Диаграмма направленности

Не следует путать с характеристикой направленности микрофона.

Диаграмма направленности (антенны) — графическое представление зависимости коэффициента усиления антенны или коэффициента направленного действия антенны от направления антенны в заданной плоскости. Также термин «диаграмма направленности» применим к другим устройствам, излучающим сигнал различной природы, например акустическим системам. Диаграмма направленности антенны определяет также положение и размер слепой зоны антенны.

ДН типичной направленной антенны (азимутальная).

ДН по углу места.

Основные положения

Диаграммой направленности (ДН) антенны по полю часто называют зависимость модуля комплексной амплитуды вектора напряженности ${\bar {E}}$ электрической компоненты электромагнитного поля, создаваемого антенной в дальней зоне, от угловых координат $\theta$ и $\phi$ точки наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскости, то есть зависимость $E(\theta ,\phi )$.

ДН обозначается символом $f(\theta ,\phi )$. ДН нормируют — все значения $E(\theta ,\phi )$ делят на максимальное значение $E_{m}$ и обозначают нормированную ДН символом $F(\theta ,\phi )$. Очевидно, $0\leq F(\theta ,\phi )\leq 1$.

Также можно определить ДН как комплексную величину. В этом случае, аналогично указанному выше, ДН есть:

${\stackrel {\circ }{F}}\left(\theta ,\phi \right)={\frac {{\stackrel {\circ }{E}}_{m}\left(\theta ,\phi \right)}{\max _{\theta ,\phi }\left[\left|{\stackrel {\circ }{E}}_{m}(\theta ,\phi )\right|\right]}}$,

где ${\stackrel {\circ }{E}}_{m}$ — комплексная амплитуда вектора в точке дальней зоны.

ДН характеризуется шириной $\Theta _{A}$ её главного луча на уровне 0,5 от её максимального значения по мощности и коэффициентом усиления $G$, которые связаны соотношениями:

$G={\frac {4\pi S_{A}}{\lambda ^{2}}}$, $S_{A}={\frac {\pi d_{A}^{2}}{4}}$, $\Theta _{A}={\frac {\lambda }{d_{A}}}$,

где $S_{A}$, $d_{A}$ — эффективная площадь и протяженность апертуры антенны.

ДН обычно описываются не только в плоскости, но и в трехмерном отображении. Для упрощения их рассмотрения, принимают две проекции ДН:

• горизонтальную (азимутальная)
• вертикальную (по углу места)

При совместном рассмотрении проекций проясняется более полная картина самой ДН и, как подтверждает практика, по этим данным можно судить об эффективности антенны применительно к решению конкретной задачи.

Существуют амплитудные $A(\theta ,\phi )$, фазовые Δω(θ, φ) и поляризационные ${\bar {P}}$↑↓(θ, φ) ДН.

По форме диаграммы направленности антенны обычно подразделяются на узконаправленные и широконаправленные. Узконаправленные антенны имеют один ярко выраженный максимум, который называют основным лепестком, и побочные максимумы (обычно имеющие отрицательное влияние), амплитуду которых стремятся уменьшить. Узконаправленные антенны применяют для концентрации мощности радиоизлучения в одном направлении для увеличения дальности действия радиоаппаратуры, а также для повышения точности угловых измерений в радиолокации. Широконаправленные антенны имеют хотя бы в одной плоскости диаграмму направленности, которую стремятся приблизить к круговой. Они находят применение, например, в телерадиовещании. Часто лепестки диаграммы направленности называют лучами антенны.

Диаграмма направленности антенны определяется амплитудно-фазовым распределением компонент электромагнитного поля в апертуре антенны — некоторой условной расчётной плоскости, связанной с её конструкцией. Разработка антенны с требуемой диаграммой направленности сводится, таким образом, к задаче обеспечения нужной картины электромагнитного поля в плоскости апертуры. Существуют фундаментальные ограничения, связывающие обратной зависимостью ширину луча и относительный размер антенны, то есть размер, делённый на длину волны. Поэтому узкие лучи требуют антенн больших размеров или применения более коротких волн. С другой стороны, максимальное сужение луча при заданном размере антенны ведёт к возрастанию уровня боковых лепестков. Поэтому в данном моменте приходится идти на приемлемый компромисс.

ДН обычно измеряют в горизонтальной или вертикальной плоскостях, для облучателей — в плоскостях Е или Н.

Диаграмма направленности антенны обладает свойством взаимности, то есть имеет аналогичные характеристики на передачу и приём в одном и том же диапазоне волн.

Экспериментальное изучение

Исследование ДН небольших антенн производят в безэховых камерах. Для больших антенн, не помещающихся в камеру, используют их уменьшенные модели; длину волны излучения также уменьшают в соответствующее число раз.

В случае построения диаграммы направленности для радиотелескопов выбирается яркий точечный источник на небе (зачастую — Солнце). Далее проводится серия наблюдений под разными углами, позволяющая построить распределение интенсивности в зависимости от направления, то есть искомую диаграмму направленности.

Формирование диаграммы направленности

Формирование диаграммы направленности в антеннах может осуществляться аналоговым либо цифровым способом.

Цифровой метод применяется в цифровых антенных решётках. Цифровое диаграммообразование подразумевает под собой цифровой синтез диаграммы направленности в режиме приёма, а также формирование заданного распределения электромагнитного поля в раскрыве антенной решётки в режиме передачи.

Наибольшее распространение получило выполнение цифрового диаграммообразования (англ. digital beamforming) на основе операции быстрого преобразования Фурье, позволяющего формировать ортогональную систему так называемых вторичных пространственных каналов, в которой максимум диаграммы направленности одного канала совпадает с нулями остальных.

См. также

• Антенна
• Дальняя зона
• Индикатриса рассеяния
• Основное уравнение радиолокации

Литература

• Лавров, А. С. Антенно-фидерные устройства: учеб. пособие для вузов / А. С. Лавров, Г. Б. Резников. — М.: «Советское радио», 1974. — 368 с.
• Дудник, П. И. Многофункциональные радиолокационные системы: учеб. пособие для вузов / П. И. Дудник, А. Р. Ильчук [и др.]. — М.: Дрофа, 2007. — 283 с. — ISBN 978-5-358-00196-1.
• Mahafza, B. R. Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB / Bassem R. Mahafza. — CHAPMAN&HALL/CRC, 2000. — 532 с. — ISBN 1-58488-182-8.

Ссылки

• Диаграммы направленности различных типов антенн.
• Двухпутная диаграмма направленности, получаемая при отличающихся направлениях зондирования и приема