Рисунок 1. Області головного та бічних пелюсток, що використовуються для визначення ефективності променя антени.
Що таке ефективність променя антени?
Ефективність променя антени, яку також називають ефективністю головного променя, – це частка загальної випромінюваної потужності антени, яка потрапляє в межах визначеної області головного променя. Вона відповідає на практичне питання проектування: яка частина доступного випромінювання концентрується в напрямку цільового кутового сектора, а не розподіляється на бічні та задні пелюстки?
Для приймальної антени взаємність дозволяє розглядати ту саму ідею як частку прийнятої потужності, зібраної через головний промінь, коли навколишнє поле та умови поляризації визначені послідовно. Тому ефективність променя особливо корисна в радіолокації, радіометрії, супутникових зв'язках, мікрохвильових системах типу "точка-точка" та вимірюваннях антен, де енергія, що надходить з небажаних напрямків або виходить у небажаних напрямках, може знизити точність або збільшити перешкоди.
На рисунку 1 головна пелюстка центрована на осі z. Якщо кут конуса θ1позначає перший нуль або іншу явно задану межу головного променя, ефективність променя розраховується шляхом інтегрування діаграми спрямованості потужності всередині цього конуса та ділення її на потужність, інтегровану по повній діаграмі спрямованості.
Формула ефективності променя антени
Використання нормалізованої схеми розподілу потужності Pn(θ,φ), загальний вираз для ефективності променя показано нижче:
Чисельник представляє потужність, що міститься всередині вибраного тілесного кута дальнього світла, ΩMBЗнаменник представляє загальну випромінювану потужність, інтегровану за 4π стерадіанами. Отримане значення, ηB, є безрозмірним і зазвичай виражається у відсотках.
- Pn(θ,φ)— нормалізована діаграма потужності. Якщо використовуються виміряні дані електричного поля, відповідний член потужності пропорційний |E|2.
- ΩMB— задана область головного променя, часто обмежена першими нулями або визначеним кутом конуса.
- θ та φ– координати місця та азимута, що використовуються для опису повної діаграми спрямованості.
Межу головного променя завжди потрібно вказувати разом із результатом. Дві лабораторії можуть отримати різні числові значення з одного й того ж шаблону, якщо одна інтегрує до першого нуля, а інша використовує фіксований кутовий конус. Для приблизно обертально-симетричного олівцевого променя інтегрування можна спростити, як показано в наступному виразі.
Як вимірюється ефективність променя антени?
Ефективність променя визначається з даних діаграми спрямованості, а не з одноразового вимірювання осі візування. Можна використовувати калібрований діапазон дальнього поля, випробувальний діапазон компактної антени або систему ближнього поля з перевіреним перетворенням дальнього поля. Для фазованих решіток вимірювання слід повторювати для кожного необхідного стану променя, частоти та поляризації, оскільки помилки сканування та амплітуди або фази можуть перерозподіляти потужність на бічні пелюстки.
- Виміряйте діаграму спрямованостіз достатнім кутовим покриттям, щоб включити головний промінь, бічні пелюстки та задню пелюстку.
- Перетворіть виміряне поле на діаграму потужностіі застосувати ту саму нормалізацію до кожного кутового зразка.
- Визначте межу головного променя, наприклад, контур першого нуля або заданий кут конуса.
- Інтегруйте силу всередині цієї межіі поділіть його на степень, проінтегровану по повному шаблону.
- Повідомте про умови випробування, включаючи частоту, поляризацію, стан променя, кутову роздільну здатність та визначення межі.
Пара двовимірних розрізів у площині E та площині H може показати ширину променя та поведінку бічних пелюсток, але зазвичай не дає повного значення тривимірної ефективності променя, якщо не обґрунтовано обертальну симетрію. Повна сфера або достатньо повні дані діаграми спрямованості дають більш обґрунтований результат. Дізнайтеся більше про RF MISO.можливості тестування антен.
Ефективність променя порівняно з іншими термінами ефективності антени
Ефективність променя проти ефективності випромінювання
Ефективність випромінюванняпорівнює випромінювану потужність з потужністю, прийнятою антеною, і тому відображає втрати в провіднику та діелектричному струмі.Ефективність променяописує, куди йде випромінювана потужність. Антена може мати низькі внутрішні втрати, але все ще мати помірну ефективність променя, якщо значна потужність з'являється в бічних або задніх пелюстках.
Ефективність променя в порівнянні з спрямованістю та коефіцієнтом посилення
Спрямованістьописує пікову концентрацію діаграми спрямованості відносно ізотропного випромінювача. Коефіцієнт підсилення поєднує спрямованість з ефективністю випромінювання, тоді як реалізований коефіцієнт підсилення також враховує невідповідність імпедансу. Коефіцієнт ефективності променя відрізняється тим, що він інтегрує потужність по всій кутовій області, а не оцінює лише напрямок піку.
Ефективність променя проти ширини променя
Ширина променя половинної потужності – це кутова ширина між точками -3 дБ головної пелюстки. Вузький промінь часто супроводжується високою спрямованістю, але сам по собі він не доводить високу ефективність променя. Діаграма спрямованості може мати вузький пік і все ще направляти значну енергію в бічні пелюстки. Тому ширину променя та рівень бічних пелюсток необхідно переглядати разом з інтегрованим значенням ефективності променя.
Що контролює ефективність променя антени?
1. Рівні бічних та задніх пелюсток
Потужність поза межами вибраної області головного променя безпосередньо знижує ефективність променя. Високі бічні пелюстки можуть виникати внаслідок розривів апертури, відстані між решітками, помилок амплітуди або профілю освітлення, який не був оптимізований для необхідної діаграми спрямованості. Зворотне випромінювання та розсіювання від сусідніх структур можуть мати подібний ефект.
2. Освітлення діафрагми та звуження амплітуди
Апертурні антени та решітки використовують розподіл амплітуди по випромінюючій апертурі. Майже рівномірний розподіл може забезпечити вузький головний промінь і високу спрямованість, але також може призвести до порівняно високих бічних пелюсток. Застосування зменшення амплітуди може придушити бічні пелюстки та зосередити більшу частину загальної потужності діаграми спрямованості в потрібній області, хоча надмірне зменшення може розширити головний промінь і зменшити пікове посилення або ефективність апертури. Тому найкраще налаштування є компромісом, що залежить від застосування.
3. Перетікання корму та структурне блокування
У рефлекторній антені енергія, яка не потрапляє повз рефлектор, перетікає та не сприяє формуванню бажаного головного променя. Опори об'єктива, підрефлектор або сусіднє обладнання також можуть блокувати або розсіювати частину поля апертури. Правильний вибір об'єктива, фокусне розташування та механічне вирівнювання допомагають контролювати ці втрати та небажані пелюстки.
4. Фазова, амплітудна та поверхнева похибки
Фазовий дисбаланс між елементами решітки, нерівномірні втрати живлення, виробничий допуск, похибка поверхні відбивача та спотворення обтічника можуть відхиляти енергію від цільового променя. Ці ефекти зазвичай стають більш важливими зі збільшенням частоти, оскільки фіксована розмірна похибка становить більшу частку довжини хвилі.
5. Чистота поляризації
Деякі визначення ефективності променя включають лише потужність у потрібній поляризації. Перехресно поляризоване випромінювання всередині або зовні основного променя може зменшити зареєстроване значення. Поляризацію слід послідовно вказувати в моделюванні, вимірюваннях та системних вимогах.
Ефективність променя, ширина променя та пропускна здатність відрізняються
Ефективність променя– інтегроване коефіцієнт кутової потужності.Ширина променяописує кутову ширину головної пелюстки на заданому рівні, зазвичай у точках половинної потужності або -3 дБ.Пропускна здатність антениописує діапазон частот, у якому задовольняються вибрані вимоги. Ці параметри впливають один на одного, але вони не є взаємозамінними.
Конструкція може підтримувати прийнятний КСХН у широкому діапазоні частот, тоді як напрямок променя, рівень бічних пелюсток або ефективність променя суттєво змінюються поблизу країв смуги. Тому характеристики діаграми спрямованості слід перевіряти на кількох частотах, а не визначати лише на основі імпедансної смуги пропускання. Детальний опис визначень діапазону частот див.Пропускна здатність антени.
Як можна покращити ефективність променя?
- Оберіть конусність апертури, яка збалансує придушення бічних пелюсток, ширину дальнього променя та коефіцієнт підсилення.
- Оптимізуйте положення подачі відбивача, освітлення країв та перелив.
- Використовуйте відповідний інтервал між елементами та точне керування амплітудою або фазою в решітках, щоб уникнути пелюсток решітки.
- Зменшення засмічення, розсіювання кабелів та небажаної взаємодії з монтажною конструкцією або обтічником.
- Контролюйте допуски обробки, точність поверхні та вирівнювання на найвищій робочій частоті.
- Перевірте кополярні та крос-полярні діаграми спрямованості по всьому робочому діапазону та для кожного необхідного стану променя.
Де ефективність дальнього світла має найбільше значення?
Ефективність високого променя особливо цінна, коли потужність або прийнята енергія повинні бути обмежені чітко визначеним напрямком. Типовими прикладами є радіолокаційні станції для відстеження цілей та формування зображень, канали супутникового зв'язку, радіоастрономія та радіометрія, мікрохвильові канали зв'язку "точка-точка", системи живлення відбивачів, калібрувальні антени та електронно-керовані антенні решітки.
Не існує універсального відсотка ефективності променя, який би був правильним для кожної антени. Корисна вимога повинна вказувати робочу частоту, поляризацію, стан променя та кутову межу, а також прийнятну поведінку бічних та задніх пелюсток. Це робить дані постачальника, моделювання та результати вимірювань безпосередньо порівнюваними.
Що покупці повинні перевірити в технічному описі антени?
Коли важливе керування променем, не оцінюйте антену лише за піковим коефіцієнтом посилення. Запитайте у виробника, які дані діаграми спрямованості та умови випробувань доступні для точної моделі та діапазону частот.
- Робочий діапазон частот та частоти, що використовуються для вимірювань шаблонів
- Коефіцієнт посилення, ширина променя половинної потужності та рівень першої бічної пелюстки в залежності від частоти
- Кополярні та кросполярні діаграми спрямованості в потрібних площинах або по сферичному скануванню
- Кутова межа та поляризація, що використовуються для розрахунку ефективності променя, коли це значення задане
- КСХН, інтерфейс роз'єму або хвилеводу, потужність та вимоги до навколишнього середовища
- Механічні допуски, монтажний варіант та будь-яка конфігурація обтічника або відбивача з живленням
Рішення для радіочастотних MISO-мікрохвильових антен
RF MISO постачає мікрохвильові та міліметрові хвильові антени для вимірювань, радіолокації, зв'язку та системної інтеграції. Відповідні сімейства продуктів включаютьстандартні рупорні антени зі стандартним підсиленням, рефлекторні антениіантенні решіткиСпецифікації моделі та наявні дані випробувань слід переглянути з урахуванням необхідної частоти, поляризації, коефіцієнта посилення та характеристик діаграми спрямованості.
Для вибору антени або за індивідуальними вимогами,зв'яжіться з РФ MISO at info@rf-miso.com.
Час публікації: 12 липня 2024 р.
