Rysunek 1. Obszary wiązki głównej i listków bocznych służące do określenia wydajności wiązki anteny.
Czym jest wydajność wiązki antenowej?
Wydajność wiązki antenowej, zwana również sprawnością wiązki głównej, to ułamek całkowitej mocy promieniowania anteny, który przypada na określony obszar wiązki głównej. Odpowiada na praktyczne pytanie projektowe: jaka część dostępnego promieniowania jest skoncentrowana w docelowym sektorze kątowym, a jaka rozproszona na listki boczne i tylny?
W przypadku anteny odbiorczej wzajemność pozwala na interpretację tego samego pojęcia, co ułamek mocy odbieranej, gromadzonej przez wiązkę główną, gdy warunki pola otaczającego i polaryzacji są konsekwentnie zdefiniowane. Efektywność wiązki jest zatem szczególnie przydatna w radarach, radiometrii, łączach satelitarnych, systemach mikrofalowych typu punkt-punkt oraz pomiarach antenowych, gdzie energia docierająca z lub odpływająca w niepożądanych kierunkach może zmniejszyć dokładność lub zwiększyć zakłócenia.
Na rysunku 1 płat główny jest wyśrodkowany na osi z. Jeżeli kąt stożka θ1oznacza pierwszą wartość zerową lub inną wyraźnie określoną granicę wiązki głównej; wydajność wiązki oblicza się poprzez zintegrowanie wzoru mocy wewnątrz stożka i podzielenie go przez moc zintegrowaną na całym wzorze promieniowania.
Wzór na wydajność wiązki antenowej
Korzystając ze znormalizowanego wzoru mocy Pn(θ,φ), ogólne wyrażenie na wydajność wiązki pokazano poniżej:
Licznik przedstawia moc zawartą w wybranym kącie bryłowym światła drogowego, ΩMBMianownik reprezentuje całkowitą moc promieniowania zintegrowaną w ciągu 4π steradianów. Wynikowa wartość ηB, jest bezwymiarowy i zwykle podawany jest jako wartość procentowa.
- Pn(θ,φ)to znormalizowany wzór mocy. Jeśli używane są zmierzone dane pola elektrycznego, odpowiadający mu człon mocy jest proporcjonalny do |E|2.
- ΩMBjest określonym obszarem wiązki głównej, często ograniczonym pierwszymi zerami lub zdefiniowanym kątem stożka.
- θ i φsą współrzędnymi wysokości i azymutu służącymi do opisu pełnego wzorca promieniowania.
Granica wiązki głównej musi być zawsze podana wraz z wynikiem. Dwa laboratoria mogą uzyskać różne wartości liczbowe z tego samego wzoru, jeśli jedno całkuje do pierwszego zera, a drugie używa stałego stożka kątowego. W przypadku wiązki ołówkowej o symetrii obrotowej całkowanie można uprościć, jak pokazano w poniższym wyrażeniu.
Jak mierzy się wydajność wiązki antenowej?
Wydajność wiązki jest obliczana na podstawie danych o charakterystyce promieniowania, a nie z pojedynczego odczytu z osi optycznej. Można zastosować skalibrowany zakres dalekiego pola, kompaktowy zakres testowy anteny lub system bliskiego pola z walidowaną transformacją dalekiego pola. W przypadku anten fazowanych pomiar należy powtarzać dla każdego wymaganego stanu wiązki, częstotliwości i polaryzacji, ponieważ błędy skanowania oraz amplitudy lub fazy mogą redystrybuować moc do listków bocznych.
- Zmierz charakterystykę promieniowaniana wystarczającym pokryciu kątowym obejmującym wiązkę główną, płaty boczne i płat tylny.
- Przekształć zmierzone pole w wzór mocyi zastosuj tę samą normalizację do każdej próbki kątowej.
- Zdefiniuj granicę światła głównego, takich jak pierwszy kontur zerowy lub określony kąt stożka.
- Zintegruj moc wewnątrz tej granicyi podziel przez potęgę zintegrowaną po całym wzorze.
- Zgłoś warunki testu, w tym częstotliwość, polaryzację, stan wiązki, rozdzielczość kątową i definicję granicy.
Para dwuwymiarowych przekrojów w płaszczyźnie E i H może pokazać szerokość wiązki i zachowanie listków bocznych, ale zazwyczaj nie zapewnia kompletnej, trójwymiarowej wartości wydajności wiązki, chyba że uzasadniono symetrię obrotową. Dane o pełnej sferze lub wystarczająco kompletnym wzorze dają bardziej wiarygodny wynik. Dowiedz się więcej o RF MISOmożliwości testowania anten.
Efektywność wiązki a inne terminy dotyczące efektywności anteny
Wydajność wiązki a wydajność promieniowania
Wydajność promieniowaniaporównuje moc promieniowania z mocą akceptowaną przez antenę i w ten sposób odzwierciedla straty przewodnika i dielektryka.Wydajność wiązkiOpisuje, gdzie trafia wypromieniowana moc. Antena może mieć niskie straty wewnętrzne, ale nadal mieć umiarkowaną wydajność wiązki, jeśli znaczna moc występuje w listkach bocznych lub tylnych.
Wydajność wiązki a kierunkowość i zysk
KierunkowośćOpisuje szczytowe stężenie charakterystyki promieniowania w odniesieniu do radiatora izotropowego. Wzmocnienie łączy kierunkowość z wydajnością promieniowania, podczas gdy wzmocnienie rzeczywiste uwzględnia również niedopasowanie impedancji. Sprawność wiązki jest inna, ponieważ integruje moc w obszarze kątowym, zamiast oceniać tylko kierunek szczytowy.
Wydajność wiązki a szerokość wiązki
Szerokość wiązki o połowie mocy to szerokość kątowa między punktami -3 dB głównego listka. Wąska wiązka często towarzyszy wysokiej kierunkowości, ale sama w sobie nie dowodzi wysokiej wydajności wiązki. Wzór może mieć wąski szczyt i nadal wysyłać znaczną energię do listków bocznych. Dlatego szerokość wiązki i poziom listków bocznych należy analizować łącznie ze zintegrowaną wartością wydajności wiązki.
Co wpływa na wydajność wiązki antenowej?
1. Poziomy płata bocznego i tylnego
Moc poza wybranym obszarem wiązki głównej bezpośrednio obniża wydajność wiązki. Wysokie listki boczne mogą wynikać z nieciągłości apertury, odstępów między matrycami, błędów amplitudy lub profilu oświetlenia, który nie został zoptymalizowany pod kątem wymaganego wzoru. Podobny efekt może mieć promieniowanie zwrotne i rozpraszanie z pobliskich struktur.
2. Oświetlenie apertury i stożek amplitudy
Anteny aperturowe i układy antenowe wykorzystują rozkład amplitudy w całej aperturze promieniującej. Prawie równomierny rozkład może zapewnić wąską wiązkę główną i wysoką kierunkowość, ale może również powodować stosunkowo wysokie listki boczne. Zastosowanie stożka amplitudy może stłumić listki boczne i skierować większą część całkowitej mocy wiązki w pożądany obszar, chociaż nadmierne stożkowanie może poszerzyć wiązkę główną i zmniejszyć wzmocnienie szczytowe lub wydajność apertury. Najlepsze ustawienie jest zatem kompromisem specyficznym dla danego zastosowania.
3. Przelewanie paszy i blokada strukturalna
W antenie reflektorowej energia, która nie dociera do reflektora, ulega rozproszeniu i nie przyczynia się do uzyskania pożądanej wiązki głównej. Wsporniki zasilania, subreflektor lub pobliski osprzęt mogą również blokować lub rozpraszać część pola apertury. Prawidłowy dobór zasilania, położenie ogniska i ustawienie mechaniczne pomagają kontrolować te straty i niepożądane listki.
4. Błędy fazy, amplitudy i powierzchni
Nierównowaga fazowa między elementami układu, nierównomierne straty mocy, tolerancja produkcyjna, błąd powierzchni reflektora i zniekształcenie kopuły mogą powodować odsunięcie energii od zamierzonej wiązki. Efekty te zazwyczaj nabierają znaczenia wraz ze wzrostem częstotliwości, ponieważ stały błąd wymiarowy reprezentuje większą część długości fali.
5. Czystość polaryzacji
Niektóre definicje wydajności wiązki uwzględniają jedynie moc w pożądanej polaryzacji. Promieniowanie spolaryzowane krzyżowo wewnątrz lub na zewnątrz wiązki głównej może obniżyć raportowaną wartość. Polaryzacja powinna być spójnie określana w symulacjach, pomiarach i wymaganiach systemowych.
Wydajność wiązki, szerokość wiązki i szerokość pasma są różne
Wydajność wiązkijest zintegrowanym stosunkiem mocy kątowej.Szerokość wiązkiopisuje szerokość kątową głównego płata na określonym poziomie, zwykle w punkcie połowy mocy lub -3 dB.Szerokość pasma antenyOpisuje zakres częstotliwości, w którym spełnione są wybrane wymagania. Parametry te wpływają na siebie nawzajem, ale nie są zamienne.
Projekt może utrzymywać akceptowalny współczynnik SWR w szerokim zakresie częstotliwości, podczas gdy kierunek wiązki, poziom listków bocznych lub wydajność wiązki ulegają znacznym zmianom w pobliżu krawędzi pasma. Dlatego też charakterystykę charakterystyki należy weryfikować dla kilku częstotliwości, a nie wnioskować wyłącznie na podstawie szerokości pasma impedancji. Szczegółowe omówienie definicji zakresów częstotliwości można znaleźć w artykule:Szerokość pasma anteny.
Jak można poprawić wydajność wiązki?
- Wybierz stożek przysłony, który równoważy tłumienie listków bocznych, szerokość wiązki głównej i wzmocnienie.
- Zoptymalizuj położenie reflektora zasilającego, oświetlenie krawędzi i rozpraszanie światła.
- Aby uniknąć powstawania kratek, należy stosować odpowiednie odstępy między elementami i dokładną kontrolę amplitudy lub fazy w układach.
- Zmniejsza blokowanie, rozpraszanie kabli i niepożądaną interakcję ze strukturą montażową lub osłoną radaru.
- Kontroluj tolerancje obróbki, dokładność powierzchni i wyrównanie przy najwyższej częstotliwości roboczej.
- Sprawdź wzorce współbiegunowe i krzyżowo-biegunowe w całym paśmie roboczym i każdym wymaganym stanie wiązki.
Gdzie efektywność świateł drogowych ma największe znaczenie?
Wydajność wiązki wysokiej jest szczególnie cenna, gdy moc lub odbierana energia muszą być ograniczone do ściśle określonego kierunku. Typowe przykłady obejmują radary śledzące i obrazujące cele, łącza łączności satelitarnej, radioastronomię i radiometrię, mikrofalowe łącza punkt-punkt, systemy zasilania reflektorów, anteny kalibracyjne oraz elektronicznie sterowane układy anten.
Nie ma uniwersalnego procentowego wskaźnika sprawności wiązki, który byłby prawidłowy dla każdej anteny. Użyteczne wymagania muszą określać częstotliwość roboczą, polaryzację, stan wiązki i granicę kątową, a także akceptowalne zachowanie listków bocznych i tylnych. Dzięki temu dane od dostawcy, symulacje i wyniki pomiarów są bezpośrednio porównywalne.
Na co kupujący powinien zwrócić uwagę w karcie katalogowej anteny?
Gdy kontrola wiązki jest istotna, nie oceniaj anteny wyłącznie na podstawie wzmocnienia szczytowego. Zapytaj producenta, jakie dane charakterystyki i warunki testowe są dostępne dla konkretnego modelu i zakresu częstotliwości.
- Zakres częstotliwości roboczych i częstotliwości wykorzystywane do pomiarów wzorcowych
- Wzmocnienie, szerokość wiązki o połowie mocy i poziom pierwszego płata bocznego w zależności od częstotliwości
- Charakterystyki promieniowania współbiegunowego i krzyżowego w wymaganych płaszczyznach lub na skanowaniu sferycznym
- Granica kątowa i polaryzacja służąca do obliczenia wydajności wiązki, gdy ta wartość jest określona
- Współczynnik SWR, złącze lub interfejs falowodu, obsługa mocy i wymagania środowiskowe
- Tolerancje mechaniczne, układ montażowy i konfiguracja kopuły radarowej lub zasilania reflektora
Rozwiązania anten mikrofalowych RF MISO
RF MISO dostarcza anteny mikrofalowe i milimetrowe do pomiarów, radarów, komunikacji i integracji systemów. Do istotnych rodzin produktów należą:anteny tubowe o standardowym wzmocnieniu, anteny reflektoroweIanteny tablicoweNależy porównać specyfikacje konkretnego modelu i dostępne dane testowe z wymaganą częstotliwością, polaryzacją, wzmocnieniem i wydajnością wzorca.
W celu wyboru anteny lub spełnienia indywidualnych wymagań,kontakt RF MISO at info@rf-miso.com.
Czas publikacji: 12 lipca 2024 r.
