Диаграмма направленности

Трехмерная диаграмма направленности антенны. Радиальное расстояние от начала координат в любом направлении представляет собой силу излучения, испускаемого в этом направлении. Верхняя часть показывает Директива паттерн из рупорной антенны, нижние показывает всенаправленный паттерн простой.

В области антенны разработка термин диаграмма направленности (или диаграмма направленности или диаграмма направленности в дальней зоне) относится к направленной (угловой) зависимости силы радиоволны от антенны или другого источника.

В частности, в областях волоконной оптики, лазеров и интегрированной оптики, термин диаграмма направленности также может использоваться как синоним для диаграммы направленности ближнего поля или диаграммы Френеля . Это относится к позиционной зависимости электромагнитного поля в ближнем поле или области Френеля источника. Диаграмма ближнего поля обычно определяется на плоскости, расположенной перед источником, или на цилиндрической или сферической поверхности, окружающей его.

Диаграмма дальнего поля антенны может быть определена экспериментально при дальность действия антенны, или, альтернативно, диаграмма направленности в ближней зоне может быть найдена с использованием сканера ближнего поля, а диаграмма направленности может быть выведена из нее путем вычисления. Диаграмма направленности в дальней зоне также может быть рассчитана на основе формы антенны с помощью компьютерных программ, таких как NEC. Другое программное обеспечение, такое как HFSS, также может рассчитывать ближнее поле.

Диаграмма направленности в дальней зоне может быть представлена ​​графически в виде графика одной из ряда связанных переменных, включая; напряженность поля при постоянном (большом) радиусе (диаграмма амплитуды или диаграмма поля ), мощность на единицу телесного угла (диаграмма мощности ) и директивы gain. Очень часто наносится только относительная амплитуда, нормированная либо на амплитуду на антенне прицел, либо на полную излучаемую мощность. Нанесенная на график величина может быть показана в линейном масштабе или в дБ. График обычно представляется как трехмерный график (как показано справа) или как отдельные графики в вертикальной плоскости и горизонтальной плоскости. Это часто называют полярной диаграммой .

Содержание

• 1 Взаимность
• 2 Типичные закономерности
• 3 Доказательство взаимности
  • 3.1 Практические последствия
• 4 См. Также
• 5 Ссылки
• 6 Внешние ссылки

Взаимность

Основным свойством антенн является то, что диаграмма приема (чувствительность как функция направления) антенны при использовании для прием идентичен диаграмме направленности антенны в дальней зоне при использовании для передачи. Это следствие теоремы взаимности электромагнетизма и доказывается ниже. Таким образом, при обсуждении диаграмм направленности антенну можно рассматривать как передающую или как принимающую, в зависимости от того, что более удобно. Однако обратите внимание, что это относится только к пассивным антенным элементам. Активные антенны, включающие усилители или другие компоненты, больше не являются взаимными устройствами.

Типичные диаграммы

Типичный график полярного излучения. Большинство антенн демонстрируют диаграмму «лепестков» или максимумов излучения. В направленной антенне , показанной здесь, самый большой лепесток в желаемом направлении распространения называется «главным лепестком ». Другие лепестки называются «боковыми лепестками » и обычно представляют излучение в нежелательных направлениях.

Поскольку электромагнитное излучение является дипольным излучением, невозможно построить антенна, которая излучает когерентно одинаково во всех направлениях, хотя такая гипотетическая изотропная антенна используется в качестве эталона для расчета усиления антенны.

Простейшие антенны, монопольные и дипольные антенны, состоят из одного или двух прямых металлических стержней, расположенных вдоль общей оси. Эти аксиально-симметричные антенны имеют диаграммы направленности с аналогичной симметрией, называемые всенаправленными диаграммами направленности; они излучают одинаковую мощность во всех направлениях, перпендикулярных антенне, при этом мощность изменяется только с углом к ​​оси, снижаясь до нуля на оси антенны. Это иллюстрирует общий принцип, согласно которому, если форма антенны является симметричной, ее диаграмма направленности будет иметь такую ​​же симметрию.

В большинстве антенн излучение от разных частей антенны мешает под некоторыми углами; диаграмму направленности антенны можно рассматривать как интерференционную диаграмму. Это приводит к нулевому излучению под определенными углами, когда радиоволны от разных частей приходят не в фазе, и локальным максимумам излучения под другими углами, где радиоволны приходят в фаза. Таким образом, диаграмма излучения большинства антенн показывает диаграмму максимумов, называемых «лепестками», под разными углами, разделенными «нулями », при которых излучение стремится к нулю. Чем больше антенна по сравнению с длиной волны, тем больше будет лепестков.

Прямоугольный график излучения, альтернативный способ представления полярного графика.

В направленной антенне, цель которой состоит в том, чтобы излучать радиоволны в одном конкретном направлении, антенна предназначена для излучать большую часть своей мощности в лепестке, направленном в желаемом направлении. Следовательно, на графике излучения этот лепесток кажется больше других; он называется «главный лепесток ». Ось максимального излучения, проходящая через центр главного лепестка, называется "осью луча" или осью визирования ". В некоторых антеннах, таких как антенны с разделенным лучом, может быть более одной Большой лепесток. Малый лепесток - это любой лепесток, кроме большого лепестка.

Другие лепестки, представляющие нежелательное излучение в других направлениях, называются «боковыми лепестками ». Боковой лепесток в противоположном направлении направление (180 °) от главного лепестка называется "задним лепестком".

Незначительные лепестки обычно представляют излучение в нежелательных направлениях, поэтому в направленных антеннах цель проектирования обычно состоит в том, чтобы уменьшить второстепенные лепестки. обычно самый большой из малых лепестков. Уровень малых лепестков обычно выражается как отношение плотности мощности в рассматриваемом лепестке к плотности мощности главного лепестка. Это соотношение часто называют отношением боковых лепестков или уровнем боковых лепестков. Уровни лепестков -20 дБ или выше обычно нежелательны для многих приложений. Достижение малого уровня боковых лепестков r, чем −30 дБ, обычно требует очень тщательного проектирования и изготовления. Например, в большинстве радиолокационных систем низкие отношения боковых лепестков очень важны для минимизации ложных указаний цели через боковые лепестки.

Доказательство взаимности

Полное доказательство см. В статье взаимность (электромагнетизм). Здесь мы представляем обычное простое доказательство, ограниченное приближением двух антенн, разделенных большим расстоянием по сравнению с размером антенны в однородной среде. Первая антенна - это тестовая антенна, диаграммы направленности которой необходимо исследовать; эта антенна может быть направлена ​​в любом направлении. Вторая антенна - это эталонная антенна, которая жестко направлена ​​на первую антенну.

Каждая антенна поочередно подключается к передатчику с определенным импедансом источника и к приемнику с одинаковым входным импедансом (импеданс двух антенн может отличаться).

Предполагается, что две антенны расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы на свойства передающей антенны не влияла нагрузка, возлагаемая на нее приемной антенной. Следовательно, мощность, передаваемая от передатчика к приемнику, может быть выражена как произведение двух независимых факторов; один зависит от характеристик направленности передающей антенны, а другой - от свойств направленности приемной антенны.

Для передающей антенны, согласно определению усиления, $G\; \{\backslash \; displaystyle\; G\}$, плотность мощности излучения на расстоянии $r\; \{\backslash \; displaystyle\; r\}$от антенны (т.е. мощность, проходящая через единицу площади) составляет

$W\; (\theta ,\; \Phi )\; =\; G\; (\theta ,\; \Phi )\; 4\; \pi \; r\; 2\; P\; t\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{W\}\; (\backslash \; theta,\; \backslash \; Phi)\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; mathrm\; \{G\}\; (\backslash \; theta,\; \backslash \; Phi)\}\; \{4\; \backslash \; pi\; r\; ^\; \{2\}\}\}\; P\_\; \{t\}\}$.

Здесь углы $\theta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; theta\}$и $\Phi \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Phi\}$указывают на зависимость от направления от антенны, а $P\; t\; \{\backslash \; displaystyle\; P\_\; \{t\; \}\}$обозначает мощность, которую передатчик передает согласованной нагрузке. Прирост $G\; \{\backslash \; displaystyle\; G\}$можно разбить на три фактора; усиление антенны (направленное перераспределение мощности), эффективность излучения (с учетом омических потерь в антенне) и, наконец, потери из-за рассогласования между антенной и передатчиком. Строго говоря, чтобы включить рассогласование, его следует называть реализованным усилением, но это не обычное использование.

Для приемной антенны мощность, передаваемая на приемник, равна

$P\; r\; =\; A\; (\theta ,\; \Phi )\; W\; \{\backslash \; displaystyle\; P\_\; \{r\}\; =\; \backslash \; mathrm\; \{A\}\; (\backslash \; theta,\; \backslash \; Phi)\; W\; \backslash ,\}$.

Здесь $W\; \{\backslash \; displaystyle\; W\}$- плотность мощности падающего излучения, а $A\; \{\backslash \; displaystyle\; A\}$- апертура антенны или эффективная площадь антенны (площадь, которую антенна должна занимать, чтобы перехватить наблюдаемую захваченную мощность). Аргументы направления теперь относятся к приемной антенне, и снова $A\; \{\backslash \; displaystyle\; A\}$берется для включения омических потерь и потерь рассогласования.

Объединяя эти выражения вместе, мощность, передаваемая от передатчика к приемнику, равна

$P\; r\; =\; AG\; 4\; \pi \; r\; 2\; P\; t\; \{\backslash \; displaystyle\; P\_\; \{r\}\; =\; A\; \{\backslash \; frac\; \{G\}\; \{4\; \backslash \; pi\; r\; ^\; \{2\}\}\}\; P\_\; \{t\}\}$,

где $G\; \{\backslash \; displaystyle\; G\}$и $A\; \{\backslash \; displaystyle\; A\}$направлены зависимые свойства передающей и приемной антенн соответственно. Для передачи от эталонной антенны (2) на тестовую антенну (1), то есть

$P\; 1\; r\; =\; A\; 1\; (\theta ,\; \Phi )\; G\; 2\; 4\; \pi \; r\; 2\; P\; 2\; t\; \{\backslash \; displaystyle\; P\_\; \{1r\}\; =\; \backslash \; mathrm\; \{A\_\; \{1\}\}\; (\backslash \; theta,\; \backslash \; Phi)\; \{\backslash \; frac\; \{G\_\; \{2\}\}\; \{4\; \backslash \; pi\; r\; ^\; \{2\}\}\}\; P\_\; \{2t\}\}$,

и для передачи в обратном порядке направление

$п\; 2\; р\; знак\; равно\; A\; 2\; G\; 1\; (\theta ,\; \Phi )\; 4\; \pi \; р\; 2\; п\; 1\; t\; \{\backslash \; displaystyle\; P\_\; \{2r\}\; =\; A\_\; \{2\}\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; mathrm\; \{G\_\; \{1\}\}\; (\backslash \; theta,\; \backslash \; Phi)\}\; \{4\; \backslash \; pi\; r\; ^\; \{2\}\}\}\; P\_\; \{1t\}\}$.

Здесь усиление $G\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; G\_\; \{2\}\}$и эффективное area $A\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; A\_\; \{2\}\}$антенны 2 фиксированы, потому что ориентация этой антенны фиксирована относительно первой.

Теперь для данного расположения антенн теорема взаимности требует, чтобы передача мощности была одинаково эффективной в каждом направлении, то есть

$P\; 1\; r\; P\; 2\; t\; =\; P\; 2\; r\; P\; 1\; t\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{P\_\; \{1r\}\}\; \{P\_\; \{2t\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{P\_\; \{2r\}\}\; \{P\_\; \{1t\}\}\}\}$,

откуда

$A\; 1\; (\; \theta ,\; \Phi )\; G\; 1\; (\theta ,\; \Phi )\; знак\; равно\; A\; 2\; G\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; mathrm\; \{A\_\; \{1\}\}\; (\backslash \; theta,\; \backslash \; Phi)\}\; \{\backslash \; mathrm\; \{G\_\; \{1\}\}\; (\backslash \; theta,\; \backslash \; Phi)\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{A\_\; \{2\}\}\; \{G\_\; \{2\}\}\}\}$.

Но правая часть этого уравнения фиксирована (поскольку ориентация антенны 2 фиксирована), и поэтому

$A\; 1\; (\theta ,\; \Phi )\; G\; 1\; (\theta ,\; \Phi )\; =\; константа\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; mathrm\; \{A\_\; \{1\}\}\; (\backslash \; theta,\; \backslash \; Phi)\}\; \{\backslash \; mathrm\; \{G\_\; \{1\; \}\}\; (\backslash \; theta,\; \backslash \; Phi)\}\}\; =\; \backslash \; mathrm\; \{constant\}\}$,

т.е. Направленная зависимость эффективной апертуры (приема) и усиления (передачи) идентичны (QED). Кроме того, константа пропорциональности одинакова независимо от типа антенны и, следовательно, должна быть одинаковой для всех антенн. Анализ конкретной антенны (например, диполя Герца ) показывает, что эта константа равна $\lambda \; 2\; 4\; \pi \; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; lambda\; ^\; \{2\}\}\; \{4\; \backslash \; pi\}\; \}\}$, где $\lambda \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; lambda\}$- длина волны в свободном пространстве. Следовательно, для любой антенны коэффициент усиления и эффективная апертура связаны соотношением

$A\; (\theta ,\; \Phi )\; =\; \lambda \; 2\; G\; (\theta ,\; \Phi )\; 4\; \pi \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{A\}\; (\backslash \; theta,\; \backslash \; Phi)\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; lambda\; ^\; \{2\}\; \backslash \; mathrm\; \{G\}\; (\backslash \; theta,\; \backslash \; Phi)\}\; \{4\; \backslash \; pi\}\}\}$.

Даже для приемной антенны чаще всего указывать усиление, чем указывать эффективная апертура. Поэтому мощность, подаваемая на приемник, обычно записывается как

$P\; r\; =\; \lambda \; 2\; G\; r\; G\; t\; (4\; \pi \; r)\; 2\; P\; t\; \{\backslash \; displaystyle\; P\_\; \{r\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; lambda\; ^\; \{2\}\; G\_\; \{r\}\; G\_\; \{t\}\}\; \{(4\; \backslash \; pi\; r)\; ^\; \{2\}\}\}\; P\_\; \{t\}\}$

(см. бюджет связи ). Однако эффективная апертура представляет интерес для сравнения с реальным физическим размером антенны.

Практические последствия

• При определении диаграммы направленности приемной антенны с помощью компьютерного моделирования нет необходимости выполнять вычисления для всех возможных углов падения. Вместо этого диаграмма направленности антенны определяется путем однократного моделирования, а диаграмма направленности приема - путем взаимности.
• При определении диаграммы направленности антенны путем измерения антенна может быть либо прием или передача, в зависимости от того, что более удобно.
• Для практической антенны уровень боковых лепестков должен быть минимальным, необходимо иметь максимальную направленность.

См. также

• E-plane и H -plane

Ссылки

1. ^ Константин А. Баланис: «Теория, анализ и проектирование антенн», John Wiley Sons, Inc., 2-е изд. 1982 ISBN 0-471-59268-4
2. ^Дэвид К. Ченг: «Полевая и волновая электромагнетизм», Addison-Wesley Publishing Company Inc., издание 2, 1998 г. ISBN 0-201-52820-7
3. ^Эдвард К. Джордан и Кейт Г. Балмейн; «Электромагнитные волны и излучающие системы» (2-е изд. 1968 г.) Прентис-Холл. ISBN 81-203-0054-8
4. ^ Институт инженеров по электротехнике и электронике, «Стандартный словарь терминов по электротехнике и электронике IEEE»; 6-е изд. Нью-Йорк, Нью-Йорк, Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, c1997. IEEE Std 100-1996. ISBN 1-55937-833-6 [изд. Координационный комитет по стандартам 10, Термины и определения; Джейн Радац, (председатель)]
5. ^Сингх, Урвиндер; Сальготра, Рохит (20 июля 2016 г.). «Синтез линейной антенной решетки с использованием алгоритма опыления цветов». Нейронные вычисления и приложения. 29 (2): 435–445. doi : 10.1007 / s00521-016-2457-7.

Эта статья включает материалы общественного достояния из документа General Services Administration : «Федеральный стандарт 1037C».(в поддержку MIL-STD-188 )

Внешние ссылки

• Понимание и использование диаграмм направленности антенны Джозеф Х. Рейсерт