Диаграммы направленности и основные типы антенн
Диаграммы направленности
Антенны излучают энергию во всех направлениях. Однако в большинстве случаев эффективность передачи сигнала для различных направлении неодинакова. Наиболее распространенным способом определения эффективности антенны является диаграмма направленности, которая представляет собой зависимость излучающих свойств антенны от пространственных координат.
Один из наиболее простых типов диаграммы направленности соответствует идеальному случаю так называемой изотропной антенны. Под изотропной антенной понимают точку в пространстве, которая излучает энергию одинаково во всех направлениях. Диаграмма направленности для изотропной антенны представляет собой сферу, центр которой совпадает с положением антенны. Диаграммы направленности антенн представляются как двухмерное поперечное сечение трехмерной диаграммы. Подобная диаграмма для изотропной антенны представлена на рисунке 3.1, а. Расстояние от антенны до любой точки диаграммы направленности прямо пропорционально энергии, которая была излучена антенной в данном направлении. На рисунке 3.1, б представлен еще один идеализированный случай — направленная антенна с одним выделенным направлением излучения (вдоль горизонтальной оси).
Размер диаграммы направленности может быть произвольным. Важно лишь, чтобы в каждом направлении были соблюдены пропорции. Чтобы на основе относительного расстояния определить приведенную мощность в заданном направлении, от точки размещения антенны до пересечения с диаграммой направленности проводят прямую линию под соответствующим
(а) Изотропная антенна (б) Направленная антенна
Рисунок 3.1 - Диаграммы направленности
углом наклона. На рисунок 3.1 для двух антенн сравниваются два угла передачи сигнала (А и Б). Изотропной антенне соответствует ненаправленная круговая диаграмма; векторы А и Б равны по величине.
Ширина луча (также называемая шириной луча по уровню половинной мощности) - это угол, в пределах которого излучаемая мощность составляет не меньше половины мощности, которая излучается в преимущественном направлении. Антенна, используемая для приема сигналов, характеризуется диаграммой приема. Наибольшие секторы такой диаграммы определяют направление, оптимальное для получения сигналов.
Типы антенн
Двумя наиболее простыми примерами антенн являются полуволновой диполь (также называемый вибратором Герца, рисунок 3.2, а) и четвертьволновая вертикальная антенна (антенна Маркони, рисунок 3.2, б).
(а) Полуволновой диполь (б) Четвертьволновая антенна
Рисунок 3.2 - Простейшие антенны
Полуволновой диполь состоит из двух прямых коллинеарных проводников равной длины, разделенных небольшой щелью, на которую подается сигнал. Максимальная эффективность передачи сигнала достигается при длине антенны, равной половине длины волны.
Вертикальная четвертьволновая антенна наиболее часто используется в автомобильных или портативных радиолах.
Полуволновой диполь характеризуется ненаправленной диаграммой излучения в одном измерении трехмерного пространства. В двух других плоскостях диаграмма по форме напоминает цифру «8» (рисунок 3.3).
Вид сбоку(xy-плоскость) Вид сбоку(zy-плоскость) Вид сверху(xz-плоскость)
Рисунок 3.3 - Диаграмма направленности полуволнового диполя
Для излучения направленных сигналов могут использоваться более сложные типы антенн. Распространённый пример диаграммы направленности такой антенны представлен на рисунок 3.4. В данном случае максимум мощности излучается в направлении оси x.
Вид сбоку(xy-плоскость) Вид сбоку(zy-плоскость) Вид сверху(xz-плоскость)
Рисунок 3.4 - Диаграмма направленности направленных сигналов
Параболические отражающие антенны используются широко, в частности, для спутниковой связи, а также в наземных системах СВЧ-связи.
Парабола – это геометрическое место точек, равноудаленных от некоторой фиксированной прямой линии и фиксированной точки, которая не принадлежит этой линии. Упомянутая фиксированная точка называется фокусом; фиксированную линию называют директрисой (рисунок 3.5, а).
В результате обращения параболы вокруг собственной оси получается поверхность, именуемая параболоидом. Поперечное сечение параболоида, проведенное параллельно его оси, является параболой, тогда как при сечении,
(а)Парабола (б)Отражающие свойства параболической антенны
Рисунок 3.5 - Параболическая отражающая антенна
которое перпендикулярно данной оси, образуется окружность. Подобные поверхности используются при создании прожекторов, оптических телескопов и радиотелескопов, а также СВЧ-антенн. Столь широкое их применение объясняется следующим свойством: если источник электромагнитной энергии поместить в фокус параболоида и если поверхность параболоида является отражающей, тогда волны будут отражаться параллельно оси параболоида. На рисунке 3.5 б представлен вид подобного эффекта в поперечном сечении. Теоретически при образовании луча, параллельного оси параболоида, дисперсия отсутствует. Однако на практике дисперсия будет иметь место, поскольку объем источника энергии больше одной точки.
Верно также утверждение, обратное приведённому ранее: если принимаемые волны параллельны оси отражающего параболоида, результирующий сигнал будет сконцентрирован в фокусе.
Поляризация антенн
Важной характеристикой антенны является её поляризация. В системах радиодоступа используют антенны с вертикальной, горизонтальной и круговой (с правым и левым вращением) поляризациями (рисунок 3.6).
Учёт поляризации позволяет получить дополнительные энергетические преимущества при решении задач электромагнитной совместимости, планировании зон обслуживания и т. д. При заполнении определенного пространства радиомодемами до предельного уровня, после которого взаимные радиопомехи начинают мешать нормальной работе сетей, достаточ-
(а) (б)
Рисунок 3.6 - Вертикальная (а) и горизонтальная (б) поляризации
но изменить поляризацию антенн, после чего можно продолжать наращивать радиосеть.
В плоской электромагнитной волне векторы вертикального электрического Eи магнитного H полей в каждый момент времени ориентированы в пространстве определённым образом. Поляризация электромагнитной волны является её пространственно-временнóй характеристикой и определяется видом траектории, описываемой концом вектора электрического поля в фиксированной точке пространства.
При круговой или циклической поляризации электромагнитное поле вращается вокруг оси Х с определенным циклом, или шагом, так, что в разных точках пространства принимает или вертикальную, или горизонтальную поляризацию. Такой вид поляризации сравнительно редко применяется.