Измерение характеристик антенных устройств. Основные параметры антенн. Вибраторные антенны. Электрический симметричный полуволновый вибратор

ИЗМЕРЕНИЕ   ХАРАКТЕРИСТИК      АНТЕННЫХ  УСТРОЙСТВ

1.КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

1.1 Основные параметры антенн

Амплитудной диаграммой направленности (ДН) F(θ,φ) антенны называется функция, представляющая зависимость амплитуды поля от угловых координат. Вообще говоря, функция F(θ,φ) представляет собой объемную трехмерную фигуру. Для простоты её анализа и графического изображения обычно рассматривают не трехмерную, а две двумерные диаграммы F(θ) и F(φ), представляющие собой сечения объемной фигуры взаимно перпендикулярными плоскостями φ = const и θ = const. Графики функций F(θ) и F(φ) также называют диаграммами направленности. На рис.1 изображена ДН антенны по полю в прямоугольной системе координат.

Амплитудная диаграмма направленности определяется при фиксированном расстоянии r от фазового центра антенны до точки наблюдения и всегда нормируется по отношению к максимуму. Расстояние r должно теоретически стремиться к бесконечности, а практически – превышать расстояние до дальней зоны антенны. ДН антенны состоит из главного лепестка (на рисунке область по θ от –40⁰ до +40⁰) и боковых лепестков.

В соответствии с принципом взаимности ДН антенны одина-ковы при работе её как в качестве передающей, так и в качестве приемной. Это позволяет исследовать ДН антенны либо в режиме передачи, либо в режиме приема.

Кроме ДН по полю F(θ) иногда рассматривается ДН по мощности, представляющая зависимость мощности электромагнитного поля антенны от угловых координат и обозначаемая F²(θ) или Р(θ).

Для количественной оценки ДН вводятся следующие параметры:

1.  ширина главного лепестка по нулям (2θ₀);

2.  ширина главного лепестка по половинной мощности (2θ_0,7);

3.  уровень первого бокового лепестка t.

Для диаграммы на рис.1 ширина по нулям 2θ₀ =80⁰, ширина по половинной мощности 2θ_0,7 = 38⁰. Для диаграммы по полю  F(θ) ширина 2θ_0,7 определяется на уровне 0,707, а для диаграммы по мощности – на уровне 0,5.

Уровень первого бокового лепестка по полю t =0,18, по мощности – t²=0,36.

Значения F(θ)/F_макс и Р(θ)/Р_макс могут отсчитываться как в относительных единицах, так и в децибеллах (дБ). При этом

F(θ)_дБ = 20 lg(F(θ)/F_макс) = 10 lg(Р(θ)/Р_макс).

Коэффициент направленного действия (КНД) – число, показывающее, во сколько раз нужно было бы увеличить мощность, излучаемую изотропным излучателем (ненаправленной антенной), с тем, чтобы в точке приема, расположенной на оси максимального излучения данной антенны, получить такую же интенсивность поля.

Коэффициент усиления(КУ) – число, показывающее, во сколько раз нужно было бы увеличить мощность, подводимую к изотропному излуча-телю, с тем, чтобы в точке приема, расположенной на оси максимального излучения данной антенны, получить такую же интенсивность поля.

Коэффициент усиления равен произведению коэффициента направлен-ного действия на коэффициент полезного действия антенны, равного отношению мощности излучения к мощности, подводимой к антенне.

Входное сопротивление антенны – величина, связывающая напряжение на входных зажимах антенны с протекающим через них током.

1.2.Вибраторные антенны

Электрические вибраторы являются наиболее распространенными антеннами, которые используются самостоятельно или в качестве элементов сложных антенных систем. На практике широко применяются вибраторы длиной в четверть и половину длины волны (рис.2). Симметричный вибратор возбуждается симметричной двухпроводной линией (рис.2а), либо несимметричной линией – коаксиальным кабелем через симметрирующее устройство. Несимметричный вибратор (рис.2б) возбуждается непосредственно коаксиальным кабелем.            

В экваториальной плоскости (плоскости, перпендикулярной оси вибра-тора) антенны не имеют направленности, то есть F(φ) = 1.

В меридиональной плоскости (совпадающей с осью вибратора) нормированная ДН может быть определена по формуле

F(θ) = ,                                (1.1)

где k = 2π/λ – волновое число, 2l – длина антенны. Угол θ отсчитывается от оси вибратора.

Из формулы следует:

1.  для короткого вибратора (2l << λ/2)  F(θ) = sin θ, то есть ДН такая же как у диполя Герца;

2.  для симметричного полуволнового вибратора (2l = λ/2)                                                         F(θ) =  ;                                                                        (1.2)

3.  при 2l > λ/2 в ДН появляются боковые лепестки, при2l > λ главный лепесток расщепляется.

Электрический симметричный полуволновый вибратор имеет КНД =1,64; 2θ_0,7 = 88⁰; R_Σ = 73 Ом.

1.3. Рупорные антенны

На дециметровых и более коротких волнах широкое применение находят рупорные антенны и, в частности, антенны в виде открытого конца прямо-угольного или круглого волновода. Излучатели этого типа используются самостоятельно, а также как облучатели линзовых и зеркальных антенн.