Параметры антенн

Параметры антенн. Любая радиолиния включает в себя передающее и приемное устройства, неотъемлемым элементом которых являются антенны, обеспечивающие излучение и прием электромагнитных волн. Эти антенны называются соответственно передающими и приемными. Передающая антенна преобразует энергию высокочастотных колебаний токов или полей, поступающих от передатчика, в энергию излучаемых в пространство электромагнитных волн. Приемная антенна преобразует энергию электромагнитных волн, принятых из окружающего ее пространства, в энергию высокочастотных колебаний токов или полей, поступающих от антенны во входные цепи приемника.

Антенны (кроме активных) обладают свойством обратимости, т.е. любая из них, в принципе, может работать как в режиме приема, так и в режиме передачи.

Параметры и характеристики передающих антенн Принципиальным отличием передающей антенны от других, применяемых в радиотехнической аппаратуре устройств, является создание с ее помощью электромагнитного волнового поля излучения. Антенна по отношению к передатчику с одной стороны выполняет функцию нагрузки, поглощающей вырабатываемую им энергию. При этом, в общем случае, входное сопротивление антенны является комплексным. (2) где – активная составляющая входного сопротивления, равная сумме сопротивлений излучения и потерь, отнесенных к входным клеммам антенны;  реактивная составляющая входного сопротивления, соответствующая мощности реактивных полей вокруг антенны. С другой стороны часть потребляемой энергии излучается антенной в виде свободно распространяющихся электромагнитных волн. Принимая во внимание эти два обстоятельства, антенну следует считать преобразователем энергии важнейшей характеристикой которого является коэффициент полезного действия (КПД). КПД антенны называют отношение излучаемой мощности к общей мощности, подводимой к антенне: (3) Способность антенны излучать электромагнитные волны с различной интенсивностью в разных направлениях характеризуется ее направленными свойствами.

Создаваемое антенной в дальней зоне электромагнитное поле характеризуется амплитудой, поляризацией и фазой вектора электрической напряженности. Эти величины зависят от расстояния и направления излучения, то есть от углов и сферической системы координат.

Зависимость амплитуды напряженности поля от направления в пространстве на одинаковом достаточно большом расстоянии от антенны называется характеристикой направленности, то есть (4) Обычно характеристику направленности нормируют к единице путем деления ее на величину максимальной напряженности поля, создаваемой в направлении максимума излучения: . (5) Иногда пользуются понятием характеристики направленности по мощности, которая равна квадрату характеристики направленности по полю. Графическое изображение характеристики направленности называют диаграммой направленности.

Построение диаграммы направленности возможно в полярной или прямоугольной системах координат.

В общем случае может быть построена пространственная диаграмма направленности, но так как данная процедура весьма затруднительна, то на практике ограничиваются изображением ее наиболее характерных сечений, например сечений двумя ортогональными плоскостями, проходящими через максимум излучения. На рисунке 12.а показана пространственная диаграмма направленности антенны, обладающей остронаправленным излучением, а также изображение этой диаграммы для одной плоскости в полярной (рисунок 12б) и прямоугольной (рисунок 12в) системах координат.

Степень концентрации электромагнитной энергии в главном направлении характеризуется шириной главного лепестка (шириной диаграммы направленности). Шириной диаграммы направленности называют угол между двумя направлениями, в пределах которого напряженность поля уменьшается в раз, а мощность  в два раза по сравнению с ее максимальным значением.

На рисунке 13 показан пример определения ширины главного лепестка диаграммы направленности по полю. Для количественной оценки свойства антенны концентрировать излучение энергии ЭМВ в определенном направлении вводят понятие коэффициент направленного действия (КНД), который определяется отношением мощности излучения некоторой воображаемой ненаправленной антенны к мощности излучения данной антенны, создающих в направлении максимума излучения на одинаковом расстоянии равные напряженности поля: , (6) Рис12. Рис.13 Для произвольного направления КНД определяется соотношением: (7) КНД показывает выигрыш по мощности, который получается в направлении главного максимума излучения за счет концентрации излучения в этом направлении и ослабления в других, но при этом не учитывает возможных потерь в направленной антенне. Для суждения о выигрыше, даваемом антенной, при учете как ее направленного действия, так и потерь в ней, служит параметр, называемый коэффициентом усиления антенны (КУ). КУ принято обозначать через и количественно определять соотношением: (8) Таким образом, коэффициент усиления показывает, во сколько раз нужно уменьшить (или увеличить) мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с мощностью, подводимой к идеальной ненаправленной антенне без потерь, для того чтобы получить одинаковую напряженность поля в рассматриваемом направлении.

Коэффициент, связывающий напряженность электрического поля, создаваемого антенной в направлении главного излучения, с током в передающей антенне, имеет размерность длины и называется действующей длиной антенны.

С физической точки зрения действующую длину антенны можно представить как длину некоторой воображаемой антенны с равномерным распределением тока, равным току на ее зажимах, создающей в направлении максимума излучения ту же напряженность поля, что и рассматриваемая антенна.

Геометрическая интерпретация данного определения показана на рисунке 14. Рис. 14 Параметры и характеристики приемных антенн.

Большинство рассмотренных выше параметров передающих антенн можно использовать и для характеристики антенн, используемых в качестве приемных, но при этом некоторые параметры несколько изменят свой физический смысл. Среди параметров, характеризующих приемные антенны, важнейшим является эффективная площадь антенны "А", позволяющая оценивать способность приемной антенны извлекать энергию из поля электромагнитной волны.

Эффективной площадью антенны "А" называют отношение максимальной мощности, отдаваемой приемной антенной (без потерь) в согласованную нагрузку к величине вектора Пойнтинга "П" приходящей плоской волны: (9) С физической точки зрения эффективная площадь антенны представляет собой некоторую, соответствующую данной антенне, площадку (перпендикулярную направлению прихода ЭМВ) поглощающую всю энергию падающей на нее волны. Между эффективной площадью "А" и коэффициентом усиления антенны существует простая связь: .