hlavní

Efektivní apertura antény

Užitečným parametrem pro výpočet přijímacího výkonu antény jeefektivní plochaneboefektivní clonaPředpokládejme, že na anténu dopadá rovinná vlna se stejnou polarizací jako přijímací anténa. Dále předpokládejme, že vlna se šíří směrem k anténě ve směru maximálního vyzařování antény (směr, ze kterého by byl přijímán největší výkon).

Pakefektivní clonaParametr popisuje, kolik energie je zachyceno z dané rovinné vlny. Nechťpbýt hustota výkonu rovinné vlny (ve W/m^2). PokudP_tpředstavuje výkon (ve wattech) na anténních svorkách dostupných pro přijímač antény, pak:

2

Efektivní plocha tedy jednoduše představuje, kolik energie je zachyceno z rovinné vlny a dodáno anténou. Tato plocha zohledňuje ztráty vlastní anténě (ohmické ztráty, dielektrické ztráty atd.).

Obecný vztah pro efektivní aperturu vyjádřenou špičkovým ziskem antény (G) jakékoli antény je dán vztahem:

3

Efektivní aperturu nebo efektivní plochu lze měřit na skutečných anténách porovnáním se známou anténou s danou efektivní aperturou nebo výpočtem s použitím naměřeného zisku a výše uvedené rovnice.

Efektivní apertura bude užitečným konceptem pro výpočet přijímaného výkonu z rovinné vlny. Chcete-li to vidět v akci, přejděte k další části o Friisově vzorci pro přenos.

Friisova přenosová rovnice

Na této stránce představujeme jednu z nejzákladnějších rovnic v teorii antén,Friisova přenosová rovniceFriisova přenosová rovnice se používá k výpočtu výkonu přijímaného z jedné antény (se ziskemG1), při přenosu z jiné antény (se ziskemG2), oddělené vzdálenostíRa pracující na frekvencifnebo vlnová délka lambda. Tuto stránku stojí za to si několikrát přečíst a měla by být plně pochopena.

Odvození Friisova převodového vzorce

Pro zahájení odvození Friisovy rovnice uvažujme dvě antény ve volném prostoru (bez překážek v blízkosti) oddělené vzdálenostíR:

4

Předpokládejme, že do vysílací antény je dodáván celkový výkon () watty. Prozatím předpokládejme, že vysílací anténa je všesměrová, bezztrátová a že přijímací anténa se nachází ve vzdáleném poli vysílací antény. Pak hustota výkonup(ve wattech na metr čtvereční) rovinné vlny dopadající na přijímací anténu ve vzdálenostiRz vysílací antény je dán vztahem:

41bd284bf819e176ae631950cd267f7

Obrázek 1. Vysílací (Tx) a přijímací (Rx) antény oddělenéR.

5

Pokud má vysílací anténa zisk antény ve směru přijímací antény daný vztahem (), pak výše uvedená rovnice hustoty výkonu bude mít tvar:

2
6

Člen zesílení zohledňuje směrovost a ztráty reálné antény. Předpokládejme nyní, že přijímací anténa má efektivní aperturu danou vztahem()Pak je výkon přijímaný touto anténou ( ) dán vztahem:

4
3
7

Protože efektivní aperturu pro jakoukoli anténu lze také vyjádřit jako:

8

Výsledný přijímaný výkon lze zapsat jako:

9

Rovnice 1

Toto je známé jako Friisův přenosový vzorec. Vztahuje ztrátu dráhy ve volném prostoru, zisk antény a vlnovou délku k přijímanému a vysílacímu výkonu. Toto je jedna ze základních rovnic v teorii antén a je třeba si ji pamatovat (stejně jako výše uvedený odvozený vzorec).

Další užitečná forma Friisovy přenosové rovnice je uvedena v rovnici [2]. Protože vlnová délka a frekvence f souvisí s rychlostí světla c (viz úvod na stránce o frekvenci), máme Friisovu přenosovou rovnici vyjádřenou z hlediska frekvence:

10

Rovnice 2

Rovnice [2] ukazuje, že na vyšších frekvencích se ztrácí více energie. To je základní výsledek Friisovy přenosové rovnice. To znamená, že u antén se specifikovaným ziskem bude přenos energie nejvyšší na nižších frekvencích. Rozdíl mezi přijatým a vysílaným výkonem se nazývá ztráta dráhy. Jinými slovy, Friisova přenosová rovnice říká, že ztráta dráhy je vyšší pro vyšší frekvence. Důležitost tohoto výsledku z Friisovy přenosové rovnice nelze přeceňovat. Proto mobilní telefony obecně pracují na frekvenci nižší než 2 GHz. Na vyšších frekvencích může být k dispozici více frekvenčního spektra, ale související ztráta dráhy neumožní kvalitní příjem. Jako další důsledek Frisovy přenosové rovnice si představte, že se vás někdo zeptá na antény pro 60 GHz. Vzhledem k tomu, že tato frekvence je velmi vysoká, můžete konstatovat, že ztráta dráhy bude pro komunikaci na dlouhé vzdálenosti příliš vysoká – a máte naprostou pravdu. Na velmi vysokých frekvencích (60 GHz se někdy označuje jako oblast mm (milimetrových vln)) je ztráta dráhy velmi vysoká, takže je možná pouze komunikace mezi body. K tomu dochází, když se přijímač a vysílač nacházejí ve stejné místnosti a směřují proti sobě. Jako další důsledek Friisova přenosového vzorce, myslíte si, že jsou mobilní operátoři spokojeni s novým pásmem LTE (4G), které pracuje na 700 MHz? Odpověď zní ano: jedná se o nižší frekvenci, než na které tradičně pracují antény, ale z rovnice [2] vyplývá, že ztráta signálu bude proto také nižší. S tímto frekvenčním spektrem tedy mohou „pokrýt větší území“ a jeden z vedoucích pracovníků společnosti Verizon Wireless toto spektrum nedávno nazval „vysoce kvalitním spektrem“ právě z tohoto důvodu. Poznámka: Na druhou stranu budou muset výrobci mobilních telefonů do kompaktního zařízení osadit anténu s větší vlnovou délkou (nižší frekvence = větší vlnová délka), takže práce konstruktéra antény se trochu zkomplikovala!

Nakonec, pokud antény nejsou polarizačně sladěny, lze výše uvedený přijímaný výkon vynásobit faktorem polarizačních ztrát (PLF), aby se tento nesoulad správně zohlednil. Výše ​​uvedenou rovnici [2] lze upravit a vytvořit tak zobecněný Friisův vzorec pro přenos, který zahrnuje polarizační nesoulad:

11

Rovnice 3


Čas zveřejnění: 8. ledna 2024

Získat datový list produktu