Диаграммы направленности

Ранее, в § 2.3 уже были приведены диаграммы направленности антенной системы, содержащей несколько активных элементов. В общем случае характеристики излучения, создаваемого всеми элементами антенной системы, зависят от углового направления точки наблюдения, от расположения элементов, а также от амплитуды и фазы возбуждения всех элементов антенной системы.

Обратимся к рис. 5.58. Предположим, что А, В, С и D — простые элементы антенной системы, выполненные, например, в виде полуволновых диполей и расположенные на некотором расстоянии друг от друга. Каждый из этих элементов создает на расстоянии r в точке O поле напряженностью E. Четыре таких элемента, возбуждаемые равными по амплитуде и синфазными токами, создают результирующую напряженность поля в точке O, равную 4E. Так как мощность излучения пропорциональна квадрату напряженности поля E, то поток мощности, проходящий через точку О, возрастет по сравнению с потоком, создаваемым одиночным элементом, в 16 раз при условии, что каждый элемент излучает прежний уровень мощности. Если же все четыре элемента излучают ту же мощность, что и одиночный элемент, то поток мощности, проходящий через точку О возрастет в 4 раза. Таким образом, получаем выигрыш в усилении антенной системы (по сравнению с усилением одиночного элемента) в 4 раза (или 6 дБ).

Рис. 5.58. Четыре элементарных антенны, расположенных на одной линии и находящихся на расстоянии r от точки наблюдения O

В другую точку наблюдения О' (см. рис. 5.58), расположенную на некотором другом расстоянии от элементов антенной системы (причем расстояния от точки О' до каждого из элементов различны), волна будет приходить с разными фазами. Результирующее поле будет представлять собой равнодействующую всех четырех полей, заданных в векторной форме, и будет изменяться в пределах от 0 до 4E.

Диаграмма направленности системы, состоящей из двух диполей, зависит от расстояния S между диполями, амплитуды токов I возбуждения этих диполей, фазового сдвига φ между токами возбуждения обоих диполей.

Схемы возбуждения системы, состоящей из двух диполей, могут быть различными: оба диполя могут быть возбуждены с помощью линии питания; питание от линии может подводиться только к одному диполю (активному элементу), а другой (пассивный элемент) возбуждается полем активного элемента.

Во втором варианте амплитуда тока возбуждения пассивного элемента всегда меньше амплитуды тока активного элемента и определяется длиной пассивного диполя и расстоянием между диполями.

Если принять, что амплитуды тока в обоих диполях одинаковы, то влияние изменения расстояния между диполями и фазы возбуждения диполей можно проанализировать с помощью диаграмм, приведенных на рис. 5.59.

Рис. 5.59. Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости двух идентичных вертикальных диполей, фаза которых отличается на угол φ, для различных расстояний S между диполями

Окружность, показанная на этих графиках, соответствует значению напряженности поля (угловому распределению этого параметра) при подведении мощности только к одному из диполей. Из графиков следует, что при синфазном возбуждении обоих диполей (фазовый сдвиг φ = 0) и изменении расстояния S от λ/8 до 3λ/8 начальная круговая диаграмма направленности видоизменяется на двухнаправленную и возникает поперечное излучение.

Из графиков следует также, что при постоянном расстоянии между диполями изменение фазового сдвига φ также приводит к видоизменению формы диаграммы направленности. Например, при расстоянии между элементами S = λ/8, изменяя фазовый сдвиг от φ = 0° до 180°, можно от круговой диаграммы перейти к однонаправленной (при φ = 120°), а далее — к двунаправленной, соответствующей режиму продольного излучения.

Анализ приведенных на рис. 5.59 диаграмм направленности антенной системы, состоящей только из двух диполей, показывает, что даже эта очень простая антенная система может иметь достаточно сложные и сильно отличающиеся друг от друга диаграммы направленности. Нетрудно убедиться в том, что антенные системы, содержащие большее число элементов, могут иметь еще большее число сильно разнящихся между собой диаграмм направленности.