Диаграмма направленности элементарного электрического вибратора

Свойство антенны излучать (принимать) электромагнитную энергию преимущественно в каком-то направлении называется направленностью излучения.

Направленность излучения характеризуется диаграммой направленности (ДН) по полю или по мощности.

Диаграммой направленности по полю (амплитудной ДН) называется зависимость амплитуды электрического или магнитного поля от пространственных углов θ и φ при постоянном расстоянии от вибратора и неизменных условиях его возбуждения.

То есть

(θ, φ) = (θ, φ); (θ, φ) = (θ, φ);

 

при r = const, = const, ω = const.

 

ДН представляет собой трехмерную фигуру, изобразить которую затруднительно, поэтому её секут главными плоскостями (электрической и магнитной). Эти сечения представляют собой плоские кривые – диаграммы направленности, соответственно, в электрической (θ)и магнитной (φ)плоскостях.

Амплитуды полей ЭЭВ определяются следующими выражениями:

 

(2.16)

(2.17)

 

Следовательно, для ЭЭВ диаграмма направленности в электрической плоскости представляет собой функцию

 

⨍(θ) = ,

а в магнитной плоскости

 

⨍(φ) = = const.

где – максимальная амплитуда поля.

 

Таким образом, ЭЭВ в электрической плоскости излучает направленно. Максимумы поля излучения находятся на направленностях: θ = 90°; 270°. Вдоль своей оси (θ = 90°; 180°) вибратор не излучает.

В магнитной плоскости ЭЭВ излучает ненаправленно, т.е. одинаково во всех направлениях (при любых углах φ). Физически это объясняется осевой симметрией вибратора.

Пользоваться формулами (2.16) и (2.17) неудобно, так как амплитуда поля зависит от величины тока, питающего вибратор, его размеров, расстояния и т.д. Это затрудняет сравнение направленных свойств различных излучателей. Поэтому еще пользуются нормированной (относительной) ДН, уравнение которой имеет вид:

 

F(θ,φ)= , (2.18)

 

где – максимальное значение ненормированной ДН.

 

Пусть для ЭЭВ = и тогда ДН будет

 

в плоскости ЕF(θ) = ;

в плоскости Н F(φ) = 1.

 

Для наглядности ДН изображают графически в полярной
(рис. 2.14, а) или прямоугольной (рис. 2.14,б) системе координат.

 

 

а	б

 

Рисунок 2.14 – Диаграмма направленности ЭЭВ в полярной

и прямоугольной системе координат

 

Порядок построения ДН в полярной системе координат следующий. Под заданными углами (θ или φ) проводят лучи, длина которых в масштабе соответствует значению поля в данном направлении. Затем плавной кривой соединяют концы радиусов-векторов.

В прямоугольной системе координат ДН строят обычным образом: по горизонтали откладывают угол θ или φ, а по вертикали – соответствующее значение поля F(θ) или F(φ).

ДН в полярной системе координат более наглядна, чем в прямоугольной, но последняя позволяет с более высокой точностью строить ДН.

Пространственная диаграмма направленности ЭЭВ изображена на рисунке 2.15. Она может быть получена путем вращения диаграммы F(θ) вокруг оси вибратора, т. е. по координате ).

Рисунок 2.15 – Пространственная диаграмма направленности ЭЭВ

 

Наряду с диаграммой направленности по полю широко используют ДН по мощности. Нормированную ДН по мощности можно записать в виде соотношения

 

ψ(θ,φ)= = (θ,φ), (2.19)

 

где – зависимость среднего значения вектора Пойнтинга от текущего направления;

– среднее значение вектора Пойнтинга на направлении максимального излучения.

Для элементарного электрического вибратора

 

ψ (θ) = θ (2.20)

ψ(φ) = 1 (2.21)

 

Важной характеристикой ДН является ее ширина. Шириной ДН называется угол, в пределах которого амплитуда поля уменьшается не ниже уровня 0,7, а плотность потока мощности – не ниже уровня 0,5 от максимального значения. Например, для электрического вибратора длинойL= λ/2 (говорят: полуволновой вибратор) ширина ДН составляет 78°.

Контрольные вопросы

1. Сформулировать требования к элементарному излучателю ЭМВ.

2. Типы элементарных излучателей и области их применения.

3. Поясните вопрос излучения ЭМВ на примере симметричного вибратора.

4. Запишите и поясните выражения, описывающие ЭМП элементарного вибратора.

5. Проанализируйте выражение (2.4).

6. Проанализируйте ЭМП вибратора в реактивной зоне.

7. Проанализируйте ЭМП вибратора в дальней зоне.

8. Дайте определение диаграммы направленности вибратора.

9. Что такое ширина диаграммы направленности?

10. Изобразите диаграмму направленности элементарного вибратора в полярной и прямоугольной системах координат.