Основні характеристики і параметри антен

Антена є проміжною ланкою між радіопристроєм – приймачем або передавачем – і навколишнім середовищем. Вона є відкритим коливальнім контуром із розподіленими параметрами і виконує функції перетворювача електромагнітної енергії з однієї форми на іншу, тобто трансформатора. Передавальна антена, до якої підведена енергія від передавача у вигляді високочастотного електричного струму, збуджує в просторі електромагнітне поле, еквівалентне електричному сигналу, що передається. Дуже незначна частина енергії цього поля, яка, поширюючись у відкритому просторі, досягає місця розташування приймальної антени, створює в ній електрорушійну силу, достатню для подальшого підсилення та відтворення сигналу.

Антени мають властивість оборотності, тобто передавальна антена може бути приймальною і навпаки. В пристроях радіолокації, наприклад, одна й та сама антена і випромінює, і приймає сигнали.

Одним з основних параметрів антени, що кількісно характеризує її спрямованість, є коефіцієнт спрямованої дії (КСД). Для визначення КСД порівнюють конкретну антену з ідеалізованою (ізотропною) антеною, яка випромінює в усіх напрямках однаково.

Якщо дві антени випромінюють у простір ту саму потужність, то КСД антени, що розглядається, визначається як співвідношення
                                                                           ,                    (1)
де Па – густина потоку енергії, яка випромінюється в довільному напрямку; По – густина потоку енергії ізотропної антени; F(β,α) – нормована характеристика спрямованості антени.

Графічне зображення в просторі або в будь-якій площині функції нормованої характеристики спрямованості антени називають її діаграмою спрямованості. Будують діаграми спрямованості, як правило, в полярних координатах.

Якщо значення Па визначається в напрямку максимального випромінювання антени, то її максимальний КСД
                                                                             .                           (2)

Антена навантажує вихідний каскад радіопередавача як елемент його вихідного кола опором, який в загальному випадку визначається так:
                                                                     ,                  (3)
де Zвх– сумарний опір випромінювання, що визначається інтегруванням вектора Пойтінга; Rвтр – еквівалентний опір втрат; jХА –сумарний реактивний опір антени.

Для резонансних антен  = 0.

Виходячи з (3 формули), корисно ввести також поняття добротності, смуги пропускання і частотної характеристики антени, які аналогічні визначеним раніше для коливального контуру.

Формула (3) визначає вхідний опір антени для випадку, коли можна виміряти струм на її вході. Якщо ж виникає питання про потужність випромінювання або про потужність втрат, то їх знаходять множенням R∑ і відповідно Rвтр на половину квадрата амплітуди вхідного струму:
                                                                    .               (4)

Розглянуті випадки стосуються лише живлення антен від двопровідних ліній, до яких можна застосувати поняття теорії електричних кіл. У разі приєднання антени за допомогою довгої лінії (наприклад, хвилеводу) поняття вхідного опору вживається лише умовно. В регулярній частині хвилеводу існує тільки поле основного типу й опором його в поперечному перерізі може бути відношення поперечних компонентів напруженостей  та  цього поля. Роль вхідного опору антени тут відіграє опір навантаження, який залежить також від довжини відрізка з'єднувальної лінії.
Передавальну антену як споживача енергії характеризують ККД:
                                                                     .                  (5)
Параметри D й η визначають узагальнений параметр передавально1 антени, який називають коефіцієнтом підсилення:
                                                                               .                              (6)

Незважаючи на те, що відносно антен діє принцип взаємності, тобто їхні основні параметри ідентичні як у режимі передачі, так і в режимі приймання, роботу приймальної антени як еквівалентного генератора характеризують додатковими, специфічними тільки для неї, параметрами: потужністю, яку вона віддає радіоприймачу, та ефективною поверхнею А (для лінійних антен кіло- і гектометрових хвиль замість параметра А користуються поняттям дієвої висоти антени). Ці параметри мають безпосередній зв'язок із КСД та коефіцієнтом підсилення антени. Можна довести, що максимальна потужність, яку антена віддає радіоприймачу в узгодженому режимі, визначається так:
                                                                           .                        (7)
де Еm – напруженість поля поблизу приймальної антени; W0 – хвильовий опір вільного простору.
Ефективна поверхня антени пов'язана з КСД таким виразом:
                                                                                                       .                              (8)

Абсолютно не спрямованою антеною, яка випромінює електромагнітну енергію в усіх напрямах з однаковою інтенсивністю може бути лише антена із сферичною поверхнею, або як її називають – точковий ізотропний випромінювач.

Всяка реальна антена в якійсь мірі є спрямованою, тобто випромінювання здійснюється у якомусь переважному напрямі. По відношенню до поверхні Землі випромінювання антен розглядають в екваторіальній та меридіональній площинах. Наприклад, диполь Герца володіє спрямованістю в меридіональній площині і не має спрямованості в екваторіальній площині.

Направленість антени прийнято оцінювати характеристикою спрямованості – залежністю напруженості поля випромінювання від напряму при умові, що напруженість поля вимірюють на однаковій відстані від антени в усіх напрямах. Графічно представлена залежність напруженості поля випромінювання від напряму називається діаграмою спрямованості.

Напруженість поля характеризується амплітудою, фазою і поляризацією. Найчастіше користуються амплітудною характеристикою спрямованості.