Коэффициент направленного действия и диаграмма направ­ленности антенны

Что такое ДН и КНД? Представление диаграмм направленности в горизонтальной и вертикальной и плоскостях. Зависимость характера направленности антенн от их размеров и высоты подвеса

Важнейшей характеристикой любой антенны является свойство направленности, то есть способность не излучать энергию равномерно во все стороны (что во многих случаях является нежелательным), а сконцентрировать её в нужном направлении, повышая тем самым эффективность передающего тракта, а также сокращая количество помех при приёме.

Коэффициент направленного действия (КНД) антенны – это безразмерная (или выраженная в дБ) величина, численно равная отношению квадрата напряжённости поля, создаваемого антенной в заданном направлении, к среднему значению квадрата напряжённости поля по всем направлениям.
Если КНД определяет направленные свойства антенны в численном выражении, то для визуального восприятия этих её способностей вводится ещё одно понятие – диаграмма направленности антенны.

Диаграмма направленности (ДН) антенны – это графическое представление зависимости напряженности поля, создаваемого в заданных условиях конкретной антенной, в зависимости от направления распространения сигнала.
ДН проецирует угловую зависимость интенсивности сигнала, показывая, в каких направлениях антенна работает с максимальной эффективностью, а в каких – её производительность минимальна.

Одним из удобных способов представления диаграммы направленности является её изображение в горизонтальной и вертикальной и плоскостях по отношению к поверхности Земли. Соответственно, в первом случае ДН называется горизон­таль­ной, во втором – вертикальной.

В качестве примера на Рис.1 приведены изображения диаграмм направленности для вертикального четвертьволнового штыря.




Рис.1 Диаграммы направленности четвертьволнового штыря

Формы диаграмм направленности зависят от типа, конструкции антенны, высоты подвеса и прочих условий работы. Рассмотрим самую простую из направленных антенн – полуволновой диполь. Популярность её не вызывает сомнений, ведь именно с ней зачастую сравнивают другие, более сложные конструкции.

Если полуволновой диполь расположен очень высоко (в свободном пространстве), то его диаграмма направленности имеет вид форму восьмерки в горизонтальной плоскости и круга в вертикальной. При установке диполя в реальных условиях, т. е. на некоторой высоте над землей или проводящей поверхностью, вертикальная диаграмма формируется как излучением самой антенны, так и отражением от поверхности земли, поэтому для разных высот подвеса эта диаграмма сильно искажается (Рис.2).




Рис.2 Диаграммы вертикальной направленности полуволнового диполя в зависимости от высоты его подвеса

На Рис.2 приведены диаграммы вертикальной направленности симметричного полуволнового диполя при его подвесе на высотах 0,25...1.5λ, где λ – это длина волны колебаний, излучаемых (или принимаемых) антенной.

Как видно из рисунка, угол максимума излучения радикально зависит от высоты установки антенны.
При высоте подвеса антенны равной 0.25λ большая часть излучения направлена вверх (антенна зенитного излучения), поэтому такая конструкция может быть в основном использована для организации радиосвязи с отражением радиоволн от ионосферы.
При подвесе антенны на высоте 0.5λ над землёй основной лепесток направлен под углом 30° градусов над горизонтом, что уже приемлемо для связей на средних расстояниях.
Если же поднять антенну на высоту, равную λ, то она будет иметь два лепестка в вертикальной плоскости, нижний из которых имеет максимум под углом 15° над горизонтом, что наиболее выгодно при проведении дальних связей.

С другой стороны, при размещении диполя на высотах, превышающих 0.5λ, диаграммы становятся многолепестковыми (возникает несколько нулей и максимумов), причём число лепестков увеличивается с высотой. Это приводит к интерференции противофазных волн, что способствует ощутимому повышению помех и задержек.
Практическое решение для любительской радиосвязи заключается в размещении антенны на высоте 0,4...0,5λ, что позволяет диаграмме иметь приемлемый наклон, сохраняя однолепестковую характеристику.


Что касается диаграммы направленности симметричного диполя в горизонтальной плоскости, то на неё существенно влияет длина вибратора, от которой зависят как распределение тока в антенне, так и ширина ДН и возможность появления в ней дополнительных лепестков (Рис.3).




Рис.3 Диаграммы горизонтальной направленности симметричного диполя в зависимости от длины резонаторов

Как можно увидеть, при увеличении длины вибратора до L = λ направленность антенны возрастает. Дальнейшее увеличение длины диполя свыше λ приводит к интерференции полей и расщеплению диаграммы направленности на множество лепестков, поэтому практического применения они, по большей части, не находят.

Коэффициент направленного действия у самого распространённого полуволнового вибратора равен 1.64, у одноволнового – 2.4.

Короткие диполи, у которых длина резонаторов существенно меньше половины λ, в классическом виде практически не применяются. У таких антенн очень низкое сопротивление излучения и высокое емкостное сопротивление, что делает их неэффективными, т. к. большая часть тока передатчика рассеивается в виде тепла на ненулевом сопротивлении проводников.

И если, подводя итог, упомянуть о работе диполя на приём, то в соответствии с принципом взаимности следует, что диаграммы направленности любой антенны в режимах приёма и передачи полностью совпадают.