азимут излучения антенны что это

Основы беспроводных сетей

Антенны

Устройство, преобразующее электрический ток в электромагнитную волну, как это было показано в уроке «Основные характеристики радиоволн», называется антенной. Кроме того, антенны преобразуют энергию электромагнитной волны в электрический ток в режиме приёма радиосигнала. Возможность использования антенны как для передачи, так и для приёма электромагнитных волн называется свойством обратимости.

Основные характеристики

Диаграмма направленности

Основной характеристикой, отражающей особенности антенн, является диаграмма направленности. Под диаграммой направленности понимают зависимость поля, создаваемого антенной на достаточно большом расстоянии, от углов наблюдения в пространстве. Как правило, диаграмму направленности изображают в полярных системах координат, рассматривая в вертикальной и горизонтальной плоскостях по отношению к плоскости Земли. Важно понимать, что диаграмма направленности демонстрирует распределение в пространстве энергии, подведённой к антенне. Примеры диаграмм направленности представлены на рисунках 1-3:

Ширина основного лепестка, азимут, угол места

Под шириной луча понимают угловой сектор, внутри основного лепестка диаграммы направленности антенны, в пределах которого излучается наибольшая часть энергии сигнала. Величина измеряется по уровню половинной мощности, что соответствует снижению уровня напряжённости на 3 дБ.

Уровень боковых лепестков

Параметр «уровень боковых лепестков» показывает насколько уровень бокового излучения слаб по сравнению с уровнем главного лепестка и рассчитывается по формуле:

Коэффициент защитного действия

Под коэффициентом защитного действия понимают отношение напряжённости поля, излученного антенной в главном направлении, к напряжённости поля, излучённого в противоположном направлении:

Коэффициент усиления

Таким образом, коэффициент усиления характеризует во сколько раз необходимо увеличить мощность на входе антенны при замене данной антенны на изотропную, чтобы значение плотности потока мощности излучаемой антенной электромагнитной волны в точке наблюдения не изменилось. Коэффициент усиления учитывает потери подводимой энергии через коэффициент полезного действия:

Коэффициент стоячей волны по напряжению

При распространении электрического тока по фидеру часть энергии может отражаться от нагрузки, в роли которой выступает антенна. Причиной является несогласованность сопротивлений фидера с нагрузкой, причём количество отражённой энергии зависит от соотношения сопротивлений. Коэффициент стоячей волны по напряжению показывает какая доля подведённой энергии будет отражаться обратно в фидер.

Например, если к антенне с входным сопротивлением 100 Ом подключается ВЧ-кабель сопротивлением 50 Ом, то КСВ=2:1, а значит половина энергии при передаче будет отражаться обратно в ВЧ-кабель.

Частотный диапазон

В уроке «Основные характеристики радиоволн» был рассмотрен механизм формирования электромагнитной волны для вибратора. При этом электрический ток, протекающий по вибратору, образовывал стоячую волну, узел которой располагался посередине, а амплитудные значения тока наблюдались на краях вибратора. Таким образом, максимальные значения напряжённости поля будут наблюдаться в случае, если длина вибратора равна половине длины волны колебаний, что свидетельствует о зависимости между длиной волны излучения и габаритами антенны. Согласно свойству обратимости, связь между длиной волны и габаритами также характерна для приёмной антенны.

В общем случае, независимо от конструктивного исполнения антенны, длина волны радиосигнала пропорциональна размерам антенны, что является одной из директив для выбора частотного диапазона при проектировании системы связи. По этой причине, одной из характеристик антенны является рабочий диапазон частот, для которого сохраняются заявленные параметры.

Поляризация

Поляризация электромагнитной волны, рассматриваемая в рамках «Основные характеристики радиоволн», определяется конструктивными особенностями и расположением используемой антенны. Важно понимать, что передающая и приёмная антенны должны быть согласованы по поляризации: на рисунке 6 представлены ситуации с согласованием (а) и рассогласованием (б) по поляризации на приёмной и передающей сторонах:

Поскольку электромагнитные волны ортогональных поляризаций не оказывают взаимовлияния, то возможно использования двух радиосигналов разных поляризаций в одной полосе частот. Существуют различные сценарии использования данного инструмента: увеличение пропускной способности, организация дуплексного канала связи, организация множественного доступа, повышение надёжности канала связи.

Конструктив антенн

Изотропная антенна

В теории антенн используется модель изотропной антенны, диаграмма направленности которой представляет собой сферу, представленную на рисунке 1. Создание такой антенны в реальной жизни невозможно.

Всенаправленная антенна

Направленная антенна

Многообразие конструктивных реализаций направленных антенн обусловлено тем, что направленные антенны шире распространены в беспроводных системах связи, чем всенаправленные. Например, в линейке компании «Инфинет» представлены решения с возможностью подключения внешней антенны и с интегрированной антенной, представляющей микрополосковую антенную решётку:

Технология формирования луча (beamforming)

Одним из видов антенн по конструктивному исполнению являются фазированные антенные решётки (ФАР), представляющие из себя матрицу излучающих элементов, соединённых между собой, как на рисунке 10. Особенность ФАР заключается в том, что, подавая на излучающие элементы сигналы с разными параметрами амплитуды и фазы, можно формировать различные диаграммы направленности. Таким образом, динамически меняя подводимые к излучающим поверхностям сигналы, можно управлять диаграммой направленности в режиме реального времени.

Основываясь на способности ФАР динамически изменять диаграмму направленности, была реализована технология формирования луча, использование которой имеет ряд преимуществ относительно антенн с фиксированной диаграммой направленности.

Рассмотрим пример, в котором к сектору базовой станции подключено два абонента и в раскрыве сектора наблюдается помеха, рисунок 11. При использовании сектора с фиксированной диаграммой направленности помеха будет оказывать негативное воздействие, ухудшая производительность базовой станции. В случае, если помеха широкополосная, то смена частотного канала не принесёт результатов, а поиск источника помех на местности является достаточно комплексной задачей, решение которой может носить длительный характер.

Заменим секторную антенну на устройство с технологией формирования луча, рисунок 12.

Технология формирования луча позволяет сформировать узкую диаграмму направленности в направлении конкретного абонента, а со временем переориентировать главный лепесток в сторону других клиентских устройств. Наблюдается улучшение производительности беспроводной системы за счёт двух факторов: снижается восприимчивость к локальным помехам на сектор и увеличивается энергетика канала в сторону каждого из абонентов за счёт перераспределения энергии сектора в более узкий луч диаграммы направленности. Важным дополнением является то, что использование технологии формировании луча не требует поддержки данной технологии со стороны абонентских устройств.

Технология MIMO

Для увеличения пропускной способности систем связи или повышения надёжности, можно использовать реализации схем, в которых передача и приём осуществляются несколькими антеннами. Соседние антенны в подобных схемах необходимо изолировать для снижения корреляции за счёт пространственного, поляризационного и др. методов разнесения. Данная технология называется MIMO (Multiple Input Multiple Output).

На рисунке 13 представлена схема MIMO с двумя потоками данных, но следует иметь в виду, что число потоков данных может быть произвольным и зависит от числа антенн.

Сценарии построения беспроводных систем связи

При выборе антенных устройств для беспроводной системы связи необходимо отталкиваться от условий, в которых будет разворачиваться система связи. Возможны три сценария:

В мобильных системах связи, в отличие от фиксированных, абоненты могут менять местоположение, поэтому диаграммы направленности клиентских устройств, как правило, выбираются всенаправленными:

Комбинацией рассмотренных типов систем связи является беспроводная система связи с передвижными объектами. В рамках данного сценария местоположение устройств может изменяться время от времени. При этом, в случае использования узконаправленных антенн, необходимо производить юстировку при изменении местоположения устройства, либо использовать системы с автоматическим слежением.

Представленная классификация беспроводных систем связи справедлива как для схем «точка-многоточка», так и для схем «точка-точка».

Единицы измерения

В соответствии с международной системой единиц, мощность измеряется в Ваттах:

При передаче и приёме радиосигналов, как правило, оперирует меньшими величинами, миливаттами:

Отдельно выделяют величину децибелл-милливатт, в которой измеряемая величина нормируется относительно 1 мВт:

Источник

Ликбез по антеннам: диаграмма направленности

Аннотация

Введение

Антенна, вне зависимости от конструкции, обладает свойством обратимости (может работать как на прием, так и на излучение). Часто в радиорелейных трактах одна и та же антенна может быть подключена одновременно к приемнику и передатчику. Это позволяет излучать и принимать сигнал в одном направлении на разных частотах.

Почти все параметры приемной антенны соответствуют параметрам передающей антенны, но иногда имеют несколько другой физический смысл.

Несмотря на то, что приемная и передающая антенны обладают принципом двойственности, в конструктивном отношении они могут существенно отличаться. Связано это с тем, что передающая антенна должна пропускать через себя значительные мощности для передачи электромагнитного сигнала на большие (максимально возможные) расстояния. Если же антенна работает на прием, то она взаимодействует с полями очень малой напряженности. Вид токопередающей конструкции антенны часто определяет ее конечные габариты.

Пожалуй, основная характеристика любой антенны это диаграмма направленности. Из нее вытекает множество вспомогательных параметров и такие важные энергетические характеристики как коэффициент усиления и коэффициент направленного действия.

Диаграмма направленности

Диаграмма направленности (ДН) – это зависимость напряженности поля, создаваемого антенной на достаточно большом расстоянии, от углов наблюдения в пространстве. В объеме диаграмма направленной антенны может выглядеть так, как показано на рисунке 1.

То, что изображено на рисунке выше также еще называют пространственной диаграммной направленностью, которая является поверхностью объема и может иметь несколько максимумов. Главный максимум, выделенный на рисунке красным цветом, называется главным лепестком диаграммы и соответствует направлению главного излучения (или приема). Соответственно первые минимальные или (реже) нулевые значения напряженности поля вокруг главного лепестка определяют его границу. Все остальные максимальные значения поля называются боковыми лепестками.

На практике встречаются различные антенны, которые могут иметь несколько направлений максимального излучения, или не иметь боковых лепестков вовсе.

Для удобства изображения (и технического применения) ДН их принято рассматривать в двух перпендикулярных плоскостях. Как правило, это плоскости электрического вектора E и магнитного вектора H (которые друг другу в большинстве сред перпендикулярны), рисунок 2.

В некоторых случаях ДН рассматривают в вертикальной и горизонтальной плоскостях по отношению к плоскости Земли. Плоские диаграммы изображают полярной или декартовой (прямоугольной) системами координат. В полярных координатах диаграмма более наглядна, и при наложении ее на карту можно получить представление о зоне действия антенны радиостанции, рисунок 3.

Представление диаграммы направленности в прямоугольной системе координат более удобно для инженерных расчетов, такое построение чаще применяется для исследования самой структуры диаграммы. Для этого диаграммы строят нормированными, с главным максимумом, приведенным к единице. На рисунке ниже приводится типичная нормированная диаграмма направленности зеркальной антенны.

В том случае, когда интенсивность бокового излучения довольно небольшая и в линейном масштабе измерение бокового излучения затруднительно, применяют логарифмический масштаб. Как известно децибелы маленькие значения делают большими, а большие – маленькими, поэтому та же самая диаграмма в логарифмическом масштабе выглядит так, как показано ниже:

Из одной только диаграммы направленности можно вытащить довольно большое количество важных для практики характеристик. Исследуем подробнее диаграмму, изображенную выше.

Один из наиболее важных параметров – это ширина главного лепестка по нулевому излучению θ₀ и ширина главного лепестка по уровню половинной мощности θ_0,5. Половина мощности соответствует уровню 3 дБ, или уровню 0,707 по напряженности поля.

Из рисунка 6 видно, что ширина главного лепестка по нулевому излучению составляет θ₀ = 5,18 град, а ширина по уровню половины мощности θ_0,5 = 2,15 град.

Также диаграммы оценивают по интенсивности бокового и обратного излучения (мощности боковых и задних лепестков), отсюда вытекает еще два важных параметры антенны – это коэффициент защитного действия, и уровень боковых лепестков.

Коэффициент защитного действия – это отношение напряженности поля, излученного антенной в главном направлении к напряженности поля, излученного в противоположном направлении. Если рассматривают ориентацию главного лепестка диаграммы в направлении на 180 градусов, то обратного – на 0 градусов. Возможны и любые другие направления излучения. Найдем коэффициент защитного действия рассматриваемой диаграммы. Для наглядности изобразим ее в полярной системе координат (рисунок 7):

На диаграмме маркерами m1,m2 изображены уровни излучения в обратном и прямом направлениях соответственно. Коэффициент защитного действия определяется как:

— в относительных единицах. То же самое значение в дБ:

Уровень боковых лепестков (УБЛ) принято указывать в дБ, показывая тем самым, насколько уровень бокового излучения слаб по сравнению с уровнем главного лепестка, рисунок 8.

Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления

Это два немаловажных параметра любой антенной системы, которые напрямую вытекают из определения диаграммы направленности. КНД и КУ часто путают между собой. Перейдем к их рассмотрению.

Коэффициент направленного действия

Коэффициент направленного действия (КНД) – это отношение квадрата напряженности поля, созданного в главном направлении (Е₀ 2 ), к среднему значению квадрата напряженности поля по всем направлениям (Е_ср 2 ). Как понятно из определения, КНД характеризует направленные свойства антенны. КНД не учитывает потери, так как определяется по излучаемой мощности. Из сказанного выше можно указать формулу для расчета КНД:

Если антенна работает на прием, то КНД показывает, во сколько раз улучшится отношение сигнал/шум по мощности, при замене направленной антенны ненаправленной, если помехи приходят равномерно со всех направлений.

Для передающей антенны КНД показывает, во сколько раз нужно уменьшить мощность излучения, если ненаправленную антенну заменить направленной, при сохранении одинаковых напряженностей поля в главном направлении.

КНД абсолютно ненаправленной антенны, очевидно, равно единице. Физически пространственная диаграмма направленности такой антенны выглядит в виде идеальной сферы:

Такая антенна одинаково хорошо излучает во всех направлениях, но на практике нереализуема. Поэтому это своего рода математическая абстракция.

Коэффициент усиления

Как уже было сказано выше, КНД не учитывает потери в антенне. Параметр, который характеризует направленные свойства антенны и учитывает потери в ней, называется коэффициентом усиления.

Коэффициент усиления (КУ) G – это отношение квадрата напряженности поля, созданного антенной в главном направлении (Е₀ 2 ), к среднему значению квадрата напряженности поля (Е_оэ 2 ), созданного эталонной антенной, при равенстве подводимых к антеннам мощностей. Также отметим, что при определении КУ учитываются КПД эталонной и измеряемой антенны.

Понятие эталонной антенны очень важно в понимании коэффициента усиления, и в разных частотных диапазонах используют разные типы эталонных антенн. В диапазоне длинных/средних волн за эталон принят вертикальный несимметричный вибратор длиной четверть волны (рисунок 10).

В диапазоне коротких волн в качестве эталонной антенны принимают симметричный полуволновый вибратор, для которого D э=1,64, тогда КУ:

В диапазоне СВЧ (а это почти все современные Wi-Fi, LTE и др. антенны) за эталонный излучатель принят изотропный излучатель, дающий D_э=1, и имеющий пространственную диаграмму, изображенную на рисунке 9.

Коэффициент усиления является определяющим параметром передающих антенн, так как показывает, во сколько раз необходимо уменьшить мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с эталонной, чтобы напряженность поля в главном направлении осталась неизменной.

КНД и КУ в основном выражают в децибелах: 10lgD, 10lgG.

Заключение

Таким образом, мы рассмотрели некоторые полевые характеристики антенны, вытекающие из диаграммы направленности и энергетические характеристики (КНД и КУ). Коэффициент усиления антенны всегда меньше коэффициента направленного действия, так как КУ учитывает потери в антенне. Потери могут возникать из-за отражения мощности обратно в линию питания облучателя, затекания токов за стенки (например, рупора), затенение диаграммы конструктивными частями антенны и др. В реальных антенных системах разница между КНД и КУ может составлять 1.5-2 дБ.

Источник

Азимут излучения антенны что это

Введение
Широкое распространение фазированных антенных решеток в коммерческих, аэрокосмических и оборонных приложениях приводит к тому, что работу с данными конструкциями доверяют инженерам, которые лишь поверхностно знакомы с принципом работы данных устройств. Термин «фазированная антенная решетка», как и сама конструкция, далеко не новы, их теоретическая часть разрабатывалась на протяжении нескольких десятилетий, однако большинство существующих публикаций ориентировано преимущественно на специалистов,
хорошо разбирающихся в математическом анализе и электромагнитных полях. В связи с тем, что фазированные антенные решетки все чаще используются в системах по работе со смешанными сигналами, многим разработчикам пригодилось бы простое объяснение понятий и принципов построения их диаграмм направленности. Как оказалось, существует достаточно много аналогий между поведением фазированных антенных решеток и системами с временной дискретизацией, с которыми инженеры, работающие в области смешанных сигналов, встречаются практически каждый день. Данная статья не предназначена для инженеров‑проектировщиков антенн, ее цель скорее помочь разработчикам, работающим с подсистемами или компонентами, используемыми в фазированных решетках. Статья поможет в некоторой степени визуализировать принципы, определяющие, как-то или иное действие инженера может повлиять на диаграмму направленности фазированной антенной решетки.

Направление луча
Для начала рассмотрим интуитивно понятный пример управления лучом фазированной решетки. На рис. 1 представлено падение волнового фронта на четыре антенных элемента с двух разных направлений. В приемном тракте после получения сигнала с каждого антенного элемента включается временная задержка, после чего все четыре сигнала суммируются. На рис. 1а временная задержка соответствует разнице по времени достижения волнового фронта каждого антенного элемента. Включение задержки приводит к тому, что четыре сигнала оказываются синхронизированными по фазе, и результирующий сигнал на выходе сумматора возрастает. На рис. 1б применяется тот же принцип и величина временной задержки, однако в этом случае волновой фронт перпендикулярен элементам антенны и сигналы с элементов оказываются смещены по фазе, что приводит к уменьшению уровня результирующего сигнала на выходе сумматора.

В фазированных решетках в качестве временной задержки выступает некая измеряемая величина, зависящая от расстояния между элементами и угла луча. Однако данную задержку можно сымитировать при помощи фазового сдвига сигнала, что является довольно полезным решением, когда речь заходит о практическом применении. Влияние задержки и фазового сдвига на положение луча будет рассмотрено далее, а пока обратим внимание на способы реализации самого фазового сдвига, а затем выведем формулу, которая бы показала его влияние на параметры луча.
На рис. 2 представлена схема фазированной антенной решетки с использованием сдвига фаз для управления лучом вместо временной задержки. Ось визирования (θ = 0°) направлена перпендикулярно лицевой стороне антенны, таким образом угол θ принимает положительное значение справа от оси визирования и отрицательное — слева.

На рис. 3a определена взаимосвязь соседних элементов антенны с точки зрения геометрии. Каждый элемент отделен от соседнего расстоянием, обозначенным на схеме литерой d, его также называют шагом антенной решетки. Луч отклонен от оси визирования на угол θ или на угол j, если считать отклонение от условной горизонтальной линии. Из рис. 3б мы видим, что сумма углов θ+j = 90°. Данное соотношение позволяет нам вычислить величину L — расстояние, на которое происходит распространение волны, как L = dsin (θ). Временная задержка в таком случае будет равна времени, которое потребуется волновому фронту для преодоления расстояния L. Если мы примем величину L за длину волны, что подходит по определению, то временную задержку можно будет вычислить по формуле ∆t = L/c, где c = 3×10 ⁸ м/с, величина фазового сдвига в таком случае определяется в соответствии с принципом рис. 3в:
ΔΦ = (2πdsinθ)/λ.

Если шаг антенной решетки составляет ровно половину длины волны сигнала, то уравнение определения фазового сдвига можно упростить до вида:
ΔΦ = πsinθ, при d = λ/2. (2)

В качестве примера, используем данные уравнения для расчета фазового сдвига для решетки из двух элементов, расположенных на расстоянии 15 мм друг от друга. Если волновой фронт с частотой 10,6 ГГц падает под углом 30° (θ = 30° = 0,52 рад) от оси визирования, то оптимальное значение фазового сдвига будет определяться как:
λ = c/f = (3×108 м/с)/10,6 ГГц = 0,0283 м,
∆Φ = (2πdsinθ)/λ = 2π х 0,015 х sin (0,52)/0,0283 м = 1,67 рад = 95°.

Таким образом, если волновой фронт падает под углом θ = 30°, то при сдвиге фазы соседнего элемента на 95° мы можем добиться того, что сигналы с элементов системы будут складываться когерентно, что максимизирует усиление антенны в данном конкретном направлении.

Для лучшего понимания зависимости фазового сдвига от положения луча на рис. 4 приведены графики, построенные на основе формулы (1) при различных соотношениях d/λ. В том случае, когда d = λ/2, вблизи оси визирования график имеет наклон 3:1, что обусловлено множителем π, как это показано в формуле (2). Данный график также демонстрирует, что фазовый сдвиг между элементами величиной 180° обеспечивает теоретическое отклонение луча от оси визирования на 90°. Это идеальный случай, и на практике осуществить такое отклонение невозможно. Также следует обратить внимание, что при d > λ/2, вне зависимости от величины фазового сдвига, отклонение луча на 90° никогда не будет достигнуто. Далее в статье мы увидим, что при d > λ/2 на диаграмме направленности антенны появляются нежелательные лепестки, но уже сейчас становится понятно, что со случаем, когда d > λ/2, происходит что-то не то.

Эквидистантная линейная антенная решетка
Приведенные выше уравнения ориентированы на применение для систем с двумя элементами. Однако на практике фазированная антенная решетка может состоять из тысяч элементов, расположенных в нескольких плоскостях. Для упрощения расчетов будем рассматривать только решетки с расположением элементов в одной плоскости, то есть линейные антенные решетки.
Линейная антенная решетка представляет собой решетку, состоящую из N элементов. Расстояние между элементами может иметь различное значение, но чаще всего на практике используются эквидистантные антенные решетки, то есть решетки с равным расстоянием между элементами (рис. 5).

Несмотря на довольно простую структуру, данный тип решетки обеспечивает прекрасную основу для понимания процесса формирования диаграммы направленности антенны в зависимости от различных условий. Кроме того, принципы, служащие основой для построения диаграммы при использовании линейной антенной решетки, также могут быть применимы и для систем с двупространственным распределением элементов.

Противостояние ближнего и дальнего поля
Итак, как же мы можем использовать ранее созданные уравнения для N = 2 элементов в случае, когда антенная решетка состоит из N = 10 000? Если посмотреть на рис. 6, то станет понятно, что угол падения фронта сигнала на каждый следующий элемент отличается от предыдущего.

При расположении источника сигнала в дальнем поле большой радиус сферического волнового фронта приводит к тому, что линии распространения волн сигнала на подступах к антенной решетке оказываются параллельны. Как следствие, углы отклонения луча будут равны, и каждый соседний элемент будет иметь длину пути, которую необходимо преодолеть фронту сигнала на dsinθ больше, чем у его соседа. Данный вывод значительно упрощает расчеты и означает, что выведенные ранее уравнения (1) и (2) могут быть применены для расчета линейных решеток с несколькими тысячами элементов при условии, что они имеют одинаковый шаг.
Но как вычислить, где начинается дальнее поле? Начало дальнего поля можно условно принять за величину, определяемую по формуле:
Дальнее поле >2D²/λ, (3)

где D — диаметр антенны ((N-1) х d для эквидистантной линейной решетки).
Для линейных решеток с небольшим количеством компонентов (небольшое значение D) или при работе с низкочастотными сигналами (большая λ) расстояние до дальнего поля имеет небольшую величину, однако если количество элементов в решетке составляет несколько тысяч, а сама система работает исключительно на высоких частотах, расстояние до начала дальнего поля может измеряться десятками, а то и сотнями километров. Столь большое расстояние значительно затрудняет тестирование и калибровку системы. В таких случаях рекомендуется выполнить более подробный расчет и построение модели при расположении источника сигнала в ближнем поле, а затем скорректировать их при построении решения для использования в реальных условиях, в том числе с расположением источника в дальнем поле.

Усиление, направленность и апертура антенны
Прежде чем мы перейдем к расчету и построению диаграмм, не лишним будет определить усиление, направленность и апертуру антенны. Начнем с небольшого пояснения относительно усиления и направленности антенны, поскольку их часто меняют местами из-за сходных формул расчета. Данные величины определяются путем сравнения с показателями изотропной антенны — идеальной антенны, которая излучает равномерно во всех направлениях. Направленность антенны — это сравнение максимальной измеренной мощности Pmax в определенном направлении со средней мощностью, излучаемой во всех направлениях, Pav. Когда направление не определено, направленность вычисляется по формуле:
D = Pmax/Pav. (4)

Направленность — это важная характеристика, используемая при сравнении антенн, поскольку именно она определяет способность фокусировать энергию в одном направлении.
Усиление рассчитывается по той же формуле, однако помимо максимальной измеренной мощности Pmax и мощности, излучаемой во всех направлениях, Pav в нее также добавляется коэффициент потерь:
G = kD, (5)

где k = Prad/Pin, Prad — это общая излучаемая мощность, Pin — входная мощность антенны, k — коэффициент потерь.
Перенесем диаграмму направленности антенны в трехмерную плоскость и рассмотрим направленность антенны как функцию ширины луча (рис. 8).

Общая площадь поверхности сферы равна 4π2, поверхность сферы, наблюдаемая из ее центра, образует телесный угол 4π стерадиан. Следовательно, плотность мощности изотропной антенны будет равна (Вт/м2):
Prad/4πr2. (6)
Существует два угла направления (или угла положения) для площади сферы. В радиолокационных системах их обычно называют азимутом и углом места. Ширина луча может быть описана как функция углов направления θ1 и θ2, которые создают на сфере область ΩA — ширину луча в стерадианах. Значение ΩA можно аппроксимировать как ΩA ≈ θ1 х θ2.
С учетом определения ΩA как области на сфере, организованной углами направления, направленность антенны можно определить по формуле:
D = 4π/ΩA ≈ 4π/θ1 х θ2. (7)

Третья характеристика антенны, которая также заслуживает внимания — это апертура. Апертура антенны — это часть площади сферы для приема электромагнитных волн. Размер данной площади зависит от длины волны. Апертура изотропной антенны определяется по формуле:
Aisotropic = λ2/4π. (8)

Эффективная (реальная) апертура антенны будет завесить также от уровня ее усиления и определяться по формуле:
Ae = Gλ2/4π. (9)

Собрав все части вместе, мы увидим, что усиление антенны можно рассматривать как функцию угла, который определяет диаграмму направленности и учитывает эффективность (или потери) в антенне.

Множитель линейной решетки
В данном разделе мы попробуем определить оптимальную временную задержку (или разность фаз) между элементами решетки для достижения максимальной направленности антенны. Но сначала желательно получить определение полного усиления антенны и понять принципы управления им. Для получения полного усиления нам необходимо обратить внимание на два параметра: коэффициент усиления каждого отдельного элемента решетки, также называемого множителем элемента (Ge), и влияние, которое мы можем оказать посредством формирования луча при помощи элементов решетки, называемого также множителем массива элементов, или множителем решетки (Ga). В таком случае полное усиление антенной решетки будет определяться о формуле (в дБ):
G (θ) = Ge (θ)+Ga (θ). (10)

Множитель элемента Ge — это, по сути, диаграмма направленности одного элемента в решетке. Данный множитель определяется геометрией и конструкцией антенны и не зависит от условий эксплуатации или электротехнических характеристик. Множитель важно принимать во внимание, так как он способен ограничить усиление всей решетки. Поскольку мы не можем воздействовать на множитель элемента посредством изменения электрических величин, примем его как некую константу, которая, тем не менее, оказывает непосредственное влияние на величину полного усиления фазированной решетки. В статье мы предполагаем, что все отдельные элементы решетки имеют одинаковый множитель.
Другой важный параметр — множитель решетки Ga, который рассчитывается на основе геометрии решетки (d для эквидистантной линейной решетки) и «веса» луча (амплитуда и фаза). Вывод формулы множителя решетки, а также их вариаций для линейной антенной решетки не является сложной задачей, однако во избежание перегрузки статьи читателю
лучше обратиться за подробностями к публикациям, указанным в списке литературы. Для дальнейшего расчета мы будем ориентироваться на уравнения, выведенные в статье ранее, что приведет к лучшей согласованности с нашими определениями, приведенными на рис. 2 и 3.
Так как основная проблема состоит в определении изменения усиления решетки, наиболее оптимальным вариантом будет построить график зависимости нормализованного множителя от единичного усиления. Нормализованный множитель решетки в свою очередь можно представить в виде следующей формулы:

Источник