Диаграмма направленности (:ngijgbbg ughjgflyuukvmn)

Не следует путать с характеристикой направленности микрофона.

ДН типичной направленной антенны (азимутальная).

ДН по углу места.

Диаграмма направленности (антенны) — графическое представление зависимости коэффициента усиления антенны или коэффициента направленного действия антенны от направления антенны в заданной плоскости. Также термин «диаграмма направленности» применим к другим устройствам, излучающим сигнал различной природы, например акустическим системам. Диаграмма направленности антенны определяет также положение и размер слепой зоны антенны.

Основные положения

При рассмотрении излучения антенны в дальней зоне саму антенну можно считать точечной и принять за центр сферической системы координат ($r$, $\theta$, $\phi$). Электрическая компонента электромагнитной волны, излучаемой антенной, в дальней зоне может быть представлена в комплексном виде как произведение комплексной амплитуды электрического поля, вектора поляризации и фазового множителя:

${\stackrel {\circ }{\vec {E}}}={\stackrel {\circ }{E}}_{m}\cdot {\vec {p}}\cdot \exp(-i\Delta \Phi +i\omega t)$,

где $\Delta \Phi$ — сдвиг фазы по сравнению с фазой при $\theta =\phi =0$, $\omega$ — частота сигнала, $t$ — время. В дальней зоне $\Delta \Phi$ и ${\vec {p}}$ зависят только от углов ($\theta$, $\phi$), а ${\stackrel {\circ }{E}}_{m}$, помимо углов, еще и от $r$, при этом модуль $|{\stackrel {\circ }{E}}_{m}|$ пропорционален $r^{-1}$. С магнитной компонентой ${\vec {H}}$ всё аналогично, а средняя плотность потока энергии (вектор Пойнтинга) по величине обратно пропорциональна квадрату расстояния $r^{-2}$.

Диаграмма направленности (ДН) представляет собой нормированную на максимальное значение зависимость среднего вектора Пойнтинга

$f(\theta ,\phi )=|<{\vec {E}}\times {\vec {H}}>|$

от угловых координат $\theta$ и $\phi$ точки наблюдения. Такая величина пропорциональна квадрату амплитуды поля $|{\stackrel {\circ }{E}}_{m}|^{2}(\theta ,\phi )$. Она часто обозначается как

$F(\theta ,\phi )={\frac {f(\theta ,\phi )}{f_{{\rm {max}},\theta ,\phi }}}$;

очевидно, что $0\leq F(\theta ,\phi )\leq 1$. Собственно картинка диаграммы может быть построена средствами трёхмерной или двумерной графики. С учётом того, что за основу диаграммы берётся величина вектора Пойнтинга, ДН может называться распределением «по мощности» («по энергии»).

Стандартные виды ДН

По форме диаграммы направленности антенны подразделяются на узконаправленные и широконаправленные.

Узконаправленные антенны имеют один ярко выраженный максимум, который называют основным лепестком, и побочные максимумы (обычно имеющие отрицательное влияние), амплитуду которых стремятся уменьшить. Узконаправленные антенны применяют для концентрации мощности радиоизлучения в одном направлении для увеличения дальности действия радиоаппаратуры, а также для повышения точности угловых измерений в радиолокации.

Широконаправленные антенны имеют хотя бы в одной плоскости диаграмму направленности, которую стремятся приблизить к круговой. Они находят применение, например, в телерадиовещании. Часто лепестки диаграммы направленности называют лучами антенны.

Характеристики

ДН характеризуется шириной $\Theta _{A}$ её основного лепестка (главного луча) на уровне 0,5 от максимального значения по мощности и коэффициентом усиления $G$, которые связаны соотношениями

$G={\frac {4\pi S_{A}}{\lambda ^{2}}}$, $S_{A}={\frac {\pi d_{A}^{2}}{4}}$, $\Theta _{A}={\frac {\lambda }{d_{A}}}$,

где $S_{A}$, $d_{A}$ — эффективная площадь и протяженность апертуры антенны, $\lambda$ — длина волны.

ДН обычно описываются не только в плоскости, но и в трехмерном отображении. Для упрощения их рассмотрения, принимают две проекции ДН:

• горизонтальную (азимутальная);
• вертикальную (по углу места).

При совместном рассмотрении проекций проясняется более полная картина самой ДН и, как подтверждает практика, по этим данным можно судить об эффективности антенны применительно к решению конкретной задачи.

Диаграмма направленности любой антенны обладает свойством взаимности, то есть имеет аналогичные характеристики на передачу и приём в одном и том же диапазоне длин волн.

Специальные типы ДН

Помимо наиболее распространённых ДН — «по мощности» — существуют амплитудные, фазовые $\Delta \Phi (\theta ,\phi )$ и поляризационные ${\vec {p}}(\theta ,\phi )$ ДН.

В частности, амплитудная ДН антенны по полю представляет собой зависимость модуля комплексной амплитуды $|{\stackrel {\circ }{E}}_{m}|$ вектора напряженности ${\vec {E}}$ электрической компоненты электромагнитного поля от угловых координат $\theta$ и $\phi$ в горизонтальной и вертикальной плоскости, то есть зависимость $|{\stackrel {\circ }{E}}_{m}|(\theta ,\phi )$.

Также можно определить ДН как комплексную величину. В этом случае ДН есть

${\stackrel {\circ }{F}}\left(\theta ,\phi \right)={\frac {{\stackrel {\circ }{E}}_{m}\left(\theta ,\phi \right)}{\max _{\theta ,\phi }\left[\left|{\stackrel {\circ }{E}}_{m}(\theta ,\phi )\right|\right]}}$,

где ${\stackrel {\circ }{E}}_{m}$ — комплексная амплитуда вектора в точке дальней зоны.

Измерение ДН

Исследование ДН небольших антенн производят в безэховых камерах. Для больших антенн, не помещающихся в камеру, используют их уменьшенные модели; длину волны излучения также уменьшают в соответствующее число раз.

В случае построения диаграммы направленности для радиотелескопов выбирается яркий точечный источник на небе (зачастую — Солнце). Далее проводится серия наблюдений под разными углами, позволяющая построить распределение интенсивности в зависимости от направления, то есть искомую диаграмму направленности.

ДН обычно измеряют в горизонтальной или вертикальной плоскостях, для облучателей — в плоскостях ${\vec {E}}$ или ${\vec {H}}$.

Формирование ДН

ДН антенны определяется амплитудно-фазовым распределением компонент электромагнитного поля в апертуре антенны — условной расчётной плоскости, связанной с её конструкцией. Разработка антенны с требуемой ДН сводится, таким образом, к задаче обеспечения нужной картины электромагнитного поля в плоскости апертуры. Имеются фундаментальные ограничения, связывающие обратной зависимостью ширину луча и относительный размер антенны, то есть размер, делённый на длину волны. Поэтому узкие лучи требуют антенн больших размеров или применения более коротких волн. С другой стороны, максимальное сужение луча при заданном размере антенны ведёт к возрастанию уровня боковых лепестков. Поэтому в данном моменте приходится идти на приемлемый компромисс.

Формирование ДН может осуществляться аналоговым либо цифровым способом.

Цифровой метод применяется в цифровых антенных решётках. Цифровое диаграммообразование подразумевает под собой цифровой синтез диаграммы направленности в режиме приёма, а также формирование заданного распределения электромагнитного поля в раскрыве антенной решётки в режиме передачи.

Наибольшее распространение получило выполнение цифрового диаграммообразования (англ. digital beamforming) на основе операции быстрого преобразования Фурье, позволяющего формировать ортогональную систему так называемых вторичных пространственных каналов, в которой максимум диаграммы направленности одного канала совпадает с нулями остальных.

См. также

• Антенна
• Дальняя зона
• Индикатриса рассеяния
• Основное уравнение радиолокации

Литература

• Лавров, А. С. Антенно-фидерные устройства: учеб. пособие для вузов / А. С. Лавров, Г. Б. Резников. — М.: «Советское радио», 1974. — 368 с.
• Дудник, П. И. Многофункциональные радиолокационные системы: учеб. пособие для вузов / П. И. Дудник, А. Р. Ильчук [и др.]. — М.: Дрофа, 2007. — 283 с. — ISBN 978-5-358-00196-1.
• Mahafza, B. R. Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB / Bassem R. Mahafza. — CHAPMAN&HALL/CRC, 2000. — 532 с. — ISBN 1-58488-182-8.

Ссылки

• Диаграммы направленности различных типов антенн.
• Двухпутная диаграмма направленности, получаемая при отличающихся направлениях зондирования и приема