Характеристика спрямованості

Характеристикою спрямованості (ХС) (амплітудною ХС) називається залежність амплітуди поля, яке випромінюється антеною, від кутів сферичної системи координат у рівновіддалених від антени точках при струмі збудження антени 1А, позначається .

ХС визначає властивість антени розподіляти електромагнітну енергію в просторі.

Слід підкреслити, що із визначення фактично випливає методика вимірювання ХС на одинаковій відстані від антени необхідно за допомогою певного індикатора визначити амплітуду поля у всіх напрямках і будувати залежність .

Для порівняння ХС різних антен вводять поняття нормованої ХС. Нормована ХС визначається за відношенням ненормованої ХС до її максимального значення

.

Тому, що максимальне значення нормованої ХС становить .

Поруч з амплітудою ХС на практиці використовується поняття ХС за потужністю.

ХС за потужністює залежність густини потоку потужності поля, яке випромінюється антеною від просторових координат у рівновіддалених від антени точках при незмінних умовах збудження антени. Нормована ХС антени за потужністю можна представити у вигляді

.

У загальному випадку, ХС має складну, багатопелюсткову структуру, в якій можна виділити головну пелюстку (головний максимум) і ряд менших пелюсток, які називаються боковими та задніми пелюстками.

Головна пелюстка характеризується формою, шириною і напрямком головного максимуму, в якому характеристика має найбільшу величину.

Головна пелюстка може бути різною форми: голко- та віялоподібною, тороїдальною, косекансною тощо (рис. 5.6).

Наведене просторове зображення ХС є складним для побудови. Тому найчастіше використовують перетини у вибраних площинах, яка називається діаграмою спрямованості. Найчастіше як такі площі вибирають пару перпендикулярних перетинів, які проходять через напрямок максимального випромінювання (рис. 5.6, в). Один із перетинів вибирають в площині, де головна пелюстка ХС має найменшу ширину. Для антен з лінійною поляризацією поля використовувати перетини, в яких лежать вектори і .

ХС можна задавати: аналітично – формулами, у вигляді таблиць або графічно. Графічно ДС антен відображають в полярній або декартовій системі координат за полем, потужністю або логарифмічному масштабах (рис. 5.7).

Типовий вигляд перетину просторової ХС наведений на рис. 5.8.

Перетин ХС називають діаграмою спрямованості (ДС).

ДС характеризується напрямком головного максимуму, шириною, рівнем бокових пелюсток, кількістю бокових пелюсток та їх рівнем, напрямками нулів.

Під шириною діаграми спрямованості (ШДС) розуміють кут між напрямками, у межах яких густина потоку потужності зменшується у два рази, у десять разів порівняно з головним максимумом або до нуля.

Можна визначити ширину головної пелюстки і для амплітудної ДС, але при цьому амплітуда поля в напрямках, відповідних до ширини головної пелюстки зменшується у разів, у разів, порівняно з головним максимумом.

Тому . На практиці ШДС частіше визначають на рівні половинної потужності або за полем на рівні 0,707 від максимального значення.

Окрім головної пелюстки в ДС виділяють бокові пелюстки.

Бокові пелюстки нумерують від головної пелюстки .

Під рівнем бокових пелюсток розуміють, як правило, величину, яка дорівнює відношенню поля (потужності) у найбільшій боковій пелюстці до поля (потужності) у напрямку головного максимуму

,

або в децибелах

.

При малому рівні бокових пелюсток перевагу має логарифмічний масштаб. ДС слабко спрямованих антен (широкі ДС) зазвичай зображають в полярних координатах, вузькі ДС гостроспрямованих антен зображують в декартових координатах. Для більш повного уявлення про спрямовані властивості антен використовують картографічне зображення просторових ХС.

Напрямок головного максимуму ДС необхідно знати, щоб правильно орієнтувати передавальну та приймальну антени.

5.2.2. Фазова характеристика антени

Фазовою характеристикою (ФХ) називається залежність фази вектора поля, яке випромінюється антеною, від кутів сферичної системи координат у рівновіддалених точках від початку системи координат антени при незмінних умовах збудження в один момент часу.

Зауважимо, що ФХ на відміну від амплітудної ХС, істотно залежить від вибору початку системи координат.

Якщо можна знайти таке положення початку координат, відповідно до якого або змінюється стрибком на при переході через нуль амплітудної ХС, тобто при переході від однієї пелюстки ХС до іншої (рис. 5.9), то цю точку називають фазовим центром антени. У такому випадку фронт хвилі в межах кожної пелюстки є часткою сфери і антену можна вважати джерелом сферичної хвилі. ФХ називають сферичною.

У більшості випадків антени (рупорні, спіральні та інші) не мають фазового центра в тому розумінні, як він був визначений вище. Однак і для таких антен можна вказати точку, щодо якої в межах головної пелюстки ФХ практично не відрізняється від сферичної. У цьому випадку вважається, що антена випромінює квазісферичну хвилю, а центр сфери в межах головної пелюстки називається частковим фазовим центром.

5.2.3. Поляризаційна характеристика (діаграма) антени

Поляризаційною характеристикою називається залежність поляризаційних параметрів поля, яке випромінюється антеною від кутів сферичної системи координат q,j при незмінних умовах збудження. Тобто поляризація антени описується такими ж параметрами, що і поляризація випромінених нею хвиль: поляризаційний вектор, поляризаційне відношення або фаза, параметри поляризаційного еліпса.

Поляризаційний вектор − це одиничний вектор, який за напрямком збігається з вектором поля . Зазвичай поляризаційний вектор визначається в поляризаційному базисі з двох перпендикулярних ортів , які показують напрямки відліку кутів q,j (рис. 5.10) в точці спостереження М і дорівнює [ ]

,

де − відношення модуля q-ої складової до модуля (норми) повного вектора ; − різниця фаз j-ої та q-ої складових вектора .

Поляризаційним відношенням називають відношення комплексних амплітуд j-ої та q-ої складових вектора

. (5.13)

З урахуванням (5.13) поляризаційний вектор можна задати у вигляді

.

Поляризація антени (ЕМХ) можна охарактеризувати лінією, яку описує кінець вектора у розглянутій точці спостереження за період високої частоти. У загальному випадку це може буде еліпс, коло або пряма лінія, а тому антена може мати три види поляризації: колову, лінійну, еліптичну.

Лінійно поляризовані антени залежно від положення площини коливання вектора поділяють на горизонтально поляризовані, вертикально поляризовані та з нахильною поляризацією.

Антена має колову поляризацію, якщо вектор обертається та описує кінцем коло за період високої частоти.

Якщо вектор ЕМХ поширюється від спостерігача і обертається за годинниковою стрілкою, то це буде права колова поляризація. Якщо ж вектор обертається проти годинникової стрілки, то це буде ліва колова поляризація.

Антена має еліптичну поляризацію, якщо вектор поля, що випромінюється обертається навколо осі і кінець вектора у просторі в поперечному перетині описує еліпс за період високої частоти.

Як і для колової поляризації, розрізняють праву та ліву еліптичні поляризації. Типовий вигляд поляризаційного еліпса наведено на
рис. 5.11.

Поляризаційний еліпс характеризується такими параметрами:

коефіцієнтом еліптичності (поляризації) К_е, рівний відношенню малої піввісі еліпса до великої . Коефіцієнт еліптичності може змінюватися при різних видах поляризації в межах ;

кутом нахилу великої вісі еліпса поляризації щодо вісі абсцис Х

;

напрямком обернення вектора (ліва або права обертальна поляризація).