Направленість та підсилювання антени
Рисунок 1. До порівняння поверхні, що опромінюється направленою антеною, та сферичної поверхні.
(Зверніть увагу: при порівнянні радіус сфери має бути рівним відстані до прямокутника від центральної точки)
Рисунок 1. До порівняння поверхні, що опромінюється направленою антеною, та сферичної поверхні.
(Зверніть увагу: при порівнянні радіус сфери має бути рівним відстані до прямокутника від центральної точки)
Направленість та підсилювання антени
Коефіцієнт підсилювання антени G об’єднує коефіцієнт направленої дії D та ефективність η антени в один простий для використання параметр.
Коефіцієнт направленої дії антени
Коефіцієнт направленої дії антени визначається як відношення густини потужності S (інтенсивність випромінення на одиницю площини) реальної антени у її основному напрямку до аналогічної величини для гіпотетичної, такої, що не існує у дійсності, ізотропної антени, яка випромінює рівномірно у всіх напрямках. Таким чином, густина потужності ізотропного випромінювача рівномірно розподіляється по поверхні сфери. Реальна ж антена має більше або менше виражену направленість випромінювання, яка кількісно характеризується значенням коефіцієнту направленої дії. З урахуванням наведеного вище, формула для його визначення виглядає так:
D = | S | де |
S — густина потужності реальної антени в основному напрямку її випромінення; Si — густина потужності ізотропного випромінювача. |
(1) |
Si |
Направлена антена концентрує випромінювану нею потужність тільки на невеликій частині поверхні сфери. Величина цієї частини може бути визначена у відносних одиницях по відношенню до всієї площі сфери. Площа цієї частини може також бути визначена на підставі значень ширини променю антени (у радіанах) по рівню половинної потужності. (Очевидно, що у формулі для площі ділянки поверхні використовуються лінійні розміри цієї ділянки. Вони визначаються як добуток кутових розмірів ділянки на радіус сфери. При обчисленні відношення площ радіус, що входить і у чисельник, і у знаменник, скорочується). Лінійні розміри шуканої ефективної площі визначаються у кратності до довжини хвилі.
D = | Aсфери | ≅ | 4π r2 | = | 4π | = | 4π · Aеф | где |
Aсфери — площа поверхні сфери одиничного радіусу; Aеф = b·h — ефективна апертура на поверхні сфери; θAz — ширина променю по рівню половинної потужності (в радіанах) в горизонтальній площині; θEl — ширина променю по рівню половинної потужності (в радіанах) в кутомісній площині; b — ширина ділянки поверхні; h — висота ділянки поверхні. |
(2) |
Aеф | θAz · θEl | λ/b · λ/h | λ2 |
(Тут, однак, присутня неточність, оскільки поверхня Aеф = b·h являє собою плоску поверхню, а не сферичну. Відповідна погрішність буде тим меншою, ніж менше площа b·h у порівнянні із площею сфери, тобто, чим вище направленість антени. Цією погрішністю можливо знехтувати у разі ширини променю по рівню половинної потужності до 20°).
Коефіцієнт підсилювання антени
Коефіцієнт направленої дії антени є суттєвою складовою коефіцієнту підсилювання антени. Однак, крім нього, при аналізі реальних антен мають враховуватися й втрати. Випромінювана антеною потужність пропорційна потужності, що надходить від передавача, яка може бути легко виміряна на фідері антени. Однак частина потужності, що підводиться від передавача, втрачається в антені на лінії передачі за рахунок її омічного опору. Ці втрати й визначають ефективність антени. Для ідеальної антени без втрат коефіцієнт підсилювання дорівнював би коефіцієнту направленої дії. Для реальних антен коефіцієнт підсилювання завжди є меншим за коефіцієнт направленої дії:
G = η· D | (3) |
Коефіцієнт підсилювання антени не завжди має бути більшим за одиницю. Існують також антени з коефіцієнтом підсилювання, меншим за одиницю. Зазвичай це антени для вимірювань, де важливо досягнути рівномірності коефіцієнту підсилювання у дуже широкій смузі частот для порівняння результатів вимірювань в різних частотних діапазонах.
Припущення
Необхідно зробити деякі спрощення для того, щоби співвіднести сферичну поверхню ізотропного випромінювача з ефективною апертурою антени:
- Припускається, що уся випромінювана енергія зосереджена у основній пелюстці діаграми направленості антени. В цьому припущенні бічні пелюстки будуть відсутні.
- Припускається, що уся випромінювана антеною енергія зосереджена в межах виміряної ширини променю по рівню половинної потужності. Відповідно, за межами променю випромінення енергії відсутнє.
- В межах ширини променю по рівню половинної потужності енергія розподілена рівномірно. (Таким чином, як правило конусоподібне тіло стає пірамідальним. Прямокутник в основі отриманої піраміди має площу, рівну добутку ширини променю у кутомісній площині та ширини променю у азимутальній площині!)..
Лише за перелічених припущень можливо порівняти дві згадані вище геометричні поверхні — прямокутник і фрагмент сферичної поверхні.