Коэффициент направленного действия антенны: особенности расчета и формула

Коэффициент направленного действия (КНД) является одной из ключевых характеристик любой антенны. От правильного расчета КНД зависит оптимальная настройка антенны для эффективной передачи и приема сигналов в заданном направлении.

Основные определения КНД и связанных понятий

Коэффициент направленного действия показывает, во сколько раз мощность излучения антенны в заданном направлении превышает среднюю мощность излучения по всем направлениям. Чем выше КНД, тем уже диаграмма направленности и эффективнее антенна.

КНД = Мощность излучения в заданном направлении / Средняя мощность излучения по всем направлениям

Коэффициент усиления антенны учитывает не только направленные свойства, но и коэффициент полезного действия самой антенны. В отличие от КНД, коэффициент усиления зависит от потерь энергии в конструкции антенны.

Факторы, влияющие на КНД антенны

На коэффициент направленного действия антенны влияют:

Размеры и форма излучающих элементов;
Количество излучателей в антенной решетке;
Расстояние между излучателями (шаг решетки);
Длина волны и частотный диапазон работы антенны;
Наличие отражателя и других конструктивных элементов.

Оптимальное сочетание этих параметров позволяет добиться максимально возможного КНД для конкретного типа антенны.

Методы расчета КНД антенны

Существует несколько основных методов определения коэффициента направленного действия:

Расчет по измеренной или рассчитанной диаграмме направленности антенны;
Аналитический расчет КНД для простейших типов антенн;
Приближенные инженерные методы;
Численное моделирование в специализированных программах;
Натурные измерения КНД антенны на специальных стендах.

Каждый из методов имеет свои достоинства и ограничения. Выбор метода зависит от типа антенны, требуемой точности и наличия исходных данных.

Расчет КНД для линейных антенн

Для простейших линейных антенн, таких как вибратор или антенная решетка из вибраторов, возможен аналитический расчет КНД. Например, КНД линейного вибратора длиной L определяется формулой:

КНД = (4πL) / λ

где λ - длина волны.

Для линейных антенных решеток также получены приближенные формулы расчета КНД, зависящие от размеров решетки, шага и других параметров.

Расчет КНД апертурных антенн

Апертурные антенны, к которым относятся зеркальные и плоские антенные решетки, щелевые антенны, обычно имеют более сложную форму диаграммы направленности. Для них аналитический расчет КНД в общем виде невозможен.

Однако для точного расчета потребуется моделирование в специализированных программах волновой оптики.

Особенности расчета КНД для антенн СВЧ

Антенны сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, такие как рупорные, линзовые, волноводно-щелевые и другие, зачастую работают на нескольких типах волн и имеют сложный волноводный тракт.

Для расчета их КНД требуются специальные методы электродинамического моделирования. Помимо этого, на СВЧ очень велико влияние различных дестабилизирующих факторов: отклонения размеров от номинала, погрешности изготовления, неидеальность материалов и т.д.

Поэтому для СВЧ антенн особенно важны натурные измерения КНД, проводимые в безэховых камерах. Такие измерения позволяют учесть реальное влияние всех конструктивных особенностей.

КНД и ширина диаграммы направленности

С увеличением коэффициента направленного действия антенны сужается диаграмма направленности, уменьшается ширина главного лепестка. Однако чрезмерное увеличение КНД приводит к резкому сужению диаграммы, что может быть нежелательно для некоторых применений.

Поэтому при проектировании антенны необходимо найти оптимальное соотношение КНД и ширины диаграммы. Это позволит получить нужную направленность излучения без потери зоны обзора.

КНД и уровень боковых лепестков ДН

Боковые лепестки диаграммы направленности уменьшают коэффициент направленного действия, так как часть энергии излучается в этих направлениях. Поэтому для получения высокого КНД необходимо подавлять уровень боковых лепестков.

С другой стороны, полное их подавление может привести к появлению мертвых зон в диаграмме направленности. Поэтому оптимальный уровень боковых лепестков устанавливают исходя из требований к КНД и диаграмме направленности конкретной антенны.

Примеры расчета КНД для типовых антенн

Рассмотрим пример расчета коэффициента направленного действия для линейной антенной решетки из 10 вибраторов.

Длина решетки L = 4 м, длина волны λ = 0,15 м. Используя формулу для линейной решетки, получаем:

КНД = 4L/λ = 4*4/0,15 = 106,7

В dB: КНД = 10lg(106,7) = 20,3 дБ

Использование КНД для выбора и оптимизации антенн

Зная требуемое значение КНД, можно выбрать подходящий тип антенны и оптимизировать ее параметры для получения нужного коэффициента направленного действия.

Например, для КНД = 15 дБ при длине волны 1 м оптимальным решением будет линейная антенная решетка длиной около 3 м.

Коэффициентом усиления антенны называется

Коэффициентом усиления антенны называется отношение мощности, излучаемой рассматриваемой антенной, к мощности, излучаемой эталонной изотропной антенной, при подаче на них одинаковой мощности.

Коэффициент усиления антенны формула примеры

Формула для расчета коэффициента усиления антенны:

G = D * η / D0

где D - коэффициент направленного действия антенны, η - КПД антенны, D0 - КНД эталонной антенны.

Пример: Для антенны с КНД=10 (10 дБ) и КПД 92% при сравнении с изотропной антенной (D0=1) коэффициент усиления будет G = 10 * 0,92 / 1 = 9,2, или 9,2 дБ.

КНД и энергетические характеристики антенн

Коэффициент направленного действия тесно связан с такими энергетическими характеристиками антенны, как коэффициент усиления, излучаемая мощность и эффективная площадь.

Чем выше КНД, тем выше коэффициент усиления антенны в главном направлении излучения при прочих равных условиях. Соответственно, при заданной подводимой мощности увеличение КНД приводит к росту излучаемой мощности в максимуме диаграммы направленности.

Также рост КНД связан с увеличением эффективной площади антенны, определяющей эффективность приема электромагнитных волн.

КНД в задачах радиолокации и радионавигации

Высокий коэффициент направленного действия крайне важен для антенн, используемых в радиолокации и радионавигации.

Благодаря узкой диаграмме направленности такие антенны обеспечивают высокую разрешающую способность РЛС по угловым координатам, позволяя разделять близко расположенные объекты.

Кроме того, в радионавигационных системах точность определения координат напрямую зависит от КНД антенн.

Практические рекомендации по измерению КНД

Для точного определения КНД наиболее надежным методом являются натурные измерения на специализированных антенных стендах.

При проведении измерений следует уделить внимание выбору безэховой зоны, точной ориентации антенны, калибровке измерительного тракта. Результаты измерений желательно сопоставить с данными моделирования.

Перспективы повышения КНД антенн

Существуют различные пути дальнейшего увеличения КНД антенн:

Применение новых типов антенн, например на основе метаматериалов;
Использование адаптивных антенных решеток с электронным управлением диаграммой;
Комбинирование нескольких антенн с суммированием излучений в заданном направлении;
Оптимизация формы и размеров антенны с помощью численного моделирования.

Эти методы позволяют расширить границы применения высоконаправленных антенн в различных областях.

КНД и эффективная площадь антенны

Эффективная площадь антенны Сэфф - это важная энергетическая характеристика, показывающая способность антенны принимать мощность электромагнитной волны.

Эффективная площадь пропорциональна квадрату коэффициента направленного действия антенны:

Сэфф ~ КНД2

То есть при прочих равных условиях увеличение КНД в 2 раза приводит к росту эффективной площади в 4 раза. Это позволяет антенне с бóльшим КНД принимать больше энергии из электромагнитной волны.

Особенности измерения КНД антенн больших размеров

Для крупногабаритных антенн, таких как радиотелескопы и радары дальнего обнаружения, проведение измерений КНД в лабораторных условиях затруднено.

В таких случаях измерения КНД могут проводиться на рабочем месте антенны с использованием калиброванных источников излучения. Для повышения точности измеряют амплитудно-фазовое распределение поля в дальней зоне антенны.

КНД и дальность действия радиосистем

Чем выше КНД передающей антенны, тем выше плотность потока мощности в направлении распространения радиоволн, и, следовательно, больше дальность устойчивой радиосвязи.

При заданной мощности передатчика увеличение КНД антенны позволяет расширить зону покрытия радиосистемы за счет более узкой направленности излучения.

Сравнение КНД различных типов антенн

Линейные антенные решетки имеют КНД порядка 10-30 дБ в зависимости от количества элементов.

У параболических антенн КНД может достигать 50-70 дБ. Рекордные значения КНД свыше 100 дБ демонстрируют адаптивные антенные решетки и радиотелескопы.

Выбор типа антенны определяется требуемым значением КНД и особенностями применения.

Погрешности расчета и измерения КНД

При расчете и измерении КНД возможны различные погрешности, связанные с допущениями расчетных моделей, неточностью исходных данных, погрешностями измерительной аппаратуры.

Для минимизации погрешностей необходимо использовать проверенные расчетные методики, проводить калибровку измерительного оборудования, а также сопоставлять результаты моделирования и эксперимента.

Влияние КНД на скорость передачи данных

В системах беспроводной связи, таких как Wi-Fi, сотовая связь, спутниковая связь, применяются направленные антенны с высоким КНД.

Благодаря этому достигается более эффективное использование частотного ресурса за счет пространственного разделения каналов связи в разных направлениях.

В итоге при тех же габаритах системы связи и ширине полосы частот возможно увеличение скорости передачи данных при использовании антенн с бóльшим КНД.

Особенности конструкции антенн с сверхвысоким КНД

Для создания антенн с рекордным КНД порядка 100-120 дБ используются различные конструктивные методы:

Применение большого количества излучателей в ФАР;
Использование радиопрозрачных обтекателей для уменьшения рассеяния;
Охлаждение антенны для снижения собственных шумов;
Сверхточная юстировка и фазировка элементов антенны.

Такие сложные технические решения оправдупоются лишь для специальных радиоастрономических задач.

Влияние окружающей среды на КНД

КНД антенны, измеренный в лабораторных условиях, может отличаться от значения на рабочем месте из-за воздействия факторов окружающей среды.

Наличие близко расположенных объектов приводит к искажению диаграммы направленности и снижению КНД. Влияют также атмосферные явления, осадки, температура.

Для антенн, работающих в реальных условиях, рекомендуется проводить контрольные измерения КНД непосредственно на месте установки.