Диаграмма направленности

Диаграмма направленности (ДН) — это графическое или аналитическое представление зависимости коэффициента усиления (или напряжённости поля, мощности) антенны, акустического излучателя, микрофона, светового прибора или другого источника излучения от направления в пространстве. Диаграмма направленности показывает, в каких направлениях устройство излучает или принимает энергию наиболее эффективно, а в каких — слабо или вовсе не излучает. Она является одной из ключевых характеристик любого направленного излучателя или приёмника.

История

Изучение направленных свойств излучателей началось с развитием радио и акустики в конце XIX — начале XX века. Первые антенны (например, диполь Герца) имели простую, но уже не изотропную диаграмму. С появлением радиолокации, спутниковой связи и радиоастрономии в середине XX века возникла необходимость в точном расчёте и измерении ДН. Развитие вычислительной техники позволило перейти от эмпирических методов к численному моделированию (метод моментов, метод конечных разностей во временной области). В акустике и оптике ДН изучались ещё раньше — в связи с волновой теорией (принцип Гюйгенса — Френеля).

Основные параметры и определения

Диаграмма направленности обычно строится в полярной или декартовой системе координат. В полярной системе направление (азимут и угол места) откладывается по угловой шкале, а амплитуда — по радиусу. В декартовой системе по оси абсцисс откладывается угол, по оси ординат — уровень сигнала (часто в децибелах).

Главный лепесток и боковые лепестки

• Главный лепесток — область, в которой излучение (или приём) максимально. Направление, соответствующее максимуму главного лепестка, называется направлением максимального излучения.
• Боковые лепестки — все остальные максимумы, меньшие по амплитуде. Их уровень характеризует помехозащищённость и скрытность антенны.
• Задний лепесток — лепесток, расположенный в направлении, противоположном главному (180°). Уровень заднего лепестка часто нормируется отдельно.

Ширина диаграммы направленности

Ширина ДН — это угловой интервал, в пределах которого уровень излучения (или приёма) не падает ниже заданного порога. Наиболее распространённые определения:

• По уровню половинной мощности (-3 дБ) — угол между двумя направлениями, в которых мощность падает в 2 раза (на 3 дБ) относительно максимума. Обозначается как 2θ₀.₅ или θ₃дБ.
• По нулям — угол между первыми нулями главного лепестка. Обозначается как 2θ₀.

Коэффициент направленного действия (КНД)

КНД — это отношение мощности, излучаемой в направлении максимума, к средней мощности, излучаемой изотропным излучателем. КНД связан с шириной ДН: чем уже главный лепесток, тем выше КНД. Для антенн с узкой ДН (например, параболических) КНД может достигать десятков тысяч.

Уровень боковых лепестков (УБЛ)

УБЛ — отношение мощности в максимальном боковом лепестке к мощности в главном лепестке. Выражается в децибелах. Низкий УБЛ (менее -20 дБ) важен для радиолокации и спутниковой связи, чтобы избежать приёма помех с боковых направлений.

Виды диаграмм направленности

По форме

• Изотропная — сферически симметричная, одинаковое излучение во всех направлениях. Реально не существует, используется как идеализированная модель для сравнения.
• Всенаправленная (круговая) — равномерное излучение в одной плоскости (например, в горизонтальной) и направленное в другой. Типична для вертикальных штыревых антенн.
• Направленная (игольчатая) — узкий главный лепесток, высокий КНД. Характерна для параболических антенн, рупорных антенн, фазированных антенных решёток.
• Секторная — ширина лепестка в одной плоскости составляет 60–120°, в другой — узкая. Используется в базовых станциях сотовой связи.
• Специальная — форма ДН может быть задана расчётом для подавления помех в определённых направлениях (например, с провалами в направлении на источники помех).

По поляризации

ДН может различаться для разных поляризаций (вертикальной, горизонтальной, круговой). Для антенн с круговой поляризацией ДН часто строится отдельно для левой и правой поляризации.

По типу устройства

• Антенная ДН — для радиоволн.
• Акустическая ДН — для звуковых волн (микрофоны, громкоговорители, гидроакустические антенны).
• Оптическая ДН — для световых приборов (прожекторы, фары, лазеры). В оптике часто используется термин «индикатриса рассеяния» или «диаграмма светораспределения».

Методы измерения

Измерение ДН проводится в специальных безэховых камерах (для радио- и акустических антенн) или на открытых полигонах. Для антенн СВЧ-диапазона используются:

• Метод поворота — антенна вращается вокруг своей оси, а приёмник (или передатчик) фиксирует уровень сигнала. Результат — сечение ДН в одной плоскости.
• Сферическое сканирование — измерение ДН в полном телесном угле (4π стерадиан) с помощью роботизированной установки.
• Метод ближнего поля — измерение поля на расстоянии нескольких длин волн с последующим пересчётом в дальнюю зону.

Для акустических систем ДН измеряют в заглушённых камерах или на открытом воздухе с использованием микрофонных решёток.

Применение

Радиотехника и связь

• Радиолокация — узкая ДН обеспечивает высокую разрешающую способность по углу и дальности.
• Спутниковая связь — остронаправленные антенны (параболические, рупорные) с низким УБЛ для минимизации помех соседним спутникам.
• Сотовая связь — секторные ДН базовых станций для покрытия определённой зоны.
• Wi-Fi и Bluetooth — всенаправленные или слабонаправленные антенны для обеспечения связи в помещении.

Акустика

• Микрофоны — ДН определяет чувствительность к звуку с разных направлений. Различают кардиоидные, суперкардиоидные, гиперкардиоидные, всенаправленные и двунаправленные (восьмёрка) микрофоны.
• Громкоговорители — ДН влияет на распределение звука в зале. Для озвучивания больших площадей используются рупорные громкоговорители с узкой ДН.
• Гидроакустика — сонары и гидрофоны имеют ДН, определяющую сектор обзора под водой.

Оптика и светотехника

• Прожекторы и фары — ДН (кривая силы света) определяет, как свет распределяется по углу. Для автомобильных фар требуется асимметричная ДН (с чёткой границей светотени).
• Светодиодные светильники — ДН задаётся конструкцией линз и отражателей. Различают узконаправленные (споты) и широкоугольные (панели) светильники.
• Лазеры — ДН лазерного луча описывается параметром расходимости (обычно в миллирадианах).

Математическое описание

ДН в дальней зоне (зона Фраунгофера) описывается функцией угловых координат: \( F(\theta, \phi) \), где \( \theta \) — угол места, \( \phi \) — азимут. Для линейных антенных решёток ДН может быть рассчитана как произведение множителя решётки (зависит от расположения элементов) и ДН одиночного элемента.

В общем виде ДН нормируется к единице в максимуме: \[ F_n(\theta, \phi) = \frac{F(\theta, \phi)}{F_{\max}} \]

Для антенн с круговой симметрией (например, параболических) ДН может быть описана функцией Бесселя первого рода.

Интересные факты

• В радиолокации для снижения уровня боковых лепестков применяют специальные амплитудные распределения (например, распределение Тейлора или Чебышёва), которые позволяют получить УБЛ менее -40 дБ.
• Для измерения ДН больших антенн (например, радиотелескопов) используются космические источники (радиозвёзды) или искусственные спутники.
• В акустике ДН микрофона может быть изменена с помощью программной обработки сигнала (адаптивные микрофонные решётки).
• В оптике ДН светодиодов часто имеет форму Ламберта (косинусная зависимость), что обеспечивает равномерную освещённость поверхности.

Критика и ограничения

• ДН в дальней зоне не полностью описывает поведение антенны в ближней зоне (зона Френеля), где распределение поля сложнее.
• Для антенн с большими электрическими размерами (многоэлементные решётки) ДН может сильно зависеть от частоты, что требует широкополосного согласования.
• В реальных условиях ДН искажается из-за влияния земли, близлежащих объектов и атмосферных явлений (рефракция, дифракция).

Источники

• Марков Г. Т., Сазонов Д. М. «Антенны». — М.: Энергия, 1975.
• Баланис К. А. «Современная теория антенн». — М.: Радио и связь, 1986.
• Кинг Р. В. П. «Антенны и распространение радиоволн». — М.: Мир, 1970.
• ГОСТ 24375-80. «Антенны радиопередающие. Термины и определения».
• Справочник по радиолокации / Под ред. М. Сколиника. — М.: Сов. радио, 1976.
• Электронный ресурс: «Диаграмма направленности антенны» // Большая российская энциклопедия.