Коэффициент усиления антенны

Рассмотрим теперь, как влияют направленные свойства антенны на величину интенсивности сигнала в точке приема.

Пусть в некоторой точке А размещена ненаправленная передающая антенна, которая в удаленной точке В создает сигнал Е₁ (рис. 7). Диа­грамма направленности такой антенны в плоско­сти чертежа будет окруж­ностью. Если сигналы, из­лучаемые антенной А, бу­дут приниматься только Е точке В, то энергия, излу­ченная во всех иных на­правлениях, кроме направления на точку В, будет затрачена зря, так как в точку В она не попадет.

Поставив в точке А направленную антенну, ориентиро­ванную максимумом излучения на точку В, мы, не меняя мощности передатчика, увеличим сигнал в точке В за счет той энергии, которая раньше бесполезно излучалась в дру­гих направлениях.

Таким образом, для корреспондента, находящегося в пункте В, направленная антенна будет обладать усилением по сравнению с ненаправленной ан­тенной.

Поэтому направленные свойства антенн, помимо диа­грамм направленности, характеризуются еще одной из двух величин — коэффициентом направленного действия (сокращенно КНД) или коэффициентом усиления (сокращенно К_а).

Коэффициент усиления антенны К_а равен произведению от умножения ее коэффициента направленного действия (КНД) на коэффициент полезного действия (КПД):

К_а = КНД · КПД.

У идеальной антенны, лишенной потерь (КПД = 1), вели­чины К_а и КНД совпадают.

Так как К_а более полно характеризует антенну с энергетической стороны, то им обычно чаще всего и пользуются на практике.

Коэффициент усиления антенны — величина относительная, которая равна квадрату отношения напряженностей полей, создаваемых в точке приема при прочих равных условиях данной антенной и другой антенной, при­нятой за стандартную. Иначе говоря, коэффициент усиления показывает, во сколько раз нужно уменьшить подводимую мощность, если стандартную антенну заменить данной антенной, сохраняя при этом неизменной интенсивность при­нимаемого сигнала.

На сверхвысоких частотах в качестве «стандартной» ан­тенны для удобства чаще всего берется так называемый изотропный излучатель, равномерно излучающий во всех направлениях. Пространственная характеристика направленности этой антенны должна иметь вид шара. Однако реально такой антенны не существует. Самая про­стейшая антенна, применяемая на практике, — полуволновый вибратор — уже обладает направленными свойствами: ее пространственная характеристика направленности имеет вид тора (рис. 8). На этом рисунке показан случай, когда ось вибратора совпадает с осью 0Z.

Из рис. 8, на котором для наглядности изъята одна чет­верть тора, видно, что диаграмма направленности полувол­нового вибратора в плоскости, перпендикулярной его оси (экваториальная плоскость), имеет вид окружности, т. е. вибратор в этой плоскости ненаправленный.

Во всех других плоскостях, проходящих через ось вибра­тора (через ось OZ), диаграммы направленности имеют вид восьмерки, т. е. в направлении оси вибратора расположен нуль диаграммы направленности.

Расчеты показывают, что по отношению к ненаправлен­ной антенне коэффициент усиления полуволнового вибра­тора равен G _λ/2 = 1,64.

Заметим, забегая несколько вперед, что коэффициенты усиления многих антенн, применяемых на сверхвысоких ча­стотах, доходят до тысячи и даже нескольких тысяч.

У антенн с незначительными побочными лепестками при­ближенное значение величины коэффициента усиления ан­тенны может быть вычислено по известным углам раствора главного лепестка диаграммы направленности в вертикаль­ной и горизонтальной плоскостях:

G @ 35000/θ₀ · Ф₀ (5)

где θ₀ и Ф₀ — ширина главного лепестка в градусах между точками половинного значения мощности, измеренная соот­ветственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Из формулы (5) видно, что К антенны обратно пропор­ционален произведению углов раствора главного лепестка и, следовательно, равноценные по усилению антенны будут иметь одинаковые произведения углов раствора. Так, напри­мер, две антенны, у одной из которых θ₀ = 1,5° и Ф₀ = 20°, а у другой θ₀ = 5° и Ф₀= 6°, будут иметь одинаковое уси­ление, несмотря на сильное различие их пространственных характеристик направленности.

Приведенный пример показывает, что знания только одной величины К еще недостаточно для того, чтобы оха­рактеризовать направленные свойства той или иной антенны.

Коэффициент усиления G антенны и ее диаграммы на­правленности зависят от геометрических размеров излучаю­щего отверстия, а именно:

G = 4p·S_эфф/λ²(6)

где S_эфф — эффективная площадь излучающего отверстия антенны;

λ² — квадрат длины волны в тех же единицах, что и S,

В литературе, особенно иностранной, часто коэффициет усиления выражают в децибелах, т. е. вместо значения G. даваемого формулой (6), приводят его удесятеренный лога­рифм:

G|db| = 10 lg(4p·S_эфф/λ²)(7)

На рис. 9 зависимости (6) и (7) представлены графиком, на котором по горизонтали отложена величина эффективной площади излучающего отверстия в квадратных длинах волн S_эфф/λ², а по вертикали слева даны величины коэффи­циента усиления G.

Дополнительная шкала справа на рис. 9 дает соответ­ствующие значения коэффициентов усиления в децибелах.

У приемных антенн величину коэффициента усиления иногда выражают через так называемую поверхность погло­щения Q_эфф.

G = 4p· Q_эфф /λ²(8)

В силу «обратимости» антенны ее коэффициент усиления остается одним и тем же как при работе на передачу, так и при работе на прием, поэтому Q_эфф = S_эфф

Отношение эффективной площади излучающего отвер­стия S_эфф к геометрической S_r называется коэффициентом использования поверхности (сокращенно КИП) излучающего отверстия или раскрыва антенны и обозначается буквой γ.

γ = S_эфф/ S_r = Q_эфф/Q_г (9)

Максимальное значение γ равно единице, что достигается лишь в том случае, когда в раскрыве антенны образуется плоская электромагнитная волна с одинаковым (однородным) распределением амплитуд.

Рис.9. График зависимости коэффициента усиления антенны

от размеров ее излучающего отверстия.

У реальных антенн либо из-за отклонения волны от пло­ской, либо вследствие трудностей получения однородного распределения амплитуд поля в раскрыве антенны коэффи­циент γ оказывается меньше единицы.

Приемная антенна улавливает свободные радиоволны и пре­образует их в связанные волны, подводимые с помощью фидера к приемнику. В соответствии с принципом обратимости антенн свойства антенны, работающей в режиме передачи, не изме­няются при работе этой антенны в приемном режиме.

Передающая антенна преобразует энергию токов вы­сокой частоты, вырабатываемых передатчиком, в энергию свободных радиоволн и распределяет ее определенным образом о пространстве. Приемная антенна преобразует энергию свободных радиоволн, приходящих с определенных по отношению к ней направлений, в энергию токов высокой частоты на входных элементах приемного устройства.

Радиопередатчик с антенной, среда распространения радиоволн и радио­приемник с антенной образуют систему радиосвязи (радиолинию). Связующим элементом здесь является среда, область пространства (радиотрасса), в которой происходит распространение радиоволн.

Наряду с полезным сигналом на приемную антенну могут воздействовать посторонние сигналы — помехи. Надежность прохождения радиоволн, несущих полезный сигнал, «а пути от передающей до приемной антенн определяет устой­чивость работы радиолинии.

Радиоволны могут распространяться в атмосфере, вдоль поверхности земли, в толще Земли и космосе. В однородной (или слабо неоднородной) среде радиоволны распространяются по прямолинейным (или почти по прямолиней­ным) траекториям. Это прямые радиоволны. С их помощью можно осущест­вить радиосвязь лишь при наличии прямой геометрической видимости между антеннами корреспондентов.

Дальность прямой видимости ограничена сферичностью земли и неровно­стями ее рельефа. В отсутствие прямой видимости радиоволны попадают в пункт приема вследствие дифракции, отражения и рассеяния радиоволн. Эти «явления обусловлены влиянием поверхности земли, неоднородностями тропо­сферы и ионосферы.

На пути движения волны происходит поглощение ее энергии в полупрово­дящей земле. К этому добавляется ослабление волны за счет дифракции, вы­званной наличием препятствий на пути ее распространения.

В диапазоне УКВ для уменьшения потерь в земле и увеличения' дальности прямой видимости антенны устанавливают на опорах (мачтах). На дальность распространения УКВ оказывает влияние тропосфера. При некоторых метеоро­логических условиях возникают области, обеспечивающие распространение УКВ на значительные расстояния.

Условия 'распространения радиоволн, наличие помех, мощность передатчика, эффективность антенн, качество фидеров и т. п. определяют надежность работы радиолинии и делают задачу многопараметрической.