Диаграмма направленности

ДН типичной направленной антенны (азимутальная).

ДН по углу места.

Диаграмма направленности (антенны) — графическое представление зависимости коэффициента усиления антенны или коэффициента направленного действия антенны от направления антенны в заданной плоскости^[1].

Основные положения

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

ДН обозначается символом $f(\theta, \phi)$. ДН нормируют — все значения $E(\theta, \phi)$ делят на максимальное значение $E_m$ и обозначают нормированную ДН символом $F(\theta, \phi)$. Очевидно, $0 \le F(\theta, \phi) \le 1$.

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

$\stackrel{\circ}{F} \left( \theta, \phi \right) = \frac {{\stackrel{\circ}{E}}_m \left( \theta, \phi \right )} {\max_{\theta, \phi} \left[ \left| {\stackrel{\circ}{E}}_m ( \theta, \phi) \right| \right] }$,

где ${\stackrel{\circ}{E}}_m$ — комплексная амплитуда вектора в точке дальней зоны.

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

$G=\frac{4\pi S_A}{\lambda^2}$,     $S_A=\frac{\pi d_{A}^{2}}{4}$,     $\Theta_A=\frac{\lambda}{d_{A}}$,

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 $A(\theta, \phi)$, фазовые Δω(θ, φ) и поляризационные $\bar{P}$↑↓(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 диаграммы 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.

Экспериментальное изучение

Исследование ДН небольших антенн производят в безэховых камерах. Для больших антенн, не помещающихся в камеру, используют их уменьшенные модели; длину волны излучения также уменьшают в соответствующее число раз.

В случае построения диаграммы направленности для радиотелескопов выбирается яркий точечный источник на небе (зачастую — Солнце). Далее проводится серия наблюдений под разными углами, позволяющая построить распределение интенсивности в зависимости от направления, то есть искомую диаграмму направленности.

См. также

• Антенна
• Дальняя зона
• Основное уравнение радиолокации

Примечания

1. ↑ ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения

Литература

1. Лавров, А. С. Антенно-фидерные устройства: учеб. пособие для вузов / А. С. Лавров, Г. Б. Резников. — М.: «Советское радио», 1974. — 368 с.
2. Дудник, П. И. Многофункциональные радиолокационные системы: учеб. пособие для вузов / П. И. Дудник, А. Р. Ильчук [и др.]. — М.: Дрофа, 2007. — 283 с. — ISBN 978-5-358-00196-1
3. Mahafza, B. R. Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB / Bassem R. Mahafza. — CHAPMAN&HALL/CRC, 2000. — 532 с. — ISBN 1-58488-182-8

Ссылки

• Диаграммы направленности различных типов антенн.