Obrázek 1. Oblasti hlavního a bočního paprsku použité k definování účinnosti paprsku antény.
Co je účinnost anténního paprsku?
Účinnost anténního paprskuÚčinnost hlavního paprsku, nazývaná také účinnost hlavního paprsku, je podíl celkového vyzářeného výkonu antény, který spadá do definované oblasti hlavního paprsku. Odpovídá na praktickou konstrukční otázku: kolik dostupného záření je koncentrováno směrem k zamýšlenému úhlovému sektoru, místo aby bylo rozloženo do postranních a zadních laloků?
U přijímací antény umožňuje reciprocita vnímat stejnou myšlenku jako podíl přijímaného výkonu shromážděného hlavním paprskem, když jsou okolní pole a polarizační podmínky definovány konzistentně. Účinnost paprsku je proto obzvláště užitečná v radaru, radiometrii, satelitních spojích, mikrovlnných systémech typu bod-bod a anténním měření, kde energie přicházející z nežádoucích směrů nebo odcházející z nich může snížit přesnost nebo zvýšit rušení.
Na obrázku 1 je hlavní lalok vycentrován na ose z. Pokud je úhel kužele θ1označuje první nulovou bod nebo jinou explicitně specifikovanou hranici hlavního paprsku, účinnost paprsku se vypočítá integrací výkonového diagramu uvnitř daného kužele a jeho vydělením výkonem integrovaným přes celý vyzařovací diagram.
Vzorec pro účinnost paprsku antény
Použití normalizovaného výkonového vzoru Pn(θ,φ) je níže uveden obecný výraz pro účinnost paprsku:
Čitatel představuje výkon obsažený uvnitř zvoleného prostorového úhlu dálkového paprsku, Ω.MBJmenovatel představuje celkový vyzářený výkon integrovaný přes 4π steradiánů. Výsledná hodnota ηB, je bezrozměrný a obvykle se uvádí v procentech.
- Pn(θ,φ)je normalizovaný výkonový diagram. Pokud se použijí naměřená data elektrického pole, je odpovídající výkonový člen úměrný |E|2.
- ΩMBje zadaná oblast hlavního paprsku, často ohraničená prvními nulovými body nebo definovaným úhlem kužele.
- θ a φjsou souřadnice elevace a azimutu používané k popisu celého vyzařovacího diagramu.
Hranice hlavního paprsku musí být vždy uvedena s výsledkem. Dvě laboratoře mohou získat různé číselné hodnoty ze stejného vzoru, pokud jedna integruje do první nuly, zatímco druhá používá pevný úhlový kužel. Pro přibližně rotačně symetrický tužkový paprsek lze integraci zjednodušit, jak je znázorněno v následujícím výrazu.
Jak se měří účinnost anténního paprsku?
Účinnost paprsku se získává z dat vyzařovacího diagramu, nikoli z jediného odečtu středu záměru. Lze použít kalibrovaný systém pro vzdálené pole, testovací systém pro kompaktní anténu nebo systém pro blízké pole s validovanou transformací vzdáleného pole. U fázovaných anténních soustav by se měření mělo opakovat pro každý požadovaný stav paprsku, frekvenci a polarizaci, protože chyby skenování a amplitudy nebo fáze mohou přerozdělit výkon do postranních laloků.
- Změřte vyzařovací diagrampřes dostatečné úhlové pokrytí, které zahrnuje hlavní paprsek, boční laloky a zadní lalok.
- Převeďte naměřené pole na výkonový diagrama aplikujte stejnou normalizaci na každý úhlový vzorek.
- Definujte hranici hlavního nosníku, například první nulová kontura nebo zadaný úhel kužele.
- Integrujte sílu uvnitř této hranicea vydělte ji integrovanou mocninou přes celý vzor.
- Uveďte zkušební podmínky, včetně frekvence, polarizace, stavu paprsku, úhlového rozlišení a definice hranice.
Dvojice dvourozměrných řezů v rovině E a rovině H může ukázat šířku paprsku a chování postranních laloků, ale obvykle neposkytuje úplnou trojrozměrnou hodnotu účinnosti paprsku, pokud nebyla zdůvodněna rotační symetrie. Data o celé sféře nebo dostatečně úplná data o vzoru poskytují obhajitelnější výsledek. Zjistěte více o RF MISO.možnosti testování antén.
Účinnost paprsku vs. jiné pojmy týkající se účinnosti antény
Účinnost paprsku vs. účinnost záření
Účinnost zářeníporovnává vyzářený výkon s výkonem přijímaným anténou a proto odráží ztráty ve vodičích a dielektriku.Účinnost paprskupopisuje, kam směřuje vyzářený výkon. Anténa může mít nízké vnitřní ztráty, ale stále skromnou účinnost paprsku, pokud se v postranních nebo zadních lalocích objeví značný výkon.
Účinnost paprsku vs. směrovost a zisk
Směrovostpopisuje maximální koncentraci vyzařovacího diagramu vzhledem k izotropnímu zářiči. Zisk kombinuje směrovost s účinností vyzařování, zatímco realizovaný zisk také zohledňuje impedanční nesoulad. Účinnost paprsku se liší, protože integruje výkon napříč úhlovou oblastí, místo aby vyhodnocovala pouze směr vrcholu.
Účinnost paprsku vs. šířka paprsku
Šířka paprsku s polovičním výkonem je úhlová šířka mezi body -3 dB hlavního laloku. Úzký paprsek často doprovází vysokou směrovost, ale sám o sobě neprokazuje vysokou účinnost paprsku. Vyzařovací diagram může mít úzký vrchol a přesto vysílat značnou energii do postranních laloků. Šířku paprsku a úroveň postranních laloků je proto nutné posuzovat společně s integrovanou hodnotou účinnosti paprsku.
Co řídí účinnost paprsku antény?
1. Úrovně bočních a zadních laloků
Výkon mimo vybranou oblast hlavního paprsku přímo snižuje účinnost paprsku. Vysoké boční laloky mohou být důsledkem nespojitosti clony, rozteče polí, chyb amplitudy nebo profilu osvětlení, který nebyl optimalizován pro požadovaný vzor. Zpětné záření a rozptyl od blízkých struktur mohou mít podobný účinek.
2. Osvětlení clony a zúžení amplitudy
Aperturové antény a anténní soustavy využívají rozložení amplitudy napříč vyzařovací aperturou. Téměř rovnoměrné rozložení může vést k úzkému hlavnímu paprsku a vysoké směrovosti, ale může také vést k poměrně vysokým postranním lalokům. Použití zúžení amplitudy může potlačit postranní laloky a umístit více celkového výkonu diagramu do požadované oblasti, ačkoli nadměrné zúžení může rozšířit hlavní paprsek a snížit špičkový zisk nebo účinnost apertury. Nejlepší nastavení je proto kompromisem specifickým pro danou aplikaci.
3. Přelévání krmiva a strukturální blokáda
V reflektorové anténě se energie, která mine reflektor, přelévá a nepřispívá k požadovanému hlavnímu paprsku. Podpěry napájecího zdroje, subreflektor nebo blízké příslušenství mohou také blokovat nebo rozptylovat část pole clony. Správný výběr napájecího zdroje, umístění ohniska a mechanické zarovnání pomáhají tyto ztráty a nežádoucí laloky kontrolovat.
4. Fázové, amplitudové a povrchové chyby
Fázová nerovnováha mezi prvky anténní soustavy, nerovnoměrné ztráty napájení, výrobní tolerance, chyba povrchu reflektoru a zkreslení radomu mohou odvést energii od zamýšleného paprsku. Tyto efekty obvykle nabývají na významu s rostoucí frekvencí, protože pevná rozměrová chyba představuje větší zlomek vlnové délky.
5. Čistota polarizace
Některé definice účinnosti paprsku zahrnují pouze výkon v požadované polarizaci. Křížově polarizované záření uvnitř nebo vně hlavního paprsku pak může snížit udávanou hodnotu. Polarizace by měla být konzistentně specifikována v simulaci, měření a systémových požadavcích.
Účinnost paprsku, šířka paprsku a šířka pásma se liší
Účinnost paprskuje integrovaný poměr úhlového výkonu.Šířka paprskupopisuje úhlovou šířku hlavního laloku na stanovené úrovni, obvykle v bodech polovičního výkonu nebo -3 dB.Šířka pásma anténypopisuje frekvenční rozsah, ve kterém jsou splněny vybrané požadavky. Tyto parametry se vzájemně ovlivňují, ale nejsou zaměnitelné.
Návrh si může udržet přijatelnou PSV v širokém frekvenčním rozsahu, zatímco směr paprsku, úroveň postranních laloků nebo účinnost paprsku se podstatně mění v blízkosti okrajů pásma. Výkon diagramu by proto měl být ověřen na několika frekvencích, spíše než odvozen pouze z impedanční šířky pásma. Podrobný popis definic frekvenčního rozsahu viz.Šířka pásma antény.
Jak lze zlepšit účinnost paprsku?
- Zvolte zúžení clony, které vyvažuje potlačení bočních laloků, šířku hlavního paprsku a zisk.
- Optimalizujte polohu reflektoru pro podávání světla, osvětlení okrajů a přelévání.
- Používejte v polích vhodné rozteče prvků a přesné řízení amplitudy nebo fáze, abyste zabránili vzniku mřížkových laloků.
- Snižte ucpávání, rozptyl kabelů a nežádoucí interakci s montážní konstrukcí nebo radomem.
- Řízení tolerancí obrábění, přesnosti povrchu a ustavení při nejvyšší provozní frekvenci.
- Ověřte kopolární a křížové polární vzory v celém provozním pásmu a v každém požadovaném stavu paprsku.
Kde je účinnost dálkových světel nejdůležitější?
Účinnost dálkového paprsku je obzvláště cenná, když je nutné omezit výkon nebo přijímanou energii na přesně definovaný směr. Mezi typické příklady patří radar pro sledování a zobrazování cílů, satelitní komunikační spoje, radioastronomie a radiometrie, mikrovlnné spoje typu point-to-point, reflektorové napájecí systémy, kalibrační antény a elektronicky řízené anténní soustavy.
Neexistuje univerzální procentuální hodnota účinnosti paprsku, která by byla správná pro každou anténu. Užitečný požadavek musí uvádět provozní frekvenci, polarizaci, stav paprsku a úhlovou hranici spolu s přijatelným chováním postranních a zadních laloků. Díky tomu jsou data od dodavatele, simulace a naměřené výsledky přímo porovnatelné.
Co by si měli kupující zkontrolovat v datovém listu antény?
Pokud je důležité řízení paprsku, nehodnoťte anténu pouze na základě maximálního zisku. Zeptejte se výrobce, jaké údaje o diagramu a zkušebních podmínkách jsou k dispozici pro přesný model a frekvenční rozsah.
- Provozní frekvenční rozsah a frekvence používané pro měření vzorů
- Zisk, šířka paprsku s polovičním výkonem a úroveň prvního postranního laloku v závislosti na frekvenci
- Kopolární a křížově-polární vyzařovací diagramy v požadovaných rovinách nebo přes sférický sken
- Úhlová hranice a polarizace použité k výpočtu účinnosti paprsku, pokud je tato hodnota zadána
- VSWR, rozhraní konektoru nebo vlnovodu, výkon a požadavky na prostředí
- Mechanické tolerance, montážní uspořádání a jakékoli uspořádání radomu nebo reflektorového napájení
Řešení mikrovlnných antén RF MISO
Společnost RF MISO dodává mikrovlnné a milimetrové vlnové antény pro měření, radar, komunikaci a systémovou integraci. Mezi relevantní produktové řady patřístandardní ziskové trychtýřové antény, reflektorové antényaanténní soustavySpecifikace specifické pro daný model a dostupná testovací data by měly být porovnány s požadovaným kmitočtem, polarizací, ziskem a charakteristikami vyzařovacího diagramu.
Pro výběr antény nebo individuální požadavky,kontaktujte RF MISO at info@rf-miso.com.
Čas zveřejnění: 12. července 2024
