Диаграмма направленности антенн в области бокового излучения

Основные функции антенн

Антенна является неотъемлемой частью любого РЭС, т.к. представляет собой радиотехническое устройство, предназначенное для взаимного преобразования энергии свободно распространяющихся электромагнитных волн в токи высокой частоты и наоборот.

В основе такого преобразования лежит физический процесс взаимодействия зарядов с электромагнитным полем.

Любая антенна в той или иной мере выполняет следующие функции:

1. Преобразование энергии токов высокой частоты в энергию электромагнитных волн (ЭМВ) в режиме передачи и обратное преобразование в режиме приема.

2. Концентрация излучения в заданных направлениях в режиме передачи и преимущественный прием приходящих с заданных направлений ЭМВ в режиме приема – функция пространственной селекции.

3. Перехват большей части энергии, излученной передающим РЭС, и повышение дальности радиосвязи и радиолокации.

Кроме вышеуказанных, антенны выполняют функции частотных и поляризационных фильтров, расположенных на входе РЭС. Принято различать узкополосные (ΔF/f₀<10%), среднеполосные (10%<ΔF/f₀<20%) и широкополосные (ΔF/f₀>20%) антенны.

В настоящее время разработано большое количество антенн, которые по конструктивным особенностям разделяют на:

резонансные (вибраторные и щелевые);

антенны поверхностной волны;

апертурные антенн;

фазированные антенные решетки.

С точки зрения обеспечения ЭМС и снижения разведдоступности важнейшим является фактор пространственной селекции.

Векторная комплексная диаграмма направленности антенны

Комплексная амплитуда поля, созданного произвольной антенной в дальней зоне в сферической системе координат определяется выражением:

,

где – константа в комплексном виде, определяющая амплитуду и фазу поля в начале координат,

- векторная комплексная функция, зависящая только от угловых координат θ и φ, описывающих характер изменения поля по ним и называемая векторная комплексная диаграмма направленности (ДН).

Амплитудной ДН (часто просто ДН) называется зависимость амплитуды напряженности электрического поля в равноудаленных точках пространства от направления.

Из выражения для комплексной амплитуды поля следует

.

Для сравнения ДН различных антенн используют нормированные ДН

,

которые не зависят от излучаемой мощности и расстояния. Различают ДН по напряженности и по мощности поля. По виду ДН разделяют на:

тороидальные;

игольчатые;

веерные;

сложной формы.

Для графического изображения ДН используют ее сечение плоскостями, проходящими через начало координат и направление главного максимума излучения. Построение осуществляется либо в полярной, либо в прямоугольной системах координат. Как правило, на сложной картине ДН можно выделить главный лепесток, боковые лепестки и задний лепесток. Применяют следующие параметры ДН:

направление и ширина в градусах (θ_0,5 - по уровню 0.5 от максимума мощности излучения; θ_0,1) главного лепестка;

направление и уровень в дБ бокового лепестка.

Основные характеристики антенн

Рассмотрим лишь некоторые характеристики антенн, наиболее часто применяемые при проведении расчетов по электромагнитной доступности.

Коэффициент полезного действия. Отношение мощности, излучаемой антенной, к мощности подводимой к ее входу

.

Физическая КПД зависит от входного сопротивления антенны на данной частоте и ее согласования с волноводом.

Коэффициент направленного действия.КНД антенны в данном направлении есть отношение плотностей потока мощности направленной и ненаправленной антенны в одной и той же точке пространства при условии равенства излучаемых мощностей обеих антенн.

Ненаправленная, изотропная антенна является гипотетической создающей равномерную плотность потока мощности на поверхности сферы площадью S_сф=4πR².

КНД определяется только ДН по мощности и отличается от нее постоянным множителем, он не может быть меньше единицы. Типовые антенны имеют следующие КНД в направлении максимума излучения:

элементарный вибратор — 1,5;

полуволновый вибратор —1,64;

директорная антенна — 20…40;

зеркальная антенна — 10³…5*10⁴;

антенны радиотелескопов — до 10⁸.

Для расчета КНД (Д_max) используют следующее соотношение:

,

где К=0,6…0,9, и учитывает неравномерность излучения внутри главного лепестка и излучение боковых лепестков.

Коэффициент усиления антенны.Отношение мощности, излучаемой идеальной изотропной антенной к мощности, подводимой к реальной направленной антенне при условии, что в одной и той же точке пространства они создают электрическое поле одинаковой амплитуды.

G(θ,φ)=Д(θ,φ)·η.

Эффективная площадь. Под эффективной площадью (S_эф) понимают такую площадь, произведение которой на плотность потока мощности в районе антенны и на КПД определяет мощность, отдаваемую антенной в согласованную нагрузку.

.

Диаграмма направленности антенн в области бокового излучения

Большинство антенн, используемых в радиосвязи, имеют круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и достаточно широкую в вертикальной. Взаимодействие между антеннами во многих случаях происходит по главным лепесткам. Антенны РЛС обладают высокой направленностью. Для РЛС, осуществляющих круговой обзор или наблюдение за некоторой зоной пространства, взаимодействие по главным лепесткам если и имеет место, то носит характер очень кратковременный. Основным становится взаимодействие по боковым и задним лепесткам и определяется их структурой. Структура и уровень боковых лепестков зависят от конструкции антенны, распределения поля по апертуре и других факторов. Для некоторых типов апертур и распределения поля можно теоретически оценить уровень первого бокового лепестка по отношению к главному.

Однако, как показывает практика, среднее значение усиления по боковым и задним лепесткам ниже рассчитанных теоретически. Структура боковых лепестков изменяется при изменении рабочей частоты антенны, поляризации сигнала, наличия вблизи металлических конструкций, а также от образца к образцу даже для одного типа антенн. Поэтому наиболее правильным является статистическое описание характеристик антенн, в первую очередь коэффициента усиления.

При статистическом описании усиления по боковым лепесткам используют или функцию распределения F(G), определяемую соотношением:

F(G) = p{g<G},

где p{g<G} - вероятность того, что значение коэффициента усиления g имеет величину меньшую некоторой фиксированной G, или функцию F₁(G), дополнительную к F(G) и определяемую как

F₁(G) = 1 - F(G).

Многочисленные измерения усиления по боковым лепесткам направленных антенн показали, что распределение усиления хорошо описывается нормальным законом и отличается хорошей статистической устойчивостью. Проведенные в США исследования антенн поисковых РЛС воздушных целей (диапазон рабочих частот 1250...1350 МГц) и надводных целей (частота 5640 МГц) показали, что функция распределения усиления по боковым лепесткам повторялась в разные дни в пределах ± 2 дБ. Более того, изменение частоты внутри диапазона рабочих частот (в том числе установка крайних по диапазону частот) не меняло вида и параметров функции распределения, так же как и изменение расстояния от антенны передатчика до приемной антенны. На рис.13.3 сплошной линией представлена функция распределения гауссовской случайной величины с m=13 дБ и СКО = 6 дБ.

На этих же рисунках штриховой линией показаны пределы изменения функций распределения для усиления по боковым лепесткам антенн обзорных РЛС при изменении частоты в пределах рабочего диапазона и расстояний, включающих ближнюю зону. Кривые являются экспериментальными. ДНА РЛС в вертикальной плоскости имели форму вида косеканс-квадрат. Незначительные изменения параметров функций распределения при изменении рабочей частоты и расстояний до антенн позволяют в данном случае утверждать, что усиление исследованных антенн по боковым лепесткам для всех частот рабочего диапазона РЛС и всех расстояний до антенны могут быть описаны одним гауссовским распределением с параметрами m = 13 дБ и СКО = 6 дБ.

Характеристики усиления по боковым лепесткам (УБЛ) антенн мало изменяются при изменении частоты (даже за пределами рабочего диапазона частот) и поляризации. Однако потери во вращающихся сочленениях сильно зависят от частоты, особенно когда частоты лежат за пределами проектного диапазона. Поскольку эти сочленения часто включают в состав антенны, то параметры распределений за пределами рабочего диапазона частот в такой ситуации оказываются частотно-зависимыми. Эксперимент показывает, что на среднее значение бокового усиления некоторое влияние оказывают окружающие предметы. При наличии плотного окружения среднее распределение несколько возрастает, но не более, чем на 3 дБ.

Для ориентировочных и оперативных расчетов при прогнозировании уровней помех можно использовать данные, приведенные в справочниках. Меры по совершенствованию конструкций антенн и облучателей позволяют снизить уровень излучений по боковым лепесткам. После модернизации средний уровень усиления по боковым и задним лепесткам снижается на 10 дБ. Это характеризует эффективность технических методов обеспечения совместимости, а также подтверждает, что в задачах прогнозирования ЭМС желательно использовать статистику, отвечающую определенным типам средств. При этом возможно использование как непрерывных функций распределения, так и их аппроксимаций или только моментов распределений.

Описанные результаты имеют место, когда расстояния между направленными антеннами превышают размеры этих антенн. Если расстояния становятся сравнимы с размерами антенны, то расширение главного лепестка и снижение усиления по главному лепестку приводят к тому, что распределение бокового усиления отличается от гауссовского. В этих случаях при расчетах пользуются медианным значением усиления. Если расстояние уменьшается дальше, вплоть до физического контакта с антенной, то, как показывает эксперимент, медианное усиление имеет тенденцию убывать, а СКО возрастать.

Если распределение усиления по боковым лепесткам каждой из антенн РЭС, взаимное влияние которых оценивается, является гауссовским, то распределение взаимного усиления антенн по боковым лепесткам будет оставаться гауссовским со средним, равным сумме средних и СКО, равным корню квадратному из суммы квадратов СКО каждого из распределений. Отклонение распределений от гауссовского может вызывать необходимость использовать свертку функций плотности распределения усиления, чтобы предсказать взаимное усиление антенн.

Методическая разработка обсуждена на заседании цикла 9.01.2012 г. (протокол № 11).

Преподаватель кафедры № 62

С.М. Климов