Направленность

Диаграмма, показывающая направленность: самая высокая плотность мощности этой антенны находится в направлении красного лепестка.

Часть серии по
Антенны
Общие типы Диполь Фрактал Петля Монополь Спутниковая тарелка Телевидение Хлыст
Составные части Балун Блокировать повышающий преобразователь Коаксиальный кабель Противовес (наземная система) Подача Линия подачи Малошумящий блочный понижающий преобразователь Пассивный радиатор Приемник Ротатор Заглушка Передатчик Тюнер Твин-свинец
Системы Антенная ферма Любительское радио Сотовая сеть Точка доступа Муниципальная беспроводная сеть Радио Радиомачты и вышки Вай фай Беспроводной
Безопасность и регулирование Излучение мобильных телефонов и здоровье Беспроводные электронные устройства и здоровье Международный союз электросвязи ( Регламент радиосвязи ) Всемирная конференция радиосвязи
Источники излучения / регионы Осмотр Фокальное облако Плоскость земли Главный лепесток Ближнее и дальнее поле Боковой лепесток Вертикальная плоскость
Характеристики Усиление массива Направленность Эффективность Электрическая длина Эквивалентный радиус Фактор Уравнение передачи Фрииса Прирост Высота Диаграмма излучения Радиационная стойкость Распространение радио Радиоспектр Соотношение сигнал шум Побочное излучение
Методы Управление лучом Наклон луча Формирование луча Маленькая ячейка Многослойное пространство-время Bell Laboratories (BLAST) Массивный множественный вход и множественный выход (MIMO) Реконфигурация Расширенный спектр Широкополосный множественный доступ с пространственным разделением каналов (WSDMA)
v т е

В электромагнетизма , направленности является параметром с антенной или оптической системой , которая измеряет степень , в которой излучение концентрируется в одном направлении. Он измеряет плотность мощности, излучаемую антенной в направлении самого сильного излучения, в сравнении с плотностью мощности, излучаемой идеальным изотропным излучателем (который излучает равномерно во всех направлениях), излучающим одинаковую полную мощность.

Направленность антенны - это составляющая ее усиления ; другой компонент - его (электрический) КПД . Направленность является важной мерой, поскольку многие антенны и оптические системы предназначены для излучения электромагнитных волн в одном направлении или под узким углом. Направленность также определяется для антенны, принимающей электромагнитные волны, и ее направленность при приеме равна ее направленности при передаче.

Направленность реальной антенны может варьироваться от 1,76 дБи для короткого диполя до 50 дБи для большой параболической антенны . ^[1]

Определение [ править ]

Направленности , , антенны является максимальное значение ее КНД . Направленное усиление представлено как и сравнивает интенсивность излучения (мощность на единицу телесного угла ) , создаваемую антенной в определенном направлении, со средним значением по всем направлениям:${\ displaystyle D}$${\ Displaystyle D (\ theta, \ phi)}$${\displaystyle U(\theta ,\phi )}$

${\displaystyle D(\theta ,\phi )={\frac {U(\theta ,\phi )}{P_{\text{tot}}/\left(4\pi \right)}}.}$

Здесь и - зенитный угол и азимутальный угол соответственно в стандартных сферических координатах ; - интенсивность излучения , представляющая собой мощность на единицу телесного угла; и - полная излучаемая мощность. Величины и удовлетворяют соотношению${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \phi }$${\displaystyle U(\theta ,\phi )}$${\displaystyle P_{\text{tot}}}$${\displaystyle U(\theta ,\phi )}$${\displaystyle P_{\text{tot}}}$

${\displaystyle P_{\text{tot}}=\int _{\phi =0}^{\phi =2\pi }\int _{\theta =0}^{\theta =\pi }U\sin \theta \,d\theta \,d\phi ;}$

то есть полная излучаемая мощность - это мощность на единицу телесного угла, проинтегрированная по сферической поверхности. Поскольку на поверхности сферы имеется 4π стерадианов , величина представляет собой среднюю мощность на единицу телесного угла.${\displaystyle P_{\text{tot}}}$${\displaystyle U(\theta ,\phi )}$${\displaystyle P_{\text{tot}}/(4\pi )}$

Другими словами, направленное усиление - это интенсивность излучения антенны в определенной комбинации координат, деленная на интенсивность излучения, которая была бы, если бы антенна была изотропной антенной, излучающей в космос такое же количество полной мощности.${\displaystyle (\theta ,\phi )}$

Направленность , то есть максимальное значение коэффициента усиления директивы найти среди всех возможных твердых углов:

${\displaystyle {\begin{aligned}D&=\max \left({\frac {U}{P_{\text{tot}}/\left(4\pi \right)}}\right)\\&={\frac {\left.U(\theta ,\phi )\right|_{\text{max}}}{{\frac {1}{4\pi }}\int _{0}^{2\pi }\int _{0}^{\pi }U(\theta ,\phi )\sin \theta \,d\theta \,d\phi }}.\end{aligned}}}$

Слово направленность также иногда используется как синоним директивного усиления. Это использование легко понять, поскольку направление будет указано или подразумевается зависимость от направления. Более поздние редакции словаря IEEE Dictionary ^[2] специально поддерживают это использование; тем не менее, он еще не принят повсеместно.

В антенных решетках [ править ]

В антенной решетке (набор из нескольких идентичных антенн, которые работают вместе как одна антенна), направленность всей решетки представляет собой мультипликативную сумму ^{[ требуется пояснение ]} функции направленности отдельной антенны с математическим выражением, известным как коэффициент решетки , что обычно зависит от местоположения, возбуждения и фазы каждого антенного элемента. ^{[3] [4]} Функция общей направленности ^[5] определяется выражением${\displaystyle AF}$

${\displaystyle D_{\text{array}}(\theta ,\phi )={\mathit {|AF|}}^{2}\times D(\theta ,\phi )}$,

где - направленность отдельного элемента. Этот одноэлементный термин иногда называют шаблоном элемента . ^[6]${\displaystyle D(\theta ,\phi )}$

Отношение к ширине балки [ править ]

Телесный угол луча , обозначенный как , определяется как телесный угол, через который протекала бы вся мощность, если бы интенсивность излучения антенны была постоянной при максимальном значении. Если известен телесный угол луча, то максимальная направленность может быть рассчитана как${\displaystyle \Omega _{A}}$

${\displaystyle D={\frac {4\pi }{\Omega _{A}}},}$

который просто вычисляет отношение телесного угла луча к телесному углу сферы.

Телесный угол луча может быть аппроксимирован для антенн с одним узким главным лепестком и очень незначительными второстепенными лепестками, просто умножив ширину луча половинной мощности (в радианах) в двух перпендикулярных плоскостях. Ширина луча половинной мощности - это просто угол, при котором интенсивность излучения составляет по крайней мере половину максимальной интенсивности излучения.

Те же вычисления можно производить в градусах, а не в радианах:

${\displaystyle D\approx 4\pi {\frac {({\frac {180}{\pi }})^{2}}{\Theta _{1d}\Theta _{2d}}}={\frac {41253}{\Theta _{1d}\Theta _{2d}}},}$

где - ширина луча при половинной мощности в одной плоскости (в градусах) и - ширина луча при половинной мощности в плоскости под прямым углом к ​​другой (в градусах).${\displaystyle \Theta _{1d}}$${\displaystyle \Theta _{2d}}$

В плоских массивах лучшее приближение

${\displaystyle D\approx {\frac {32400}{\Theta _{1d}\Theta _{2d}}}.}$

Для антенны с коническим (или приблизительно коническим) лучом с шириной луча половинной мощности в градусы элементарное интегральное исчисление дает выражение для направленности как${\displaystyle \theta }$

${\displaystyle D={\frac {2}{1-cos{\frac {\theta }{2}}}}}$.

Выражение в децибелах [ править ]

Направленность редко выражается как безразмерное число, а скорее как сравнение децибел с эталонной антенной:${\displaystyle D}$

${\displaystyle D_{\text{dB}}=10\cdot \log _{10}\left[{\frac {D}{D_{\text{reference}}}}\right].}$

Эталонная антенна обычно представляет собой теоретический идеальный изотропный излучатель , который излучает равномерно во всех направлениях и, следовательно, имеет направленность 1. Таким образом, расчет упрощается до

${\displaystyle D_{\text{dBi}}=10\cdot \log _{10}D.}$

Другой распространенной эталонной антенной является теоретический совершенный полуволновой диполь , который излучает перпендикулярно себе с направленностью 1,64:

${\displaystyle D_{\text{dBd}}=10\cdot \log _{10}\left[{\frac {D}{1.64}}\right].}$

Учет поляризации [ править ]

Если принять во внимание поляризацию , можно рассчитать три дополнительных показателя:

Частичное усиление директивы [ править ]

Частичное директивное усиление - это плотность мощности в определенном направлении и для определенного компонента поляризации , деленная на среднюю плотность мощности для всех направлений и всех поляризаций . Для любой пары ортогональных поляризаций (например, левая круговая и правая круговая) отдельные плотности мощности просто складываются, чтобы получить общую плотность мощности. Таким образом, если выражается в безразмерных отношениях, а не в дБ, общее директивное усиление равно сумме двух частичных директивных усилений. ^[2]

Частичная направленность [ править ]

Частичная направленность рассчитывается таким же образом, как и частичное направленное усиление, но без учета эффективности антенны (т. Е. Предполагая антенну без потерь). Он также аддитивен для ортогональных поляризаций.

Частичное усиление [ править ]

Частичное усиление рассчитывается так же, как и усиление, но с учетом только определенной поляризации. Он также аддитивен для ортогональных поляризаций.

В других областях [ править ]

Термин направленность также используется в других системах.

В направленных ответвителях направленность - это мера разницы в дБ выходной мощности на подключенном порте, когда мощность передается в желаемом направлении, к выходной мощности на том же сопряженном порте, когда одинаковое количество мощности передается в противоположное направление. ^[7]

В акустике он используется в качестве меры диаграммы направленности от источника, указывающей, какая часть общей энергии от источника излучается в определенном направлении. В электроакустике эти шаблоны обычно включают в себя ненаправленные, кардиоидные и гиперкардиоидные диаграммы направленности микрофонов. Можно сказать, что громкоговоритель с высокой степенью направленности (узкой диаграммой направленности) имеет высокую добротность . ^[8]

Ссылки [ править ]

• Коулман, Кристофер (2004). "Базовые концепты". Введение в радиочастотную инженерию . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-83481-3.