Что такое диаграмма направленности антенны

Основы антенн: диаграмма направленности, диэлектрическая и магнитная проницаемости, коэффициенты направленного действия и усиления

Основы антенн

Во второй части серии «Основы антенн» мы рассмотрим физику антенн, которую мы используем каждый день, включая информацию о диэлектрической проницаемости, усилении, направленности и многом другом.

Антенны передают информацию между точками путем изменения электромагнитных полей в одном месте и детектирования изменений электромагнитных полей в другом месте. Чтобы понять, как антенны могут передавать информацию на всё более удаленные места, вы должны сначала понять физику, которая регулирует их работу.

Обзор

«Введение в основы антенн» предоставляет первую часть информации о фундаментальной физике, необходимой для понимания, как антенны передают и принимают информацию. Данная статья расширит представления предыдущей статьи, чтобы добавить понятия диаграммы излучения в ближнем и дальнем поле, диэлектрической проницаемости, направленности и усилении.

Что происходит в проводнике антенны?

Представьте генератор синусоидального сигнала, подключенный к проводу и создающий изменяющуюся во времени разность потенциалов, приложенную к проводу. Из-за приложенной разности потенциалов носители заряда внутри провода будут передвигаться. Изменение амплитуды и полярности разности потенциалов, создаваемой генератором синусоидального сигнала, заставляет электроны постоянно ускоряться, замедляться и изменять направление движения вдоль провода.

Демонстрационное видео выше показывает моделирование излучающего заряда из Университета Колорадо. Вы можете попробовать это моделирование здесь.

Сначала генератор синусоидального сигнала перемещает заряды в одном направлении, создавая электрические и магнитные поля, которые увеличиваются по мере роста напряжения. Эти поля постоянно меняются, и эти изменения полей распространяются от антенны со скоростью света – быстро, но предел всё-таки есть.

По мере продолжения периода синусоиды генератора напряжение уменьшается, и величины магнитного и электрического полей так же уменьшаются. Когда генератор синусоиды меняет полярность, а затем увеличивает величину напряжения, носители заряда замедляются, меняют направление движения и ускоряются. Это изменяет полярность электрического и магнитного полей.

Недавно излученные в предыдущем полупериоде поля и поля из текущего полупериода создают чередующиеся крайние точки в напряженностях полей, которые распространяются от антенны.

Излучение, создаваемое диполем Герца

Присутствие в проводе носителей заряда создает электрическое поле, которое исходит от провода; движение носителей заряда создает магнитное поле, которое окружает провод; а ускорение носителей заряда создает электромагнитные волны, которые распространяются от провода.

Я настоятельно рекомендую вам взглянуть на превосходный видеоплейлист от доктора Джона Белчера из MIT, который лучше иллюстрирует изменения линий полей.

Область, близкая к антенне, d ≪ λ, называется областью ближнего поля, и в ней доминируют магнитные поля. Переходная зона находится на расстоянии от одной до двух длин волн; а дальше расположена область дальнего поля, d > 2λ, где электрическое поле становится более размеренным и доминирующим.

Большинство антенн работают в дальней зоне и передают информацию на большие расстояния с помощью изменяющихся магнитных полей. Антенны ближней зоны, которые используют сильные магнитные поля в области, близкой к антенне, становятся все более популярными, хотя дальность связи ближнего поля ограничивается несколькими длинами волн.

Даже притом, что радиопередатчики, какие как nRF24 и Bluetooth-устройства, имеют ограниченную дальность связи, они всё еще используют связь в дальней зоне – информацию передает электрическое поле. RFID-метки и NFC-метки имеют очень маленькую дальность связи и используют связь в ближней зоне (т.е. доминирующее магнитное поле).

Диаграммы направленности

Анимация выше показывает контуры постоянной плотности мощности излучения, распространяющегося со временем от антенны и отслеживаемого в плоскости, в которой вертикально расположена дипольная антенна. Это двумерный срез трехмерной диаграммы направленности излучения.

Как правило, чтобы показать диаграмму направленности излучения в дальней зоне, из-за сложности прослеживается только один контур (линия или поверхность равных значений) вокруг антенны. Контурные поверхности сосредоточены вокруг антенны, а контурные линии центрированы на взаимно перпендикулярных плоскостях, которые пересекают антенну, часто через линию симметрии. Диполь Герца выше передает в вертикальном направлении очень мало энергии, что близко к нулю.

Трехмерные диаграммы направленности излучения, проецируемые (как двумерные диаграммы) на плоскость с декартовой системой координат. Основаны на модели из Mathematica, которую найти можно здесь

Для получения различных диаграмм направленности разрабатываются различные конструкции антенн. Сложность диаграммы зависит от конструкции антенны.

Технические описания антенн иногда поставляются с трехмерными проекциями диаграмм направленности. Но чаще всего мы видим двумерные графики и должны сами представить себе, как выглядит трехмерная модель диаграммы направленности.

Представление диаграммы направленности антенны Яги в полярных и декартовых системах координат

Диэлектрическая и магнитная проницаемости

Диэлектрическая проницаемость

Майкл Фарадей заметил, что, когда диэлектрики (изоляторы) помещаются в зазор между параллельно расположенными пластинами конденсатора, емкость увеличивается. Это явление связано с поляризацией зарядов внутри диэлектрической среды.

Диэлектрическая проницаемость является мерой того, насколько легко эти заряды могут выстраиваться (поляризация) в присутствии электрического поля. Более высокая диэлектрическая проницаемость указывает на большую устойчивость к формированию электрического поля, а также на более медленное распространение в среде возмущений.

Материал с высокой диэлектрической проницаемостью, окруженный материалом с низкой диэлектрической проницаемостью, не будет влиять на частоту колебаний, но материал с высокой диэлектрической проницаемостью уменьшит скорость распространения волны. Если вспомнить, что скорость волны равна произведению частоты на длину волны, то мы можем увидеть, что, если частота остается постоянной, то уменьшение скорости должно сопровождаться соответствующим уменьшением длины волны. Когда волна выходит из материала с высокой диэлектрической проницаемостью, скорость и длина волны увеличиваются.

Когда антенна встроена в материал с высокой диэлектрической проницаемостью, размеры антенны могут быть уменьшены в соответствии с уменьшение длины волны электромагнитных волн в непосредственной близости от антенны.

Некоторые ранние GPS антенны (f = 1,56 ГГц) были размером 60 мм на 66 мм и толщиной в несколько миллиметров, плюс схема приемника дополнительно увеличивала размер устройства. Благодаря одновременному использованию технологий, уменьшающих размеры схем, и микрополосковых антенн последнего поколения, встроенных в материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, GPS устройства, включающие в себя антенну и приемник, могут быть произведены в корпусе размером 4 мм на 4 мм и толщиной 2,1 мм.

Похожие технологии используются и в мобильных телефонах, где резонансные антенны существенно меньше длины волны, которая распространяется в воздухе.

При переходе волны между материалами с разной диэлектрической проницаемостью энергия отражается. Если волна движется из материала с низкой диэлектрической проницаемостью (т.е. с высокой скоростью распространения) в материал с высокой диэлектрической проницаемостью (т.е. с низкой скоростью распространения), волна будет подвергаться инверсии (то есть сдвигу фазы на 180 градусов). Отраженные волны могут взаимодействовать с новыми приходящими волнами, создавая различные модели интерференции (смотрите Введение в основы антенн).

Переход волны от высокой скорости к низкой скорости Переход волны от низкой скорости к высокой скорости

Магнитная проницаемость

Магнитная проницаемость – это способность материала накапливать энергию в магнитных полях. Напомним, что сигналы излучаются антеннами в виде электромагнитного излучения – в процессе участвуют и электрическое, и магнитные поля. Таким образом, не будет сюрпризом то, что магнитная проницаемость, как и диэлектрическая проницаемость, влияет на распространение электромагнитных волн. И диэлектрическая, и магнитная проницаемости дают в результате уменьшение скорости волны и уменьшение длины волны.

Контурная антенна на ферритовом стержне имеет две обмотки для приема сигналов с амплитудной модуляцией на средних и длинных волнах

Чтобы закрепить идею о том, что диэлектрическая и магнитная проницаемости влияют на скорость (и длину волны) электромагнитного излучения, мы можем рассмотреть «скорость света», которая на самом деле является скоростью не только света, но и электромагнитного излучения в целом. Скорость света в вакууме – самая высокая скорость во вселенной, обозначается, как C, и рассчитывается с использованием диэлектрической и магнитной проницаемостей свободного пространства:

Направленность, эффективность и усиление

Изотропные антенны являются теоретическими точечными источниками, которые излучаются электромагнитную энергию одинаково во всех направлениях. Общая излучаемая мощность определяется путем интегрирования потока мощности на поверхности сферы радиусом r, которая окружает антенну. \(\text<Площадь поверхности>=4\pi r^2\)

Интеграл представляет собой теоретическую полную излучаемую мощность. По мере удаления от источника площадь поверхности интегрирующей сферы увеличивается пропорционально квадрату радиуса сферы. Энергия от изотропных излучателей рассеивается равномерно для покрытия этой увеличивающейся площади, и, таким образом, плотность потока электромагнитной мощности уменьшается пропорционально квадрату расстояния от излучателя.

Поскольку плотность мощности изотропного излучателя уменьшается быстро по мере увеличения расстояния, разработчики при создании реальных антенн манипулируют направлением излучения энергии так, чтобы увеличить плотность мощности в нужных направлениях и уменьшить ее в остальных направлениях.

Коэффициент направленного действия (КНД, или просто направленность) – это отношение плотности мощности физической антенны в наиболее концентрированном направлении к плотности мощности теоретического изотропного излучателя при том же уровне полной излучаемой мощности.

Коэффициент направленного действия (КНД) выражается как обычное число, представляющее собой безразмерный коэффициент или значение в децибелах; и чем больше его значение, тем сильнее сфокусирован луч. Антенна, которая излучает одинаково во всех направлениях, обладает коэффициентом направленного действия, равным 1 (0 дБ). Диполь Герца, представленный ранее, из-за недостатка энергии, передаваемой в z-направлении, обладает КНД, равным 1,5 (1,76 дБ).

В зависимости области применения используются антенны с разной направленностью:

Параболические антенны (например, те, которые используются для приема спутникового телевидения) обладают коэффициентом усиления (КУ), равным 37,5 дБ. Коэффициент усиления антенны включает в себя коэффициент направленного действия (КНД) и коэффициент полезного действия (КПД) антенны.

Коэффициент полезного действия рассчитывается исходя из фактических потерь конкретной конструкции антенны из-за производственных дефектов, потерь поверхностного покрытия, несоответствия импеданса (волнового сопротивления) и других факторов. В то время как коэффициент направленного действия всегда больше или равен 1 (0 дБ), коэффициент усиления антенны может быть меньше 1 (0 дБ).

Рефлекторы (отражатели)

Диаграмма направленности излучения антенны дает нам информацию о ее способностях приема и передачи в различных направлениях. Диаграмма направленности излучения может быть сформирована путем добавления направляющих элементов (директоров) спереди антенны и отражающих элементов (рефлекторов) позади ее.

Рефлекторы перенаправляют энергию, которая излучалась бы антенной в обратном направлении, таким образом, что она распространяется в прямом направлении.

Диаграмма направленности. Прямое направление соответствует 0°

Пример рефлектора антенны можно ужидеть на следующей фотографии космического аппарата Voyager.

Voyager и антенна Кассегрена

При приеме она захватывает энергию с большой площади и отражает ее в сторону приемного элемента. При передаче она концентрирует электромагнитное излучение вдоль центральной оси. Усиление, обеспечиваемое подобными антеннами, способствует успешной передаче информации на очень большие расстояния.

Телевизионные УВЧ антенны обладают отражающими элементами на дальней стороне дипольного приемного элемента; они собирают и отражают (в сторону приемного элемента) радиоволны, которые в противном случае прошли бы мимо.

УВЧ антенна с четырьмя рефлекторами (на фотографии слева)

Директоры

Как и отражающие элементы, направляющие элементы добавляются в антенны для формирования диаграммы направленности излучения. Их длины и расстояние между ними выбираются таким образом, чтобы они поглощали энергию и переизлучали ее синфазно с волнами, распространяющимися непосредственно к приемному элементу или непосредственно от передающего элемента. Это создает конструктивную интерференцию, которая используется только в прямом направлении антенны; волны, которые поступают с других сторон, поглощаются и переизлучаются не синфазно, что приводит к разрушающей интерференции.

Директоры в телевизионной УВЧ антенне

Заключение

Надеюсь, что эта статья и предыдущая в данной серии помогли вам лучше понять, как работают антенны, и что представляют их характеристики. Оставляйте комментарии!

Источник

Ликбез по антеннам: диаграмма направленности

Аннотация

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.

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.

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.

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.

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:

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.

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):

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.

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 (Е₀ 2 ), к среднему значению квадрата напряженности поля по всем направлениям (Е_ср 2 ). 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:

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:

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 (Е₀ 2 ), к среднему значению квадрата напряженности поля (Е_оэ 2 ), 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).

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

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