне на одинаковом расстоянии от обеих антенн.
. (18)
Иными словами, коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз следует изменить мощность, подводимую к идеальной изотропной антенне с КПД, равным единице, по сравнению с данной антенной, чтобы среднее значение плотности потока мощности (напряженности электрического поля) в одной и той же точке наблюдения в дальней зоне осталось неизменным.
Отличие КУ от КНД состоит в том, что при определении КУ исходят из равенства мощностей, подводимых к исследуемой и эталонной антеннам Рвх, а не из равенства мощностей излучения P 
этих антенн.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 894; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!