Усиление антенны - Antenna gain

Эта статья включает в себя список общих использованная литература, но он остается в основном непроверенным, потому что ему не хватает соответствующих встроенные цитаты. Пожалуйста, помогите улучшить эта статья введение более точные цитаты. (Сентябрь 2009 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

В электромагнетизм, антенны прирост мощности или просто усиление является ключевым показателем эффективности, который сочетает в себе антенна с направленность и электрический КПД. В передающей антенне коэффициент усиления описывает, насколько хорошо антенна преобразует входную мощность в радиоволны направился в указанном направлении. В приемной антенне коэффициент усиления описывает, насколько хорошо антенна преобразует радиоволны, приходящие с заданного направления, в электрическую энергию. Когда направление не указано, под усилением понимается пиковое значение усиления, усиление в направлении антенны. главная доля. График усиления как функции направления называется диаграммой усиления или диаграмма направленности.

Усиление антенны обычно определяется как отношение мощности, производимой антенной от дальняя зона источник на оси луча антенны к мощности, производимой гипотетическим без потерь изотропная антенна, который одинаково чувствителен к сигналам со всех сторон.^[1] Обычно это соотношение выражается в децибелы, и эти единицы называются децибел-изотропный (дБи). Альтернативное определение сравнивает полученную мощность с мощностью, полученной без потерь полуволновая дипольная антенна, в этом случае единицы записываются как дБд. Поскольку дипольная антенна без потерь имеет коэффициент усиления 2,15 дБи, соотношение между этими устройствами ${ displaystyle mathrm {усиление (дБд)} = mathrm {усиление (дБи)} -2,15}$. Для заданной частоты антенна эффективная площадь пропорциональна усилению мощности. Антенны эффективная длина пропорционально квадратный корень усиления антенны для определенной частоты и радиационная стойкость. Из-за взаимность, усиление любой обратной антенны при приеме равно ее усилению при передаче.

Директивное усиление или направленность - это другая мера, которая не учитывать электрический КПД антенны. Этот термин иногда более уместен в случае приемной антенны, когда речь идет в основном о способности антенны принимать сигналы с одного направления, отклоняя при этом мешающие сигналы, поступающие с другого направления.

Прирост мощности

Прирост мощности (или просто усиление) - безразмерная мера, которая объединяет эффективность ${ displaystyle epsilon _ {антенна}}$ и направленность D:

${ displaystyle G = epsilon _ {антенна} cdot D.}$

Понятия эффективности и направленности зависят от следующего.

Эффективность

В эффективность ${ displaystyle epsilon _ {антенна}}$ антенны полная излучаемая мощность ${ displaystyle P_ {o}}$ деленная на входную мощность в точке питания

${ displaystyle epsilon _ {антенна} = {P_ {o} over P_ {in}}}$

Передающая антенна получает питание от линия подачи, а линия передачи подключение антенны к радиопередатчик. В входная мощность ${ displaystyle P_ {in}}$ к антенне обычно определяется как мощность, подаваемая на клеммы антенны ( точка питания), поэтому потери мощности антенны не включают потерю мощности из-за джоулевое нагревание в фиде и отражения обратно вниз фидера из-за антенны / линии рассогласование импеданса.

Электромагнитный теорема взаимности гарантирует, что электрические свойства антенны, такие как эффективность, направленность и усиление, будут такими же, когда антенна используется для приема и передачи.

Направленность

Направленность антенны определяется ее диаграмма направленности, как излучаемая мощность распределяется по направлению в три измерения. Все антенны в большей или меньшей степени направлены, то есть в одних направлениях они излучают больше энергии, чем в других. Направление указано здесь в сферические координаты ${ Displaystyle ( тета, фи)}$, где ${ displaystyle theta}$ это высота или угол над указанной базовой плоскостью (например, землей), в то время как ${ displaystyle phi}$ это азимут как угол между проекцией данного направления на плоскость отсчета и заданным направлением отсчета (например, север или восток) в этой плоскости с указанным знаком (по часовой стрелке или против часовой стрелки).

Распределение выходной мощности в зависимости от возможных направлений ${ Displaystyle ( тета, фи)}$ дается его интенсивность излучения ${ Displaystyle U ( тета, фи)}$ (в Единицы СИ: Вт на стерадиан, Вт · с.⁻¹). Выходная мощность получается из интенсивности излучения путем интегрирования последней по всем телесным углам. ${ Displaystyle д Омега = соз тета , д тета , д фи}$:

${ displaystyle P_ {o} = int _ {- pi} ^ { pi} int _ {- pi / 2} ^ { pi / 2} U ( theta, phi) , d Омега = int _ {- pi} ^ { pi} int _ {- pi / 2} ^ { pi / 2} U ( theta, phi) cos theta , d theta , d phi.}$

В средняя интенсивность излучения ${ displaystyle { overline {U}}}$ поэтому дается

${ displaystyle { overline {U}} = { frac {P_ {o}} {4 pi}} ~~}$ так как в сфере 4π стерадианов

      ${ displaystyle = { frac { epsilon _ {антенна} cdot P_ {in}} {4 pi}}}$ используя первую формулу для ${ displaystyle P_ {o}}$.

Директивное усиление или направленность ${ Displaystyle D ( theta, phi)}$ антенны в заданном направлении - это отношение интенсивности ее излучения ${ Displaystyle U ( тета, фи)}$ в этом направлении к его средней интенсивности излучения ${ displaystyle { overline {U}}}$. Это,

${ displaystyle D ( theta, phi) = { frac {U ( theta, phi)} { overline {U}}}.}$

Изотропная антенна, то есть антенна с одинаковой интенсивностью излучения во всех направлениях, поэтому имеет направленность D = 1 во всех направлениях независимо от ее эффективности. В более общем случае максимальная, минимальная и средняя направленность любой антенны всегда составляет не менее 1, не более 1 и ровно 1. Для полуволновой диполь соответствующие значения 1,64 (2,15 дБ ), 0 и 1.

Когда направленность ${ displaystyle D}$ антенны дается независимо от направления, это относится к ее максимальной направленности в любом направлении, а именно

${ Displaystyle D = max _ { theta, , phi} D ( theta, phi).}$

Усиление

Прирост мощности или просто усиление ${ Displaystyle G ( theta, phi)}$ антенны в заданном направлении учитывает эффективность, определяя ее как отношение интенсивности ее излучения ${ Displaystyle U ( тета, фи)}$ в этом направлении к средней интенсивности излучения совершенно эффективной антенны. Поскольку последний равен ${ displaystyle P_ {in} / 4 pi}$, поэтому он дается

${ Displaystyle G ( theta, phi) = { гидроразрыва {U ( theta, phi)} {P_ {in} / 4 pi}}}$

                ${ displaystyle = epsilon _ {антенна} cdot { frac {U ( theta, phi)} { overline {U}}}}$ используя второе уравнение для ${ displaystyle { overline {U}}}$

                ${ displaystyle = epsilon _ {антенна} cdot D ( theta, phi)}$ используя уравнение для ${ Displaystyle D ( theta, phi).}$

Как и в случае с направленностью, когда коэффициент усиления ${ displaystyle G}$ антенны дается независимо от направления, это означает ее максимальное усиление в любом направлении. Поскольку единственная разница между усилением и направленностью в любом направлении - это постоянный коэффициент ${ displaystyle epsilon _ {антенна}}$ независим от ${ displaystyle theta}$ и ${ displaystyle phi}$, получаем основную формулу этого раздела:

${ displaystyle G = epsilon _ {антенна} cdot D.}$

Резюме

Если только определенная часть электроэнергии, полученной от передатчика, фактически излучается антенной (т. Е. Менее 100% эффективности), то директивное усиление сравнивает мощность, излучаемую в заданном направлении, с этой уменьшенной мощностью (вместо общей мощности получил), игнорируя неэффективность. Таким образом, направленность является максимальным усилением направленности при использовании во всех направлениях и всегда по крайней мере 1. С другой стороны, коэффициент усиления по мощности учитывает более низкий КПД, сравнивая излучаемую мощность в заданном направлении с фактической мощностью, которую антенна принимает от передатчика, что делает его более полезным показателем для оценки вклада антенны. к способности передатчика посылать радиоволны к приемнику. Во всех направлениях коэффициент усиления изотропной антенны равен КПД и, следовательно, всегда равен в большинстве 1, хотя он может и в идеале должен превышать 1 для направленная антенна.

Обратите внимание, что в случае Несоответствие импеданса, п_в будет вычисляться как падающая мощность линии передачи минус отраженная мощность. Или, что то же самое, с точки зрения действующего напряжения V на антенных выводах:

${ Displaystyle P_ {in} = V ^ {2} cdot { text {Re}} left lbrace { frac {1} {Z_ {in}}} right rbrace}$

где Z_в это сопротивление точки питания.

Усиление в децибелах

Опубликованные числа для усиления антенны почти всегда выражаются в децибелы (дБ), логарифмическая шкала. Из коэффициента усиления G можно найти усиление в децибелах как:

${ Displaystyle G_ {дБи} = 10 cdot log _ {10} left (G right).}$

Следовательно, антенна с максимальным усилением мощности 5 будет иметь усиление 7 дБи. Используется дБи, а не просто дБ, чтобы подчеркнуть, что это усиление согласно основному определению, в котором антенна сравнивается с изотропным излучателем.

Когда фактические измерения усиления антенны производятся в лаборатории, напряженность поля тестовой антенны измеряется при подаче, скажем, 1 Вт мощности передатчика на определенном расстоянии. Эта напряженность поля сравнивается с напряженностью поля, найденной с помощью так называемого эталонная антенна на одинаковом расстоянии получать одинаковую мощность для определения коэффициента усиления тестируемой антенны. Это отношение было бы равно G, если бы эталонная антенна была изотропным излучателем (irad).

Однако настоящий изотропный излучатель не может быть построен, поэтому на практике используется другая антенна. Часто это будет полуволновой диполь, очень хорошо понятная и повторяемая антенна, которую можно легко построить для любой частоты. Директивное усиление полуволнового диполя, как известно, составляет 1,64, и его можно сделать почти 100% эффективным. Поскольку коэффициент усиления был измерен относительно этой эталонной антенны, разницу в усилении тестовой антенны часто сравнивают с коэффициентом усиления диполя. Поэтому коэффициент усиления относительно диполя часто указывается и обозначается с использованием дБд вместо дБи, чтобы избежать путаницы. Следовательно, с точки зрения истинного усиления (относительно изотропного излучателя) G, это значение для усиления определяется как:

${ displaystyle G_ {dBd} = 10 cdot log _ {10} left ({ frac {G} {1.64}} right).}$

Например, вышеупомянутая антенна с усилением G = 5 будет иметь усиление по отношению к диполю 5 / 1,64 = 3,05, или в децибелах это можно назвать 10 log (3,05) = 4,84 дБд. В общем:

${ displaystyle G_ {дБд} = G_ {дБи} -2,15 дБ}$

Обычно используются как дБи, так и дБд. Когда максимальное усиление антенны указывается в децибелах (например, производителем), необходимо быть уверенным в том, означает ли это усиление относительно изотропного излучателя или относительно диполя. Если он указывает дБи или дБд, то двусмысленности нет, но если указан только дБ, то необходимо обращаться к мелкому шрифту. Любую фигуру можно легко преобразовать в другую, используя указанное выше соотношение.

Обратите внимание, что при рассмотрении диаграммы направленности антенны коэффициент усиления по отношению к диполю не подразумевают сравнение усиления этой антенны в каждом направлении с усилением диполя в этом направлении. Скорее, это сравнение усиления антенны в каждом направлении с пик усиление диполя (1,64). Следовательно, в любом направлении эти числа на 2,15 дБ меньше, чем усиление, выраженное в дБи.

Частичное усиление

Частичное усиление рассчитывается как прирост мощности, но для конкретного поляризация. Он определяется как часть интенсивность излучения ${ displaystyle U}$ соответствующей заданной поляризации, деленной на полную интенсивность излучения изотропной антенны.

${ displaystyle G _ { theta} = 4 pi left ({ frac {U _ { theta}} {P _ { mathrm {in}}}} right)}$

${ displaystyle G _ { phi} = 4 pi left ({ frac {U _ { phi}} {P _ { mathrm {in}}}} right)}$

где ${ displaystyle U _ { theta}}$ и ${ displaystyle U _ { phi}}$ представляют собой интенсивность излучения в заданном направлении, содержащуюся в их соответствующей составляющей поля E.

В результате этого определения мы можем заключить, что полное усиление антенны - это сумма частичных усилений для любых двух ортогональных поляризаций.

${ Displaystyle G = G _ { theta} + G _ { phi}}$

Пример расчета

Предположим, антенна без потерь имеет диаграмму направленности, определяемую следующим образом:

${ Displaystyle U = B_ {0} , sin ^ {3} ( theta).}$

Найдем коэффициент усиления такой антенны.

Решение:

Сначала находим пиковую интенсивность излучения этой антенны:

${ Displaystyle U _ { mathrm {max}} = B_ {0}}$

Полная излучаемая мощность может быть найдена путем интегрирования по всем направлениям:

${ displaystyle P _ { mathrm {rad}} = int _ {0} ^ {2 pi} int _ {0} ^ { pi} U ( theta, phi) sin ( theta) , d theta , d phi = 2 pi B_ {0} int _ {0} ^ { pi} sin ^ {4} ( theta) , d theta = B_ {0} left ({ frac {3 pi ^ {2}} {4}} right)}$

${ displaystyle D = 4 pi left ({ frac {U _ { mathrm {max}}} {P _ { mathrm {rad}}}} right) = 4 pi left [{ frac {B_ {0}} {B_ {0} left ({ frac {3 pi ^ {2}} {4}} right)}} right] = { frac {16} {3 pi}} = 1.698}$

Поскольку указана антенна без потерь, эффективность излучения равна 1. Максимальное усиление тогда равно:

${ Displaystyle G = epsilon _ {антенна} , D = (1) (1,698) = 1,698}$ .

${ Displaystyle G_ {дБи} = 10 , log _ {10} (1,698) = 2,30 , mathrm {дБи}}$

Выражаясь относительно усиления полуволнового диполя, мы найдем:

${ Displaystyle G_ {dBd} = 10 , log _ {10} (1,698 / 1,64) = 0,15 , mathrm {dBd}}$.

Реализованный выигрыш

Согласно стандарту IEEE 145–1993,^[1] реализованный выигрыш отличается от приведенных выше определений коэффициента усиления тем, что он «уменьшается на потери из-за несоответствия входного импеданса антенны заданному импедансу». Это рассогласование приводит к потерям, превышающим диссипативные потери, описанные выше; следовательно, реализованный выигрыш всегда будет меньше, чем выигрыш.

Прирост можно выразить как абсолютный выигрыш если требуется дальнейшее разъяснение, чтобы отличить его от реализованной выгоды.^[1]

Полная излучаемая мощность

Полная излучаемая мощность (TRP) - это сумма всей РЧ-мощности, излучаемой антенной, когда мощность источника включена в измерение. TRP выражается в ваттах или соответствующих логарифмических выражениях, часто дБм или дБВт.^[2]

При тестировании мобильных устройств TRP можно измерить в непосредственной близости от потерь на поглощение энергии, таких как тело и рука пользователя.^[3]

TRP можно использовать для определения потери тела (BoL). Потеря тела рассматривается как отношение TRP, измеренного при наличии потерь, и TRP, измеренного в свободном пространстве.

Смотрите также

• Антенна
• Измерение антенны
• Эффективная площадь антенны
• Кардиоидный

использованная литература

Список используемой литературы

• Теория антенн (3-е издание), К. Баланис, Wiley, 2005 г., ISBN  0-471-66782-X
• Антенна для всех приложений (3-е издание), Джон Д. Краус, Рональд Дж. Мархефка, 2002 г., ISBN  0-07-232103-2

Эта статья включаетматериалы общественного достояния от Администрация общих служб документ: «Федеральный стандарт 1037С». (в поддержку MIL-STD-188 )