СТЗИМОД 7. Основные параметры и показатели качества антенн 1 Введение
 Скачать 1.79 Mb.
|
|
1 ГЛАВА 1 Основные параметры и показатели качества антенн 1.1 Введение Для описания свойств антенны необходимо введение различных парамет- ров. Поскольку некоторые из этих параметров взаимосвязаны, то для полного описания свойств антенны требуется точно определять только основные парамет- ры. Значительная часть определений взята из IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas [IEEE Std 145-1993. Reaffirmed 2004(R2004)], изменённого варианта IEEE Std 145-1983. 1.2 Диаграмма направленности Диаграмма излучения или диаграмма направленности (ДН)определяется как «математическая функция или графическое представление свойств излучения антенны как функции пространственных координат. В большинстве случаев диа- грамма направленности определяется в дальней зоне и представляется как функ- ция координат. Свойства излучения характеризуются плотностью потока мощно- сти, интенсивностью излучения, напряженностью поля, направленностью, фазой и поляризацией». Наибольший интерес представляет двух- или трёхмерное про- странственное распределение излучённой энергии (мощности) как функция от по- ложения точки наблюдения вдоль направления распространения или на поверх- ности постоянного радиуса. Удобный набор координат показан на рисунке 1.1. График амплитуды электрического (магнитного) поля на постоянном расстоянии от антенны называется амплитудной диаграммой направленности по полю. Гра- фик пространственного распределения плотности потока мощности на поверхно- сти постоянного радиуса называется амплитудной диаграммой по мощности. Часто диаграммы по полю и по мощности нормируются на их максимальную ве- личину, в результате чего получают нормированные диаграммы по поля и по 2 Рисунок 1.1 – Система координат для анализа антенны мощности. Стоит отметить, что при изображении диаграммы по мощности часто используют логарифмическую шкалу или, чаще всего, в децибелах (дБ). Такая шкала является удобной, поскольку при помощи логарифмической шкалы проще акцентировать внимание на тех частях диаграммы, которые имеют достаточно низкие значения, которые позже назовём малыми лепестками. Для антенны: a. Диаграмма направленности по полю (при линейной шкале) обычно пред- ставляет собой график величины электрического или магнитного поля как функции пространственных углов. b. Диаграмма направленности по мощности (при линейной шкале) представ- ляет, график квадрата величины электрического или магнитного поля как функции пространственных углов. с. Диаграмма направленности по мощности (в дБ) представляет величину электрического или магнитного поля в децибелах как функцию пространственных углов. 3 Для иллюстрации этого на рисунке 1.2 показаны двумерная нормированная ДН по полю (при линейной шкале, ДН по мощности (пр линейной шкале) и ДН по мощности (при логарифмической шкале - дБ) десятиэлементной линейной антен- ной решётки изотропных элементов с расстоянием между элементами 0.25 d λ = На этой и последующих диаграммах знаки плюс (+) и минус (-) в лепестках сигна- лизируют об относительной поляризации (м.б. фазе) (положительной или отри- цательной) амплитуды между различными лепестками, которая меняется с пе- ресечением нулей. Для нахождения точек, в которых диаграмма имеет половину (- 3 dB) относительно своей максимальной величины, необходимо ввести следую- щие величины: a. диаграммы поля на 0.707 от максимума, как показано на рисунке 2.2(а) b. диаграммы мощности (по линейной шкале) на 0.5 от максимума, как по- казано на рисунке 2.2(b) c. диаграммы мощности (в дБ) на -3 дБ от максимума, как показано на ри- сунке 2.2(с). Все три диаграммы дают одно и то же угловое разделение между двумя точ- ками половинной мощности 38.64 ° на соответствующих диаграммах, называемое HPBW и показанное на рисунке 1.2. Это будет детально рассмотрено в разделе 2.5. На практике, трёхмерная диаграмма измеряется и записывается при помощи набора двумерных диаграмм. Однако, для большинства практических примене- ний, несколько графиков диаграммы дают большинство необходимой и полезной информации как функция от θ для некоторых определённых величин φ , плюс не- которые графики как функции φ для некоторых определённых величин θ . 4 Рисунок 1.2 – Двумерная нормированная диаграмма по полю (при линейной шка- ле), диаграмма по мощности(при линейной шкале), и диаграмма по мощности (в дБ) десятиэлементной линейной антенны с расстоянием между элементами d = 0.25 λ 1.2.1 Лепестки диаграммы направленности Разные части диграммы излучения называются лепестками. Они делятся на большой или главный, малый, боковые и задний лепестки. 5 Лепесток диаграммы излучения – это «часть диаграммы излучения, ограни- ченная областями с относительно низкой интенсивностью излучения». На рисунке 2.3(а) показана симметричная трёхмерная полярная диаграмма с большим Рисунок 2.3 (а) Лепестки диаграммы излучения и ширина лучей амплитудной диа- граммы антенны в полярной форме. (b). Линейный график диаграммы по мощно- сти и связанные с ним лепестки и ширина лучей. количеством лепестков. Некоторые лепестки имеют большую интенсивность из- лучения, чем другие, но всё равно классифицируются как лепестки. На рисунке 6 2.3(b) показана линейная двумерная диаграмма [одна из плоскостей на рисунке 2.3(а)], на которой отображаются те же характеристики диаграммы. Главный лепесток (также называемый главным лучом) имеет следующее оп- ределение: «лепесток диаграммы излучения, содержащий направление макси- мального излучения». На рисунке 2.3 главный лепесток расположен в направле- нии 0 θ = . В некоторых антеннах, таких, как антенны с расщеплённой диаграммой направленности, может существовать больше одного главного лепестка. Малыми лепестками являются все лепестки, кроме главных. На рисунках 2.3(а) и (b) все лепестки за исключением главного могут быть классифицированы как боковые. Боковой лепесток– «лепесток диаграммы излучения, расположенный в любом другом направлении от главного лепестка». (Обычно боковой лепесток является соседним к главному и занимает полусферу в направлении главного луча.) Задний лепесток – «лепесток диаграммы излучения, ось которого составляет с главным лучом антенны угол приблизительно в 180 ° ». Обычно так называют малый лепе- сток, который занимает полусферу в направлении, противоположном главному лепестку. Малые лепестки обычно отображают излучение в нежелаемых направлениях и должны быть минимизированы. Боковыми обычно называются самые большие из малых лепестков. Уровень малых лепестков обычно выражается как отношение плотности мощности в лепестке к плотности мощности в главном лепестке. Это отношение часто называется относительным уровнем боковых лепестков. Уровни боковых лепестков в -20 дБ или меньше обычно нежелательны в большинстве случаев. Достижение уровня боковых лепестков в -30 дБ и меньше обычно требует очень аккуратного проектирования и конструирования. В большинстве радарных систем низкие уровни боковых лепестков очень важны для минимизации появле- ния ложных целей в боковых лепестках. На рисунке 2.4 показана нормализованная трёхмерная амплитудная диаграм- ма поля в дальней зоне десятиэлементной линейной антенной решётки с изотроп- 7 ными элементами с расстоянием между элементами 0.25 d λ = и линейным фазо- вым сдвигом 0.6 β π = − между элементами, построенная по линейной шкале. Рисунок 2.4 – Нормализованная трёхмерная амплитудная диаграмма поля (по ли- нейной шкале) десятиэлементной линейной антенной решётки с однородным рас- стоянием между элементами 0.25 d λ = и фазовым сдвигом 0.6 β π = − между эле- ментами. Очевидно, что эта диаграмма имеет один главный лепесток, пять малых лепестков и один задний лепесток. Уровень бокового лепестка составляет около -9 дБ отно- сительно максимума. Детальное представление антенн может быть найдено в гла- ве 6. Для амплитудной диаграммы антенны будет необходимо только три компо- нента электрического поля ( , , r E E E θ φ ) для каждой точки наблюдения на поверхно- сти сферы постоянного радиуса c r r = , как показано на рисунке 1.1. В поле в даль- ней зоне радиальный компонент r E для всех антенн является нулевым или исче- зающе малым по сравнению с любым из оставшихся двух компонентов (или с ни- 8 ми обоими). Некоторые антенны, в зависимости от их геометрии и расстояния на- блюдения, могут иметь только один, два или все три компонента. В общем, вели- чина общего электрического поля будет 2 2 2 r E E E θ φ = + + E . Круговое рас- стояние на рисунке 2.4 и подобные представляют величину E 1.2.2 Изотропные, направленные и всенаправленные диаграммы Изотропный излучатель определяется как «гипотетическая антенна без по- терь, излучающая равномерно во всех направлениях». Несмотря на то, что он идеален и физически нереализуем, он часто берётся как образец для оценки ос- новных свойств реальных антенн. Направленной называется антенна, которая «имеет свойство принимать или излучать электромагнитные волны в одних на- правлениях более эффективно, чем в других. Этот термин обычно применяется к антеннам, у которых максимальный коэффициент направленности значительно больше чем у полуволновой диполи». Примеры антенн с направленными диа- граммами излучения показаны на рисунках 1.5 и 1.6. Видно, что диаграмма на ри- сунке 1.6 является ненаправленной в азимутальной плоскости ( ) , / 2 f φ θ π = и направленной в плоскости возвышения ( ) , constant g θ φ = .Этот тип диаграммы называется всенаправленной и определяется как «имеющая ненаправленную диа- грамму в заданной плоскости (в этом случае - азимутальной) и направленную диа- грамму в любой ортогональной плоскости (в этом случае – плоскости возвыше- ния)». Всенаправленная диаграмма – частный случай направленной диаграммы. 9 Рисунок 1.5 – Диаграммы в главных Е - и Н -плоскостях для пирамидальной ру- порной антенны Рисунок 1.6 – Диаграмма всенаправленной антенны 10 1.2.3 ДН в главных плоскостях Для линейно поляризованной антенны производительность часто описыва- ется при помощи её диаграмм в главных Е - и Н -плоскостх. Е -плоскость опре- деляется как «плоскость, содержащая вектор электрического поля и направление максимального излучения», Н -плоскость– «плоскость, содержащая вектор маг- нитного поля и направление максимального излучения». Несмотря на то, что дос- таточно непросто проиллюстрировать главные плоскости без рассмотрения кон- кретного примера, ориентирование большинства антенн так, чтобы хотя бы одна из диаграмм в главной плоскости совпадала с одной из геометрических главных плоскостей. Пример показан на рисунке 1.5. Для этого примера, плоскость x z − (плоскость возвышения; 0 φ = ) является главной Е -плоскостью , плоскость x y − (азимутальная плоскость; / 2 θ π = ) - главной Н -плоскостью. Другие ориентации координат могут быть подобраны. Всенаправленная диаграмма на рисунке 1.6 имеет бесконечное число главных Е -плоскостей (плоскости возвышения; c φ φ = ) и одну главную Н - плоскость(азимутальная плоскость; 90 θ = ° ). 1.2.4 Области поля Пространство, окружающее антенну, обычно подразделяется на три области: (а) реактивную ближнюю зону, (b) излучающую ближнюю зону (зону Френеля) и (с) дальнюю зону (зону Фраунгофера) как показано на рисунке 2.7. Эти зоны так названы чтобы обозначать структуру поля в каждой из них. Несмотря на то, что при переходе границ между зонами не происходит никаких резких перемен в кон- фигурации поля, между ними всё-таки существуют различия. Границы, разде- ляющие эти зоны, не являются однозначно определяемыми, однако для опознава- ния зон созданы и являются широко используемыми ряд критериев. 11 Рисунок 1.7 – Зоны поля антенны Реактивная ближняя зона – «часть ближней зоны, непосредственно окру- жающая антенну, в которой преобладает реактивное поле». Для большинства ан- тенн, внешняя граница этой зоны устанавливается на расстоянии 3 0.62 / R D λ < от поверхности антенны, где λ - длина волны, D - наибольший размер антен- ны.«Для очень короткой диполи или эквивалентного излучателя внешняя граница обычно берётся на расстоянии / 2 λ π . Излучающая ближняя зона – «та часть поля антенны между реактивной ближней зоной и дальней зоной, в которой преобладают поля излучения и в кото- рой угловое распространение поля зависит от расстояния от антенны. Если макси- мальное измерение антенны не является большим по отношению к длине волны, эта зона может отсутствовать. Для антенны, сфокусированной на бесконечности, излучающая ближняя зона иногда называется зоной Френеля по аналогии с опти- ческой терминологией. Если общее максимальное измерение антенны очень мало 12 по сравнению с длиной волны, эта зона может отсутствовать». Внутренняя грани- ца этой зоны берётся на расстоянии 3 0.62 / R D λ ≥ , а внешняя - 2 2 / R D λ < , где D - самое большое измерение антенны. Этот критерий базируется на максималь- ной фазовой ошибке в / 8 π . В этой зоне диаграмма поля, по большому счёту, яв- ляется функцией от радиального расстояния, и радиальная компонента поля может быть существенной. Дальняя зона (зона Фраунгофера) определяется как «область поля антенны, где угловое распределение поля, по существу, не зависит от расстояния от антен- ны. Если антенна имеет общее самое большое измерение D , то обычно ближняя граница этой зоны берётся на расстоянии большем, чем 2 2 / D λ , где λ - длина волны. Диаграммы дальнего поля отдельных антенн, таких как многолучевые зер- кальные антенны, чувствительны к изменениям фазы на их апертурах. Для таких антенн 2 2 / D λ может быть недостаточным. В физических средах, если антенна имеет максимальное общее измерение D , которое является большим относитель- но / π γ , то дальняя зона может быть взята на расстоянии приблизительно 2 / D γ π от антенны, где γ - константа распространения в среде. Для антенны, сфокусированной на бесконечность, дальняя зона иногда называется зоной Фраун- гофера по аналогии с оптической терминологией. В этой зоне угловое распростра- нение не зависит от расстояния по радиусу до того места, где проводятся измере- ния. Внутренняя граница берётся на расстоянии по радиусу 2 2 / R D λ = , внешняя – на бесконечности. Амплитудная диаграмма антенны с изменением расстояния наблюдения от реактивной ближней зоны до дальней зоны изменяется по форме из-за изменений величин и фаз полей. На рисунке 1.8 показано типичное изменение формы углово- го распределения поля антенны при увеличении расстояния. 13 Рисунок 2.8 Типичное изменение амплитудной диаграммы антенны от реактивной ближней зоны к дальней зоне (источник: Y. Rahmat-Samii, L. I. Williams, and R. G. Yoccarino, The UCLA Bi-polar Planar-Near-Field Antenna Measurement and Diagnostics Range,” IEEEAntennas&PropagationMagazine, Vol. 37, No. 6,December 1995 c 1995 IEEE). Очевидно, что в реактивной ближней зоне поля диаграмма более распределена и практически однородна с небольшими отклонениями. С продвижением к излу- чающей ближней зоне (Френеля) в диаграмме начинают сглаживаться и формиро- ваться лепестки. В дальней зоне (Фраунгофера) диаграмма хорошо сформирована, обычно состоит из нескольких малых лепестков и одного или более больших ле- пестков. Для иллюстрации изменений диаграммы как функции от расстояния по ра- диусу за ближней границей дальней зоны 2 2 / D λ на рисунке 1.9показаны три диа- граммы параболического отражателя на расстояниях 2 2 2 / , 4 / , R D D λ λ = и на бес- 14 конечности [4]. Видно, что диаграммы практически идентичны за исключением некоторых различий в структуре диаграмм около первого нуля и на уровне ниже 25 дБ. Поскольку бесконечные расстояния на практике не реализуемы, наиболее широко применяемым критерием для минимального расстояния наблюдений в дальней зоне является 2 2 / D λ Рисунок 1.9 – Рассчитанные диаграммы излечения параболоидальной антенны для разных расстояний (источник: J. S. Hollis, T. J. Lyon, and L. Clayton, Jr. (eds.), Mi- crowave Antenna Measurements, Scientific-Atlanta,Inc., July 1970) 15 1.3 Плотность потока мощности излучения Электромагнитные волны используются для передачи информации в бес- проводной среде или по направляющим системам из одной точки в другую. Таким образом естественно предположить, что мощность и энергия связаны с электро- магнитными волнами. Единица измерения мощности, связанной с электромагнит- ной волной, называется мгновенным вектором Пойнтинга: W E H = × (1-3) W = мгновенный вектор Пойнтинга (W/m 2 ) E = мгновенная напряжённость электрического поля (V/m) H = мгновенная напряжённость магнитного поля (A/m) Стоит отметить, что прописные буквы используются для обозначения мгно- венных полей и величин, в то время как латиница используется для представления их комплексных аналогов. Поскольку вектор Пойнтинга – плотность мощности, общая мощность, про- ходящая через ограниченную поверхность, может быть получена интегрировани- ем нормальной компоненты вектора Пойнтинга по всей поверхности. В форме уравнения ˆ P W W S S dS da = ⋅ = ⋅ ∫∫ ∫∫ |