Усиление антенны

редактировать

Показатель производительности телекоммуникаций

В электромагнетизме усиление мощности антенны или просто усиление - это ключевое число рабочих характеристик, которое объединяет направленность антенны и электрический КПД. В передающей антенне коэффициент усиления описывает, насколько хорошо антенна преобразует входную мощность в радиоволны, направляемые в указанном направлении. В приемной антенне коэффициент усиления описывает, насколько хорошо антенна преобразует радиоволны, приходящие с заданного направления, в электрическую энергию. Когда направление не указано, под усилением понимается пиковое значение усиления, т.е. усиление в направлении главного лепестка антенны. График усиления как функции направления называется диаграммой усиления или диаграммой направленности.

Усиление антенны обычно определяется как отношение мощности, производимой антенной из дальнего поля источник на оси луча антенны к мощности, создаваемой гипотетической изотропной антенной без потерь, которая одинаково чувствительна к сигналам со всех направлений. Обычно это отношение выражается в децибелах, и эти единицы называются изотропными децибелами (дБи). В альтернативном определении принимаемая мощность сравнивается с мощностью, принимаемой полуволновой дипольной антенной без потерь, и в этом случае единицы записываются как дБд. Поскольку дипольная антенна без потерь имеет коэффициент усиления 2,15 дБи, соотношение между этими единицами составляет G ain (d B d) = G ain (d B i) - 2,15 {\ displaystyle \ mathrm {Gain (dBd)} = \ mathrm {Усиление (дБи)} -2,15}{\ displaystyle \ mathrm {Gain (dBd)} = \ mathrm {Gain (dBi)} -2,15} . Для данной частоты эффективная площадь антенны пропорциональна усилению мощности. Эффективная длина антенны пропорциональна квадратному корню из коэффициента усиления антенны для конкретной частоты и устойчивости к излучению. Из-за взаимности усиление любой обратной антенны при приеме равно ее усилению при передаче.

Директивное усиление или направленность - это другая мера, которая не принимает во внимание электрический КПД антенны. Этот термин иногда более уместен в случае приемной антенны, когда речь идет в основном о способности антенны принимать сигналы с одного направления, отклоняя мешающие сигналы, поступающие с другого направления.

Содержание

  • 1 Коэффициент усиления
    • 1.1 Эффективность
    • 1.2 Направленность
    • 1.3 Усиление
    • 1.4 Резюме
  • 2 Усиление в децибелах
  • 3 Частичное усиление
  • 4 Пример расчета
  • 5 Реализованное усиление
  • 6 Общая излучаемая мощность
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки
  • 9 Библиография

Коэффициент усиления

Коэффициент усиления (или просто усиление ) - безразмерная мера, которая объединяет эффективность ϵ антенны {\ displaystyle \ epsilon _ {антенна}}{\ displaystyle \ epsilon _ {антенна}} и направленность D:

G = ϵ антенна ⋅ D. {\ displaystyle G = \ epsilon _ {антенна} \ cdot D.}{\ displaystyle G = \ epsilon _ {антенна} \ cdot D.}

Понятия эффективности и направленности зависят от следующего.

Эффективность

эффективностьϵ антенны {\ displaystyle \ epsilon _ {антенна}}{\ displaystyle \ epsilon _ {антенна}} антенны - это общая излучаемая мощность P o {\ displaystyle P_ {o}}P_ {o} , деленная на входную мощность в точке питания

ϵ антенна = P o P in {\ displaystyle \ epsilon _ { антенна} = {P_ {o} \ over P_ {in}}}{\ displaystyle \ epsilon _ {антенна} = {P_ {o} \ over P_ {in}}}

Передающая антенна получает питание от фидерной линии, линии передачи, соединяющей антенну с радиопередатчик. Входная мощность P in {\ displaystyle P_ {in}}P _ {{in}} для антенны обычно определяется как мощность, подаваемая на выводы антенны (точку питания), поэтому антенна Потери мощности не включают потерю мощности из-за джоулева нагрева в фиде и отражений вниз по фидеру из-за несоответствия импеданса антенны / линии .

Электромагнитная теорема взаимности гарантирует что электрические свойства антенны, такие как эффективность, направленность и усиление, одинаковы, когда антенна используется для приема, и когда она передает.

Направленность

Направленность антенны определяется ее диаграммой направленности, тем, как излучаемая мощность распределяется по направлению в трех измерениях. Все антенны в большей или меньшей степени направлены, то есть в одних направлениях они излучают больше энергии, чем в других. Направление указывается здесь в сферических координатах (θ, ϕ) {\ displaystyle (\ theta, \ phi)}(\ theta, \ phi) , где θ {\ displaystyle \ theta }\ theta - высота или угол над заданной базовой плоскостью (например, землей), а ϕ {\ displaystyle \ phi}\ phi - это азимут как угол между проекцией данного направления на опорную плоскость и заданным опорным направлением (например, север или восток) в этой плоскости с указанным знаком (по часовой стрелке или против часовой стрелки).

Распределение выходной мощности как функция возможных направлений (θ, ϕ) {\ displaystyle (\ theta, \ phi)}(\ theta, \ phi) задается его интенсивность излучения U (θ, ϕ) {\ displaystyle U (\ theta, \ phi)}U (\ theta, \ phi) единицах СИ : Вт на стерадиан, Втср). Выходная мощность получается из интенсивности излучения путем интегрирования последней по всем телесным углам d Ω = cos ⁡ θ d θ d ϕ {\ displaystyle d \ Omega = \ cos \ theta \, d \ theta \, d \ phi}{\ displaystyle d \ Omega = \ cos \ theta \, d \ theta \, d \ phi} :

P o = ∫ - π π ∫ - π / 2 π / 2 U (θ, ϕ) d Ω = ∫ - π π ∫ - π / 2 π / 2 U (θ, ϕ) cos ⁡ θ d θ d ϕ. {\ displaystyle P_ {o} = \ int _ {- \ pi} ^ {\ pi} \ int _ {- \ pi / 2} ^ {\ pi / 2} U (\ theta, \ phi) \, d \ Омега = \ int _ {- \ pi} ^ {\ pi} \ int _ {- \ pi / 2} ^ {\ pi / 2} U (\ theta, \ phi) \ cos \ theta \, d \ theta \, d \ phi.}{\ displaystyle P_ {o} = \ int _ {- \ pi} ^ {\ pi} \ int _ {- \ pi / 2} ^ {\ pi / 2} U (\ theta, \ phi) \, d \ Omega = \ int _ {- \ pi} ^ {\ pi} \ int _ {- \ pi / 2} ^ {\ pi / 2} U (\ theta, \ phi) \ cos \ theta \, d \ theta \, d \ phi.}

Следовательно, средняя интенсивность излучения U ¯ {\ displaystyle {\ overline {U}}}\ overline U , следовательно, определяется как

U ¯ = P o 4 π {\ displaystyle {\ overline {U}} = {\ frac {P_ {o}} {4 \ pi}} ~~}\ overline U = {\ frac {P_ {o}} {4 \ pi}} ~~ , поскольку в сфере есть 4π стерадиана
= ϵ антенна ⋅ P in 4 π {\ displaystyle = {\ frac {\ epsilon _ {антенна} \ cdot P_ {in}} {4 \ pi}}}{\ displaystyle = {\ frac {\ epsilon _ {антенна} \ cdo t P_ {in}} {4 \ pi}}} с использованием первой формулы для P о {\ displaystyle P_ {o}}P_ {o} .

Директивное усиление или направленностьD (θ, ϕ) {\ displaystyle D (\ theta, \ phi)}D (\ theta, \ phi) антенны в данном направлении - это отношение ее интенсивности излучения U (θ, ϕ) {\ displaystyle U (\ theta, \ phi)}U (\ theta, \ phi) в этом направлении к ее среднему излучению. интенсивность U ¯ {\ displaystyle {\ overline {U}}}\ overline U . То есть

D (θ, ϕ) = U (θ, ϕ) U ¯. {\ displaystyle D (\ theta, \ phi) = {\ frac {U (\ theta, \ phi)} {\ overline {U}}}.}D (\ theta, \ phi) = {\ frac {U (\ theta, \ phi)} {\ overline U}}.

Изотропная антенна, то есть антенна с той же интенсивностью излучения в все направления, следовательно, имеет направленность D = 1 во всех направлениях независимо от его эффективности. В более общем плане максимальная, минимальная и средняя направленности любой антенны всегда составляют не менее 1, не более 1 и ровно 1. Для полуволнового диполя соответствующие значения равны 1,64 (2,15 дБ. ), 0 и 1.

Когда направленность D {\ displaystyle D}D антенны задается независимо от направления, это относится к ее максимальной направленности в любом направление, а именно

D = max θ, ϕ D (θ, ϕ). {\ displaystyle D = \ max _ {\ theta, \, \ phi} D (\ theta, \ phi).}{\ displaystyle D = \ max _ {\ theta, \, \ phi} D ( \ theta, \ phi).}

Gain

усиление мощности или просто gain G (θ, ϕ) {\ displaystyle G (\ theta, \ phi)}G (\ theta, \ phi) антенны в заданном направлении учитывает эффективность, определяя ее как отношение интенсивности ее излучения U (θ, ϕ) {\ displaystyle U (\ theta, \ phi)}U (\ theta, \ phi) в этом направлении к средней интенсивности излучения идеально эффективной антенны. Поскольку последнее равно P in / 4 π {\ displaystyle P_ {in} / 4 \ pi}P _ {{in}} / 4 \ pi , оно определяется как

G (θ, ϕ) = U (θ, ϕ) п в / 4 π {\ displaystyle G (\ theta, \ phi) = {\ frac {U (\ theta, \ phi)} {P_ {in} / 4 \ pi}}}G (\ theta, \ phi) = {\ frac {U (\ theta, \ phi)} {P _ {{in}} / 4 \ pi}}
= ϵ антенна ⋅ U (θ, ϕ) U ¯ {\ displaystyle = \ epsilon _ {антенна} \ cdot {\ frac {U (\ theta, \ phi)} {\ overline {U}}}}{\ displaystyle = \ epsilon _ { антенна} \ cdot {\ frac {U (\ theta, \ phi)} {\ overline {U}}}} с использованием второе уравнение для U ¯ {\ displaystyle {\ overline {U}}}\ overline U
= ϵ антенна ⋅ D (θ, ϕ) {\ displaystyle = \ epsilon _ {антенна} \ cdot D (\ theta, \ phi)}{\ displaystyle = \ epsilon _ {антенна} \ cdot D (\ theta, \ phi)} с использованием уравнения для D (θ, ϕ). {\ displaystyle D (\ theta, \ phi).}D (\ theta, \ phi).

Как и в случае с направленностью, когда усиление G {\ displaystyle G}G антенны задается независимо от направления, оно относится к ее максимальный выигрыш в любом направлении. Поскольку единственная разница между усилением и направленностью в любом направлении - это постоянный коэффициент ϵ антенны {\ displaystyle \ epsilon _ {антенна}}{\ displaystyle \ epsilon _ {антенна}} независимо от θ {\ displaystyle \ theta}\ theta и ϕ {\ displaystyle \ phi}\ phi , мы получаем фундаментальную формулу этого раздела:

G = ϵ антенна ⋅ D. {\ displaystyle G = \ epsilon _ {антенна} \ cdot D.}{\ displaystyle G = \ epsilon _ {антенна} \ cdot D.}

Резюме

Если только определенная часть электроэнергии, полученной от передатчика, фактически излучается антенной (т. е. менее 100 % эффективности), то директивное усиление сравнивает мощность, излучаемую в заданном направлении, с этой уменьшенной мощностью (вместо общей полученной мощности), игнорируя неэффективность. Таким образом, направленность является максимальным направленным усилением по всем направлениям и всегда составляет не менее 1. С другой стороны, коэффициент усиления по мощности учитывает более низкий КПД, сравнивая излучаемую мощность в заданном направлении с фактической мощностью, которую антенна принимает сигнал от передатчика, что делает ее более полезным показателем для оценки вклада антенны в способность передатчика посылать радиоволны к приемнику. Во всех направлениях коэффициент усиления изотропной антенны равен КПД и, следовательно, всегда не превышает 1, хотя в идеале он может и в идеале должен превышать 1 для направленной антенны ..

Обратите внимание, что в случае рассогласование импеданса, P в будет вычисляться как падающая мощность линии передачи минус отраженная мощность. Или, что эквивалентно, в единицах среднеквадратичного напряжения V на зажимах антенны:

P in = V 2 ⋅ Re {1 Z in} {\ displaystyle P_ {in} = V ^ {2} \ cdot {\ text {Re }} \ left \ lbrace {\ frac {1} {Z_ {in}}} \ right \ rbrace}{\ displaystyle P_ {in} = V ^ {2} \ cdot {\ text {Re}} \ left \ lbrace {\ frac {1} {Z_ {in}} } \ right \ rbrace}

где Z in - это импеданс точки питания.

усиление в децибелах

Опубликованные числа для усиления антенны почти всегда выражаются в децибелах (дБ), в логарифмической шкале. Из коэффициента усиления G можно найти усиление в децибелах как:

G d B i = 10 log 10 ⁡ (G). {\ displaystyle G_ {дБи} = 10 \ cdot \ log _ {10} \ left (G \ right).}{\ displaystyle G_ {dBi} = 10 \ cdot \ log _ {10} \ left (G \ right).}

Следовательно, антенна с пиковым усилением мощности 5 будет иметь усиление 7 дБи.. Используется дБи, а не просто дБ, чтобы подчеркнуть, что это усиление согласно основному определению, в котором антенна сравнивается с изотропным излучателем.

Когда фактические измерения усиления антенны производятся в лаборатории, напряженность поля тестовой антенны измеряется при подаче, скажем, 1 Вт мощности передатчика на определенном расстоянии. Эта напряженность поля сравнивается с напряженностью поля, найденной с помощью так называемой эталонной антенны на том же расстоянии, получающей ту же мощность, для определения усиления тестируемой антенны. Это отношение было бы равно G, если бы эталонная антенна была изотропным излучателем (irad).

Однако невозможно построить истинный изотропный излучатель, поэтому на практике используется другая антенна. Часто это будет полуволновой диполь, очень хорошо понятная и повторяемая антенна, которую можно легко построить для любой частоты. Директивное усиление полуволнового диполя, как известно, составляет 1,64, и его можно сделать почти 100% эффективным. Поскольку коэффициент усиления был измерен относительно этой эталонной антенны, разницу в коэффициенте усиления тестовой антенны часто сравнивают с коэффициентом усиления диполя. Поэтому коэффициент усиления относительно диполя часто указывается и обозначается с использованием дБд вместо дБи, чтобы избежать путаницы. Следовательно, с точки зрения истинного усиления (относительно изотропного излучателя) G, это число для усиления определяется как:

G d B d = 10 log 10 ⁡ (G 1,64). {\ displaystyle G_ {dBd} = 10 \ cdot \ log _ {10} \ left ({\ frac {G} {1.64}} \ right).}{\ displaystyle G_ {dBd} = 10 \ cdot \ log _ {10} \ left ({\ frac {G } {1.64}} \ right).}

Например, вышеупомянутая антенна с коэффициентом усиления G = 5 имел бы усиление по отношению к диполю 5 / 1,64 = 3,05, или в децибелах это можно было бы назвать 10 log (3,05) = 4,84 дБд. В общем:

G d B d = G d B i - 2,15 d B {\ displaystyle G_ {dBd} = G_ {дБи} -2,15 дБ}G _ {{dBd}} = G _ {{dBi}} - 2,15 дБ

Обычно используются как дБи, так и дБд. Когда максимальное усиление антенны указывается в децибелах (например, производителем), необходимо знать, означает ли это усиление относительно изотропного излучателя или относительно диполя. Если он указывает дБи или дБд, то двусмысленности нет, но если указан только дБ, то необходимо обращаться к мелкому шрифту. Любую фигуру можно легко преобразовать в другую, используя указанное выше соотношение.

Обратите внимание, что при рассмотрении диаграммы направленности антенны, усиление по отношению к диполю не подразумевает сравнения усиления этой антенны в каждом направлении с усилением диполя в этом направлении. Скорее, это сравнение усиления антенны в каждом направлении с пиковым усилением диполя (1,64). Следовательно, в любом направлении эти числа на 2,15 дБ меньше, чем усиление, выраженное в дБи.

Частичное усиление

Частичное усиление рассчитывается как усиление мощности, но для конкретной поляризации. Он определяется как часть интенсивности излучения U {\ displaystyle U}U , соответствующая данной поляризации, деленная на общую интенсивность излучения изотропной антенны.

G θ = 4 π (U θ P дюйм) {\ displaystyle G _ {\ theta} = 4 \ pi \ left ({\ frac {U _ {\ theta}} {P _ {\ mathrm {in}}}} \ right)}G _ {{\ theta}} = 4 \ pi \ left ({\ frac {U _ {\ theta}} {P _ {{{\ mathrm {in}}}}}} \ right)
G ϕ = 4 π (U ϕ P in) {\ displaystyle G _ {\ phi} = 4 \ pi \ left ({\ frac {U _ {\ phi}} {P _ {\ mathrm {in) }}}} \ right)}G _ {{\ phi}} = 4 \ pi \ left ({\ frac {U _ {\ phi}} {P _ {{{\ mathrm {in}}}}} \ right)

где U θ {\ displaystyle U _ {\ theta}}U _ {{\ theta}} и U ϕ {\ displaystyle U _ {\ phi}}U_ {{\ phi}} представляют интенсивность излучения в заданном направлении, содержащуюся в их соответствующей составляющей поля E.

В результате этого определения мы можем заключить, что полное усиление антенны - это сумма частичных усилений для любых двух ортогональных поляризаций.

G = G θ + G ϕ {\ displaystyle G = G _ {\ theta} + G _ {\ phi}}G = G _ {{\ theta}} + G _ {{\ phi}}

Пример расчета

Предположим, антенна без потерь имеет диаграмму направленности, определяемую следующим образом:

U = B 0 грех 3 ⁡ (θ). {\ displaystyle U = B_ {0} \, \ sin ^ {3} (\ theta).}{\ displaystyle U = B_ {0} \, \ sin ^ {3} (\ theta).}

Давайте найдем коэффициент усиления такой антенны.

Решение :

Сначала мы находим пиковую интенсивность излучения этой антенны:

U max = B 0 {\ displaystyle U _ {\ mathrm {max}} = B_ {0}}U _ {{{\ mathrm {max}}}} = B_ {0}

Полная излучаемая мощность можно найти интегрированием по всем направлениям:

P rad = ∫ 0 2 π ∫ 0 π U (θ, ϕ) sin ⁡ (θ) d θ d ϕ = 2 π B 0 ∫ 0 π sin 4 ⁡ (θ) d θ знак равно В 0 (3 π 2 4) {\ displaystyle P _ {\ mathrm {rad}} = \ int _ {0} ^ {2 \ pi} \ int _ {0} ^ {\ pi} U (\ тета, \ phi) \ sin (\ theta) \, d \ theta \, d \ phi = 2 \ pi B_ {0} \ int _ {0} ^ {\ pi} \ sin ^ {4} (\ theta) \, d \ theta = B_ {0} \ left ({\ frac {3 \ pi ^ {2}} {4}} \ right)}P _ {{{\ mathrm { рад}}}} = \ int _ {0} ^ {{2 \ pi}} \ int _ {0} ^ {{\ pi}} U (\ theta, \ phi) \ sin (\ theta) \, d \ theta \, d \ phi = 2 \ pi B_ {0} \ int _ {0} ^ {{\ pi}} \ sin ^ {4} (\ theta) \, d \ theta = B_ {0} \ left ({\ гидроразрыва {3 \ пи ^ {2}} {4}} \ справа)
D = 4 π (U max P rad) = 4 π [ В 0 В 0 (3 π 2 4)] = 16 3 π = 1,698 {\ displaystyle D = 4 \ pi \ left ({\ frac {U _ {\ mathrm {max}}} {P _ {\ mathrm {rad}} }} \ right) = 4 \ pi \ left [{\ frac {B_ {0}} {B_ {0} \ left ({\ frac {3 \ pi ^ {2}} {4}} \ right)}} \ right] = {\ frac {16} {3 \ pi}} = 1.698}D = 4 \ pi \ left ({\ frac { U _ {{{\ mathrm {max}}}}} {P _ {{\ mathrm {rad}}}}}} \ right) = 4 \ pi \ left [{\ frac {B_ {0}} {B_ { 0} \ left ({\ frac {3 \ pi ^ {2}} {4}} \ right)}} \ right] = {\ frac {16} {3 \ pi}} = 1,698

Поскольку антенна указана как без потерь, эффективность излучения равна 1. Максимальное усиление тогда равно:

G = ϵ антенна D = (1) (1,698) = 1,698 {\ displaystyle G = \ эпсилон _ {антенна} \, D = (1) (1.698) = 1.698}{\ displaystyle G = \ epsilon _ {антенна} \, D = (1) (1.698) = 1.698} .
G d B i = 10 log 10 ⁡ (1.698) = 2.30 d B i {\ displaystyle G_ {dBi} = 10 \, \ log _ {10} (1.698) = 2.30 \, \ mathrm {dBi}}G _ {{дБи}} = 10 \, \ журнал _ {{10}} (1,698) = 2,30 \, {\ mathrm {дБи}}

Выражаясь относительно усиления полуволнового диполя, мы можем найти:

G d B d = 10 log 10 ⁡ (1.698 / 1,64) = 0,15 d B d {\ displaystyle G_ {dBd} = 10 \, \ log _ {10} (1,698 / 1,64) = 0,15 \, \ mathrm {dBd}}G _ {{dBd}} = 10 \, \ log _ {{10}} (1.698 / 1.64) = 0,15 \, {\ mathrm {dBd}} .

Реализованное усиление

Согласно стандарту IEEE 145–1993, реализованное усиление отличается от приведенных выше определений усиления тем, что оно «уменьшается на потери из-за несоответствия входного импеданса антенны заданному импедансу». Это рассогласование приводит к потерям, превышающим диссипативные потери, описанные выше; следовательно, реализованный выигрыш всегда будет меньше, чем выигрыш.

Коэффициент усиления может быть выражен как абсолютное усиление, если требуется дальнейшее уточнение, чтобы отличить его от реализованного усиления.

Общая излучаемая мощность

Общая излучаемая мощность ( TRP) - это сумма всей РЧ-мощности, излучаемой антенной, когда мощность источника включена в измерение. TRP выражается в ваттах или соответствующих логарифмических выражениях, часто дБм или дБВт.

При тестировании мобильных устройств TRP можно измерить в непосредственной близости от потерь на поглощение мощности, таких как тело и рука пользователя.

TRP можно использовать для определения потери тела (BoL). Потеря тела рассматривается как отношение TRP, измеренного при наличии потерь, и TRP, измеренного в свободном пространстве.

См. Также

Ссылки

Библиография

  • Теория антенн (3-е издание), автор: C Balanis, Wiley, 2005, ISBN 0-471-66782-X
  • Антенна для всех приложений (3-е издание), Джон Д. Краус, Рональд Дж. Мархефка, 2002, ISBN 0-07-232103-2

Эта статья включает материалы общественного достояния из документа Администрации общих служб : «Федеральный стандарт 1037C».(в поддержку MIL-STD-188 )

Последняя правка сделана 2021-06-11 17:41:55
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте