Диаграмма направленности.

Напряженность поля, излучаемого антенной, зависит от положения точки наблюдения.

Функциональное описание этой зависимости производят в сферической системе координат. (R,Q,j)

В дальней зоне напряженность электромагнитного поля

,

где – волновое число, – множитель, пропорциональный или амплитуде тока (проволочные) или напряженности поля в раскрыве (апертурные) и являющиеся функцией размеров антенн.

Функция – называется векторная комплексная диаграмма направленности (ДН) по полю, представляет собой зависимость амплитуды, фазы и поляризации поля от угловых координат на сфере дискритизированного радиуса R.

Она представляется в виде

,

где – положительная функция, называемая нормированной амплитудной ДН,

– векторная функция, модуль которой равен 1, называемая поляризационной ДН,

– функция, называемая фазовой ДН.

Амплитудная ДН

Амплитудная ДН по полю – зависимость амплитуды поля от угловых координат и определяется выражением:

Нормировка

максимум

ДН по мощности

Амплитудная ДН – представляет собой пространственную трехмерную поверхность.

Как правило, ДН рассматривают представленной в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Рис. 8. Вид диаграммы направленности

Для антенн линейной поляризации вертикальная плоскость – плоскость вектора и горизонтальная плоскость – вектор (Е-плоскость и Н-плоскость). Строить как в полярной системе координат, так и в декартовой системе координат.

Способы изображения ДН двумерных антенн.

Рис. 9. Полярная ДН по полю

Рис. 10. Декартовая ДН по полю и по мощности.

Узкие ДН удобно представлять в декартовой системе координат.

Если необходимо отразить большой динамический диапазон по амплитуде, то используют логарифмический масштаб.

Рис. 11. Декартовая ДН в логарифмическом масштабе

Важными характеристиками ДН с выраженной областью преимущественных излучений являются: направление главного максимума – , , УБЛ, КНД.

а) – направление главного максимума

б) – определяется по уровню

или и –3дБ в логарифмическом масштабе

в) УБЛ= . Для нормированной ДН УБЛ=

г) коэффициент направленного действия (КНД) – он показывает во сколько раз должна быть увеличена излучаемая мощность при замене направленной антенны на ненаправленную, чтобы напряженность поля создаваемые ими в точке наблюдения, были одинаковыми.

Обычно КНД определяют в направлении максимума излучения и обозначают через . КНД в произвольном направлении связан с отношением:

– функция описывающая пространственную ДН.

Для узких ДН

Поляризационная ДН представляет собой единичный вектор поляризации, совпадающий по направлению с вектором электрического поля антенны и описывающий зависимость его ориентации от угловых координат времени.

Вид поляризации поля, излучаемого антенной, определяют по форме кривой, которую описывает конец вектора за период ВЧ колебаний в плоскости перпендикулярной к направлению на точку наблюдения:

1) линейная

2) вращающаяся

а) круговая

б) эллиптическая:

по часовой стрелке – правая

против часовой стрелки – левая.

– в виде двух взаимно ортогональных составляющих

О – основная поляризация

П – паразитная поляризация (кроссполяризация)

причем

Уровень кроссполяризационной составляющей можно определить из разложения поляризационной ДН по базисным ортам, записанного вида:

,

где и – взаимно ортогональные орты, соответственно основной и паразитной составляющих поляризации

– вещественная функция, характеризующая уровень поля основной поляризации для различных направлений

– характеризует плотность потока мощности основной поляризации, называют поляризационной эффективностью антенны в данном направлении.

Рис.12. Поляризационный элипс

При a=0 и a=1 эллипс вырождается в отрезок прямой.

Фазовая ДН.

Фазовая ДН– представляет собой зависимость фазы поля основной поляризации от угловых координат в дальней зоне при постоянстве расстояния от точки наблюдения до начала выбранной системы координат. Форма ФДН существенно зависит от положения начала отсчета координат.

Антенна имеет фазовый центр, если существует точка, относительно которой ФДН является постоянной функцией (за вычетом возможных скачков фазы на ±180⁰ при переходе через нуль амплитудной ДН). Эта точка и есть фазовый центр.

Физический фазовый центр – точка, из которой исходят сферические волны. В большинстве случаев антенны не имеют фазового центра.

Рассмотрим остронаправленные антенны. Как правило, важна форма фазовой ДН в пределах главного лепестка. Поэтому вводят понятие частичного фазового центра, который определяют, как центр кривизны поверхности равных фаз в направлении главного лепестка.

Для этого лепестка определяют фазовый центр