Фазовая диаграмма направленности. Понятие о фазовом центре антенны. Способы уменьшения уровня боковых лепестков в системах излучателей Вывод выражения для дн лар

Ширина главного лепестка и уровень боковых лепестков

Ширина ДН (главного лепестка) определяет степень концентрации излучаемой электромагнитной энергии. Ширина ДН - это угол между двумя направлениями в пределах главного лепестка, в которых амплитуда напряжённости электромагнитного поля составляет уровень 0,707 от максимального значения (или уровень 0,5 от максимального значения по плотности мощности). Ширина ДН обозначается так:

2и - это ширина ДН по мощности на уровне 0,5;

2и - ширина ДН по напряжённости на уровне 0,707.

Индексом Е или Н обозначают ширину ДН в соответствующей плоскости: 2и, 2и. Уровню 0,5 по мощности соответствует уровень 0,707 по напряжённости поля или уровень - 3 дБ в логарифмическом масштабе:

Экспериментально ширину ДН удобно определять по графику, например, как это показано на рисунке 11.

Рисунок 11

Уровень боковых лепестков ДН определяет степень побочного излучения антенной электромагнитного поля. Он влияет на качество электромагнитной совместимости с ближайшими радиоэлектронными системами.

Относительный уровень бокового лепестка - это отношение амплитуды напряжённости поля в направлении максимума первого бокового лепестка к амплитуде напряжённости поля в направлении максимума главного лепестка (рисунок 12):

Рисунок 12

Выражается этот уровень в абсолютных единицах, либо в децибелах:

Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления передающей антенны

Коэффициент направленного действия (КНД) количественно характеризует направленные свойства реальной антенны по сравнению с эталонной ненаправленной (изотропной) с ДН в виде сферы:

КНД - это число, показывающее, во сколько раз плотность потока мощности П (и, ц) реальной (направленной) антенны больше плотности потока мощности П(и, ц) эталонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же удалении при условии, что мощности излучения антенн одинаковы:

С учётом (25) можно получить:

Коэффициент усиления (КУ) антенны - это параметр, который учитывает не только фокусирующие свойства антенны, но и её возможности по преобразованию одного вида энергии в другой.

КУ - это число, показывающее, во сколько раз плотность потока мощности П (и, ц) реальной (направленной) антенны больше плотности потока мощности ПЭ (и, ц) эталонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же удалении при условии, что мощности, подведённые к антеннам, одинаковы.

Коэффициент усиления можно выразить через КНД:

где - коэффициент полезного действия антенны. На практике используют - коэффициент усиления антенны в направлении максимального излучения.

Фазовая диаграмма направленности. Понятие о фазовом центре антенны

Фазовая диаграмма направленности - это зависимость фазы электромагнитного поля, излучаемого антенной, от угловых координат.

Так как в дальней зоне антенны векторы поля Е и Н синфазны, то и фазовая ДН в одинаковой степени относится к электрической и магнитной составляющей ЭМП, излучаемого антенной. Обозначается фазовая ДН следующим образом: Ш = Ш (и, ц) при r = const.

Если Ш (и, ц) = const при r = const, то это означает, что антенна формирует фазовый фронт волны в виде сферы. Центр этой сферы, в котором находится начало системы координат, называют фазовым центром антенны (ФЦА). Следует отметить, что фазовый центр имеют не все антенны.

У антенн, имеющих фазовый центр и многолепестковую амплитудную ДН с чёткими нулями между ними, фаза поля в соседних лепестках отличается на р (180°). Взаимосвязь между амплитудной и фазовой диаграммами направленности одной и той же антенны иллюстрируется на рисунке 13.

Рисунок 13 - Амплитудная и фазовая ДН

Направление распространения ЭМВ и положение её фазового фронта в каждой точке пространства взаимно перпендикулярны.

Снижение уровня боковых лепестков зеркальных антенн методом позиционирования металлических полосок в раскрыве

Акики Д, Биайнех В., Нассар Е., Хармуш А,

Университет "Нотр-Дам", г. Триполи, Ливан

Введение

В мире повышающейся мобильности нарастает потребность для людей в взаимоконтактах и доступе к информации независимо от места расположения информации или индивидуума. Из этих соображений невозможно отрицать, что телекоммуникации, а именно, передача сигналов на расстояние, является насущной необходимостью. Требования для беспроводных систем связи к их совершенству и вездесущности ведут к тому, что необходима разработка все более эффективных систем. При улучшении системы основным начальным шагом является улучшение антенн, которые являются основным элементом современных и будущих систем беспроводной связи. На данном этапе под улучшением качества параметров антенны будем понимать снижение уровня ее боковых лепестков ее диаграммы направленности. Снижение уровня боковых лепестков, естественно, не должно влиять на главный лепесток диаграммы. Снижение уровня бокового лепестка желательно потому, что для антенн, используемых в качестве приемных, боковые лепестки делают систему более уязвимой для посторонних сигналов. В передающих антеннах боковые лепестки снижают защищенность информации, так как сигнал может быть принят нежелательной приемной стороной. Основной трудностью является то, что чем выше уровень боковых лепестков, тем выше вероятность взаимовлияния в направлении бокового лепестка с наибольшим уровнем. Кроме того, повышение уровня боковых лепестков означает, что мощность сигнала рассеивается бесполезно. Выполнено много исследований (см., например, ), но целью данной статьи является рассмотрение метода "позиционирования полосок", который проявил себя, как простой, эффективный и обладающий низкой стоимостью. Любая параболическая антенна

может быть разработана или даже модифицирована с помощью этого метода (рис. 1) для снижения взаимовлияния между антеннами.

Однако проводящие полоски должны быть очень точно расположены, чтобы достичь снижения уровня боковых лепестков. В этой статье метод "позиционирования полосок" протестирован с помощью эксперимента.

Описание задачи

Задача формулируется следующим образом. Для конкретной параболической антенны (рис. 1) требуется снизить уровень первого бокового лепестка. Диаграмма направленности антенны есть не что иное, как Фурье-преобразование функции возбуждения апертуры антенны.

На рис. 2 показаны две диаграммы параболической антенны - без полосок (сплошная линия) и с полосками (линия изображенная знаками *), иллюстрирующие тот факт, что при использовании полосок уровень первого бокового лепестка понижается, однако при этом понижается и уровень главного лепестка, а также изменяется уровень остальных лепестков. Это показывает, что положение полосок является очень критичным. Необходимо располагать полоски таким образом, чтобы ширина главного лепестка по половинной мощности или коэффициент усиления антенны заметно не изменялись. Уровень заднего лепестка тоже не должен заметно меняться. Возрастание уровня остальных лепестков не столь существенно, поскольку уровень этих лепестков обычно значительно проще снизить, чем уровень первых боковых лепестков. Однако указанное возрастание должно быть умеренным. Будем помнить также, что рис. 2 является иллюстративным.

По изложенным причинам при использовании метода "позиционирования полосок" необходимо иметь в виду следующее: полоски должны быть металлическими, чтобы полностью отражать электрическое поле. В этом случае положение полосок можно четко определить. В настоящее время для измерения уровня боковых лепестков

Рис. 2. Диаграмма направленности антенны без полосок (сплошная)

и с полосками (

Рис. 3. Теоретическая нормированная диаграмма направленности в дБ

используются два метода - теоретический и экспериментальный. Оба метода дополняют друг друга, но поскольку наши доказательства основываются на сравнении экспериментальных диаграмм антенн без поломок и с полосками, то в данном случае будем пользоваться экспериментальным методом.

А. Теоретический метод. Этот метод состоит из:

Нахождения теоретической диаграммы направленности (ДН) испытуемой антенны,

Измерения боковых лепестков этой ДН.

ДН может быть взята из технической документации антенны, или может быть рассчитана, например, с помощью программы Ма1!аЬ или с помощью любой другой подходящей программы по известным соотношениям для поля.

В качестве испытуемой антенны использовалась зеркальная параболическая антенна Р2Р-23-ЫХА. Теоретическое значение ДН было получено с помощью формулы для круглой апертуры с равномерным возбуждением :

]ка2Е0е ікг Jl (ка 8Іпв)

Измерения и расчеты выполнялись в Е-плоскости. На рис. 3 показана нормированная диаграмма направленности в полярной системе координат.

Б. Экспериментальный метод. В экспериментальном методе должны быть использованы две антенны:

Испытуемая приемная антенна,

Передающая антенна.

ДН испытуемой антенны определяется при ее вращении и фиксации уровня поля с необходимой точностью. Для повышения точности предпочтительно выполнять отсчеты в децибелах.

В. Регулирование уровня боковых лепестков. По определению первые боковые лепестки - ближайшие к главному лепестку. Для фиксации их положения необходимо измерить угол в градусах или радианах между направлением главного излучения и направлением максимального излучения первого левого или правого лепестка. Направления левого и правого боковых лепестков должны быть одинаковы из-за симметричности ДН, но в экспериментальной ДН это может быть и не так. Далее необходимо определить также ширину боковых лепестков. Она может быть определена как разница между нулями ДН слева и справа от бокового лепестка. Здесь также следует ожидать симметрии, но только теоретически. На рис. 5 показаны экспериментальные данные по определению параметров бокового лепестка.

В результате ряда измерений было определено положение полосок для антенны Р2Р-23-ЫХА, которые определяются расстоянием (1,20-1,36)^ от оси симметрии антенны до полоски.

После определения параметров бокового лепестка определяется положение полосок. Соответствующие расчеты выполняются как для теоретической, так и для экспериментальной ДН по одинаковому методу, описанному ниже и проиллюстрированному на рис. 6.

Константа d - расстояние от оси симметрии параболической антенны до полоски расположенной на поверхности апертуры параболического зеркала, определяется по следующему соотношению:

„ d <Ф = ъ,

где d - экспериментально измеренное расстояние от точки симметрии на поверхности зеркала до полоски (рис. 5); 0 - угол между направлением главного излучения и направлением максимума бокового лепестка найденный экспериментально.

Диапазон значений С находится по соотношению: с! = О/дв

для значений 0, соответствующих началу и концу бокового лепестка (соответствующим нулям ДН).

После определения диапазона С, этот диапазон разбивается на ряд значений, из которых экспериментально выбирается оптимальное значение

Рис. 4. Экспериментальная установка

Рис. 5. Экспериментальное определение параметров боковых лепестков Рис. 6. Метод позиционирования полосок

Результаты

Было испытано несколько положений полосок. При перемещении полосок от главного лепестка, но в пределах найденного диапазона С результаты улучшались. На рис. 7 показаны две ДН без полосок и с полосками, демонстрирующие четкое снижение уровня боковых лепестков.

В табл. 1 приведены сравнительные параметры ДН по уровню боковых лепестков, направленности и ширине главного лепестка.

Заключение

Снижение уровня боковых лепестков при использовании полосок - на 23 дБ (уровень боковых лепестков антенны без полосок-

12,43 дБ). Ширина главного лепестка при этом почти не меняется. Рассмотренный метод весьма гибок, так как он может быть применен к любой антенне.

Однако определенной трудностью является влияние многолучевых искажений, связанных с влиянием земли и окружающих предметов на ДН, что приводит к изменению уровня боковых лепестков до 22 дБ.

Рассмотренный метод является простым, недорогим и может быть выполнен в течение небольшого времени. В последующем мы попытаемся добавить дополнительные полоски в различных положениях и исследовать полоски с поглощением. Кроме того, будут выполнены работы по теоретическому анализу задачи с помощью метода геометрической теории дифракции.

Far field radiation pattern of the antenna P2F- 23-NXA linear magnitude - polar plot

Рис. 7. ДН антенны P2F-23-NXA без полосок и с полосками

Сравнительные параметры антенны

Уровень боковых лепестков

Теоретическая ДН (программа Ма11аЬ) ДН по технической документации 18 дБ 15 дБ

Измеренная ДН без полосок 12,43 дБ

Измеренная ДН с полосками С многолучёвостью Без многолучёвости

Ширина главного лепестка в градусах D D, дБ

Теоретическая ДН (программа Ма^аЬ) 16 161,45 22,07

ДН по технической документации 16 161,45 22,07

Измеренная ДН без полосок 14 210,475 23,23

Измеренная ДН с полосками 14 210,475 23,23

Литература

1. Balanis. C Antenna Theory. 3rd Ed. Wiley 2005.

2. IEEE standard test procedures for antennas IEEE Std. 149 - 1965.

3. http://www.thefreedictionary.com/lobe

4. Searle AD., Humphrey AT. Low sidelobe reflector antenna design. Antennas and Propagation, Tenth International Conference on (Conf. Publ. No. 436) Volume 1, 14-17 April 1997 Page(s):17 - 20 vol.1. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

5. Schrank H. Low sidelobe reflector antennas. Antennas and Propagation Society Newsletter, IEEE Volume 27, Issue 2, April 1985 Page(s):5 - 16. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

6. Satoh T. shizuo Endo, Matsunaka N., Betsudan Si, Katagi T, Ebisui T. Sidelobe level reduction by improvement of strut shape. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on Volume 32, Issue 7, Jul 1984 Page(s):698 - 705. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

7. D. C Jenn and W. V. T. Rusch. "Low sidelobe reflector design using resistive surfaces," in IEEE Antennas Propagat., Soc./ URSI Int. Symp. Dig., vol. I, May

1990, p. 152. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

8. D. C Jenn and W. V. T. Rusch. "Low sidelobe reflector synthesis and design using resistive surfaces," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 39, p. 1372, Sep.

1991. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

9. Monk AD., and Cjamlcoals PJ.B. Adaptive null formation with a reconfig-urable reflector antenna, IEEE Proc. H, 1995, 142, (3), pp. 220-224. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

10. Lam P., Shung-Wu Lee, Lang K, Chang D. Sidelobe reduction of a parabolic reflector with auxiliary reflectors. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on . Volume 35, Issue 12, Dec 1987 Page(s):1367-1374. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

ГОСТ Р 50867-96

Группа Э58

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

АНТЕННЫ РАДИОРЕЛЕЙНЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ

Классификация и общие технические требования

Antennas of microwave telecommunication lines.
Classification and main technical requirements

ОКС 33.060.20
ОКСТУ 6577

Дата введения 1997-01-01

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством связи Российской Федерации

2 ПРИНЯТ И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ постановлением Госстандарта России от 21 марта 1996 г. N 193

3 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

1 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

1 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящий стандарт распространяется на антенны радиорелейных линий (РРЛ), предназначенные для приема (передачи) электромагнитной энергии в диапазонах частот, выделенных для РРЛ.

Стандарт устанавливает общие технические требования к номенклатуре электрических параметров и конструкции антенн РРЛ, определяет методы измерения электрических параметров.

2 НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

3 ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В настоящем стандарте применяются следующие термины с соответствующими определениями.

3.1 РАБОЧИЙ ДИАПАЗОН ЧАСТОТ - полоса, ограниченная верхней и нижней рабочими частотами, в пределах которой заданные электрические параметры антенны остаются неизменными или меняются в допустимых пределах.

3.2 ЗАЩИТНОЕ ДЕЙСТВИЕ - уменьшение сигнала, принимаемого антенной с направления противоположного главному или в определенном заданном секторе углов, по сравнению с этим же сигналом, принимаемым в главном направлении.

3.3 ГАРАНТИРОВАННАЯ ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ - огибающая пиковых значений лепестков реальной диаграммы направленности.

Примечание - Допускается превышение уровня гарантированной диаграммы направленности не более чем на 3 дБ и не более чем 10% пиков боковых лепестков реальной диаграммы направленности.

3.4 ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ЗАЩИТНОЕ ДЕЙСТВИЕ - защитное действие, приведенное к уровню излучения изотропной антенны.

3.5 Остальные термины - по ГОСТ 24375 .

4 КЛАССИФИКАЦИЯ

4.1 По количеству используемых в схеме зеркал антенны подразделяют на однозеркальные, состоящие из основного зеркала и облучателя, двухзеркальные, состоящие из основного и вспомогательного зеркал и облучателя, и многозеркальные, состоящие из основного и двух или нескольких вспомогательных зеркал и облучателя.

4.2. По месту расположения облучателя антенны подразделяют на осесимметричные, когда облучающая система расположена вдоль фокальной оси в центре раскрыва антенны, и неосесимметричные (с вынесенным облучателем), когда облучающая система смещена относительно центра раскрыва антенны.

4.3 По количеству рабочих диапазонов антенны подразделяют на одно-, двух- и многодиапазонные.

4.4 По показателям качества (в основном по помехозащищенности) антенны в соответствии с международной классификацией подразделяют на три основные категории - стандартные, высококачественные и сверхвысококачественные.

Примечание - Кроме перечисленных основных категорий существуют категории антенн, улучшенных по одному из параметров.

4.5. По количеству рабочих поляризаций антенны подразделяют на однополяризационные, работающие на одной поляризации, и двухполяризационные, работающие на двух поляризациях.

4.6 По количеству рабочих направлений антенны подразделяют на однолучевые, работающие в одном направлении, и с угловым разносом, работающие в двух или нескольких направлениях.

5 ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

5.1 Общие требования

Антенны должны соответствовать требованиям настоящего стандарта и техническим условиям на антенну конкретного вида.

5.2 Требования к электрическим параметрам

5.2.1 При разработке, конструировании и изготовлении антенн должны быть нормированы следующие электрические параметры:

- рабочий диапазон частот;

- характеристика поляризации;

- коэффициент усиления;

- показатель согласования антенны с фидерным трактом;

- ширина главного лепестка по уровню половинной мощности;

- ширина главного лепестка по нулям или по уровню минус 15 или минус 20 дБ;

- уровень первого бокового лепестка;

- защитное действие;

- уровень максимумов кроссполяризации или максимальный уровень кроссполяризационного излучения в заданном пространственном секторе углов вблизи направления главного излучения;

- уровень бокового излучения в круговом или заданном секторе углов.

Примечание - Указанные параметры подлежат контролю при проведении сертификационных испытаний антенн.

5.2.2 Рабочий диапазон конкретной антенны РРЛ должен соответствовать рабочему диапазону радиорелейной системы связи, в составе которой должна работать антенна*.
______________
* Рабочий диапазон радиорелейной системы связи устанавливается в соответствии с Международным Регламентом Радиосвязи, Российской таблицей распределения полос частот между службами и соответствующими решениями ГКРЧ России.


Ширина рабочей полосы рабочего диапазона ограничивается нижней и верхней частотами.

5.2.3 Поляризация антенн РРЛ должна быть линейная, горизонтальная и/или вертикальная.

Примечание - При необходимости допустима работа на вращающейся поляризации.

5.2.4 Коэффициент усиления антенны должен быть задан на одной (средней) или трех (крайних и средней) частотах рабочего диапазона или в виде минимально допустимого в пределах всего рабочего диапазона значения с разделением, при необходимости, по поляризациям.

Коэффициент усиления должен быть задан в децибелах.

5.2.5 Показатель согласования антенны с фидерным трактом должен быть задан коэффициентом стоячей волны по напряжению (КСВн) в виде максимально допустимого в пределах рабочего диапазона значения с разделением, при необходимости, по поляризациям.

Примечание - Допускается задавать показатель согласования в виде коэффициента отражения.

5.2.6 Ширина главного лепестка по уровню половинной мощности должна быть задана на одной (средней) или трех (крайних и средней) частотах рабочего диапазона с разделением, при необходимости, по плоскостям и поляризациям.

Примечание - При необходимости задают ширину главного лепестка и по нулям или по уровню минус 15 или минус 20 дБ.

5.2.7 Уровень первого бокового лепестка должен быть задан в виде максимально допустимого в пределах рабочего диапазона значения с разделением, при необходимости, по плоскостям и поляризациям.

5.2.8 Защитное действие антенны должно быть задано в виде минимально допустимого в пределах рабочего диапазона значения с разделением, при необходимости, по плоскостям и поляризациям.

5.2.9 Уровень максимумов кроссполяризации или уровень кроссполяризационного излучения в заданном пространственном секторе углов вблизи направления главного излучения должен быть задан в виде максимально допустимого в пределах рабочего диапазона значения с разделением, при необходимости, по плоскостям и поляризациям.

5.2.10 Уровень бокового излучения должен быть задан в виде гарантированных ДН (основных и кроссполяризационных) одновременно для обеих поляризаций или с разделением по поляризациям в горизонтальной или в горизонтальной и вертикальной, или в нескольких наиболее характерных плоскостях.

5.2.11 Уровень первого бокового лепестка, уровень максимумов кроссполяризации (или уровень кроссполяризационного излучения в заданном пространственном секторе углов вблизи направления главного излучения) и уровень бокового излучения задают в децибелах относительно уровня излучения в главном направлении.

5.2.12 Разделение параметров по плоскостям (главные - горизонтальная и вертикальная) и поляризациям (плоскости и ) применяют в том случае, когда различие в величине параметров превосходит заданную точность.

5.2.13 Кроме основных параметров, указанных в 5.2.1, могут быть заданы производные параметры - коэффициент использования поверхности раскрыва и относительное защитное действие.

5.2.14 При включении в состав антенны дополнительных элементов - волноводных переходов, изгибов, защитного от атмосферных осадков укрытия и др., влияющих на электрические параметры, значение каждого из электрических параметров должно быть задано с учетом их влияния, если эти элементы составляют неотъемлемую часть антенны, если же в зависимости от включения дополнительных элементов имеется несколько исполнений антенны, то величина всех или только зависимых от исполнения антенны параметров должна быть указана отдельно для каждого исполнения.

5.2.15 Нормы на электрические параметры антенн определяются при проектировании конкретных радиорелейных систем связи в зависимости от протяженности пролетов РРЛ, условий распространения и параметров используемой аппаратуры (мощности передатчиков, чувствительности приемников и др.), назначения систем связи (магистральная, зоновая), количества каналов (многоканальная или малоканальная), способа используемой модуляции (аналоговая или цифровая), требований к электромагнитной совместимости и т.д. и указываются в технических условиях на антенну конкретного вида.

5.2.16 Ориентировочные значения основных параметров антенн, применяемых на РРЛ, даны в приложении А.

5.2.17 Общие требования к проведению измерений параметров антенн изложены в приложении Б.

5.3 Требования к конструкции

5.3.1 Конструкция антенны должна включать зеркало, облучатель и элементы крепления антенны к несущей конструкции.

Примечание - В состав антенны может быть включена подставка и устройство для юстировки.

5.3.2 Масса и габаритные размеры антенны должны быть минимизированы.

5.3.3 Направление волноводного выхода облучателя (горизонтальное, вертикальное, наклонное) должно быть задано в зависимости от конструктивных параметров системы в целом.

5.3.4 Выход облучателя должен иметь типоразмер и соединитель, обеспечивающие стыковку с соответствующими элементами фидерного тракта или радиорелейной аппаратуры. Требования к выходу облучателя устанавливаются в технических условиях на антенну конкретного вида.

5.3.5 Волноводный тракт облучателя, при необходимости, должен быть герметичным и испытываться при избыточном давлении воздуха, заданном в технических условиях на антенну конкретного вида.

5.3.6 Конструкция антенны должна обеспечивать механическую прочность и нормы на электрические параметры, установленные в технических условиях, при эксплуатации антенны в заданных климатических районах при заданной высоте установки.

5.3.7 Антенна должна сохранять заданные техническими условиями электрические параметры и не должна иметь механических повреждений после испытаний на транспортирование, определяемых техническими условиями на антенну конкретного вида.

5.3.8 Срок службы антенны, если это не оговорено особыми условиями, должен быть не менее 20 лет.

5.3.9 Требования к маркировке и упаковке должны быть указаны в технических условиях на антенну конкретного вида.

5.3.10 В конструкции антенны должно быть предусмотрено грузозахватывающее отверстие для ее подъема, спуска и удержания на весу при монтажных и ремонтных работах.

5.3.11 В конструкции неосесимметричных антенн целесообразно предусмотреть возможность их визуальной юстировки.

5.3.12 Элементы конструкции антенны не должны иметь острых кромок, углов и поверхностей, представляющих источник опасности, за исключением оговоренных в конструкторской документации.

5.3.13 Конструкция антенны должна обеспечивать удобный доступ к элементам, которые при эксплуатации требуют особого контроля или замены.

5.3.14 Максимально допустимая высота установки антенны определяется в зависимости от требований системы, в составе которой она должна работать.

5.3.15 При отсутствии специальных требований антенны должны быть рассчитаны на работу в V ветровом, IV снеговом и гололедном районах при температуре окружающего воздуха от минус 50 до +50 °С и влажности 100% при температуре +25 °С.

5.4 Требования к электромагнитной совместимости, экологической безопасности и электробезопасности

5.4.1 Уровень бокового излучения вновь разрабатываемых, модернизируемых и закупаемых за рубежом антенн, определяющий электромагнитную совместимость систем связи, должен соответствовать требованиям, приведенным в приложении В.

5.4.2 Требования к экологической безопасности и электробезопасности определяются техническими условиями на радиорелейную аппаратуру конкретного вида.

ПРИЛОЖЕНИЕ А (справочное). ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ АНТЕНН, ПРИМЕНЯЕМЫХ В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ НА РРЛ

ПРИЛОЖЕНИЕ А
(справочное)

А.1 Коэффициент усиления антенн РРЛ составляет от 20 до 50 дБ.

Примечание - При необходимости могут использоваться антенны как с меньшими, так и с большими значениями коэффициента усиления.

А.2 КСВн антенн, используемых для работы в магистральных радиорелейных системах большой емкости и в системах с протяженным волноводным трактом, составляет величину от 1,04 до 1,08.

КСВн антенн, используемых для работы в зоновых системах и системах не имеющих протяженного волноводного тракта (аппаратура непосредственно присоединена ко входу антенны), составляет величину от 1,15 до 1,4.

Примечание - Целесообразно использовать антенны с низкими значениями КСВн, в т.ч. и ниже указанных нижних пределов.

А.3 Ширина главного лепестка по уровню половинной мощности однолучевых остронаправленных антенн РРЛ составляет величину от долей градуса до нескольких градусов.

А.4 Уровень бокового излучения антенн РРЛ соответствует справочным диаграммам направленности, приведенным в приложении В.

А.5 Относительное защитное действие стандартных антенн составляет от 0 до 10 дБ, высококачественных - от 10 до 20 дБ, сверхвысококачественных - от 20 до 40 дБ.

Примечание - Целесообразно использовать антенны с более высоким защитным действием.

А.6 Уровень первого бокового лепестка составляет от минус 15 до минус 30 дБ.

Примечание - Целесообразно использовать антенны с низким уровнем первого бокового лепестка, в т.ч. и ниже указанного нижнего предела.

А.7 Уровень максимумов кроссполяризации (или уровень кроссполяризационного излучения в заданном пространственном секторе углов вблизи направления главного излучения) составляет от минус 15 до минус 30 дБ, а при одновременной работе на двух поляризациях - от минус 30 до минус 35 дБ.

Примечание - Целесообразно использовать антенны с низким уровнем максимумов кроссполяризации.

A.8 Коэффициент использования поверхности раскрыва антенн РРЛ составляет от 0,4 до 0,7 (от 40 до 70%).

Примечание - Целесообразно использовать антенны с высоким коэффициентом использования, в т.ч. и более указанного выше верхнего предела.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (рекомендуемое). ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ АНТЕНН

Б.1 Измерения антенн проводят на специально оборудованном полигоне или в безэховых, покрытых специальным поглощающим материалом, камерах. Место и способ измерений выбирают с учетом обеспечения требуемой точности определения величины измеряемых параметров в рабочем диапазоне частот.

Б.2 При измерениях, если это не оговорено особо в технических условиях на антенну конкретного вида, должны использоваться типовые схемы измерения и типовая измерительная аппаратура, обеспечивающие необходимую точность измеряемых величин в рабочем диапазоне частот.

Б.3 Примеры типовых схем измерения диаграмм направленности и коэффициента усиления приведены на рисунках Б.1-Б.3.

Примечание - Допускается использование других схем и методов измерения электрических параметров, обеспечивающих заданную техническими условиями на антенну конкретного вида точность измерения.

Б.4 Прямому измерению подлежат следующие параметры:

- коэффициент усиления;

- коэффициент стоячей волны;

- диаграммы направленности (основные и кроссполяризационные).

Рисунок Б.1 - Структурная схема измерения диаграмм направленности (измерительные

Передача

1 - генератор; 2, 8 - кабель высокочастотный; 3, 7, 9 - коаксиально-волноводный переход; 4 - ферритовый вентиль; 5 - измерительный (поляризационный) аттенюатор; 6 - развязывающий аттенюатор; 10 - волноводный переход от круглого сечения к прямоугольному; 11 - вспомогательная (передающая) антенна.

Прием

12 - испытуемая антенна; 13 - волноводный переход от круглого сечения к прямоугольному; 14 - коаксиально-волноводный переход; 15 - кабель высокочастотный; 16 - измерительный приемник; 17, 19 - кабель низкочастотный; 18 - усилитель; 20 - самописец.

Примечания

Рисунок Б.1 - Структурная схема измерения диаграмм направленности (измерительные
аттенюаторы расположены на передаче)

Рисунок Б.2 - Структурная схема измерения диаграмм направленности (измерительные аттенюаторы расположены на приеме)

Передача

1 - генератор; 2 - кабель высокочастотный; 3 - коаксиально-волноводный переход; 4 - волноводный переход от круглого сечения к прямоугольному; 5 - вспомогательная (передающая) антенна.

Прием

6 - испытуемая антенна; 7 - волноводный переход от круглого сечения к прямоугольному; 8, 10 - развязывающий аттенюатор; 9 - измерительный (поляризационный) аттенюатор; 11 - детекторная секция; 12, 14 - кабель низкочастотный; 13 - усилитель низкочастотный; 15 - самописец.

Примечания

1 При использовании волноводного тракта с гибкими волноводными вставками и приемо-передающей аппаратуры с волноводными входами (выходами) кабели высокочастотные и коаксиально-волноводные переходы из схемы исключаются.

2 При прямоугольном сечении волноводного выхода облучателя волноводные переходы от круглого к прямоугольному сечению не используются.

Рисунок Б.2 - Структурная схема измерения диаграмм направленности (измерительные
аттенюаторы расположены на приеме)

Рисунок Б.З - Структурная схема измерения коэффициента усиления (измерительные аттенюаторы расположены на передаче)

Передача

1 - генератор; 2, 8 - кабель высокочастотный; 3, 7, 9 - коаксиально-волноводный переход; 4 - ферритовый вентиль; 5 - измерительный (поляризационный) аттенюатор; 6 - развязывающий аттенюатор; 10 - волноводный переход от круглого к прямоугольному сечению; 11 - вспомогательная (передающая) антенна.

Прием

12 - испытуемая антенна; 13, 15 - волноводный переход от круглого к прямоугольному сечению; 14 - измерительная (эталонная) антенна; 16 - развязывающий аттенюатор; 17 - измерительная секция; 18 - кабель низкочастотный; 19 - усилитель низкочастотный.

Примечания

1 При использовании волноводного тракта с гибкими волноводными вставками и приемо-передающей аппаратуры с волноводными входами (выходами) кабели высокочастотные и коаксиально-волноводные переходы из схемы исключаются.

2 При прямоугольном сечении волноводного выхода облучателя волноводные переходы от круглого к прямоугольному сечению не используются.

Рисунок Б.З - Структурная схема измерения коэффициента усиления (измерительные
аттенюаторы расположены на передаче)

Б.5 По основным диаграммам направленности определяют ширину главного лепестка по уровню половинной мощности и по нулям (или по уровню минус 15 или минус 20 дБ), уровень первого бокового лепестка, уровень бокового излучения и гарантированные диаграммы направленности на основной поляризации.

Б.6 По кроссполяризационным диаграммам направленности определяют уровень максимумов кроссполяризации и/или уровень кроссполяризационного излучения в заданном пространственном секторе углов вблизи направления главного излучения, уровень бокового излучения и гарантированные диаграммы направленности на перекрестной поляризации.

Б.7 Косвенно определяют следующие параметры:

- защитное действие;

- коэффициент использования поверхности раскрыва;

- относительное защитное действие.

Б.8 Объем измерений определяется техническими условиями на антенну конкретного вида.

Б.9 Методы измерений антенн конкретных типов должны быть указаны в технических условиях на антенну конкретного вида.

ПРИЛОЖЕНИЕ В (рекомендуемое). СПРАВОЧНЫЕ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕНН РАДИОРЕЛЕЙНЫХ СИСТЕМ ПРЯМОЙ ВИДИМОСТИ

В.1 Справочные диаграммы направленности в соответствии с Рекомендацией* используют при отсутствии реальных диаграмм направленности для решения вопросов электромагнитной совместимости, а именно:

- при предварительном изучении вопросов исключения источников помех в координационной зоне;

- при повторном использовании радиочастот в радиорелейной сети, когда одни и те же радиочастоты могут многократно использоваться либо на участках, значительно удаленных друг от друга, либо на участках линий, расходящихся от одной станции по разным направлениям, либо на одном участке с использованием кроссполяризации.
______________
* По мере изменения Ассамблеей МСЭ Рекомендации 699 следует пользоваться более новыми ее редакциями, принятыми с учетом новейших достижений в области разработки и конструирования антенн после 1994 г.

В.2 Справочные диаграммы направленности являются огибающими максимумов лепестков реальных диаграмм направленности наиболее типовых и наиболее часто используемых (на момент принятия последней редакции указанной выше рекомендации) антенн радиорелейных систем прямой видимости, при этом допускается, что малый процент пиков боковых лепестков реальных диаграмм направленности может превышать уровень, ограниченный справочной диаграммой.

В.3 Справочные диаграммы направленности не могут служить для разработчиков и потенциальных потребителей предельно допустимой величиной, ограничивающей снизу или сверху уровень бокового излучения, однако они могут являться для них ориентиром при оценке качества вновь разрабатываемой или закупаемой антенной техники относительно некоего среднего мирового уровня.

В.4 Для увеличения пропускной способности целесообразно использовать антенны с лучшими (по сравнению со справочными) диаграммами направленности.

Примечание - Допускается использование антенн и с худшими диаграммами направленности (в этом случае при решении вопросов электромагнитной совместимости следует пользоваться только реальными диаграммами направленности).

В.5 В соответствии с решением Ассамблеи радиосвязи МСЭ (Рекомендация ), при отсутствии конкретной информации о диаграмме направленности антенны, следует использовать приведенные ниже справочные диаграммы в диапазоне частот 1-40 ГГц.

В.5.1 В случае, когда отношение диаметра радиорелейной антенны к рабочей длине волны , должно использоваться выражение

где - коэффициент усиления относительно изотропно излучающей антенны;

- угол отклонения от оси;

- коэффициент усиления главного лепестка относительно изотропно излучающей антенны, дБ;

и - диаметр антенны и длина волны, выраженные в одних и тех же единицах;

- коэффициент усиления первого лепестка

Ширина ДН (главного лепестка) определяет степень концентра­ции излучаемой электромагнитной энергии.

Ширина ДН – это угол между двумя направлениями и в пределах главного ле­пест­ка, в которых амплитуда напряженности электромагнитного поля составляет уро­вень 0,707 от максимального значения (или уровень 0,5 от мак­симального по плот­нос­ти значения мощности).

Ширина ДН обозначается так: 2θ 0,5 - это ширина ДН по мощности на уровне 0,5; ­2θ 0,707 - ширина ДН по напряженности на уровне 0,707.

Индекс Е или Н, изображенный выше, означает ширину ДН в соответствующей плос­кости: , . Уровню 0,5 по мощности соответствует уровень 0,707 по нап­ря­женности поля или уровень - 3дБ в логарифмическом масштабе:

Ширина ДН одной и той же антенны, представленной по напря­женности поля, по мощности или в логарифмическом масштабе и изме­ренная на соответствующих уров­нях, будет одинаковой:

Экспериментально ширина ДН легко находится по графику ДН, изобра­женной в той или иной системе координат, например, как это показано на рисунке.

Уровень боковых лепестков ДН определяет степень побочного излучения антен­ной электромагнитного поля. Он влияет на скрыт­ность работы радиотехнического уст­ройства и на качество электро­магнитной совместимости с ближайшими радио­элект­ронными системами.

Относительный уровень бокового лепестка - это отношение амп­литуды напряженности поля в направлении максимума бокового ле­пестка к амплитуде напряженности поля в направлении максимума главного лепестка:

На практике этот уровень выражают в абсолютных единицах, либо в деци-белах. Наибольший ин­терес представляет уровень первого бокового лепест­ка. Иногда оперируют усред­нен­ным уровнем боковых лепестков.

4. Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления переда­ю­щей антенны.

Коэффициент направленного действия количественно характери­зует направлен­ные свойства реальной антенн по сравнению с эталон­ной антенной, представляющей собой совершенно ненаправленный (изотропный) излучатель с ДН в виде сферы:

КНД - это число, показывающее во сколько раз плотность пото­ка мощности П(θ,φ) реальной (направленной) антенны больше плот­ности потока мощности

П Э (θ,φ) эта­лонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же уда­лении при условии, что мощности излучения антенн одинаковы:

С учетом (1) можем получить:

где D 0 - КНД в направлении максимального излучения.

На практике, говоря о КНД антенны, подразумевают значение, которое полностью опре­деляется диаграммой направленности антенны:

В инженерных расчетах пользуются приближенной эмпирической формулой, свя­зы­ва­ющей КНД с шириной ДН антенны в главных плос­костях:

Так как на практике затруднительно определить мощность из­лучения антенны (а тем более выполнить условие равенства мощнос­тей излучения эталонной и реаль­ной антенн), то вводят понятие ко­эффициента усиления антенны, который учитывает не только фокуси­рующие свойства антенны, но и ее возможности по преобразова­нию одного вида энергии в другой.

Это выражается в том, что в определении, аналогичному КНД, изменяется усло­вие, причем очевидно, что коэффициент полезного действия эталонной антенны ра­вен единице:

где P A - мощность, подведенная к антенне.

Тогда коэффициент направленного действия выражается через коэффициент направ­лен­ного действия следующим образом:

где η А - коэффициент полезного действия антенны.

На практике используют G 0 - коэффициент усиления антенны в направлении макси­маль­ного излучения.

5. Фазовая диаграмма направленности. Понятие о фазовом цент­ре антенны.

Фазовая диаграмма направленности - это зависимость фазы электромагнитного поля, излучаемого антенной от угловых коорди­нат. Так как в дальней зоне антенны век­то­ры поля Е и Н синфазны, то и фазовая ДН в одинаковой степени относится к элек­три­ческой и магнитной составляющей ЭМП, излучаемого антенной. Обознача­ется ФДН следующим образом:

Ψ = Ψ (θ,φ) при r = const.

Если Ψ (θ,φ) при r = const, то это означает, что антенна формирует фазовый фронт вол­­ны в виде сферы. Центр этой сфе­ры, в котором находится начало системы коор­ди­­нат называют фазовым центром антенны (ФЦА). Фазовый центр имеют не все антенны.

У антенн, имеющих фазовый центр и многолепестковую амплитудную ДН с чет­кими нулями меж­ду ними, фаза поля в соседних лепестках отличается на (180 0). Взаимосвязь между амплитудной и фазовой диаграммами направленности одной и той же антенны иллюстрируется следующим рисунком.

Так как направление распространения ЭМВ и положение ее фазо­вого фронта вза­им­но перпендикулярны в каждой точке пространства, то измеряя положение фа­зового фронта волны, можно косвенно опре­делить направление на источник излуче­ния (пеленгование фазовыми методами).

Пусть распределение тока вдоль длины антенны является постоянным:

Реальные антенны, (например, волноводно-щелевые) или печатные антенные решетки часто имеют именно такое токовое распределение. Вычислим диаграмму направленности такой антенны:

Теперь построим нормированную ДН:

(4.1.)

Рис. 4.3 Диаграмма направленности линейной антенны с равномерным токовым распределением

В этой диаграмме направленности можно выделить следующие участки:

1) Главный лепесток – участок диаграммы направленности, где поле максимально.

2) Боковые лепестки.

На следующем рисунке представлена диаграмма направленности в полярной системе координат, в которой
имеет более наглядный вид (рис.4.4).

Рис. 4.4 Диаграмма направленности линейной антенны с равномерным токовым распределением в полярной системе координат

Количественной оценкой направленности антенны принято считать ширину главного лепестка антенны, которая определяется либо по уровню -3 дБ от максимума либо по нулевым точкам. Определим ширину главного лепестка по уровню нулей. Здесь приближенно можно считать, что для остронаправленных антенн:
. Условие равенства нулю множителя системы можно приближенно записать таким образом:

Учитывая, что
, последнее условие можно переписать таким образом:

Для больших значений электрической длины антенны (для малых значений полуширины главного лепестка антенны), с учетом того, что синус малого аргумента приближенно равен значению аргумента, последнее соотношение можно переписать в виде:

Откуда окончательно получим соотношение, связывающее ширину главного лепестка и размер антенны в долях длины волны:

Из последнего соотношения следует важный вывод: для синфазной линейной антенны при фиксированной длине волны увеличение длины антенны приводит к сужению диаграммы направленности.

Оценим уровень боковых лепестков в данной антенне. Из соотношения (4.1) можно получить условие углового положения первого (максимального) бокового лепестка:

(-13 дБ)

Оказывается, что в этом случае уровень боковых лепестков не зависит от длины антенны и частоты, а определяется только видом амплитудного распределения тока. Для уменьшения УБЛ следует отказаться от принятого вида амплитудного распределения (от равномерного распределения), а перейти к распределению, спадающему к краям антенны.

5. Линейная антенная решетка

5.1. Вывод выражения для дн лар

Выражение 4.2. позволяет легко перейти от поля линейной непрерывной антенной системы к полю дискретной антенной решетки. Для этого достаточно задать распределение тока под знаком интеграла в виде решетчатой функции (совокупности дельта-функций) с весами, соответствующими амплитудам возбуждения элементов и соответствующими координатами. В этом случае результатом является диаграмма направленности антенной решетки как дискретное преобразование Фурье. Магистрантам предоставлется реализовать этот подход самостоятельно в качестве упражнения.

6. Синтез афр по заданной дн.

6.1. Исторический обзор, особенности задач синтеза антенн.

Часто, для обеспечения правильной работы радиотехнических систем, к антенным устройствам, которые являются их составной частью, предъявляются особые требования. Поэтому проектирование антенн, обладающих заданными характеристиками, является одной из важнейших задач.

В основном требования предъявляются к диаграмме направленности (ДН) антенного устройства и носят весьма разнообразный характер: может требоваться конкретная форма главного лепестка ДН (например, виде сектора и косеканса), определенный уровень боковых лепестков, провал в заданном направлении или в заданном интервале углов. Раздел теории антенн, посвященный решению данных задач, получил название теории синтеза антенн.

В большинстве случаев точное решение задачи синтеза не найдено и речь может идти о приближенных методах. Подобные задачи исследуются достаточно давно и найдено немало методов и приемов. К методам решения задач синтеза антенн также предъявляются определенные требования: к быстродействию; устойчивости, т.е. малой чувствительности к незначительным изменениям параметров (частоты, размеров антенн и т.п.); практической реализуемости. В рассмотрены наиболее простые методы: парциальных диаграмм и интеграла Фурье. Первый метод основан на аналогии преобразования Фурье и связи амплитудно-фазового распределения с ДН, в основе второго лежит разложение ДН ряд по базисным функциям (парциальным ДН). Зачастую, решения, полученные этими методами, трудно применить на практике (антенны обладают плохим КИП, труднореализуемое амплитудно-фазовое распределение (АФР), решение является неустойчивым). В и рассмотрены методы, позволяющие учитывать ограничения на АФР и избегать т.н. «эффекта сверхнаправленности» .

Отдельно стоит выделить задачи смешанного синтеза , важнейшей из которых является задача фазового синтеза , т.е нахождение фазового распределения при заданном амплитудном, приводящего к требуемой ДН. Актуальность задач фазового синтеза объяснятся большим применением фазированных антенных решеток (ФАР). Методы, позволяющие решить такие задачи, описаны в , и .