Wzmocnienie anteny - Antenna gain

W elektromagnetycznych , antena jest przyrost mocy lub po prostu zysk jest kluczowym numer wydajność, która łączy się z anteny „s kierunkowość i sprawność elektryczna . W antenie nadawczej wzmocnienie opisuje, jak dobrze antena przekształca moc wejściową na fale radiowe kierowane w określonym kierunku. W antenie odbiorczej wzmocnienie opisuje, jak dobrze antena przekształca fale radiowe nadchodzące z określonego kierunku na energię elektryczną. Gdy nie określono kierunku, wzmocnienie jest rozumiane jako odniesienie do wartości szczytowej wzmocnienia, wzmocnienia w kierunku głównego płata anteny . Wykres wzmocnienia w funkcji kierunku nazywany jest wzorcem wzmocnienia lub wzorcem promieniowania .

Zysk anteny jest zwykle definiowany jako stosunek mocy wytwarzanej przez antenę ze źródła dalekiego pola na osi wiązki anteny do mocy wytwarzanej przez hipotetyczną bezstratną antenę izotropową , która jest jednakowo wrażliwa na sygnały ze wszystkich kierunków. Zwykle stosunek ten jest wyrażany w decybelach , a jednostki te określane są jako decybele-izotropowe (dBi). Alternatywna definicja porównuje odbieraną moc z mocą odbieraną przez bezstratną półfalową antenę dipolową , w którym to przypadku jednostki są zapisywane jako dBd . Ponieważ bezstratna antena dipolowa ma zysk 2,15 dBi, stosunek między tymi jednostkami wynosi . Dla danej częstotliwości efektywny obszar anteny jest proporcjonalny do zysku mocy. Efektywna długość anteny jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego wzmocnienia anteny dla określonej częstotliwości i odporności na promieniowanie . Ze względu na wzajemność , zysk każdej odwrotnej anteny podczas odbioru jest równy jej wzmocnieniu podczas nadawania. ${\ Displaystyle \ operatorname {Zysk (dBd)} = \ operatorname {Zysk (dBi)} -2,15}$

Wzmocnienie lub kierunkowość to inny środek, który nie bierze pod uwagę sprawności elektrycznej anteny. Termin ten jest czasami bardziej istotny w przypadku anteny odbiorczej, gdzie chodzi głównie o zdolność anteny do odbierania sygnałów z jednego kierunku przy jednoczesnym odrzucaniu sygnałów zakłócających pochodzących z innego kierunku.

Zysk mocy

Zysk mocy (lub po prostu zysk ) jest niemianowaną miarą, która łączy wydajność i kierunkowość anteny D : ${\ Displaystyle \ epsilon _ {antena}}$

${\ Displaystyle G = \ epsilon _ {antena} \ cdot D.}$

Pojęcia efektywności i kierunkowości zależą od następujących czynników.

Efektywność

Wydajność anteny jest Całkowita moc promieniowania podzielona przez mocy wejściowej w feedpoint ${\ Displaystyle \ epsilon _ {antena}}$ ${\displaystyle P_{o}}$

${\ Displaystyle \ epsilon _ {antena} = {P_ {o} \ nad P_ {w}}}$

Antena nadawcza jest zasilana przez linię zasilającą , linię transmisyjną łączącą antenę z nadajnikiem radiowym . Moc wejściowa do anteny jest zwykle określa się moc dostarczana do zacisków anteny (The feedpoint ), więc antena straty mocy nie obejmuje energii utraconej w wyniku Prawo Joule'a w linii zasilającej i odbić z powrotem w dół linii zasilającej z powodu anteny linii / niedopasowania impedancji . ${\displaystyle P_{w}}$

Twierdzenie o elektromagnetycznej wzajemności gwarantuje, że właściwości elektryczne anteny, takie jak sprawność, kierunkowość i wzmocnienie, są takie same, gdy antena jest używana do odbioru, jak i podczas nadawania.

Kierunkowość

Kierunkowość anteny jest określona przez jej charakterystykę promieniowania , czyli sposób, w jaki wypromieniowana moc rozkłada się wraz z kierunkiem w trzech wymiarach . Wszystkie anteny są kierunkowe w mniejszym lub większym stopniu, co oznacza, że ​​w niektórych kierunkach emitują większą moc niż w innych. Kierunek jest określony tu sferycznych współrzędnych , gdzie jest wysokość i kąt powyżej określonej płaszczyzny odniesienia (na przykład w gruncie), a jest azymutem , jak kąt pomiędzy występem danego kierunku na płaszczyznę odniesienia, a ustalony kierunek odniesienia (np. północ lub wschód) na tej płaszczyźnie z określonym znakiem (zgodnie lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara). ${\displaystyle (\theta,\phi)}$${\displaystyle \theta}$${\displaystyle \phi}$

Rozkład mocy wyjściowej w funkcji możliwych kierunków jest określony przez jej natężenie promieniowania (w jednostkach SI : waty na steradian, W⋅sr- ¹ ). Moc wyjściowa jest uzyskiwana z natężenia promieniowania poprzez całkowanie tego ostatniego we wszystkich kątach bryłowych : ${\displaystyle (\theta,\phi)}$ ${\displaystyle U(\theta,\phi)}$${\ Displaystyle d \ Omega = \ cos \ theta \ d \ theta \ d \ phi }$

${\ Displaystyle P_ {o} = \ int _ {- \ pi } ^ {\ pi} \ int _ {- \ pi /2} ^ {\ pi /2} U (\ theta, \ phi ) \ d \ Omega =\int _{-\pi }^{\pi }\int _{-\pi /2}^{\pi /2}U(\theta ,\phi )\cos \theta \,d\theta \ ,d\fi .}$

Średnią intensywność promieniowania jest więc podaje ${\displaystyle {\overline {U}}}$

${\ Displaystyle {\ overline {U}} = {\ Frac {P_ {o}} {4 \ pi}} ~~}$   ponieważ w sferze jest 4π steradian

      ${\ Displaystyle = {\ Frac {\ epsilon _ {antena} \ cdot P_ {w}} {4 \ pi}}}$   przy użyciu pierwszej formuły dla .${\displaystyle P_{o}}$

Wzmocnienie kierunkowe lub kierunkowość anteny w danym kierunku jest stosunkiem jej natężenia promieniowania w tym kierunku do jego średniego natężenia promieniowania . To jest, ${\displaystyle D(\theta,\phi)}$${\displaystyle U(\theta,\phi)}$${\displaystyle {\overline {U}}}$

${\ Displaystyle D (\ theta, \ phi ) = {\ Frac {U (\ theta, \ phi )} {\ overline {U}}}.}$

Antena izotropowa, czyli taka o takim samym natężeniu promieniowania we wszystkich kierunkach, ma zatem kierunkowość D = 1 we wszystkich kierunkach, niezależnie od jej wydajności. Bardziej ogólnie, maksymalna, minimalna i średnia kierunkowość każdej anteny wynosi zawsze co najmniej 1, najwyżej 1 i dokładnie 1. Dla dipola półfalowego odpowiednie wartości wynoszą 1,64 (2,15 dB ), 0 i 1.

Gdy kierunkowość anteny podawana jest niezależnie od kierunku, odnosi się ona do jej maksymalnej kierunkowości w dowolnym kierunku, a mianowicie ${\ Displaystyle D}$

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

Osiągać

Zysk mocy lub po prostu zysk anteny w danym kierunku uwzględnia sprawność, będąc zdefiniowanym jako stosunek jej natężenia promieniowania w tym kierunku do średniego natężenia promieniowania doskonale sprawnej anteny. Ponieważ ta ostatnia równa się , jest zatem dana przez ${\displaystyle G(\theta,\phi)}$${\displaystyle U(\theta,\phi)}$${\ Displaystyle P_ {w}/4 \ pi}$

${\ Displaystyle G (\ theta, \ phi ) = {\ Frac {U (\ theta, \ phi )} {P_ {w} / 4 \ pi}}}$

                ${\ Displaystyle = \ epsilon _ {antena} \ cdot {\ Frac {U (\ theta, \ phi )} {\ overline {U}}}}$   używając drugiego równania dla ${\displaystyle {\overline {U}}}$

                ${\ Displaystyle = \ epsilon _ {antena} \ cdot D (\ theta, \ phi)}$   używając równania dla ${\displaystyle D(\theta,\phi).}$

Podobnie jak w przypadku kierunkowości, gdy zysk anteny jest podawany niezależnie od kierunku, odnosi się do maksymalnego wzmocnienia w dowolnym kierunku. Ponieważ jedyną różnicą między wzmocnieniem a kierunkowością w dowolnym kierunku jest stały czynnik niezależny od i , otrzymujemy podstawową formułę tej sekcji: ${\ Displaystyle G}$${\ Displaystyle \ epsilon _ {antena}}$${\displaystyle \theta}$${\displaystyle \phi}$

${\ Displaystyle G = \ epsilon _ {antena} \ cdot D.}$

Streszczenie

Jeśli tylko pewna część energii elektrycznej odbieranej z nadajnika jest faktycznie wypromieniowywana przez antenę (tj. mniej niż 100% wydajności), wtedy wzmocnienie dyrektywy porównuje moc wypromieniowaną w danym kierunku z tą zmniejszoną mocą (zamiast całkowitej mocy otrzymane), ignorując nieefektywność. Kierunkowość jest zatem maksymalnym wzmocnieniem kierunkowym, gdy bierze się pod uwagę wszystkie kierunki i zawsze wynosi co najmniej 1. Z drugiej strony, zysk mocy uwzględnia gorszą sprawność poprzez porównanie mocy promieniowanej w danym kierunku z rzeczywistą mocą, którą antena odbiera z nadajnika, co czyni ją bardziej użyteczną wartością wkładu anteny w zdolność nadajnika do wysyłania fali radiowej w kierunku odbiornika. W każdym kierunku zysk energetyczny anteny izotropowej jest równy sprawności, a więc zawsze wynosi co najwyżej 1, chociaż może i najlepiej powinien przekraczać 1 dla anteny kierunkowej .

Należy zauważyć, że w przypadku niedopasowania impedancji , P _in będzie obliczane jako moc padająca linii transmisyjnej minus moc odbita. Lub równoważnie, jeśli chodzi o napięcie skuteczne V na zaciskach antenowych:

${\ Displaystyle P_ {w} = V ^ {2} \ cdot {\ tekst {Re}} \ lewo \ lbrace {\ Frac {1} {Z_ {w}}} \ prawej \ rbrace}$

gdzie Z _w jest impedancją punktu zasilania .

Zysk w decybelach

Opublikowane liczby dotyczące zysku anteny są prawie zawsze wyrażane w decybelach (dB), w skali logarytmicznej. Ze współczynnika wzmocnienia G można znaleźć wzmocnienie w decybelach jako:

${\ Displaystyle G_ {dBi} = 10 \ cdot \ log _ {10} \ lewo (G \ po prawej).}$

Dlatego antena o szczytowym wzmocnieniu mocy 5 powinna mieć zysk 7 dBi. dBi jest używane, a nie tylko dB, aby podkreślić, że jest to wzmocnienie zgodnie z podstawową definicją, w której antena jest porównywana z promiennikiem izotropowym.

Kiedy rzeczywiste pomiary wzmocnienia anteny są wykonywane przez laboratorium, natężenie pola anteny testowej jest mierzone, gdy dostarczana jest, powiedzmy, 1 wat mocy nadajnika, w pewnej odległości. To natężenie pola jest porównywane z natężeniem pola znalezionym przy użyciu tak zwanej anteny referencyjnej w tej samej odległości odbierającej tę samą moc w celu określenia wzmocnienia testowanej anteny. Stosunek ten byłby równy G, gdyby antena odniesienia była promiennikiem izotropowym (irad).

Jednak nie można zbudować prawdziwego promiennika izotropowego, dlatego w praktyce stosuje się inną antenę. Często będzie to dipol półfalowy, bardzo dobrze zrozumiała i powtarzalna antena, którą można łatwo zbudować dla dowolnej częstotliwości. Wiadomo, że wzmocnienie dyrektywne dipola półfalowego wynosi 1,64 i można sprawić, że będzie on sprawny prawie w 100%. Ponieważ wzmocnienie zostało zmierzone w odniesieniu do tej anteny odniesienia, różnica w wzmocnieniu anteny testowej jest często porównywana z różnicą w dipolu. Wzmocnienie w stosunku do dipola jest więc często cytowane i oznaczane za pomocą dBd zamiast dBi, aby uniknąć pomyłek. Dlatego w kategoriach wzmocnienia rzeczywistego (w stosunku do promiennika izotropowego) G, ta wartość wzmocnienia jest dana wzorem:

${\ Displaystyle G_ {dBd} = 10 \ cdot \ log _ {10} \ lewo ({\ Frac {G} {1,64}} \ po prawej).}$

Na przykład powyższa antena o wzmocnieniu G=5 miałaby wzmocnienie w stosunku do dipola 5/1,64 = 3,05, lub w decybelach nazwalibyśmy to 10 log(3,05) = 4,84 dBd. Ogólnie:

${\ Displaystyle G_ {dBd} = G_ {dBi} -2,15 dB}$

W powszechnym użyciu są zarówno dBi, jak i dBd. Gdy maksymalne wzmocnienie anteny jest określone w decybelach (na przykład przez producenta) należy mieć pewność, czy chodzi o wzmocnienie w stosunku do promiennika izotropowego, czy w stosunku do dipola. Jeśli określa dBi lub dBd, nie ma dwuznaczności, ale jeśli określono tylko dB, należy sprawdzić drobnym drukiem. Obie figury można łatwo przekształcić w drugą, korzystając z powyższej zależności.

Zauważ, że rozważając charakterystykę kierunkową anteny, zysk w odniesieniu do dipola nie oznacza porównania wzmocnienia anteny w każdym kierunku do wzmocnienia dipola w tym kierunku. Jest to raczej porównanie wzmocnienia anteny w każdym kierunku do szczytowego wzmocnienia dipola (1,64). Dlatego w dowolnym kierunku takie liczby są o 2,15 dB mniejsze niż wzmocnienie wyrażone w dBi.

Częściowy zysk

Wzmocnienie częściowe jest obliczane jako wzmocnienie mocy, ale dla określonej polaryzacji . Definiuje się ją jako część natężenia promieniowania odpowiadającego danej polaryzacji podzielona przez całkowite natężenie promieniowania anteny izotropowej. ${\ Displaystyle U}$

Częściowe zyski w składnikach i są wyrażone jako ${\displaystyle \theta}$${\displaystyle \phi}$

${\ Displaystyle G_ {\ theta} = 4 \ pi \ lewo ({\ Frac {U_ {\ theta}}} {P_ {\ operatorname {w}}}} \ prawej)}$

oraz

${\ Displaystyle G_ {\ phi } = 4 \ pi \ lewo ({\ Frac {U_ {\ phi}} {P_ {\ operatorname {w}}}} \ prawej)}$,

gdzie i reprezentują natężenie promieniowania w danym kierunku zawarte w ich odpowiedniej składowej pola. ${\displaystyle U_{\theta}}$${\displaystyle U_{\phi}}$${\ Displaystyle E}$

W wyniku tej definicji możemy stwierdzić, że całkowity zysk anteny jest sumą zysków częściowych dla dowolnych dwóch polaryzacji ortogonalnych.

${\ Displaystyle G = G_ {\ theta} + G_ {\ phi}}$

Przykładowe obliczenia

Załóżmy, że bezstratna antena ma charakterystykę promieniowania podaną przez:

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

Znajdźmy zysk takiej anteny.

Rozwiązanie :

Najpierw znajdujemy szczytową intensywność promieniowania tej anteny:

${\ Displaystyle U_ {\ operatorname {max}} = B_ {0}}$

Całkowitą moc promieniowania można znaleźć, całkując we wszystkich kierunkach:

${\ Displaystyle P_ {\ operatorname {rad}} = \ int _ {0} ^ {2 \ pi} \ int _ {0} ^ {\ pi} U (\ theta, \ phi) \ grzech (\ theta) \ ,d\theta \,d\phi =2\pi B_{0}\int _{0}^{\pi }\sin ^{4}(\theta )\,d\theta =B_{0}\left ({\frac {3\pi ^{2}}{4}}\prawo)}$

${\ Displaystyle D = 4 \ pi \ lewo ({\ Frac {U_ {\ operatorname {max}}} {P_ {\ operatorname {rad}}}} \ prawej) = 4 \ pi \ lewo [{\ Frac {B_ {0}}{B_{0}\left({\frac {3\pi ^{2}}{4}}\right)}}\right]={\frac {16}{3\pi }}= 1.698}$

Ponieważ antena jest określona jako bezstratna, wydajność promieniowania wynosi 1. Maksymalny zysk jest wtedy równy:

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

${\ Displaystyle G_ {dBi} = 10 \ \ log _ {10} (1,698) = 2,30 \ \ operatorname {dBi}}$

Wyrażone w stosunku do wzmocnienia dipola półfalowego znaleźlibyśmy:

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

Zrealizowany zysk

Zgodnie z normą IEEE 145-1993 zrealizowany zysk różni się od powyższych definicji wzmocnienia tym, że jest „zmniejszony o straty spowodowane niedopasowaniem impedancji wejściowej anteny do określonej impedancji”. To niedopasowanie powoduje straty powyżej strat dyssypatywnych opisanych powyżej; dlatego zrealizowany zysk będzie zawsze mniejszy niż zysk.

Zysk może być wyrażony jako zysk bezwzględny, jeśli wymagane jest dalsze wyjaśnienie w celu odróżnienia go od zysku zrealizowanego.

Całkowita moc promieniowania

Całkowita moc wypromieniowana (TRP) jest sumą całej mocy RF wypromieniowanej przez antenę, gdy moc źródła jest uwzględniona w pomiarze. TRP wyraża się w watach lub odpowiednich wyrażeniach logarytmicznych, często dBm lub dBW.

Podczas testowania urządzeń mobilnych TRP można mierzyć w bliskiej odległości od strat pochłaniających energię, takich jak ciało i ręka użytkownika.

TRP można wykorzystać do określenia utraty ciała (BoL). Utrata ciała jest traktowana jako stosunek TRP mierzonego w obecności ubytków i TRP mierzonego w wolnej przestrzeni.

Zobacz też

• Antena
• Pomiar anteny
• Obszar efektywny anteny
• Kardioidalny

Bibliografia

Bibliografia

• Teoria anteny (3rd edition), C. Balanis, Wiley, 2005, ISBN  0-471-66782-X
• Antena do wszystkich zastosowań (3rd edition), John D. Kraus, Ronald J. Marhefka, 2002, ISBN  0-07-232103-2

 Ten artykuł zawiera  materiał z domeny publicznej z dokumentu General Services Administration : „Federal Standard 1037C” .(na poparcie MIL-STD-188 )