И электрические параметры антенн

Связь между радиопередатчиком и радиоприемником осуществляется при помощи свободных электромагнитных волн. От радиопередатчика моду­лированные токи высокой частоты поступают в антенну, которая преобразует их энергию в энергию свободных электромагнитных волн. В задачу передающей антенны входит сосредоточение излучения свободных радиоволн преиму­щественно в одном направлении одной плоскости.

Антенна радиоприемника выполняет обратные функции. Она преобразует энергию свободных электромагнитных волн в энергию токов высокой частоты и обеспечивает выделение радиоволн, приходящих с заданных направлений. Передающая и приемная антенна обратимы, это позволяет при работе на передачу определять ее свойства в режиме приема, и наоборот. Практически этим свойством антенны широко пользуются, тем более, что неко­торые характеристики антенн удобнее и нагляднее определять в режиме пере­дачи, а некоторые — в режиме приема. Конструктивно приемная антенна может быть выполнена проще передающей, так как для нее не возни­кает вопрос об опасности перенапряжений.

Антенна характеризуется рядом общетехнических и экономических показа­телей. К ним относятся: степень сложности устройства, размеры, механическая прочность и надежность в работе, удобство в эксплуатации, стоимость. Кроме этого, имеются и специальные радиотехнические показатели, характеризующие антенну с точки зрения выполняемых ею специфических функций. Электрические характеристики антенны тесно связаны с ее конструктивными и экономическими показателями.

Предъявляемые к антеннам требования, противоречат одно другому и выходом из положения являются компромиссные решения. Так, вы­полнение требования по уменьшению стоимости, размеров, массы антенны влекут за собой уменьшение либо ее диапазонности, либо коэффициента усиления (эф­фективности), либо и того и другого одновременно. При всем многообразии си­стем и конструкций, передающих и приемных антенн, существуют общие харак­теристики и принципы, на которых основана их работа.

Приемная антенна по отношению к питающей линии (фидеру) является генератором высокочастотных колебаний, входное сопротивление которого равно входному сопротивлению этой же антенны, работающей в режиме передачи. Коэффициент полезного действия, сопротивление излучения, направленные свой­ства и т. д. антенны, работающей в режиме приема, остаются без изменения, если ее использовать в качестве передающей.

Передающая антенна по отношению к фидеру эквивалентна нагрузке, по­требляющей мощность. Часть этой мощности излучается в пространство, а часть рассеивается в виде тепла в самой антенне. Обычно антенна не поглощает всей мощности, подводимой к ней питающей линией (фидером). Часть энергии при этом отражается обратно в линию. В этом случае между линией и выводами антенны можно включить реактивный четырехполюсник (линию с параметрами, отличными от параметров фидера) и, по крайней мере, на одной частота обес­печить передачу максимальной мощности в антенну. Для этого надо знать две величины, характеризующие антенну как нагрузку на заданной частоте — актив­ное R_а и реактивное Х_асопротивления на ее выводах. Знание этих сопротив­лений позволяет правильно подобрать элементы выходного колебательного кон­тура и соединительного устройства между ним и антенной и получить надле­жащий коэффициент полезного действия (КПД) выходной цепи передатчика. Коэффициент полезного действия собственно антенны η_а равен отношению полезной мощности, за которую принимают мощность излучения Р_Σ, к полной мощности, расходуемой антенной. Последняя больше мощности излучения на величину потерь энергии в антенне. Поэтому

η_а = Р_Σ /Р_а = Р_Σ /( Р_Σ + Р_п). (1)

Излучаемую антенной мощность выражают через активное сопротивление, которое называют сопротивлением излучения R_Σ ,и ток, в частности ток на выводах антенны I_a:

Р_Σ =I²_a·R_Σ (2)

Сопротивление излучения не всегда связывают с током на выводах. Нередко сопро­тивление излучения антенны относят к току в пучности (в максимуме). Сопро­тивление излучения антенны не зависит от тока. Оно, являясь активным, не вызывает преобразования электрической энергии в тепловую, а только характе­ризует способность антенны к излучению электромагнитной энергии.

Аналогичным образом определяют и мощность потерь:

Р_п =I²_a·R_п(3)

где R_п— сопротивление потерь.

Коэффициент полезного действия антенны при этом равен:

η_а = R_Σ /( R_Σ + R_п). (4)

Выполняя свою первую функцию — преобразование энергии токов высокой частоты в энергию свободных электромагнитных волн — передающая антенна характеризуется тремя показателями: к.п.д. антенны, η_а, активным R_аи реактивным Х_асопротивлениями на выводах. Эти показатели определяют изме­нением, расчетом или комбинацией этих способов.

Вторая функция передающей антенны — надлежащее распределение в прост­ранстве энергии излучаемых электромагнитных волн. О направленных свойствах антенны судят по форме ее диаграмм направленности и некоторым численным показателям, таким как ширина диаграммы направленности, к.н.д., эффективная площадь антенны. Вопросы, связанные с направленностью антенны, необходимо учитывать при ее выборе, установке и ориентации, поэтому рассмотрим их более детально.

Под диаграммой направленности антенны понимают графическое изображение распределения уровней мощности (или поля), излучаемых антенной на одинаковом расстоянии от нее в различных направлениях какой-либо плоскости, проходящей через центр или ось антенны. Если антенну, например вибратор, поместить в точку О, окружить сферой радиуса r ивкаждой точке М на поверхности сферы измерить напряженность поля, излучаемого антенной, то в результате можно получить некоторую пространственную фигуру — характери­стику направленности антенны. В нашем примере такой фигурой является тороид, показанный на рис. 5. Положение любой точки М на сфере полностью определяется тремя координатами — радиусом сферы r = ОМ, азимутальным углом φ и зенитным углом θ (или углом места Δ = 90°— θ). В дальнейшем будем пользоваться двумя последними координатами для построения диаграмм направленности антенн.

Свободные электромагнитные волны характеризуются электрическим Е и магнитным Н векторами напряженности поля. Силовые линии электрического поля вибратора лежат в меридиональных плоскостях (плоскостях, проходящих через ось OZ), а магнитного — в экваториальных плоскостях, перпендикуляр­ных оси OZ ( рис. 1). Поэтому меридиональную плоскость называют иначе Е-плоскостью, а экваториальную — Н- плоскостью (или плоскостями Е, Н).

Радиоволны — поляризованные волны. Поляризацию радиоволны определяют по ориентировке вектора напряженности электрического поля относительно нап­равления ее распространения. Наличие поляризации налагает определенные требования на ориентировку приемной антенны в пространстве. Она должна совпадать по поляризации с передающей. В противном случае прием радиоволн будет ослаблен.

Для определения характеристики направленности антенны в большинстве случаев ограничиваются снятием ее диаграмм направленности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях поляризации Е и Н. В зависимости от ориента­ции антенны относительно поверхности земли плоскость Е может быть гори­зонтальной или вертикальной.

Антенны передатчиков на телецентрах в большинстве случаев ориентированы таким образом, что плоскость Е совпадает с плоскостью горизонта. При снятии диаграммы направленности в горизонтальной плоскости изменяется азимутальный угол φ, при этом зенитный угол θ = 90^о остается постоянным. При снятии диаграммы направленности в вертикальной плоскости остается неизменным угол φ = 0°, а переменным становится угол θ. Диаграммы направленности строят в полярной или прямоугольной (декартовой) системах координат (рис.2, 3). На этих рисунках изображена диаграмма нап­равленности симметричного вибратора в плоскости Е. Диаграммы направлен­ности, выполненные в полярных координатах, отличаются большей наглядно­стью. Прямоугольная же система координат позволяет изменить масштаб по обеим осям, и добиться на графике большей четкости в областях малой интен­сивности излучения без применения, например логарифмических единиц отсчета.

На практике в основном пользуются нормированными диаграммами направ­ленности, в которых интенсивность излучения отнесена к максимальному значе­нию (рис. 4). Обычно ширина диаграммы направленности антенны определяется как угол между двумя направлениями, в которых уровень мощности излучения равен половине уровня в максимуме, иногда ширину диаграммы направлен­ности определяют как угол между двумя направлениями, соответствующими первым (относительно направления главного излучения) нулевым уровням излу­чения. При этом обязательно оговаривают уровень излучения. Диаграммы нап­равленности строят в единицах мощности и в единицах поля. Угол раскрыва (ширина диаграммы направленности) не меняется в зависимости от того, в ка­ких единицах построены графики, меняется лишь значение уровня, по которому ведете» отсчет. Для единиц мощности он равен 0,5Р_mах, а для единиц напря­женности поля — 0,707 Е_mах.

В общем случае диаграмма направленности антенны (рис. 8) имеет ряд максимумов и минимумов. Как правило, один из максимумов по уровню за­метно превышает остальные. Часть диаграммы направленности, содержащая этот максимум и заключенная в секторе углов, ограниченных направлениями двух соседних минимумов, называется основным или главным лепестком. Со­седние максимумы образуют боковые лепестки. Линию, проходящую через на­чало координат и точку максимума главного лепестка, называют направлением главного излучения. По лепесткам, лежащим в секторе углов ±(90°—180°) относительно главного направления, судят о побочном (заднем) излучении ан­тенны. На практике пользуются понятием коэффициента защитного действия антенны. Под ним понимают отношение уровня излучения в обратном направ­лении к уровню излучения в главном.

С точки зрения радиопередачи (радиоприема) далеко не безразлично, каким образом в пространстве распределяется излучаемая антенной энергия. Во мно­гих случаях желательно излучать энергию преимущественно в одну сторону, увеличивая тем самым дальность радиосвязи при прочих равных условиях. Энергия, излучаемая в другие стороны, оказывается затраченной не только бес­полезно, но подчас и вредно, поскольку она способствует увеличению взаимных помех соседним радиостанциям. Поэтому при отработке направленной антенны стараются уменьшить ее боковое и заднее излучение и сосредоточить энергию в пределах главного лепестка диаграммы направленности.

По диаграммам направленности можно получить исчерпывающие оценки направленных свойств антенны, в том числе и значение коэффициента направленного действия (КНД).

Повторим, что показателем, характеризующим антенну в целом, как с точки зрения потерь энергии при ее преобразовании, так и с точки зрения распреде­ления энергии в пространстве, является коэффициент усиления антенны. Он численно равен произведению коэффициента полезного действия (КПД) и коэффициента направленного действия (КНД) и поэтому всегда меньше послед­него. Нередко антенну сопоставляют не с изотропным излучателем, а сравнивают ее коэффициент усиления с коэффициентом усиления какой-либо другой антенны. При этом обязательно оговаривают, какая антенна принята в данном случае за эталон.

Необходимо учесть, что антенна должна выполнять отмеченные выше функ­ции не на одной частоте, а в некоторой области (полосе) частот, и выполнять их так, чтобы весь антенный тракт не вносил заметных искажений в распре­деление энергии между отдельными частотами спектра. Как и в какой степени, антенна справляется с поставленной задачей, показывает ее частотная харак­теристика. Частотная характеристика обусловлена зависимостью входных сопро­тивлений антенны и ее к.н.д. от частоты.

Рассмотренные технические показатели и характеристики антенн являются основными, но не единственными. Почти каждый класс антенн применительно ких назначению характеризуется еще рядом своих дополнительных показателей.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ АНТЕНН

Диаграммы направленности

Антенные устройства вне зависимости от диапазона волн и конкретных особенностей приемно-передающей аппара­туры служат либо для излучения электромагнитной энергии в пространство (передающие антенны), либо для приема этой энергии из пространства (приемные антенны).

В радиолокационных станциях одна и та же антенна по­очередно выполняет функции передающей (посылка зонди­рующего импульса) и приемной (прием сигнала, отражен­ного от цели).

Большинство антенн, применяемых на сверхвысоких ча­стотах, — направленные т. е. обеспечивают прием или излу­чение только в пределах определенных секторов.

Способность антенн концентрировать излучаемую элек­тромагнитную энергию характеризуют специальные графики, называемые диаграммами направленности. Обычно диа­граммы направленности строят для двух плоскостей: гори­зонтальной и вертикальной.

Диаграмма направленности антенны представляет собой график зависимости напряжения сигнала на входе прием­ника от угла поворота данной антенны в соответствующей плоскости при работе этой антенны либо на передачу, либо на прием.

Следует иметь в виду, что диаграмма направленности антенны не зависит от того, применяется ли антенна в каче­стве передающей или приемной, т. е. любая антенна яв­ляется обратимой.

На рис. 5 для примера приведена диаграмма направлен­ности, построенная в полярных координатах. У этой диа­граммы направление максимального сигнала совмещено с направлением начала отсчета углов поворота антенны (θ = 0), а сам максимальный сигнал принят за единицу, т. е. в направлении радиусов векторов здесь отложена не сама величина интенсивности сигнала Е, а пропорциональ­ная ей величина Е/Е_тлх.

Рис.5. Диаграмма направленности антенны

в полярной системе координат

Из рис.5 видно, что диаграмма направленности имеет характерную лепестковообразную форму. Лепесток, соответствующий максимальному сигналу (в данном случае θ = 0), называют главным лепестком диаграммы направленности, а все последующие — боковыми лепестками. Часто боковые лепестки нумеруют по порядку в направлении от главного лепестка. Так, например, лепестки диаграммы на рис. 5, ле­жащие под углами θ₁ = 60 и 300°, называют первыми боко­выми лепестками; следующие за ними — вторыми боковыми лепестками (θ₂ = 120 и 240°) и т. д.

Как правило, величина боковых лепестков уменьшается по мере роста их номера.

Направления, в которых антенна не принимает и не излу­чает, называются нулями диаграммы направленности. По­бочные максимумы и нули диаграммы направленности всегда чередуются.

Антенны, применяемые на сверхвысоких частотах, часто обладают столь узкими диаграммами направленности, что их графическое изображение в полярной системе координат становится затруднительным. В этих случаях диаграммы строят в прямоугольной системе координат, откладывая по вертикали величину Е/Е_тлх, а по горизонтали — угол пово­рота антенны. Примером такой диаграммы может служить кривая 1на рис. 6, построенная для той же антенны, что и на рис. 5.

В описаниях различного типа аппаратуры часто вместо диаграмм направленности приводят их числовую характе­ристику, указывая углы раствора главного лепестка в вер­тикальной и горизонтальной плоскостях, местоположение боковых лепестков и их интенсивность

Под углом раствора диаграммы направ­ленности в данной плоскости принято понимать угол главного лепестка, лежащий между направлениями, в которых напряжение сигнала падает до значения Е_сигн = = 0,707 от максимальной величины Е_тах. В соответствии со сказанным угол раствора главного лепестка у диаграмм, по­казанных на рис. 1 и 2, составляет θ_о = 50°.

В некоторых случаях диаграммы направленности строят не в относительных величинах напряжения E/E_mах, а в отно­сительных величинах мощности. Так как мощность пропор­циональна квадрату напряжения, то диаграмма направлен­ности по мощности может быть получена при возведении в квадрат соответствующих величин Е/Е_тах. Такимпутем, в ча­стности, была построена кривая 2 на рис. 2, представляющая диаграмму по мощности той же самой антенны, что и кривая 1.

Измерять угол раствора главного лепестка у такой диа­граммы необходимо на уровне (Е/Е_тах)² = ( V)² = 0,5. Поэтому очень часто говорят, что угол раствора главного лепестка диаграммы направленности определяется по точкам половинного зна­чения мощности.

В дальнейшем мы будем обозначать угол раствора диа­граммы направленности в вертикальной плоскости через θ₀, а в горизонтальной плоскости через Ф₀.