Направленность — один из основных параметров антенны. Она характеризует диаграмму направленности направленной антенны. Антенна, излучающая одинаково во всех направлениях, будет иметь направленность, равную 1 (что эквивалентно нулю децибел -0 дБ).
Функцию сферических координат можно записать в виде нормированной диаграммы направленности:
[Уравнение 1]
Нормированная диаграмма направленности имеет ту же форму, что и исходная. Нормированная диаграмма направленности уменьшается на величину так, чтобы максимальное значение диаграммы направленности равнялось 1. (Наибольшее значение – это уравнение [1] для «F»). Математически формула для направленности (тип «D») записывается следующим образом:
Это уравнение может показаться сложным для определения направления. Однако диаграммы направленности молекул представляют наибольшую ценность. Знаменатель представляет собой среднюю мощность излучения во всех направлениях. Таким образом, уравнение представляет собой меру пиковой мощности излучения, делённую на среднее значение. Это определяет направленность антенны.
Направленная парадигма
В качестве примера рассмотрим следующие два уравнения для диаграммы направленности двух антенн.
Антенна 1
Антенна 2
Диаграммы направленности представлены на рисунке 1. Обратите внимание, что мода излучения зависит только от полярного угла тета(θ). Диаграмма направленности не зависит от азимута. (Азимутальная диаграмма направленности остаётся неизменной). Диаграмма направленности первой антенны менее направленная, чем диаграмма направленности второй антенны. Поэтому мы ожидаем, что направленность первой антенны будет ниже.
Рисунок 1. Диаграмма направленности антенны. Имеет высокую направленность?
Используя формулу [1], мы можем рассчитать, какая антенна имеет более высокую направленность. Чтобы проверить своё понимание, вспомните рисунок 1 и то, что такое направленность. Затем определите, какая антенна имеет более высокую направленность, не прибегая к математическим вычислениям.
Результаты расчета направления по формуле [1]:
Расчет направленной антенны 1, 1,273 (1,05 дБ).
Расчет направленной антенны 2, 2,707 (4,32 дБ).
Повышенная направленность означает более сфокусированную или направленную антенну. Это означает, что направленная мощность приёмной антенны с двумя антеннами в 2,707 раза превышает пиковую мощность приёмной антенны с ненаправленным приёмом. Антенна с двумя антеннами будет иметь мощность в 1,273 раза больше, чем ненаправленная антенна. Ненаправленные антенны используются в качестве общепринятого эталона, хотя изотропных антенн не существует.
Антенны сотовой связи должны иметь низкую направленность, поскольку сигнал может поступать с любого направления. Спутниковые антенны, напротив, имеют высокую направленность. Спутниковая антенна принимает сигнал с фиксированного направления. Например, если вы приобретаете спутниковую антенну, компания-производитель сообщит вам, куда её направить, и антенна будет принимать нужный сигнал.
В заключение мы перечислим типы антенн и их направленность. Это даст вам представление о том, какие типы направленности встречаются чаще всего.
Тип антенны Типичная направленность Типичная направленность [децибел] (дБ)
Короткая дипольная антенна 1,5 1,76
Полуволновая дипольная антенна 1,64 2,15
Патч (микрополосковая антенна) 3,2-6,3 5-8
Рупорная антенна 10-100 10-20
Антенна-тарелки 10-10,000 10-40
Как показывают приведенные выше данные, направленность антенн сильно варьируется. Поэтому важно понимать направленность при выборе оптимальной антенны для вашего конкретного применения. Если вам необходимо передавать или принимать энергию с нескольких направлений в одном направлении, следует разработать антенну с низкой направленностью. Примерами применения антенн с низкой направленностью являются автомобильные радиоприемники, мобильные телефоны и беспроводные компьютеры для доступа в Интернет. И наоборот, если вы занимаетесь дистанционным зондированием или целевой передачей энергии, потребуется остронаправленная антенна. Остронаправленные антенны максимально увеличивают передачу энергии с нужного направления и подавляют сигналы с нежелательных направлений.
Предположим, нам нужна антенна с низкой направленностью. Как это сделать?
Общее правило теории антенн заключается в том, что для обеспечения низкой направленности необходима антенна с малыми электрическими размерами. То есть, если использовать антенну размером 0,25–0,5 длины волны, то её направленность будет минимальной. Полуволновые дипольные антенны или щелевые антенны с полуволновой длиной волны обычно имеют направленность менее 3 дБ. Это минимально достижимая на практике направленность.
В конечном счёте, мы не можем сделать антенны меньше четверти длины волны, не уменьшив при этом их эффективность и полосу пропускания. Эффективность и полоса пропускания антенн будут рассмотрены в следующих главах.
Для антенны с высокой направленностью нам понадобятся антенны с разной длиной волны. Например, спутниковые антенны-тарелки и рупорные антенны обладают высокой направленностью. Это отчасти объясняется тем, что они имеют много длин волн.
Почему так происходит? В конечном счёте, причина кроется в свойствах преобразования Фурье. При преобразовании Фурье короткого импульса получается широкий спектр. Эта аналогия не применима к диаграмме направленности антенны. Диаграмму направленности можно рассматривать как преобразование Фурье распределения тока или напряжения вдоль антенны. Поэтому небольшие антенны имеют широкие диаграммы направленности (и низкую направленность). Антенны с большим равномерным распределением напряжения или тока. Узкие диаграммы направленности (и высокую направленность).
E-mail:info@rf-miso.com
Телефон: 0086-028-82695327
Сайт:www.rf-miso.com
Время публикации: 07 ноября 2023 г.
