Основные параметры антенн: характеристики и особенности — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Какие ключевые параметры определяют свойства антенн. Как измеряется направленность антенны. Что такое коэффициент усиления и КПД антенны. Какую роль играет диаграмма направленности.

Содержание

Диаграмма направленности антенны

Диаграмма направленности является одним из важнейших параметров, характеризующих свойства антенны. Она представляет собой графическое изображение зависимости интенсивности излучения антенны от направления в пространстве.

Основные характеристики диаграммы направленности:

Ширина главного лепестка — угловая ширина области максимального излучения
Уровень боковых лепестков — интенсивность излучения в нежелательных направлениях
Коэффициент направленного действия — отношение максимальной интенсивности излучения к средней

Чем уже главный лепесток и ниже уровень боковых, тем более направленной является антенна. Это позволяет сконцентрировать энергию излучения в нужном направлении.

Коэффициент усиления антенны

Коэффициент усиления антенны определяет, во сколько раз мощность на выходе антенны больше мощности эталонного излучателя при одинаковой подводимой мощности. Он учитывает как направленные свойства, так и потери в антенне.

Коэффициент усиления выражается в децибелах и рассчитывается по формуле:

G = 10 log (P₁ / P₀)

где P₁ — мощность на выходе исследуемой антенны, P₀ — мощность эталонного излучателя.

Чем выше коэффициент усиления, тем эффективнее антенна концентрирует энергию в заданном направлении. Типичные значения составляют от 0 до 30 дБ.

КПД антенны

КПД антенны характеризует ее энергетическую эффективность и определяется как отношение излучаемой мощности к подводимой:

η = P_изл / P_подв

КПД учитывает потери в материале антенны, диэлектрике и окружающих предметах. Для эффективных антенн он составляет 60-90%.

Основные факторы, влияющие на КПД антенны:

Качество проводящих элементов
Согласование входного сопротивления
Рабочая частота
Конструкция антенны

Повышение КПД позволяет увеличить дальность связи и снизить необходимую мощность передатчика.

Входное сопротивление антенны

Входное сопротивление антенны определяет согласование с питающим фидером и передатчиком. Оно состоит из активной и реактивной составляющих:

Z_вх = R_вх + jX_вх

Для эффективной передачи энергии необходимо обеспечить равенство входного сопротивления антенны волновому сопротивлению фидера. Это достигается с помощью цепей согласования.

Какие факторы влияют на входное сопротивление антенны?

Геометрические размеры
Конструкция антенны
Рабочая частота

Близость окружающих объектов

Правильное согласование позволяет минимизировать отраженную волну и повысить эффективность антенной системы.

Поляризация антенны

Поляризация антенны определяет ориентацию вектора напряженности электрического поля излучаемой волны в пространстве. Основные типы поляризации:

Линейная (вертикальная, горизонтальная)
Круговая (правая, левая)
Эллиптическая

Поляризация передающей и приемной антенн должны совпадать для обеспечения максимальной эффективности системы связи. При рассогласовании поляризаций возникают дополнительные потери.

От чего зависит поляризация антенны?

Конструкция излучающих элементов
Способ возбуждения антенны
Ориентация антенны в пространстве

Выбор поляризации определяется требованиями конкретного применения антенны.

Эффективная площадь антенны

Эффективная площадь характеризует способность антенны улавливать энергию падающей электромагнитной волны. Она определяется как отношение мощности, выделяемой антенной в согласованной нагрузке, к плотности потока мощности падающей волны:

A_эфф = P_н / П

где P_н — мощность в нагрузке, П — плотность потока мощности.

Эффективная площадь связана с коэффициентом усиления антенны соотношением:

A_эфф = (λ² / 4π) * G

где λ — длина волны, G — коэффициент усиления.

Чем больше эффективная площадь, тем выше чувствительность антенны при приеме слабых сигналов.

Полоса пропускания антенны

Полоса пропускания определяет диапазон частот, в котором антенна сохраняет заданные характеристики. Она ограничивается частотами, на которых параметры антенны отклоняются от номинальных на допустимую величину.

Основные факторы, влияющие на полосу пропускания:

Геометрические размеры антенны

Конструкция излучающих элементов
Способ возбуждения
Согласование входного сопротивления

Широкополосные антенны позволяют работать в большом диапазоне частот без перестройки. Это важно для многодиапазонных систем связи.

Как определяется полоса пропускания антенны?

По уровню КСВ (обычно не более 2)
По снижению коэффициента усиления на 3 дБ
По изменению формы диаграммы направленности

Расширение полосы пропускания часто требует компромисса с другими характеристиками антенны.

Входной импеданс антенны

Входной импеданс антенны определяет согласование с линией питания и передатчиком. Он представляет собой комплексную величину:

Z_вх = R_вх + jX_вх

где R_вх — активная составляющая, X_вх — реактивная составляющая.

Активная часть определяет потери энергии на излучение и тепловые потери. Реактивная часть характеризует обмен энергией между антенной и ближним полем.

Почему важно согласование входного импеданса?

Обеспечивает максимальную передачу мощности
Минимизирует отраженную волну
Снижает потери в фидере
Повышает КПД антенной системы

Согласование достигается с помощью специальных цепей или выбором оптимальной точки питания антенны.

Коэффициент направленного действия

Коэффициент направленного действия (КНД) характеризует способность антенны концентрировать излучаемую энергию в заданном направлении. Он определяется как отношение интенсивности излучения в данном направлении к средней интенсивности:

D = 4π * U(θ,φ) / P_изл

где U(θ,φ) — интенсивность излучения, P

изл — полная излучаемая мощность.

КНД показывает, во сколько раз мощность излучения в главном направлении больше, чем у изотропного излучателя при одинаковой подводимой мощности.

Основные факторы, влияющие на КНД:

Размеры антенны
Форма диаграммы направленности
Уровень боковых лепестков

Повышение КНД позволяет увеличить дальность связи и снизить влияние помех с других направлений.

Действующая длина антенны

Действующая длина характеризует эффективность антенны как преобразователя энергии электромагнитного поля в ток (при приеме) или тока в поле (при передаче). Она определяется выражением:

l_д = I / (j * ω * ε * E)

где I — ток в антенне, E — напряженность поля, ω — круговая частота, ε — диэлектрическая проницаемость среды.

Действующая длина всегда меньше геометрической длины антенны из-за неравномерного распределения тока.

От чего зависит действующая длина антенны?

Геометрические размеры
Конструкция антенны
Частота сигнала
Распределение тока

Знание действующей длины позволяет рассчитать ЭДС, наводимую в антенне при приеме.

Основные характеристики и параметры антенн

Излучаемая мощность Р_и — мощность электромагнитных волн, излучаемых антенной в свободное пространство. Это активная мощность, так как рассеивается в пространстве, окружающем антенну. Следовательно, излучаемую мощность можно выразим, через активное сопротивление, называемое сопротивлением излучения R_и:

где I_а — эффективный ток на входе антенны.

Сопротивление излучения характеризует способность антенны к излучению электромагнитной энергии и в большей степени характеризует качество антенны, чем излучаемая ею мощность, поскольку последняя зависит не только от свойств антенны, но и от создаваемого в ней тока.

Мощность потерь Р_п — мощность, бесполезно теряемая передатчиком во время прохождения тока по проводам антенны, в земле и предметах, расположенных вблизи антенны. Эта мощность также является активной и может быть выражена через активное сопротивление, называемое сопротивлением потерь:

Мощность в антенне Р_а — мощность, подводимая к антенне от передатчика. Эту мощность можно представить в видесуммы излучаемой мощности и мощности потерь:

Коэффициент полезного действия (КПД) антенны η — отношение излучаемой мощности к мощности, подводимой к антенне:

Входное сопротивление антенны — сопротивление на входных зажимах антенны. Оно имеет реактивную и активную составляющие. При настройке в резонанс антенна представляет для генератора чисто активную нагрузку и используется наиболее эффективно.

Направленность антенны — способность излучать электромагнитные волны в определенных направлениях. Об этом свойстве антенны судят по диаграмме направленности, которая графически показывает зависимость напряженности поля или излучаемой мощности от направления. Практически пользуются нормированными диаграммами направленности, где величины, характеризующие напряженность поля или мощность излучения, выражены не в абсолютных значениях, а отнесены к максимальному значению. В целях упрощения обычно используют не пространственную диаграмму направленности, а ограничиваются диаграммами направленности в двух плоскостях: горизонтальной и вертикальной.

На рис. 1.4, а показана диаграмма направленности симметричного вертикального вибратора в горизонтальной плоскости,

Рисунок 1.4

а на рис. 1.4 б и в — в вертикальной плоскости в полярной и прямоугольной системах координат соответственно.

Шириной диаграммы направленности называют угол 2Θ (см.рис. 1.4, б и в), в пределах которого мощность излучения уменьшается не более чем в 2 раза по сравнению с мощностью в направлении максимального излучения. Так как мощность пропорциональна квадрату напряженности поля, то границы угла раствора диаграммы направленности определяются величиной от напряженности поля в направлении максимального излучения.

Коэффициентом направленного действия D — называется отношение плотности потока мощности, излучаемой данной антенной в определенном направлении, к плотности потока общей излучаемой мощности в обеих антеннах. Наибольший интерес представляет коэффициент направленного действия D в направлении максимального излучения:

Коэффициентом усиления антенны G_a— называется произведение коэффициента направленного действия антенны на ее КПД, т. е.

Этот коэффициент дает полную характеристику антенны: он учитывает, с одной стороны, концентрацию энергии в определенном направлении благодаря направленным свойствам антенны, а с другой стороны, уменьшение излучения вследствие потерь мощности в антенне.

Преимущественное излучение антенн в заданном направлении эквивалентно увеличению мощности передатчика. Следовательно, направленность передающей антенны весьма желательна. Исключение составляют антенны радиостанций, предназначенных для обслуживания определенного района, в центре которого находится станция. Такие антенны не должны обладать направленностью в горизонтальной плоскости.

Действующая высота антенны А_д. Количество энергии, излучаемой каждым элементом антенны, пропорционально проходящему по нему току. Так как распределение тока в антенне неравномерно, то излучение различными элементами неодинаково: оно наиболее интенсивно в пучности тока и равно нулю в узле тока (рис. 1.5).

Если площадь, охватываемую кривой распределения тока и проводом антенны, заменить равным по площади прямоугольником, то количество излучаемой энергии не изменится. Полагая основание прямоугольника равным по величине амплитуде тока в основании антенны I_мо, получаем высоту прямоугольника, называемую действующей высотой антенны ().

Рис. 1.5 К определению действующей высоты антенны Рис.1.6 Распределение тока в Г – и Т- образных антеннах

Особенно важно понятие действующей высоты для приемных антенн, у которых оно определяет величину наводимой в них ЭДС:

где Ε — напряженность поля. Для того чтобы увеличить А_д, стремятся по возможности обеспечить более равномерное распределение тока по вертикальной части антенны. Это достигается путем добавления к вертикальному проводу горизонтальных проводов, так называемых «емкостных шапок » На рис. 1.6, а и б показано распределение тока в Г- и Т- образных антеннах соответственно.

Антенны метровых, дециметровых и сантиметровых волн

Диапазон метровых (а в перспективе и дециметровых) волн используется в основном для телевидения, радиовещания и ЧМ радиосвязи с подвижными объектами. Диапазон сантиметровых волн отведен для различных видов многоканальной связи. Антенны указанных диапазонов можно разделить на две группы: вибраторные и поверхностные. К первой группе относятся одиночные вибраторы и антенны, состоящие из ряда вибраторов. Ко второй группе относятся, в частности, рупорные и рефлекторные антенны.

Телевизионные передающие антенны должны обеспечивать возможно большую зону обслуживания, так как в большинстве случаев телецентр располагается вблизи середины зоны обслуживания, диаграмма направленности передающей антенны в горизонтальной плоскости должна быть круглой. Для уменьшения бесполезного излучения сигнала в верхнее полупространство в вертикальной плоскости желательна концентрация излучения в направлении горизонта. Кроме того, передающая антенна должна обеспечивать широкую полосу пропускания порядка 8 МГц.

Приемная телевизионная антенна, в отличие от передающей, должна обладать направленными свойствами для подавления возможных помех с направлений, не совпадающих с направлением на телецентр, и особенно для подавления сигналов от ближайших зданий и других препятствий. Прием запаздывающих сигналов приводит к многоконтурности изображения.

Наибольшее распространение получила приемная антенна типа «волновой канал» (рис 1.7). Активный вибратор 1 антенны выполнен в виде симметричного или чаще петлевого. С этого вибратора кабель снижения подается к телевизионному приемнику. За вибратором 1 располагается пассивный вибратор (рефлектор) 2, длина которого несколько больше активного, а перед активным— один или несколько пассивных вибраторов (директоров) 3 длиной, несколько меньшей активного вибратора.

Рис. 1.7 Антенна типа «волновой канал»

В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн широко применяется антенна в виде рупора. Простейшей рупорной антенной является открытый конец металлической трубы прямоугольного или круглого сечения (волновода). Излучающая часть антенны называется раскрывом антенны. Отверстие волновода можно рассматривать как многовибраторную антенну, образованную из большого числа элементарных излучателей. Но такая антенна обладает недостатками. Резкое изменение условий распространения на открытом конце волновода приводит к значительному отражению. Кроме того, в раскрыве имеет место огибание излученными волнами краев конца волновода, что ухудшает направленные свойства антенны. Для уменьшения отражений и улучшения направленных свойств конец волновода выполняют в виде рупора (рис. 1.8).

Направленность рупорной антенны увеличивается с ростом площади раскрыва рупора. В качестве самостоятельных антенн рупоры применяются редко, но часто входят в конструкцию многих более сложных антенн.

Рис. 1.8. Рупорная антенна

Рис. 1.9. Параболическая рефлекторная антенна

Одной из таких антенн является зеркальная параболическая рефлекторная антенна (рис. 1.9). В этой антенне роль отражателя выполняет не пассивный вибратор, а металлическое зеркало, имеющее форму параболоида вращения или параболического цилиндра.

В фокусе параболоида 1 закреплен параболическая антенна с помощью волновода 2 облучатель 3 в виде рупорной антенны. Параболоид обладает тем свойством, что длина пути луча от фокуса О до некоторой плоскости, перпендикулярной от параболы, одинакова. Поэтому лучи ОАВ, ОСЕ и другие будут иметь в плоскости выходного отверстия параболоида и правее ее одинаковую фазу. Диаметр отверстия параболоида выбирается порядка (10 …40)λ, фокусное расстояние 0,35 …0,4 диаметра. При этом антенна излучает почти параллельный пучок лучей. Коэффициент натравленного действия таких антенн очень высок и достигает 10⁴.

Параметры антенн — 3G-aerial

Информация о материале: Создано: 16 апреля 2016; Просмотров: 19051

Рассмотрим в этой статье, уважаемый аноним, основные параметры, которыми характеризуются антенны, чтобы, как говорится быть в теме.

Прежде всего необходимо уяснить, что любая антенна обладает свойством взаимности. Это означает, что она может как принимать так и излучать радиоволны, причем ее характеристики при этом не меняются. Определить характеристики антенны можно как в режиме излучения, так и приема. При этом любая характеристика антенны будет справедлива для обоих режимов.

Диаграмма направленности антенны. Нормированный к единице 3-D график, характеризующий направленные свойства антенны. На график наносится величина принятой мощности в зависимости от угла прихода падающего на антенну электромагнитного поля одинаковой интенсивности. Максимальное значение принимается за единицу и соответствует началу отсчета углов — 0°. Обычно этот график симметричен, что позволяет ограничиться двумя его сечениями в E и H плоскостях — плоскостях, совпадающих с направлениями электрического или магнитного вектора электромагнитного поля, которые всегда перпендикулярны. Главный лепесток диаграммы направленности имеет максимальное значение, кроме него, в реальной антенне всегда присутствуют боковые и задний лепестки, имеющие гораздо меньшую величину. Важное значение имеет параметр — ширина главного лепестка. Это ширина углового сектора, границами которого являются точки, в которых уровень принимаемой мощности снижается в два раза (-3dB), а напряжение, соответственно 70.7% от максимального значения.
Коэффициент усиления антенны. Отношение мощности, принятой этой антенной к мощности, которую бы принял изотропный излучатель — идеальный, «сферический в вакууме» источник без потерь, равномерно излучающий во все стороны. Чем уже главный лепесток диаграммы направленности — тем выше коэффициент усиления антенны. Кроме того он зависит от КПД.
Сопротивления излучения и потерь, КПД. Отношение величины мощности излучаемой антенной к квадрату максимальной величины тока в ней называется сопротивлением излучения. Физически этого сопротивления в привычном нам смысле не существует. Это просто удобная характеристика антенны, а вот сопротивление потерь имеет вполне реальную основу. Оно характеризует тепловые потери энергии в проводниках, диэлектрике, в земле и в окружающих антенну предметах. Это есть отношение мощности этих потерь к квадрату максимальной величины тока в антенне. Чем выше сопротивление излучения антенны в сравнении с сопротивлением потерь — тем выше ее КПД.
Входной импеданс антенны. Понятно из названия, импеданс антенны измеренный относительно ее входа. В общем случае состоит из суммы активной и реактивной составляющих: Z = R_a + jX_a. Многие путают активную составляющую входного импеданса — входное сопротивление антенны R_a и сопротивление излучения. Они совпадают только если максимум тока в антенне приходится на ее входные зажимы (например у полуволнового диполя), да и то если пренебречь потерями. В общем случае это две большие разницы.
Эффективная площадь раскрыва антенны. Площадь, перпендикулярная вектору Умова-Пойтинга, с которой собирается энергия электромагнитной волны. В случае с апертурными антеннами (рупорной, зеркальной), эта площадь почти совпадает с реальной площадью апертуры (зеркала). В случае одиночного полуволнового диполя эта площадь представляет из себя воображаемый эллипс со сторонами 3λ/4 и λ/4. Эффективная площадь раскрыва увеличивается при увеличении усиления антенны, поэтому размеры эллипса вокруг диполя, входящего в состав Uda-Yagi, значительно больше. При проектировании антенной решетки важно располагать соседние антенны в стеке так, чтобы их апертуры не перекрывали друг друга.
Частотный диапазон и ширина полосы пропускания — рабочий диапазон частот, в котором антенна удовлетворяет заявленным электрическим и энергетическим параметрам и разность макимальной и минимальной частот этого диапазона, соответственно. Можно определять используя в качестве критерия максимально допустимый КСВ, коэффициент усиления и другие параметры антенны. При этом полоса пропускания определенная по одному из критериев может не совпадать с полосой, оределенной по другому. Это следует иметь ввиду.

Это далеко не полный перечень основных параметров, которыми характеризуются антенны, например в теории СВЧ антенн большую роль играют S-параметры антенны. Важно понимать, что усиление антенны, определяется ее свойством направлять поток энергии электромагнитного поля в нужном нам направлении. Аналогично тому как работает прожектор. При этом увеличения количества самой этой энергии в антенне не происходит.

Литература по теме:

Беньковский 3. , Липинский Э. Любительские антенны Коротких и Ультракоротких волн (1983)

Advertising on the website

Основные параметры антенны – краткий справочник

17 декабря 2019 г.

Мэтью Баас

Краткое изложение основных параметров антенны в обозначениях, используемых в Стелленбосском университете.

TL;DR: После нескольких курсов по электромагнетизму и введения в теорию антенн основные параметры, характеризующие антенну, кажутся действительно важными, но через некоторое время я обнаружил, что немного забыл, что они означали. И при поиске в Интернете обозначения есть везде, и многие вещи не являются общими, но содержат много конкретных положений в своих определениях или уравнениях.

Итак, я хочу дать краткий обзор основных параметров антенны, используя обозначения, которые, как мне показалось, очень хорошо работают, т. е. обозначения, используемые факультетом электромагнетизма Стелленбосского университета. Этот пост предполагает, что читатель знаком с несколькими базовыми курсами по электромагнетизму, и он предназначен для быстрого справочника по определениям и уравнениям в обозначениях, используемых в Стелленбосе.

Основы электромагнитной записи

Декартовы координаты, параметризованные \(x, y, z\).
Сферические координаты, параметризованные \(r, \theta, \phi\).
Постоянная распространения равна \(\gamma = \alpha + j \beta\). По большей части при этом мы пренебрегаем потерями в среде (т.е. константой затухания \(\alpha = 0\)) и аппроксимируем среду с помощью \(\beta = \omega \sqrt{\mu \epsilon}\) . Обычно \(\mu = \mu_0\), \(\epsilon = \epsilon_0 \epsilon_r\) для относительной диэлектрической проницаемости \(\epsilon_r\). Я постараюсь прояснить, полагаюсь ли я на это предположение, и сведу его использование к минимуму.
Мы сосредоточим наш анализ и параметризуем вещи с точки зрения напряженности электрического поля \(\vec{E}\) и напряженности магнитного поля \(\vec{H}\).
Все переменные поля \(\vec{E}, \vec{H}\) обозначают векторных поля . Поскольку мы в основном обозначаем гармонические по времени векторные поля, предположим, что все обозначения величин поля являются векторами, если явно не указано иное. То есть, чтобы указать величину во временной области, я явно покажу временную зависимость. т. е. \(\vec{E}(x, y, z) = \vec{E}\) обозначает векторную величину, а \(\vec{E}(x, y, z, t) = \vec{E }(t)\) обозначает величину во временной области.
Ток обозначается \(I\), а плотность тока (поверхность/объем/линия) обозначается \(\vec{J}\).

Иногда векторные поля (которые имеют компоненты x, y, z в декартовых координатах) обозначаются векторной стрелкой над переменной (используется здесь) или жирным шрифтом переменной. То есть \(\vec{E} = \mathbf{E} = E_x \mathbf{a_x} + E_y \mathbf{a_y} + E_z \mathbf{a_z}\) для единичных векторов \(\mathbf{a_x}, \mathbf{a_y}, \mathbf{a_z}\) в направлениях +x, +y и +z соответственно.

п}\)) , а членами, пропорциональными младшим степеням \(r\), пренебрегаем. В таких случаях векторы полей E и H перпендикулярны друг другу, но не обязательно перпендикулярны направлению распространения.
Дальнее поле
Дальнее поле , наоборот, является областью, «удалённой» от конструкции антенны (решетки). Точно не установлено, но в целом достаточно, чтобы выражение для поля E и H можно было аппроксимировать только членом, пропорциональным \(\frac{1}{r}\) , а членами более высокого порядка можно пренебречь. В таких случаях векторы полей Е и Н перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны.
Обычно величины в ближней зоне труднее анализировать, чем величины в дальней зоне, из-за сложных взаимодействий вблизи поверхности антенных структур. Есть несколько выражений, которые можно использовать, чтобы судить о том, подходят ли приближения дальнего или ближнего поля для данного радиуса \(r\).
1. Диаграммы направленности и графики
1.1 Определение: Диаграмма направленности
Диаграмма направленности антенны определяется как величина/абсолютное значение части зависимости поля E (или H) от \(\theta\) и \(\phi\) в дальней зоне область, край. Конкретно, в дальней зоне поле E (и H) всегда будет выражаться как:
. \[\vec{E} = F(\theta, \phi) E(r)\qquad \vec{H} = F(\theta, \phi) H(r)\]
Для некоторой функции \(F\), зависящей только от \(\theta\) и \(\phi\). Выражение \(|F(\theta, \phi)|\) определяется как диаграмма направленности антенны. Для диполя Герца это равно \(|\sin(\theta)|\).
1.2 Построение диаграмм направленности
Для построения диаграммы направленности \(|F(\theta, \phi)|\) с \(\theta\) и \(\phi\) в качестве независимых переменных и \(F(\theta, \phi)\ ) в качестве зависимой переменной мы можем использовать либо декартовых координат, либо полярных координат. Два вида графиков для диполя Герца показаны ниже:
В декартовом графике высота \(z\) является зависимым параметром, а в полярном/сферическом графике радиус \(r\) является зависимым параметром. Оба типа графиков используются, однако обычно для упрощения мы строим только 2D-срезы таких 3D-графиков. Двумерные срезы через определенные плоскости имеют особое значение, о чем пойдет речь далее.
1.3 Определение: H-плоскость
H-плоскость — это плоскость в текущей системе координат, которая перпендикулярна вектору тока антенны \(\vec{J}\) . Обычно это также плоскость, содержащая вектор дальнего поля \(\vec{H}\). Плоскости H и E обычно используются для построения одномерных графиков E-поля или \(F\) i.t.o либо \(\phi\), либо \(\theta\).
Для диполя, ориентированного по оси z, это плоскость xy. Итак, если бы мы построили \(F\) (или |E| или |H|, если уж на то пошло) в H-плоскости для диполя Герца, это будет прямая горизонтальная линия i. t.o \(\phi\). Поскольку в плоскости H единственная переменная, которая изменяется в сферической системе координат, — это \(\phi\), и из трехмерного полярного графика на изображении выше, вы можете видеть, что плоскость xy пересекает поверхность под углом постоянный радиус от начала координат (и, следовательно, постоянный \(F\), поскольку именно так определяются трехмерные полярные графики).
1.4 Определение: самолет E
И наоборот, E-плоскость — это плоскость , содержащая вектор тока антенны \(\vec{J}\) . Обычно это плоскость, содержащая вектор \(\vec{E}\) и содержащая направление максимального излучаемого E-поля. Для диполя Герца (с направленным током +z, как показано ранее) это любая плоскость с постоянным \(\phi\) (то есть любая плоскость, перпендикулярная плоскости xy).
Плоскости E и H всегда перпендикулярны друг другу. Для диполя Герца, если бы мы построили \(F(\theta, \phi)\) (или |E|, |H|) против \(\тета\) (поскольку диаграмма направленности зависит только от \(\theta, \phi\), а E-плоскость от определение для константы \(\phi\)), тогда мы увидим график \(|\sin(\theta)|\) против \(\тета\). 2]\]
Это вектор мгновенного распространения мощности. Однако это мгновенная величина, и для использования векторной области нам нужно выразить поля E и H в виде векторов, и в этом случае мгновенное значение бесполезно. Таким образом, имея дело с векторами и антеннами, мы работаем со средней по времени мощностью \(\vec{P}_{avg}\) (некоторых гармонических во времени электрических и магнитных полей). То есть
\[\vec{P}_{avg} = \frac{1}{T} \int_T \vec{P}(t) dt\]
Что можно показать, используя определение вектора Пойнтинга, для упрощения, когда E и H являются синусоидальными векторными полями, до: 92]\]
То есть половина действительной части вектора E пересекается с сопряженным вектором поля H. Этот \(\vec{P}_{avg}\) известен как усредненный по времени вектор Пойнтинга (также известный как интенсивность мощности ) (также известный как «комплексный вектор Пойнтинга», который странно называть, поскольку он определение реальное, но я не делал эти имена). Для многих антенных структур эта мощность излучается радиально наружу от антенной конструкции, поэтому, если антенная структура расположена в начале координат, то обычно направление \(\vec{P}_{avg}\) является радиально наружу.
2.1 Определение: Суммарная излучаемая мощность
Используя этот усредненный по времени вектор Пойнтинга, который является средней интенсивностью исходящей мощности в каждой точке пространства из-за токов антенны, мы можем найти полную излучаемую мощность, просто интегрируя по сферической поверхности вдали от антенны. То есть, мы определяем полную излучаемую мощность , \(P_r\) как:
\[P_r = \iint_S \vec{P}_{avg}\ \cdot\ \mathbf{\vec{a}_r}\ ds \qquad [W]\]
Где \(\mathbf{\vec{a}_r}\) — единичный вектор в радиальном направлении наружу (при условии, что центр антенны находится в начале координат). Обратите внимание, что интенсивность мощности, общая излучаемая мощность, которые я определяю здесь, относятся только к 92\), также всегда верно, что приведенное выше уравнение полной излучаемой мощности должно упроститься до константы (относительно радиуса) после вычисления интеграла.
2.2 Определение: Интенсивность излучения
Интенсивность излучения антенны представляет собой мощность, излучаемую на единицу телесного угла , с телесными углами в стерадианах. Он обозначается символом \(U(\theta, \phi)\) и в целом зависит от \(\phi\) и \(\theta\) (но не 92\).
2.3 Определение: Входная мощность
Входная мощность \(P_i\) определяется как общая мощность, доступная для антенны на клеммах антенны (т. е. после того, как часть мощности источника была отражена из-за несоответствия импеданса вдоль линии передачи). Полная излучаемая мощность и входная мощность связаны соотношением: \(P_r = P_i — P_l\) Где \(P_l\) — общие потери мощности из-за неидеальных эффектов (таких как потери мощности из-за сопротивления проводника или ненулевой постоянной затухания).
3. Усиление и направленность
Все следующие параметры относятся к поведению конкретного антенного элемента в дальней зоне.
3.
1 Определение: направленное усиление
Директивное усиление \(G_D (\theta, \phi)\) представляет собой отношение величины интенсивности мощности (она же усредненный по времени вектор Пойнтинга) при определенном \(\theta, phi\) к мощности интенсивность фиктивного антенного элемента, который излучал ту же общую мощность , что и рассматриваемая антенна, но делает это 92}{P_r} = \frac{4\pi U(\theta, \phi)}{P_r}\]
Поскольку это отношение, оно безразмерно. Другими словами, направленный коэффициент усиления представляет собой отношение [сила мощности при некотором \(\theta, \phi\)]/[средняя интенсивность мощности при любом \(\theta, \phi\) некоторой фиктивной антенны, имеющей такое же полную излучаемую мощность, как у исходной антенны, и изотропно рассеивает эту мощность]. Этот параметр является одним из наиболее важных для характеристики элементов антенны. Его часто выражают в децибелах (дБ), и, поскольку это уже отношение мощностей, чтобы преобразовать числовое значение \(G_D\) в дБ, просто введите \(10\log(G_D)\).
3.2 Определение: Директива
Направленность антенны, \(D\), является максимальным направленным усилением . То есть
\[D = \max \{G_D (\тета, \фи)\}\]
Это дает представление о том, насколько хорошо антенна может фокусировать свою излучаемую мощность в определенном направлении. Чем выше \(D\), тем больше антенна может направить свои излучаемые дальние поля на какой-либо приемник. Обратите внимание, что это не следует путать с направленным усилением, однако в некоторых текстах просто называть что-то «направленностью» иногда на самом деле относится к направленному усилению. 92}{P_i} = \frac{4\pi U(\theta, \phi)}{P_i}\]
Обратите внимание, что коэффициент усиления по мощности иногда называют просто «усилением» антенны. Единственная разница между усилением по мощности и направленным усилением состоит в том, что усиление по мощности нормализовано с входной мощностью , подаваемой на антенну. Таким образом, \(G_p\) обычно немного ниже, чем \(G_D\), поскольку общая излучаемая мощность на меньше общей входной мощности из-за потерь. Опять же, и \(G_p\), и \(D\) часто выражаются в децибелах.
Существует еще одно усиление, называемое реализованным усилением , которое нормализуется не с излучаемой или входной мощностью, а с фактической мощностью источника, подаваемого по линии передачи в антенну. Это снова даже ниже, чем коэффициент усиления по мощности, потому что входная мощность антенны представляет собой мощность источника за вычетом мощности, потерянной в линии передачи из-за среды с небольшими потерями.
3.4 Определение: Эффективность излучения
Эффективность излучения — это просто отношение излучаемой мощности к входной мощности. То есть, \(\eta_r = \frac{P_r}{P_i} = \frac{G_p}{D} \le 1\)
4. Сопротивление и длина
Еще два параметра, которые часто используются для характеристики антенны, — это сопротивление излучению и эффективная длина.
4.1 Определение: Радиационная стойкость
Радиационное сопротивление — это такое значение резистора, что , если тот же ток \(I\), который течет в антенне, течет через резистор , антенна будет иметь такую же полную излучаемую мощность , как и омическая мощность, рассеиваемая на резисторе. то есть 92 р_р\]
Где \(R_r\) — сопротивление излучения в Омах, а \(I\) — ток, протекающий в антенном элементе. По сути, это «эквивалентное сопротивление» для антенны, и его можно использовать для согласования линий передачи. Отдельное значение сопротивления можно найти для потерь мощности \(P_l\) как \(R_l\), используя аналогичную процедуру. Затем антенну можно смоделировать как сопротивление излучения последовательно с \(R_l\).
4.2 Определение: Эффективная длина
Эффективная длина антенны — это длина \(l_e\) линейного тока постоянной (фазорной) величины, которая излучает такое же (дальнее поле) E-поля величиной , что и исходная антенна , в направлении, где максимальная диаграмма направленности исходной антенны возникает , когда величина линейного тока совпадает с максимальным током в исходной антенне. То есть, учитывая общее дальнее поле \(\vec{E}_{\text{line}}\) линейного тока, какой длины должен быть этот линейный ток, чтобы он имел ту же величину в направлении, где исходная антенна имела максимальную амплитуду. Из некоторой математики мы можем показать 9{-j\бета г}}{г}\]
(Не беспокойтесь о символах и обозначениях для \(\vec{E}_{\text{line}}\)). Затем, если рассматриваемая антенна имеет выражение E-поля, заданное \(\vec{E}\), то определение эффективной длины выполняется путем установки:
\[|\vec{E}_{\text{line}}(\theta,\phi,r)| = |\vec{E}(\theta, \phi, r)| \quad \text{такой, что}\quad \theta,\ \phi = \arg\max_{\theta,\\phi} \{ |\vec{E}(\theta, \phi, r)| \}\]
И решение для \(l_e\). Это часто зависит от частоты излучения.
5. Лучи и формы
Фактическая форма диаграмм направленности классифицируется по нескольким параметрам. Обычно, если мы строим диаграммы направленности в E-плоскости (либо декартовы координаты \(|\vec{E}|\) vs \(\theta\) как y и x, либо полярные с \(|\vec{E}| \) vs \(\theta\) as r и \(\theta\)), то мы наблюдаем несколько максимумов и минимумов величин E-поля. Например, вот грубая диаграмма формы, которую мы ожидаем увидеть, из Википедии:
.
Это полярная диаграмма величины E-поля в E-плоскости для некоторой антенны средней сложности. Каждая область между двумя минимумами в диаграмме направленности/величине E-поля называется лепестком излучения .
5.1 Определение: Главный лепесток
Главный лепесток — это лепесток излучения, центрированный вокруг направления максимальной величины электронного поля / максимальной диаграммы направленности \(F(\theta, \phi)\).
5.2 Определение: боковые лепестки
Боковые лепестки — это, как правило, все радиационные лепестки, которые не являются главными лепестками. Задняя доля иногда включается в боковые доли.
5.3 Определение: ширина луча
Ширина луча антенны равна угловому размеру главного лепестка . Обычно его количественно определяют с помощью переменной в 5.4.
5.4 Определение: ширина луча половинной мощности
Ширина луча по половинной мощности (HPBW) — это ширина луча, измеренная как угол (в градусах или радианах) между двумя точками в главном лепестке, где интенсивность мощности/направленное усиление упали до половины своего максимума. Или, что то же самое, когда величина электрического поля или диаграмма направленности упали до коэффициента \(\frac{1}{\sqrt{2}}\) от их максимума в главном лепестке.
Для диполя Герца это 90 градусов.
5.5 Определение: уровень бокового лепестка
Уровень бокового лепестка (SLL) представляет собой отношение величин электрического поля между первым (и самым большим) максимумом бокового лепестка к максимальной величине электрического поля главного лепестка . Обычно это выражается в дБ. В качестве примера расчета SLL и HPBW см. ниже декартов график нормализованной величины электрического поля (такая же форма, что и диаграмма направленности \(|F(\theta, \phi)|\)) против \(\theta\) в некоторой E-плоскости для некоторого элемента антенны.
Antenna Массивы имеют еще больше терминологии и параметров, однако я пока недостаточно знаю, чтобы дать надежную ссылку на это. PS: если вы считаете, что я что-то не так, пожалуйста, дайте мне знать (оставьте сообщение в разделе «О программе»).
Супер спасибо замечательным преподавателям электромагнетизма на кафедре E&E в Стелленбоше, они действительно помогли мне хорошо понять содержание (вместе с Электромагнетизм поля и волн Ченга, однако это довольно сухое чтение).
В любом случае, я надеюсь, что это было немного полезно или, по крайней мере, выглядело круто. Хорошего дня.
теги: электромагниты — ссылка — антенны
Основные параметры антенны | Антенны AEM
Вот некоторые термины, которые инженеры по антеннам используют для описания антенны и ее характеристик. Знание некоторых из этих терминов позволяет нам говорить на одном языке при выборе антенны и характеристике ее характеристик! 9
Важные параметры антенны
Ниже приведены быстрые ссылки на термины характеристик антенны, поясняемые в этой статье.
Термин антенны Быстрое определение
Осевое отношение Отклонение поляризации от чисто ортогональных составляющих
Efficiency Ratio of energy radiated and energy supplied
EIRP / Gain Typically, maximum energy radiated around an antenna
Fractional Bandwidth Frequency bandwidth in percent
Front to Back Отношение Разделение усиления по оси визирования на усиление по обратному направлению
Ширина луча половинной мощности Угол между точками половинной мощности главного лепестка
Pattern Radiation in a sphere all around the antenna
Polarization Direction at which the electrical energy oscillates
Quality Factor Antenna bandwidth relative to center frequency
Return Loss / КСВ Отношение энергии, проходящей и возвращаемой на входной порт
Что такое антенна?
Антенна определяется как металлическая конструкция, которая может излучать или принимать радиочастотные сигналы.
Что такое EIRP/усиление антенны?
EIRP или эффективная изотропная излучаемая мощность — это количество энергии, рассеянной вокруг антенны. Это зависит от архитектуры антенны, и если указано одно значение, оно обычно является максимальным. В большинстве случаев единицы даются в дБм, но они также могут быть указаны в дБн (мощность, связанная с несущей) или дБд (мощность, связанная с идеальным диполем). Он рассчитывается путем объединения коэффициента усиления каскада усилителя с коэффициентом усиления антенны, как показано в формуле ниже.
Коэффициент усиления антенны — это только энергия, которая может излучаться, включая потери в фидере. Чем выше число, тем больше мощности может быть излучено в этом направлении.
Существует компромисс между усилением антенны и так называемой шириной луча половинной мощности (см. ниже): чем больше значение усиления, тем более узким будет главный луч антенны.
Учитывая входную мощность радиопередатчика Pt (дБм), потери L (дБ) и усиление антенны G (дБи), EIRP (дБм) можно рассчитать следующим образом.
(1)
Что такое диаграммы направленности антенн?
Диаграмма направленности антенны — это мера излучения сферы вокруг антенны. Как правило, диаграммы направленности антенн задаются в виде разрезов сферы в плоскости E или H. Шаблон E-плоскости содержит максимальный вектор электрического поля, а H-плоскость содержит максимальный вектор магнитного поля.
Структура поля может быть описана как всенаправленная , излучающая во всех направлениях или направленная , с сфокусированным основным лучом в определенном направлении.
Ширина луча половинной мощности (HPBW)
Если антенна описывается как направленная с главным лепестком, она характеризуется главным образом коэффициентом усиления. HPBW представляет собой угол между точками половинной мощности главного лепестка и пиковым усилением главного лепестка (т. е. угол между максимальным усилением и следующим усилением на -3 дБ ниже). Оба этих параметра могут дать представление об ожидаемой диаграмме направленности.
Обратные потери антенны / КСВ
Обратные потери антенны определяются количеством энергии, возвращаемой обратно на входной порт, и являются важным параметром характеристик антенны.
Чтобы излучать энергию радио в свободное пространство, радио должно быть согласовано с антенной (а антенна согласована с открытым пространством!). Любая энергия, не переданная или поглощенная как потеря, отражается обратно в радио. Измерение этой отраженной мощности называется обратными потерями или коэффициентом стоячей волны по напряжению.
Типичная микрополосковая печатная плата соответствует волновому сопротивлению 50 Ом. В действительности антенна не будет точно согласована, что приведет к коэффициенту рассогласования Gamma. Гамма — это линейный член, а обратные потери даны в единицах дБ. Возвратные потери можно рассчитать по входному импедансу антенны следующим образом.
(2)
(3)
Разработчики систем захотят ориентироваться на небольшие значения КСВ, где минимальное значение равно 1. Типичные значения КСВ находятся в диапазоне от 1 до 2. Возвратные потери приведены в дБ и типичных значениях будет меньше -10 дБ на центральной частоте.
Мы можем вычислить КСВ по измеренным обратным потерям следующим образом.
(4)
(5)
Ниже приведена таблица преобразования обратных потерь в КСВН.
RL VSWR RL VSWR RL VSWR
-1 17.4 -11 1.8 -21 1.20
-2 8.7 -12 1.7 -22 1. 19
-3 5.8 -13 1.6 -23 1.15
-4 4.4 -14 1.5 -24 1.13
-5 3.6 -15 1.43 -25 1.12
-6 3.0 -16 1.38 -26 1.11
-7 2.6 -17 1. 33 -27 1.09
-8 2.3 -18 1.29 -28 1.08
-9 2.1 -19 1.25 -29 1.07
-10 1.9 -20 1.22 -30 1,065
Таблица преобразования обратных потерь в КСВН
Эффективность антенны
Общий КПД антенны рассчитывается с учетом всех потерь антенны вплоть до апертуры. Проще говоря, это отношение излучаемой энергии к энергии, поступающей на входной порт.
(6)
Потери могут включать отражения из-за несоответствия линий передачи, потерь в проводниках и диэлектриков. Общий коэффициент эффективности можно найти, измерив диэлектрическую эффективность и эффективность проводимости (или используя калиброванный симулятор) и зная коэффициент отражения.
(7)
Коэффициент качества антенны
Коэффициент добротности антенны рассчитывается исходя из ширины полосы относительно центральной частоты.
Так называемые «высокодобротные антенны» имеют очень узкую полосу частот и глубокий резонанс. На центральной частоте они имеют очень высокий КПД. Антенны с низкой добротностью имеют широкую полосу пропускания, но, как известно, имеют большие потери.
Если потери антенны известны вместе с обратными потерями, Q можно рассчитать следующим образом.
(8)
(9)
(10)
Зная границы полосы частот, заданные f1 и f2, можно также рассчитать антенну Q следующим образом.
(11)
Дробная полоса пропускания
Подобно добротности, Дробная полоса пропускания (FBW) является мерой ширины полосы частот антенны в процентах, где типичные ) антенн >50%.
(12)
Отношение усиления вперед-назад
Отношение усиления антенны вперед-назад вычисляется путем деления усиления в направлении визирования (направление максимального усиления) на усиление в обратном направлении (обычно минимальное усиление в направлении, противоположном направлению визирования), указанное в дБ.
(13)
Поляризация антенны
Поляризация антенны определяется как направление колебаний электрической энергии. Поляризация антенны может быть классифицирована как линейная, круговая или эллиптическая.
Если вектор электрического поля всегда направлен вдоль одной оси (т.е. оси x или y с распространением вдоль z), говорят, что он линейно поляризован (т.е. горизонтальный или вертикальный).
Если вектор электрического поля следует по окружности, говорят, что он поляризован по кругу (то есть: левосторонняя циркулярная поляризация или правосторонняя циркулярно поляризованная).
Отношение осей с круговой поляризацией
Для антенн с круговой поляризацией отношение осей (AR) является важным параметром. Это указывает на отклонение от чисто ортогональных составляющих электрического поля, образующих круговую поляризацию.
Как правило, желательно 0 дБ для центральной частоты и менее 2 дБ по всему диапазону.
Осевое отношение подачи можно рассчитать из s-параметров следующим образом, учитывая общий порт (рупорный интерфейс) следующим образом.
Учитывая, что общий порт (com) является квадратным или круглым с двумя линейными портами (VP, HP), связанными для вычисления s-параметров порта, а P1 и P2 являются двумя портами с круговой поляризацией системы:
(14 )
(15)
(16)
(17)
(18)
Мы надеемся, что эта статья помогла вам обойти некоторые распространенные термины характеристик антенны.
Дайте нам знать, как мы это сделали, связавшись с нами!
Если вам понравилась эта статья, поделитесь ею в LinkedIn.
Узнайте больше о нас в наших последних статьях и пресс-релизах
Когда следует привлекать консультанта по антеннам 23 октября 2022 г.