Коэффициент направленного действия

Коэффициент направленного действия (КНД) антенны представляет собой важный параметр, который характеризует эффективность антенны в направлении передачи или приема электромагнитного излучения. Он определяется как отношение квадрата напряженности электромагнитного поля, создаваемого антенной в определенном направлении, к среднему значению квадрата напряженности поля по всем направлениям. Это безразмерное значение часто выражается в децибелах (дБ), что позволяет более удобно сравнивать различные антенны.

КНД обозначается латинской буквой D, которая происходит от английского слова "Directivity". Основное значение КНД — это мера способности антенны фокусировать энергию излучения в узком луче. Обычно рассматривается значение КНД в направлении максимального излучения, обозначаемое как D0. Для визуализации угловой зависимости КНД используется нормированная диаграмма направленности (ДН) антенны, которая показывает распределение мощности излучения в пространстве.

Важно понимать разницу между КНД и коэффициентом усиления (КУ) антенны. КНД полностью определяется формой диаграммы направленности и не учитывает коэффициент полезного действия (КПД) антенны или потери на отражение. Это означает, что КНД не учитывает потери энергии, которые могут возникать в конструкции антенны или в объектах, находящихся рядом с ней.

Значения КНД

Значение КНД может значительно варьироваться в зависимости от конструкции антенны и рабочей длины волны. Например, для реальных антенн значение КНД может превышать единицу и достигать миллионов. В то же время абстрактный изотропный излучатель имеет КНД равный единице. Чем уже главный лепесток диаграммы направленности и ниже уровень боковых лепестков, тем выше будет значение КНД.

КНД линейной антенны (модели в виде расположенных непрерывно вдоль отрезка прямой длиной L>>λ изотропных источников с одинаковой амплитудой; λ — длина волны в свободном пространстве):

• D₀ = 2L/λ — в режиме поперечного и наклонного излучения (пока луч отстоит от оси антенны на 2-3 ширины по уровню −3 дБ; при этом КНД не зависит от направления сканирования);
• D₀ = 4L/λ — в режиме осевого излучения;
• D₀ ≈ 7.2L/λ — в режиме осевого излучения с оптимальным замедлением.

КНД линейной антенной решетки изотропных излучателей с одинаковой амплитудой (при Nd = L>>λ и отсутствии дифракционных лепестков диаграммы направленности в области видимости; N — число элементов; d — период решетки):

• D₀ ≈ 2Nd/λ — в режиме поперечного и наклонного излучения (пока луч отстоит от оси антенны на 2-3 ширины по уровню −3 дБ; при этом КНД не зависит от направления сканирования); в частности, в пределе при большом N и d = λ/2 D₀ = N;
• D₀ ≈ 4Nd/λ — в режиме осевого излучения;
• D₀ ≈ 7.2Nd/λ — в режиме осевого излучения с оптимальным замедлением.

КНД плоской апертуры:

• D₀ = (4πSK_и.п./λ²)cosθ₀ (при условии, что луч отстоит от плоскости апертуры на 2-3 ширины по уровню −3 дБ; S — площадь апертуры; K_и.п. — апертурный коэффициент использования поверхности; θ₀ — направление сканирования луча, угол места в сферической системе координат, отсчитываемый от нормали к апертуре). Уменьшение КНД при сканировании (множитель cosθ₀) обусловлено расширением луча;
• D₀ ≠ 0 при θ₀ → 90°.

Коэффициент направленного действия является ключевым параметром для понимания производительности антенн в радиосистемах. Он позволяет оценивать, насколько эффективно антенна может концентрировать электромагнитное излучение в заданном направлении, что критически важно для достижения высококачественной связи и передачи данных.