Усиление антенны

Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в основном непроверенным, поскольку в нем отсутствуют соответствующие встроенные ссылки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Сентябрь 2009 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

В электродинамике , антенна в коэффициенте усиление мощности или просто усиление является ключевым номером производительности , который сочетает в себе антенну «s направленности и электрический КПД . В передающей антенне коэффициент усиления описывает, насколько хорошо антенна преобразует входную мощность в радиоволны, направленные в определенном направлении. В приемной антенне коэффициент усиления описывает, насколько хорошо антенна преобразует радиоволны, приходящие с заданного направления, в электрическую энергию. Если направление не указано, под усилением понимается пиковое значение усиления, усиление в направлении главного лепестка антенны.. График зависимости усиления от направления называется диаграммой усиления или диаграммой направленности .

Усиление антенны обычно определяется как отношение мощности, производимой антенной от источника дальнего поля на оси луча антенны, к мощности, производимой гипотетической изотропной антенной без потерь , которая одинаково чувствительна к сигналам со всех направлений. ^[1] Обычно это соотношение выражается в децибелах , и эти единицы называются изотропными децибелами (дБи). В альтернативном определении принимаемая мощность сравнивается с мощностью, полученной 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 устройствами${\ displaystyle \ mathrm {усиление (дБд)} = \ mathrm {усиление (дБи)} -2,15}$. Для заданной частоты эффективная площадь антенны пропорциональна усилению мощности. Эффективная длина антенны пропорциональна квадратному корню из коэффициента усиления антенны для конкретной частоты и сопротивления излучения . 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.

Увеличение мощности [ править ]

Усиления мощности (или просто коэффициент усиления ) является безразмерной мерой , которая сочетает в себе антенну эффективности и направленность D :${\ displaystyle \ epsilon _ {антенна}}$

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

Понятия эффективности и направленности зависят от следующего.

Эффективность [ править ]

Эффективность антенны является общей мощностью излучения делится на входной мощности в точке питания${\ displaystyle \ epsilon _ {антенна}}$ ${\ displaystyle P_ {o}}$

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

На передающую антенну подается питание по фидерной линии , по линии передачи, соединяющей антенну с радиопередатчиком . Входная мощность к антенне , как правило , определяются как мощность , подаваемая на клеммы антенны (The точке питания ), так что антенна потери мощности не включает потери мощности из - за джоулева нагрев в фидере и отражение обратно вниз фидерной линия связи с антенной / линий рассогласование импеданса . ${\ displaystyle P_ {in}}$

Теорема электромагнитной взаимности гарантирует, что электрические свойства антенны, такие как эффективность, направленность и усиление, одинаковы, когда антенна используется для приема и передачи.

Направленность [ править ]

Направленность антенны определяется ее диаграммой направленности , т.е. 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 указано здесь , в сферических координатах , где это высота или угол выше заданной плоскость отсчета (например, земля), в то время как это азимут как угол между проекцией данного направления на плоскость отсчета и заданное опорное направление (например, север или восток) в этой плоскости с указанным знаком (по часовой стрелке или против часовой стрелки).${\ Displaystyle (\ тета, \ фи)}$${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle \ phi}$

Распределение выходной мощности в зависимости от возможных направлений определяется интенсивностью излучения (в единицах СИ : ватты на стерадиан, Вт⋅ср ^-1 ). Выходная мощность получается из интенсивности излучения путем интегрирования последней по всем телесным углам :${\ Displaystyle (\ тета, \ фи)}$ ${\ Displaystyle U (\ тета, \ фи)}$${\ Displaystyle д \ Омега = \ соз \ тета \, д \ тета \, д \ фи}$

${\displaystyle P_{o}=\int _{-\pi }^{\pi }\int _{-\pi /2}^{\pi /2}U(\theta ,\phi )\,d\Omega =\int _{-\pi }^{\pi }\int _{-\pi /2}^{\pi /2}U(\theta ,\phi )\cos \theta \,d\theta \,d\phi .}$

Таким образом, средняя интенсивность излучения определяется выражением${\displaystyle {\overline {U}}}$

${\displaystyle {\overline {U}}={\frac {P_{o}}{4\pi }}~~}$   так как в сфере 4π стерадианов

      ${\displaystyle ={\frac {\epsilon _{antenna}\cdot P_{in}}{4\pi }}}$   используя первую формулу для .${\displaystyle P_{o}}$

Директивное усиление или направленность антенны в данном направлении - это отношение интенсивности ее излучения в этом направлении к средней интенсивности излучения . То есть,${\displaystyle D(\theta ,\phi )}$${\displaystyle U(\theta ,\phi )}$${\displaystyle {\overline {U}}}$

${\displaystyle D(\theta ,\phi )={\frac {U(\theta ,\phi )}{\overline {U}}}.}$

Изотропная антенна, то есть антенна с одинаковой интенсивностью излучения во всех направлениях, поэтому имеет направленность D = 1 во всех направлениях независимо от ее эффективности. В более общем смысле максимальная, минимальная и средняя направленности любой антенны всегда равны минимум 1, максимум 1 и ровно 1. Для полуволнового диполя соответствующие значения равны 1,64 (2,15 дБ ), 0 и 1.

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

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

Получить [ править ]

Прирост мощности или просто усиление антенны в данном направлении учитывает эффективность, определяя ее как отношение интенсивности ее излучения в этом направлении к средней интенсивности излучения идеально эффективной антенны. Поскольку последний равен , он определяется как${\displaystyle G(\theta ,\phi )}$${\displaystyle U(\theta ,\phi )}$${\displaystyle P_{in}/4\pi }$

${\displaystyle G(\theta ,\phi )={\frac {U(\theta ,\phi )}{P_{in}/4\pi }}}$

                ${\displaystyle =\epsilon _{antenna}\cdot {\frac {U(\theta ,\phi )}{\overline {U}}}}$   используя второе уравнение для ${\displaystyle {\overline {U}}}$

                ${\displaystyle =\epsilon _{antenna}\cdot D(\theta ,\phi )}$   используя уравнение для ${\displaystyle D(\theta ,\phi ).}$

Как и в случае с направленностью, когда коэффициент усиления антенны задается независимо от направления, это относится к ее максимальному усилению в любом направлении. Поскольку единственная разница между усилением и направленностью в любом направлении - это постоянный коэффициент, не зависящий от и , мы получаем основную формулу этого раздела:${\displaystyle G}$${\displaystyle \epsilon _{antenna}}$${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \phi }$

${\displaystyle G=\epsilon _{antenna}\cdot D.}$

Резюме [ править ]

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 мощности получил), игнорируя неэффективность. Таким образом, направленность является максимальным усилением директивы, когда принимается во всех направлениях, и всегда составляет не менее1. С другой стороны, коэффициент усиления по мощности учитывает более низкий КПД путем сравнения излучаемой мощности в заданном направлении с фактической мощностью, которую антенна принимает от передатчика, что делает его более полезным показателем качества для вклада антенны. к способности 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 .

Следует отметить , что в случае несоответствия импеданса , Р _в будет вычислена как падающей мощности минус линии передачи в отраженной мощности. Или, что то же самое, в единицах среднеквадратичного напряжения V на зажимах антенны:

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

где Z _in - импеданс точки питания .

Усиление в децибелах [ править ]

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

${\displaystyle G_{dBi}=10\cdot \log _{10}\left(G\right).}$

Следовательно, антенна с максимальным 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 использованием так называемой эталонной антенны на том же расстоянии, принимающей ту же мощность, для определения коэффициента усиления тестируемой антенны. Это отношение было бы равно G, если бы эталонная антенна была изотропным излучателем (irad).

Однако настоящий изотропный излучатель не может быть построен, 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 усилении испытательной 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 значение для усиления определяется как:

${\displaystyle G_{dBd}=10\cdot \log _{10}\left({\frac {G}{1.64}}\right).}$

Например, вышеупомянутая антенна с усилением G = 5 будет иметь усиление по отношению к диполю 5 / 1,64 = 3,05, или в децибелах это можно назвать 10 log (3,05) = 4,84 дБд. В целом:

${\displaystyle G_{dBd}=G_{dBi}-2.15dB}$

Обычно используются как дБи, так и дБд. Когда максимальное усиление антенны указывается в децибелах (например, производителем), необходимо быть уверенным в том, 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 сравнение 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 такие числа на 2,15 дБ меньше, чем усиление, выраженное в дБи.

Частичное усиление [ править ]

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

${\displaystyle G_{\theta }=4\pi \left({\frac {U_{\theta }}{P_{\mathrm {in} }}}\right)}$

${\displaystyle G_{\phi }=4\pi \left({\frac {U_{\phi }}{P_{\mathrm {in} }}}\right)}$

где и представляют собой интенсивность излучения в заданном направлении, содержащуюся в их соответствующей компоненте поля E.${\displaystyle U_{\theta }}$${\displaystyle U_{\phi }}$

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

${\displaystyle G=G_{\theta }+G_{\phi }}$

Пример расчета [ править ]

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

${\displaystyle U=B_{0}\,\sin ^{3}(\theta ).}$

Найдем коэффициент усиления такой антенны.

Решение :

Сначала находим пиковую интенсивность излучения этой антенны:

${\displaystyle U_{\mathrm {max} }=B_{0}}$

Полная излучаемая мощность может быть найдена путем интегрирования по всем направлениям:

${\displaystyle P_{\mathrm {rad} }=\int _{0}^{2\pi }\int _{0}^{\pi }U(\theta ,\phi )\sin(\theta )\,d\theta \,d\phi =2\pi B_{0}\int _{0}^{\pi }\sin ^{4}(\theta )\,d\theta =B_{0}\left({\frac {3\pi ^{2}}{4}}\right)}$

${\displaystyle D=4\pi \left({\frac {U_{\mathrm {max} }}{P_{\mathrm {rad} }}}\right)=4\pi \left[{\frac {B_{0}}{B_{0}\left({\frac {3\pi ^{2}}{4}}\right)}}\right]={\frac {16}{3\pi }}=1.698}$

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

${\displaystyle G=\epsilon _{antenna}\,D=(1)(1.698)=1.698}$ .

${\displaystyle G_{dBi}=10\,\log _{10}(1.698)=2.30\,\mathrm {dBi} }$

Выражаясь относительно усиления полуволнового диполя, мы найдем:

${\displaystyle G_{dBd}=10\,\log _{10}(1.698/1.64)=0.15\,\mathrm {dBd} }$.

Реализованный выигрыш [ править ]

Согласно стандарту IEEE 145–1993 ^[1] 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.

Выигрыш может быть выражен как абсолютный выигрыш, если требуется дальнейшее уточнение, чтобы отличить его от реализованного выигрыша. ^[1]

Полная излучаемая мощность [ править ]

Полная 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. ^[2]

При тестировании мобильных устройств TRP можно измерить в непосредственной близости от потерь на поглощение энергии, таких как тело и рука пользователя. ^[3]

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 [ править ]

• Антенна
• Измерение антенны
• Эффективная площадь антенны
• Кардиоидный

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

• Теория антенн (3-е издание), К. Баланис, 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, являющиеся общественным достоянием, из документа Управления общих служб : «Федеральный стандарт 1037C» .(в поддержку MIL-STD-188 )