E-плоскость
H-плоскость
Онлайн калькулятор предназначен для моделирования диаграмм направленности различных типов антенн. Он позволяет визуализировать характеристики излучения в E- и H-плоскостях, а также настраивать параметры, такие как частота, длина, число элементов в решётке и фазовый сдвиг. Результаты отображаются в виде полярных диаграмм в линейном или логарифмическом масштабе (dB).
Типы антенн
- Изотропная — идеальный всенаправленный излучатель, используется как эталон (диаграмма — круг).
- Диполь λ/2 — классическая антенна, с направленностью в плоскости, перпендикулярной диполю.
- Моноштырь λ/4 — четвертьволновой штырь, работает с отражающей поверхностью.
- Симметричный вибратор — аналогичный λ/2 диполю, используется в линейных антеннах.
- Параболическая — высокой направленности, формирует узкий луч в выбранном направлении.
- Щелевая — используется в ВЧ/СВЧ диапазоне, формирует линейное направленное излучение.
- Рупорная — с широким диапазоном частот, с направленной диаграммой.
- Решётка диполей — антенная решётка из нескольких диполей с фазированием для управления направлением луча.
Частота
Частота сигнала влияет на длину волны и, соответственно, на форму диаграммы направленности. Используются единицы:
- МГц (мегагерцы)
- ГГц (гигагерцы)
Длина волны вычисляется по формуле:
$$
\lambda = \frac{c}{f}
$$
где:
- \( \lambda \) — длина волны (м)
- \( c = 3 \cdot 10^8 \text{ м/с} \) — скорость света
- \( f \) — частота (Гц)
Решётка диполей
Для антенн с несколькими элементами (например, дипольная решётка) диаграмма рассчитывается с учётом интерференции. Массив может быть фазированным — для смещения основного лепестка в нужное направление.
$$
AF(\theta) = \sum_{n=0}^{N-1} e^{j n (k d \cos\theta + \phi)}
$$
где:
- \( N \) — число элементов
- \( d \) — расстояние между элементами (обычно λ/2)
- \( \phi \) — фазовый сдвиг между соседними элементами (в радианах)
- \( k = \frac{2\pi}{\lambda} \) — волновое число
- \( \theta \) — угол наблюдения
Фазовый сдвиг позволяет управлять направлением главного лепестка излучения:
$$
\theta_\text{max} = \arccos\left(-\frac{\phi}{k d}\right)
$$
Примеры расчётов
1. Изотропная антенна
Частота: 1000 МГц (λ = 0.3 м). Элементы: 1. Фазовый сдвиг: 0°
Результат: идеальная круговая диаграмма без направленности. Коэффициент усиления одинаков во всех направлениях.
2. Диполь λ/2
Частота: 300 МГц (λ = 1.0 м). Длина диполя: 0.5 λ = 0.5 м
Результат: диаграмма в форме восьмёрки в E-плоскости. Максимум излучения — в направлении, перпендикулярном диполю. Вдоль оси — минимум.
3. Антенная решётка из 4 диполей
Частота: 2 ГГц (λ = 0.15 м). Число элементов: 4. Фазовый сдвиг: 45°
Результат: направленный главный лепесток, ориентированный под углом к оси в зависимости от фазового сдвига. При увеличении числа элементов и фазового сдвига диаграмма сужается, усиливается направление, подавляются боковые лепестки.
4. Параболическая антенна
Частота: 5 ГГц. Диаметр отражателя: 1.2 м
Результат: узкий и мощный главный лепесток, высокая направленность (усиление до 35–45 dBi). Идеально подходит для спутниковой связи или радиолиний.
Сравнительная таблица
| Тип | Усиление (dBi) | Диаграмма | Применение |
|---|---|---|---|
| Изотропная | 0 | Круговая | Теоретическая модель, эталон |
| Диполь λ/2 | ≈ 2.15 | Фигура 8 в E-плоскости | Радиосвязь, Wi-Fi, телевидение |
| Моноштырь λ/4 | ≈ 3–5 | Конус с отражением от земли | Автомобильные антенны, УКВ |
| Симметричный вибратор | ≈ 2–3 | Похожа на диполь | Линейные решётки, приём/передача |
| Параболическая | 30–50 | Очень узкий лепесток | Спутниковая связь, радиолинии |
| Щелевая | 6–12 | Узкая в одной плоскости | Радиолокация, СВЧ |
| Рупорная | 10–20 | Узкий симметричный лепесток | СВЧ, измерения, лаборатории |
| Решётка диполей | 10–25 | Настраиваемая, фазированная | Ретрансляторы, базовые станции |
Если используете фазированный массив, то можете добиться высокой направленности, подавления боковых лепестков и электронного сканирования луча без механического поворота антенны.
Масштаб графика
Калькулятор поддерживает два режима отображения:
- Линейный — интенсивность излучения в относительных единицах
- Логарифмический (dB) — интенсивность в децибелах
$$
G_\text{dB}(\theta) = 10 \log_{10}(G(\theta))
$$
где \( G(\theta) \) — линейная диаграмма направленности.
Сравнение масштабов отображения
| Масштаб | Формула | Особенности | Пример значения |
|---|---|---|---|
| Линейный | $$ I = \frac{P}{P_{\text{max}}} $$ | Показывает относительную мощность (или интенсивность) излучения в долях от максимального значения (0…1). Хорош для наглядности формы диаграммы. | 0.75 (75% от макс.) |
| Логарифмический | $$ L = 10 \log_{10}\left( \frac{P}{P_{\text{max}}} \right) $$ | Показывает интенсивность в децибелах. Хорошо отображает слабые боковые лепестки и подавление, особенно в решётках и направленных антеннах. | -3 dB (падение вдвое), -20 dB (в 100 раз слабее) |
Совет: используйте логарифмический масштаб для анализа направленности и подавления боковых лепестков, а линейный — для визуальной формы излучения.
Диаграммы E- и H-плоскостей
E-плоскость соответствует плоскости электрического поля, H-плоскость — магнитного. Для большинства антенн:
- E-плоскость — вертикальный разрез диаграммы
- H-плоскость — горизонтальный
Калькулятор позволяет наглядно сравнивать и анализировать свойства различных антенн, оценивать направленность, ширину главного лепестка (FNBW), уровень боковых лепестков, а также выбирать оптимальный фазовый сдвиг и количество элементов при проектировании антенных решёток. Подробнее про различные типы антенн читайте в этом справочнике.
