От чего зависит уровень боковых лепестков. Фазовая диаграмма направленности. Понятие о фазовом центре антенны. Смотреть что такое "Уровень боковых лепестков диаграммы направленности" в других словарях

Снижение уровня боковых лепестков зеркальных антенн методом позиционирования металлических полосок в раскрыве

Акики Д, Биайнех В., Нассар Е., Хармуш А,

Университет "Нотр-Дам", г. Триполи, Ливан

Введение

В мире повышающейся мобильности нарастает потребность для людей в взаимоконтактах и доступе к информации независимо от места расположения информации или индивидуума. Из этих соображений невозможно отрицать, что телекоммуникации, а именно, передача сигналов на расстояние, является насущной необходимостью. Требования для беспроводных систем связи к их совершенству и вездесущности ведут к тому, что необходима разработка все более эффективных систем. При улучшении системы основным начальным шагом является улучшение антенн, которые являются основным элементом современных и будущих систем беспроводной связи. На данном этапе под улучшением качества параметров антенны будем понимать снижение уровня ее боковых лепестков ее диаграммы направленности. Снижение уровня боковых лепестков, естественно, не должно влиять на главный лепесток диаграммы. Снижение уровня бокового лепестка желательно потому, что для антенн, используемых в качестве приемных, боковые лепестки делают систему более уязвимой для посторонних сигналов. В передающих антеннах боковые лепестки снижают защищенность информации, так как сигнал может быть принят нежелательной приемной стороной. Основной трудностью является то, что чем выше уровень боковых лепестков, тем выше вероятность взаимовлияния в направлении бокового лепестка с наибольшим уровнем. Кроме того, повышение уровня боковых лепестков означает, что мощность сигнала рассеивается бесполезно. Выполнено много исследований (см., например, ), но целью данной статьи является рассмотрение метода "позиционирования полосок", который проявил себя, как простой, эффективный и обладающий низкой стоимостью. Любая параболическая антенна

может быть разработана или даже модифицирована с помощью этого метода (рис. 1) для снижения взаимовлияния между антеннами.

Однако проводящие полоски должны быть очень точно расположены, чтобы достичь снижения уровня боковых лепестков. В этой статье метод "позиционирования полосок" протестирован с помощью эксперимента.

Описание задачи

Задача формулируется следующим образом. Для конкретной параболической антенны (рис. 1) требуется снизить уровень первого бокового лепестка. Диаграмма направленности антенны есть не что иное, как Фурье-преобразование функции возбуждения апертуры антенны.

На рис. 2 показаны две диаграммы параболической антенны - без полосок (сплошная линия) и с полосками (линия изображенная знаками *), иллюстрирующие тот факт, что при использовании полосок уровень первого бокового лепестка понижается, однако при этом понижается и уровень главного лепестка, а также изменяется уровень остальных лепестков. Это показывает, что положение полосок является очень критичным. Необходимо располагать полоски таким образом, чтобы ширина главного лепестка по половинной мощности или коэффициент усиления антенны заметно не изменялись. Уровень заднего лепестка тоже не должен заметно меняться. Возрастание уровня остальных лепестков не столь существенно, поскольку уровень этих лепестков обычно значительно проще снизить, чем уровень первых боковых лепестков. Однако указанное возрастание должно быть умеренным. Будем помнить также, что рис. 2 является иллюстративным.

По изложенным причинам при использовании метода "позиционирования полосок" необходимо иметь в виду следующее: полоски должны быть металлическими, чтобы полностью отражать электрическое поле. В этом случае положение полосок можно четко определить. В настоящее время для измерения уровня боковых лепестков

Рис. 2. Диаграмма направленности антенны без полосок (сплошная)

и с полосками (

Рис. 3. Теоретическая нормированная диаграмма направленности в дБ

используются два метода - теоретический и экспериментальный. Оба метода дополняют друг друга, но поскольку наши доказательства основываются на сравнении экспериментальных диаграмм антенн без поломок и с полосками, то в данном случае будем пользоваться экспериментальным методом.

А. Теоретический метод. Этот метод состоит из:

Нахождения теоретической диаграммы направленности (ДН) испытуемой антенны,

Измерения боковых лепестков этой ДН.

ДН может быть взята из технической документации антенны, или может быть рассчитана, например, с помощью программы Ма1!аЬ или с помощью любой другой подходящей программы по известным соотношениям для поля.

В качестве испытуемой антенны использовалась зеркальная параболическая антенна Р2Р-23-ЫХА. Теоретическое значение ДН было получено с помощью формулы для круглой апертуры с равномерным возбуждением :

]ка2Е0е ікг Jl (ка 8Іпв)

Измерения и расчеты выполнялись в Е-плоскости. На рис. 3 показана нормированная диаграмма направленности в полярной системе координат.

Б. Экспериментальный метод. В экспериментальном методе должны быть использованы две антенны:

Испытуемая приемная антенна,

Передающая антенна.

ДН испытуемой антенны определяется при ее вращении и фиксации уровня поля с необходимой точностью. Для повышения точности предпочтительно выполнять отсчеты в децибелах.

В. Регулирование уровня боковых лепестков. По определению первые боковые лепестки - ближайшие к главному лепестку. Для фиксации их положения необходимо измерить угол в градусах или радианах между направлением главного излучения и направлением максимального излучения первого левого или правого лепестка. Направления левого и правого боковых лепестков должны быть одинаковы из-за симметричности ДН, но в экспериментальной ДН это может быть и не так. Далее необходимо определить также ширину боковых лепестков. Она может быть определена как разница между нулями ДН слева и справа от бокового лепестка. Здесь также следует ожидать симметрии, но только теоретически. На рис. 5 показаны экспериментальные данные по определению параметров бокового лепестка.

В результате ряда измерений было определено положение полосок для антенны Р2Р-23-ЫХА, которые определяются расстоянием (1,20-1,36)^ от оси симметрии антенны до полоски.

После определения параметров бокового лепестка определяется положение полосок. Соответствующие расчеты выполняются как для теоретической, так и для экспериментальной ДН по одинаковому методу, описанному ниже и проиллюстрированному на рис. 6.

Константа d - расстояние от оси симметрии параболической антенны до полоски расположенной на поверхности апертуры параболического зеркала, определяется по следующему соотношению:

„ d <Ф = ъ,

где d - экспериментально измеренное расстояние от точки симметрии на поверхности зеркала до полоски (рис. 5); 0 - угол между направлением главного излучения и направлением максимума бокового лепестка найденный экспериментально.

Диапазон значений С находится по соотношению: с! = О/дв

для значений 0, соответствующих началу и концу бокового лепестка (соответствующим нулям ДН).

После определения диапазона С, этот диапазон разбивается на ряд значений, из которых экспериментально выбирается оптимальное значение

Рис. 4. Экспериментальная установка

Рис. 5. Экспериментальное определение параметров боковых лепестков Рис. 6. Метод позиционирования полосок

Результаты

Было испытано несколько положений полосок. При перемещении полосок от главного лепестка, но в пределах найденного диапазона С результаты улучшались. На рис. 7 показаны две ДН без полосок и с полосками, демонстрирующие четкое снижение уровня боковых лепестков.

В табл. 1 приведены сравнительные параметры ДН по уровню боковых лепестков, направленности и ширине главного лепестка.

Заключение

Снижение уровня боковых лепестков при использовании полосок - на 23 дБ (уровень боковых лепестков антенны без полосок-

12,43 дБ). Ширина главного лепестка при этом почти не меняется. Рассмотренный метод весьма гибок, так как он может быть применен к любой антенне.

Однако определенной трудностью является влияние многолучевых искажений, связанных с влиянием земли и окружающих предметов на ДН, что приводит к изменению уровня боковых лепестков до 22 дБ.

Рассмотренный метод является простым, недорогим и может быть выполнен в течение небольшого времени. В последующем мы попытаемся добавить дополнительные полоски в различных положениях и исследовать полоски с поглощением. Кроме того, будут выполнены работы по теоретическому анализу задачи с помощью метода геометрической теории дифракции.

Far field radiation pattern of the antenna P2F- 23-NXA linear magnitude - polar plot

Рис. 7. ДН антенны P2F-23-NXA без полосок и с полосками

Сравнительные параметры антенны

Уровень боковых лепестков

Теоретическая ДН (программа Ма11аЬ) ДН по технической документации 18 дБ 15 дБ

Измеренная ДН без полосок 12,43 дБ

Измеренная ДН с полосками С многолучёвостью Без многолучёвости

Ширина главного лепестка в градусах D D, дБ

Теоретическая ДН (программа Ма^аЬ) 16 161,45 22,07

ДН по технической документации 16 161,45 22,07

Измеренная ДН без полосок 14 210,475 23,23

Измеренная ДН с полосками 14 210,475 23,23

Литература

1. Balanis. C Antenna Theory. 3rd Ed. Wiley 2005.

2. IEEE standard test procedures for antennas IEEE Std. 149 - 1965.

3. http://www.thefreedictionary.com/lobe

4. Searle AD., Humphrey AT. Low sidelobe reflector antenna design. Antennas and Propagation, Tenth International Conference on (Conf. Publ. No. 436) Volume 1, 14-17 April 1997 Page(s):17 - 20 vol.1. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

5. Schrank H. Low sidelobe reflector antennas. Antennas and Propagation Society Newsletter, IEEE Volume 27, Issue 2, April 1985 Page(s):5 - 16. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

6. Satoh T. shizuo Endo, Matsunaka N., Betsudan Si, Katagi T, Ebisui T. Sidelobe level reduction by improvement of strut shape. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on Volume 32, Issue 7, Jul 1984 Page(s):698 - 705. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

7. D. C Jenn and W. V. T. Rusch. "Low sidelobe reflector design using resistive surfaces," in IEEE Antennas Propagat., Soc./ URSI Int. Symp. Dig., vol. I, May

1990, p. 152. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

8. D. C Jenn and W. V. T. Rusch. "Low sidelobe reflector synthesis and design using resistive surfaces," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 39, p. 1372, Sep.

1991. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

9. Monk AD., and Cjamlcoals PJ.B. Adaptive null formation with a reconfig-urable reflector antenna, IEEE Proc. H, 1995, 142, (3), pp. 220-224. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

10. Lam P., Shung-Wu Lee, Lang K, Chang D. Sidelobe reduction of a parabolic reflector with auxiliary reflectors. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on . Volume 35, Issue 12, Dec 1987 Page(s):1367-1374. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

Ширина главного лепестка и уровень боковых лепестков

Ширина ДН (главного лепестка) определяет степень концентрации излучаемой электромагнитной энергии. Ширина ДН - это угол между двумя направлениями в пределах главного лепестка, в которых амплитуда напряжённости электромагнитного поля составляет уровень 0,707 от максимального значения (или уровень 0,5 от максимального значения по плотности мощности). Ширина ДН обозначается так:

2и - это ширина ДН по мощности на уровне 0,5;

2и - ширина ДН по напряжённости на уровне 0,707.

Индексом Е или Н обозначают ширину ДН в соответствующей плоскости: 2и, 2и. Уровню 0,5 по мощности соответствует уровень 0,707 по напряжённости поля или уровень - 3 дБ в логарифмическом масштабе:

Экспериментально ширину ДН удобно определять по графику, например, как это показано на рисунке 11.

Рисунок 11

Уровень боковых лепестков ДН определяет степень побочного излучения антенной электромагнитного поля. Он влияет на качество электромагнитной совместимости с ближайшими радиоэлектронными системами.

Относительный уровень бокового лепестка - это отношение амплитуды напряжённости поля в направлении максимума первого бокового лепестка к амплитуде напряжённости поля в направлении максимума главного лепестка (рисунок 12):

Рисунок 12

Выражается этот уровень в абсолютных единицах, либо в децибелах:

Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления передающей антенны

Коэффициент направленного действия (КНД) количественно характеризует направленные свойства реальной антенны по сравнению с эталонной ненаправленной (изотропной) с ДН в виде сферы:

КНД - это число, показывающее, во сколько раз плотность потока мощности П (и, ц) реальной (направленной) антенны больше плотности потока мощности П(и, ц) эталонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же удалении при условии, что мощности излучения антенн одинаковы:

С учётом (25) можно получить:

Коэффициент усиления (КУ) антенны - это параметр, который учитывает не только фокусирующие свойства антенны, но и её возможности по преобразованию одного вида энергии в другой.

КУ - это число, показывающее, во сколько раз плотность потока мощности П (и, ц) реальной (направленной) антенны больше плотности потока мощности ПЭ (и, ц) эталонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же удалении при условии, что мощности, подведённые к антеннам, одинаковы.

Коэффициент усиления можно выразить через КНД:

где - коэффициент полезного действия антенны. На практике используют - коэффициент усиления антенны в направлении максимального излучения.

Фазовая диаграмма направленности. Понятие о фазовом центре антенны

Фазовая диаграмма направленности - это зависимость фазы электромагнитного поля, излучаемого антенной, от угловых координат.

Так как в дальней зоне антенны векторы поля Е и Н синфазны, то и фазовая ДН в одинаковой степени относится к электрической и магнитной составляющей ЭМП, излучаемого антенной. Обозначается фазовая ДН следующим образом: Ш = Ш (и, ц) при r = const.

Если Ш (и, ц) = const при r = const, то это означает, что антенна формирует фазовый фронт волны в виде сферы. Центр этой сферы, в котором находится начало системы координат, называют фазовым центром антенны (ФЦА). Следует отметить, что фазовый центр имеют не все антенны.

У антенн, имеющих фазовый центр и многолепестковую амплитудную ДН с чёткими нулями между ними, фаза поля в соседних лепестках отличается на р (180°). Взаимосвязь между амплитудной и фазовой диаграммами направленности одной и той же антенны иллюстрируется на рисунке 13.

Рисунок 13 - Амплитудная и фазовая ДН

Направление распространения ЭМВ и положение её фазового фронта в каждой точке пространства взаимно перпендикулярны.

Ширина ДН (главного лепестка) определяет степень концентра­ции излучаемой электромагнитной энергии.

Ширина ДН – это угол между двумя направлениями и в пределах главного ле­пест­ка, в которых амплитуда напряженности электромагнитного поля составляет уро­вень 0,707 от максимального значения (или уровень 0,5 от мак­симального по плот­нос­ти значения мощности).

Ширина ДН обозначается так: 2θ 0,5 - это ширина ДН по мощности на уровне 0,5; ­2θ 0,707 - ширина ДН по напряженности на уровне 0,707.

Индекс Е или Н, изображенный выше, означает ширину ДН в соответствующей плос­кости: , . Уровню 0,5 по мощности соответствует уровень 0,707 по нап­ря­женности поля или уровень - 3дБ в логарифмическом масштабе:

Ширина ДН одной и той же антенны, представленной по напря­женности поля, по мощности или в логарифмическом масштабе и изме­ренная на соответствующих уров­нях, будет одинаковой:

Экспериментально ширина ДН легко находится по графику ДН, изобра­женной в той или иной системе координат, например, как это показано на рисунке.

Уровень боковых лепестков ДН определяет степень побочного излучения антен­ной электромагнитного поля. Он влияет на скрыт­ность работы радиотехнического уст­ройства и на качество электро­магнитной совместимости с ближайшими радио­элект­ронными системами.

Относительный уровень бокового лепестка - это отношение амп­литуды напряженности поля в направлении максимума бокового ле­пестка к амплитуде напряженности поля в направлении максимума главного лепестка:

На практике этот уровень выражают в абсолютных единицах, либо в деци-белах. Наибольший ин­терес представляет уровень первого бокового лепест­ка. Иногда оперируют усред­нен­ным уровнем боковых лепестков.

4. Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления переда­ю­щей антенны.

Коэффициент направленного действия количественно характери­зует направлен­ные свойства реальной антенн по сравнению с эталон­ной антенной, представляющей собой совершенно ненаправленный (изотропный) излучатель с ДН в виде сферы:

КНД - это число, показывающее во сколько раз плотность пото­ка мощности П(θ,φ) реальной (направленной) антенны больше плот­ности потока мощности

П Э (θ,φ) эта­лонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же уда­лении при условии, что мощности излучения антенн одинаковы:

С учетом (1) можем получить:

где D 0 - КНД в направлении максимального излучения.

На практике, говоря о КНД антенны, подразумевают значение, которое полностью опре­деляется диаграммой направленности антенны:

В инженерных расчетах пользуются приближенной эмпирической формулой, свя­зы­ва­ющей КНД с шириной ДН антенны в главных плос­костях:

Так как на практике затруднительно определить мощность из­лучения антенны (а тем более выполнить условие равенства мощнос­тей излучения эталонной и реаль­ной антенн), то вводят понятие ко­эффициента усиления антенны, который учитывает не только фокуси­рующие свойства антенны, но и ее возможности по преобразова­нию одного вида энергии в другой.

Это выражается в том, что в определении, аналогичному КНД, изменяется усло­вие, причем очевидно, что коэффициент полезного действия эталонной антенны ра­вен единице:

где P A - мощность, подведенная к антенне.

Тогда коэффициент направленного действия выражается через коэффициент направ­лен­ного действия следующим образом:

где η А - коэффициент полезного действия антенны.

На практике используют G 0 - коэффициент усиления антенны в направлении макси­маль­ного излучения.

5. Фазовая диаграмма направленности. Понятие о фазовом цент­ре антенны.

Фазовая диаграмма направленности - это зависимость фазы электромагнитного поля, излучаемого антенной от угловых коорди­нат. Так как в дальней зоне антенны век­то­ры поля Е и Н синфазны, то и фазовая ДН в одинаковой степени относится к элек­три­ческой и магнитной составляющей ЭМП, излучаемого антенной. Обознача­ется ФДН следующим образом:

Ψ = Ψ (θ,φ) при r = const.

Если Ψ (θ,φ) при r = const, то это означает, что антенна формирует фазовый фронт вол­­ны в виде сферы. Центр этой сфе­ры, в котором находится начало системы коор­ди­­нат называют фазовым центром антенны (ФЦА). Фазовый центр имеют не все антенны.

У антенн, имеющих фазовый центр и многолепестковую амплитудную ДН с чет­кими нулями меж­ду ними, фаза поля в соседних лепестках отличается на (180 0). Взаимосвязь между амплитудной и фазовой диаграммами направленности одной и той же антенны иллюстрируется следующим рисунком.

Так как направление распространения ЭМВ и положение ее фазо­вого фронта вза­им­но перпендикулярны в каждой точке пространства, то измеряя положение фа­зового фронта волны, можно косвенно опре­делить направление на источник излуче­ния (пеленгование фазовыми методами).

Антенна, вне зависимости от конструкции, обладает свойством обратимости (может работать как на прием, так и на излучение). Часто в радиорелейных трактах одна и та же антенна может быть подключена одновременно к приемнику и передатчику. Это позволяет излучать и принимать сигнал в одном направлении на разных частотах.

Почти все параметры приемной антенны соответствуют параметрам передающей антенны, но иногда имеют несколько другой физический смысл.

Несмотря на то, что приемная и передающая антенны обладают принципом двойственности, в конструктивном отношении они могут существенно отличаться. Связано это с тем, что передающая антенна должна пропускать через себя значительные мощности для передачи электромагнитного сигнала на большие (максимально возможные) расстояния. Если же антенна работает на прием, то она взаимодействует с полями очень малой напряженности. Вид токопередающей конструкции антенны часто определяет ее конечные габариты.

Пожалуй, основная характеристика любой антенны это диаграмма направленности. Из нее вытекает множество вспомогательных параметров и такие важные энергетические характеристики как коэффициент усиления и коэффициент направленного действия.

Диаграмма направленности

Диаграмма направленности (ДН) - это зависимость напряженности поля, создаваемого антенной на достаточно большом расстоянии, от углов наблюдения в пространстве. В объеме диаграмма направленной антенны может выглядеть так, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1

То, что изображено на рисунке выше также еще называют пространственной диаграммной направленностью, которая является поверхностью объема и может иметь несколько максимумов. Главный максимум, выделенный на рисунке красным цветом, называется главным лепестком диаграммы и соответствует направлению главного излучения (или приема). Соответственно первые минимальные или (реже) нулевые значения напряженности поля вокруг главного лепестка определяют его границу. Все остальные максимальные значения поля называются боковыми лепестками.

На практике встречаются различные антенны, которые могут иметь несколько направлений максимального излучения, или не иметь боковых лепестков вовсе.

Для удобства изображения (и технического применения) ДН их принято рассматривать в двух перпендикулярных плоскостях. Как правило, это плоскости электрического вектора E и магнитного вектора H (которые друг другу в большинстве сред перпендикулярны), рисунок 2.

Рисунок 2

В некоторых случаях ДН рассматривают в вертикальной и горизонтальной плоскостях по отношению к плоскости Земли. Плоские диаграммы изображают полярной или декартовой (прямоугольной) системами координат. В полярных координатах диаграмма более наглядна, и при наложении ее на карту можно получить представление о зоне действия антенны радиостанции, рисунок 3.

Рисунок 3

Представление диаграммы направленности в прямоугольной системе координат более удобно для инженерных расчетов, такое построение чаще применяется для исследования самой структуры диаграммы. Для этого диаграммы строят нормированными, с главным максимумом, приведенным к единице. На рисунке ниже приводится типичная нормированная диаграмма направленности зеркальной антенны.

Рисунок 4

В том случае, когда интенсивность бокового излучения довольно небольшая и в линейном масштабе измерение бокового излучения затруднительно, применяют логарифмический масштаб. Как известно децибелы маленькие значения делают большими, а большие - маленькими, поэтому та же самая диаграмма в логарифмическом масштабе выглядит так, как показано ниже:

Рисунок 5

Из одной только диаграммы направленности можно вытащить довольно большое количество важных для практики характеристик. Исследуем подробнее диаграмму, изображенную выше.

Один из наиболее важных параметров - это ширина главного лепестка по нулевому излучению θ 0 и ширина главного лепестка по уровню половинной мощности θ 0,5 . Половина мощности соответствует уровню 3 дБ, или уровню 0,707 по напряженности поля.

Рисунок 6

Из рисунка 6 видно, что ширина главного лепестка по нулевому излучению составляет θ 0 = 5,18 град, а ширина по уровню половины мощности θ 0,5 = 2,15 град.

Также диаграммы оценивают по интенсивности бокового и обратного излучения (мощности боковых и задних лепестков), отсюда вытекает еще два важных параметры антенны - это коэффициент защитного действия, и уровень боковых лепестков.

Коэффициент защитного действия - это отношение напряженности поля, излученного антенной в главном направлении к напряженности поля, излученного в противоположном направлении. Если рассматривают ориентацию главного лепестка диаграммы в направлении на 180 градусов, то обратного - на 0 градусов. Возможны и любые другие направления излучения. Найдем коэффициент защитного действия рассматриваемой диаграммы. Для наглядности изобразим ее в полярной системе координат (рисунок 7):

Рисунок 7

На диаграмме маркерами m1,m2 изображены уровни излучения в обратном и прямом направлениях соответственно. Коэффициент защитного действия определяется как:

В относительных единицах. То же самое значение в дБ:

Уровень боковых лепестков (УБЛ) принято указывать в дБ, показывая тем самым, насколько уровень бокового излучения слаб по сравнению с уровнем главного лепестка, рисунок 8.

Рисунок 8

Это два немаловажных параметра любой антенной системы, которые напрямую вытекают из определения диаграммы направленности. КНД и КУ часто путают между собой. Перейдем к их рассмотрению.

Коэффициент направленного действия

Коэффициент направленного действия (КНД) - это отношение квадрата напряженности поля, созданного в главном направлении (Е 0 2), к среднему значению квадрата напряженности поля по всем направлениям (Е ср 2). Как понятно из определения, КНД характеризует направленные свойства антенны. КНД не учитывает потери, так как определяется по излучаемой мощности. Из сказанного выше можно указать формулу для расчета КНД:

D=E 0 2 /E ср 2

Если антенна работает на прием, то КНД показывает, во сколько раз улучшится отношение сигнал/шум по мощности, при замене направленной антенны ненаправленной, если помехи приходят равномерно со всех направлений.

Для передающей антенны КНД показывает, во сколько раз нужно уменьшить мощность излучения, если ненаправленную антенну заменить направленной, при сохранении одинаковых напряженностей поля в главном направлении.

КНД абсолютно ненаправленной антенны, очевидно, равно единице. Физически пространственная диаграмма направленности такой антенны выглядит в виде идеальной сферы:

Рисунок 9

Такая антенна одинаково хорошо излучает во всех направлениях, но на практике нереализуема. Поэтому это своего рода математическая абстракция.

Коэффициент усиления

Как уже было сказано выше, КНД не учитывает потери в антенне. Параметр, который характеризует направленные свойства антенны и учитывает потери в ней, называется коэффициентом усиления.

Коэффициент усиления (КУ) G - это отношение квадрата напряженности поля, созданного антенной в главном направлении (Е 0 2), к среднему значению квадрата напряженности поля (Е оэ 2), созданного эталонной антенной, при равенстве подводимых к антеннам мощностей. Также отметим, что при определении КУ учитываются КПД эталонной и измеряемой антенны.

Понятие эталонной антенны очень важно в понимании коэффициента усиления, и в разных частотных диапазонах используют разные типы эталонных антенн. В диапазоне длинных/средних волн за эталон принят вертикальный несимметричный вибратор длиной четверть волны (рисунок 10).

Рисунок 10

Для такого эталонного вибратора D э=3,28 , поэтому коэффициент усиления длинноволновой/средневолновой антенны определяется через КНД так: G=D* ŋ/3,28 , где ŋ - КПД антенны.

В диапазоне коротких волн в качестве эталонной антенны принимают симметричный полуволновый вибратор, для которого Dэ=1,64, тогда КУ:

G=D*ŋ/1,64

В диапазоне СВЧ (а это почти все современные Wi-Fi, LTE и др. антенны) за эталонный излучатель принят изотропный излучатель, дающий D э =1, и имеющий пространственную диаграмму, изображенную на рисунке 9.

Коэффициент усиления является определяющим параметром передающих антенн, так как показывает, во сколько раз необходимо уменьшить мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с эталонной, чтобы напряженность поля в главном направлении осталась неизменной.

КНД и КУ в основном выражают в децибелах: 10lgD, 10lgG.

Заключение

Таким образом, мы рассмотрели некоторые полевые характеристики антенны, вытекающие из диаграммы направленности и энергетические характеристики (КНД и КУ). Коэффициент усиления антенны всегда меньше коэффициента направленного действия, так как КУ учитывает потери в антенне. Потери могут возникать из-за отражения мощности обратно в линию питания облучателя, затекания токов за стенки (например, рупора), затенение диаграммы конструктивными частями антенны и др. В реальных антенных системах разница между КНД и КУ может составлять 1.5-2 дБ.

• Уровень боковых лепестков (УБЛ) (англ. side lobe level, SLL) диаграммы направленности (ДН) антенны - относительный (нормированный к максимуму ДН) уровень излучения антенны в направлении боковых лепестков. Как правило, УБЛ выражается в децибелах, реже определяют УБЛ «по мощности» или «по полю».

  ДН реальной (конечных размеров) антенны - осциллирующая функция, в которой выделяют глобальный максимум, являющийся центром главного лепестка ДН, а также прочие локальные максимумы ДН и соответствующие им так называемые боковые лепестки ДН. Термин боковой следует понимать как побочный, а не буквально (лепесток, направленный «вбок»). Лепестки ДН нумеруют по порядку начиная с главного, которому присваивают номер ноль. Дифракционный (интерференционный) лепесток ДН, возникающий в разреженной антенной решетке, боковым не считается. Минимумы ДН, разделяющие лепестки ДН, называют нулями (уровень излучения в направлениях нулей ДН может быть сколь угодно малым, однако в реальности излучение всегда присутствует). Область бокового излучения разбивают на подобласти: область ближних боковых лепестков (прилегающую к главному лепестку ДН), промежуточную область и область задних боковых лепестков (вся задняя полусфера).

  Под УБЛ понимают относительный уровень наибольшего бокового лепестка ДН. Как правило, наибольшим по величине является первый (прилегающий к главному) боковой лепесток.Для антенн с высокой направленностью используют также средний уровень бокового излучения (нормированная к своему максимуму ДН усредняется в секторе углов бокового излучения) и уровень дальних боковых лепестков (относительный уровень наибольшего бокового лепестка в области задних боковых лепестков).

  Для антенн продольного излучения для оценки уровня излучения в направлении «назад» (в направлении, противоположном направлению главного лепестка ДН) используется параметр относительный уровень заднего излучения (от англ. front/back, F/B - отношение вперед/назад), и при оценке УБЛ это излучение не учитывается. Также для оценки уровня излучения в направлении «вбок» (в направлении, перпендикулярном главному лепестку ДН) используется параметр относительный бокового излучения (от англ. front/side, F/S - отношение вперед/вбок).

  УБЛ, как и ширина главного лепестка ДН, являются параметрами, определяющими разрешающую способность и помехозащищённость радиотехнических систем. Поэтому в технических заданиях на разработку антенн этим параметрам уделяется большое значение. Ширину луча и УБЛ контролируют как при вводе антенны в эксплуатацию, так и в процессе эксплуатации.

Связанные понятия

Фотонный кристалл - твердотельная структура с периодически изменяющейся диэлектрической проницаемостью либо неоднородностью, период которой сравним с длиной волны света.

Волоко́нная брэ́гговская решётка (ВБР) - распределённый брэгговский отражатель (разновидность дифракционной решетки), сформированный в светонесущей сердцевине оптического волокна. ВБР обладают узким спектром отражения, используются в волоконных лазерах, волоконно-оптических датчиках, для стабилизации и изменения длины волны лазеров и лазерных диодов и т. д.