www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основи радіолокації

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 · Aеф где Aсфери — площа поверхні сфери одиничного радіусу;
Aеф = b·h — ефективна апертура на поверхні сфери;
θAzширина 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:

  1. Припускається, що уся випромінювана енергія зосереджена у основній пелюстці діаграми направленості антени. В цьому припущенні бічні пелюстки будуть відсутні.
  2. Припускається, що уся випромінювана антеною енергія зосереджена в межах виміряної ширини променю по рівню половинної потужності. Відповідно, за межами променю випромінення енергії відсутнє.
  3. 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.