Направленность — это основополагающий параметр антенны. Он измеряет диаграмму направленности направленной антенны. Антенна, излучающая одинаково во всех направлениях, будет иметь направленность, равную 1 (это эквивалентно нулю децибел — 0 дБ).
Функцию сферических координат можно записать в виде нормированной диаграммы направленности излучения:
[Уравнение 1]
Нормализованная диаграмма направленности имеет ту же форму, что и исходная диаграмма направленности. Нормализованная диаграмма направленности уменьшается по величине таким образом, что максимальное значение диаграммы направленности равно 1. (Наибольшее значение — уравнение [1] "F"). Математически формула для направленности (типа "D") записывается следующим образом:
На первый взгляд, это может показаться сложным уравнением направленности. Однако диаграммы направленности молекул имеют наибольшее значение. Знаменатель представляет собой среднюю мощность излучения во всех направлениях. Затем уравнение представляет собой отношение пиковой мощности излучения к средней. Это дает направленность антенны.
Направленная парадигма
В качестве примера рассмотрим следующие два уравнения для диаграммы направленности двух антенн.
Антенна 1
Антенна 2
Диаграммы направленности излучения представлены на рисунке 1. Обратите внимание, что режим излучения зависит только от полярного угла тета (θ). Диаграмма направленности не зависит от азимута (азимутальная диаграмма направленности остается неизменной). Диаграмма направленности первой антенны менее направлена, чем диаграмма направленности второй антенны. Поэтому мы ожидаем, что направленность первой антенны будет ниже.
Рисунок 1. Диаграмма направленности антенны. Обладает высокой направленностью?
Используя формулу [1], мы можем рассчитать, что антенна имеет более высокую направленность. Чтобы проверить ваше понимание, подумайте о рисунке 1 и о том, что такое направленность. Затем определите, какая антенна имеет более высокую направленность, не используя никаких математических вычислений.
Результаты направленных вычислений, используйте формулу [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 значит, что приемная антенна с двумя приемниками имеет в 2,707 раза большую направленную мощность, чем всенаправленная антенна. Антенна 1 получит в 1,273 раза большую мощность, чем всенаправленная антенна. Всенаправленные антенны используются в качестве общепринятого эталона, хотя изотропных антенн не существует.
Антенны сотовой связи должны иметь низкую направленность, поскольку сигналы могут поступать с любого направления. В отличие от них, спутниковые тарелки обладают высокой направленностью. Спутниковая тарелка принимает сигналы с фиксированного направления. Например, если вы приобретаете спутниковую телевизионную тарелку, компания укажет вам, куда её нужно направить, и тарелка будет принимать желаемый сигнал.
В заключение приведем список типов антенн и их направленности. Это даст вам представление о том, какие типы направленности являются распространенными.
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
Параболическая антенна 10-10000 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 из нескольких направлений в одном направлении, то следует разработать антенну с низкой направленностью. Примерами применения антенн с низкой направленностью являются автомобильные радиоприемники, мобильные телефоны и беспроводной доступ в Интернет для компьютеров. И наоборот, если вы занимаетесь дистанционным зондированием или направленной передачей энергии, то потребуется высоконаправленная антенна. Высоконаправленные антенны максимизируют передачу энергии из желаемого направления и уменьшают сигналы из нежелательных направлений.
Предположим, нам нужна антенна с низкой направленностью. Как это сделать?
Общее правило теории антенн гласит, что для получения низкой направленности необходима электрически малая антенна. То есть, если использовать антенну с общей длиной 0,25–0,5 длины волны, то направленность будет минимальной. Полуволновые дипольные антенны или щелевые антенны с длиной волны в полволны обычно имеют направленность менее 3 дБ. Это максимально низкая направленность, которую можно получить на практике.
В конечном итоге, мы не можем создавать антенны меньше четверти длины волны без снижения их эффективности и полосы пропускания. Эффективность и полоса пропускания антенн будут рассмотрены в последующих главах.
Для антенны с высокой направленностью потребуются антенны с различными длинами волн. Например, спутниковые параболические антенны и рупорные антенны обладают высокой направленностью. Это отчасти объясняется их большой длиной волны.
Почему так происходит? В конечном итоге, причина кроется в свойствах преобразования Фурье. При преобразовании Фурье короткого импульса получается широкий спектр. Эта аналогия отсутствует при определении диаграммы направленности антенны. Диаграмму направленности можно рассматривать как преобразование Фурье распределения тока или напряжения вдоль антенны. Следовательно, небольшие антенны имеют широкие диаграммы направленности (и низкую направленность). Антенны с большим равномерным распределением напряжения или тока имеют очень направленные диаграммы (и высокую направленность).
E-mail:info@rf-miso.com
Телефон: 0086-028-82695327
Веб-сайт: www.rf-miso.com
Дата публикации: 07.11.2023
