Как построить диаграмму направленности

Построение диаграммы направленности антенны

Для антенны, состоящей из нескольких вибраторов, с учетом влияния земли диаграмма направленности антенны определяется формулой

F(И,ц)= F1(И,ц) F2(И,ц) F3(И,ц), (2.1)

где F1(И,ц) — множитель, определяющий диаграмму одного вибратора;

F2(И,ц) — множитель антенны (решетки);

F3(И,ц) — множитель земли;

И и ц — угол места и азимут.

В горизонтальной плоскости диаграмма направленности антенны

антенна сопротивление направленность вибратор

F(ц)= F1(ц) F2(ц) F3(ц). (2.2)

Множитель, определяющий диаграмму одного вибратора

где А- постоянный коэффициент,

В выражении (2.4) коэффициент А =1.Подставив (2.3) — (2.5) в (2.2) получим, что выражение для диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости имеет вид:

Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости, построенная с помощью САПР MathCAD, представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1- Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости

В вертикальной плоскости диаграмма направленности антенны

F(И)= F1(И) F2(И) F3(И). (2.7)

Множитель, определяющий диаграмму одного вибратора

В выражении (2.9) коэффициент А =1.

Подставив (2.8 — 2.10) в (2.7), получим, что выражение для диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости имеет вид:

Диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости, построенная с помощью САПР MathCAD, представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2- Диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости

Расчет коэффициента направленного действия

Коэффициент направленного действия определяется, как у антенны бегущей волны, следующей приближенной формулой:

где L — длина антенны,

K1 — коэффициент, зависящий от длины антенны.

Подставив dд=0,06м; dр=0,16 м, в (2.13), получим, что длина антенны L=0,28 м.

Коэффициент К1 определим, используя график зависимости К1 от ,представленный

Рисунок 2.3 — Вспомогательный график для расчета коэффициента направленного действия антенны

Так как =0,644; то К1? 11,5. Подставив полученные численные значения в формулу (2.12), получим, что коэффициент направленного действия антенны D=7,402.

Расчёт входного сопротивления

Для расчёта входного сопротивления воспользуемся формулой:

Ток в активном вибраторе, вычисленный по формуле (1.21) I0=0,001762+i0,006028 А, поэтому входное сопротивление антенны, рассчитанное по формуле (2.14) будет 44,674 ? j152,834 Ом. Реактивная составляющая входного сопротивления не равна нулю потому, что ранее принятое собственное сопротивление активного вибратора не компенсирует наведённое сопротивление. Для получения высокого коэффициента бегущей волны необходимо равенство нулю реактивной части Zвх. При выполнении условия

X00’= ?Xнав=X00 — Xвх (2.15)

происходит взаимная компенсация наведенного и собственного реактивного сопротивлений. Подставив X00= ?120 Ом, Xвх= -152,834 Ом в формулу (2.15), получим собственное сопротивление активного вибратора Х00’=32,834 Ом. Таким образом Zвх= 44,674 Ом.

Диаграмма направленности антенны — это графическое изображение коэффициента усиления антенны или коэффициента направленного действия антенны в полярной системе координат в зависимости от направления антенны в пространстве.
Диаграмма направленности (ДН) передающей (приемной) антенны характеризует интенсивность излучения (приема) антенны в различных направлениях в пространстве. Для передающей антенны рассматривают (ДН) по напряженности поля или по уровню его мощности. Направление максимального излучения — главный лепесток антенны, остальные лепестки (ДН) антенны являются побочными, в т.ч. и задний лепесток. Для удобства строят нормированные (ДН) в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В нормированной диаграмме направленности величина главного лепестка принимается за единицу, остальные лепестки рисуются пропорционально в масштабе относительно главного.
Для телевизионных антенн уменьшение угла раскрыва главного лепестка и подавление боковых лепестков приводит к повышению качества приёма сигнала: уменьшается уровень "пролаза" паразитных излучений источников помех, повышается чёткость картинки изображения за счёт устранения, в некоторых случаях, повторов изображения. Хорошее качество изображения могут обеспечить только многоэлементные узконаправленные антенны.
Диаграмма направленности параболической антенны составляет от 0.2 град до 2 град. Чем больше размер антенны при хорошем качестве зеркала, тем уже (ДН) и соответственно устойчивей приём со спутника.

Читайте также:  Как из флешки сделать озу

Диаграмма направленности является одной из самых наглядных характеристик приёмных свойств антенны. Построение диаграмм направленности производится в полярных или в прямоугольных (декартовых) координатах. Рассмотрим для примера построенную в полярных координатах диаграмму направленности антенны типа «волновой канал» в горизонтальной плоскости (рис. 1). Координатная сетка состоит из двух систем линий. Одна система линий представляет собой концентрические окружности с центром в начале координат. Окружности наибольшего радиуса соответствует максимальной ЭДС, значение которой условно принято равным единице, а остальные окружности — промежуточные значения ЭДС от единицы до нуля. Другая система линий, образующих координатную сетку, представляет собой пучок прямых, которые делят центральный угол в 360° на равные части. В нашем примере этот угол разделен на 36 частей по 10° в каждой.
Положим, что радиоволна приходит с направления, показанного на рис. 1 стрелкой (угол 10°). Из диаграммы направленности видно, что этому направлению прихода радиоволны соответствует максимальная ЭДС на клеммах антенны. При приеме радиоволн, приходящих с любого другого направления, ЭДС на клеммах антенны будет меньше. Например, если радиоволны приходят под углами 30 и 330° (т. е. под углом 30° к оси антенны со стороны директоров), то значение ЭДС будет равно 0,7 максимальной, под углами 40 и 320° — 0,5 максимальной и т. д.

На диаграмме направленности (рис. 1) видны три характерные области — 1, 2 и 3. Область 1, которой соответствует наибольший уровень принятого сигнала, называют основным, или главным лепестком диаграммы направленности. Области 2 и 3, находящиеся со стороны рефлектора антенны, носят название задних и боковых лепестков диаграммы направленности. Наличие задних и боковых лепестков свидетельствует о том, что антенна принимает радиоволны не только спереди (со стороны директоров), но и сзади (со стороны рефлектора), что снижает помехоустойчивость приема. В связи с этим при настройке антенны стремятся уменьшить число и уровень задних и боковых лепестков.
Описанную диаграмму направленности, характеризующую зависимость ЭДС на клеммах антенны от направления прихода радиоволны, часто называют диаграммой направленности по «полю», так как ЭДС пропорциональна напряженности электромагнитного поля в точке приема. Возведя в квадрат ЭДС, соответствующую каждому направлению прихода радиоволны, можно получить диаграмму направленности по мощности (пунктирная линия на рис. 2).
Для численной оценки направленных свойств антенны пользуются понятиями угла раствора основного лепестка диаграммы направленности и уровня задних и боковых лепестков. Углом раствора основного лепестка диаграммы направленности называют угол, в пределах которого ЭДС на клеммах антенны спадает до уровня 0,7 от максимальной. Угол раствора можно также определить, пользуясь диаграммой направленности по мощности, по ее спаду до уровня 0,5 от максимальной (угол раствора по «половинной» мощности). В обоих «случаях численное значение угла раствора получается, естественно, одним и тем же.
Уровень задних и боковых лепестков диаграммы направленности по напряжению определяется как отношение ЭДС на клеммах антенны при приеме со стороны максимума заднего или бокового лепестка к ЭДС со стороны максимума основного лепестка. Когда антенна имеет несколько задних и боковых лепестков различной величины, то указывается уровень наибольшего лепестка.

Читайте также:  Как отключить гибернацию через командную строку

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

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 положения [ править | править код ]

Диаграммой направленности (ДН) антенны по полю часто называют зависимость модуля комплексной амплитуды вектора напряженности E ¯ <displaystyle <ar >> электрической компоненты электромагнитного поля, создаваемого антенной в дальней зоне, от угловых координат θ <displaystyle heta > и ϕ <displaystyle phi > точки наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскости, то есть зависимость E ( θ , ϕ ) <displaystyle E( heta ,phi )> .

ДН обозначается символом f ( θ , ϕ ) <displaystyle f( heta ,phi )> . ДН нормируют — все значения E ( θ , ϕ ) <displaystyle E( heta ,phi )> делят на максимальное значение E m <displaystyle E_> и обозначают нормированную ДН символом F ( θ , ϕ ) <displaystyle F( heta ,phi )> . Очевидно, 0 ≤ F ( θ , ϕ ) ≤ 1 <displaystyle 0leq F( heta ,phi )leq 1> .

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

F ∘ ( θ , ϕ ) = E ∘ m ( θ , ϕ ) max θ , ϕ [ | E ∘ m ( θ , ϕ ) | ] <displaystyle <stackrel <circ >>left( heta ,phi
ight)=<frac <<stackrel <circ >>_left( heta ,phi
ight)><max _< heta ,phi >left[left|<stackrel <circ >
>_( heta ,phi )
ight|
ight]>>> ,

где E ∘ m <displaystyle <stackrel <circ >>_> — комплексная амплитуда вектора в точке дальней зоны.

ДН характеризуется шириной Θ A <displaystyle Theta _> её главного луча на уровне 0,5 от её максимального значения по мощности и коэффициентом усиления G <displaystyle G> , которые связаны соотношениями:

G = 4 π S A λ 2 <displaystyle G=<frac <4pi S_><lambda ^<2>>>> , S A = π d A 2 4 <displaystyle S_=<frac <pi d_^<2>><4>>> , Θ A = λ d A <displaystyle Theta _=<frac <lambda >>> ,

где S A <displaystyle S_> , d A <displaystyle d_> — 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)
Читайте также:  Как делать sql инъекции

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 A ( θ , ϕ ) <displaystyle A( heta ,phi )> , фазовые Δω(θ, φ) и поляризационные P ¯ <displaystyle <ar

>> ↑↓(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 изучение [ править | править код ]

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 [ править | править код ]

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.

Adblock detector