Підсилення (Gain)

    Підсилення антени — це показник її здатності спрямовувати вхідну потужність у випромінювання в певному напрямку і вимірюється за максимальною інтенсивністю випромінювання.

 

МАЛЮНОК 1-1 Характеристики діаграми спрямованості антени.

    Якщо розглянути густину потужності, випромінювану ізотропною антеною з вхідною потужністю P₀ на відстані R, то вона виражається як:

$$S = \frac{P_0}{4$$

$$$$

ВИПРОМІНЮВАННЯ АНТЕН

 

    Антени випромінюють сферичні хвилі, що поширюються в радіальному напрямку в системі координат, центром на антені. На великих відстанях сферичні хвилі можна наближено розглядати як плоскі хвилі, що є корисними для спрощення задачі. Однак плоскі хвилі не є фізично реальними, оскільки для їх утворення потрібна нескінченна потужність.

    Вектор Пойнтінга описує напрямок поширення та густину потужності електромагнітної хвилі. Він визначається як векторний добуток електричних і магнітних полів та позначається як S:

$$S = \mathbf{E} \times \mathbf{H^*} \quad [Вт/м^2]$$де:

• E — вектор електричного поля,
• H* — комплексне спряження фазора магнітного поля.

 

Спрямованість (Directivity)

 Спрямованість — це міра концентрації випромінювання антени в напрямку максимального випромінювання. Вона визначається як відношення максимальної інтенсивності випромінювання до середньої інтенсивності випромінювання по всій сфері:

$$\text{Спрямованість} = \frac{\text{максимальна інтенсивність випромінювання}}{\text{середня інтенсивність випромінювання}} = \frac{U_{\text{max}}}{U_0}$$де:

• Uₘₐₓ — максимальна інтенсивність випромінювання,
• U₀ — середня інтенсивність випромінювання.

 

Чому використовують антени?

    Антени використовуються для передачі сигналів там, де інші способи неможливі або недоцільні, наприклад, для зв'язку з ракетою або через пересічену гірську місцевість. Коли прокладання кабелів занадто дороге або займає багато часу, антени можуть забезпечити ефективну передачу сигналів. Проте може здатися, що через великі втрати на шляху системи з антенами кабельні рішення є кращими.

Чи є сенс використовувати антени на рівнинній місцевості?

    Зазвичай, кабелі мають нижчі втрати на коротких відстанях, тому для коротких дистанцій вони можуть бути кращим варіантом. Але коли довжина шляху збільшується, антени з часом стають ефективнішими. Наприклад, при подвоєнні довжини шляху втрати в кабелі також подвоюються в децибелах, тоді як для антенного каналу втрати збільшуються лише на 6 дБ.

Приклад: Вибір між хвилеводом і антенами на частоті 3 ГГц

    Розглянемо вибір між хвилеводом з низькими втратами та парою антен на частоті 3 ГГц. Кожна антена має підсилення 10 дБ, а хвилевід має втрати 19.7 дБ/км. Таблиця 1-1 показує порівняння втрат на різних відстанях:

Відстань (км)	Втрати хвилеводу (дБ)	Втрати антени (дБ)
2	39.4	88
4	78.8	94
6	118.2	97.6
10	197	102

На коротких відстанях хвилевід має менші втрати, але з часом антена стає кращим варіантом, оскільки її втрати збільшуються лише на 6 дБ при подвоєнні відстані, на відміну від хвилеводу.

 

Рівняння дальності радара та ефективна площа розсіювання (RCS)

     Радари працюють з подвійними втратами на шляху. Передавальна антена радара випромінює електромагнітне поле, яке освітлює ціль. Падаючі поля збуджують поверхневі струми на об’єкті, які випромінюють друге поле. Це відбиті поля поширюються до приймальної антени, де вони збираються. Більшість радарів використовують одну і ту ж антену для передачі й прийому сигналів (моностатична система), хоча в бістатичних радарах використовуються окремі антени для передачі та прийому. У бістатичних системах приймальна система не випромінює сигналів, що забезпечує її непомітність і підвищену живучість у військових застосуваннях.

Густина потужності, що освітлює ціль

Густина потужності, що освітлює ціль на відстані Rₜ, визначається за рівнянням:

$$S_{\text{inc}} = \frac{P_T G_T(\theta, \phi)}{4\pi R_T^2}$$

де:

• Pₜ — потужність передавача,
• Gₜ(θ, φ) — коефіцієнт підсилення передавальної антени,
• Rₜ — відстань до цілі.

Ефективна площа (Effective Area)

    Антени здатні захоплювати потужність із проходячих хвиль і передавати частину цієї енергії на свої термінали. Виходячи з густини потужності падаючої хвилі та ефективної площі антени, потужність, передана на термінали антени, визначається як добуток:

$$P_d = S \cdot A_{\text{eff}}$$

де:

• Pₐ — потужність, що надходить на термінали антени,
• S — густина потужності падаючої хвилі,
  
• $$$$A_{\text{eff}} - ефективна площа антени.
  

Ефективна площа апертурних антен

    Для апертурних антен, таких як рупорні антени, параболічні рефлектори або плоскі антенні решітки, ефективна площа визначається як фізична площа апертури, помножена на коефіцієнт ефективності апертури. Втрати, пов'язані з матеріалами, розподілом поля та невідповідністю імпедансів, зменшують співвідношення ефективної площі до фізичної площі антени. Наприклад, для параболічного рефлектора типовий коефіцієнт ефективності апертури становить приблизно 55%. Це означає, що лише 55% фізичної площі антени ефективно використовуються для захоплення енергії з падаючих хвиль.

Ефективна площа малих антен

    Навіть антени з дуже малими фізичними розмірами, наприклад, диполі, мають ефективну площу, оскільки вони можуть вилучати потужність з проходячих хвиль. Ефективна площа дипольної антени або інших малих антен не залежить лише від фізичних розмірів, а визначається також їх здатністю поглинати енергію електромагнітних хвиль.

Важливість ефективної площі

    Ефективна площа важлива для оцінки здатності антени приймати радіосигнали. Чим більша ефективна площа антени, тим більше енергії вона може вилучити з падаючих електромагнітних хвиль і тим більшою буде потужність, що надходить на її термінали.

Коефіцієнт ефективності апертури

    Втрати через матеріали, нерівномірний розподіл поля або невідповідність імпедансів можуть суттєво знижувати ефективну площу антени. Ефективність апертури є ключовим фактором для визначення того, наскільки добре антена використовує свою фізичну площу для захоплення енергії з електромагнітного поля. Таким чином, ефективна площа — це важлива характеристика антени, яка показує її здатність приймати енергію з навколишнього середовища, навіть якщо її фізичні розміри незначні.