Directivitate - Directivity

Diagrama care arată directivitatea: cea mai mare densitate de putere a acestei antene este în direcția lobului roșu

În electromagnetică , directivitatea este un parametru al unei antene sau al unui sistem optic care măsoară gradul în care radiația emisă este concentrată într-o singură direcție. Măsoară densitatea de putere pe care antena o radiază în direcția celei mai puternice emisii, comparativ cu densitatea de putere radiată de un radiator izotrop ideal (care emite uniform în toate direcțiile) care radiază aceeași putere totală.

Directivitatea unei antene este o componentă a câștigului acesteia ; cealaltă componentă este eficiența sa (electrică) . Directivitatea este o măsură importantă, deoarece multe antene și sisteme optice sunt proiectate pentru a radia unde electromagnetice într-o singură direcție sau într-un unghi îngust. Directivitatea este, de asemenea, definită pentru o antenă care recepționează unde electromagnetice, iar directivitatea acesteia la recepție este egală cu directivitatea sa la transmisie.

Directivitatea unei antene reale poate varia de la 1,76 dBi pentru un dipol scurt până la 50 dBi pentru o antenă mare .

Definiție

Diagrama care ilustrează modul în care este definită directivitatea. Arată modelul de radiație al unei antene direcționale (R, gri) care radiază putere maximă de-a lungul axei Z și modelul unei antene izotrope (R _iso , verde) cu aceeași putere radiată totală. Directivitatea este definită ca raportul dintre puterea maximă a semnalului S radiată de antenă și puterea semnalului S _iso radiat de antena izotropă Deoarece antena direcțională radiază cea mai mare parte a puterii sale într-un mic unghi solid în jurul axei Z este semnalul maxim puterea este mult mai mare decât antena izotropă care răspândește aceeași putere în toate direcțiile. Astfel, directivitatea este mult mai mare decât una.
${\ displaystyle G = {S \ over S _ {\ text {iso}}}}$
${\ displaystyle G}$

Parte dintr- o serie pe
Antene
Tipuri comune Dipol Fractal Buclă Monopol Antenă de satelit Televiziune Bici
Componente Balun Blocați convertorul Cablu coaxial Contrapoise (sistem de sol) A hrani Linia de alimentare Convertor de blocare cu zgomot redus Radiator pasiv Receptor Rotator Ciot Transmiţător Tuner Twin-lead
Sisteme Ferma antena Radio amator Rețea celulară Hotspot Rețea fără fir municipală Radio Stâlpi și turnuri radio Wifi Fără fir
Siguranță și reglementare Radiații și sănătate ale dispozitivelor fără fir Dispozitive electronice fără fir și sănătate Uniunea Internațională a Telecomunicațiilor ( Reglementări Radio ) Conferința mondială de radiocomunicații
Surse / regiuni de radiații Boresight Nor focal Avion pe pamant Lobul principal Câmp apropiat și îndepărtat Lobul lateral Plan vertical
Caracteristici Câștig de matrice Directivitate Eficienţă Lungimea electrică Raza echivalentă Factor Ecuația transmisiei Friis Câştig Înălţime Model de radiații Rezistența la radiații Propagarea radio Spectrul radio Raport semnal-zgomot Emisiune falsă
Tehnici Direcția fasciculului Inclinarea fasciculului Beamforming Celula mică Laboratoarele Bell Bell -Space-Time stratificat (BLAST) Massive multiple input-output multiple (MIMO) Reconfigurare Răspândiți spectrul Acces multiplu al diviziunii spațiale pe bandă largă (WSDMA)
v t e

Directivitate , a unei antene este valoarea maximă a acesteia câștig de directivă . Câștigul directiv este reprezentat ca și compară intensitatea radiantă (puterea pe unitatea de unghi solid ) pe care o antenă o creează într-o anumită direcție în raport cu valoarea medie pe toate direcțiile: ${\ displaystyle D}$${\ displaystyle D (\ theta, \ phi)}$${\ displaystyle U (\ theta, \ phi)}$

${\ displaystyle D (\ theta, \ phi) = {\ frac {U (\ theta, \ phi)} {P _ {\ text {tot}} / \ left (4 \ pi \ right)}}.}$

Iată și sunt unghiul zenit și respectiv unghiul azimutului în unghiurile standard de coordonate sferice ; este intensitatea radiației , care este puterea pe unitate de unghi solid; și este puterea totală radiată. Cantitățile și satisfac relația ${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle \ phi}$${\ displaystyle U (\ theta, \ phi)}$${\ displaystyle P _ {\ text {tot}}}$${\ displaystyle U (\ theta, \ phi)}$${\ displaystyle P _ {\ text {tot}}}$

${\ displaystyle P _ {\ text {tot}} = \ int _ {\ phi = 0} ^ {\ phi = 2 \ pi} \ int _ {\ theta = 0} ^ {\ theta = \ pi} U \ sin \ theta \, d \ theta \, d \ phi;}$

adică puterea totală radiată este puterea pe unitate de unghi solid integrat pe o suprafață sferică. Deoarece pe suprafața unei sfere există 4π steradieni , cantitatea reprezintă puterea medie pe unitate de unghi solid. ${\ displaystyle P _ {\ text {tot}}}$${\ displaystyle U (\ theta, \ phi)}$${\ displaystyle P _ {\ text {tot}} / (4 \ pi)}$

Cu alte cuvinte, câștigul directiv este intensitatea radiației unei antene la o anumită combinație de coordonate împărțită la ceea ce ar fi fost intensitatea radiației dacă antena ar fi fost o antenă izotropă care radiază aceeași cantitate de putere totală în spațiu. ${\ displaystyle (\ theta, \ phi)}$

Directivitatea , deci, este valoarea maximă a câștigului directiv găsit printre toate unghiurile solide posibile:

${\ displaystyle {\ begin {align} D & = \ max \ left ({\ frac {U} {P _ {\ text {tot}} / \ left (4 \ pi \ right)}} \ right) \\ & = {\ frac {\ left.U (\ theta, \ phi) \ right | _ {\ text {max}}} {{\ frac {1} {4 \ pi}} \ int _ {0} ^ {2 \ pi} \ int _ {0} ^ {\ pi} U (\ theta, \ phi) \ sin \ theta \, d \ theta \, d \ phi}}. \ end {align}}}$

Cuvântul directivitate este de asemenea folosit uneori ca sinonim pentru câștig directiv. Această utilizare este ușor de înțeles, deoarece direcția va fi specificată sau dependența direcțională implicată. Edițiile ulterioare ale Dicționarului IEEE susțin în mod specific această utilizare; cu toate acestea, acesta nu a fost încă adoptat universal.

În rețelele de antene

Într-o matrice de antene (un set de antene multiple identice care funcționează împreună ca o singură antenă), directivitatea întregii matrice este suma multiplicativă a funcției de directivitate a antenei individuale cu o expresie matematică cunoscută sub numele de factor de matrice , care depinde de obicei de locația, excitația și faza fiecărui element de antenă. Funcția generală de directivitate este dată de ${\ displaystyle AF}$

${\ displaystyle D _ {\ text {array}} (\ theta, \ phi) = {\ mathit {| AF |}} ^ {2} \ times D (\ theta, \ phi)}$,

unde este directivitatea unui singur element. Acest termen de element unic este uneori denumit model de element . ${\ displaystyle D (\ theta, \ phi)}$

Relația cu lățimea fasciculului

Unghiul solid al fasciculului , reprezentat ca fiind , este definit ca unghiul solid prin care ar circula toată puterea dacă intensitatea radiației antenei ar fi constantă la valoarea sa maximă. Dacă unghiul solid al fasciculului este cunoscut, atunci directivitatea maximă poate fi calculată ca ${\ displaystyle \ Omega _ {A}}$

${\ displaystyle D = {\ frac {4 \ pi} {\ Omega _ {A}}},}$

care calculează pur și simplu raportul dintre unghiul solid al fasciculului și unghiul solid al unei sfere.

Unghiul solid al fasciculului poate fi aproximat pentru antenele cu un lob major îngust și lobi minori foarte neglijabili prin simpla multiplicare a lățimilor fasciculului de jumătate de putere (în radiani) în două planuri perpendiculare. Lățimea fasciculului de jumătate de putere este pur și simplu unghiul în care intensitatea radiației este de cel puțin jumătate din intensitatea maximă a radiației.

Aceleași calcule pot fi efectuate în grade, mai degrabă decât în ​​radiani:

${\ displaystyle D \ approx 4 \ pi {\ frac {({\ frac {180} {\ pi}}) ^ {2}} {\ Theta _ {1d} \ Theta _ {2d}}} = {\ frac {41253} {\ Theta _ {1d} \ Theta _ {2d}}},}$

unde este lățimea fasciculului de jumătate de putere într-un plan (în grade) și este lățimea fasciculului de jumătate de putere într-un plan în unghi drept față de celălalt (în grade). ${\ displaystyle \ Theta _ {1d}}$${\ displaystyle \ Theta _ {2d}}$

În matricile plane, o aproximare mai bună este

${\ displaystyle D \ approx {\ frac {32400} {\ Theta _ {1d} \ Theta _ {2d}}}.}$

Pentru o antenă cu un fascicul conic (sau aproximativ conic) cu o lățime a fasciculului de jumătate de putere , atunci calculul integral elementar dă o expresie a directivității ca ${\ displaystyle \ theta}$

${\ displaystyle D = {\ frac {2} {1-cos {\ frac {\ theta} {2}}}}}$.

Exprimarea în decibeli

Directivitatea este rar exprimată ca număr fără unitate, ci mai degrabă ca o comparație de decibeli cu o antenă de referință: ${\ displaystyle D}$

${\ displaystyle D _ {\ text {dB}} = 10 \ cdot \ log _ {10} \ left [{\ frac {D} {D _ {\ text {reference}}}} \ right].}$

Antena de referință este de obicei radiatorul izotrop perfect teoretic , care radiază uniform în toate direcțiile și, prin urmare, are o directivitate de 1. Calculul este, prin urmare, simplificat la

${\ displaystyle D _ {\ text {dBi}} = 10 \ cdot \ log _ {10} D.}$

O altă antenă comună de referință este dipolul teoretic perfect cu jumătate de undă , care radiază perpendicular pe sine cu o directivitate de 1,64:

${\ displaystyle D _ {\ text {dBd}} = 10 \ cdot \ log _ {10} \ left [{\ frac {D} {1.64}} \ right].}$

Contabilizarea polarizării

Când polarizarea este luată în considerare, pot fi calculate trei măsuri suplimentare:

Câștig directiv parțial

Câștigul directiv parțial este densitatea de putere într-o anumită direcție și pentru o anumită componentă a polarizării , împărțită la densitatea medie de putere pentru toate direcțiile și toate polarizările . Pentru orice pereche de polarizări ortogonale (cum ar fi stânga-circulară și dreapta-circulară), densitățile individuale de putere se adaugă pur și simplu pentru a da densitatea totală de putere. Astfel, dacă este exprimat mai degrabă ca raporturi adimensionale decât în ​​dB, câștigul total al directivei este egal cu suma celor două câștiguri parțiale ale directivei.

Directivitate parțială

Directivitatea parțială este calculată în același mod ca și câștigul directiv parțial, dar fără a lua în considerare eficiența antenei (adică presupunând o antenă fără pierderi). Este în mod similar aditiv pentru polarizările ortogonale.

Câștig parțial

Câștigul parțial este calculat în același mod ca și câștigul, dar luând în considerare doar o anumită polarizare. Este în mod similar aditiv pentru polarizările ortogonale.

În alte zone

Termenul de directivitate este folosit și cu alte sisteme.

Cu cuplajele direcționale , directivitatea este o măsură a diferenței în dB a puterii de ieșire la un port cuplat, atunci când puterea este transmisă în direcția dorită, la puterea de ieșire din același port cuplat atunci când aceeași cantitate de putere este transmisă în direcție opusă.

În acustică , este folosit ca o măsură a modelului de radiație dintr-o sursă, indicând cât din energia totală din sursă radiază într-o anumită direcție. În electroacustică, aceste tipare includ de obicei modele polare de microfon omnidirecțional, cardioid și hipercardioid. Se poate spune că un difuzor cu un grad ridicat de directivitate (model de dispersie îngust) are un Q ridicat .

Referințe

• Coleman, Christopher (2004). "Noțiuni de bază". O introducere în ingineria radiofrecvenței . Cambridge University Press. ISBN 0-521-83481-3.