Материал: 736

15

граммы направленности больших, например радиоастрономических антенн, приходится снимать посредством летательных аппаратов и даже из космоса.

Дальняя зона называется также зоной Фраунгофера.

Промежуточная зона

При (r/λ) < 2 (a/λ)2 дальняя зона плавно переходит в промежуточную, называемую также зоной Френеля. В этой зоне в знаменателе подынтегрального выражения в (1.13) по-прежнему можно считать R ≈ r, а в показателе экспоненты необходимо удержать три члена разложения (1.14). Первые два вывода о поперечном характере поля и о локальном подобии его плоской электромагнитной волне сохраняются. Однако зависимость от координаты r осталась под знаком интеграла, поэтому поле не будет иметь характера расходящейся сферической волны, а его угловое распределение будет зависеть от r и тем сильнее, чем меньше r. Так как поле является поперечным, то радиальный характер потока мощности остается. В случае абсолютно ненаправленной приемной антенны и для ∆Фmax = π/8 границы промежуточной зоны лежат в пределах

При ( aλ = 1 ) имеем оценку 0,75 < (rλ) < 2.

Ближняя зона

Область, примыкающая непосредственно к антенне, называется ближней зоной. В этой области поле имеет как продольные, так и поперечные компоненты со сложной зависимостью от координат. Сложны и сами процессы, происходящие в ближней зоне антенны. Обобщая полученные в теории электромагнитного поля результаты можно утверждать, что в случае гармонических колебаний мощность электромагнитного поля может быть представлена в виде суперпозиции постоянной составляющей, равной среднему за период колебаний значению мощности, и переменной или колеблющейся составляющей, среднее значение которой за период колебаний равно нулю.

В ближней зоне вектор Пойнтинга является комплексным и по направлению может не совпадать с r . Комплексность говорит о том, что вблизи антенны находится реактивная, не распространяющаяся часть поля, определяющая реактивную мощность. Реактивные поля затрудняют согласование антенн с фидерным трактом.

1.4. Основные радиотехнические характеристики и параметры антенн в режиме передачи

Большинство характеристик и параметров антенн вводятся для дальней зоны и связаны с полем излучения антенны. Это – амплитудная диаграмма направленности, фазовая и поляризационная диаграммы или характеристики, мощность излучения, коэффициент направленного действия, коэффи-

16

циент усиления. Однако есть и такой параметр, который связан непосредственно с конструкцией самой антенны, с ее полем в ближней зоне. Это – входное сопротивление антенны.

Диаграмма направленности

Диаграмма направленности (ДН) – это зависимость в дальней зоне комплексных компонент напряжённости электрического поля от угловых пе-

где Fθ ,ϕ (θ ,ϕ ) – амплитудные ДН для компонент Eθ , Eϕ ;

– поляризационная диаграмма;

– фазовые диаграммы для компонент Eθ , Eϕ .

Когда говорят о диаграммах направленности, прежде всего под ними понимают амплитудные ДН.

Диаграмма направленности характеризует возможность антенны концентрировать энергию в заданном угловом секторе в пространстве. Угловая зависимость плотности потока мощности

Пr (θ ,ϕ ) = (Fθ (θ ,ϕ ))2 + (Fϕ (θ ,ϕ ))2

называется ДН по мощности. Формула записана в случае антенны эллиптической поляризации, в ДН которой присутствуют обе поперечные компоненты напряжённости электрического поля.

Обычно переходят к нормированным ДН по напряжённости поля

значения которых изменяются в пределах от 0 до 1; признак нормировки в обозначении – черта над символом функции. Направления максимумов излучения для различных компонент напряженности поля и мощности могут не совпадать, что и отражено в формулах.

Переход к нормированным ДН существенно облегчает возможность сравнения их между собой. Изображение ДН в трехмерной графике имеет вид замкнутых поверхностей (см. рис. 1.2). На практике обычно ограничиваются сечениями ДН в двух взаимно ортогональных плоскостях θ = const и ϕ = const, проходящих через направления максимумов излучения. Эти сечения называются главными (на рис. 1.2 они заштрихованы). Их можно провести таким образом, чтобы вектор электрического либо вектор магнитного

17

поля лежал в этих сечениях. Тогда говорят о ДН в E-плоскости или в H- плоскости. Диаграммы в этих сечениях изображают в полярной или декартовой системах координат, причем в последнем случае возможны линейный и логарифмический масштабы (см. рис. 1.3). Если антенна имеет остронаправленную ДН или важна информация о боковых или заднем лепестках, то ДН изображают в декартовой системе координат.

Направленные свойства антенны характеризуют параметром, который называется шириной ДН. Ясно, что ширину ДН или угловой размер главного лепестка следует определять на каком-то стандартном уровне. Обычно определяют на уровне 0,5 или –3 дБ по мощности или 0,707 по напряжённости поля и обозначают Δθ0,5 . Иногда определяют по первым нулям Δθ0 и тогда специально оговаривают. При таких определениях ширина ДН будет одной и той же. Из графиков ДН находят также уровни и направления боковых и заднего лепестков.

Рис. 1.2. Виды пространственных диаграмм направленности

18

Рис. 1.3. Способы изображения диаграмм направленности в полярной и декартовой системах координат

Принцип перемножения диаграмм направленности

В силу линейности уравнений Максвелла электромагнитное поле системы излучателей представляет собой сумму полей ее отдельных элементов. Если эти элементы имеют одинаковые размеры, одинаковые амплитуднофазовые распределения возбуждающего поля или тока, ориентированы в пространстве одинаковым образом и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, то суммарная ДН такой системы может быть записана в виде

произведения векторной комплексной ДН одного элемента Fэл (θ ,ϕ ) на ска-

лярной множитель направленности f∑ (θ ,ϕ ), представляющий ДН совокуп-

ности элементарных излучателей, расположенных в фазовых центрах элементов системы, т.е.

Формула (1.22) – это математическая запись принципа перемножения диаграмм направленности. Его применяют для нахождения ДН любых типов антенных систем, которые можно представить в виде совокупности однотипных непрерывно или дискретно распределенных излучателей.

19

Фазовая диаграмма

Под фазовой диаграммой (ФД) понимают зависимость от угловых координат θ,ϕ фазы поля в дальней зоне на поверхности сферы радиуса r = const. Существует и второе равнозначное определение: фазовой диа-

граммой называют угловую зависимость расстояния r(θ,ϕ) от фазового центра до точек на эквифазной поверхности. Таким образом, ФД характеризует фронт волны, который является поверхностью равных фаз и определяется уравнением

kr(θ,ϕ) = Ф0 −Ф(θ,ϕ) , где Ф0 = const .

Если r(θ,ϕ) = const, то и Ф(θ ,ϕ ) = const , т.е. поверхность равных фаз является поверхностью сферы, а антенна является источником сферических волн с точечным фазовым центром, совпадающим с ее геометрическим центром, находящимся в начале координат. Если Ф(θ ,ϕ ) ¹ const , т.е. поверхность равных фаз не является сферической, то фазовый центр у антенны может или отсутствовать или не быть точечным. Поэтому вводят понятие центра излучения, относительно которого поверхность равных фаз в заданном угловом секторе пространства менее всего отличается от сферической. Обычно достаточно знания ФД в пределах главного лепестка или в угловом секторе, равном ширине ДН антенны. Знание положения фазового центра необходимо, например, при проектировании антенных решеток, облучателей зеркальных или линзовых антенн, систем фазовой пеленгации.

Поляризационная диаграмма

Поляризационная диаграмма антенны (ПД) определяется характером изменения во времени и в пространстве величины и ориентации вектора на-

пряжённости электрического поля Е . Вводится понятие плоскости поляри-

зации, в которой лежат вектора Е и k (или r ); последние указывают направление распространения электромагнитной энергии.

Поляризация называется линейной, если плоскость поляризации с течением времени не меняет своего положения в пространстве. Различают при

этом горизонтальную поляризацию (вектор Е параллелен поверхности зем-

ли), вертикальную (вектор Е перпендикулярен поверхности земли) и на-

клонную. Если вектор Е вращается вокруг направления распространения, делая один оборот за период колебаний, то вместе с ним вращается плоскость поляризации и поляризацию тогда называют вращающейся. Если смотреть

вслед уходящей волне и видеть при этом вектор Е , вращающимся по часовой стрелке, то говорят “ поляризация правого вращения ”; если видеть вращающимся против часовой стрелки, то – “ левого вращения”. Вращающуюся

поляризацию называют также эллиптической, поскольку вектор Е , вращаясь с угловой частотой ω, описывает в пространстве винтовую линию, проекция