Особенности распространения радиоволн. Основные определения и электрические параметры антенн, страница 7

3. Коэффициент усиления антенны

Рассмотрим теперь, как влияют направленные свойства антенны на величину интенсивности сигнала в точке приема.

Пусть в некоторой точке А размещена ненаправленная передающая антенна, которая в удаленной точке В создает сигнал Е₁ (рис. 7). Диаграмма направленности такой антенны в плоскости чертежа будет окружностью. Если сигналы, излучаемые антенной А, будут приниматься только Е точке В, то энергия, излученная во всех иных направлениях, кроме направления на точку В, будет затрачена зря, так как в точку В она не попадет.

Поставив в точке А направленную антенну, ориентированную максимумом излучения на точку В, мы, не меняя мощности передатчика, увеличим сигнал в точке В за счет той энергии, которая раньше бесполезно излучалась в других направлениях.

Таким образом, для корреспондента, находящегося в пункте В, направленная антенна будет обладать усилением по сравнению с ненаправленной антенной.

Поэтому направленные свойства антенн, помимо диаграмм направленности, характеризуются еще одной из двух величин — коэффициентом направленного действия (сокращенно КНД) или коэффициентом усиления (сокращенно К_а).

Коэффициент усиления антенны К_а равен произведению от умножения ее коэффициента направленного действия (КНД) на коэффициент полезного действия (КПД):

К_а = КНД · КПД.

У идеальной антенны, лишенной потерь (КПД = 1), величины К_а и КНД совпадают.

Так как К_а более полно характеризует антенну с энергетической стороны, то им обычно чаще всего и пользуются на практике.

Коэффициент усиления антенны — величина относительная, которая равна квадрату отношения напряженностей полей, создаваемых в точке приема при прочих равных условиях данной антенной и другой антенной, принятой за стандартную. Иначе говоря, коэффициент усиления показывает, во сколько раз нужно уменьшить подводимую мощность, если стандартную антенну заменить данной антенной, сохраняя при этом неизменной интенсивность принимаемого сигнала.

На сверхвысоких частотах в качестве «стандартной» антенны для удобства чаще всего берется так называемый изотропный излучатель, равномерно излучающий во всех направлениях. Пространственная характеристика направленности этой антенны должна иметь вид шара. Однако реально такой антенны не существует. Самая простейшая антенна, применяемая на практике, — полуволновый вибратор — уже обладает направленными свойствами: ее пространственная характеристика направленности имеет вид тора (рис. 8). На этом рисунке показан случай, когда ось вибратора совпадает с осью 0Z.

Из рис. 8, на котором для наглядности изъята одна четверть тора, видно, что диаграмма направленности полуволнового вибратора в плоскости, перпендикулярной его оси (экваториальная плоскость), имеет вид окружности, т. е. вибратор в этой плоскости ненаправленный.

Во всех других плоскостях, проходящих через ось вибратора (через ось OZ), диаграммы направленности имеют вид восьмерки, т. е. в направлении оси вибратора расположен нуль диаграммы направленности.

Расчеты показывают, что по отношению к ненаправленной антенне коэффициент усиления полуволнового вибратора равен G _λ/2 = 1,64.

Заметим, забегая несколько вперед, что коэффициенты усиления многих антенн, применяемых на сверхвысоких частотах, доходят до тысячи и даже нескольких тысяч.

У антенн с незначительными побочными лепестками приближенное значение величины коэффициента усиления антенны может быть вычислено по известным углам раствора главного лепестка диаграммы направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях:

G @ 35000/θ₀ · Ф₀              (5)

где θ₀ и Ф₀ — ширина главного лепестка в градусах между точками половинного значения мощности, измеренная соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях.