Параметры и характеристики антенн

Антенной называется устройство, предназначенное для излучения или приема радиоволн. Антенны обладают свойством обратимости. Принципиально любая антенна может работать в качестве, как приемной, так и передающей. Например, в радиорелейной связи одна антенна посредством фильтров подключается к нескольким передатчикам и приемникам, работающим одновременно в одном направлении, но на разных частотах. В зависимости от назначения антенны подразделяются на приемные, передающие и приемопередающие. На основании принципа взаимности доказывается, что параметры антенны, работающей на прием, не отличаются от соответствующих параметров антенны, работающей на передачу.

Изотропной называется воображаемая антенна без потерь, излучающая равномерно во все стороны.

Реальные антенны в окружающее пространство в различных направлениях излучают неодинаково. Зависимость напряженности поля, излучаемого антенной, измеренная на достаточно большом, но одинаковом расстоянии от антенны, от угла наблюдения в пространстве называется характеристикой направленности. Графическое представление этой характеристики F( ) называют диаграммой направленности (ДН).

Пространственная ДН является поверхностью объема и может иметь несколько максимумов. В стационарных антеннах ДН часто рассматривают в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Диаграммы направленности изображают нормированными в полярной (рис. 1.13, а) или прямоугольной (рис. 1.13, б) системе координат. Для изображения нормированной ДН строят зависимость по модулю [1].

Часть ДН, которая находится внутри области, ограниченной двумя соседними направлениями минимального излучения, называется лепестком ДН антенны. Лепесток ДН, в пределах которого антенна имеет максимальное излучение, называется главным. Лепесток, направление которого по отношению к главному составляет угол, равный или близкий к 180°, называется задним. Все лепестки, кроме главного и заднего, называются боковыми. Угол между двумя направлениями лепестка, на границах которого напряженность поля падает до определенного значения, называется шириной лепестка ДН антенны. На рис. 1.13 даны определения ширины главного лепестка ДН по нулевому излучению 2 и уровню 0,5 максимальной плотности потока мощности , что соответствует уровню 0,707 по напряженности поля.

Рис. 1.13. К определению ширины диаграммы направленности в различных системах координат:

а - полярная система координат; б – прямоугольная система координат

Коэффициентом направленного действия (КНД) D в данном направлении называют отношение квадрата напряженности поля, создаваемого антенной в данном (обычно главном) направлении , к среднему значению квадрата напряженности поля по всем направлениям :

Численное значение КНД показывает, во сколько раз необходимо уменьшить мощность излучения при замене ненаправленной антенны направленной для сохранения прежней напряженности поля в главном направлении.

Находясь в поле электромагнитной волны, приемная антенна поглощает часть ее энергии и посредством фидера передает в приемник, являющийся для антенны нагрузкой. Эффективной площадью приемной антенны называют эквивалентную площадь, с которой может быть отдана максимальная мощность радиоволны в согласованную нагрузку. Эффективная площадь антенны связана с КНД и длиной волны соотношением:

Действующей длиной передающей антенны называют длину излучения с равномерным распределением тока, который в главном направлении создает такую же напряженность поля, как и реальная антенна при одинаковых токах. Действующей длиной приемной ан­тенны называют отношение ЭДС в антенне, наведенной радиовол­ной, приходящей с направления главного лепестка ДН , к напря­женности поля в месте приема: .

Подводимая к антенне мощность Р_а частично излучается ( ) и частично бесконечно теряется ( ) на нагрев проводников и изоля­торов антенны, в Земле и других окружающих предметах. Мощность потерь в антенне , где - эквивалентное сопротивление потерь, отнесенное к току I. Аналогично можно записать выражение для мощности излучения .

Сопротивлением излучения антенны называют отношение мощности излучения к квадрату эффективного значения тока в ан­тенне:

Излучаемая антенной мощность является полезной мощностью, следовательно, и сопротивление излучения является полезным ак­тивным сопротивлением антенны в отличие от сопротивления по­терь, которое желательно по возможности иметь наименьшим.

Параметром, учитывающим направленные свойства и потери в антенне, является коэффициент усиления. Коэффициентом усиления антенны G называют отношение плотности потока мощности или квадрата напряженности поля , созданного антенной в данном (обычно главном) направлении, к потоку или квадрату напряженности поля , созданному эталонной антенной в главном направлении при равенстве подводимых к антеннам мощностей: .

Коэффициент усиления является одним из определяющих пара­метров передающих антенн. Он показывает, во сколько раз нужно уменьшить мощность, подводимую к направленной антенне, по срав­нению с эталонной, чтобы напряженности поля в главном направле­нии были одинаковыми.

Волновое сопротивление антенны (вибратора) определяют отношением напряжения к току бегущей (падающей) вол­ны и может быть выражено через ее параметры: ,

где и , — соответственно индуктивность, Гн/м, и емкость, Ф/м, антенны на 1 м длины.

Входным сопротивлением антенны называют отношение напря­жения к току на входе антенны. В общем случае это сопротивление является комплексным и зависит от относительной длины λ антенны.

Коэффициентом полезного действия антенны называют от­ношение излучаемой мощности к подводимой :