В идеале луч, направляемый антенной на спутник, должен иметь форму острого карандаша. К сожалению, поскольку длина волн в данном случае мала по сравнению с апертурой (диаметром) антенны, фиксированная фокальная точка в действительности не является точной. Это вызывает небольшое расхождение главного луча и некоторое нежелательное улавливание внеосевых сигналов. Результирующая полярная диаграмма состоит из узкого луча, называемого главным лепестком и серии боковых лепестков меньшей амплитуды.
Типовая диаграмма направленности параболического
рефлектора в полярной системе координат
Поскольку полярную диаграмму часто трудно интерпретировать, предпочтение отдается форме представления в прямоугольной системе координат. Нормированная теоретическая характеристика сигнала для равномерно облучаемой антенны диаметром 65 см на частоте 11 ГГц представлена на рисунке:
На самом деле факторы, перечисленные выше, будут способствовать внесению неровностей в данную характеристику, но общая картина показанной зависимости останется неизменной.
Фоновый шум поступает на антенную систему в основном через боковые лепестки, поэтому необходимо, чтобы они были как можно меньше по отношению к амплитуде главного лепестка. Равномерно облучаемая антенна теоретически создает первый и самый большой из этих боковых лепестков на уровне около -17,6 дБ ниже максимального значения главного лепестка.
На практике облучение редко бывает равномерным. Точность распределения облучения зависит от типа установленного облучателя. Это приводит нас к понятию эффективной площади или эффективности антенной системы. Другими словами, наибольшая часть мощности сигнала собирается с центральной части зеркала и уменьшается по направлению к внешним краям антенны. Поэтому слабый раскрыв рефлектора антенны может служить защитой от фонового шума.
Неполное (недостаточное) облучение зеркала уменьшает уровень первого бокового лепестка до значения менее -20 дБ, снижая таким образом воздействие фонового шума. На первый взгляд, это решение кажется идеальным, но оно приводит к некоторым нежелательным последствиям - уменьшению коэффициента усиления антенны и соответствующему увеличению ширины луча (главного лепестка). Основной характеристикой диаграммы направленности антенны является ее ширина по уровню половинной мощности, которая рассчитывается как,ширина главного лепестка диаграммы на уровне -3 дБ. Уравнения, которые применяются для вычисления ширины диаграммы направленности на любом заданном уровне главного лепестка, достаточно сложны и трудоемки для выполнения. Однако такие параметры, как ширина главного лепестка на уровне -3 дБ, амплитуда первого бокового лепестка и расположение первого нуля (провала в диаграмме направленности), зависящего от установленного способа облучения, могут быть легко рассчитаны при помощи выражений, приведенных ниже в таблице. Косинусное распределение близко к среднему, и если способ принятого облучения неизвестен, то оно может быть использовано в качестве первого приближения при расчете ширины диаграммы направленности на уровне -3 дБ.
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» .
Пример диаграммы направленности антенны и параметры ДН: ширина, КНД, УБЛ, относительный уровень заднего излучения
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.
Цели снижения УБЛ
- В режиме приёма антенна с низким УБЛ «более помехоустойчива», поскольку лучше осуществляет селекцию по пространству полезного сигнала на фоне шума и помех, источники которых расположены в направлениях боковых лепестков
- Антенна с низким УБЛ обеспечивает системе бо́льшую электромагнитную совместимость с другими радиоэлектронными средствами и высокочастотными устройствами
- Антенна с низким УБЛ обеспечивает системе бо́льшую скрытность
- В антенне системы автосопровождения цели возможно ошибочное сопровождение по боковым лепесткам
- Снижение УБЛ (при фиксированной ширине главного лепестка ДН) ведёт к росту уровня излучения в направлении главного лепестка ДН (к росту КНД): излучение антенны в направлении, отличном от главного - пустая потеря энергии. Однако, как правило, при фиксированных габаритах антенны снижение УБЛ ведёт к снижению КИП, расширению главного лепестка ДН и снижению КНД .
Расплатой за более низкий УБЛ является расширение главного лепестка ДН (при фиксированных размерах антенны), а также, как правило, более сложная конструкция распределительной системы и меньший КПД (в ФАР).
Способы снижения УБЛ
Поскольку ДН антенны в дальней зоне и амплитудно-фазовое распределение (АФР) токов по антенне связаны между собой преобразованием Фурье , то УБЛ как вторичный параметр ДН определяется законом АФР. Основным способом снижения УБЛ при проектировании антенны является выбор более плавного (спадающего к краям антенны) пространственного распределения амплитуды тока. Мера этой «плавности» - коэффициент использования поверхности (КИП) антенны.
Обеспечение достаточно малого уровня боковых лепестков в ДН, как отмечалось ранее, является одним из важнейших требований к современным антеннам.
При анализе линейных систем непрерывно расположенных излучателей была замечена зависимость уровня боковых лепестков от закона АР в системе.
Принципиально можно подобрать такой закон АР в системе, при котором боковые лепестки в ДН отсутствуют.
Действительно, пусть имеется синфазная решетка из двух изотропных
излучателей, расположенных на расстоянии d = - друг от друга (рис. 4.36).
Амплитуды возбуждения излучателей будем считать одинаковыми (равномерное АР). В соответствии с формулой (4.73) ДН двухэлементной решетки
При изменении 0 от ± - значение sin0 меняется от 0 до ±1, а значение Д0) - от 2 до 0. ДН имеет лишь один (главный) лепесток (рис. 4.36). Боковые лепестки отсутствуют.
Рассмотрим линейную решетку, состоящую из двух элементов, каждый из которых представляет собой рассмотренную выше решетку. Новую решетку по-прежнему считаем синфазной, расстояние между элементами X
d = - (рис. 4.37, а).
Рис. 4.36. Синфазная решетка из двух изотропных излучателей
Рис. 4.37.
Закон АР в решетке принимает вид 1; 2; 1 (рис. 4.37, б).
В соответствии с правилом перемножения ДН решетки боковых лепестков не имеет (рис. 4.37, в):
Следующий шаг - синфазная линейная система, состоящая из двух
предыдущих, смещенных по прямой на расстояние - (рис. 4.38, а). Получаем четырехэлементную решетку с АР 1; 3; 3; 1 (рис. 4.38, б). ДН этой решетки также не имеет боковых лепестков (рис. 4.38, в).
Продолжая по намеченному алгоритму наращивание числа излучателей в системе, для ДН синфазной решетки, состоящей из восьми элементов, получим формулу
Рис. 4.38.
АР в такой решетке запишется соответственно в следующем виде: 1; 7; 21; 35; 35; 21; 7; 1. Записанные числа являются коэффициентами в разложении бинома Ньютона (1 + х) 7 в ряд, поэтому соответствующее им АР называется биномиальным.
При наличии в линейной дискретной системе п излучателей биномиальное АР определяется коэффициентами в разложении бинома Ньютона (1 + х) п ~ 1 , а ДН системы - выражением
Как видим из выражения (4.93), ДН боковых лепестков не имеет.
Таким образом, за счет использования в синфазной дискретной системе биномиального АР можно добиться полного исключения боковых лепестков. Однако это достигается ценой существенного расширения (по сравнению с равномерным АР) главного лепестка и уменьшения КНД системы. Кроме того, возникают трудности в практическом обеспечении синфазности возбуждения излучателей и достаточно точного биномиального АР в системе.
Система с биномиальным АР очень чувствительна к изменению АФР. Небольшие искажения в законе АФР вызывают появление боковых лепестков в ДН.
В силу указанных причин биномиальное АР в антеннах практически не используется.
Более практичным и целесообразным оказывается АР, при котором получается так называемая оптимальная ДН. Под оптимальной понимается такая ДН , у которой при заданной ширине главного лепестка уровень боковых лепестков минимален или при заданном уровне боковых лепестков ширина главного лепестка минимальна. АР, соответствующее оптимальной ДН, можно назвать также оптимальным.
Для дискретной синфазной системы изотропных излучателей, распо-
ложенных на расстоянии а > - друг от друга, оптимальным является
Дольф - Чебышевское АР. Однако в ряде случаев (при определенном числе излучателей и определенном уровне боковых лепестков) это АР характеризуется резкими «всплесками» на краях системы (рис. 4.39, а) и трудно реализуемо. В этих случаях переходят к так называемому квазиоптималь- ному АР с плавным спаданием к краям системы (рис. 4.39, б).
Рис. 4.39. Амплитудные распределения: а - Дольф - Чебышевское;
б - квазиоптимальное
При квазиоптимальном АР, по сравнению с оптимальным уровнем, уровень боковых лепестков несколько увеличивается. Однако реализовать квазиоптимальное АР значительно проще.
Задача отыскания оптимального и соответственно квазиоптимально- го АР решена и для систем непрерывно расположенных излучателей. Для таких систем квазиоптимальным АР является, например, распределение Тейлора.
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.
Уровень задних и боковых лепестков диаграммы направленности по напряжению γυ определяется как отношение ЭДС на клеммах антенны при приеме -со стороны максимума заднего или бокового лепестка к ЭДС со стороны максимума основного лепестка. Когда антенна имеет несколько задних и боковых лепестков различной величины, то указывается обычно уровень наибольшего лепестка. Уровень задних и боковых лепестков можно определить также по мощности (γ Ρ), возведя в квадрат уровень задних и боковых лепестков по напряжению. На диаграмме направленности, показанной на рис. 16, задние и боковые лепестки имеют одинаковый уровень, равный 0,13 (13%) по ЭДС или 0,017 (1,7%) по мощности. Задние и боковые лепестки направленных приемных телевизионных антенн находятся обычно в пределах 0,1… ,25 (по напряжению).
В литературе при описании направленных свойств приемных телевизионных антенн часто указывают уровень задних и боковых лепестков, равный среднему арифметическому из уровней лепестков на средней и крайних частотах телевизионного канала. Допустим, что уровень лепестков (по ЭДС) диаграммы направленности антенны 3-го канала (f = 76… 84 МГц) составляет: на частотах 75 МГц - 0,18; 80 МГц - 0,1; 84 МГц - 0,23. Средний уровень лепестков будет равен (0,18+0,1+0,23)/3, т. е. 0,17. Помехозащищенность антенны может быть охарактеризована средним уровнем лепестков только в том случае, если в полосе частот телевизионного канала нет резких «выбросов» уровня лепестков, значительно превышающих средний уровень.
Необходимо сделать важное замечание, касающееся помехозащищенности антенны с вертикальной поляризацией. Обратимся к диаграмме направленности, изображенной на рис. 16. На этой диаграмме, характерной для антенн горизонтальной поляризации в горизонтальной плоскости, основной лепесток отделен от задних и боковых лепестков направлениями нулевого приема. Антенны вертикальной поляризации (например, антенны «волновой канал» с вертикальным расположением вибраторов) направлений нулевого приема в горизонтальной плоскости не имеют. Поэтому задние и боковые лепестки в этом случае однозначно не определены и помехозащищенность определяется на практике, как Отношение уровня сигнала, принятого с переднего направления, к уровню сигнала, принятого с заднего направления.
Коэффициент усиления. Чем направленнее антенна, т. е. чем меньше угол раствора основного лепестка и меньше уровень задних и боковых лепестков диаграммы направленности, тем больше ЭДС на клеммах антенны.
Представим себе, что в некоторую точку электромагнитного поля помещен симметричный полуволновый вибратор, ориентированный на максимум приема, т. е. расположенный так, что его продольная ось перпендикулярна направлению прихода радиоволны. На подключенной к вибратору согласованной нагрузке развивается определенное напряжение Ui, зависящее от напряженности поля в точке приема. Поместим далее! в ту же точку поля вместо полуволнового вибратора ориентированную на максимум приема антенну с большей направленностью, например антенну типа «волновой канал», диаграмма направленности которой изображена на рис. 16. Будем считать, что эта антенна имеет ту же нагрузку, что и полуволновый вибратор, и так же с ней согласована. Так как антенна «волновой канал» является более направленной, чем полуволновый вибратор, то и напряжение на ее нагрузке U2 будет больше. Отношение напряжений U 2 /’Ui и представляет собой коэффициент усиления Ки четырехэлементной антенны по напряжению или, как его иначе называют, по «полю».
Таким образом, коэффициент усиления антенны по напряжению или по «полю» можно определить как отношение напряжения, развиваемого антенной на согласованной нагрузке, к напряжению, развиваемому на той же нагрузке согласованным с ней полуволновым вибратором. Обе антенны считаются расположенными в той же точке электромагнитного поля и ориентированными на максимум приема. Часто применяется также понятие коэффициента усиления по мощности Кр, который равен квадрату коэффициента усиления по напряжению (К Р = Ки 2).
В определении коэффициента усиления необходимо подчеркнуть два момента. Во-первых, для того чтобы антенны различных конструкций можно было соноставить друг с другом, каждую из них сравнивают с одной и той же антенной - полуволновым вибратором, который считается эталонной антенной. Вовторых, для получения на практике выигрыша в напряжении или мощности, определяемых коэффициентом усиления, нужно сориентировать антенну на максимум принимаемого сигнала, т. е. так, чтобы максимум главного лепестка диаграммы направленности был ориентирован в сторону прихода радиоволны. Коэффициент усиления зависит от типа и конструкции антенны. Обратимся для пояснения к антенне типа «волновой канал». Коэффициент усиления этой антенны возрастает с увеличением числа директоров. Четырехэлементная антенна (рефлектор, активный вибратор и два директора) имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 2; семиэлементная (рефлектор, активный вибратор и пять директоров) - 2,7. Это означает, что если вместо полуволнового
вибратора использовать четырехэлементную антенну) то напряжение на входе телевизионного приемника возрастет в 2 раза (мощность в 4 раза), а семиэлементную- в 2,7 раза (мощность в 7,3 раза).
Значение коэффициента усиления антенны указывают в литературе либо па отношению к полуволновому вибратору, либо по отношению к так называемому изотропному излучателю. Изотропный излучатель представляет собой такую воображаемую антенну, у которой полностью отсутствуют направленные свойства, и пространственная диаграмма направленности имеет соответственно* вид -сферы. В природе изотропных излучателей не существует, и такой излучатель является просто удобным эталоном, с которым можно сравнивать направленные свойства различных антенн. Расчетное значение коэффициента усиления полуволнового вибратора по напряжению относительно изотропного излучателя составляет 1,28 (2.15 дБ). Поэтому если известен коэффициент усиления какойлибо антенны по напряжению относительно изотропного излучателя, то, разделив его на 1,28. получим коэффициент усиления этой антенны относительно полуволнового вибратора. Когда коэффициент усиления относительно изотропного излучателя указан в децибелах, то для определения коэффициента усиления относительно полуволнового вибратора нужно вычесть 2,15 дБ. Например, коэффициент усиления антенны по напряжению относительно изотропного излучателя равен 2,5 (8 дБ). Тогда коэффициент усиления этой же антенны относительно полуволнового вибратора составит 2,5/1,28, т. е. 1,95^ а в децибелах 8-2,15 = 5,85 дБ.
Естественно, что реальный выигрыш по уровню сигнала на входе телевизора, даваемый той или иной антенной, не зависит от того, по отношению к какой эталонной антенне-полуволновому вибратору или изотропному излучателю - указан коэффициент усиления. В настоящей книге значения коэффициента усиления указаны по отношению к полуволновому вибратору.
В литературе направленные свойства антенн часто оценивают коэффициент том направленного действия КНД, который представляет собой выигрыш в мощности сигнала в нагрузке при условии, что антенна не имеет потерь. Коэффициент направленного действия связан с коэффициентом усиления по мощности Кр соотношением
Если измерить напряжение на входе приемника, то можно по этой же формуле определить напряженность поля в месте приема.
