1.2 Діаграма спрямованості антени

Діаграма спрямованості антени характеризує залежність амплітуди, фази й поляризації ЕМП у дальній зоні антени від напрямку спостереження. Дальня зона обмежена умовою: , де – відстань до точки спостереження, - довжина антени, - довжина хвилі.

Аналітично зазначена залежність записується у вигляді:

(1.1)

де – вектор комплексної амплітуди напруженості електричного поля; С - постійна величина, обумовлена фіксованими значеннями довжини хвилі , параметрами середовища , і фіксованою дальністю до точок спостереження:

, (1.2)

де - функція кутів спостереження , (рис. 1.1), яка має назву векторної комплексної ДС по полю.

Якщо у виділити її модуль, , аргумент та спрямовуючий одиничний вектор , тоді

(1.3)

Функції називаються відповідно амплітудною, фазовою й поляризаційною діаграмами антени.

1.2.1. Амплітудна діаграма спрямованості (АДС) антени - це залежність амплітуди напруженості електричного поля у рівновіддалених від центра випромінюючої системи точках дальної зони від напрямку спостереження (кутів і ).

АДС є основною характеристикою, яка визначає спрямовані властивості антени. Ця залежність визначається тільки конфігурацією антени й розподілом комплексних амплітуд струмів, що протікають у її різних елементах. Фізично це пояснюється тим, що в кожну точку простору Р одночасно, але з деяким фазовим зсувом, обумовленим різницею ходу (рис. 1.2), приходять хвилі від

усіх випромінюючих елементів антени. У підсумку утвориться результуюче (сумарне) поле, величина якого визначається співвідношенням амплітуд і фаз часток (парціальних) полів.

Рис. 1.2

Співвідношення фаз істотно змінюється при зміні кутового положення точки Р щодо антени навіть при незмінній дальності, оскільки зміняються значення :

де - фазовий зсув парціальних полів.

У результаті взаємодії часток полів від всіх випромінюючих елементів антени в просторі утвориться об'ємна інтерференційна картина, конфігурацію якої й описує амплітудна ДС . Вона дає повне уявлення про те, в якому напрямку поля додаються, у якому - частково віднімаються, а в якому - компенсують один одного.

Подавати АДС в абсолютних значеннях незручно, оскільки величина поля залежить не тільки від антени й закону розподілу струмів у ній, але й від потужності, яка підводиться до антени. Це ускладнює порівняння АДС різних антен. Тому на практиці звичайно користуються нормованими діаграмами спрямованості. Нормування здійснюється Відносоно максимального значення ДС:

(1.4)

АДС може бути представлена графічно; при цьому вона має об'ємну форму (рис. 1.3). Об'ємні діаграми спрямованості наочні, але незручні для графічного зображення й експериментального виміру, тому їх звичайно заміняють площинними СН. Площинні діаграми є перетинами об'ємної АДС площинами, що проходять через початок координат і напрямок максимуму випромінювання. Повнота подання об'ємної АДС визначається кількістю перетинів. Найчастіше обмежуються двома взаємно перпендикулярними перетинами, площини яких при лінійній поляризації вибирають так, щоб одна з них збігалася з Е-площиною, а інша - з Н-площиною.

Рис. 1.3.

Плоскі перетини ДС зображують у прямокутній і полярній системах координат (рис. 1.4).

Подання в полярній системі координат більш наочне, але менш точне, особливо зображення дрібних елементів діаграми спрямованості.

Прямокутна система координат Полярна система координат

Рис. 1.4

На графіку АДС, як правило, є кілька "пелюстків". Пелюсток, у якому зосереджений максимум випромінювання, називається головним; пелюсток, спрямований у протилежну сторону (на 180°) - заднім; всі інші пелюстки - бічними (ці пелюстки звичайно є паразитними).

Поряд із АДС по полю дуже часто використовують ДС по потужності , тобто залежність щільності потоку потужності в рівновіддалених від центра антени точках від напрямку випромінювання.

Оскільки щільність потоку потужності й напруженість електричного поля зв'язані квадратичною залежністю, то ДС по потужності є квадратом модуля комплексної функції , тобто

(1.5)

Головний пелюсток діаграми спрямованості має різну форму залежно від призначення антенної системи (для обертової антени РЛС виявлення - діаграма спрямованості широка у вертикальній площині й вузька в горизонтальної, для РЛС точного наведення - ДС голчастого типу, для висотомірів - віялова й т.д.).

1.2.2. Фазова діаграма антени

Фазова діаграма антени - це залежність фази випромінюваного антеною електромагнітного поля від напрямку в просторі при постійній відстані від центра антени до точок спостереження й незмінних умов збудження антени.

Фізично залежність фази від напрямку пояснюється тією же причиною, що й залежність амплітуди, - результатом додавання парціальних полів від всіх елементів антени.

Графічно фазову діаграму (ФД) антени прийнято зображувати у вигляді еквіфазних поверхонь. Эквіфазна поверхня (або фронт хвилі) являє собою поверхню в просторі, у всіх точках якої в цей момент часу фаза поля однакова.

ФД звичайно зображується у вигляді плоских перетинів (рис. 1.5). Січні площини вибирають так само, як і для амплітудної діаграми спрямованості.

Якщо відстань до еквіфазної поверхні при будь-яких кутах і не змінюється, тоді антена випромінює сферичну хвилю (рис. 1.5, а), а центр сфери, має назву фазовим центром і збігається з антеною (точка "0").

На рис. 1.5, б фазовий фронт має трибки, але окремі його ділянки залишаються сферичними, а фазовий центр (ФЦ) знову збігається з антеною. В обох випадках нормаль до фазового фронту вказує напрямок на антену.

Рис. 1.5

На рис. 1.5,в деякі ділянки фазового фронту мають фазовий центр, що збігається з антеною ("0"), а інші (наприклад, 1-2, 3-4) - не співпадають з нею (точка "0'"). Такий фазовий центр називається інтегральним, і нормаль до фронту хвилі вказує напрямок на інтегральний фазовий центр, а не на центр антени. Це має практичне значення, оскільки багато РЛС вимірюють кутові координати цілі щодо напрямку нормалі до фазового фронту хвилі.

1.2.3. Поляризаційна діаграма антени

Під поляризаційною діаграмою антени розуміється залежність поляризації електромагнітного поля від напрямку спостереження.

Поляризацією хвилі називається орієнтація вектора напруженості електричного поля в дальній зоні за період високочастотних коливань.

Якщо орієнтацію вектора визначити напрямком одиничного вектора , тоді , і далі можна розглядати залежність .

Вид поляризації визначається тим, яку фігуру (годограф) описує кінець вектора р за період коливань (рис. 1.6).

Напрямок обертання вектора визначається по хвилі, яка уходить.

Найбільш загальний випадок поляризації - еліптична. Поляризаційний еліпс (рис. 1.6, г) характеризується трьома поляризаційними параметрами: коефіцієнтом еліптичності кутом орієнтації напрямком обертання вектора поляризації.

Рис. 1.6

Коефіцієнт еліптичності - це відношення малої й великої півосей еліпса:

(1.6)

В окремих випадках, коли К_Е=0, поляризація виявляється лінійною, а при К_Е=1 - круговою.

Кут орієнтації еліпса - це кут між великою віссю еліпса й θ-площиною (ортом ),

Напрямку обертання надається знак , якщо воно праворуч (за годинниковою стрілкою), і знак , якщо ліворуч.

Залежність параметрів поляризаційного еліпса від напрямку спостереження називається поляризаційною діаграмою:

Ця залежність найчастіше знімається експериментально й будується в одній площині в прямокутній системі координат.

Поляризація антени має велике практичне значення, оскільки для повного прийому сигналу потрібне повне узгодження поляризацій приймальної й передавальної антен, а для придушення завади - максимальне розходження поляризаційних параметрів завади й антени. Знання поляризаційних властивостей антени дозволяє також оцінити вплив РЛС на ЕМС у групі.