Диаграмма направленности по полю и по мощности

Вторая функция антенны — концентрация излучения в определенных направлениях при заданной поляризации радиоволн в режиме передачи или преимущественный прием приходящих с определенных направлений радиоволн заданной поляризации в режиме приема.

Преобразование энергии токов высокой частоты в энергию ра­диоволн в режиме передачи или обратное преобразование в режиме приема является первой функцией антенны.

Назначение, классификация и основные параметры антенн.

АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ СИСТЕМЫ СРЕДСТВ РЭП

Назначение передающей и приемной антенн

Любая радиолиния состоит из двух устройств - передающего и приемного, связь между которыми осуществляется с помощью электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве. Модулированные высокочастотные колебания, вырабатываемые передатчиком, подводятся к специальному устройству, задачей которого является излучение свободно распространяющихся радиоволн. Это устройство называется излучающей или передающей антенной.

Таким образом, основным назначением передающей антенны является излучение свободно распространяющихся электромагнитных волн.

Образовавшиеся электромагнитные волны распространяются в свободном пространстве и достигают приемной установки. Последняя, очевидно, должна содержать устройство, которое улавливает часть энергии из поля приходящих электромагнитных волн. Это устройство называется приемной антенной.

Следовательно, основным назначением приемной антенны является улавливание энергии из поля распространяющихся радиоволн и передача этой энергии в приемник.

Если передающая антенна преобразует энергию токов высокой частоты в энергию свободно распространяющихся электромагнитных волн, то приемная антенна выполняет обратную задачу — преобразует энергию свободно распространяющихся электромагнитных волн в энергию токов высокой частоты.

В обоих случаях основным физическим процессом в антенне является взаимодействие зарядов с электромагнитным полем.

В случае передающей антенны токи, текущие в антенне, возбуждают электромагнитное поле в пространстве. Так как поле распространяется, «уходит» от антенны, то необходимо все время поддерживать его, что осуществляется благодаря передаче энергии от движущихся в антенне зарядов полю.

В случае приемной антенны поле приходящих радиоволн воздействует на имеющиеся в антенне свободные заряды. Под влиянием этого поля заряды приобретают составляющую скорости в направлении действия электрического поля, т. е. в антенне возникает переменный ток. При этом часть энергии падающей волны поступает в антенну, которая в свою очередь передает ее с определенным КПД приемнику.

Обратный характер процессов, происходящих в передающей и приемной антеннах, определяет их обратимость. Последнее означает, что принципиально передающую антенну можно использовать как приемную, и наоборот. Это свойство обратимости имеет большое практическое значение и широко используется, например, в РЛС, где весьма часто одна и та же антенна работает как на передачу, так и на прием. Такие антенны называются приемно-передающими.

Ценность свойства обратимости состоит еще и в том, что имеется тесная связь между параметрами антенны в режиме передачи и приема. Это является весьма важным с точки зрения анализа антенн, так как позволяет обойтись изучением параметров антенны при работе ее в одном из режимов.

Антенна, как самостоятельный элемент любого передающего и приемного устройства, была впервые предложена изобретателем радио А. С Поповым. В 1895 году он впервые применил антенну для регистрации грозовых разрядов. В 1896 году А. С. Попов применил антенну для излучения радиоволн. В качестве передающей и приемной антенн применялся вертикальный заземленный провод, к зажимам которого подключался приемник или передатчик.

В течение длительного времени, вплоть до 20-х годов прошлого столетия, заземленный провод (несимметричный вибратор) в различном конструктивном выполнении его был основным типом антенн, применяв­шимся в радиосвязи на длинных и средних волнах. Освоение коротковолнового, а впоследствии, начиная с 30-х годов. и УКВ диапазонов привели к интенсивному развитию антенной техники и в настоящее время существует большое количество разнообразных типов антенн. Различие в их конструкции и электрических параметрах обусловлено диапазоном волн и разными требованиями, предъявляемыми к антеннам радиоустановок различного назначения.

 

Классификация антенн по диапазонам волн

В соответствии с используемым диапазоном волн различают антенны длинных, средних, коротких волн, антенны УКВ и антенны оптического диапазона. [12]

На длинных, средних и коротких волнах антенны представляют собою системы тонких проводов, которые преобразуют токи высокой частоты в радиоволны и формируют диаграмму направленности. Отношение линейного размера антенны L к длине волны λ здесь меньше или порядка единицы (для антенн длинных средних волн L/λ<1, для антенн коротких волн L/λ~1).

Антенны УКВ можно разделить на антенны метровых волн и СВЧ антенны, к которым мы отнесем антенны дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн.

Для антенн УКВ диапазона (в особенности СВЧ антенн) характерны следующие три особенности:

— размер их обычно значительно больше длины волны (L/λ >˃1), что позволяет обеспечить высокие направленные свойства антенны;

— вместо линейных токов, текущих по тонким проводам, широко используются поверхностные токи, обтекающие большие металлические поверхности;

— преобразование токов высокой частоты в радиоволны и фор­мирование диаграммы направленности производится зачастую разными элементами антенны. Так, в зеркальных или линзовых антеннах источником излучения является обычно вибратор, щель, рупор (или система вибраторов, щелей, рупоров). Диаграмма же направленности этих антенн формируется зеркалом или линзой.

Диапазон УКВ, являющийся основным для радиолокации, а также для станций помех РЭБ-С характеризуется большим разнообразием применяемых в нем типов антенн. Это обусловлено, с одной стороны, широкими возможностями варьирования относительных размеров антенны, а с другой — весьма разнообразными требованиями, предъявляемыми к антеннам таких станций.

Следует отметить, что антенна является одним из наиболее важных устройств, определяющим в значительной мере тактико-технические данные станции. Основные тактико-технические требования к станции помех: дальность действия, точность определения координат, разрешающая способность, помехозащищенность, скорость обзора пространства и т.д. в значительной мере обеспечиваются надлежащим выбором антенны. Правильный выбор антенны имеет существенное значение и с точки зрения надежности, удобства эксплуатации, мобильности и стоимости станции Стоимость современной станции в значительной мере определяется стоимостью антенного устройства.

В отличие от ряда других узлов станции антенна не может быть «спрятана» и поэтому наиболее подвержена как воздействию различного рода метеофакторов, так и воздействию со стороны противника. Это вынуждает зачастую применять различные меры защиты антенны, например, обтекатели.

 

Классификация антенн УКВ

Как уже обмечалось, диапазон УКВ отличается большим раз­нообразием применяемых в нем типов антенн.

Дадим краткую характеристику основных классов антенн УКВ (рис.3.4.1).

 

 

Рис.3.4.1

Проволочные антенны. Этот класс антенн (который также широко применяется и в КВ диапазоне) можно разбить на два основных подкласса вибраторные и спиральные.

В подклассе вибраторных антенн основным элементом является симметричный вибратор длиною около λ/2 (рис.3.4.2).

 

Рис.3.4.2

Ряд таких вибраторов, одинаково ориентированных и размещенных на некотором расстоянии друг от друга, образуют вибраторные решетки. Эти решетки могут быть двух основных типов: с поперечным и с осевым излучением.

В решетках первого типа максимум излучения направлен по нормали к плоскости решетки или отклонен от нормали на некоторый угол. Пример такой решетки — антенна «синфазное полотно», показанная на рис 3.4.3.

 

Рис.3.4.3 Рис.3.4.4

 

Вибраторы здесь питаются синфазно. Максимум излучения направлен по нормали к плоскости полотна. Для того, чтобы излучение в подобных

антеннах было в одну сторону, применяют рефлектор (металлический лист, сетку или аналогичную решетку вибраторов), установленный на расстоянии примерно четверти длины волны от решетки. В решетках с осевым излучением вибраторы питаются бегущей волной. Максимум излучения направлен вдоль линии расположения вибраторов. Примером подобной системы является весьма простая по конструкции директорная антенна (рис. 3.4.4).

В этой системе питается лишь один — «активный» вибратор, поле которого возбуждает остальные «пассивные» вибраторы. Необходимые фазы токов в вибраторах обеспечиваются подбором длин вибраторов и расстояний между ними.

Помимо простоты конструкции достоинством антенн осевого из­лучения является формирование сравнительно узкой диаграммы направленности одновременно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях путем увеличения лишь одного линейного размера — длины антенны, в то время как в антеннах с поперечным излучением для этого необходимо увеличивать оба размера полотна.

Недостаток антенн осевого излучения (по сравнению с антеннами с поперечным излучением) — большой уровень боковых лепестков.

Остановимся теперь на спиральных антеннах. Наиболее типичным представителем их является цилиндрическая спираль (рис.3.4.5). Обычно такая спираль применяется с рефлектором. Если длина витка спирали приблизительно равна длине волны в свободном пространстве, то максимум излучения направлен вдоль оси.

Помимо цилиндрической используются и другие виды спиральных антенн — коническая, с переменным углом намотки, плоская и т. д.

Наиболее ценными качествами спиральных антенн являются их диапазонность и круговая поляризация поля, создаваемого ими в направлении оси спирали.

К проволочным антеннам относятся также антенны, состоящие из тонких проводов или металлических лент: прямолинейных или изогнутых в виде зигзага, рамки и т. п.

Антенны акустического типа. Кним относятся волноводные излучатели и рупорные антенны.

Простейшим волноводным излучателем является открытый конец прямоугольного или круглого волновода (рис.3.4.6,а,б). Направленность излучения такой антенны невелика. Кроме того, она плохо согласована со свободным пространством.

 

Рис.3.4.6

Для увеличения направленности и улучшения согласования открытый конец волновода снабжают рупором, который в конструктивном отношении подобен акустическому рупору.

Возможны различные типы рупоров: пирамидальный, секториальный, конический и т. д. (рис.3.4.7а,б,в).

 

Рис.3.4.7

Рупорные антенны просты, широкополосны. Они находят широкое применение как самостоятельные антенны (особенно в измерительной технике), так и в качестве элементов более сложных антенн (в станциях РЭБ-С).

Недостатком рупорных антенн является трудность получения узких диаграмм направленности.

Антенны оптического типа.К антеннам оптического типа относятся зеркальные (рефлекторные) (рис.3.4.8) и линзовые антенны (рис.3.4.9).

Принцип работы этих антенн заимствован из оптики. Антенны состоят из двух элементов — первичного источника (облучателя) и зеркала или линзы, преобразующих расходящийся от точечного облучателя пучок лучей в параллельный на выходе системы.

 

Рис.3.4.8 Рис.3.4.9

Зеркальные и линзовые антенны получили весьма широкое распространение, в, частности, станциях помех РЭБ-С. Зеркальные антенны являются основным типом антенн, применяемых в настоящее время в радиолокации, космической связи, радиоастрономии. Это обусловлено простотой и механической прочностью конструкции этих антенн, их диапазонностью, высоким КПД и возможностями сравнительно несложными способами создавать различные диаграммы направленности.

На рис.3.4.1 отдельно выделены два весьма перспективных класса антенн: фазированные антенные решетки (ФАР) и антенны с обработкой сигнала. Эти антенны представляют собой сложные устройства с разветвленной схемой управления и обработки сигнала. В качестве же излучающих элементов здесь используются рассмотренные выше типы антенн.

 

Основные параметры антенн

Как было отмечено ранее, в настоящее время существует множество различных типов антенн. Тем не менее можно указать ряд основных присущих любой антенне электрических параметров, характеризующих свойства антенны как преобразователя энергии и направленные свойства ее.

Значения этих параметров обычно и определяются при электрическом расчете или экспериментальном исследовании антенны. Они позволяют качественно и количественно оценивать свойства антенны, сопоставлять различные типы антенн между собою и производить выбор целесообразного типа антенны.

Перейдем к рассмотрению основных параметров передающей антенны.

Параметры антенны в режиме приема можно, в соответствии с принципом взаимности , найти по параметрам ее в режиме передачи.

 

Диаграммой (или характеристикой) направленности по полю f(θ, φ) называется зависимость амплитуды поля, излучаемого антенной, от пространственных углов θ и φ при постоянном расстоянии до точек наблюдения и неизменных условиях возбуждения антенны.

Диаграмма направленности по полю f(θ, φ) представляет собою модуль комплексной ДН. ДН может быть выражена либо аналитически (в виде определенной формулы), либо графически (в виде определенной поверхности).

Весьма удобным является использование так называемой нормированной диаграммы направленности.

Под нормированной ДН понимается отношение значения ДН в произвольном направлении к максимальному значению ДН. Нор- мированную ДН будем далее обозначать

 

F(θ, φ)= f(θ, φ )/ f_макс(θ, φ). (3.4.1)

 

Очевидно, что наибольшее значение нормированной диаграммы направленности равно единице.

Использование нормированных ДН облегчает сравнение направленных свойств различных антенн.

Кроме ДН по полю, широко используются также ДН по мощности.

Диаграммой направленности по мощности называется зависимость плотности потока излучаемой мощности S от пространственных углов θ и φ при постоянном расстоянии до точек наблюдения и неизменных условиях возбуждения антенны.

Нормированная ДН по мощности обозначается Ψ(θ, φ).

 

Ψ(θ,φ)= = = F²(θ, φ) (3.4.2)

 

Обычно антенны имеют сложную многолепестковую диаграмму направленности (рис.3.4.10)

 

Рис.3.4.10

Наибольший лепесток называется главным, а направление, в котором поле имеет наибольшую величину, носит название направления главного максимума. Остальные лепестки называются боковыми или побочными. Если существует лепесток в направлении, противоположном главному, то его называют задним лепестком.

Направления, в которых антенна не излучает, называются «нулевыми» направлениями.

Пространственная ДН неудобна для изображения. Поэтому, как правило, пользуются ее плоскими сечениями, проходящими через направление главного максимума. Обычно для антенн, излучающих линейно поляризованное поле, рассматривают ДН в электрической и магнитной плоскостях. Эти плоскости (называемые также главными) взаимно перпендикулярны и проходят через направление главного максимума и векторы Е или Н соответственно.

Диаграмму направленности характеризуют формой главного лепестка и шириной его в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, а также уровнем боковых лепестков в определенном секторе.

Форма главного лепестка может быть разной — тороидальной, игольчатой, веерной, специальной формы (например, косекансной, воронкообразной и т. п.).

Тороидальная ДН (рис.3.4.11,а) характерна отсутствием направ­ленности излучения в одной из главных плоскостей; при игольчатой ДН (рис. 3.4.11,б) главный лепесток приблизительно одинаков в главных плоскостях; в случае веерообразной ДН (рис. 3.4.11,в) — главный лепесток в одной плоскости значительно шире, чем в другой; при косекансной ДН (рис. 3.4.11,г) форма главного лепестка ДН по полю в одной из плоскостей изменяется по закону сosecθ.

 

Рис.3.4.11

 

Важным численным параметром антенны, характеризующим степень направленности ее, является ширина ДН (главного лепестка ее).

Ширина ДН отсчитывается на некотором условном уровне oтносительно максимального значения ее. Обычно ширина ДН в данной плоскости определяется как угол между направлениями, в которых плотность потока мощности уменьшается в два раза, десять раз или до нуля по сравнению с направлением главного максимума. Соответственно говорят (рис. 3.4.10) о ширине ДН: «по половине мощности» (2θ_0,5р),«по 0,1 мощности» (2θ _0,1р ),или «по нулям» (2θ ₀). Чаще всего используется величина 2θ _0,5р.

Уровень боковых лепестков определяют как отношение максимумов боковых лепестков к главному максимуму и выражают эту величину в процентах или децибелах. Обычно боковые лепестки характеризуют уровнем первого из них (ближайшего к главному, имеющего, как правило, наибольшую величину.

В последнее время зачастую интересуются средним уровнем бокового излучения в определенном секторе.

Наличие боковых лепестков в диаграмме направленности крайне нежелательно, так как они «уносят» бесполезно много энергии, могут привести к ложному пеленгу цели, снижают помехоустойчивость и разведустойчивость РЭС, мешают нормальной работе расположенных рядом радиотехнических устройств.

Одной из важных задач при конструировании антенн является задача получения главного лепестка заданной формы при минимальном уровне боковых лепестков.

Остановимся теперь на способах изображения ДН. Обычно ДН в выбранной плоскости изображают в полярной (рис. 3.4.12,а) или прямоугольной (рис. 3.4.12,б) системах координат.

В полярной системе координат изображение ДН нагляднее. В прямоугольной системе координат изображение ДН менее наглядно, но удобно при высокой направленности антенны, так как масштаб по оси абсцисс можно растянуть. Это позволяет более полно отобразить детали ДН:число и уровень боковых лепестков.

Для этой же цели весьма часто используют логарифмический масштаб. Изображение ДН в логарифмическом масштабе может производиться как в прямоугольной (рис. 3.4.12,в), так и в полярной (рис. 3.4.12,г)системах координат. Пересчет в децибелы производится по формуле

Ψ(θ, φ)_дБ=10 lgΨ(θ, φ)=20lg F(θ, φ) (3.4.3)

Значение Ψ(θ, φ)_дБ везде будет отрицательным за исключением направления главного максимума, где оно равно нулю. Логарифмический масштаб особенно удобен при изображении ДН, у которых уровень боковых лепестков очень мал.

 

б

 

 

Рис.3.4.12