Przydatnym parametrem obliczającym moc odbioru anteny jestefektywny obszarLubefektywna przysłonaZałóżmy, że fala płaska o tej samej polaryzacji co antena odbiorcza pada na antenę. Załóżmy również, że fala ta przemieszcza się w kierunku anteny w kierunku maksymalnego promieniowania (kierunek, z którego odbierana jest największa moc).
Następnieefektywna przysłonaParametr opisuje, ile mocy jest pozyskiwane z danej fali płaskiej. Niechpbędzie gęstością mocy fali płaskiej (w W/m²). JeśliP_treprezentuje moc (w watach) na zaciskach antenowych dostępną dla odbiornika antenowego, wówczas:
Zatem powierzchnia efektywna po prostu reprezentuje moc przechwyconą z fali płaskiej i dostarczoną przez antenę. Powierzchnia ta uwzględnia straty wewnętrzne anteny (straty omowe, straty dielektryczne itp.).
Ogólną zależność między efektywną aperturą a maksymalnym zyskiem anteny (G) dowolnej anteny można wyrazić wzorem:
Efektywną aperturę lub powierzchnię efektywną można zmierzyć w przypadku rzeczywistych anten, porównując je ze znaną anteną o danej efektywnej aperturze lub wykonując obliczenia przy użyciu zmierzonego wzmocnienia i powyższego równania.
Efektywna apertura będzie użytecznym pojęciem do obliczania mocy odbieranej z fali płaskiej. Aby zobaczyć to w praktyce, przejdź do następnej sekcji dotyczącej wzoru transmisji Friisa.
Równanie transmisji Friisa
Na tej stronie przedstawiamy jedno z najbardziej podstawowych równań w teorii anten,Równanie transmisji Friisa. Równanie transmisji Friisa służy do obliczania mocy odbieranej z jednej anteny (z wzmocnieniemG1), gdy jest transmitowany z innej anteny (z wzmocnieniemG2), oddzielone odległościąRi działa z częstotliwościąflub długość fali lambda. Warto przeczytać tę stronę kilka razy i w pełni ją zrozumieć.
Wyprowadzenie wzoru przekładni Friisa
Aby rozpocząć wyprowadzenie równania Friisa, rozważ dwie anteny w wolnej przestrzeni (bez przeszkód w pobliżu), oddalone od siebie o odległośćR:
Załóżmy, że do anteny nadawczej dostarczana jest moc całkowita (W). Załóżmy na razie, że antena nadawcza jest dookólna i bezstratna, a antena odbiorcza znajduje się w polu dalekim anteny nadawczej. Wówczas gęstość mocyp(w watach na metr kwadratowy) fali płaskiej padającej na antenę odbiorczą w odległościRz anteny nadawczej podaje się wzorem:
Rysunek 1. Anteny nadawcze (Tx) i odbiorcze (Rx) rozdzieloneR.
Jeżeli antena nadawcza ma zysk anteny w kierunku anteny odbiorczej określony wzorem ( ), wówczas powyższe równanie gęstości mocy przyjmuje postać:
Wartość wzmocnienia uwzględnia kierunkowość i straty rzeczywistej anteny. Załóżmy teraz, że antena odbiorcza ma aperturę efektywną podaną wzorem:( ). Następnie moc odbierana przez tę antenę ( ) jest podana wzorem:
Ponieważ efektywną aperturę dowolnej anteny można również wyrazić wzorem:
Otrzymaną moc można zapisać następująco:
Równanie 1
Jest to znane jako wzór transmisji Friisa. Powiązuje on tłumienie w wolnej przestrzeni, zyski anteny i długość fali z mocą odbieraną i nadawczą. Jest to jedno z fundamentalnych równań w teorii anten i należy je zapamiętać (podobnie jak powyższe wyprowadzenie).
Inną użyteczną postać równania transmisji Friisa podano w równaniu [2]. Ponieważ długość fali i częstotliwość f są powiązane przez prędkość światła c (patrz strona wprowadzająca do częstotliwości), mamy wzór transmisji Friisa w odniesieniu do częstotliwości:
Równanie 2
Równanie [2] pokazuje, że więcej mocy jest tracone przy wyższych częstotliwościach. Jest to fundamentalny wynik równania transmisji Friisa. Oznacza to, że dla anten o określonych wzmocnieniach, transfer energii będzie najwyższy przy niższych częstotliwościach. Różnica między mocą odebraną a mocą nadawaną jest znana jako tłumienie ścieżki. Mówiąc inaczej, równanie transmisji Friisa mówi, że tłumienie ścieżki jest wyższe dla wyższych częstotliwości. Znaczenia tego wyniku ze wzoru transmisji Friisa nie można przecenić. Dlatego telefony komórkowe zazwyczaj działają z częstotliwością mniejszą niż 2 GHz. Może być dostępne większe spektrum częstotliwości przy wyższych częstotliwościach, ale związana z tym utrata ścieżki nie umożliwi odbioru wysokiej jakości. Jako dalszą konsekwencję równania transmisji Friisa, załóżmy, że ktoś zapyta cię o anteny 60 GHz. Zauważając, że ta częstotliwość jest bardzo wysoka, możesz stwierdzić, że tłumienie ścieżki będzie zbyt duże dla komunikacji na duże odległości - i masz absolutną rację. Przy bardzo wysokich częstotliwościach (60 GHz jest czasami określane jako obszar fal milimetrowych) tłumienie ścieżki jest bardzo wysokie, więc możliwa jest tylko komunikacja punkt-punkt. Dzieje się tak, gdy odbiornik i nadajnik znajdują się w tym samym pomieszczeniu i są zwróceni ku sobie. Jako kolejny wniosek ze wzoru transmisji Friisa, czy uważasz, że operatorzy telefonii komórkowej są zadowoleni z nowego pasma LTE (4G), które działa w paśmie 700 MHz? Odpowiedź brzmi: tak: jest to niższa częstotliwość niż ta, na której tradycyjnie działają anteny, ale z równania [2] wynika, że tłumienie ścieżki będzie zatem również niższe. W związku z tym mogą „pokryć większy obszar” tym pasmem częstotliwości, a dyrektor Verizon Wireless niedawno nazwał je „widmem wysokiej jakości” właśnie z tego powodu. Uwaga: Z drugiej strony, producenci telefonów komórkowych będą musieli zmieścić antenę o większej długości fali w kompaktowym urządzeniu (niższa częstotliwość = większa długość fali), więc zadanie projektanta anteny stało się nieco bardziej skomplikowane!
Wreszcie, jeśli anteny nie są dopasowane polaryzacyjnie, powyższą moc odbieraną można pomnożyć przez współczynnik strat polaryzacyjnych (PLF), aby właściwie uwzględnić tę niezgodność. Powyższe równanie [2] można zmodyfikować, aby uzyskać uogólniony wzór transmisji Friisa, który uwzględnia niezgodność polaryzacyjną:
Równanie 3
Czas publikacji: 08-01-2024

