Открыть главное меню

Диаграмма направленности

ДН типичной направленной антенны (азимутальная).
ДН по углу места.

Диаграмма направленности (антенны) — графическое представление зависимости коэффициента усиления антенны или коэффициента направленного действия антенны от направления антенны в заданной плоскости[1]. Также термин «диаграмма направленности» применим к другим устройствам, излучающим сигнал различной природы, например акустическим системам.

Содержание

Основные положенияПравить

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

ДН обозначается символом  . ДН нормируют — все значения   делят на максимальное значение   и обозначают нормированную ДН символом  . Очевидно,  .

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

 ,

где   — комплексная амплитуда вектора в точке дальней зоны.

ДН характеризуется шириной   её главного луча на уровне 0,5 от её максимального значения по мощности и коэффициентом усиления  , которые связаны соотношениями:

 ,  ,  ,

где  ,   — 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  , фазовые Δω(θ, φ) и поляризационные  ↑↓(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 данном размере антенны ведет 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 изучениеПравить

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 направленностиПравить

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 [2][3][4].

Наибольшее распространение получило выполнение цифрового диаграммообразования (англ. digital beamforming) на основе операции быстрого преобразования Фурье[5][6][7], позволяющего формировать ортогональную систему так называемых вторичных пространственных каналов, в которой максимум диаграммы направленности одного канала совпадает с нулями остальных.

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения
  2. Слюсар, В.И. Схемотехника цифрового диаграммообразования. Модульные решения.. Электроника: наука, технология, бизнес. – 2002. - № 1. C. 46 - 52. (2002).
  3. Слюсар, В.И. Модульные решения в схемотехнике цифрового диаграммообразования.. Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника.- Том 46, № 12. C. 48 - 62. (2003).
  4. Слюсар, В.И. Схемотехника цифровых антенных решёток. Грани возможного.. Электроника: наука, технология, бизнес. – 2004. - № 8. C. 34 - 40. (2004).
  5. Слюсар В.И. Точность измерений угловых координат линейной цифровой антенной решеткой при неидентичностях приемных каналов.// Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. – 1999. - Том 42, № 1. - C. 18. - [1].
  6. Слюсар В.И., Дубик А.Н. Метод многоимпульсной передачи сигналов в МIМО-системе.// Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника.- 2006. - Том 49, № 3. - С. 75 - 80. [2]
  7. Слюсар В.И., Дубик А.Н., Волошко С.В. МІМО-метод передачи телекодовой информации.// Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника.- 2007. - Том 50, № 3. - С. 61 - 70. [3]

ЛитератураПравить

  • 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.

СсылкиПравить