Пространственные характеристики антенн

Диаграмма направленности (ДН).

 Классическая (амплитудная) ДН представляет собой нормированную к главному максимуму зависимость модуля вектора электрического поля от углов в выбранной системе координат. Чаще всего ДН рассматривается в вертикальной или горизонтальной плоскости и строится для основной компоненты поля излучения антенны. Эта характеристика позволяет оценить способность антенны концентрировать излучение в некотором пространственном секторе.

Типичная ДН состоит из главного лепестка и нескольких боковых, среди которых иногда выделяют задний (противоположный главному). Возможность получения узких ДН в той или иной плоскости связана с волновыми размерами антенны в этой плоскости. В частности, ДН апертурной антенны размером L и равномерным распределением возбуждения описывается функцией вида sinx/x, (рис.4.10) а ширина главного максимума  по уровню половинной мощности, как показывают вычисления, определяется как

                                       

Поскольку 1 радиан при оценочных расчетах можно полагать, что

                                      ϑ, рад   (4.5)

               

Рис. 4.10 Диаграмма направленности апертурной антенны с характерным размером L

На этом рисунке надо заменить D на L!

 

В наиболее общем виде ДН может быть представлена комплексным вектором, зависящим от угловых координат. Такая форма записи (рис. 4.11) включает в себя, наряду с амплитудной, также поляризационные и фазовые характеристики антенны

Рис. 4.11 Векторная комплексная диаграмма направленности антенны (в варианте для текста убрать заголовок сверху)

Измерение ДН

Понятие диаграммы направленности вводится для таких расстояний от антенны до точки измерения, когда все параметры ДН оказываются зависящими только от угловых координат. Это соответствует выполнению условия дальней зоны (4.1).

Если оно выполнимо, то измерения производятся так называемым «методом дальней зоны» с использованием либо генератора и приемника, либо анализатора цепей (рис. 4.12)

Рис. 4.12  Измерение диаграммы направленности методом дальней зоны

 

Здесь безразлично, какая из антенн работает на передачу, а какая на прием. Важно лишь, чтобы изменялась необходимая угловая координата между позициями антенн. Чаще всего для этого вращают испытуемую антенну, как показано на рис.4.12. Если же такое вращение невозможно, используют перемещение вспомогательной антенны по дуге окружности или даже по прямой с последующей коррекцией амплитуды (и фазы, если необходимо).  Результаты измерений могут быть представлены в различных формах (см. рис. 4.13)

Рис. 4.13 Амплитудные диаграммы направленности в разных представлениях

(для текстового варианта убрать голубой заголовок сверху)

Замечание о выборе аппаратуры.

Чем отличается случай использования анализатора цепей от случая использования отдельных генератора и приемника?

Очевидное достоинство первой схемы – когерентная обработка сигнала, обеспечивающая, в частности, возможность измерения фазовых характеристик (если используется векторный анализатор цепей); недостаток - необходимость в длинных кабелях, которые могут иметь значительные потери и, к тому же, создавать помехи (в виде отраженных волн или «антенного эффекта», см. далее). Это ограничивает динамический диапазон измерений и снижает их точность; схему можно считать оптимальной при относительно небольших расстояниях между антеннами – порядка нескольких метров.

Достоинство второй схемы – полное отсутствие гальванической связи и вообще каких-либо лишних объектов между антеннами, что, в принципе, позволяет проводить измерения при значительных разносах приемника и передатчика. Другое достоинство – более простая и обычно более доступная аппаратура, за что, однако, приходится платить отказом от возможности непосредственных фазовых измерений (фазовые измерения возможны и в этой схеме при передаче опорного сигнала по дополнительному каналу – радио или оптическому – но это уже серьезное усложнение).

Для расширения динамического диапазона измерений в обоих случаях допустимо использование дополнительного усилителя; его разумно включать в тракт перед излучающей антенной (почему именно так?).

О фазовом центре антенны

В некоторых применениях (навигационные системы, облучатели параболических антенн и др.) весьма важным является вопрос о наличии и положении фазового центра антенны.

Напомним, что если таковой имеется, то при вращении антенны вокруг него фаза поля на фиксированном расстоянии остается постоянной с точностью до 180 градусов (скачок на 180 градусов происходит между лепестками ДН).

У некоторых антенн (например, у логопериодических) положение фазового центра существенно зависит от частоты. Это приводит к так называемой фазовой дисперсии антенны, что делает ее малопригодной для работы с широкополосными сигналами. Примеры антенн без фазовой дисперсии – симметричный вибратор, ТЕМ рупор.

На практике центр вращения антенны часто определяется конструктивными особенностями и не может варьироваться по желанию экспериментатора. Несложная математическая обработка полученных данных, однако, позволяет и в таком случае определить положение фазового центра антенны или сделать вывод о его отсутствии.

 

Рис. 4.14   К вопросу о фазовом центре антенны

(убрать заголовок сверху и слова «при измерении»)

О поляризационной ДН

Поляризационная ДН антенны отображает зависимость поляризационных параметров поля (см.раздел 4.3) от направления излучения. Измерения проводятся с помощью поворотной антенны линейной поляризации (например, такой, как показана на рис. 4.3) В качестве характеристики испытуемой антенны в данном случае могут использоваться разные величины: осевой коэффициент, уровень кросс-поляризационной компоненты и некоторые другие. В случае антенн круговой поляризации для измерений в качестве вспомогательной удобно использовать специальную антенну -  анализатор поляризации. Таковым, например, может служить пара любых антенн с круговой поляризацией (например, спиральных), но с разным направлением вращения векторов поля […].

Рис. 4.15 Измерение поляризационной ДН в дальней зоне

(для текстового варианта убрать заголовок сверху)

Метод дальней зоны является классическим и наиболее убедительным с точки зрения достоверности получаемых результатов. Он, однако, далеко не всегда может быть реализован на практике. Так, для антенны трехсантиметрового диапазона (центральная частота 10 ГГц) размером 1х1 м, условие (4.1) требует расстояния, большего 70 метров, что можно обеспечить лишь в условиях специального полигона. В миллиметровом же диапазоне ДН такой антенны сформируется лишь на расстояниях порядка сотен метров!   

Существуют, однако, две группы методов измерения ДН, не требующих соблюдения условия дальней зоны.

Первая группа – коллиматорные методы. Они основаны на формировании в ограниченной области пространства поля со структурой, близкой к структуре поля в плоской волне.

 

 

Рис. 4.16 Коллиматорный метод измерения диаграммы направленности

 

Это достигается применением линз или параболических отражателей (см. рис. 4.16). Испытуемая антенна помещается в такую область и может в ней менять свою ориентацию в некоторых пределах. Метод характеризуется сложностью оборудования и ограниченными возможностями вариации положения антенны.

Вторая группа – методы ближней зоны. Для их реализации необходимо измерять распределение нужной тангенциальной компоненты поля на апертуре антенны и затем над этими данными осуществлять преобразование Фурье.

Рис. 4.14 Измерения в ближней зоне

Эти процедуры, как измерительная, так и вычислительная, имеют множество тонкостей, обсуждение которых выходит за рамки данного курса. Отметим лишь проблему оборудования – необходимость располагать прецизионным сканером и возможностью производить весьма точные амплифазометрческие измерения.  С современной техникой осуществления методов ближней зоны можно познакомиться, например, в работе [статья Миляева и ко].

Кроме этих методов для калибровки антенн и измерения их параметров могут использоваться так называемые ТЕМ-камеры (см., например, ISSN 2079-0740. Вгсник НТУ «ХIII». 2014. № 50 (1092), вставка ниже), которые, применяются, в основном, для решения задач электромагнитной совместимости:

 

                 

Коэффициент усиления (КУ) и коэффициент направленного действия (КНД)

В документации на антенны в качестве основной характеристики часто фигурирует коэффициент усиления (КУ, G). Напомним, что эта величину можно определить, как отношение квадратов напряженностей электрического поля (или плотностей потока энергии) создаваемой реальной антенной и гипотетическим изотропным (то есть излучающим одинаково во всех направлениях) излучателем в одной и той же точке дальней зоны при одинаковой подводимой мощности:

 

                                G =  =

Коэффициент усиления антенны принято измерять в логарифмических единицах, например, 20 дБи, 20 dBi. Дополнительный индекс «i» означает, что коэффициент усиления определен именно по отношению к изотропному излучателю (в старой литературе вместо изотропного излучателя иногда рассматривается полуволновый диполь. Тогда вместо индекса «i» используется индекс «d»).

Знание G позволяет определить параметры поля в удаленной точке пространства по значению мощности падающей волны  на входе излучающей антенны:

                                    П =  ,  или       (4.6)

                                   | E | =      (4.7)

Здесь учтено, что  плотность потока энергии для изотропного излучателя без потерь есть /4π   Обычно значение G относят к направлению максимального излучения антенны, хотя в современной литературе заметна тенденция использовать зависимости G от того или иного угла вместо ДН.

Для определения энергии, которую способна «забрать» из волны приемная антенна, вводится специальная характеристика – эффективная площадь,

                                          = П

На основании теоремы взаимности доказывается [см., например, ….], что величины G и для одной и той же антенны связаны соотношением

                                            G =      (4.8)

Теперь, используя (4.6) и (4.8), можно записать выражение для непосредственно измеримого коэффициента передачи между двумя антеннами:

                     |  | = =  λ  (4.9)

 

Так как в большинстве случаев антенны бывают хорошо согласованны с трактом, потери на отражение в значении КУ часто не учитываются (это условие подразумевается при использовании термина Gain в англоязычной литературе). Если же КУ определен с учетом потерь на отражение (формула 4.10), в англоязычной литературе употребляется термин Realized Gain, а в русскойэто просто оговаривается.      

                         = (1-  = (1-    (4.10)

                                              

 

Рис. 4.15   Коэффициент направленного действия (КНД, D) антенны