Что такое эффективная апертура антенны?
Онэффективная апертура антеннытакже называемыйэффективная площадь (Ae) описывает, насколько эффективно приемная антенна улавливает энергию падающей электромагнитной волны. Это эквивалентная приемная площадь, а не обязательно физическое отверстие антенны.
Для поляризационно-согласованной плоской волны, падающей со стороны максимального приема, эффективная апертура связывает плотность падающей мощности с мощностью, доступной на антенных клеммах.
If S— это плотность падающей мощности в Вт/м².2иPrЕсли доступная принимаемая мощность выражена в ваттах, то:
Pr= САe
Большая эффективная апертура позволяет собрать больше энергии из того же падающего поля при условии совпадения направления падения и поляризации.
Эффективная апертура учитывает эффективность излучения и другие потери в антенне, включая потери в проводниках и диэлектриках. Поэтому она измеряет полезные характеристики приема, а не только физические размеры. Эффективность апертуры, несоответствие импедансов и несоответствие поляризации могут снижать мощность, передаваемую на приемник.
Формула эффективной апертуры и коэффициент усиления антенны
Максимальная эффективная апертура любой антенны связана с её коэффициентом усиления.Gи длина волныλк:
Ae= Gλ2/(4π)
В этом уравнении используйте коэффициент усиления в виде линейного отношения, а не в дБи. Преобразуйте коэффициент усиления с помощьюГ = 10Г(дБи)/10Потому что длина волны равнас/фЭффективная апертура уменьшается с увеличением частоты при постоянном коэффициенте усиления.
И наоборот, антенны с одинаковой физической апертурой могут обеспечить более высокое усиление на более коротких длинах волн, если эффективность апертуры остается сопоставимой. Эта зависимость помогает инженерам сравнивать возможности приема на разных частотах.
Как определяется эффективная диафрагма
Эффективную апертуру можно рассчитать на основе измеренного коэффициента усиления, определенного путем сравнения с эталонной антенной, или вывести из калиброванных измерений мощности приема. Полученный результат полезен при расчете бюджета канала связи, измерениях антенн и оценке чувствительности системы.
Для измерительных задач рассмотрите радиочастотные MISO.стандартные рупорные антенны с коэффициентом усилениякоторые обеспечивают известное усиление в заданных частотных диапазонах.
Использование эффективной апертуры в уравнении передачи Фрииса
ОнУравнение передачи ФриисаСоединяет передаваемую мощность, коэффициент усиления антенны, длину волны и расстояние в канале дальней связи в свободном пространстве. Для коэффициента усиления передатчика.Gt, усиление приемникаGrдлина волныλи расстояниеR, она оценивает мощность, доступную на приемной антенне.
С использованиемPr= САeЭто наглядно демонстрирует роль эффективной апертуры приемника: передающая антенна определяет плотность мощности на приемнике, а приемная антенна преобразует часть этого поля в мощность на выходе.
Вывод формулы передачи Фрииса
Рассмотрим две антенны, расположенные на расстоянии друг от друга.Rв свободном пространстве без препятствий. Приемная антенна должна находиться в дальней зоне действия передатчика, а антенны должны быть выровнены по направлению и поляризации.
If PtВаттах мощность передается на идеальную изотропную передающую антенну, распределяясь по поверхности сферы. На расстоянииRПлотность падающей мощности составляет:
Рисунок 1. Передающая (Tx) и приемная (Rx) антенны, разделенные расстояниемR.
Для практической передающей антенны с коэффициентом усиления.GtВ направлении приемника плотность падающей мощности увеличивается в величину этого коэффициента усиления:
Если приемная антенна имеет эффективную апертуруAeДоступная принимаемая мощность равна плотности падающей мощности, умноженной наAe:
Подставив соотношение усиления и апертуры для приемной антенны, получим:
Таким образом, принимаемую мощность можно записать в привычной форме для свободного пространства:
Уравнение 1.Уравнение передачи Фрииса в терминах длины волны.
Уравнение 1Она связывает мощность передачи, коэффициент усиления антенны, длину волны и расстояние между антеннами. Она справедлива для распространения сигнала в свободном пространстве по прямой видимости в дальней зоне. В реальных системах требуются дополнительные члены, учитывающие потери в кабеле, потери в разъеме, ошибку наведения, атмосферное затухание и другие эффекты распространения.
Частотная форма уравнения Фрииса
Потому чтоλ = c/fУравнение также можно выразить через частоту:
Уравнение 2.Уравнение передачи Фрииса в терминах частоты.
Как частота влияет на принимаемую мощность
При постоянных значениях коэффициента усиления антенны и расстояния уравнение Фрииса предсказывает снижение принимаемой мощности с увеличением частоты, поскольку длина волны становится короче. В этом сравнении предполагается, что значения коэффициента усиления одинаковы на каждой частоте.
Однако для антенн с фиксированной физической апертурой коэффициент усиления, как правило, увеличивается с уменьшением длины волны. Поэтому высокочастотные и миллиметровые каналы связи могут обеспечить высокую производительность при использовании направленных антенн с высоким коэффициентом усиления, при условии, что в расчеты мощности канала также включены точность наведения, атмосферное поглощение, дождь и потери в оборудовании.
Уравнение Фрииса следует использовать в качестве эталона для свободного пространства, а не как полную модель распространения сигнала. Оно предполагает работу в дальней зоне, беспрепятственную прямую видимость и правильно выровненные антенны.
Несоответствие поляризации
Если передающая и приемная антенны не согласованы по поляризации, умножьте идеальную принимаемую мощность на коэффициент поляризационных потерь (PLF). Для нормированных векторов поляризации PLF принимает значения от 0 до 1; значение 1 означает идеальное согласование. Приведенная ниже обобщенная форма включает этот член, отражающий несогласование.
Уравнение 3.Обобщенное уравнение передачи Фрииса, учитывающее несоответствие поляризации.
Основные выводы
- Эффективная апертура преобразует плотность падающей мощности в доступную принимаемую мощность.
- Ради выгодыGи длина волныλ, Ae= Gλ2/(4π).
- При расчетах апертуры и коэффициента Фрииса используйте линейное усиление, а не dBi.
- Принцип Фрииса применим к каналам связи в свободном пространстве, находящимся в прямой видимости и расположенным на большом расстоянии; для расчета практического бюджета канала связи необходимо учитывать дополнительные потери.
RF MISO обеспечиваетстандартные рупорные антенны с коэффициентом усиленияа также другие решения для радиочастотных антенн, предназначенные для измерений, калибровки и системной интеграции.Свяжитесь с RF MISOдля обсуждения диапазона частот, коэффициента усиления и требований к интерфейсу.
Электронная почта:info@rf-miso.com
Телефон: 0086-028-82695327
Дата публикации: 08.01.2024
