В электромагнетизма и антенны теории, апертуры антенны , эффективная площадь , или принимающего поперечное сечение , является мерой того , насколько эффективна антенна находится при получении мощности электромагнитного излучения (например, радиоволн ). [1] Апертура определяется как область, ориентированная перпендикулярно направлению падающей электромагнитной волны , которая будет улавливать такое же количество энергии от этой волны, что и принимающая ее антенна. В любой момент, пучок электромагнитного излучения имеет мощность излучения или плотность потока мощности который представляет собой количество энергии, проходящей через единицу площади в один квадратный метр. Если антенна доставляет ватт на нагрузку, подключенную к его выходным клеммам (например, приемник), при облучении однородным полем с плотностью мощности ватт на квадратный метр, апертура антенны в квадратных метрах определяется по формуле: [2]
- .
Таким образом, мощность, принимаемая антенной (в ваттах), равна плотности мощности электромагнитной энергии (в ваттах на квадратный метр), умноженной на ее апертуру (в квадратных метрах). Чем больше апертура антенны, тем большую мощность она может получить от заданного электромагнитного поля. Чтобы фактически получить прогнозируемую доступную мощность, поляризация входящих волн должна соответствовать поляризации антенны, а сопротивление нагрузки (приемника) должно соответствовать импедансу точки питания антенны.
Хотя эта концепция основана на приеме антенны электромагнитной волны, зная напрямую обеспечивает усиление (мощности) этой антенны. Из-за взаимности усиление антенны при приеме и передаче одинаково. Следовательно, может также использоваться для расчета производительности передающей антенны. является функцией направления электромагнитной волны относительно ориентации антенны, поскольку усиление антенны изменяется в зависимости от ее диаграммы направленности . Когда направление не указано,Подразумевается, что это относится к его максимальному значению, когда антенна ориентирована так, чтобы ее главный лепесток , ось максимальной чувствительности, был направлен к источнику [ необходима цитата ] .
Эффективность диафрагмы
В общем, апертура антенны напрямую не связана с ее физическими размерами. [3] Однако некоторые типы антенн, например параболические тарелки и рупорные антенны , имеют физическое отверстие (отверстие), которое собирает радиоволны. В этих апертурных антеннах эффективная апертура всегда меньше (или равна) площади физической апертуры антенны , в противном случае антенна могла бы производить больше энергии от своих выводов, чем мощность радио, поступающая в ее апертуру, что нарушает закон сохранения энергии . Апертурная эффективность антенны , определяется как соотношение этих двух площадей:
Эффективность апертуры - это безразмерный параметр между 0 и 1,0, который измеряет, насколько близко антенна подходит к использованию всей мощности радиоволн, поступающей в ее физическую апертуру. Если бы антенна была совершенно эффективной, вся радиомощность, попадающая в ее физическую апертуру, была бы преобразована в электрическую мощность, подаваемую на нагрузку, подключенную к ее выходным клеммам, поэтому эти две области были бы равныи эффективность диафрагмы будет 1,0. Но все антенны имеют потери, такие как мощности , рассеиваемой в виде тепла в сопротивлении его элементов, неравномерного освещения по его подачи , а также радиоволн , рассеянных структурных опор и дифракции на краю диафрагмы, которые уменьшают выходную мощность. Апертурная эффективность типичных антенн варьируется от 0,35 до 0,70, но может достигать 0,90.
Диафрагма и усиление
Направленности антенны, ее способность прямых волн радио в одном направлении или получать от одного направления, измеряются с помощью параметра называется его изотропным усиление , которое представляет собой отношение мощности принимается антенной к мощности это будет приниматься гипотетической изотропной антенной , которая одинаково хорошо принимает мощность со всех сторон. Видно, что коэффициент усиления также равен отношению апертур этих антенн.
Как показано в разделе внизу, апертура изотропной антенны без потерь, которая по определению имеет единичное усиление, равна
где - длина волны радиоволн. Так
а для антенны с физической апертурой площади
Таким образом, антенны с большими эффективными апертурами представляют собой антенны с высоким коэффициентом усиления , которые имеют небольшую угловую ширину луча . Как приемные антенны, они наиболее чувствительны к радиоволнам, идущим с одного направления, и гораздо менее чувствительны к волнам, идущим с других направлений. Как передающие антенны, большая часть их мощности излучается узким лучом в одном направлении и немного в других направлениях. Хотя эти термины могут использоваться как функция направления, когда направление не указано, усиление и апертура понимаются как относящиеся к оси максимального усиления антенны или опорной точке .
Формула трансмиссии Фрииса
Доля мощности, передаваемой на передающую антенну, которая принимается приемной антенной, пропорциональна произведению апертур обеих антенн и обратно пропорциональна расстоянию между антеннами и длине волны. Это дается формой формулы передачи Фрииса :. [1]
где:
- - мощность, подаваемая на входные клеммы передающей антенны; [1]
- - мощность, доступная на выходных клеммах приемной антенны; [1]
- - эффективная площадь приемной антенны; [1]
- - эффективная площадь передающей антенны; [1]
- расстояние между антеннами. [1] Формула действительна только для достаточно большой, чтобы обеспечить фронт плоской волны на приемной антенне, достаточно приближенный где это наибольший линейный размер любой из антенн. [1]
- - длина волны радиочастоты; [1]
Переменные , , , а также должны быть выражены в одних и тех же единицах длины, таких как метры, и переменные а также должны быть в тех же единицах мощности, например, в ваттах.
Антенны с тонкими элементами
В случае антенн с тонкими элементами, таких как монополи и диполи, нет простой зависимости между физической площадью и эффективной площадью. Тем не менее, эффективные площади могут быть рассчитаны по их показателям прироста мощности: [4]
Проволочная антенна | Прирост мощности | Эффективная площадь |
---|---|---|
Короткий диполь ( диполь Герца ) | 1.5 | 0,1194 2 |
Полуволновой диполь | 1,64 | 0,1305 2 |
Четвертьволновой монополь | 3,28 | 0,2610 2 [5] |
Это предполагает, что несимметричная антенна установлена над бесконечной заземляющей поверхностью и что антенны не имеют потерь. Когда учитываются резистивные потери, особенно с небольшими антеннами, усиление антенны может быть существенно меньше направленности , а эффективная площадь меньше во столько же раз. [6]
Эффективная длина
Для антенн, не ограниченных физической областью, таких как монополи и диполи, состоящие из тонких стержневых проводников , апертура не имеет очевидного отношения к размеру или площади антенны. Альтернативным показателем усиления антенны, который имеет большее отношение к физической структуре таких антенн, является эффективная длина l eff, измеряемая в метрах, которая определяется для приемной антенны как: [7]
где
- V 0 - это напряжение холостого хода, возникающее на выводах антенны.
- E s - напряженность электрического поля радиосигнала в вольтах на метр на антенне.
Чем больше эффективная длина, тем больше напряжения и, следовательно, больше мощности будет принимать антенна. Усиление антенны или эфф увеличивается в соответствии с квадратом из л эфф , и что эта пропорциональность также включает в себя антенны радиационной стойкости . Следовательно, эта мера имеет больше теоретическое, чем практическое значение, и сама по себе не является полезным показателем, связанным с направленностью антенны.
Вывод апертуры изотропной антенны из термодинамики
Апертура изотропной антенны , лежащая в основе приведенного выше определения коэффициента усиления, может быть получена с помощью термодинамических аргументов. [8] [9] [10] Предположим, что идеальная (без потерь) изотропная антенна A, расположенная внутри теплового резонатора CA , подключена через линию передачи без потерь через полосовой фильтр F ν к согласованному резистору R в другом тепловом резонаторе CR ( характеристическое сопротивление антенны, линии и фильтра согласовано). Обе полости имеют одинаковую температуру. Фильтр F ν пропускает только узкую полосу частот от к . Обе полости заполнены излучением черного тела в равновесии с антенной и резистором. Часть этого излучения принимается антенной. Количество этой силы в полосе частот проходит через линию передачи и фильтр F ν и рассеивается в резисторе в виде тепла. Остальное отражается фильтром обратно в антенну и переизлучается в резонатор. Резистор также производит ток шума Джонсона – Найквиста из-за случайного движения его молекул при температуре. Количество этой силы в полосе частот к проходит через фильтр и излучается антенной. Поскольку система имеет обычную температуру, она находится в термодинамическом равновесии ; не может быть чистой передачи мощности между полостями, иначе одна полость нагреется, а другая остынет в нарушение второго закона термодинамики . Следовательно, потоки мощности в обоих направлениях должны быть равны
Радиошум в резонаторе неполяризован и содержит равную смесь состояний поляризации . Однако любая антенна с одним выходом поляризована и может принимать только одно из двух состояний ортогональной поляризации. Например, антенна с линейной поляризацией не может принимать компоненты радиоволн с электрическим полем, перпендикулярным линейным элементам антенны; аналогично антенна с правой круговой поляризацией не может принимать волны с левой круговой поляризацией. Следовательно, антенна принимает только составляющую плотности мощности S в резонаторе, согласованную с ее поляризацией, которая составляет половину общей плотности мощности.
Предполагать - спектральная яркость на герц в резонаторе; мощность излучения черного тела на единицу площади (метр 2 ) на единицу телесного угла ( стерадиан ) на единицу частоты ( герц ) на частоте и температура в полости. Если - апертура антенны, количество мощности в частотном диапазоне антенна принимает приращение телесного угла в направлении является
Чтобы найти полную мощность в частотном диапазоне антенна принимает, он интегрирован по всем направлениям (телесный угол )
Поскольку антенна изотропная, у нее такая же апертура в любом направлении. Таким образом, апертуру можно вынести за пределы интеграла. Точно так же сияние в полости одинаково в любую сторону
Радиоволны имеют достаточно низкую частоту, поэтому формула Рэлея – Джинса дает очень близкое приближение спектральной яркости черного тела [11]
Следовательно,
Мощность шума Джонсона – Найквиста, создаваемого резистором при температуре в частотном диапазоне является
Поскольку полости находятся в термодинамическом равновесии , так
Вывод апертуры изотропной антенны из определения радианосферы
Более прямое определение эффективной апертуры происходит из определения радианосферы Уилером. «Радианосфера» - это область ближнего поля вокруг антенны, где энергия накапливается, а не излучается, и где поля взаимодействуют с поверхностными токами на антенне через уравнения Максвелла. Уиллер называет радиан сферу «мерой« сферы влияния »антенны». См. HA Wheeler. [12]
Площадь поперечного сечения сферы составляет:
Радиус радианосферы
А эффективная диафрагма:
Это определение можно интерпретировать как «площадь проекции радианосферы».
Эффективная апертура изотропной антенны играет важную роль при выводе потерь на трассе в свободном пространстве и уравнения передачи Фрииса . Также см. « Электрически малая антенна» для получения дополнительной информации о работе Уиллера, Харрингтона и Чу по фундаментальным свойствам антенн.
Рекомендации
- ^ a b c d e f g h i Friis, HT (май 1946 г.). «Примечание к простой формуле передачи». IRE Proc . 34 (5): 254–256. DOI : 10.1109 / JRPROC.1946.234568 . S2CID 51630329 .
- ^ Бакши, К.А.; А.В.Бакши, UABakshi (2009). Антенны и распространение волн . Технические публикации. п. 1.17. ISBN 978-81-8431-278-2.
- ^ Нараян, КП (2007). Антенны и распространение . Технические публикации. п. 51. ISBN 978-81-8431-176-1.
- ^ Орфанидис, Софоклс Дж. (2010) Электромагнитные волны и антенны, глава 15, стр. 609, извлечено 05.04.2011 из http://www.ece.rutgers.edu/~orfanidi/ewa/
- ^ Орфанидис, Софоклс Дж. (2010) Электромагнитные волны и антенны, глава 16, стр. 747, извлечено 05.04.2011 из http://www.ece.rutgers.edu/~orfanidi/ewa/
- ↑ Weeks, WL (1968) Antenna Engineering , McGraw Hill Book Company, главы 8, стр. 297-299 и 9, стр. 343-346.
- ^ Радж, Алан В. (1982). Справочник по конструкции антенн, Vol. 1 . США: IET. п. 24. ISBN 0-906048-82-6.
- ^ Pawsey, JL; Bracewell, RN (1955). Радиоастрономия . Лондон: Издательство Оксфордского университета. С. 23–24.
- ^ Рольфс, Кристен; Уилсон, Т.Л. (2013). Инструменты радиоастрономии, 4-е издание . Springer Science and Business Media. С. 134–135. ISBN 978-3662053942.
- ^ Кондон, Джей Джей; Рэнсом, С.М. (2016). «Основы антенны» . Основной курс радиоастрономии . Веб-сайт Национальной радиоастрономической обсерватории США (NRAO) . Проверено 22 августа 2018 .
- ^ Формула Рэлея-Джинса является хорошим приближением, пока энергия в радиофотоне мала по сравнению с тепловой энергией, приходящейся на одну степень свободы:. Это верно для всего радиоспектра при всех обычных температурах.
- ^ "Радианосфера вокруг маленькой антенны", в Proceedings of the IRE, vol. 47, нет. 8, стр. 1325-1331, август 1959 г., DOI: 10.1109 / JRPROC.1959.287198.