Charakterystyka promieniowania - Radiation pattern

Trójwymiarowe charakterystyki promieniowania anteny. Odległość promieniowa od początku w dowolnym kierunku reprezentuje siłę promieniowania emitowanego w tym kierunku. Górna część pokazuje kierunkowy wzór anteny tubowej , dolna pokazuje dookólny wzór prostej anteny pionowej .

W dziedzinie projektowania anten termin charakterystyka promieniowania (lub charakterystyka anteny lub charakterystyka pola dalekiego ) odnosi się do kierunkowej (kątowej) zależności siły fal radiowych od anteny lub innego źródła.

W szczególności w dziedzinach światłowodów , laserów i zintegrowanej optyki , termin wzór promieniowania może być również używany jako synonim wzoru pola bliskiego lub wzoru Fresnela . Odnosi się to do położenia zależności od pola elektromagnetycznego w obszarze w pobliżu , lub regionu Fresnela źródła. Wzór bliskiego pola jest najczęściej definiowany na płaszczyźnie umieszczonej przed źródłem lub na otaczającej je cylindrycznej lub sferycznej powierzchni.

Wzorzec pola dalekiego anteny może być określony eksperymentalnie w zasięgu anteny , lub alternatywnie wzorzec pola bliskiego można znaleźć za pomocą skanera pola bliskiego , a charakterystyka promieniowania wywnioskowana na podstawie obliczeń. Charakterystykę promieniowania pola dalekiego można również obliczyć na podstawie kształtu anteny za pomocą programów komputerowych, takich jak NEC . Inne oprogramowanie, takie jak HFSS, może również obliczać pole bliskie.

Wzorzec promieniowania pola dalekiego może być przedstawiony graficznie jako wykres jednej z wielu powiązanych zmiennych, w tym; natężenia pola przy stałym promieniu (dużych) (e amplitudy wzoru lub pole wzorca ), moc na jednostkę kąta ( wzór zasilania ) i dyrektywy korzyści . Bardzo często wykreślana jest tylko amplituda względna, normalizowana albo do amplitudy na celowniku anteny , albo do całkowitej mocy promieniowania. Wykreślona wielkość może być pokazana w skali liniowej lub w dB . Wykres jest zwykle przedstawiany jako wykres trójwymiarowy (jak po prawej) lub jako oddzielne wykresy w płaszczyźnie pionowej i poziomej . Jest to często nazywane diagramem biegunowym .

Wzajemność

Podstawową właściwością anten jest to, że charakterystyka odbioru (czułość jako funkcja kierunku) anteny używanej do odbioru jest identyczna z charakterystyką promieniowania pola dalekiego anteny używanej do nadawania . Jest to konsekwencja twierdzenia o wzajemności elektromagnetyzmu i jest udowodnione poniżej. Dlatego w dyskusjach na temat charakterystyk promieniowania antena może być postrzegana jako nadawcza lub odbiorcza, w zależności od tego, co jest wygodniejsze. Dotyczy to tylko pasywnych elementów antenowych; aktywne anteny, które zawierają wzmacniacze lub inne komponenty, nie są już urządzeniami wzajemnymi.

Typowe wzory

Typowy wykres promieniowania polarnego. Większość anten pokazuje wzór „płatków” lub maksimów promieniowania. W pokazanej tutaj antenie kierunkowej największy płat, w pożądanym kierunku propagacji, nazywany jest „ głównym płatem ”. Pozostałe płaty są nazywane „ listków bocznych ” i zazwyczaj stanowią promieniowania w niepożądanych kierunkach.

Ponieważ promieniowanie elektromagnetyczne jest promieniowaniem dipolowym , nie jest możliwe zbudowanie anteny, która promieniuje spójnie równomiernie we wszystkich kierunkach, chociaż taka hipotetyczna antena izotropowa służy jako odniesienie do obliczenia zysku anteny .

Najprostsze anteny, anteny monopolowe i dipolowe , składają się z jednego lub dwóch prostych metalowych prętów wzdłuż wspólnej osi. Te anteny osiowo symetryczne mają charakterystyki promieniowania o podobnej symetrii, zwane wzorcami dookólnymi ; promieniują równą mocą we wszystkich kierunkach prostopadłych do anteny, przy czym moc zmienia się tylko pod kątem do osi, spadając do zera na osi anteny. Ilustruje to ogólną zasadę, że jeśli kształt anteny jest symetryczny, jej charakterystyka promieniowania będzie miała taką samą symetrię.

W większości anten promieniowanie z różnych części anteny zakłóca pod pewnymi kątami; wzór promieniowania anteny można uznać za wzór interferencji . Powoduje to zerowe promieniowanie pod pewnymi kątami, gdzie fale radiowe z różnych części docierają w fazie , oraz lokalne maksima promieniowania pod innymi kątami, gdzie fale radiowe docierają w fazie . Dlatego wykres promieniowania większości anten pokazuje wzór maksimów zwanych „ płatkami ” pod różnymi kątami, oddzielonych „ zerami ”, przy których promieniowanie spada do zera. Im większa jest antena w porównaniu z długością fali, tym więcej będzie płatków.

Prostokątny wykres promieniowania, alternatywna metoda prezentacji dla wykresu polarnego.

W antenie kierunkowej, w której celem jest emitowanie fal radiowych w jednym określonym kierunku, antena jest zaprojektowana tak, aby promieniować większość swojej mocy w listku skierowanym w pożądanym kierunku. Dlatego na wykresie promieniowania płat ten wydaje się większy niż pozostałe; nazywa się to „ płatem głównym ”. Oś maksymalnego promieniowania, przechodząca przez środek głównego płata, nazywana jest „ osią wiązki ” lub osią boresightu ”. W niektórych antenach, takich jak anteny z podzieloną wiązką, może istnieć więcej niż jeden główny płat. obok głównego płata, reprezentującego niepożądane promieniowanie w innych kierunkach, nazywane są mniejszymi płatkami.Pomniejsze płaty zorientowane pod kątem do głównego płata są nazywane „ płatkami bocznymi ". Mały płatek w przeciwnym kierunku (180°) od głównego płata nazywa się „ płatem tylnym ”.

Mniejsze płaty zwykle reprezentują promieniowanie w niepożądanych kierunkach, więc w antenach kierunkowych celem projektowym jest zwykle zmniejszenie mniejszych listków. Płaty boczne są zwykle największymi z mniejszych płatów. Poziom mniejszych płatów jest zwykle wyrażany jako stosunek gęstości mocy w rozpatrywanym płatku do gęstości mocy płata głównego. Ten stosunek jest często określany jako stosunek listków bocznych lub poziom listków bocznych. Poziomy listków bocznych wynoszące -20 dB lub więcej zwykle nie są pożądane w wielu zastosowaniach. Osiągnięcie poziomu listka bocznego mniejszego niż -30 dB zwykle wymaga bardzo starannego projektowania i budowy. Na przykład w większości systemów radarowych niskie współczynniki listków bocznych są bardzo ważne, aby zminimalizować fałszywe wskazania celu przez listki boczne.

Dowód wzajemności

Część serii na
Anteny
Powszeche typy Dipol Fraktal Pętla Monopole Antena satelitarna Telewizja Bicz
składniki Balun Zablokuj konwerter w górę Kabel koncentryczny Przeciwwaga (system naziemny) Karmić Przewód zasilający Niskoszumowy konwerter blokowy Grzejnik pasywny Odbiorca Rewolwer Końcówka Nadajnik Tuner Podwójne prowadzenie
Systemy Farma anten Radio amatorskie Sieć komórkowa Hotspot Miejska sieć bezprzewodowa Radio Maszty i wieże radiowe Wi-Fi Bezprzewodowy
Bezpieczeństwo i regulacja Promieniowanie i zdrowie urządzenia bezprzewodowego Bezprzewodowe urządzenia elektroniczne a zdrowie Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny ( Regulamin Radiokomunikacyjny ) Światowa Konferencja Radiokomunikacyjna
Źródła / regiony promieniowania Wierność Ogniskowa chmura Płaszczyzna naziemna Płat główny Pole bliskie i dalekie Płat boczny Płaszczyzna pionowa
Charakterystyka Wzmocnienie tablicy Kierunkowość Efektywność Długość elektryczna Równoważny promień Czynnik Równanie transmisji Friisa Osiągać Wzrost Charakterystyka promieniowania Odporność na promieniowanie Propagacja radiowa Widmo radiowe Stosunek sygnału do szumu Emisja fałszywa
Techniki Sterowanie wiązką Nachylenie wiązki Kształtowanie wiązki Mała komórka Warstwowa czasoprzestrzeń Bell Laboratories (BLAST) Ogromne wiele wejść i wiele wyjść (MIMO) Rekonfiguracja Rozszerzać zakres Szerokopasmowy dostęp wielokrotny z podziałem przestrzeni (WSDMA)
v T mi

Aby uzyskać pełny dowód, zobacz artykuł o wzajemności (elektromagnetyzm) . Tutaj przedstawiamy wspólny prosty dowód ograniczony do aproksymacji dwóch anten oddzielonych dużą odległością w stosunku do wielkości anteny, w jednorodnym ośrodku. Pierwsza antena to antena testowa, której wzorce mają być badane; ta antena może być skierowana w dowolnym kierunku. Druga antena jest anteną referencyjną, skierowaną sztywno na pierwszą antenę.

Każda antena jest naprzemiennie podłączona do nadajnika o określonej impedancji źródła i odbiornika o tej samej impedancji wejściowej (impedancja może się różnić między dwiema antenami).

Zakłada się, że dwie anteny są wystarczająco daleko od siebie, że na właściwości anteny nadawczej nie ma wpływu obciążenie nakładane na nią przez antenę odbiorczą. W konsekwencji ilość mocy przekazywanej z nadajnika do odbiornika może być wyrażona jako iloczyn dwóch niezależnych czynników; jeden zależny od kierunkowych właściwości anteny nadawczej, a drugi zależny od kierunkowych właściwości anteny odbiorczej.

Dla anteny nadawczej, zgodnie z definicją zysku, gęstość mocy promieniowania na odległość od anteny (tj. moc przechodząca przez powierzchnię jednostki) wynosi ${\ Displaystyle G}$${\ Displaystyle r}$

${\ Displaystyle \ operatorname {W} (\ theta, \ Phi) = {\ Frac {\ operatorname {G} (\ theta, \ Phi) {4 \ pi r ^ {2}}} P_ {t}}$.

Tutaj kąty i wskazują zależność od kierunku od anteny i oznaczają moc, jaką nadajnik dostarczyłby do dopasowanego obciążenia. Zysk można podzielić na trzy czynniki; zysk anteny (kierunkowy redystrybucja zasilania), to sprawność promieniowania (stanowią rezystancyjne straty w anteny), a wreszcie straty z powodu niezgodności między anteny i nadajnika. Ściśle, aby uwzględnić niedopasowanie, należy to nazwać zrealizowanym wzmocnieniem , ale nie jest to powszechne użycie. ${\displaystyle \theta}$${\ Displaystyle \ Phi}$${\displaystyle P_{t}}$${\ Displaystyle G}$

W przypadku anteny odbiorczej moc dostarczana do odbiornika wynosi

${\ Displaystyle P_ {R} = \ operatorname {A} (\ theta, \ Phi) W \,}$.

Oto gęstość mocy padającego promieniowania i jest to apertura anteny lub efektywna powierzchnia anteny (obszar, który antena musiałaby zająć, aby przechwycić obserwowaną przechwyconą moc). Argumenty kierunkowe odnoszą się teraz do anteny odbiorczej i ponownie uwzględniają straty omowe i niedopasowania. ${\ Displaystyle W}$${\ Displaystyle A}$${\ Displaystyle A}$

Łącząc te wyrażenia, moc przekazywana z nadajnika do odbiornika jest

${\ Displaystyle P_ {R} = A {\ Frac {G} {4 \ pi r ^ {2}}} P_ {t}}$,

gdzie i są kierunkowo zależnymi właściwościami odpowiednio anten nadawczej i odbiorczej. W przypadku transmisji z anteny odniesienia (2) do anteny testowej (1), to znaczy: ${\ Displaystyle G}$${\ Displaystyle A}$

${\ Displaystyle P_ {1r} = \ operatorname {A_ {1}} (\ theta, \ Phi) {\ Frac {G_ {2}} {4 \ pi r ^ {2}}} P_ {2 t}}$,

i do transmisji w przeciwnym kierunku

${\ Displaystyle P_ {2r} = A_ {2} {\ Frac {\ operatorka {G_ {1}} (\ theta, \ Phi) {4 \ pi r ^ {2}}} P_ {1 t}}$.

Tutaj zysk i efektywny obszar anteny 2 są stałe, ponieważ orientacja tej anteny jest ustalona w stosunku do pierwszej. ${\displaystyle G_{2}}$${\displaystyle A_{2}}$

Teraz dla danego rozmieszczenia anten twierdzenie o wzajemności wymaga, aby transfer mocy był jednakowo skuteczny w każdym kierunku, tj.

${\ Displaystyle {\ Frac {P_ {1r}} {P_ {2t}}} = {\ Frac {P_ {2r}} {P_ {1t}}}}$,

skąd

${\displaystyle {\frac {\mathrm {A_{1}} (\theta,\Phi)}{\mathrm {G_{1}} (\theta,\Phi)}}={\frac {A_{2} }{G_{2}}}}$.

Ale prawa strona tego równania jest stała (ponieważ orientacja anteny 2 jest stała) i tak

${\displaystyle {\frac {\mathrm {A_{1}} (\theta,\Phi)}{\mathrm {G_{1}} (\theta,\Phi)}}=\mathrm {stała}}$,

tj. kierunkowa zależność efektywnej apertury (odbiorczej) i wzmocnienia (nadawczego) są identyczne (QED). Ponadto stała proporcjonalności jest taka sama niezależnie od rodzaju anteny, a więc musi być taka sama dla wszystkich anten. Analiza konkretnej anteny (takiej jak dipol Hertza ) pokazuje, że ta stała wynosi , gdzie jest długością fali w wolnej przestrzeni. Stąd dla każdej anteny zysk i apertura efektywna są powiązane przez ${\ Displaystyle {\ Frac {\ Lambda ^ {2}} {4 \ pi}}}$${\ Displaystyle \ lambda}$

${\ Displaystyle \ operatorname {A} (\ theta, \ Phi) = {\ Frac {\ lambda ^ {2} \ operatorname {G} (\ theta, \ Phi) {4 \ pi}}}$.

Nawet w przypadku anteny odbiorczej częściej podaje się wzmocnienie niż określanie efektywnej apertury. Moc dostarczana do odbiornika jest zatem częściej zapisywana jako

${\ Displaystyle P_ {r} = {\ Frac {\ lambda ^ {2} G_ {r} G_ {t}} {(4 \ pi r) ^ {2}}} P_ {t}}$

(patrz budżet linków ). Efektywna apertura jest jednak interesująca dla porównania z rzeczywistym fizycznym rozmiarem anteny.

Praktyczne konsekwencje

• Przy określaniu wzoru anteny odbiorczej za pomocą symulacji komputerowej nie jest konieczne wykonywanie obliczeń dla każdego możliwego kąta padania. Zamiast tego charakterystyka promieniowania anteny jest określana przez pojedynczą symulację, a charakterystyka odbioru wywnioskowana na podstawie wzajemności.
• Podczas określania wzorca anteny przez pomiar , antena może albo odbierać, albo nadawać, w zależności od tego, co jest wygodniejsze.
• W przypadku praktycznej anteny poziom listka bocznego powinien być minimalny, konieczna jest maksymalna kierunkowość.

Zobacz też

• E-samolot i H-samolot

Bibliografia

 Ten artykuł zawiera  materiał z domeny publicznej z dokumentu General Services Administration : „Federal Standard 1037C” .(na poparcie MIL-STD-188 )

Linki zewnętrzne

• Zrozumienie i wykorzystanie wzorców promieniowania anteny Joseph H. Reisert
• Wyjaśnienie terminu „ Dwukierunkowa szerokość wiązki ”