Как найти диаграммы направленности антенны - Исправление недочетов и поиск решений вместе с Examum.ru

Аннотация

Перед тем как перейти к рассмотрению конструкции и работы разного типа антенн, рассмотрим одну из важнейших характеристик антенны – диаграмму направленности и те параметры, которые из нее напрямую вытекают.
Рекомендую, также, ознакомиться с предыдущей статьёй — Ликбез: основы теории по антеннам.

Введение

Антенна, вне зависимости от конструкции, обладает свойством обратимости (может работать как на прием, так и на излучение). Часто в радиорелейных трактах одна и та же антенна может быть подключена одновременно к приемнику и передатчику. Это позволяет излучать и принимать сигнал в одном направлении на разных частотах.

Почти все параметры приемной антенны соответствуют параметрам передающей антенны, но иногда имеют несколько другой физический смысл.

Несмотря на то, что приемная и передающая антенны обладают принципом двойственности, в конструктивном отношении они могут существенно отличаться. Связано это с тем, что передающая антенна должна пропускать через себя значительные мощности для передачи электромагнитного сигнала на большие (максимально возможные) расстояния. Если же антенна работает на прием, то она взаимодействует с полями очень малой напряженности. Вид токопередающей конструкции антенны часто определяет ее конечные габариты.

Пожалуй, основная характеристика любой антенны это диаграмма направленности. Из нее вытекает множество вспомогательных параметров и такие важные энергетические характеристики как коэффициент усиления и коэффициент направленного действия.

Диаграмма направленности

Диаграмма направленности (ДН) – это зависимость напряженности поля, создаваемого антенной на достаточно большом расстоянии, от углов наблюдения в пространстве. В объеме диаграмма направленной антенны может выглядеть так, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1

То, что изображено на рисунке выше также еще называют пространственной диаграммной направленностью, которая является поверхностью объема и может иметь несколько максимумов. Главный максимум, выделенный на рисунке красным цветом, называется главным лепестком диаграммы и соответствует направлению главного излучения (или приема). Соответственно первые минимальные или (реже) нулевые значения напряженности поля вокруг главного лепестка определяют его границу. Все остальные максимальные значения поля называются боковыми лепестками.

На практике встречаются различные антенны, которые могут иметь несколько направлений максимального излучения, или не иметь боковых лепестков вовсе.

Для удобства изображения (и технического применения) ДН их принято рассматривать в двух перпендикулярных плоскостях. Как правило, это плоскости электрического вектора E и магнитного вектора H (которые друг другу в большинстве сред перпендикулярны), рисунок 2.

Рисунок 2

В некоторых случаях ДН рассматривают в вертикальной и горизонтальной плоскостях по отношению к плоскости Земли. Плоские диаграммы изображают полярной или декартовой (прямоугольной) системами координат. В полярных координатах диаграмма более наглядна, и при наложении ее на карту можно получить представление о зоне действия антенны радиостанции, рисунок 3.

Рисунок 3

Представление диаграммы направленности в прямоугольной системе координат более удобно для инженерных расчетов, такое построение чаще применяется для исследования самой структуры диаграммы. Для этого диаграммы строят нормированными, с главным максимумом, приведенным к единице. На рисунке ниже приводится типичная нормированная диаграмма направленности зеркальной антенны.

Рисунок 4

В том случае, когда интенсивность бокового излучения довольно небольшая и в линейном масштабе измерение бокового излучения затруднительно, применяют логарифмический масштаб. Как известно децибелы маленькие значения делают большими, а большие – маленькими, поэтому та же самая диаграмма в логарифмическом масштабе выглядит так, как показано ниже:

Рисунок 5

Из одной только диаграммы направленности можно вытащить довольно большое количество важных для практики характеристик. Исследуем подробнее диаграмму, изображенную выше.

Один из наиболее важных параметров – это ширина главного лепестка по нулевому излучению θ₀ и ширина главного лепестка по уровню половинной мощности θ_0,5. Половина мощности соответствует уровню 3 дБ, или уровню 0,707 по напряженности поля.

Рисунок 6

Из рисунка 6 видно, что ширина главного лепестка по нулевому излучению составляет θ₀ = 5,18 град, а ширина по уровню половины мощности θ_0,5 = 2,15 град.

Также диаграммы оценивают по интенсивности бокового и обратного излучения (мощности боковых и задних лепестков), отсюда вытекает еще два важных параметры антенны – это коэффициент защитного действия, и уровень боковых лепестков.

Коэффициент защитного действия – это отношение напряженности поля, излученного антенной в главном направлении к напряженности поля, излученного в противоположном направлении. Если рассматривают ориентацию главного лепестка диаграммы в направлении на 180 градусов, то обратного – на 0 градусов. Возможны и любые другие направления излучения. Найдем коэффициент защитного действия рассматриваемой диаграммы. Для наглядности изобразим ее в полярной системе координат (рисунок 7):

Рисунок 7

На диаграмме маркерами m1,m2 изображены уровни излучения в обратном и прямом направлениях соответственно. Коэффициент защитного действия определяется как:

— в относительных единицах. То же самое значение в дБ:

Уровень боковых лепестков (УБЛ) принято указывать в дБ, показывая тем самым, насколько уровень бокового излучения слаб по сравнению с уровнем главного лепестка, рисунок 8.

Рисунок 8

УБЛ в районе -18 дБ считается довольно хорошим показателем для высоконаправленной антенны. На рисунке изображены уровни первых боковых лепестков. Аналогично можно указывать также уровни всех последующих, но практической ценности их значение имеет мало, а представляет скорее академический интерес. Дело в том, что первые боковые лепестки находятся как правило «ближе всех остальных» к максимуму диаграммы направленности и могут оказывать помехи. Например, если сопровождение объекта происходит на уровне главного лепестка диаграммы -3дБ, а уровень первого бокового лепестка близок к этому значению (например -5:7 дБ), то велика вероятность начать цеплять объект боковым излучением со всеми вытекающими отсюда последствиями (неправильное позиционирование, потеря объекта и др.). Низкий УБЛ необходим не только для радиолокации, но и для области связи, ведь наличие паразитного излучения это всегда дополнительные помехи.

Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления

Это два немаловажных параметра любой антенной системы, которые напрямую вытекают из определения диаграммы направленности. КНД и КУ часто путают между собой. Перейдем к их рассмотрению.

Коэффициент направленного действия

Коэффициент направленного действия (КНД) – это отношение квадрата напряженности поля, созданного в главном направлении (Е₀²), к среднему значению квадрата напряженности поля по всем направлениям (Е_ср²). Как понятно из определения, КНД характеризует направленные свойства антенны. КНД не учитывает потери, так как определяется по излучаемой мощности. Из сказанного выше можно указать формулу для расчета КНД:

D=E₀²/E_ср²

Если антенна работает на прием, то КНД показывает, во сколько раз улучшится отношение сигнал/шум по мощности, при замене направленной антенны ненаправленной, если помехи приходят равномерно со всех направлений.

Для передающей антенны КНД показывает, во сколько раз нужно уменьшить мощность излучения, если ненаправленную антенну заменить направленной, при сохранении одинаковых напряженностей поля в главном направлении.

КНД абсолютно ненаправленной антенны, очевидно, равно единице. Физически пространственная диаграмма направленности такой антенны выглядит в виде идеальной сферы:

Рисунок 9

Такая антенна одинаково хорошо излучает во всех направлениях, но на практике нереализуема. Поэтому это своего рода математическая абстракция.

Коэффициент усиления

Как уже было сказано выше, КНД не учитывает потери в антенне. Параметр, который характеризует направленные свойства антенны и учитывает потери в ней, называется коэффициентом усиления.

Коэффициент усиления (КУ) G – это отношение квадрата напряженности поля, созданного антенной в главном направлении (Е₀²), к среднему значению квадрата напряженности поля (Е_оэ²), созданного эталонной антенной, при равенстве подводимых к антеннам мощностей. Также отметим, что при определении КУ учитываются КПД эталонной и измеряемой антенны.

Понятие эталонной антенны очень важно в понимании коэффициента усиления, и в разных частотных диапазонах используют разные типы эталонных антенн. В диапазоне длинных/средних волн за эталон принят вертикальный несимметричный вибратор длиной четверть волны (рисунок 10).

Рисунок 10

Для такого эталонного вибратора D_э=3,28, поэтому коэффициент усиления длинноволновой/средневолновой антенны определяется через КНД так: G=D*ŋ/3,28, где ŋ – КПД антенны.

В диапазоне коротких волн в качестве эталонной антенны принимают симметричный полуволновый вибратор, для которого Dэ=1,64, тогда КУ:

G=D*ŋ/1,64

В диапазоне СВЧ (а это почти все современные Wi-Fi, LTE и др. антенны) за эталонный излучатель принят изотропный излучатель, дающий D_э=1, и имеющий пространственную диаграмму, изображенную на рисунке 9.

Коэффициент усиления является определяющим параметром передающих антенн, так как показывает, во сколько раз необходимо уменьшить мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с эталонной, чтобы напряженность поля в главном направлении осталась неизменной.

КНД и КУ в основном выражают в децибелах: 10lgD, 10lgG.

Заключение

Таким образом, мы рассмотрели некоторые полевые характеристики антенны, вытекающие из диаграммы направленности и энергетические характеристики (КНД и КУ). Коэффициент усиления антенны всегда меньше коэффициента направленного действия, так как КУ учитывает потери в антенне. Потери могут возникать из-за отражения мощности обратно в линию питания облучателя, затекания токов за стенки (например, рупора), затенение диаграммы конструктивными частями антенны и др. В реальных антенных системах разница между КНД и КУ может составлять 1.5-2 дБ.

Источник

Диаграмма
направленности параболической
антенны рассчитывается приближенными
методами. Рассмотрим
два из возможных способов расчета
диаграммы.

а)
Расчет диаграммы направленности по
методу, предложенному A.
М.
Моделем
[2] для случая, когда облучатель антенны
выбран в виде
диполя или диполя с рефлектором.

Приближенная
формула, полученная в работе А. М. Моделя,
выведена
с учетом распределения токов на
поверхности зеркала. Сущность
этого способа заключается в следующем:
сначала определяется
плотность тока на поверхности зеркала,
а затем по известному распределению
плотности тока на поверхности зеркала
рассчитывается поле антенны на
большом расстоянии. Получаемые этим
методом формулы
справедливы в пределах небольших углов
излучения и для
зеркал малой кривизны
.
Диаграмма направленности антенны
с облучателем в виде диполя и рефлектора
может быть вычислена по следующей
формуле:

(19)

где

;;

-угол,
образованный осью z
и проекцией на плоскость раскрыва
направления излучения (в горизонтальной
плоскости =90,
в вертикальной плоскости =0),
рис.8.

—
волновое
число

J₀(a);
J₁(a);J₂
(а) — функции Бесселя нулевого, первого
и второго порядка
от аргумента а
(«Таблицы
функций»» Янке
и Эмде, Москва, 1949);


— угол,
образуемый осью х
и
направлением излучения;

R₀
—
радиус раскрыва антенны.

Рис8.
Обозначения при расчете диаграммы
направленности
по формуле (19.).

б)
Расчет диаграммы направленности по
известному закону распределения
поля в раскрыве зеркала.

Облучатели,
чаще всего применяемые на практике,
имеют диаграмму
направленности с круговой симметрией
или асимметрией, которой
можно пренебречь, как указывалось в
разд. 3 гл. III.
Для большинства
облучателей распределение поля в
раскрыве зеркала с
достаточной точностью аппроксимируется
функцией (1—
х²)^p.Поле
на
поверхности раскрыва антенны считается
синфазным. В этом случае
диаграмма направленности антенны по
полю может быть рассчитана по формуле:

(20)

или после
интегрирования

(21)

где
R
– радиус зеркала;

;

-длина
волны;

_p₊₁
(u)
— функция, значения которой имеются в
книге Янке и Эмде

«Таблицы функций»,
Москва, 1949);

р
—
1, 2, 3… — величина, которая находится
при выборе оптимальных
размеров зеркала;


— угол
в рассматриваемой плоскости, отсчитываемый
от оси

антенны.

Множитель
постоянный коэффициент.

Окончательно
выражение диаграммы направленности
зеркала в вертикальной
и горизонтальной плоскостях примет
вид:

(22)

Так
как в таблицах приведены значения
функции _p₊₁
(u)
только
для
аргументов, не превышающих 10, то для
расчета боковых лепестков
диаграммы может быть использована
формула, дающая достаточное
приближение,

(23)

где

или формула,
приведенная в книге А. А. Пистолькорса
«Антенны»,

(24)

где

— угол между осью параболы и направлением
излучения;

R—
радиус
раскрыва;

J₁—
функция Бесселя первого
порядка.

Параметры
диаграммы направленности при распределении
раскрыве
зеркала по закону (1—
х²)^p
приведены в табл. 3.

Таблица
3.

p	Эффективность или коэффициент использования площади	Ширина диаграммы по половине мощности 2 (в радианах)	Положение первого нуля	Отношение амплитуды бокового лепестка к максимальному значению (в дБ)
0	1			-17,6
1	0,75			-24,6
2	0,56			-30,6
3	0,44			—
4	0,36			—

Источник

Лебедев Валентин Павлович
кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института солнечно-земной физики СО РАН

Любая антенна характеризуется своим
коэффициентом усиления и диаграммой
направленности, это очень важные
характеристики. Рассмотрим их более
подробно.

#ТБС #ТехнологииБеспроводнойСвязи #ДиаграммаНаправленности #Антенна

Как вы помните, когда мы разбирали
отношение сигнал-шум и дальность
радиосвязи, в него входила как диаграмма
направленности, так и коэффициент
усиления. Напомню это уравнение:

P_R — это мощность на входе приёмника,
P_T — это излучённая мощность,

G_T — это коэффициент усиления передатчика
в максимуме,
G_R — это коэффициент усиления приёмника,
F

_T (θ,φ) — это диаграмма направленности
передатчика по мощности,
F_R (θ,φ) — это диаграмма направленности приёмника
по мощности,
λ — длина волны.

Рисунок 1

На рисунке 1 антенна передатчика — T (transmitter), к которой подводится некоторая мощность P_T, антенна излучает во всех направлениях, но мы хотим так спроектировать её, чтобы она как можно больше излучала в направлении на приёмник
— F_T(θ,φ).

Приёмная антенна — R (receiver), и мощность P
_R, которую она регистрирует. У этой антенны есть своя диаграмма направленности на приём — F_R(θ,φ), и мы стараемся её также ориентировать так, чтобы она смотрела в сторону приёмной антенны.

R — расстояние между передатчиком и приёмником.

λ = c/f — скорость света делённая на частоту, то есть за секунду у нас укладывается несколько длин волн (f штук), пока свет будет распространяться.

Рисунок 2

Далее речь пойдёт о функциях F_T (θ,φ) и F_R (θ,φ) и коэффициентах усиления G_T и G_R.

Итак, посмотрим от чего зависит диаграмма направленности.

Приёмная антенна преобразует колебания электрического поля в колебания электрического тока, который регистрируется приёмником. И вообще говоря, любая
антенна характеризуется своим
коэффициентом усиления и диаграммой
направленности, это очень важные характеристики, которые входят в уравнение для дальности связи. Глядя на уравнение, мы видим, что принятая мощность прямопропорцанальна этим характеристикам, следовательно, чем больше коэффициент усиления, тем больше
принятый сигнал, и чем больше функция диаграммы направленности, тем больше принятый сигнал. Но максимум функции диаграммы направленности, как правило, нормирован на единицу, то есть диаграмма направленности и передатчика, и приёмника — это
функция максимума, которая нормирована единицу. Поэтому если функция падает в два раза, то и мощность падает в два раза.

Теперь поговорим более подробно об этих функциях, то есть разберёмся с чем они могут быть связаны.

Итак, антенна — это устройство, которое необходимо для того, чтобы преобразовать колебания электрического тока в колебания электромагнитного поля, чтобы энергия могла быть излучена и соответственно принята. Но часто требуется не только излучить энергию
во все стороны, а сконцентрировать её как можно лучше в каком-то определённом направлении.

Антенна — это не только устройство которое позволяет преобразовывать колебания электрического тока в колебания электромагнитного поля, то есть позволяет излучать сигнал, но и вы можете спроектировать антенну так, чтобы она излучала не во все стороны более
или менее равномерно.

Антенна, которая излучает во все стороны одинаково, называется изотропной, её диаграмма направленности представляет собой сферу, но такую антенну построить невозможно по физическим законам.

Но как правило вам нужно сконцентрировать энергию в каком-то определённом направлении. Например, спутниковые антенны, которые можно часто видеть на домах, они являются достаточно узконаправленными антеннами, то есть они энергию достаточно хорошо, плотно
фокусируют в одном направлении. И такие антенны, как правило, обладают узкой диаграммой направленности.

Обратимся к определению диаграммы направленности: это функция, которая зависит от двух переменных — только от углов, от дальности она не зависит и максимум диаграммы направленности нормирован на единицу.

От чего зависит форма диаграммы направленности? Фактически по большому счёту она определяется двумя параметрами: размером антенны и длиной волны.

Рисунок 3

Рассмотрим простой пример (рисунок 3). Пусть есть некоторая антенна длины L, по ней бежит ток, и амплитуда тока постоянна. То есть ток переменный, не постоянный. Если бы ток был постоянный, то антенна не излучала бы. Антенна излучает только в том случае,
когда запитана переменным током. Но предположим, что распределение тока по всей длине антенны равномерно, то есть везде ток одной и той же фазы и амплитуды. Отойдём на некоторое расстояние от антенны. Так как диаграмма направленности антенны
— это функция, которая зависит от двух углов и не зависит от дальности, это значит, что с какого-то момента (так называемая дальняя зона) форма диаграммы направленности не меняется. И эта дальняя зона фактически определяется зоной Френеля.

В предположении, что мы достаточно далеко находимся от антенны, от чего будет зависеть её форма диаграммы направленности?

На рисунке 3 из точки A и B идут два луча, которые где-то очень далеко потихонечку сближаются, а так как синфазное излучение, то из точки A и точки B будет волна одной и той же амплитуды и фазы: на рисунке из обеих точек волны выходят вверх и движутся
синфазно, и в этом случае где-то очень далеко волны складываются синфазно, таким образом друг друга усиливают.

Теперь предположим, что нас интересует направление, которое немножечко отличается от нормального исходного излучения, на какой-то маленький угол . И точно также волна будет излучаться с одной и той же фазой и амплитудой из точки A и B. Но обратите внимание
на один интересный момент: если опустить перпендикуляр из точки B на луч (AA’) из точки A, то мы увидим, что волна из точки A прошла как будто немного большее расстояние, чем волна из точки B, то есть из точки A’ и B волны проходят уже одинаковое
расстояние. Таким образом, так как одна волна проходит дополнительный путь, то обратите внимание, что может случиться такая ситуация, когда волны, находясь в точке A’ и в точке B, окажутся в противофазе. Это означает что дальше в этом направлении
волны будут гасить друг друга и излучаться ничего не будет.

Сейчас на рисунке 3 изображено, что от точки A до точки A’ поместилось полторы длины волны. Это означает и то, что они будут гасить друг друга и в том случае, если разность фаз между ними (разность хода) будет равна λ/2.

Таким образом, получается, что если построить треугольник так (рисунок 4), что из точки B опустить перпендикуляр на луч AA’ в точку, где проходит середина длины волн — λ/2, то есть катет будет равен λ/2, то получаем угол θ, который есть sin θ = λ/2L,
на котором первый раз наблюдается ситуация, когда волны друг друга скомпенсируют.

Рисунок 4. Диаграмма направленности в полярных
координатах.

На рисунке 4 изображен угол θ из центра антенны, чтобы удобней было смотреть. То есть в центральном направлении будет максимум излучения, а в направлении, образованном углом θ, который определяется как sin θ = λ/2L, будет ноль. И образуется лепесток,
как показано на рисунке 4. Это означает, что в направлении под углом θ не излучается ничего, а строго по нормали к антенне излучается максимум. И фактически это является основным лепестком диаграммы направленности. Дальше идут боковые лепестки,
которые образуются с увеличением угла θ, то есть будут ситуации, когда разница хода между лучами будет равна λ, то есть опять сигналы будут излучаться синфазно, и также будут ситуации, когда разность опять равна λ/2, то есть сигнал будет равен
нулю, и так далее . Но мы помним, что с расстоянием мощность падает, причём в точках A и B тоже могут быть какие-то свойства направленности. Поэтому дальше возникают боковые лепестки, которые характеризуют диаграмму направленности F (θ,φ).

На рисунке 4 диаграмма изображена в одной плоскости, но если мы рассмотрим всё тоже самое, но в плоскости перпендикулярной данной, и там отложим угол , то получим полную форму диаграммы направленности в трёхмерном случае.

На рисунке 4 диаграмма нарисована в полярных координатах, но можно представить в декартовых координатах.

Рисунок 5. Диаграмма направленности в декартовых координатах.

Вы видите, что фактически чем больше L (длина антенны), тем больше угол θ, чем меньше длина волны, тем тоже этот угол меньше, но фактически это означает, что наша энергия, которую излучает антенна, фокусируется в основном направлении. А чем меньше угол
θ, тем более выражены направленные свойства у антенны.

Последнее изменение: Saturday, 26 December 2020, 12:29

Источник

Теория радиоволн: антенны

Время на прочтение
4 мин

Количество просмотров 375K

Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.

Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.

Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.

Антенны

Симметричный вибратор

В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.

Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.

Диаграмма направленности симметричного вибратора

В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.

В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:

Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.

Несимметричный вибратор

Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.

Диаграмма направленности следующая:

Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.

Наклонная V-образная

Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V

Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.

Антенна бегущей волны

Также имеет название — антенна наклонный луч.

Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.

Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:

Антенна волновой канал

Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.

Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.

За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:

Рамочная антенна

Направленность — двулепестковая

Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.

Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:

Логопериодическая антенна

Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.

Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:

Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.

Поляризация

Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.

Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.

Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.

При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.

Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.

PS:

Данная статья обрисовывает лишь небольшую часть антенн и не претендует на замену учебнику антенно-фидерных устройств.

Источник

Как измерить диаграмму направленности антенны

29 июля 2020

Ранее в статье Используем спутники для проведения QSO на УКВ упоминалась покупная антенна волновой канал с тремя элементами на 145 МГц и пятью элементами на 435 МГц. Из инструкции к антенне мы можем почерпнуть информацию об ее усилении и диаграмме направленности. Но можно ли проверить, что антенна действительно обладает заявленными свойствами? Вдруг она была собрана неправильно, повреждена во время эксплуатации, или производитель попросту нас дурит? Оказывается, что проверить можно, и сделать это не так уж трудно.

Для эксперимента был использован анализатор спектра Rigol DSA815-TG, некоторое количество кабелей RG58, приемная антенна-диполь RTL-SDR Blog Multipurpose Antenna, самодельный петлевой диполь и испытуемая антенна Уда-Яги. Если нет анализатора спектра, можно воспользоваться рацией на 145 МГц и RTL-SDR. Также для задачи сгодится NanoVNA. Я предпочел использовать анализатор спектра по соображениям удобства. Тестирование производилось только на 145 МГц. С другими частотами, само собой разумеется, принцип будет тот же.

Приемная антенна была установлена на высоте около трех метров от земли в горизонтальной поляризации и настроена по антенному анализатору. Последний не обязательно нужен для эксперимента, но с ним вы получите более точные результаты. Если антенного анализатора нет, вместо него можно использовать анализатор спектра с КСВ-мостом или RTL-SDR с генератором шума и направленным ответвителем. Приемная антенна была подключена к входу анализатора спектра.

Петлевой диполь был установлен на той же высоте примерно в 15 метрах от приемной антенны. В общем случае расстояние между антеннами должно составлять по крайней мере несколько λ. Эта антенна была подключена к выходу следящего генератора. На анализаторе спектра видим следующее:

Желтый график соответствует ситуации, когда антенны смотрят прямо друг на друга, пурпурный — когда петлевой диполь отвернут на 45°, а бирюзовый — когда антенны стоят перпендикулярно друг другу. Как нам известно, петлевой диполь имеет такое же усиление, что и обычный диполь. Следовательно, -36.85 dB соответствуют усилению 0 dBd или 2.15 dBi. С тем же успехом можно использовать обычный диполь или любую другу антенну с известным усилением. «Калибровочная» антенна нужна только для перевода показаний анализатора спектра в dBi.

Снимаем петлевой диполь и ставим на его место волновой канал. Вращаем его в горизонтальной плоскости и записываем показания для разных углов. Я решил сделать 36 измерений с шагом около 10°. Это, пожалуй, минимальный шаг, при котором антенну еще можно более-менее точно поворачивать на глаз.

Что нам теперь делать с этими данными? Для начала вычислим усиление в dBi для угла 0°. У меня оно получилось:

>>> 36.85-31.42+2.15
7.58

Производитель обещает 9.5 dBi, но это в свободном пространстве. Модель антенны в cocoaNEC подсказывает, что в трех метрах от средней земли диаграмма направленности выглядит как-то так:

При этом усиление под углами 2-3° как раз составляет около 7.7 dBi. Вроде, сходится.

Для графического представления собранных данных и сравнения их с моделью были использованы Python и Matplotlib:

#!/usr/bin/env python3 -u
# vim: set ai et ts=4 sw=4:

from math import pi
import matplotlib.pyplot as plt
import csv

def load_data(fname):
xs, ys = [], []
with open(fname, newline = ») as f:
for row in csv.reader(f, delimiter = ‘,’, quotechar = ‘»‘):
xs += [ 2*pi*float(row[0])/360 ]
ys += [ float(row[1]) ]
max_y = max(ys)
ys = [ y — max_y for y in ys ]
return xs, ys

xs, ys = load_data(‘data/raw-data.csv’)
model_xs, model_ys = load_data(‘data/model-data.csv’)

dpi = 80
fig = plt.figure(dpi = dpi, figsize = (512 / dpi, 384 / dpi) )

ax = plt.subplot(111, projection=‘polar’)
ax.set_theta_offset(2*pi*90/360)
ax.plot(xs, ys, linestyle = ‘solid’, linewidth=3)
ax.plot(model_xs, model_ys, linestyle=‘dashed’, color=‘red’)
ax.set_rmax(0)
ax.set_rticks([—6*i for i in range(0,7)])
ax.set_yticklabels([»] + [str(—6*i) for i in range(1,7)])
ax.set_rlabel_position(0)
ax.set_thetagrids(range(0, 360, 15))
ax.set_theta_direction(—1)
ax.grid(True)

fig.savefig(‘measured-vs-model.png’)

Скрипт выдает такую картинку:

Синяя сплошная линия — это результаты измерений, а красная пунктирная — результаты моделирования в cocoaNEC. Синий график, конечно, вышел кривоватым. Это объясняется тем, что измерения проводились на дачном участке, где имеются посторонние металлические предметы. Что куда отражается и в какой фазе складывается, предсказать невозможно.

С учетом вышесказанного, измерения очень даже неплохо сошлись с теорией. Результаты можно существенно улучшить, если производить измерения в чистом поле. А если обзавестись поворотным устройством, обеспечивающим точность поворота хотя бы 5°, то наверняка удастся разглядеть на ДН и боковые лепестки.

Такой вот занимательный эксперимент получился. Сырые данные, а также все использованные модели и скрипты, вы найдете в этом репозитории на GitHub. Как обычно, буду рад любым вашим вопросам и дополнениям.

Дополнение: Вас также может заинтересовать пост Моделирование антенн на Python при помощи PyNEC.

Метки: Python, Антенны, Беспроводная связь, Любительское радио.

Источник