Основные антенны

1.2. Электрические параметры антенн

Способность антенны излучать энергию в свободном направлении называется направленностью антенны.

По данному свойству антенны можно разделить на классы:

1. 
   Ненаправленные (изотропные) антенны излучают энергию по всем направлениям одинаково.
   
2. 
   Направленные антенны или слабонаправленные антенны излучают энергию преимущественно в одном или нескольких заданных направлениях.
   
3. 
   Остронаправленные излучают энергию в одном направлении.
   
4. 
   Сверхнаправленные излучают энергию не только в одном направлении, но и в пределах очень небольшого телесного угла.
   
5. 
   Антенны, формирующие излучение специальной формы.
   

Диаграмма направленности (Д.Н.) антенны - это зависимость излучаемой мощности в пространство как функции угловых координат.
Данная зависимость может выражаться аналитически (формулой), таблично, графически. Такие Д.Н. являются пространственными. Их недостаток – плохое зрительное восприятие.
Если воспользоваться принципом независимости, то можно изобразить Д.Н. антенны в двух основных ортогональных плоскостях. Для определённости принято пользоваться ориентацией электромагнитного поля, то есть плоскостями, в которых расположены векторы электрического и магнитного полей, излучаемого поля. Напоминание: из курса теории электромагнитного поля известно, что векторы и также ортогональны.
От главного направления, где мощность максимальна, как правило, если не оговаривается иное, ведётся отсчёт угловых координат.
Для того чтобы Д.Н. не зависела от излучаемой мощности, их нормируют, т.е. все значения мощности делят на величину мощности, излучаемой в главном направлении. Для выявления особенностей Д.Н. нормированные значения логарифмируют. Шириной Д.Н. в данной плоскости называется угол, в пределах которого мощность излучения не менее чем в 2 раза больше мощности, излучаемой в других направлениях.



Рисунок 1. Типы ДН антенн
На рисунке 1:

• 
  кривая 1 соответствует п. 1.1
  
• 
  кривая 2 соответствует п. 1.2
  
• 
  кривая 3 соответствует п. 1.3
  
• 
  кривая 4 соответствует п. 1.4
  
• 
  кривая 5 соответствует п. 1.5
  

1, 2, 3 – называются боковыми лепестками и имеют соответствующую нумерацию: первый боковой лепесток, второй боковой лепесток, третий второй боковой лепесток и т. д. боковые лепестки.

Каждый из боковых лепестков характеризуется уровнем и обозначается следующим образом: например УБЛ = - 30 дБ.

Ширина Д.Н. определяется как величина угла пересечения пунктирной линии на рис. 1. на уровне 0,5 или – 3 дБ и Д. Н.
Немалое значение играет и коэффициент направленного действия антенны. Это отношение квадрата направленности поля, создаваемого антенной в данном направлении к среднему (по всем направлениям) квадрату напряжённости поля.
(1)
Согласно данному определению, по своим направленным происходит сравнение данной антенны с изотропным излучателем. Иначе говоря, КНД показывает, сколько необходимо взять изотропных излучателей, чтобы создать такую же мощность в заданном направлении, как конкретная антенна. Очевидно, что характеризовать антенну величиной КНД имеет смысл только в главном направлении.
Введённое понятие КНД антенны и формула (1) позволяют с помощью Д. Н. антенны рассчитать величину КНД.
Если задана Е аналитически, то и Е_ср можно также вычислить аналитически, а тогда и КНД будет выражаться аналитически. Данный метод был разработан в 50 – е годы прошлого века и, в силу большого объёма вычислений применялся далеко не для всех типов антенн и вычисления проводились с большой погрешностью.
Для этого используется экспериментально снятая (чаще всего) Д. Н. данной антенны.



Рисунок 2. ДН антенны.

Последовательность расчёта заключается в следующем:

1. 
   Масштабы по осям и выбираются одинаковыми.
   
2. 
   Строится Д. Н. – кривая 1 в нормированных значениях.
   
3. 
   Рассчитывается площадь фигуры, ограниченной кривой 1. Площадь которой равна S.
   
4. 
   По величине данной площади S считается величина
   
5. 
   Используя (2), рассчитывается КНД в главном направлении.
   
6. 
   Если полученная величина КНД достаточно велика (сотни, тысячи и т.д.), то её выражают в децибелах (дБ).
   

Очевидно, что соотношение (1) является точным с точки зрения математики, но не полностью характеризует направленные свойства антенны, так как не учитывает коэффициент полезного действия (КПД или ) антенны.
В реальной антенне происходят потери в подводном тракте, полотне антенны, рассеяния энергии. Все потери можно отнести к одному порядку и обозначит через . КПД антенны зависит от многих факторов и, в первую очередь, от конструкции и выбранных материалов. КПД может лежать в пределах от 15% до 95%. Эту величину необходимо учитывать.
Направленные свойства антенны в главном направлении с учётом КПД называются коэффициентом усиления (G).
С учётом потерь:
(2)
Если Д. Н. снимается экспериментально, и по ней рассчитывается D, то он уже автоматически учитывает . Отсюда следует, что G и D совпадают, это позволяет при настройке антенны в заводских условиях и при её диагностике в процессе эксплуатации сразу определять величину коэффициента усиления. Этот параметр является чрезвычайно важным для определения дальности действия РЛС, так как дальность действия, помимо прочих параметров пропорциональна . Поэтому повышению величины коэффициента усиления и постоянного её контроля (встроенный контроль и адаптация) уделяется при разработках антенного поста основное внимание.
В антенной технике помимо принципа двойственности используется принцип независимости. Сущность его заключается в том, что формировать Д. Н. антенны в двух взаимно перпендикулярных плоскостях возможно совершенно независимо. Исходя из данного принципа, можно рассчитывать и снимать Д. Н. в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, то есть в плоскостях Е и Н.
В морской радиолокации принято характеризовать направленные свойства антенны (Д.Н.) в азимутальной плоскости (горизонтальной) и угломестной плоскости (вертикальной). В соответствии с этим, рассчитываются две величины: D_E и D_H (К.Н.Д. в плоскостях Е и Н) и тогда результирующая величина D будет определяться соотношением (3):
(3)
По мере развития радиолокации требования к рабочему диапазону частот постоянно изменяются. Диапазон частот расширяется. Даже антенны РЛС в настоящее время работают в диапазоне от 8 – 10 ГГц до 70 – 80 ГГц. В этом случае перекрытие по диапазону доходит до 10. Использование сверхкоротких РЛ импульсов (нсек) относится к сверхширокополосной радиолокации. В пассивной радиолокации стали использовать непрерывный диапазон принимаемых излучений от 300 МГц до 10 – 12 ГГц, что соответствует перекрытию диапазона частот до 40.
Перечисленные тенденции приводят к повышению полосы рабочих частот антенного устройства с сохранением направленных свойств. Эти два требования являются достаточно противоречивыми, поэтому в настоящее время, разрабатываются антенные системы, а не отдельные излучатели.
Наряду с расширением диапазона частот всё ещё применяются и антенны, работающие в диапазоне (7 – 10)% от средней частоты.
Типичные зависимости амплитудно-частотных характеристик приведены на рисунке 3.

Рисунок 3. АЧХ антенны.
На рисунке 3:

1. 
   – узкополосные антенны
   
2. 
   – широкополосные антенны
   
3. 
   – сверхширокополосные антенны (частотно – независимые) антенны.
   

Кривая 1 является типичной для резонансных явлений, поэтому этот класс антенн использует явление резонансного излучателя. К ним относятся проволочные, вибраторные антенны.
Кривая 2 является также похожей на резонанс, но с низкой добротностью. К данным антеннам относятся рупорные, параболические и т.д.
Кривая 3 является апериодической, т.е. не зависит от частоты. К данным антеннам относятся логопериодические, антенна Вивальди и т.д.