Диаграмма направленности

Не следует путать с характеристикой направленности микрофона.

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. 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.

Основные положения

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

ДН обозначается символом [math]\displaystyle{ f(\theta, \phi) }[/math]. ДН нормируют — все значения [math]\displaystyle{ E(\theta, \phi) }[/math] делят на максимальное значение [math]\displaystyle{ E_m }[/math] и обозначают нормированную ДН символом [math]\displaystyle{ F(\theta, \phi) }[/math]. Очевидно, [math]\displaystyle{ 0 \le F(\theta, \phi) \le 1 }[/math].

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

[math]\displaystyle{ \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] } }[/math],

где [math]\displaystyle{ {\stackrel{\circ}{E}}_m }[/math] — комплексная амплитуда вектора в точке дальней зоны.

ДН характеризуется шириной [math]\displaystyle{ \Theta_A }[/math] её главного луча на уровне 0,5 от её максимального значения по мощности и коэффициентом усиления [math]\displaystyle{ G }[/math], которые связаны соотношениями:

[math]\displaystyle{ G=\frac{4\pi S_A}{\lambda^2} }[/math], [math]\displaystyle{ S_A=\frac{\pi d_{A}^{2}}{4} }[/math], [math]\displaystyle{ \Theta_A=\frac{\lambda}{d_{A}} }[/math],

где [math]\displaystyle{ S_A }[/math], [math]\displaystyle{ d_A }[/math] — 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 [math]\displaystyle{ A(\theta, \phi) }[/math], фазовые Δω(θ, φ) и поляризационные [math]\displaystyle{ \bar{P} }[/math]↑↓(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