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.

 

Корінь середньоквадратичної величини (RMS)

    Для вираження величини полів використовуються значення кореня середньоквадратичної величини (RMS). У дальньому полі магнітне поле пропорційне електричному полю. Константа пропорційності — це η, хвильовий опір вільного простору (η = 376.73 Ом). Величина вектора Пойнтінга у дальньому полі визначається як:

$$|\mathbf{S}| = \frac{|E|^2}{\eta} \quad [Вт/м^2]$$

$$$$$$(1-1)$$

    Оскільки вектор Пойнтінга є векторним добутком двох полів, він ортогональний до обох полів, і ці три величини утворюють правобічну систему координат: (E, H, S).

Радіальне випромінювання

    Уявімо дві концентричні сфери, центровані на антені. Поля навколо антени зменшуються пропорційно до 1/R, 1/R², 1/R³ тощо. Терміни постійного порядку вимагали б, щоб випромінювана потужність зростала з відстанню, і енергія не зберігалася б. Для термінів поля, пропорційних 1/R², 1/R³ і вищим порядкам, густина потужності зменшується з відстанню швидше, ніж збільшується площа. Це означає, що енергія на внутрішній сфері більша, ніж на зовнішній сфері.

     Енергія на внутрішній сфері більша, ніж на зовнішній сфері. Ці енергії не випромінюються, а концентруються навколо антени; вони є термінами ближнього поля. Тільки член вектора Пойнтінга, пропорційний 1/R² (терміни поля 1/R), представляє випромінювану потужність, оскільки площа сфери зростає як R², і це дає сталий добуток. Вся випромінювана потужність, що проходить через внутрішню сферу, буде поширюватися на зовнішню сферу.

    Знак вхідної реактивності залежить від домінування одного з типів полів у ближньому полі: електричного (ємнісного) або магнітного (індуктивного). При резонансі (коли реактивність дорівнює нулю) накопичені енергії, обумовлені ближніми полями, рівні. Збільшення накопичених полів підвищує параметр Q кола і звужує смугу пропускання імпедансу.

    Далеко від антени ми розглядаємо тільки випромінювані поля та густину потужності. Потік потужності однаковий через концентричні сфери:

$$4\pi R_1^2 S_{1,\text{avg}} = 4\pi R_2^2 S_{2,\text{avg}}$$

    Середня густина потужності пропорційна 1/R². Розглянемо диференціальні області на двох сферах, що мають однакові кутові координати. Антена випромінює лише в радіальному напрямку, тому жодна потужність не може передаватися в напрямках θ або φ. Потужність проходить через потоки між областями, і, як наслідок, не тільки середній вектор Пойнтінга, але і кожна частина густини потужності пропорційна 1/R²:

$$S_1 R_1^2 \sin\theta d\theta d\phi = S_2 R_2^2 \sin\theta d\theta d\phi$$

    Оскільки у випромінюваній хвилі S пропорційний 1/R², а E пропорційний 1/R, то інтенсивність випромінювання не залежить від відстані і може бути визначена як:

$$U(\theta, \phi) = S(R, \theta, \phi)R^2 \quad [Вт/стерадіан]$$

    Ця інтенсивність залежить тільки від напрямку випромінювання і залишається постійною на будь-якій відстані від антени. 

Вимірювальна антена визначає відносну інтенсивність випромінювання (діаграму спрямованості) шляхом руху по колу (при постійному R) навколо антени. Зазвичай антена обертається, а вимірювальна антена (проба) залишається на місці. Деякі діаграми випромінювання мають усталені назви. Діаграми для постійних кутів у сферичних координатах називаються конічними (при постійному θ) або діаграмами по великому колу (при постійному φ). Великі кола з розрізами при φ = 0° або φ = 90° називаються діаграмами в основних площинах. Існують також інші назви для розрізів, але вони залежать від конкретного положення вимірювача, тому важливо правильно позначати ці діаграми, щоб уникнути плутанини між людьми, які виконують вимірювання на різних позиціонерах.

Шкали вимірювання діаграм спрямованості:

1. Лінійна шкала (потужність),
2. Шкала квадратного кореня (інтенсивність поля),
3. Шкала в децибелах (дБ).

    Шкала в децибелах (дБ) використовується найчастіше, оскільки вона краще відображає низькорівневі компоненти діаграми, такі як бічні пелюстки.

Основні характеристики діаграм:

• Ширина променя за половиною потужності (half-power beamwidth), іноді називається просто шириною променя.
• Також використовуються ширини променя за десятою частиною потужності та на нульовому рівні для окремих застосувань.

    Діаграма випромінювання, описана у прикладі, походить від параболічного рефлектора, у якому живлення зміщене від осі. Залишкові пелюстки (vestigial lobes) виникають, коли перша бічна пелюстка з'єднується з головним променем і формує своєрідне плече. Якщо живлення розташоване по осі параболи, перші бічні пелюстки мають однакову величину.