НАПРАВЛЕННЫЕ АНТЕННЫ

Под направленностью антенны, как правило, понимают ее способность концентрировать энергию излучения в заданном направлении, совмещенном с главным направлением максимального излучения, или, на приеме, извлекать энергию электромагнитных волн. В дальнейшем будем придерживаться этого понимания. Иногда под направленностью антенны понимают ее способность не принимать электромагнитное излучение с какого-либо направления.

Для оценки степени направленности антенну сопоставляют с некоторым «эталоном». За такой эталон принята антенна, излучающая энергию электро­магнитных волн равномерно по всем направлениям пространства. Она носит название изотропного излучателя. Характеристика направленности изотропного излучателя имеет форму сферы. Тем самым след от сечения этой сферы любой плоскостью, проходящей через ее центр, будет иметь вид окружности (диа­граммы направленности изотропного излучателя имеют форму окружности). Ко­эффициент направленного действия изотропного излучателя принят за единицу направленности.

Изотропного излучателя с такой диаграммой направленности в природе нет. По направленным свойствам к нему приближается уголковый вибратор Пистолькорса: симметричный вибратор, плечи которого образуют между собой пря­мой угол. Обычный симметричный вибратор, длина плеча которого ι « l(элемен­тарный вибратор), уже имеет некоторую направленность (см. рис. 5). Его КНД = 1,5. По мере увеличения отношения ι/l направленность симметричного вибратора растет и достигает значения КНД = 1,64 при ι/l =0,25. Значение к.н.д. антенны функционально связано с некоторой площадью S_эфф, называемой эффективной площадью антенны, составляет

КНД = 4π S_эфф /l². (22)

Так как все реальные антенны имеют определенную поверхность своих провод­ников и изоляторов, то имеется возможность говорить о геометрической пло­щади антенны. Обычно под S_геом понимают ту площадь, которая создает максимальную «парусность» антенны (максимальные ветровые нагрузки). От­ношение эффективной площади антенны к ее геометрической площади носит название коэффициента использования поверхности (КИП)

КИП = S_эфф / S_геом. (23)

Коэффициент использования поверхности является важной характеристикой антенны. Он показывает, насколько рационально использован материал, затра­ченный на ее постройку. Тем самым к.и.п. отражает и электрические, и кон­структивные, и экономические качества антенны. Определим S_{эфф (l/2)} для полуволнового вибратора. Согласно (22) будем иметь

S_{эфф (l/2)} = 1.64l²/4π ~0,131l². (24)

Можно представить, что полуволновой вибратор извлекает из падающей на него плоской волны всю мощность электромагнитного излучения, переносимого участком фронта этой волны с площадью, равной S_{эфф (l/2)}.

На рис.12 заштрихованная область S_{эфф (l/2)} имеет форму прямоуголь­ника.

S_{эфф (l/2)} = 0,131l².

Одна сторона этого прямоугольника равна l/2.

Другая a = 0,131l² (2/l) » 0,26l.

Поверхность S_эфф более правильно представлять в виде эллипса, большая ось которого параллельна оси вибра­тора и несколько превышает его длину.

Рис.12. Эффективная площадь полупроводникового вибратора.

Рис.13. Способы размещения вибраторов в антенной решетке.

Очевидно, что для увеличения направленности антенны (для увеличения ее КНД), надо увеличивать ее S_эфф. Построения на рис. 13 помогают понять, как это можно сделать с использованием двух симметричных вибраторов. Ан­тенна, выполненная из двух симметричных вибраторов, может иметь S_эфф £ 2S_{эфф (l/2)}. При этом она может быть построена по схемам рис. 13,а или б. В первом случае вибраторы расставлены в плоскости поляризации Н, а во втором — в плоскости поляризации Е. Схемы антенн, показанные на рис. 13, позволяют сделать следующие выводы. Существуют оптимальные расстояния между излучателями (которые являются составными элементами антенны). Они дают возможность получить максимально возможное для этой антенны S_эфф при минимальных размерах самой антенны. Действительно, разносить вибраторы по рис. 13,а на расстояния, меньшие 0,26l, нецелесообразно, так как при этом S_эфф < 2S_эфф(l/2), и, следовательно, не будет достигнута мак­симально возможная для данной антенной системы степень направленности. Разносить же вибраторы на расстояния, большие 0,26l, тоже нецелесообразно, так как при этом S_эфф =2S_эфф(l/2), будет получено при размерах данной антенной системы, превышающих оптимальные, что утяжелит ее, затруднит эксплуатацию и увеличит стоимость. То же самое можно повторить и по поводу расстановки вибраторов по рис. 13,б.

Оптимальная расстановка излучателей в антенне оказывается различной для плоскостей Е и Н. Это связано с их диаграммами на­правленности в этих плоскостях поляризации. Чем меньше ширина диаграммы направленности излу­чателя в заданной плоскости поляризации, тем длиннее в этом направлении будет сторона эффек­тивной поверхности антенны. Если характеристика направленности антенны осесимметрична, то ее эффективная поверхность имеет форму круга, пло­щадь которого согласно (17) определяется КНД антенны.

На рис. 14 показана фронтальная проекция известной зигзагообразной антенны с плоским ре­флектором, вписанная в ее эффективную поверх­ность. На l_max максимальной рабочей длине волны антенна имеет КНД = 10 и осесимметричную характеристику направленности.

Диаметр круга, площадь которого равна S_{эфф(зиг)}, равен примерно l_max. Значение КИП для этой антенны на l_max составляет:

КИП = S_{эфф(зиг)} /S_{геом(зиг)} » 2,5.

С изменением рабочей частоты, как правило, изменяется форма характеристики направленности любой антенны и значение ее КНД и, как следствие этого, изменение площади и формы S_эфф антенны.

Рис.14. Эффективная площадь зигзагообразной антенны.

Наряду с выражением (17) для определения КНД антенны существует полуэмпирическая формула

КНД = 36000/q°_0,5,j°_0,5, (25)

где q°_0,5, j°_0,5— углы раскрыва в градусах диаграмм направленности антенны, снятых в главных плоскостях поляризации.

Приравнивая (22) и (25), можем получить

4π S_эфф /l² = 36000/q°_0,5,j°_0,5 или (S_эфф /l²) q°_0,5,j°_0,5 = 2870 = const. (26)

Соотношение (26) показывает связь S, выраженной в относительных еди­ницах (отнесенная к длине волны l²), с шириной главного лепестка диаграммы направленности антенны, выраженной в угловых градусах; связывает форму S_эфф с формой сечения этого лепестка; позволяет определить, что для антенны с единичной эффективной площадью S_эфф = l² ширина диаграммы направлен­ности антенны равна примерно 1 рад. (q°_0,5 = j°_0,5 = 54°); показывает, что для достижения узконаправленного излучения (например, q°_0,5 = j°_0,5 = 1°) сторона S_эфф должна быть значительной (a = 54l).

Для увеличения направленности антенн необходимо геометрически сумми­ровать в дальней зоне векторы напряженности электрического поля в главном направлении излучения антенны от всех ее токоведущих элементов. Другими словами, рекомендуется складывать S_эфф от всех токоведущих элементов. Прин­ципиально можно получить наперед заданную степень направленности антенны (КНД = N), если взять соответствующее число n = N/1,64 симметричных полу­волновых вибраторов, расставить их в пространстве, пользуясь рекомендациями рис. 13 и обеспечить вибраторам надлежащее питание. Ниже будет показано, в чем заключается основное затруднение при создании направленных антенн как совокупности некоторого множества слабонаправленных излучателей, полу­чивших название антенных решеток.

Для целей радиолюбительского приема (или передачи) обычно целесообраз­но выбирать одиночный (парциальный) излучатель антенной решетки таким образом, чтобы его собственная направленность была по возможности выше. Однако следует иметь в виду, что существуют причины, ограничивающие сте­пень направленности одиночного излучателя. В известной мере условно можно считать, что граница направленности одиночного излучателя определяется КНД » 50 ÷ 100.

Возможны следующие качественные градации антенн по степени их направленности:

слабо направленные антенны — антенны, КНД которых не превосходит десяти (S_эфф <l²);

антенны умеренной направленно­сти — антенны, КНД которых не превосходит ста (l²< S_эфф < 10l²);

направлен­ные антенны— антенны, КНД которых больше ста (S_эфф > 10l²).

Приведенные соотношения позволяют уяснить основную связь геометри­ческих размеров антенны с ее КНД и, зная КПД, с коэффициентом усиления. Учитывая, что к.и.п. антенн с большим значением КНД, как правило, меньше единицы, становятся ясными трудности реализации таких антенн.