Что такое диаграмма направленности антенны. Как определяется коэффициент усиления. Почему важен входной импеданс. Какую роль играет эффективность антенны. Как измеряется ширина полосы пропускания.
Диаграмма направленности антенны
Диаграмма направленности — это графическое представление излучающих свойств антенны в различных направлениях пространства. Она показывает, как антенна распределяет энергию в разных направлениях.
Основные характеристики диаграммы направленности:
- Главный лепесток — направление максимального излучения
- Боковые лепестки — второстепенные максимумы излучения
- Ширина главного лепестка — угол между направлениями половинной мощности
- Уровень боковых лепестков — отношение максимума бокового лепестка к максимуму главного
Диаграмма направленности позволяет оценить направленные свойства антенны и ее способность фокусировать излучение в заданном направлении.
Коэффициент усиления антенны
Коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз максимальная мощность излучения данной антенны больше, чем у изотропного излучателя при одинаковой подводимой мощности.
Коэффициент усиления определяется как:
G = 4πUmax / Pin
где Umax — максимальная интенсивность излучения антенны, Pin — подводимая мощность.
Коэффициент усиления обычно выражается в децибелах относительно изотропного излучателя (дБи). Он характеризует способность антенны концентрировать энергию в заданном направлении.
Входной импеданс антенны
Входной импеданс антенны — это комплексное сопротивление, которое антенна представляет для источника сигнала на входных зажимах.
Входной импеданс состоит из активной и реактивной составляющих:
Zin = Rin + jXin
Где Rin — активное сопротивление, Xin — реактивное сопротивление.
Согласование входного импеданса антенны с выходным сопротивлением передатчика необходимо для максимальной передачи мощности и минимизации отражений.
Эффективность антенны
Эффективность антенны показывает, какая часть подводимой мощности преобразуется в излучение. Она определяется как отношение излучаемой мощности к подводимой:
η = Prad / Pin
где Prad — излучаемая мощность, Pin — подводимая мощность.
Эффективность учитывает потери в проводниках, диэлектриках и другие потери в антенне. Для хороших антенн эффективность составляет 60-95%.
Ширина полосы пропускания
Ширина полосы пропускания — это диапазон частот, в пределах которого основные параметры антенны (коэффициент усиления, входной импеданс и др.) остаются в допустимых пределах.
Ширина полосы обычно определяется по уровню -3 дБ от максимума коэффициента усиления или по допустимому КСВ (например, КСВ ≤ 2).
Широкополосность антенны важна для работы в широком диапазоне частот без существенного ухудшения характеристик.
Поляризация антенны
Поляризация антенны определяет ориентацию вектора напряженности электрического поля излучаемой волны в пространстве. Различают следующие виды поляризации:
- Линейная (вертикальная, горизонтальная, наклонная)
- Круговая (правая, левая)
- Эллиптическая
Согласование поляризации передающей и приемной антенн необходимо для максимальной передачи энергии между ними.
Действующая длина антенны
Действующая длина — это параметр, связывающий напряженность поля в точке приема с током на входе передающей антенны:
E = 60π(Ilд/λr)
где I — ток на входе антенны, lд — действующая длина, λ — длина волны, r — расстояние.
Действующая длина характеризует эффективность антенны как преобразователя тока в излучаемое поле.
Коэффициент направленного действия
Коэффициент направленного действия (КНД) показывает, во сколько раз нужно увеличить мощность изотропного излучателя, чтобы получить такую же напряженность поля, как у данной антенны в направлении максимального излучения.
КНД определяется как:
D = 4πUmax / Prad
где Umax — максимальная интенсивность излучения, Prad — полная излучаемая мощность.
КНД характеризует способность антенны концентрировать энергию в определенном направлении без учета потерь.
Как измеряются параметры антенн?
Для измерения параметров антенн используются следующие методы:
- Диаграмма направленности измеряется путем вращения антенны и регистрации уровня сигнала в разных направлениях
- Коэффициент усиления определяется сравнением с эталонной антенной с известным усилением
- Входной импеданс измеряется с помощью векторного анализатора цепей
- Эффективность рассчитывается по результатам измерений излучаемой и подводимой мощности
- Ширина полосы оценивается по частотным зависимостям основных параметров
Для точных измерений используются безэховые камеры, устраняющие влияние отражений и помех.
Влияние параметров на характеристики антенных систем
Основные параметры антенн взаимосвязаны и влияют на общие характеристики антенных систем:
- Диаграмма направленности определяет зону покрытия и уровень помех
- Коэффициент усиления влияет на дальность связи и энергетику радиолинии
- Входной импеданс важен для согласования и минимизации потерь
- Эффективность определяет КПД всей системы
- Ширина полосы задает частотный диапазон работы
Оптимизация параметров антенн позволяет улучшить характеристики радиосистем в целом.
Параметры антенн — 3G-aerial
- Информация о материале
- Просмотров: 18972
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.
- 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 = Ra + jXa. Многие путают активную составляющую входного импеданса — входное сопротивление антенны Ra 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.
Чем уже главный лепесток диаграммы направленности — тем выше коэффициент усиления антенны. Кроме того он зависит от КПД.
Многие путают активную составляющую входного импеданса — входное сопротивление антенны Ra 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.
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)
, Липинский Э. Любительские антенны Коротких и Ультракоротких волн (1983)
Основные параметры антенны » Российский ФМ проект. Все для радиолюбителя.
Основные параметры антенны.
1. Резонансная частота.
2. Импеданс антенны.
3. Диаграмма направленности.
4. Коэффициент усиления.
5. К.С.В.
Дадим краткую характеристику основным параметрам антенны.
Резонансная частота. Антенна излучает электромагнитные волны, когда к ней приложено возбуждающее колебание. Эффективность ее излучения наибольшая, когда частота возбуждающего колебания совпадает с резонансной частотой. Как правило, длина антенны равна половине или четверти длины волны на центральной рабочей частоте. Однако из-за емкостных и концевых эффектов электрическая длина антенны больше, чем ее физическая длина. На резонансную частоту антенны влияют: близость расположения антенны над землей или какого-нибудь проводящего объекта.
Если это антенна многоэлементная, то резонансная частота активного элемента, может изменяться в ту или иную сторону, в зависимости от расстояния активного элемента по отношению к рефлектору или директору.
Импеданс антенны. Импеданс антенны меняется вдоль ее длины. Точка максимального тока и минимального напряжения соответствует наименьшему импедансу и называется точкой возбуждения. Импеданс в этой точке, называют входным импедансом и он состоит из активного сопротивления излучения антенны и реактивной составляющей. В резонансе реактивная составляющего входного импеданса должна быть равна нулю. На частотах выше резонансной импеданс имеет — индуктивный характер, а на частотах ниже резонансной — емкостной характер. На практике реактивная составляющая импеданса меняется от нуля до + 100 Ом. Импеданс антенны зависит и от других факторов, например от близости ее к поверхности Земли или проводящим поверхностям. В идеальном случае полуволновой симметричный вибратор имеет сопротивление излучения 73 Ом, а четвертьволновой несимметричный вибратор – 53 Ом.
На практике эти сопротивления изменяются от 5 до 120 Ом для полуволновой и от 5 до 80 Ом для четвертьволновой антенны. Сопротивление антенны можно измерить с помощью измерительного моста. Обычно для этого используют мост Уитстона, который еще называют антенноскопом. Конструкция его проста и описана в разных изданиях для радиолюбителей. Измерение проводят после настройки антенны в резонанс. Принято измерять импеданс антенны во всем рабочем диапазоне частот, чтобы учесть наличие реактивности на краях диапазона.
Диаграмма направленности антенны. Диаграмма направленности передающей антенны
Можно снимать поворачивая ее и измеряя напряженность поля фиксированной точке на частоте передачи. Эти измерения дают диаграмму направленности в полярных координатах.
Полярная диаграмма показывает направление, в котором концентрируется энергия антенны.
В радиолюбительской практике это наиболее сложный вид измерений. Проводя измерения в ближней зоне необходимо учитывать ряд факторов влияющих на достоверность измерений.
Любая антенна кроме основного лепестка имеет еще и ряд боковых лепестков, в диапазоне коротких волн мы не можем поднять антенну на большую высоту. Наибольшая энергия поступает от передающей к приемной антенне в случае, если первая зона Френеля свободна от посторонних предметов, При измерениях диаграммы направленности в диапазоне КВ боковой лепесток отразившись от Земли или от ближнего здания может попасть на измерительный зонд, как в фазе так и в противофазе, что приведет к ошибке в измерениях.
Потребуется несколько контрольных измерений с измерением расстояния до измерительного зонда и измерение высоты установки зонда. Такая погрешность возникает и при измерении на дальних трассах. Оптимальный угол прихода радиоволн от корреспондента зависит от состояния тропосферы и количества переотражений. Это приводит к тому, что разные корреспонденты в зависимости от трассы будут давать разные цифры при оценке отношения F/B. В связи с выше сказанным желательно размещать зоны на такой же высоте, как и антенна и расстояние от антенны до измерительного зонда выбирать от 1,5 до 2
Коэффициент усиления.
Если антенна излучает одинаковую мощность во всех направлениях, она называется изотропной или математической моделью, обычно на практике коэффициент усиления выражают в децибелах по отношению к эталонному диполю. Однако важно, чтобы эталонная и исследуемая антенна измерялись в идентичных условиях. Имеется ввиду одинаковая высота подвеса над Землей и одинаковое расстояние до измерительного зонда, при этом, близкое расстояние между двумя измеряемыми из-за влияния антенн друг на друга. Если возле антенны типа волновой канал, на близком расстоянии расположить диполь, то мы получим синфазную решетку с одной пассивной и одной активной антенной. Изменится диаграмма направленности обоих антенн и в большей степени это повлияет на полуволновой диполь, его усиление будет больше, чем обычного одиноко стоящего диполя.
Чтобы избежать этой ошибки, сначала с помощью индикатора напряженности поля измеряют полуволновой диполь, а потом снимают его, на его место устанавливают новую испытываемую антенну и проводят еще одно измерение.
К.С.В. Коэффициент стоячей волны. Как видим этот параметр стоит на последнем месте и не является первостепенным. Если антенна настроена в резонанс и в ходе настройки мы скомпенсировали ее реактивность, и согласовали с фидером питания по сопротивлению, К.С.В. будет- единица. Любая антенна, простая она или сложная, является резонансным устройством и требует настройки. Настройка включает в себя измерение основных параметров антенны и коррекция их путем подгонки линейных размеров элементов антенны, расстояний между элементами, настройки согласующих и симметрирующих устройств. Так как антенну мы сами не рассчитываем, а берем уже размеры готовой проверенной на практике конструкции, возникает вопрос о целесообразности настройки антенн. Как выше уже было сказано, антенна является резонансным устройством, и так как любое резонансное устройство при повторении требует настройки, то и на антенну распространяются эти же правила. Представьте себе, что нам нужно рассчитать параллельный контур на какую-то конкретную частоту, по каким бы формулам мы бы не считали, какие бы программы не применяли, практически получить нужную частоту мы можем, только после настройки контура уже в готовой конструкции генератора.
Не возможно рассчитать влияние экранов, паразитные емкости и индуктивности монтажа и так далее. Тоже самое происходит и с антенной, краевой эффект здания на котором расположена антенна, влияние оттяжек мачты и т.д., очень много неизвестных величин. И даже все перечисленное выше еще не аргумент, подумаешь добились прибавки в усилении антенны пол децибела или децибел, разве это можно реально оценить при работе в эфире, оказывается можно. Ведь антенну характеризует не один какой-то конкретный параметр, а совокупность всех основных параметров, к которым относятся: усиление, диаграмма направленности, коэффициент полезного действия. Здесь следует привести пример, который известен многим радиолюбителям. При переходе от простых антенн к более сложным реальная прибавка в силе сигнала намного больше, чем при сравнении числовых значений усиления простой и более сложной антенны. Например, если простую антенну типа полуволновой диполь, сравнивать с антенной двойной квадрат, то даже не настроенный двойной квадрат с усилением например 5 децибел в эфире может дать прибавку в силе сигнала от 10 до 30 децибел по сравнению с полуволновым диполем, в зависимости от состояния эфира, прохождения, угла прихода сигнала, наличие индустриальных помех и т.
д. Точно такой же эффект мы могли бы наблюдать сравнивая две идентичных антенны, одна из которых была настроена по всем основным параметрам, вторая собрана по расчетным значениям. А так как основная масса радиолюбителей настраивает антенны только по К.С.В., отсюда и чудеса в эфире, одну и туже конструкцию антенны одни хвалят, другие ею не довольны. Если настраивать антенну только по К.С.В., то с основными параметрами кому как повезет, а впадая в крайность и настраивая антенну только по К.С.В., можно из антенны сделать хорошую согласованную нагрузку для выходного каскада передатчика. Он хорошо будет работать в нормальном режиме, только антенна при этом может иметь плохую диаграмму направленности, низкий коэффициент полезного действия, часть мощности будет расходоваться на нагрев элементов антенны и антенно-фидерного тракта и самое неприятное, что может быть для радиолюбителя – это помехи телевидению.
Из этого следует, что необходимо проводить измерения и настройку, как самой антенны, так и отдельных ее узлов, входящих в антенно-фидерный тракт, таких, как симметрирующие и согласующие устройства.
При изготовлении и проработке узлов и деталей будущей антенны предусмотреть возможности измерения линейных размеров, там, где это необходимо для настройки отдельных элементов антенны, учитывая тот фактор, что антенна должна настраиваться на высоте ее постоянной эксплуатации. Возможность неоднократного спуска и подъема антенны или дистанционной подстройки.
Исходя из того, что основная масса радиолюбителей не имеет хорошей базы специализированных приборов, определим минимум простых и самодельных приборов, необходимых для измерений основных параметров антенны. Приборы представлены в таком порядке, в котором должны проводиться измерения, и другой порядок измерений при настройке недопустим.
Г.И.Р. Гетеродинный индикатор резонанса – прибор для определения резонансной частоты элементов антенны. Это простой генератор, собранный по схеме емкостной или индуктивной трёхточки дополненной детектором и усилителем постоянного тока. В качестве индикатора обычно применяют стрелочный прибор.
Желательно, чтобы генератор имел электронную настройку на частоту, например с помощью варикапа. Генератор компактно монтируется в небольшой коробочке из диэлектрика. Генератор крепится к измеряемому элементу антенны через диэлектрик, или подносится к элементу антенны на диэлектрической штанге. К стабильности генератора не предъявляется высоких требований, так как время измерения не продолжительное. Измерение резонансной частоты активного элемента антенны производится при отключенном кабеле питания антенны. Если это симметричный вибратор или рамка, то в месте подсоединения кабеля делают закоротку или устанавливают постоянное сопротивление, величина которого соответствует сопротивлению активного элемента антенны. От генератора вниз идут 4 провода по которым подается: напряжение питания, напряжение для управления варикапом и снимается напряжение с усилителя постоянного тока, четвертый провод общий. В руках оператора дополнительный пульт в котором размещено: питание для генератора, переменный резистор управления варикапом и микроамперметр.
Частота генератора контролируется с помощью вспомогательного приемника, который находится рядом. Это измерение лучше проводить вдвоем. Один оператор управляет частотой генератора ГИРа и следит за показаниями стрелочного прибора, второй оператор контролирует по приемнику частоту ГИРа. При настройке, когда частота генератора ГИРа совпадает с резонансной частотой измеряемого элемента антенны, стрелочный прибор покажет падение напряжения. По приемнику определяем частоту генератора ГИРа. Это наиболее точный метод определения резонансной частоты антенны. Иногда генератор ГИРа связывают с активным элементом антенны через кабель питания антенны. Кабель при этом должен быть кратным полволны для заданной частоты. Такой метод требует точного измерения электрической длины кабеля, возрастает погрешность при измерении, сужается диапазон измерений. Подстроив активный элемент антенны в резонанс,
(путем измерения его длины или периметра, если это рамка) переходим к измерению входного сопротивления активного элемента антенны на этой частоте резонанса.
Входное сопротивление антенны измеряется с помощью высокочастотного моста. Это так же может быть самодельный, простой прибор доступный в изготовлении даже для начинающего радиолюбителя. Схемы ВЧ – мостов неоднократно публиковались в литературе для радиолюбителей. Возьмите самую простую схему. Пусть этот простой ВЧ – мост даже не показывает характер реактивности, просто вращая переменный резистор находим провал по напряжению, если стрелка прибора не падает до нуля это говорит о том, что в антенне присутствует какая-то реактивность емкостного или индуктивного характера.
Эта реактивность устраняется введением в точку подключения антенны к РК кабелю емкости или индуктивности в зависимости от характера реактивности (реактивность может быть емкостного или индуктивного характера), подобрав их номинал до устранения реактивной составляющей. Так как радиолюбительские диапазоны узкие, удобно компенсировать реактивную составляющую не дискретными элементами, а короткозамкнутым шлейфом, или узкополосным симметрирующим устройством, об этом подробно изложено в журнале Радио – Дизайн, № 13.
При изготовлении ВЧ – моста, основное условие, паять схему нужно деталь в деталь, с минимальным по длине выводами от элементов. Схема должна быть компактной, пусть разъемы и переменный резистор располагаются в разных плоскостях, не стремитесь сделать большой и красивый прибор. Резисторы желательно применить без индукционные, если нет возможности достать без индукционные резисторы, вместо одного резистора ставьте 3 – 4 резистора параллельно, это уменьшит индуктивность простых резисторов. На низкочастотных диапазонах, ниже 10 Мгц, можно применить любые резисторы, кроме проволочных. В качестве индикатора напряженности поля — любой микроамперметр с детектором. Единственное условие, антенна индикатора (диполь или штырь) должны быть на много меньше четверти длины волны измеряемого диапазона.
Главное, это научиться пользоваться приборами. Практика показывает, что и простыми самодельными приборами можно хорошо настроить антенну по всем основным параметрам.
Спасибо: EW8AU
Поделиться:
4.
5: Параметры антенны — Инженерные тексты- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 41207
- Майкл Стир
- Государственный университет Северной Каролины
В этом разделе представлен ряд показателей антенны, которые используются для характеристики характеристик антенны.
4.5.1 Плотность и интенсивность излучения
Антенны не излучают одинаково во всех направлениях, концентрируя излучаемую мощность в (обычно) одном направлении, называемом основным (или основным ) лепестком антенны. Этот фокусирующий эффект называется направленностью .
{2}\) и будет максимальной в главном лепестке. Если обратиться к рисунку 4.4.1 с антенной, расположенной в центре сферы радиуса \(r\) и излучающей общую мощность \(P_{r},\: S_{r}\), то это инкрементная излучаемая мощность \( dP_{r}\), проходящий через инкрементно заштрихованную область площади, \(dA\): 9{2}R\)) потерь. Резонансные антенны работают, создавая большой ток, который максимизируется за счет генерации стоячей волны при резонансе. Существует большой ток, и даже небольшое сопротивление приводит к значительным резистивным потерям. Мощность, которая отражается от входа антенны, обычно невелика. Полная излучаемая мощность (во всех направлениях), \(P_{r}\), представляет собой мощность, подводимую к антенне, за вычетом потерь. Таким образом, эффективность антенны \(\eta_{A}\) определяется как
\[\label{eq:7}\eta_{A}=P_{r}/P_{\text{IN}} \] 9{2}R\) потери и потери несоответствия антенны, возникающие, когда входное сопротивление не согласовано с сопротивлением кабеля, подключенного к антенне.
Из-за путаницы с усилением антенны (они не противоположны друг другу) использование термина «потери антенны» не рекомендуется и вместо этого предпочтительнее «эффективность антенны».
4.5.2 Направленность и усиление антенны
Направленность антенны \(D\) представляет собой отношение плотности излучаемой мощности к плотности изотропной антенны с той же полной излучаемой мощностью, \(P_{r} \):
\[\label{eq:8} D=\frac{S_{r}}{S_{r}|_{\text{Изотропный}}}=\frac{U}{U|_{\text{ Изотропный}}} \]
где \(S_{r}\) и \(U\) относятся к фактической антенне, а плотность мощности и интенсивность измеряются на одном и том же расстоянии от антенн. Фактическая антенна \(D\) зависит от направления антенны, см. рисунок \(\PageIndex{1}\). Максимальное значение \(D\) будет в направлении основного лепестка антенны, и это называется усилением направленности .
Фокусирующее свойство антенны характеризуется сравнением плотности излучаемой мощности с плотностью изотропной антенны с той же входной мощностью.
Коэффициент усиления антенны \(G_{A}\) представляет собой максимальное значение \(D\), когда входная мощность \(P_{\text{IN}} = P_{r}/\eta_{A}\) к антенне и изотропной антенне одинаковы:
\[\label{eq:9} G_{A}=\eta_{A}\text{max}(D) \]
| Антенна | Тип | Рисунок | Усиление (\(\text{дБи}\)) | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| Изотропная антенна без потерь | \(0\) | |||
| \(\лямбда /2\) диполь | Резонансный | 4. 3.4(а) | \(2\) | \(R_{\text{in}}=73\:\Omega\) |
| \(3\лямбда\) диаметр параболической тарелки | Путешествие | — | \(38\) | \(R_{\text{in}}=\text{match}\) |
| Патч | Резонансный | 4.1.2(б) | \(9\) | \(R_{\text{in}}=\text{match}\) |
| Вивальди | Путешествие | 4.1.2(с) | \(10\) | \(R_{\text{in}}=\text{match}\) |
| \(\лямбда /4\) монополь на земле | Резонансный | 4. 3.2(а) | \(2\) | \(R_{\text{in}}=36\:\Omega\) |
| \(5/8\лямбда\) монополь на землю | Резонансный | 4.3.2(а) | \(3\) | Требуется соответствие |
Таблица \(\PageIndex{1}\): Несколько антенных систем. \(R _{\text{in}} = \text{match}\) для резонансных антенн указывает, что антенна может быть спроектирована так, чтобы входное сопротивление соответствовало импедансу фидерного кабеля. Антенны бегущей волны внутренне согласованы.
Потери в антенне учитываются коэффициентом полезного действия \(\eta_{A}\).
В уравнении \(\eqref{eq:9}\) \(G_{A}\) является коэффициентом усиления и часто выражается в децибелах (принимая \(10\) умноженное на логарифм \(G_{A}\)) но \(\text{dBi }\) (где «i» означает изотропность по отношению к) используется для обозначения того, что это не усиление мощности в том же смысле, что и усиление усилителя.
\(G_{A}\) вместо этого представляет собой отношение плотностей мощности для двух разных антенн. Например, антенна, которая фокусирует мощность в одном направлении, увеличивая пиковую плотность излучаемой мощности в \(20\) раз по сравнению с изотропной антенной, имеет коэффициент усиления антенны \(13\text{дБи}\). С осторожностью \(G_{A}\) можно часто использовать в расчетах мощности, как и при коэффициенте усиления усилителя.
Поскольку практически невозможно рассчитать внутренние потери антенны, усиление антенны неизменно измеряется. Входная мощность антенны может быть измерена, а пиковая плотность излучаемой мощности, \(P_{D}|_{\text{Максимум}}\), измерена в дальней зоне на расстоянии нескольких длин волн (при \(r ≫ \ лямбда\)). Это сравнивается с плотностью мощности идеальной изотропной антенны на том же расстоянии с той же входной мощностью. Усиление антенны определяется из
\[\begin{align} \label{eq:10}G_{A}&=\frac{\text{Максимальная излучаемая мощность на единицу площади}}{\text{Максимальная излучаемая мощность на единицу площадь изотропной антенны}}\\ &=\frac{S_{r}|_{\text{Максимум}}}{S_{r}|_{\text{Изотропная}}} = 4\pi r^{ 2}\frac{P_{D}|_{\text{Максимальная}}}{P_{\text{IN}}} \\ &=4\pi\frac{\text{Максимальная излучаемая мощность на единицу телесного угла} }{\text{Общая мощность, подводимая к антенне}}\nonumber \\ \label{eq:11} & =4\pi\frac{(dP_{r}/d\Omega )|_{\text{Максимум} }}{P_{\text{IN}}}=4\pi r^{2}\frac{(dP_{r}/dA)|_{\text{Максимум}}}{P_{\text{IN} }}\end{выравнивание} \]
Коэффициенты усиления обычных резонансных антенн и антенн бегущей волны приведены в таблице \(\PageIndex{1}\).
В свободном пространстве усиление антенны, определенное с помощью уравнения \(\eqref{eq:9}\), не зависит от расстояния. Усиление антенны измеряется в диапазоне действия антенны с использованием калиброванной приемной антенны, при этом необходимо избегать отражений от объектов, особенно от земли.
Потери антенны включаются в усиление антенны, которое определяется с точки зрения входной мощности антенны, см. уравнение \(\eqref{eq:11}\). Таким образом, при расчете излучаемой мощности с использованием коэффициента усиления антенны нет необходимости отдельно учитывать резистивные потери в антенне.
Таким образом, антенны концентрируют излучаемую мощность в одном направлении, так что плотность мощности, излучаемой в направлении пикового поля, выше, чем плотность мощности изотропной антенны. Энергия, излучаемая антенной базовой станции, такой как показанная на рисунке \(\PageIndex{2}\), концентрируется в области, которая выглядит как тороид или, точнее, воздушный шар, сплющенный на северном и южном полюсах.
Тогда антенна не будет излучать много мощности в космос и сосредоточит мощность в области, скользящей по поверхности 9{2}\) — площадь сферы радиуса \(r\), а \(P_{\text{IN}}\) — входная мощность.
Измерения коэффициента усиления антенны используются для определения эффективности антенны. Непосредственно измерить или смоделировать резистивные и диэлектрические потери антенны невозможно. Эффективность антенны определяется с помощью теоретических расчетов усиления антенны при отсутствии потерь в самой антенне. Это сравнивается с измеренным усилением антенны, что дает эффективность антенны.
Пример \(\PageIndex{1}\): усиление антенны 9{2}\)
Пример \(\PageIndex{2}\): Эффективность антенны
Антенна имеет усиление \(13\text{дБи}\) и эффективность антенны \(50\%\ ), и все потери связаны с резистивными потерями, а сопротивление металлов пропорционально температуре. ВЧ-сигнал на входе антенны имеет мощность \(40\text{Вт}\).
- Какова входная мощность в дБм?
\(P_{\text{in}} = 40\text{W} = 46,02\text{дБм}\). - Какова общая передаваемая мощность в \(\text{дБм}\)?
\[\begin{align}P_{\text{Radiated}} = 50\%\text{ из }P_{\text{IN}} &= 20\text{W}\text{или}43.01\text{ дБм.}\nonumber\\ \text{В качестве альтернативы} P_{\text{Излучение}} &= 46,02\текст{дБм} — 3\текст{дБ} = 43,02\текст{дБм.}\nonumber\end{выровнено } \номер\] - Если антенну охладить почти до абсолютного нуля, чтобы не было потерь, каково будет усиление антенны?
Усиление антенны увеличилось бы на \(3\text{дБ}\), а усиление антенны включает в себя как направленность, так и потери антенны. Таким образом, коэффициент усиления охлаждаемой антенны равен \(16\text{дБи}\).
4.5.3 Эффективная изотропная излучаемая мощность
Мощность излучения передающей антенны не одинакова во всех направлениях, и для приемника в главном лепестке передающей антенны это равносильно изотропной передающей антенне с гораздо большей входной мощностью . Эта концепция включена в эффективную изотропную излучаемую мощность ( EIRP ):
\[\label{eq:13} \text{EIRP}=P_{\text{IN}}G_{A} \]
Это использует коэффициент усиления антенны для получения общей мощности, которая будет излучаться изотропной антенной, производящей ту же (пиковую) плотность мощности, что и реальная антенна.
Нормативно-правовые ограничения уровней мощности передатчиков относятся к э.и.и.м., а не к общей излучаемой мощности. Иногда эквивалентная излучаемая мощность ( ERP ) используется вместо EIRP с тем же значением.
4.5.4 Эффективный размер апертуры
Эффективный размер апертуры определяется таким образом, что плотность мощности на приемной антенне, умноженная на ее эффективный размер апертуры, \(A_{R}\), дает выходную мощность антенны в ее разъем. Поскольку антенны являются линейными и обратными, следует ожидать, что существует взаимосвязь между эффективным размером апертуры и коэффициентом усиления антенны.
Эффективный размер антенны больше ее фактического физического размера. Это происходит из-за его влияния на электромагнитные поля вокруг него. Мощность, улавливаемая антенной, равна эффективному размеру апертуры (или площади), умноженному на плотность передаваемой мощности. То есть эффективный размер апертуры антенны — это площадь поверхности, которая улавливает всю мощность, проходящую через нее, и передает эту мощность на выходные клеммы антенны.
Эффективная площадь апертуры приемной антенны \(A_{R}\) связана с коэффициентом усиления приемной антенны \(G_{R}\) следующим образом [2, 3] (обратите внимание, что \(A_ {e}\) часто используется, если нет необходимости различать антенны): 9{2} \]
Это уравнение известно как уравнение передачи Friis или формула передачи Friis .
Уравнение \(\eqref{eq:18}\) представляет собой мощный инструмент для оценки мощности, принимаемой в системе связи, и были разработаны модификации для учета возникающих ухудшений. Одно из допущений при разработке уравнения \(\eqref{eq:18}\) состоит в том, что поляризация приемной антенны совпадает с поляризацией передаваемого сигнала. Передающая антенна будет излучать сигнал с электрическим полем с определенной поляризацией, то есть с ориентацией поля \(E\). Распространение по воздуху мало влияет на поляризацию сигнала, хотя атмосферные условия могут немного изменить поляризацию. Коэффициент рассогласования поляризации может быть включен в уравнение \(\eqref{eq:18}\).
Для наземной связи, такой как сотовая связь, отражения и дифракция оказывают большое влияние на мощность принимаемого сигнала, и методы устранения этих эффектов рассматриваются в следующем разделе. 9{2}} \\ {U}&{\quad}&{\eqref{eq:3}}&{\quad}&{\text{Интенсивность излучения Вт/ср}} \\{\eta_{A}} &{\quad}&{\eqref{eq:14}}&{\quad}&{\text{Эффективность антенны}}\\{D}&{\quad}&{\eqref{eq:8}}& {\quad}&{\text{Направленность антенны}}\\{G_{A}}&{\quad}&{\eqref{eq:10}}&{\quad}&{\text{Усиление антенны, используется с передающей антенной}}\\{A_{e}}&{\quad}&{\eqref{eq:14}}&{\quad}&{\text{Эффективная площадь апертуры, используемая с приемной антенной}} \\{\text{EIRP}}&{\quad}&{\eqref{eq:13}}&{\quad}&{\text{Эквивалентная изотропная излучаемая мощность}}\end{массив}\) 9{2}=19,89\text{ нВт} \]
Сноски
[1] Вывод уравнения \(\eqref{eq:14}\) вызывает мысленный эксперимент с антенной, подключенной к резистору, находящемуся в тепловом равновесии, и каждая в отдельных теплоизолированных камерах со стенками черного тела [4, 5].
{2}\)), тогда как Шум Джонсона-Найквиста не зависит от частоты, но линейно возрастает с температурой. Вывод точен для изотропной антенны и предполагается, что он применим ко всем антеннам.
[2] Обратите внимание, что ранее это было \(P_{\text{IN}}\), а здесь нижний индекс \(T\) используется для обозначения мощности, подводимой к передающей антенне.
Эта страница под названием 4.5: Параметры антенны распространяется по лицензии CC BY-NC, ее автор, ремикс и/или куратор — Майкл Стир.
- Наверх
- Была ли эта статья полезной?
- Тип изделия
- Раздел или Страница
- Автор
- Майкл Стир
- Лицензия
- CC BY-NC
- Теги
2.5: Параметры антенны — технические библиотеки LibreTexts
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 41261
- Майкл Стир
- Государственный университет Северной Каролины
В этом разделе представлен ряд показателей антенны, которые используются для характеристики характеристик антенны.
2.5.1 Плотность и интенсивность излучения
Антенны не излучают одинаково во всех направлениях, концентрируя излучаемую мощность в одном направлении, называемом основным (или основным ) лепестком антенны.
{2}\). Полный телесный угол, образуемый сферой, представляет собой интеграл от \(d\Omega\) по сфере и равен \(4π\) стерадианам (или \(4π\text{sr}\)). 9{2}R\)) потерь. Резонансные антенны работают, создавая большой ток, который максимизируется за счет генерации стоячей волны при резонансе. Существует большой ток, и даже небольшое сопротивление приводит к значительным резистивным потерям. Мощность, которая отражается от входа антенны, обычно невелика. Полная излучаемая мощность (во всех направлениях), \(P_{r}\), представляет собой мощность, подводимую к антенне, за вычетом потерь. Следовательно, эффективность антенны \(eta_{A}\) определяется как
\[\label{eq:7}\eta_{A}=P_{r}/P_{\text{IN}} \] 9{2}R\) потери и потери несоответствия антенны, возникающие, когда входное сопротивление не согласовано с сопротивлением кабеля, подключенного к антенне. Из-за путаницы с усилением антенны (они не противоположны друг другу) использование термина «потери антенны» не рекомендуется и вместо этого предпочтительнее «эффективность антенны».
2.5.2 Направленность и усиление антенны
Направленность антенны \(D\) представляет собой отношение плотности излучаемой мощности к плотности изотропной антенны с той же полной излучаемой мощностью \(P_{r}\ ):
\[\label{eq:8} D=\frac{S_{r}}{S_{r}|_{\text{Изотропный}}}=\frac{U}{U|_{\text{ Изотропный}}} \]
где \(S_{r}\) и \(U\) относятся к фактической антенне, а плотность мощности и интенсивность измеряются на одном и том же расстоянии от антенн. Фактическая антенна \(D\) зависит от направления антенны, см. рисунок \(\PageIndex{2}\). Максимальное значение \(D\) будет в направлении основного лепестка антенны, и это называется усилением направленности .
Фокусирующее свойство антенны характеризуется сравнением плотности излучаемой мощности с плотностью изотропной антенны с той же входной мощностью. Коэффициент усиления антенны \(G_{A}\) представляет собой максимальное значение \(D\), когда входная мощность \(P_{\text{IN}} = P_{r}/\eta_{A}\) к антенне и изотропной антенне одинаковы:
\[\label{eq:9} G_{A}=\eta_{A}\text{max}(D) \]
| Антенна | Тип | Рисунок | Усиление (\(\text{дБи}\)) | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| Изотропная антенна без потерь | \(0\) | |||
| \(\лямбда /2\) диполь | Резонансный | 2. 3.4(а) | \(2\) | \(R_{\text{in}}=73\:\Omega\) |
| \(3\лямбда\) диаметр параболической тарелки | Путешествие | — | \(38\) | \(R_{\text{in}}=\text{match}\) |
| Патч | Резонансный | 2.1.2(б) | \(9\) | \(R_{\text{in}}=\text{match}\) |
| Вивальди | Путешествие | 2.1.2(с) | \(10\) | \(R_{\text{in}}=\text{match}\) |
| \(\лямбда /4\) монополь на земле | Резонансный | 2. 3.2(а) | \(2\) | \(R_{\text{in}}=36\:\Omega\) |
| \(5/8\лямбда\) монополь на землю | Резонансный | 2.3.2(а) | \(3\) | Требуется соответствие |
Таблица \(\PageIndex{1}\): Несколько антенных систем. \(R _{\text{in}} = \text{match}\) для резонансных антенн указывает, что антенна может быть спроектирована так, чтобы входное сопротивление соответствовало импедансу фидерного кабеля. Антенны бегущей волны внутренне согласованы.
Потери в антенне учитываются коэффициентом полезного действия \(\eta_{A}\).
В уравнении \(\eqref{eq:9}\) \(G_{A}\) является коэффициентом усиления и часто выражается в децибелах (принимая \(10\) умноженное на \(\log\) \(G_{A}\)) но \ (\text{дБи}\) (где «i» означает «относительно изотропного») используется для обозначения того, что это не усиление мощности в том же смысле, что и усиление усилителя.
\(G_{A}\) вместо этого представляет собой отношение плотностей мощности для двух разных антенн. Например, антенна, которая фокусирует мощность в одном направлении, увеличивая пиковую плотность излучаемой мощности в \(20\) раз по сравнению с изотропной антенной, таким образом, имеет коэффициент усиления антенны \(13\text{дБи}\). С осторожностью \(G_{A}\) можно часто использовать в расчетах мощности, как и при коэффициенте усиления усилителя.
Поскольку практически невозможно рассчитать внутренние потери антенны, усиление антенны неизменно измеряется. Входная мощность антенны может быть измерена, а пиковая плотность излучаемой мощности, \(P_{D}|_{\text{Максимум}}\), измерена в дальней зоне на расстоянии нескольких длин волн (при \(r ≫ \ лямбда\)). Это сравнивается с плотностью мощности идеальной изотропной антенны на том же расстоянии с той же входной мощностью. Усиление антенны определяется из
\[\begin{align} \label{eq:10}G_{A}&=\frac{\text{Максимальная излучаемая мощность на единицу площади}}{\text{Максимальная излучаемая мощность на единицу площадь изотропной антенны}}\\ &=\frac{S_{r}|_{\text{Максимум}}}{S_{r}|_{\text{Изотропная}}} = 4\pi r^{ 2}\frac{P_{D}|_{\text{Максимальная}}}{P_{\text{IN}}} \\ &=4\pi\frac{\text{Максимальная излучаемая мощность на единицу телесного угла} }{\text{Общая мощность, подводимая к антенне}}\nonumber \\ \label{eq:11} & =4\pi\frac{(dP_{r}/d\Omega )|_{\text{Максимум} }}{P_{\text{IN}}}=4\pi r^{2}\frac{(dP_{r}/dA)|_{\text{Максимум}}}{P_{\text{IN} }}\end{выравнивание} \]
Коэффициенты усиления обычных резонансных антенн и антенн бегущей волны приведены в таблице \(\PageIndex{1}\).
В свободном пространстве усиление антенны, определенное с помощью уравнения \(\eqref{eq:9}\), не зависит от расстояния. Усиление антенны измеряется в диапазоне действия антенны с использованием калиброванной приемной антенны, при этом необходимо избегать отражений от объектов, особенно от земли.
Потери антенны включаются в усиление антенны, которое определяется с точки зрения входной мощности антенны, см. уравнение \(\eqref{eq:11}\). Таким образом, при расчете излучаемой мощности с использованием коэффициента усиления антенны нет необходимости отдельно учитывать резистивные потери в антенне.
Таким образом, антенны концентрируют излучаемую мощность в одном направлении, так что плотность мощности, излучаемой в направлении пикового поля, выше, чем плотность мощности изотропной антенны. Мощность, излучаемая антенной базовой станции, такой как показанная на рисунке \(\PageIndex{3}\), концентрируется в области, которая выглядит как тороид или, точнее, сжатый воздушный шар
Рисунок \(\ PageIndex{2}\): Диаграмма поля, создаваемая микрополосковой антенной.
9{2}\) — площадь сферы радиуса \(d\), а \(P_{\text{IN}}\) — входная мощность.
Измерения коэффициента усиления антенны используются для определения эффективности антенны. Непосредственно измерить или смоделировать резистивные и диэлектрические потери антенны невозможно. Эффективность антенны определяется с помощью теоретических расчетов усиления антенны при отсутствии потерь в самой антенне. Это сравнивается с измеренным усилением антенны, что дает эффективность антенны.
Пример \(\PageIndex{1}\): усиление антенны 9{2}\)
Пример \(\PageIndex{2}\): Эффективность антенны
Антенна имеет усиление \(13\text{дБи}\) и эффективность антенны \(50\%\ ), и все потери связаны с резистивными потерями, а сопротивление металлов пропорционально температуре. ВЧ-сигнал на входе антенны имеет мощность \(40\text{Вт}\).
- Какова входная мощность в дБм?
\(P_{\text{in}} = 40\text{W} = 46,02\text{дБм}\). - Какова общая передаваемая мощность в \(\text{дБм}\)?
\[\begin{align}P_{\text{Radiated}} = 50\%\text{ из }P_{\text{IN}} &= 20\text{W}\text{или}43. 01\text{ дБм.}\nonumber\\ \text{В качестве альтернативы} P_{\text{Излучение}} &= 46,02\текст{дБм} — 3\текст{дБ} = 43,02\текст{дБм.}\nonumber\end{выровнено } \номер\] - Если антенну охладить почти до абсолютного нуля, чтобы не было потерь, каково будет усиление антенны?
Усиление антенны увеличилось бы на \(3\text{дБ}\), а усиление антенны включает в себя как направленность, так и потери антенны. Таким образом, коэффициент усиления охлаждаемой антенны равен \(16\text{дБи}\).
01\text{ дБм.}\nonumber\\ \text{В качестве альтернативы} P_{\text{Излучение}} &= 46,02\текст{дБм} — 3\текст{дБ} = 43,02\текст{дБм.}\nonumber\end{выровнено } \номер\]2.5.3 Эффективная изотропная излучаемая мощность
Мощность излучения передающей антенны не одинакова во всех направлениях, и для приемника в главном лепестке передающей антенны это равносильно изотропной передающей антенне с гораздо более высокой входной мощностью . Эта концепция включена в эффективную изотропную излучаемую мощность ( EIRP ):
\[\label{eq:13} \text{EIRP}=P_{\text{IN}}G_{A} \]
Это это полная мощность, которая будет излучаться изотропной антенной, производящей ту же (пиковую) плотность мощности, что и реальная антенна.
2.5.4 Эффективный размер апертуры
Эффективный размер апертуры определяется таким образом, что плотность мощности на приемной антенне, умноженная на ее эффективный размер апертуры, \(A_{R}\), дает выходную мощность антенны в ее разъем. Антенна имеет эффективный размер, который больше, чем ее фактический физический размер, из-за ее влияния на электромагнитные поля вокруг нее. Эффективный размер апертуры антенны — это площадь поверхности, которая улавливает всю мощность, проходящую через нее, и передает эту мощность на выходные клеммы антенны. 9{2}} \\ {U}&{\quad}&{\eqref{eq:3}}&{\quad}&{\text{Интенсивность излучения Вт/ср}} \\{\eta_{A}} &{\quad}&{\eqref{eq:14}}&{\quad}&{\text{Эффективность антенны}}\\{D}&{\quad}&{\eqref{eq:8}}& {\quad}&{\text{Направленность антенны}}\\{G_{A}}&{\quad}&{\eqref{eq:10}}&{\quad}&{\text{Усиление антенны, используется с передающей антенной}}\\{A_{e}}&{\quad}&{\eqref{eq:14}}&{\quad}&{\text{Эффективная площадь апертуры, используемая с приемной антенной}} \\{\text{EIRP}}&{\quad}&{\eqref{eq:13}}&{\quad}&{\text{Эквивалентная изотропная излучаемая мощность}}\end{массив}\) 9{2}=19,89\текст{нВт}\]
Эта страница под названием 2.
