Комплексная характеристика направленности. Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления антенны

Электромагнитное поле произвольной антенны в дальней зоне в соответствии с основными положениями электродинамики можно записать в виде:

, (5.5)

где Ом – волновое сопротивление свободного пространства; ‑ длина волны в свободном пространстве; ‑ скорость света; ‑ рабочая частота излучения; ‑ комплексная амплитуда электрического тока в выбранной точке A излучающей системы (обычно в максимуме излучения); ‑ действующая длина антенны (коэффициент пропорциональности); ‑ комплексная векторная нормированная диаграмма направленности, определяемая в общем случае соотношением:

, (5.6)

где , , ‑ соответственно амплитудная, поляризационная и фазовая диаграммы направленности.

Амплитудная характеристика (диаграмма) направленности даёт наглядное представление о распределении энергии волн в пространстве и определяется зависимостью амплитуды напряженности создаваемого антенной поля от направления в пространстве при фиксированном расстоянии. Направление определяется азимутальным ( ) и меридиональным ( ) углами сферической системы координат, как показано на рисунке 7.2. При этом поле измеряется (или рассчитывается) на одном и том же (достаточно большом) расстоянии от антенны. Амплитудную диаграмму направленности часто называют просто диаграммой направленности.

Пространственная (объемная) диаграмма направленности изображается в виде поверхности , как показано на рисунке 5.3.

Пространственная диаграмма направленности, у которой максимальное значение равно единице, называется нормированной и обозначается как :

. (5.7)

В общем случае построение пространственных диаграмм направленности неудобно. В связи с этим на практике обычно строят диаграммы направленности в какой-либо одной плоскости (азимутальной или угломестной), в которой они изображаются плоской кривой или в полярных или декартовых системах координат.

Помимо рассмотренных выше диаграмм направленности (ДН) по напряженности поля (амплитудных диаграмм направленности) , иногда используют диаграммы направленности антенны по мощности , которые определяют зависимость плотности потока мощности излучаемого антенной поля от направления в пространстве при фиксированном расстоянии:

. (5.8)

В тех случаях, когда необходимо получить изображение боковых лепестков низкого уровня, целесообразно использовать логарифмический масштаб

[дБ]. (5.9)

Каждая остронаправленная диаграмма направленности содержит главный лепесток, боковые лепестки, задний лепесток и имеет определённую ширину главного лепестка и некоторый уровень боковых лепестков, которые относятся к вторичным параметрам, характеризующим направленные антенн.

Ширина главного лепестка диаграммы направленности (чаще ее называют шириной луча) определяется как угол между направлениями, в которых плотность потока мощности уменьшается в 2 раза , в 10 раз или до нуля . Эта ширина для диаграммы направленности по напряженности будет соответствовать уровням 0,707; 0,316 и 0 соответственно.

Уровень боковых лепестков определяется отношением величины наибольшего и главного лепестков. Он может выражаться в разах, процентах и децибелах. Иногда задаются требования на уровень боковых лепестков в некотором секторе углов либо даже на уровень задних лепестков.

Степень направленности антенны может быть выражена коэффициентом направленного действия (КНД). КНД - это число, показывающее во сколько раз необходимо увеличить мощность излучения антенны при переходе от направленной антенны ( ) к ненаправленной ( ) при условии сохранения одинаковой напряженности поля в месте приема. С учетом соотношений, описывающих данные мощности, можно записать:

. (5.10)

Для оценки выигрыша в мощности за счет направленных свойств антенны с учетом потерь в ней вводится параметр, называемый коэффициентом усиления антенны. Коэффициентом усиления антенны называется отношение мощности , излучаемой ненаправленной антенной без потерь, к мощности , подводимой к направленной антенне с потерями при условии получения одинаковой напряженности поля в точке наблюдения. Наиболее часто применяют формулу:

. (5.11)

Поляризационные свойства антенны описываются поляризационным эллипсом, показанным на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 – Поляризационный эллипс

При этом поляризационный эллипс может быть определен следующими величинами:

‑ коэффициентом эллиптичности

, (5.12)

‑ углом наклона поляризационного эллипса

, (5.13)

‑ направлением вращения вектора поля, которое называется правым ( ), если вращение вектора происходит по часовой стрелке при наблюдении вслед уходящей волне (аналогия с правым винтом в механике), в противном случае направление называется левым ( ):

, . (5.14)