Рисунок 1. Области основного луча и боковых лепестков, используемые для определения эффективности формирования луча антенны.
Что такое эффективность направленности антенны?
Эффективность направленности антенныЭффективность основного луча, также называемая КПД, — это доля общей излучаемой мощности антенны, которая попадает в заданную область основного луча. Она отвечает на практический вопрос проектирования: какая часть доступного излучения концентрируется в нужном угловом секторе, а не распределяется по боковым и заднему лепесткам?
В случае приемной антенны принцип взаимности позволяет рассматривать ту же идею как долю принимаемой мощности, собранной через основной луч, при условии согласованного определения условий окружающего поля и поляризации. Поэтому эффективность луча особенно полезна в радиолокации, радиометрии, спутниковой связи, системах микроволновой связи «точка-точка» и измерениях антенн, где энергия, поступающая из нежелательных направлений или исходящая в них, может снизить точность или увеличить помехи.
На рисунке 1 главный лепесток центрирован на оси z. Если угол конуса θ1Обозначая первую точку нулевого излучения или другую явно заданную границу основного луча, эффективность луча рассчитывается путем интегрирования диаграммы направленности внутри этого конуса и деления ее на мощность, интегрированную по всей диаграмме направленности излучения.
Формула эффективности направленности антенны
Используя нормированную схему мощности Pn(θ,φ), общее выражение для эффективности пучка показано ниже:
Числитель представляет собой мощность, заключенную в выбранном телесном угле главного луча, Ω.MBЗнаменатель представляет собой суммарную излучаемую мощность, интегрированную по 4π стерадианам. Полученное значение, η,B, является безразмерной величиной и обычно выражается в процентах.
- Pn(θ,φ)— это нормированная диаграмма мощности. Если используются измеренные данные электрического поля, то соответствующий член мощности пропорционален |E|.2.
- ΩMB— это заданная область главного луча, часто ограниченная первыми нулевыми точками или определенным углом конуса.
- θ и φ— это координаты места и азимута, используемые для описания полной диаграммы направленности излучения.
Граница основного пучка всегда должна быть указана вместе с результатом. Две лаборатории могут получить разные числовые значения из одной и той же картины, если одна интегрирует до первого минимума, а другая использует фиксированный угловой конус. Для приблизительно вращательно-симметричного узкого пучка интегрирование можно упростить, как показано в следующем выражении.
Как измеряется эффективность направленности антенны?
Эффективность луча определяется на основе данных о диаграмме направленности, а не по одному показанию оси визирования. Может использоваться калиброванный полигон дальнего поля, компактный полигон для испытаний антенн или система ближнего поля с проверенным преобразованием дальнего поля. Для фазированных антенных решеток измерение следует повторять для каждого требуемого состояния луча, частоты и поляризации, поскольку ошибки сканирования, а также амплитудные или фазовые ошибки могут перераспределять мощность в боковые лепестки.
- Измерьте диаграмму направленности излучения.достаточно широкий угловой охват, чтобы включить основной луч, боковые лепестки и задний лепесток.
- Преобразуйте измеренное поле в диаграмму распределения мощности.и применить ту же нормализацию ко всем угловым образцам.
- Определите границу главной балки.например, первый нулевой контур или заданный угол конуса.
- Интегрируйте энергию внутри этой границы.и разделить его на степень, интегрированную по всей схеме.
- Сообщите об условиях проведения испытаний.включая частоту, поляризацию, состояние пучка, угловое разрешение и определение границ.
Пара двумерных срезов в плоскостях E и H может показать ширину луча и поведение боковых лепестков, но обычно не дает полного трехмерного значения эффективности луча, если не обоснована вращательная симметрия. Данные о диаграмме направленности в виде полной сферы или достаточно полные данные дают более убедительный результат. Узнайте больше о ВЧ MISO.возможности тестирования антенн.
Эффективность направленности антенны в сравнении с другими показателями эффективности антенны.
Эффективность пучка против эффективности излучения
Эффективность излучениясравнивает излучаемую мощность с мощностью, принимаемой антенной, и, следовательно, отражает потери в проводниках и диэлектрике.Эффективность пучкаописывает, куда направляется излучаемая мощность. Антенна может иметь низкие внутренние потери, но при этом обладать умеренной эффективностью направленного излучения, если значительная мощность появляется в боковых или задних лепестках.
Эффективность луча в зависимости от направленности и усиления
НаправленностьОписывает пиковую концентрацию излучения относительно изотропного излучателя. Коэффициент усиления объединяет направленность с эффективностью излучения, в то время как реализованный коэффициент усиления также учитывает несоответствие импедансов. Эффективность пучка отличается тем, что она интегрирует мощность в угловом диапазоне, а не оценивает только пиковое направление.
Эффективность пучка в зависимости от ширины пучка
Ширина луча на половине мощности — это угловая ширина между точками -3 дБ главного лепестка. Узкий луч часто сопровождается высокой направленностью, но сам по себе не доказывает высокую эффективность луча. Диаграмма направленности может иметь узкий пик и при этом передавать значительную энергию в боковые лепестки. Поэтому ширину луча и уровень боковых лепестков необходимо рассматривать вместе с интегрированным значением эффективности луча.
Что влияет на эффективность направленности антенны?
1. Уровни боковых и задних лепестков.
Мощность вне выбранной области основного луча напрямую снижает эффективность луча. Высокие боковые лепестки могут быть результатом разрывов апертуры, расстояния между элементами массива, ошибок амплитуды или профиля освещения, не оптимизированного для требуемой схемы. Обратное излучение и рассеяние от близлежащих структур могут оказывать аналогичное воздействие.
2. Освещенность апертуры и амплитудная характеристика
В апертурных антеннах и антенных решетках используется распределение амплитуды по всей излучающей апертуре. Практически равномерное распределение может обеспечить узкий основной луч и высокую направленность, но также может привести к сравнительно высоким боковым лепесткам. Применение амплитудного сужения может подавить боковые лепестки и направить большую часть общей мощности диаграммы направленности в желаемую область, хотя чрезмерное сужение может расширить основной луч и снизить пиковое усиление или эффективность апертуры. Таким образом, оптимальная настройка — это компромисс, зависящий от конкретного применения.
3. Перелив корма и структурная закупорка.
В отражательной антенне энергия, не попадающая на отражатель, рассеивается и не вносит вклад в желаемый основной луч. Опоры питания, суботражатель или расположенные рядом элементы также могут блокировать или рассеивать часть поля апертуры. Правильный выбор питателя, фокусное положение и механическая юстировка помогают контролировать эти потери и нежелательные лепестки.
4. Фазовые, амплитудные и поверхностные ошибки
Фазовый дисбаланс между элементами антенной решетки, неравномерные потери в питании, производственные допуски, погрешности поверхности отражателя и искажения обтекателя могут смещать энергию от намеченного луча. Эти эффекты обычно становятся более значимыми с увеличением частоты, поскольку фиксированная погрешность размеров составляет большую долю длины волны.
5. Чистота поляризации
В некоторых определениях эффективности пучка учитывается только мощность в желаемой поляризации. Кросс-поляризованное излучение внутри или вне основного пучка может снизить сообщаемое значение. Поляризация должна быть указана последовательно в моделировании, измерениях и системных требованиях.
Эффективность луча, ширина луча и полоса пропускания — это разные понятия.
Эффективность пучкапредставляет собой интегрированное угловое отношение мощности.Ширина лучаописывает угловую ширину главного лепестка на заданном уровне, обычно в точке половинной мощности или -3 дБ.Ширина полосы пропускания антенныописывает частотный диапазон, в котором выполняются выбранные требования. Эти параметры влияют друг на друга, но не являются взаимозаменяемыми.
Конструкция может сохранять приемлемый КСВН в широком диапазоне частот, даже если направление луча, уровень боковых лепестков или эффективность луча существенно изменяются вблизи краев полосы пропускания. Поэтому характеристики диаграммы направленности следует проверять на нескольких частотах, а не выводить только из полосы пропускания импеданса. Подробное описание определений частотных диапазонов см. в [ссылка].Полоса пропускания антенны.
Как можно повысить эффективность пучка?
- Выберите конусность апертуры, которая обеспечит баланс между подавлением боковых лепестков, шириной основного луча и коэффициентом усиления.
- Оптимизируйте положение отражателя и источника света, краевое освещение и рассеивание света.
- Для предотвращения появления дифракционных лепестков используйте подходящее расстояние между элементами и точный контроль амплитуды или фазы в антенных решетках.
- Уменьшите помехи, рассеивание кабелей и нежелательное взаимодействие с монтажной конструкцией или обтекателем.
- Контроль допусков обработки, точности поверхности и соосности на самой высокой рабочей частоте.
- Проверьте диаграммы направленности (сополярную и кроссполярную) во всем рабочем диапазоне и для каждого необходимого состояния пучка.
Где эффективность дальнего света имеет наибольшее значение?
Высокая эффективность луча особенно важна, когда мощность или принимаемая энергия должны быть направлены в строго определенное русло. Типичные примеры включают радары слежения за целями и получения изображений, спутниковые каналы связи, радиоастрономию и радиометрию, микроволновые каналы связи «точка-точка», системы питания отражателей, калибровочные антенны и антенные решетки с электронным управлением.
Не существует универсального процента эффективности луча, который был бы правильным для каждой антенны. Полезное требование должно указывать рабочую частоту, поляризацию, состояние луча и угловые границы, а также допустимые характеристики боковых и задних лепестков. Это позволяет напрямую сравнивать данные поставщиков, результаты моделирования и измерений.
На что покупателям следует обратить внимание в техническом описании антенны?
Если важна точность управления направлением луча, не следует оценивать антенну только по пиковому коэффициенту усиления. Уточните у производителя, какие данные о диаграмме направленности и условиях тестирования доступны для конкретной модели и частотного диапазона.
- Диапазон рабочих частот и частоты, используемые для измерения параметров изображения.
- Коэффициент усиления, ширина луча на половинной мощности и уровень первого бокового лепестка в зависимости от частоты.
- Сополярные и кроссполярные диаграммы направленности излучения в требуемых плоскостях или при сферическом сканировании
- Угловая граница и поляризация, используемые для расчета эффективности пучка, если это значение указано.
- КСВН, тип разъема или волновода, допустимая мощность и требования к условиям окружающей среды.
- Механические допуски, способ крепления и любая конфигурация обтекателя или отражателя.
Решения для микроволновых антенн RF MISO
Компания RF MISO поставляет микроволновые и миллиметровые антенны для измерений, радиолокации, связи и системной интеграции. В ассортимент продукции входят следующие семейства:стандартные рупорные антенны с коэффициентом усиления, отражательные антенныиантенные решеткиТехнические характеристики конкретной модели и имеющиеся данные испытаний следует сопоставить с требуемой частотой, поляризацией, коэффициентом усиления и диаграммой направленности.
Для выбора антенны или в соответствии с индивидуальными требованиями,контакт RF MISO at info@rf-miso.com.
Дата публикации: 12 июля 2024 г.
