Strålingsmønster - Radiation pattern

Tredimensjonalt antennestrålingsmønster. Den radielle avstanden fra opprinnelsen i en hvilken som helst retning representerer styrken til strålingen som slippes ut i den retningen. Toppen viser direktivmønsteret til en hornantenn , bunnen viser det retningsbestemte mønsteret til en enkel vertikal antenne .

I antennedesign refererer begrepet strålingsmønster (eller antennemønster eller langtfeltmønster ) til den retningsbestemte (vinkel) avhengigheten av styrken til radiobølgene fra antennen eller en annen kilde.

Spesielt innen fiberoptikk , lasere , og integrert optikk , kan uttrykket strålingsmønsteret også bli brukt som et synonym for det nærfeltet mønster eller Fresnel mønster . Dette refererer til posisjonsavhengigheten til det elektromagnetiske feltet i nærfeltet , eller Fresnel -regionen til kilden. Nærfeltmønsteret er oftest definert over et plan plassert foran kilden, eller over en sylindrisk eller sfærisk overflate som omslutter den.

Fjernfeltmønsteret til en antenne kan bestemmes eksperimentelt på et antenneområde , eller alternativt kan nærfeltmønsteret bli funnet ved hjelp av en nærfeltskanner , og strålingsmønsteret utledes av det ved beregning. Fjernfeltstrålingsmønsteret kan også beregnes ut fra antenneformen av dataprogrammer som NEC . Annen programvare, som HFSS, kan også beregne nærfeltet.

Langfeltstrålingsmønsteret kan bli representert grafisk som et plott av en av en rekke relaterte variabler, inkludert; den feltstyrken ved konstant (stor) radius (en amplitudemønster eller feltmønster ), den effekt per enhet fast vinkel ( strøm mønster ) og direktivet vinning . Svært ofte er bare den relative amplituden plottet, normalisert enten til amplituden på antennens sikt eller til den totale utstrålte effekten. Den plottede mengden kan vises på en lineær skala, eller i dB . Plottet er vanligvis representert som en tredimensjonal graf (som til høyre), eller som separate grafer i vertikalplanet og horisontalplanet . Dette er ofte kjent som et polardiagram .

Gjensidighet

Det er en grunnleggende egenskap for antenner at mottaksmønsteret (følsomhet som funksjon av retning) til en antenne når den brukes til mottak, er identisk med fjernfeltstrålingsmønsteret til antennen når den brukes til overføring . Dette er en konsekvens av gjensidighetsteoremet om elektromagnetikk og er vist nedenfor. Derfor kan antennen i diskusjoner om strålingsmønstre ses på som enten å sende eller motta, avhengig av hva som er mest praktisk. Dette gjelder bare de passive antenneelementene; aktive antenner som inkluderer forsterkere eller andre komponenter, er ikke lenger gjensidige enheter.

Typiske mønstre

Typisk polarstrålingsplott. De fleste antenner viser et mønster av "lober" eller maksimal stråling. I en direktivantenne , vist her, kalles den største lappen i ønsket forplantningsretning " hovedlappen ". De andre lappene kalles " sidelober " og representerer vanligvis stråling i uønskede retninger.

Siden elektromagnetisk stråling er dipolstråling , er det ikke mulig å bygge en antenne som utstråler koherent likt i alle retninger, selv om en slik hypotetisk isotrop antenne brukes som referanse for å beregne antenneforsterkning .

De enkleste antennene, monopol og dipolantenner , består av en eller to rette metallstenger langs en felles akse. Disse aksialt symmetriske antennene har strålingsmønstre med en lignende symmetri, kalt rundstrålende mønstre; de utstråler lik kraft i alle retninger vinkelrett på antennen, og effekten varierer bare med vinkelen til aksen, og faller til null på antennens akse. Dette illustrerer det generelle prinsippet om at hvis formen på en antenne er symmetrisk, vil dens strålingsmønster ha samme symmetri.

I de fleste antenner forstyrrer strålingen fra de forskjellige delene av antennen i noen vinkler; strålingsmønsteret til antennen kan betraktes som et interferensmønster . Dette resulterer i null stråling i visse vinkler der radiobølgene fra de forskjellige delene kommer ut av fase , og lokale strålemaksima i andre vinkler der radiobølgene kommer i fase . Derfor strålingen handlingen i de fleste antenner viser et mønster av maksima kalles " fliker " i forskjellige vinkler, adskilt med " nuller " på hvilken strålingen går til null. Jo større antennen sammenlignes med en bølgelengde, jo flere fliker vil det være.

Et rektangulært strålingsdiagram, en alternativ presentasjonsmetode til et polart plot.

I en retningsantenne der målet er å avgi radiobølger i en bestemt retning, er antennen designet for å utstråle det meste av kraften i fliken rettet i ønsket retning. Derfor i strålingsdiagrammet ser denne lobben større ut enn de andre; den kalles " hovedlappen ". Aksen for maksimal stråling, som passerer gjennom midten av hovedlappen, kalles " stråleaksen " eller boresikteaksen ". I noen antenner, for eksempel delt stråleantenner, kan det eksistere mer enn én hovedlapp. De andre lappene ved siden av hovedlappen, som representerer uønsket stråling i andre retninger, kalles mindre lapper. De mindre flikene orientert i en vinkel mot hovedlappen kalles " sidelapper ". Den mindre flik i motsatt retning (180 °) fra hovedlappen kalles " rygglappen ".

Mindre fliker representerer vanligvis stråling i uønskede retninger, så i retningsantenner er et designmål vanligvis å redusere de mindre flikene. Sidelappene er normalt den største av de mindre flikene. Nivået på mindre lapper uttrykkes vanligvis som et forhold mellom effekttettheten i den aktuelle lobben og den i hovedlappen. Dette forholdet kalles ofte sidelappforholdet eller sidelappnivået. Sidelappnivåer på -20 dB eller større er vanligvis ikke ønskelig i mange applikasjoner. Oppnåelse av et sidelappnivå mindre enn −30 dB krever vanligvis veldig nøye design og konstruksjon. I de fleste radarsystemer, for eksempel, er lave sidelappforhold svært viktige for å minimere falske målindikasjoner gjennom sidelappene.

Bevis på gjensidighet

En del av en serie på
Antenner
Vanlige typer Dipol Fraktal Løkke Monopol Parabolantenne Fjernsyn Piske
Komponenter Balun Blokker upconverter Koaksialkabel Counterpoise (bakkesystem) Mate Matelinje Støysvak nedkonverterer Passiv radiator Mottaker Rotator Stub Sender Tuner To-ledning
Systemer Antennegård Amatørradio Mobilnettverk Hotspot Kommunalt trådløst nettverk Radio Radiomaster og tårn Wi-Fi Trådløst
Sikkerhet og forskrifter Trådløs enhetstråling og helse Trådløse elektroniske enheter og helse International Telecommunication Union ( Radio Regulations ) Verdens radiokommunikasjonskonferanse
Strålingskilder / regioner Kjedelig Fokussky Jordplan Hovedlapp Nær og fjern felt Sidelapp Vertikalt plan
Kjennetegn Array gevinst Direktivitet Effektivitet Elektrisk lengde Tilsvarende radius Faktor Friis overføringsligning Gevinst Høyde Strålingsmønster Strålingsmotstand Radioformidling Radiospekter Signal til støyforhold Rasende utslipp
Teknikker Bjelkestyring Bjelkehelling Stråleforming Liten celle Bell Laboratories Layered Space-Time (BLAST) Massiv multiple-input multiple-output (MIMO) Rekonfigurering Spredt spekter Wideband Space Division Multiple Access (WSDMA)
v t e

For et komplett bevis, se artikkelen om gjensidighet (elektromagnetisme) . Her presenterer vi et vanlig enkelt bevis begrenset til tilnærming av to antenner skilt med en stor avstand i forhold til størrelsen på antennen, i et homogent medium. Den første antennen er testantennen hvis mønstre skal undersøkes; denne antennen er fri til å peke i alle retninger. Den andre antennen er en referanseantenne, som peker stivt mot den første antennen.

Hver antenne er vekselvis koblet til en sender som har en bestemt kildeimpedans, og en mottaker med samme inngangsimpedans (impedansen kan variere mellom de to antennene).

Det antas at de to antennene er tilstrekkelig langt fra hverandre til at egenskapene til sendeantennen ikke påvirkes av belastningen som mottas antennen legger på den. Følgelig kan mengden kraft som overføres fra senderen til mottakeren uttrykkes som produktet av to uavhengige faktorer; den ene avhengig av retningsegenskapene til sendeantennen, og den andre avhengig av mottaksantennens retningsegenskaper.

For sendeantennen, ved definisjonen av forsterkning, er strålingseffekttettheten i en avstand fra antennen (dvs. kraften som passerer gjennom enhetsområdet) ${\ displaystyle G}$${\ displaystyle r}$

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

Her angir vinklene og angir avhengighet av retning fra antennen, og står for kraften senderen ville levere til en matchet belastning. Gevinsten kan deles inn i tre faktorer; den antenneforsterkningen (retnings omfordeling av strømmen), idet strålingseffektivitet (regnskap for ohmske tap i antenne), og til slutt det tap på grunn av mistilpasning mellom antennen og senderen. Strengt tatt, for å inkludere mismatch, bør det kalles realisert gevinst , men dette er ikke vanlig bruk. ${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle \ Phi}$${\ displaystyle P_ {t}}$${\ displaystyle G}$

For mottakerantennen er strømmen som leveres til mottakeren

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

Her er effekttettheten til den innfallende strålingen, og er antenneåpningen eller det effektive området til antennen (området antennen må oppta for å fange den observerte fangede effekten). Retningsargumentene er nå i forhold til mottaksantennen, og blir igjen tatt for å inkludere ohmsk og mismatch -tap. ${\ displaystyle W}$${\ displaystyle A}$${\ displaystyle A}$

Når vi setter disse uttrykkene sammen, er kraften som overføres fra sender til mottaker

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

hvor og er retningsavhengige egenskaper til henholdsvis sender- og mottaksantennene. For overføring fra referanseantennen (2), til testantennen (1), dvs. ${\ displaystyle G}$${\ displaystyle A}$

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

og for overføring i motsatt retning

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

Her er forsterkningen og det effektive området til antenne 2 fast, fordi orienteringen til denne antennen er fast i forhold til den første. ${\ displaystyle G_ {2}}$${\ displaystyle A_ {2}}$

Nå for en gitt disposisjon av antennene, krever gjensidighetssetningen at kraftoverføringen er like effektiv i hver retning, dvs.

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

hvorfra

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

Men høyre side av denne ligningen er fast (fordi orienteringen til antenne 2 er fast), og så

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

dvs. retningsavhengigheten til den (mottakende) effektive blenderåpningen og (sendende) forsterkningen er identisk (QED). Videre er proporsjonalitetskonstanten den samme uavhengig av antennens art, og må derfor være den samme for alle antenner. Analyse av en bestemt antenne (for eksempel en hertzisk dipol ), viser at denne konstanten er , hvor er bølgelengden i ledig plass. Derfor er forsterkningen og den effektive blenderåpningen knyttet til enhver antenne ${\ displaystyle {\ frac {\ lambda ^{2}} {4 \ pi}}}$${\ displaystyle \ lambda}$

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

Selv for en mottaksantenne er det mer vanlig å oppgi forsterkningen enn å spesifisere effektiv blenderåpning. Kraften som leveres til mottakeren er derfor mer vanligvis skrevet som

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

(se lenkebudsjett ). Den effektive blenderåpningen er imidlertid av interesse for sammenligning med den faktiske fysiske størrelsen på antennen.

Praktiske konsekvenser

• Når du skal bestemme mønsteret til en mottakerantenne ved datasimulering, er det ikke nødvendig å utføre en beregning for hver mulig forekomstvinkel. I stedet bestemmes antennens strålingsmønster av en enkelt simulering, og mottaksmønsteret utledes av gjensidighet.
• Når du bestemmer mønsteret til en antenne ved måling , kan antennen enten motta eller sende, avhengig av hva som er mest praktisk.
• For en praktisk antenne bør sidelappnivået være minimum, det er nødvendig å ha maksimal retning.

Se også

• E-plan og H-plan

Referanser

 Denne artikkelen inneholder  materiale fra offentlig eiendom fra General Services Administration -dokumentet: "Federal Standard 1037C" .(til støtte for MIL-STD-188 )

Eksterne linker

• Forstå og bruke antennestrålingsmønstre av Joseph H. Reisert
• Forklaring av begrepet " Toveis strålebredde "