Диаграмма направленности антенны и распределение поля в ее раскрыве

Напряженность электрического поля Е() обусловленная излучением антенны, является функцией амплитуды и фазы распределения поля в раскрыве. Можно определить Е (), произведя векторное сложение составляющих, обусловленных различными элементами поля в раскрыве. Математическое суммирование всех составляющих, обусловленных элементами поля в раскрыве, дает напряженность поля в интегральном выражении. В общем случае вычислить этот интеграл невозможно. Однако можно получить приближенное решение, разбив пространство у раскрыва антенны на три зоны, определяемые математическими приближенными соотношениями. Границы между этими тремя зонами не являются четко выраженными, так как зоны переходят одна в другую.

Зона, находящаяся в непосредственной близости к раскрыву, назы­вается ближней зоной. Протяженность ее (считая от раскрыва) составляет несколько диаметров антенны.

За ближней зоной находится так называемая зона Френеля. В зоне Френеля лучи, идущие от излучающего раскрыва к точке наблюдения, непараллельны между собой и диаграмма направленности антенны изменяется с расстоянием. Наиболее удаленная от раскрыва зона называется зоной Фраунгофера, или дальней зоной. В зоне Фраунгофера расстояние между источником излучения и точкой наблюдения достаточно велико, и поэтому можно считать, что лучи, выходящие из раскрыва, параллельны между собой у цели (точки наблюдения). Граничное расстояние R_F между зонами Френеля и Фраунгофера обычно принимается равным R_F = D² / или R_F = 2D²/, где D —диа­метр раскрыва и  — длина волны, причем D и  выражаются в одних и тех же единицах. На расстоянии, определяемом D² /, усиление равно­мерно облучаемой антенны составляет 0,94 усиления зоны Фраунгофера в бесконечности. На расстоянии D² / усиление равно 0,99 усиления в бесконечности.

График напряженности электрического поля | Е (0, )| называется диаграммой напряженности поля антенны. График квадрата напряжен­ности поля | Е (0, )|² представляет диаграмму направленности антенны по мощности Р (0, ). В зоне Фраунгофера интеграл напряженности электрического поля, выраженный через распределение тока на поверхности антенны, опреде­ляется формулами преобразования Фурье.

Ниже с помощью уравнения (11) рассчитывается диаграмма напра­вленности антенны при различных одномерных распределениях поля в раскрыве. Принимается, что распределение фаз по раскрыву является постоянным и необходимо лишь учесть влияние распределения амплитуд.

Обратное преобразование Фурье позволяет определить напряжен­ность электрического поля при известном распределении фаз и амплитуд в раскрыве антенны. Раскрыв определяется как проекция антенны на пло­скость, перпендикулярную к направлению распространения волны. При этом тип антенны (антенна с отражателем, линзовая антенна или антенная решетка) не имеет значения.

Лекция №3 Антенно-фидерные устройства их разновидности и групповые признаки Антенны можно подразделять на группы по разным признакам:

по форме - на электри­ческие или магнитные,

по виду поляриза­ции - на антенны горизонтальной, верти­кальной или круговой поляризации,

по ширине частотного диапазона - на узкопо­лосные и широкополосные,

по частотным свойствам - на резонансные и апериоди­ческие,

по направлению излучения - на направленные и ненаправленные.

По способу возбуждения и усиления ан­тенны делятся на четыре категории:

• простые излучатели (рис. 1);

• групповые излучатели;

• излучающие структуры;

• апертурные излучатели.

Такая классификация не всегда оказы­вается однозначной. Между отдельными категориями нередко наблюдаются пересе­чения.

Рис. 1. Простые излучатели: а - вибратор Герца; б - вибратор; в - конический вибратор; г - дисконусная антенна; д- монополь; е - коническая антенна; ж - однопроводная антенна бегущей волны (антенна Бевереджа); з - уголковый вибратор; и - антенна «взмах крыла»; к - чашечный излучатель; л - петлевая антенна; м - петлевой вибратор; н - квадратная рамочная антенна; о - щелевая антенна; п - трубчато-щелевая антенна.

Элементы излучателей

Излучатели состоят из отдельных элемен­тов. К их числу относят простейшие излучатели и антенны: линейные, фигурные, рамочные, щелевые и активные.

Простейшие излучатели

К этому типу принадлежат:

• сферический излучатель, называемый так­же изотропной антенной. Представляет собой антенну без потерь, равномерно из­лучающую во все стороны или принима­ющую со всех направлений. Диаграммой направленности антенны является сфера. Такая антенна трудно осуществима, но ис­пользуется как теоретический эталон;

• диполь Герца. Излучатель носит имя не­мецкого физика Г. Р. Герца (1857-1894); его называют также элементарным элек­трическим излучателем или элементар­ным электрическим вибратором. Для ре­ализации диполя используется вибратор с концевыми емкостями, укороченный относительно длины волны излучения. По сравнению с изотропным излучате­лем он обладает направленностью, пер­пендикулярной оси вибратора. Диаграмма направленности имеет вид двух окружно­стей с нулевыми значениями в направле­ниях оси диполя;

• диполь Фитцджеральда. Назван в честь ирландского физика Ф. Дж. Фитцдже­ральда. Он также известен, как элементарный магнитный излучатель, или элементарный магнитный вибратор. Реализуется в виде токовой рамки, размер которой меньше длины волны. В отличие от изотропного излучателя характеризу­ется направленностью, соответствующей плоскости рамки. Диаграмма направлен­ности состоит из двух окружностей с дву­мя нулевыми значениями в направлениях, перпендикулярных плоскости рамки;

- излучатель Гюйгенса. Носит имя нидерлан­дского физика X. Гюйгенса и представляет собой сочетание неболь­шой рамки (магнитная часть) и короткого вибратора в ее плоскости (электрическая часть). Такое устройство применяется для определения направления при радиопе­ленгации. Диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плос­костях выглядят как кардиоиды и имеют одну нулевую точку.