Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое луча антенны, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое луча антенны, диаграмма направленности , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.
Антенна - это массив проводников ( элементов ), электрически связанных с приемником или передатчиком. Антенны могут быть спроектированы для передачи и приема радиоволн во всех горизонтальных направлениях одинаково ( всенаправленные антенны ) или, предпочтительно, в определенном направлении ( направленные антенны или антенны с высоким коэффициентом усиления или «лучевые» антенны). Антенна может включать в себя компоненты, не связанные с передатчиком, параболические отражатели , рупоры или паразитные элементы , которые служат для направления радиоволн в луч или другую желаемую диаграмму направленности.
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.
Диаграммой направленности (ДН) антенны по полю часто называют зависимость модуля комплексной амплитуды вектора напряженности 
электрической компоненты электромагнитного поля, создаваемого антенной в дальней зоне, от угловых координат 
и 
точки наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскости, то есть зависимость 
.
. ДН нормируют — все значения делят на максимальное значение 
и обозначают нормированную ДН символом 
. Очевидно, 
.Также можно определить ДН как комплексную величину. В этом случае, аналогично указанному выше, ДН есть:
,
где 
— комплексная амплитуда вектора в точке дальней зоны.
ДН характеризуется шириной 
ее главного луча на уровне 0,5 от ее максимального значения по мощности и коэффициентом усиления 
, которые связаны соотношениями:
, 
, 
,
где 
, 
— эффективная площадь и протяженность апертуры антенны.
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.
Существуют амплитудные 
, фазовые Δω(θ, φ) и поляризационные 
↑↓(θ, φ) ДН.
По форме диаграммы направленности антенны обычно 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.
Диаграмма направленности антенны определяется амплитудно-фазовым распределением компонент электромагнитного поля в апертуре антенны — некоторой условной расчетной плоскости, связанной с ее конструкцией. Разработка антенны с требуемой диаграммой направленности сводится, таким образом, к задаче обеспечения нужной картины электромагнитного поля в плоскости апертуры. Существуют фундаментальные ограничения, связывающие обратной зависимостью ширину луча и относительный размер антенны, то есть размер, деленный на длину волны. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Поэтому узкие лучи требуют антенн больших размеров или применения более коротких волн. С другой стороны, максимальное сужение луча при заданном размере антенны ведет к возрастанию уровня боковых лепестков. Поэтому в данном моменте приходится идти на приемлемый компромисс.
ДН обычно измеряют в горизонтальной или вертикальной плоскостях, для облучателей — в плоскостях Е или Н.
Диаграмма направленности антенны обладает свойством взаимности, то есть имеет аналогичные характеристики на передачу и прием в одном и том же диапазоне волн.
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.
Формирование диаграммы направленности в антеннах может осуществляться аналоговым либо цифровым способом.
Цифровой метод применяется в цифровых антенных решетках. Цифровое диаграммообразование подразумевает под собой цифровой синтез диаграммы направленности в режиме приема, а также формирование заданного распределения электромагнитного поля в раскрыве антенной решетки 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.
Часто используются направленные антенны, основным свойством которых является способность концентрировать излучаемую энергию в узком секторе. Ширину этого сектора определяют по точкам, в которых излучаемая мощность уменьшается в два раза по сравнению с мощностью, излучаемой в направлении главного максимума. Пространство, ограниченное лучами, исходящими из электрического центра антенны и проходящими через эти точки, называют лучом антенны . В пределах луча антенны излучается около 80 процентов всей излучаемой мощности. Как правило, луч антенны имеет форму конусовидной вырезки из сферы, чаще остронаправленной (игольчатый луч, луч карандашного типа), но иногда более широкий в одной из плоскостей (веерообразный луч).
Рисунок 1. Лучи антенны корабельного радиолокатора (пример)
В случае радиолокатора непрерывного излучения эта геометрическая форма полностью заполняется излучаемой мощностью. При использовании же очень коротких зондирующих импульсов излучаемая мощность заполняет не весь объем луча антенны, а только небольшую его часть, называемую разрешаемым объемом. В этом случае луч антенны радиолокатора можно представить как путепровод, направляющий движение излучаемого импульса.
Графически луч антенны радиолокатора соответствует изображению главного лепестка диаграммы направленности антенны. В качестве примера на Рисунке 1 изображены разные виды главных лепестков диаграммы направленности антенны корабельной радиолокационной системы: карандашного типа (игольчатые) и веерный
Согласно стандартному определению, «площадь луча — это телесный угол, через который будет излучаться вся мощность, излучаемая антенной, если P (θ, Ø) сохранит свое максимальное значение в течение Ω A и в других местах будет равно нулю».
Излучаемый луч антенны выходит под углом к антенне, известным как телесный угол, где интенсивность излучения мощности максимальна. Этот телесный угол пучка называется площадью пучка . Он представлен Ω A.
Интенсивность излучения P (θ, Ø) должна поддерживаться постоянной и максимальной по всему углу телесного пучка Ω A , при этом ее значение в других местах равно нулю.
Power radiated=P( theta, Phi) OmegaAватт
Угол пучка представляет собой набор углов между точками половинной мощности основного лепестка.
Математическое выражение для площади луча
OmegaA= int2 pi0 int pi0P pi( theta, Phi)d Omega wattts d Omega= sin theta d theta d Phi watts
куда
Единица площади луча — Вт .
Согласно стандартному определению « Эффективность луча определяет отношение площади луча основного луча к общей излучаемой площади луча».
Энергия, излучаемая антенной, проецируется в соответствии с направленностью антенны. Направление, в котором антенна излучает больше энергии, имеет максимальную эффективность, в то время как часть энергии теряется в боковых лепестках. Максимальная энергия, излучаемая пучком с минимальными потерями, может быть названа эффективностью пучка .
Математическое выражение для эффективности пучка —
etaB= frac OmegaMB OmegaA
Куда,
Антенна может быть поляризована в зависимости от наших требований. Он может быть линейно поляризованным или циркулярно поляризованным. Тип поляризации антенны определяет форму луча и поляризацию при приеме или передаче.
Когда волна передается или принимается, это может быть сделано в разных направлениях. Линейная поляризация антенны помогает поддерживать волну в определенном направлении, избегая всех других направлений. Хотя эта линейная поляризация используется, вектор электрического поля остается в одной плоскости. Следовательно, мы используем эту линейную поляризацию для улучшения направленности антенны.
Когда волна поляризована по кругу, вектор электрического поля оказывается повернутым, причем все его компоненты теряют ориентацию. Режим вращения также может быть разным. Однако благодаря использованию круговой поляризации эффект многолучевого распространения уменьшается и, следовательно, он используется в спутниковой связи, такой как GPS .
Горизонтальная поляризация делает волну слабой, так как отражения от земной поверхности влияют на нее. Они обычно слабы на низких частотах ниже 1 ГГц. Горизонтальная поляризация используется при передаче телевизионных сигналов для достижения лучшего отношения сигнал / шум.
Низкочастотные вертикально поляризованные волны выгодны для передачи наземных волн. На них не влияют поверхностные отражения, подобные горизонтально поляризованным. Следовательно, вертикальная поляризация используется для мобильной связи .
Каждый тип поляризации имеет свои преимущества и недостатки. Разработчик радиочастотной системы может выбрать тип поляризации в соответствии с требованиями системы.
Рисунок 1. К определению ширины луча антенны
Под термином «ширина луча» обычно понимают ширину луча антенны по уровню половинной мощности. Направление максимального излучения антенны определяется в ходе серии измерений (как правило, в безэховой камере), после чего по обе стороны от него определяются точки, в которых мощность излучения уменьшается вдвое. Угловое расстояние между точками, соответствующими половинной мощности, является шириной луча антенны. Уменьшение мощности до половиного уровня может выражаться и в логарифмических единицах: -3 дБ. Поэтому ширину луча антенны по уровню половинной мощности иногда называют шириной луча по уровню -3 дБ (θ3) или (в англоязычных источниках) HPBW (Half Power Beam Width). Обычно рассматривают ширину луча антенны в горизонтальной и в вертикальной плоскости.
В интересах выполнения прямых измерений параметров антенны по осциллограммам сигналов также используется измерение ширины луча по напряжению, в точках, соответствующих уменьшению напряжения вдвое, то есть на −6 дБ. В таких случаях используется обозначение θ6. Эти точки на диаграмме направленности антенны имеют то же положение, что и точки половинного уровня по мощности. Учитывая, что величина импеданса не меняется, уменьшение вполовину напряжения вызовет уменьшение вдвое тока. Перемножение напряжения и тока, значения которых уменьшены вдвое, даст результат — уменьшение мощности в четыре раза, что в логарифмической шкале равняется −6 дБ. Если же необходимо оценить ширину луча антенны по уровню половинной мощности путем измерения напряжения, то выбираются точки, в которых уровень напряжения составляет 0,707 от максимального.
В радиотехнике очень сильно связанные электромагнитные волны называются карандашным лучом (буквально «карандашный луч») . Это ясно описывает луч передачи, который «тонкий, как карандаш».
Антенны со связкой радиолучей поэтому имеют очень малый угол раскрытия и, следовательно, очень большое усиление антенны . Карандашные антенны используются, например, в качестве радаров управления огнем . Настоящие трехмерные радары, используемые в противовоздушной обороне, также излучают пучки радиоволн .
Графическое изображение карандашного радиолуча.
Радар с трехмерным карандашным лучом
В первом приближении предполагается, что боковыми лепестками можно пренебречь и вся мощность, генерируемая передатчиком, концентрируется в основном лепестке. При теоретических вычислениях используется поправка к этому приближению в виде множителя формы луча.
Второе приближение заключается в предположении о том, что полная мощность излучается в пределах ширины луча по уровню половинной мощности и равномерно распределена в этих пределах (Рисунок 1, область, закрашенная зеленым цветом). С другой стороны, предполагается, что за пределами ширины луча по уровню половинной мощности излучение не происходит. Для коррекции погрешности применения такого приближения вводится коэффициент ширины луча.
Основываясь на данных приближениях, в уравнении радиолокации оказывается возможным использование таких параметров как коэффициент усиления антенны и мощность передатчика непосредственно.
Лепестки диаграммы направленности параболического рефлектора
В идеале луч, направляемый антенной на излучатель, должен иметь форму острого карандаша. К сожалению, поскольку длина волн в данном случае мала по сравнению с апертурой (диаметром) антенны, фиксированная фокальная точка в действительности не является точной. Это вызывает небольшое расхождение главного луча и некоторое нежелательное улавливание внеосевых сигналов. Результирующая полярная диаграмма состоит из узкого луча, называемого главным лепестком и серии боковых лепестков меньшей амплитуды.
Рис. Типовая диаграмма направленности параболического рефлектора в полярной системе координат
Поскольку полярную диаграмму часто трудно интерпретировать, предпочтение отдается форме представления в прямоугольной системе координат. Нормированная теоретическая характеристика сигнала для равномерно облучаемой антенны диаметром 65 см на частоте 11 ГГц представлена на рисунке:
Лепестки диаграммы направленности параболического рефлектора
На самом деле факторы, перечисленные выше, будут способствовать внесению неровностей в данную характеристику, но общая картина показанной зависимости останется неизменной.
Фоновый шум поступает на антенную систему в основном через боковые лепестки, поэтому необходимо, чтобы они были как можно меньше по отношению к амплитуде главного лепестка. Равномерно облучаемая антенна теоретически создает первый и самый большой из этих боковых лепестков на уровне около -17,6 дБ ниже максимального значения главного лепестка.
На практике облучение редко бывает равномерным. Точность распределения облучения зависит от типа установленного облучателя. Это приводит нас к понятию эффективной площади или эффективности антенной системы. Другими словами, наибольшая часть мощности сигнала собирается с центральной части зеркала и уменьшается по направлению к внешним краям антенны. Поэтому слабый раскрыв рефлектора антенны может служить защитой от фонового шума.
Существует множество антенн, часто называемых в честь геометрической формы антенной схемы:
Исследование, описанное в статье про луча антенны, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое луча антенны, диаграмма направленности и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны
Комментарии
Оставить комментарий
Устройства СВЧ и антенны
Термины: Устройства СВЧ и антенны