Что такое направленность антенны?
Краткий ответ:Направленность антенны описывает, насколько сильно антенна концентрирует излучаемую мощность в определенном направлении по сравнению с идеальным изотропным излучателем. Изотропный излучатель имеет направленность 1, или 0 дБи.
Более высокая направленность обеспечивает более узкую и сфокусированную диаграмму направленности, тогда как более низкая направленность обеспечивает более широкий угловой охват. Направленность зависит от формы диаграммы направленности и не включает потери в антенне.
Нормализованная диаграмма направленности излучения может быть выражена в сферических координатах следующим образом:
Нормализованная диаграмма направленности излучения
Формула направленности антенны
Нормализованная диаграмма направленности имеет ту же форму, что и исходная, но её максимальное значение масштабировано до 1. Направленность антенны, записываемая какD, сравнивает максимальную интенсивность излучения со средней интенсивностью излучения по всем направлениям.
Знаменатель уравнения представляет собой общую диаграмму направленности, интегрированную по сфере. Деление пикового значения на это пространственное среднее показывает, насколько сильно антенна концентрирует энергию в своем основном направлении.
Направленность против усиления
Направленность описывает только то, как концентрируется диаграмма направленности излучения. Коэффициент усиления антенны также учитывает эффективность излучения, включая потери на проводимость и диэлектрические потери.
ОтношенияG = ηD, гдеGвыгода,ηэффективность излучения, иDЭто направленность. У антенны без потерь коэффициент усиления равен её направленности; у реальной антенны коэффициент усиления обычно ниже. Оба значения обычно выражаются в дБи относительно изотропного излучателя.
Пример расчета направленности
В качестве примера рассмотрим следующие два уравнения для диаграммы направленности двух антенн.
Антенна 1
Антенна 2
Диаграмма направленности и коэффициент направленности излучения
Следующие закономерности меняются в зависимости от полярного угла.θПредполагается, что они остаются постоянными по азимуту. Антенна 1 рассеивает излучение шире, в то время как антенна 2 концентрирует больше энергии в основном направлении.
Поскольку более узкий основной луч означает большую концентрацию излучаемой мощности, ожидается, что антенна 2 будет обладать более высокой направленностью.
Рисунок 1. Сравнение двух нормированных диаграмм направленности излучения. Более концентрированная диаграмма имеет более высокую направленность.
Результаты расчета направленности
Применение уравнения направленности к двум примерам диаграмм направленности дает:
- Антенна 1:D = 1,273, или 1,05 дБи
- Антенна 2:D = 2,707, или 4,32 дБи
Антенна 2 обладает более высокой направленностью, поскольку её излучение более сконцентрировано в направлении пика. В качестве эталона 0 дБи используется изотропный излучатель, хотя это идеальная модель, а не реализуемая физическая антенна.
Применение в системах с высокой и низкой направленностью
Антенны с низкой направленностьюОни обеспечивают широкий угловой охват и полезны в случаях, когда сигналы могут поступать с разных направлений, например, от мобильных устройств, автомобильных радиоприемников и беспроводных сетей общего пользования.
Антенны высокой направленностиОни фокусируют энергию в более узкий луч. Их предпочитают использовать для спутниковой связи, радаров, дистанционного зондирования и связи «точка-точка», где известно желаемое направление.
В таблице ниже приведены приблизительные диапазоны направленности для нескольких распространенных типов антенн.
Типичные значения направленности антенны
| Тип антенны | Приблизительное отношение направленности | Приблизительная направленность (дБи) |
|---|---|---|
| Короткий диполь | 1.5 | 1.76 |
| Полуволновой диполь | 1.64 | 2.15 |
| Патч-антенна | 3.2-6.3 | 5-8 |
| Рупорная антенна | 10-100 | 10-20 |
| Спутниковая антенна | 10-10 000 | 10-40 |
Приведенные значения представляют собой типичные диапазоны. Фактическая направленность зависит от частоты, электрических параметров, геометрии, освещенности и условий эксплуатации.
Как измеряется направленность антенны?
Направленность обычно определяется по измеренной диаграмме направленности. Характеристики исследуемой антенны определяются по азимуту и углу места, а полученные данные о поле или мощности нормализуются для создания трехмерной диаграммы направленности.
- Измерьте относительный уровень излучения в требуемом угловом диапазоне.
- Определите максимальную интенсивность излучения.
- Для получения пространственного усреднения проинтегрируйте диаграмму направленности излучения по телесному углу.
- Разделите пиковую интенсивность на среднюю интенсивность и выразите результат в виде отношения или в дБи.
Контролируемыйтестирование антеннпомогает уменьшить отражения и неопределенность измерений при оценке диаграмм направленности, усиления, поляризации и направленности излучения.
Как размер антенны влияет на направленность
Размеры электрического элемента оказывают сильное влияние на диаграмму направленности. Небольшая одноэлементная антенна обычно формирует широкий луч и относительно низкую направленность. Увеличение эффективной апертуры в диапазоне длин волн позволяет антенне или антенной решетке формировать более узкий луч и достигать более высокой направленности.
- Низкая направленность:Полезно для покрытия больших площадей и приема сигналов, поступающих с разных направлений.
- Повышенная направленность:Полезно для сфокусированной связи, повышения угловой избирательности и подавления сигналов, находящихся вне основного луча.
Направленность излучения определяется не только физическими размерами. Геометрия, распределение тока, расстояние между элементами массива и фазировка, освещенность апертуры и рабочая частота — все это влияет на конечную диаграмму направленности.
Более узкий луч, как правило, соответствует более высокой направленности, но также требует более точного наведения и юстировки. Взаимосвязь между направленностью, эффективностью и фактическими характеристиками см. в [ссылка].эффективность и коэффициент усиления антенны.
Часто задаваемые вопросы
Что такое направленность антенны простыми словами?
Это показатель того, насколько сильно антенна концентрирует излучение в одном направлении по сравнению со средним излучением во всех направлениях.
Является ли направленность антенны тем же самым, что и коэффициент усиления?
Нет. Направленность описывает концентрацию диаграммы направленности, а коэффициент усиления также включает эффективность излучения. Их соотношение выражается формулой G = ηD.
Что означает направленность 0 дБи?
Это соответствует идеальному изотропному излучателю с коэффициентом направленности, равным 1. Это эталон, используемый для выражения направленности в дБи.
Как можно повысить направленность антенны?
Направленность можно повысить, увеличив эффективную электрическую апертуру, используя отражатели или линзы, формируя массивы с контролируемой амплитудой и фазой или выбирая геометрию, которая создает более узкий основной луч.
Всегда ли более высокая направленность означает лучшую антенну?
Нет. Более высокая направленность полезна, когда направление к цели известно, но широкое покрытие может быть важнее для мобильных или многонаправленных приложений. Правильный выбор зависит от типа канала связи, зоны покрытия, полосы пропускания, эффективности и требований к установке.
Для получения помощи в выборе или тестировании антенны для вашего применения,контакт RF MISOили по электронной почтеinfo@rf-miso.com.
Дата публикации: 07.11.2023
