Recepție semnal - Antenna gain

În electromagnetism , o antenă de câștig de putere sau pur și simplu câștig este un număr cheie de performanță care combină antena „s directivitate și eficiență electrică . Într-o antenă de transmisie, câștigul descrie cât de bine transformă antena puterea de intrare în unde radio îndreptate într-o direcție specificată. Într-o antenă de recepție, câștigul descrie cât de bine convertește antena undelor radio care sosesc dintr-o direcție specificată în energie electrică. Când nu este specificată nicio direcție, câștigul se înțelege ca referință la valoarea de vârf a câștigului, câștigul în direcția lobului principal al antenei . Un grafic al câștigului în funcție de direcție se numește model de câștig sau model de radiație .

Câștigul antenei este de obicei definit ca raportul dintre puterea produsă de antenă de la o sursă de câmp îndepărtat pe axa fasciculului antenei și puterea produsă de o antenă izotropă ipotetică fără pierderi , care este la fel de sensibilă la semnalele din toate direcțiile. De obicei, acest raport este exprimat în decibeli , iar aceste unități sunt denumite decibeli-izotrop (dBi). O definiție alternativă compară puterea primită cu puterea primită de o antenă dipol fără jumătate de undă , caz în care unitățile sunt scrise ca dBd . Deoarece o antenă dipol fără pierderi are un câștig de 2,15 dBi, relația dintre aceste unități este . Pentru o frecvență dată, aria efectivă a antenei este proporțională cu câștigul de putere. Lungimea efectivă a antenei este proporțională cu rădăcina pătrată a câștigului antenei pentru o anumită frecvență și rezistență la radiații . Datorită reciprocității , câștigul oricărei antene reciproce atunci când recepționează este egal cu câștigul său la transmisie. ${\ displaystyle \ mathrm {Gain (dBd)} = \ mathrm {Gain (dBi)} -2.15}$

Câștigul directiv sau directivitatea este o măsură diferită care nu ia în considerare eficiența electrică a antenei. Acest termen este uneori mai relevant în cazul unei antene de recepție în care cineva este preocupat în principal de capacitatea unei antene de a primi semnale dintr-o direcție, respingând în același timp semnalele de interferență provenite dintr-o direcție diferită.

Câștig de putere

Câștigul de putere (sau pur și simplu câștigul ) este o măsură fără unitate care combină eficiența și directivitatea antenei D : ${\ displaystyle \ epsilon _ {antenă}}$

{\ displaystyle G = \ epsilon _ {antenă} \ cdot D.}

Noțiunile de eficiență și directivitate depind de următoarele.

Eficienţă

Eficiența unei antene este puterea totală radiată împărțită la puterea de intrare la feedpoint ${\ displaystyle \ epsilon _ {antenă}}$ ${\ displaystyle P_ {o}}$

{\ displaystyle \ epsilon _ {antenna} = {P_ {o} \ peste P_ {în}}}

O antenă de transmisie este alimentată de o linie de alimentare , o linie de transmisie care conectează antena la un emițător radio . Puterea de intrare a antenei este definit în mod obișnuit pentru a fi puterea furnizată la terminalele ale antenei (The feedpoint ), astfel încât antena pierderile de putere nu includ pierderea de putere din cauza încălzirii Joule în linia de alimentare și reflecții înapoi în jos linia de alimentare din cauza antena linie / nepotriviri de impedanță . ${\ displaystyle P_ {in}}$

Teorema reciprocității electromagnetice garantează că proprietățile electrice ale unei antene, cum ar fi eficiența, directivitatea și câștigul, sunt aceleași atunci când antena este utilizată pentru recepție ca atunci când transmite.

Directivitate

Directivitatea unei antene este determinată de modelul său de radiație , modul în care puterea radiată este distribuită cu direcția în trei dimensiuni . Toate antenele sunt direcționale într-o măsură mai mare sau mai mică, ceea ce înseamnă că radiază mai multă putere în unele direcții decât altele. Direcția este specificată aici în coordonate sferice , unde este altitudinea sau unghiul deasupra unui plan de referință specificat (cum ar fi solul), în timp ce azimutul este unghiul dintre proiecția direcției date pe planul de referință și o direcție de referință specificată (cum ar fi nordul sau estul) în acel plan cu semnul specificat (fie în sensul acelor de ceasornic, fie în sens invers acelor de ceasornic). ${\ displaystyle (\ theta, \ phi)}$ ${\ displaystyle \ theta}$ ${\ displaystyle \ phi}$

Distribuția puterii de ieșire în funcție de direcțiile posibile este dată de intensitatea radiației sale (în unități SI : wați per steradian, W⋅sr ⁻¹ ). Puterea de ieșire se obține din intensitatea radiației prin integrarea acesteia din urmă în toate unghiurile solide : ${\ displaystyle (\ theta, \ phi)}$ ${\ displaystyle U (\ theta, \ phi)}$ ${\ displaystyle d \ Omega = \ cos \ theta \, d \ theta \, d \ phi}$

{\ 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 \ phi.}

Prin urmare, intensitatea medie a radiației este dată de ${\ displaystyle {\ overline {U}}}$

{\ displaystyle {\ overline {U}} = {\ frac {P_ {o}} {4 \ pi}} ~~}

întrucât există 4π steradieni într-o sferă

{\ displaystyle = {\ frac {\ epsilon _ {antenna} \ cdot P_ {in}} {4 \ pi}}}

folosind prima formulă pentru .

{\ displaystyle P_ {o}}

Câștigul directiv sau directivitatea unei antene într-o direcție dată este raportul dintre intensitatea radiației sale în acea direcție și intensitatea medie a radiației . Acesta este, ${\ displaystyle D (\ theta, \ phi)}$ ${\ displaystyle U (\ theta, \ phi)}$ ${\ displaystyle {\ overline {U}}}$

{\ displaystyle D (\ theta, \ phi) = {\ frac {U (\ theta, \ phi)} {\ overline {U}}}.}

O antenă izotropă, adică una cu aceeași intensitate a radiației în toate direcțiile, are deci directivitate, D = 1, în toate direcțiile, independent de eficiența sa. Mai general, directivitățile maxime, minime și medii ale oricărei antene sunt întotdeauna cel puțin 1, cel mult 1 și exact 1. Pentru dipolul cu jumătate de undă valorile respective sunt 1,64 (2,15 dB ), 0 și 1.

Când directivitatea unei antene este dată independent de direcție, aceasta se referă la directivitatea sa maximă în orice direcție, și anume ${\ displaystyle D}$

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

Câştig

Câștigul de putere sau pur și simplu câștigul unei antene într-o direcție dată ia în considerare eficiența, fiind definit ca raportul dintre intensitatea radiației sale în acea direcție și intensitatea medie a radiației unei antene perfect eficiente. Întrucât acesta din urmă este egal , este deci dat de ${\ displaystyle G (\ theta, \ phi)}$ ${\ displaystyle U (\ theta, \ phi)}$ ${\ displaystyle P_ {in} / 4 \ pi}$

{\ displaystyle G (\ theta, \ phi) = {\ frac {U (\ theta, \ phi)} {P_ {in} / 4 \ pi}}}

{\ displaystyle = \ epsilon _ {antenna} \ cdot {\ frac {U (\ theta, \ phi)} {\ overline {U}}}}

folosind a doua ecuație pentru

{\ displaystyle {\ overline {U}}}

{\ displaystyle = \ epsilon _ {antenă} \ cdot D (\ theta, \ phi)}

folosind ecuația pentru

{\ displaystyle D (\ theta, \ phi).}

La fel cu directivitatea, atunci când câștigul unei antene este dat independent de direcție, se referă la câștigul maxim în orice direcție. Deoarece singura diferență între câștig și directivitate în orice direcție este un factor constant de independent de și , obținem formula fundamentală a acestei secțiuni: ${\ displaystyle G}$ ${\ displaystyle \ epsilon _ {antenă}}$ ${\ displaystyle \ theta}$ ${\ displaystyle \ phi}$

{\ displaystyle G = \ epsilon _ {antenă} \ cdot D.}

rezumat

Dacă doar o anumită parte din puterea electrică primită de la transmițător este de fapt radiată de antenă (adică o eficiență mai mică de 100%), atunci câștigul directiv compară puterea radiată într-o direcție dată cu puterea redusă (în loc de puterea totală primit), ignorând ineficiența. Directivitatea este, prin urmare, câștigul maxim al directivei atunci când este preluată în toate direcțiile și este întotdeauna cel puțin 1. Pe de altă parte, câștigul de putere ia în considerare eficiența mai slabă prin compararea puterii radiate într-o direcție dată cu puterea reală pe care antena primește de la transmițător, ceea ce îl face o valoare mai utilă pentru contribuția antenei la capacitatea unui transmițător de a trimite o undă radio către un receptor. În toate direcțiile, câștigul de putere al unei antene izotrope este egal cu eficiența și, prin urmare, este întotdeauna cel mult 1, deși poate și ideal ar trebui să depășească 1 pentru o antenă direcțională .

Rețineți că, în cazul unei nepotriviri de impedanță , P _in ar fi calculat pe măsură ce puterea incidentă a liniei de transmisie minus puterea reflectată. Sau în mod echivalent, în ceea ce privește tensiunea RM V la bornele antenei:

{\ displaystyle P_ {in} = V ^ {2} \ cdot {\ text {Re}} \ left \ lbrace {\ frac {1} {Z_ {in}}} \ right \ rbrace}

unde Z _in este impedanța punctului de alimentare .

Câștigă în decibeli

Numerele publicate pentru câștigul antenei sunt aproape întotdeauna exprimate în decibeli (dB), o scară logaritmică. Din factorul de câștig G, se găsește câștigul în decibeli ca:

{\ displaystyle G_ {dBi} = 10 \ cdot \ log _ {10} \ left (G \ right).}

Prin urmare, o antenă cu un câștig de putere de vârf de 5 s-ar spune că are un câștig de 7 dBi. dBi este folosit mai degrabă decât doar dB pentru a sublinia că acesta este câștigul conform definiției de bază, în care antena este comparată cu un radiator izotrop.

Când măsurătorile reale ale câștigului unei antene sunt efectuate de un laborator, intensitatea câmpului antenei de testare este măsurată atunci când este furnizată cu, să zicem, 1 watt de putere a emițătorului, la o anumită distanță. Această intensitate a câmpului este comparată cu intensitatea câmpului găsită utilizând o așa-numită antenă de referință la aceeași distanță care primește aceeași putere pentru a determina câștigul antenei testate. Raportul respectiv ar fi egal cu G dacă antena de referință ar fi un radiator izotrop (irad).

Cu toate acestea, un adevărat radiator izotrop nu poate fi construit, deci în practică se utilizează o antenă diferită. Acesta va fi adesea un dipol cu jumătate de undă, o antenă foarte bine înțeleasă și repetabilă, care poate fi ușor construită pentru orice frecvență. Câștigul directiv al unui dipol cu jumătate de undă este cunoscut a fi de 1,64 și poate fi eficientizat cu aproape 100%. Deoarece câștigul a fost măsurat în raport cu această antenă de referință, diferența de câștig a antenei de testare este adesea comparată cu cea a dipolului. Câștigul relativ la un dipol este astfel adesea citat și este notat folosind dBd în loc de dBi pentru a evita confuzia. Prin urmare, în ceea ce privește câștigul real (relativ la un radiator izotrop) G, această cifră pentru câștig este dată de:

{\ displaystyle G_ {dBd} = 10 \ cdot \ log _ {10} \ left ({\ frac {G} {1.64}} \ right).}

De exemplu, antena de mai sus cu un câștig G = 5 ar avea un câștig față de un dipol de 5 / 1,64 = 3,05, sau în decibeli s-ar numi acest 10 log (3,05) = 4,84 dBd. În general:

{\ displaystyle G_ {dBd} = G_ {dBi} -2.15dB}

Atât dBi, cât și dBd sunt utilizate în mod obișnuit. Atunci când câștigul maxim al antenei este specificat în decibeli (de exemplu, de către un producător), trebuie să fie sigur dacă acest lucru înseamnă câștigul relativ la un radiator izotrop sau în raport cu un dipol. Dacă specifică dBi sau dBd, atunci nu există nicio ambiguitate, dar dacă este specificat doar dB, atunci trebuie consultată tipărirea fină. Oricare dintre figuri poate fi ușor convertită în cealaltă folosind relația de mai sus.

Rețineți că, atunci când se ia în considerare modelul direcțional al antenei, câștigul față de un dipol nu implică o comparație a câștigului antenei în fiecare direcție cu câștigul unui dipol în acea direcție. Mai degrabă, este o comparație între câștigul antenei în fiecare direcție și câștigul de vârf al dipolului (1,64). Prin urmare, în orice direcție, astfel de numere sunt cu 2,15 dB mai mici decât câștigul exprimat în dBi.

Câștig parțial

Câștigul parțial este calculat ca câștig de putere, dar pentru o anumită polarizare . Este definită ca parte a intensității radiației corespunzătoare unei polarizări date, împărțită la intensitatea totală a radiației unei antene izotrope. ${\ displaystyle U}$

Câștigurile parțiale din componentele și sunt exprimate ca ${\ displaystyle \ theta}$ ${\ displaystyle \ phi}$

{\ displaystyle G _ {\ theta} = 4 \ pi \ left ({\ frac {U _ {\ theta}} {P _ {\ mathrm {in}}}} \ right)}

și

{\ displaystyle G _ {\ phi} = 4 \ pi \ left ({\ frac {U _ {\ phi}} {P _ {\ mathrm {in}}}} \ right)}

,

unde și reprezintă intensitatea radiației într-o direcție dată conținută în componenta lor de câmp respectivă . ${\ displaystyle U _ {\ theta}}$ ${\ displaystyle U _ {\ phi}}$ ${\ displaystyle E}$

Ca rezultat al acestei definiții, putem concluziona că câștigul total al unei antene este suma câștigurilor parțiale pentru oricare două polarizări ortogonale.

{\ displaystyle G = G _ {\ theta} + G _ {\ phi}}

Exemplu de calcul

Să presupunem că o antenă fără pierderi are un model de radiație dat de:

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

Să găsim câștigul unei astfel de antene.

Soluție :

Mai întâi găsim intensitatea maximă a radiației acestei antene:

{\ displaystyle U _ {\ mathrm {max}} = B_ {0}}

Puterea totală radiată poate fi găsită prin integrarea în toate direcțiile:

{\ displaystyle P _ {\ mathrm {rad}} = \ int _ {0} ^ {2 \ pi} \ int _ {0} ^ {\ pi} U (\ theta, \ phi) \ sin (\ 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}} \ right)}

{\ displaystyle D = 4 \ pi \ left ({\ frac {U _ {\ mathrm {max}}} {P _ {\ mathrm {rad}}}} \ right) = 4 \ pi \ left [{\ frac {B_ {0}} {B_ {0} \ left ({\ frac {3 \ pi ^ {2}} {4}} \ right)}} \ right] = {\ frac {16} {3 \ pi}} = 1.698}

Deoarece antena este specificată ca fiind fără pierderi, eficiența radiației este 1. Câștigul maxim este apoi egal cu:

{\ displaystyle G = \ epsilon _ {antenă} \, D = (1) (1.698) = 1.698}

.

{\ displaystyle G_ {dBi} = 10 \, \ log _ {10} (1.698) = 2.30 \, \ mathrm {dBi}}

Exprimat relativ la câștigul unui dipol cu jumătate de undă am găsi:

{\ displaystyle G_ {dBd} = 10 \, \ log _ {10} (1.698 / 1.64) = 0.15 \, \ mathrm {dBd}}

.

Câștig realizat

Conform standardului IEEE 145-1993, câștigul realizat diferă de definițiile de câștig de mai sus prin faptul că este „redus de pierderile datorate nepotrivirii impedanței de intrare a antenei la o impedanță specificată”. Această nepotrivire induce pierderi peste pierderile disipative descrise mai sus; prin urmare, câștigul realizat va fi întotdeauna mai mic decât câștigul.

Câștigul poate fi exprimat ca câștig absolut dacă este necesară o clarificare suplimentară pentru a-l diferenția de câștigul realizat.

Puterea totală radiată

Puterea totală radiată (TRP) este suma tuturor puterii RF radiate de antenă atunci când puterea sursă este inclusă în măsurare. TRP este exprimat în wați sau în expresiile logaritmice corespunzătoare, adesea dBm sau dBW.

La testarea dispozitivelor mobile, TRP poate fi măsurat în apropierea pierderilor de absorbție a puterii, cum ar fi corpul și mâna utilizatorului.

TRP poate fi utilizat pentru a determina pierderea corpului (LB). Pierderea corporală este considerată raportul dintre TRP măsurat în prezența pierderilor și TRP măsurat în spațiu liber.

Vezi si

Referințe

Bibliografie

Teoria antenei (ediția a 3-a), de C. Balanis, Wiley, 2005, ISBN 0-471-66782-X
Antena pentru toate aplicațiile (ediția a 3-a), de John D. Kraus, Ronald J. Marhefka, 2002, ISBN 0-07-232103-2

Acest articol încorporează materiale din domeniul public din documentul Administrării serviciilor generale : „Standardul federal 1037C” .(în sprijinul MIL-STD-188 )

Languages

In other projects