Усиление антенн зависит от площади раскрыва. Антенны апертурного типа имеют усиление, пропорциональное площади поверхности раскрыва. Антенные решетки имеют несколько большее усиление, чем это следует из учета только площади их поверхности. На рис. 6.46 приведены графики, позволяющие провести сравнение усиления различных типов антенн.
Кривая 2 характеризует теоретический предел усиления апертурных антенн, имеющих равномерное возбуждение поверхности раскрыва. К теоретическому значению приближается усиление, которое можно получить, используя антенную решетку. Линия 3 соответствует усилению, которое реализуется с помощью зеркальных параболических антенн. Кривая 1 характеризует усиление антенн типа Уда—Яги, отнесенное к электрической длине антенны, т. е. к l/λ. Так, например, для достижения усиления 17 дБ необходимо иметь антенну длиной 6λ. Такое же усиление создает антенна, площадь поверхности раскрыва которой, имеющая равномерное возбуждение, равна 8λ2. И, наконец, такое усиление имеет параболическая зеркальная антенна, площадь поверхности раскрыва которой равна 13λ2.
Диаграмма направленности прямоугольной апертуры с равномерным по амплитуде возбуждением описывается формулой $$\begin{equation}F\left(\theta\right)=\frac{\sin\left(\dfrac{\pi{a}}{\lambda}\sin\theta\right)}{\left(\dfrac{\pi{a}}{\lambda}\sin\theta\right)}\end{equation}\tag{6.6}$$ где a = b — стороны прямоугольной апертуры.
Ширина главного лепестка при условии, что а = b, составляет αE = αH = 0,88λ/a = 50,5°λ/a. Положение первого нуля диаграммы направленности определяется по формуле α0 = 57,3°λ/a.
Уровень первого бокового лепестка составляет —13,2 дБ.
Изменяя распределение поля по раскрыву антенны, можно в больших пределах изменять форму диаграммы направленности, в том числе можно уменьшить уровень первого бокового лепестка, правда, ценой уменьшения коэффициента усиления и расширения главного лепестка диаграммы.
В антенных решетках существенным является равенство фаз всех излучающих элементов, что необходимо для создания максимального усиления антенны в направлении, перпендикулярном полотну решетки.
Всякое отклонение от равнофазового (синфазного) возбуждения приводит к уменьшению коэффициента усиления, росту уровня боковых лепестков.
Как правило, в диапазоне КВ и в нижней части диапазона УКВ основным элементом антенной решетки является диполь, обычно волновый диполь. Волновый диполь обладает достаточной собственной направленностью и, кроме того, большим входным сопротивлением, что позволяет соединять параллельно большую группу таких излучателей для согласования с линией питания, волновое сопротивление которой изменяется в пределах от 50 до 300 Ом. Входное сопротивление волнового диполя, питание к которому подводится посередине, зависит от отношения l/d (см. график на рис. 2.82).
Собственное усиление волнового диполя суммируется с усилением антенной системы. Эффективная площадь поверхности раскрыва волнового диполя Aэфф = 0,19λ2.
Апертура волнового диполя имеет форму эллипса (рис. 6.47а), оси которого равны 0,2λ и 1,33λ. Система, содержащая n диполей, длина которых равна длине волны, имеет усиление G = 4n и эффективную площадь поверхности раскрыва Aэфф = λ2n/π (рис. 6.47б).
Если за решеткой диполей расположить решетку рефлекторов, то это приведет к дальнейшему увеличению усиления антенны. Решетка рефлекторов размещается обычно на расстоянии 0,25λ от решетки излучающих диполей.
Существуют два способа размещения диполей, создающих антенную решетку. В первом случае эффективные площади поверхности раскрыва отдельных излучателей пересекаются между собой, а во втором — касаются друг друга (рис. 6.48). Оптимальным решением является размещение диполей на расстоянии dH = dE ≥ 1,6∙√(Aэфф/π). При этом расстоянии еще не наступает значительного уменьшения усиления, а боковые лепестки диаграммы направленности антенной решетки достаточно сильно ослаблены.
Усиление антенной системы, содержащей 12 элементов (6 вибраторов и 6 рефлекторов) (см. рис. 6.47в), составляет 12×4 = 48, или 16,8 дБ. Две такие системы имеют теоретический уровень усиления 19,8 дБ, а четыре — 22,8 дБ. Практически удается достичь только значения 21,5 дБ.