Sugárzási minta - Radiation pattern

Háromdimenziós antenna sugárzási minták. Az origótól való sugárirányú távolság bármely irányban az ebben az irányban kibocsátott sugárzás erősségét jelenti. A tetején a kürt antenna irányító mintája látható , az alsó egy egyszerű függőleges antenna körirányú mintája .

Az antenna- tervezés területén a sugárzási minta (vagy antenna-minta vagy távolsági minta ) kifejezés az antennától vagy más forrásból származó rádióhullámok erősségének irányított (szög) függőségére utal .

Különösen a következő területeken: száloptika , lézerek , és az integrált optika , a kifejezés sugárzási karakterisztikát is lehet használni, mint egy szinonimája a közeli mező minta vagy Fresnel minta . Ez arra utal, hogy a helyzeti függését elektromágneses mező a közeli területen , vagy Fresnel régióban a forrás. A közeli mező mintát leggyakrabban a forrás előtt elhelyezett sík felett vagy az azt körülvevő hengeres vagy gömbfelület felett határozzák meg.

Az antenna távoli mintázatát kísérletileg meghatározhatjuk az antenna tartományában , vagy alternatív megoldásként a közeli mező mintázat megtalálható közeli mező szkenner segítségével , és a sugárzási mintát számítással levezethetjük belőle. A távolsági sugárzási mintát az antenna alakjából is ki lehet számítani olyan számítógépes programokkal, mint a NEC . Más szoftverek, például a HFSS is kiszámíthatják a közeli mezőt.

A távoli sugárzási mintázat grafikusan ábrázolható számos kapcsolódó változó egyikének diagramjaként, beleértve; a térerő állandó (nagy) sugarú körben ( amplitúdó -minta vagy térerő -minta ), az egységnyi szögre eső teljesítmény ( teljesítményminta ) és az irányelv -erősítés . Nagyon gyakran csak a relatív amplitúdót ábrázolják, normalizálva vagy az antenna elülső lámpájának amplitúdójával , vagy a teljes kisugárzott teljesítménnyel. Az ábrázolt mennyiség megjeleníthető lineáris skálán vagy dB -ben . A diagramot általában háromdimenziós grafikonként ábrázolják (jobb oldalon), vagy különálló grafikonként a függőleges és vízszintes síkban . Ezt gyakran poláris diagramnak nevezik .

Viszonosság

Ez egy alapvető tulajdonsága antennák, hogy a vételi minta (érzékenysége függvényében irányban) egy antennát, amikor használják fogadó azonos a távoli mező sugárzásának az antennát, amikor használt továbbítására . Ez az elektromágnesesség kölcsönösségi tételének következménye, és ezt az alábbiakban bizonyítjuk. Ezért a sugárzási mintákról folytatott megbeszélések során az antennát akár adónak, akár vételnek lehet tekinteni, amelyik a kényelmesebb. Ez csak a passzív antennaelemekre vonatkozik; az erősítőt vagy más komponenst tartalmazó aktív antennák már nem kölcsönös eszközök.

Tipikus minták

Tipikus poláris sugárzási diagram. A legtöbb antenna a lebenyek mintáját vagy a sugárzás maximumát mutatja. Az itt látható direktívában a legnagyobb lebenyt a kívánt terjedési irányban " fő lebenynek " nevezik . A többi lebenyt " oldalfejeknek " nevezik, és általában nem kívánt irányú sugárzást képviselnek.

Mivel az elektromágneses sugárzás van dipólsugárzásuk , nem lehetséges, hogy létrejöjjön egy antenna, hogy sugárzik koherensen minden irányban egyformán, bár egy ilyen hipotetikus izotrop antennát használjuk referenciaként kiszámításához antennanyereséget .

A legegyszerűbb antennák, a monopólus és a dipólusantennák egy vagy két egyenes fémrúdból állnak, közös tengely mentén. Ezek az axiálisan szimmetrikus antennák sugárzási mintázatai hasonló szimmetriájúak, az úgynevezett körirányú minták; minden irányban egyenlő teljesítményt sugároznak az antennára merőlegesen, és a teljesítmény csak a tengely szöge szerint változik, és az antenna tengelyén nullára csökken. Ez azt az általános elvet szemlélteti, hogy ha az antenna alakja szimmetrikus, akkor a sugárzási mintája ugyanaz lesz.

A legtöbb antennában az antenna különböző részeiből érkező sugárzás bizonyos szögekben zavarja ; az antenna sugárzási mintázata interferenciamintának tekinthető . Ez nulla sugárzást eredményez bizonyos szögekben, ahol a különböző részekből érkező rádióhullámok fázison kívül érkeznek , és a lokális sugárzási maximumok más szögekben, ahol a rádióhullámok fázisban érkeznek . Ezért a legtöbb antenna sugárzási rajza a " lebeny " -nek nevezett maximumok mintázatát mutatja különböző szögekben, " nullákkal " elválasztva , amelyeknél a sugárzás nullára megy. Minél nagyobb az antenna a hullámhosszhoz képest, annál több lebeny lesz.

Téglalap alakú sugárzási diagram, a poláris ábrák alternatív bemutatási módja.

Olyan irányított antennában , amelyben a cél a rádióhullámok egy adott irányba történő kibocsátása, az antennát úgy tervezték, hogy teljesítményének nagy részét a kívánt irányba irányított lebenyben sugározza. Ezért a sugárzási ábrán ez a lebeny nagyobbnak tűnik, mint a többi; " fő lebeny " -nek nevezik . Az y tengely a maximális sugárzási, közepén áthaladó fő hurok, az úgynevezett „ optikai tengely ” vagy boresight tengely ”. Egyes antennák, mint a hasított-nyaláb antenna, létezhetnek egynél több jelentős lebenyében. A másik lebeny a fő lebeny mellett, amely más irányú nem kívánt sugárzást jelent, kisebb lebenyeknek nevezzük. A fő lebenyhez képest szögben orientált kisebb lebenyeket " oldalsó lebenyeknek " nevezzük . " hátsó lebeny " -nek nevezik .

A kis lebenyek általában nem kívánt irányú sugárzást képviselnek, ezért az irányított antennákban a tervezési cél általában a kisebb lebenyek csökkentése. Az oldalsó lebenyek általában a legnagyobbak a kisebb lebenyek közül. A kisebb lebenyek szintjét általában a szóban forgó lebeny teljesítménysűrűségének és a nagy lebenyének az arányában fejezik ki. Ezt az arányt gyakran oldalsó lebeny aránynak vagy oldalsó lebeny szintjének nevezik. A -20 dB vagy annál nagyobb oldalsó lebenyszint általában nem kívánatos sok alkalmazásban. A -30 dB -nél kisebb oldalsó lebeny szint elérése általában nagyon gondos tervezést és kivitelezést igényel. A legtöbb radarrendszerben például az alacsony oldalsó lebeny arányok nagyon fontosak, hogy minimalizálják a hamis céljelzéseket az oldalsó lebenyeken keresztül.

A kölcsönösség bizonyítása

A teljes bizonyítékot lásd a kölcsönösség (elektromágnesesség) cikkben. Itt egy egyszerű egyszerű bizonyítékot mutatunk be, amely két antenna közelítésére korlátozódik, az antennához képest nagy távolságra, homogén közegben. Az első antenna a tesztantenna, amelynek mintáit meg kell vizsgálni; ez az antenna szabadon mutathat bármilyen irányba. A második antenna egy referenciaantenna, amely mereven mutat az első antenna felé.

Mindegyik antenna felváltva csatlakozik egy adott forrásimpedanciájú adóhoz és egy azonos bemeneti impedanciájú vevőhöz (az impedancia eltérhet a két antenna között).

Feltételezzük, hogy a két antenna kellően távol van egymástól, így a vevőantenna tulajdonságait nem befolyásolja a fogadó antenna által terhelés. Következésképpen az adóról a vevőre továbbított teljesítmény mennyisége két független tényező szorzataként fejezhető ki; az egyik a sugárzó antenna irányjellemzőitől, a másik a vevő antenna irányjellemzőitől függ.

Az adóantenna esetében a nyereség meghatározása szerint a sugárzási teljesítmény sűrűsége az antennától távol (azaz az egységterületen áthaladó teljesítmény) ${\ displaystyle G}$ ${\ displaystyle r}$

{\ displaystyle \ mathrm {W} (\ theta, \ Phi) = {\ frac {\ mathrm {G} (\ theta, \ Phi)} {4 \ pi r^{2}}} P_ {t}}

.

Itt a szögek és az antenna irányától való függést jelzik, és azt a teljesítményt jelölik, amelyet az adó megfelelő terhelésnek adna ki. A nyereség három tényezőre bontható; az antennaerősítés (a teljesítmény irányított újraelosztása), a sugárzás hatékonysága (figyelembe véve az antenna ohmos veszteségeit), végül az antenna és az adó közötti eltérés miatti veszteség. Szigorúan, hogy beleférjen az eltérés, azt realizált nyereségnek kell nevezni , de ez nem gyakori használat. ${\ displaystyle \ theta}$ ${\ displaystyle \ Phi}$ ${\ displaystyle P_ {t}}$ ${\ displaystyle G}$

A vevőantenna esetében a vevőkészülék áramellátása

{\ displaystyle P_ {r} = \ mathrm {A} (\ theta, \ Phi) W \}}

.

Itt látható a beeső sugárzás teljesítménysűrűsége, és az antenna nyílása vagy az antenna effektív területe (az a terület, amelyet az antennának el kell foglalnia ahhoz, hogy elfogja a megfigyelt teljesítményt). Az irányító érvek mostantól a vevőantennához viszonyulnak, és ismét figyelembe veszik az ohmos és nem egyező veszteségeket. ${\ displaystyle W}$ ${\ displaystyle A}$ ${\ displaystyle A}$

Ha ezeket a kifejezéseket összeadjuk, akkor az adóról a vevőre továbbított teljesítmény

{\ displaystyle P_ {r} = A {\ frac {G} {4 \ pi r^{2}}} P_ {t}}

,

ahol és irányokba vannak függő tulajdonságait az adó- és vevőantenna volt. A referenciaantennától (2) a tesztantennához (1) történő továbbításhoz, azaz ${\ displaystyle G}$ ${\ displaystyle A}$

{\ displaystyle P_ {1r} = \ mathrm {A_ {1}} (\ theta, \ Phi) {\ frac {G_ {2}} {4 \ pi r^{2}}} P_ {2t}}

,

és az ellenkező irányú továbbításhoz

{\ displaystyle P_ {2r} = A_ {2} {\ frac {\ mathrm {G_ {1}} (\ theta, \ Phi)} {4 \ pi r^{2}}} P_ {1t}}

.

Itt a 2 antenna erősítése és effektív területe rögzített, mivel ennek az antennanak az iránya az elsőhöz képest rögzített. ${\ displaystyle G_ {2}}$ ${\ displaystyle A_ {2}}$

Most az antennák adott elrendezéséhez a kölcsönösségi tétel megköveteli, hogy az erőátvitel minden irányban egyformán hatékony legyen, azaz

{\ displaystyle {\ frac {P_ {1r}} {P_ {2t}}} = {\ frac {P_ {2r}} {P_ {1t}}}}

,

honnét

{\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {A_ {1}} (\ theta, \ Phi)} {\ mathrm {G_ {1}} (\ theta, \ Phi)}} = {\ frac {A_ {2} } {G_ {2}}}}

.

De ennek az egyenletnek a jobb oldala rögzített (mivel a 2 antenna iránya rögzített), és így tovább

{\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {A_ {1}} (\ theta, \ Phi)} {\ mathrm {G_ {1}} (\ theta, \ Phi)}} = \ mathrm {állandó}}

,

azaz a (fogadó) effektív rekesz és az (adó) erősítés irányfüggése azonos (QED). Ezenkívül az arányosság állandója az antenna jellegétől függetlenül azonos, és így minden antenna esetében azonosnak kell lennie. Egy adott antenna (például egy hertzi dipólus ) elemzése azt mutatja, hogy ez az állandó , ahol a szabad tér hullámhossza. Ezért minden antenna esetében a nyereség és a tényleges rekeszérték összefügg ${\ displaystyle {\ frac {\ lambda ^{2}} {4 \ pi}}}$ ${\ displaystyle \ lambda}$

{\ displaystyle \ mathrm {A} (\ theta, \ Phi) = {\ frac {\ lambda ^{2} \ mathrm {G} (\ theta, \ Phi)} {4 \ pi}}}

.

Még a vevőantenna esetében is szokásos a nyereség megadása, mint a tényleges rekeszérték megadása. A vevőkészülékhez szállított áramot ezért általában úgy írják le

{\ displaystyle P_ {r} = {\ frac {\ lambda ^{2} G_ {r} G_ {t}} {(4 \ pi r) ^{2}}} P_ {t}}

(lásd a link költségvetését ). A tényleges rekesz azonban érdekes az antenna tényleges fizikai méretéhez képest.

Gyakorlati következmények

Amikor a vevőantenna mintáját számítógépes szimulációval határozza meg, nem szükséges minden lehetséges beesési szögre számítást végezni. Ehelyett az antenna sugárzási mintázatát egyetlen szimuláció határozza meg, a fogadási mintát pedig kölcsönösség.
Amikor az antenna mintázatát méréssel határozza meg , az antenna vagy fogad, vagy ad, attól függően, hogy melyik a kényelmesebb.
Praktikus antenna esetén az oldalsó lebeny szintjének minimálisnak kell lennie, szükséges a maximális irányíthatóság.

Lásd még

E-sík és H-sík

Hivatkozások

^ ^a ^b ^c Constantine A. Balanis: „Antennaelmélet, elemzés és tervezés”, John Wiley & Sons, Inc., 2. kiadás. 1982 ISBN 0-471-59268-4
^ David K Cheng: “Field and Wave Electromagnetics”, Addison-Wesley Publishing Company Inc., 2. kiadás, 1998. ISBN 0-201-52820-7
^ Edward C. Jordan & Keith G. Balmain; „Elektromágneses hullámok és sugárzó rendszerek” (2. kiadás, 1968) Prentice-Hall. ISBN 81-203-0054-8
^ ^a ^b ^c Villamos- és Elektronikai Mérnöki Intézet, „Az elektromos és elektronikai kifejezések IEEE szabványos szótára”; 6. kiadás. New York, NY, Elektromos és Elektronikai Mérnöki Intézet, c1997. IEEE Std 100-1996. ISBN 1-55937-833-6 [szerk. Szabványügyi Koordinációs Bizottság 10, Feltételek és fogalommeghatározások; Jane Radatz, (szék)]
^ Singh, Urvinder; Salgotra, Rohit (2016. július 20.). "Lineáris antennarendszer szintézise virágporos algoritmus segítségével". Neurális számítástechnika és alkalmazások . 29 (2): 435–445. doi : 10.1007/s00521-016-2457-7 .

Ez a cikk az „ Általános szolgáltatások adminisztrációja ” dokumentum „Public Standard 1037C” nyilvános anyagát tartalmazza .(a MIL-STD-188 támogatására )

Külső linkek

Az antenna sugárzási mintáinak megértése és használata Joseph H. Reisert
A „ kétirányú sugárzási szélesség ” kifejezés magyarázata

[Balanis-1] Constantine A. Balanis: „Antennaelmélet, elemzés és tervezés”, John Wiley & Sons, Inc., 2. kiadás. 1982 ISBN 0-471-59268-4

[Cheng-2] David K Cheng: “Field and Wave Electromagnetics”, Addison-Wesley Publishing Company Inc., 2. kiadás, 1998. ISBN 0-201-52820-7

[JordanBalmain1968-3] Edward C. Jordan & Keith G. Balmain; „Elektromágneses hullámok és sugárzó rendszerek” (2. kiadás, 1968) Prentice-Hall. ISBN 81-203-0054-8

[IEEEdict1997-4] Villamos- és Elektronikai Mérnöki Intézet, „Az elektromos és elektronikai kifejezések IEEE szabványos szótára”; 6. kiadás. New York, NY, Elektromos és Elektronikai Mérnöki Intézet, c1997. IEEE Std 100-1996. ISBN 1-55937-833-6 [szerk. Szabványügyi Koordinációs Bizottság 10, Feltételek és fogalommeghatározások; Jane Radatz, (szék)]

[5] Singh, Urvinder; Salgotra, Rohit (2016. július 20.). "Lineáris antennarendszer szintézise virágporos algoritmus segítségével". Neurális számítástechnika és alkalmazások . 29 (2): 435–445. doi : 10.1007/s00521-016-2457-7 .

Languages

In other projects