Figur 1. Fjernstråle- og sidelobeområder brugt til at definere antennestråleeffektivitet.
Hvad er antennestråleeffektivitet?
Antennestråleeffektivitet, også kaldet fjernstråleeffektivitet, er den del af en antennes samlede udstrålede effekt, der falder inden for et defineret fjernstråleområde. Det besvarer et praktisk designspørgsmål: hvor meget af den tilgængelige stråling er koncentreret mod den tilsigtede vinkelsektor i stedet for at blive fordelt i sidelober og bagloben?
For en modtageantenne tillader reciprocitet at betragte den samme idé som den andel af modtaget effekt, der opsamles gennem hovedstrålen, når det omgivende felt og polarisationsforholdene er defineret ensartet. Stråleeffektivitet er derfor særligt nyttig i radar, radiometri, satellitforbindelser, punkt-til-punkt-mikrobølgesystemer og antennemåling, hvor energi, der ankommer fra eller afgår i uønskede retninger, kan reducere nøjagtigheden eller øge interferensen.
I figur 1 er hovedloben centreret på z-aksen. Hvis keglevinklen θ1markerer det første nulpunkt eller en anden eksplicit specificeret hovedstrålegrænse, beregnes stråleeffektiviteten ved at integrere effektmønsteret inde i denne kegle og dividere det med den effekt, der er integreret over det komplette strålingsmønster.
Formel for antennestråleeffektivitet
Brug af det normaliserede potensmønster Pn(θ,φ), det generelle udtryk for stråleeffektivitet er vist nedenfor:
Tælleren repræsenterer effekten indeholdt i den valgte fjernstråles rumvinkel, ΩMBNævneren repræsenterer den samlede udstrålede effekt integreret over 4π steradianer. Den resulterende værdi, ηB, er dimensionsløs og rapporteres normalt som en procentdel.
- Pn(θ,φ)er det normaliserede effektmønster. Hvis der anvendes målte elektriske feltdata, er det tilsvarende effektled proportionalt med |E|2.
- ΩMBer det specificerede fjernstråleområde, ofte afgrænset af de første nuller eller af en defineret keglevinkel.
- θ og φer elevations- og azimutkoordinaterne, der bruges til at beskrive det fulde strålingsmønster.
Hovedstrålegrænsen skal altid angives sammen med resultatet. To laboratorier kan opnå forskellige numeriske værdier fra det samme mønster, hvis det ene integrerer til det første nulpunkt, mens det andet bruger en fast vinkelkegle. For en tilnærmelsesvis rotationssymmetrisk blyantstråle kan integrationen forenkles som vist i det næste udtryk.
Hvordan måles antennestråleeffektivitet?
Stråleeffektivitet opnås ud fra strålingsmønsterdata snarere end fra en enkelt boresight-aflæsning. Et kalibreret fjernfeltområde, et kompakt antennetestområde eller et nærfeltsystem med en valideret fjernfelttransformation kan anvendes. For fasede arrays bør målingen gentages for hver krævet stråletilstand, frekvens og polarisering, fordi scanning og amplitude- eller fasefejl kan omfordele effekten til sidelober.
- Mål strålingsmønsteretover tilstrækkelig vinkeldækning til at omfatte fjernlyset, sidelober og baglob.
- Konverter det målte felt til et potensmønsterog anvende den samme normalisering på hver vinkelprøve.
- Definer fjernlysgrænsen, såsom den første nulkontur eller en specificeret keglevinkel.
- Integrer kraften inden for den grænseog divider det med den integrerede potens over det komplette mønster.
- Rapportér testbetingelserne, herunder frekvens, polarisering, stråletilstand, vinkelopløsning og randdefinition.
Et par todimensionelle E-plan- og H-plan-snit kan vise strålebredde og sidelobeadfærd, men det giver normalt ikke en komplet tredimensionel stråleeffektivitetsværdi, medmindre rotationssymmetri er blevet begrundet. Fuldsfære- eller tilstrækkeligt komplette mønsterdata giver et mere forsvarligt resultat. Lær mere om RF MISO'er.antennetestningsmuligheder.
Stråleeffektivitet vs. andre termer for antenneeffektivitet
Stråleeffektivitet vs. strålingseffektivitet
Strålingseffektivitetsammenligner udstrålet effekt med den effekt, som antennen accepterer, og afspejler derfor leder- og dielektriske tab.Stråleeffektivitetbeskriver, hvor den udstrålede effekt går hen. En antenne kan have et lavt internt tab, men stadig have en moderat stråleeffektivitet, hvis der optræder betydelig effekt i sidelober eller bagloben.
Stråleeffektivitet vs. retningsvirkning og forstærkning
Retningsbestemthedbeskriver peakkoncentrationen af strålingsmønsteret i forhold til en isotropisk radiator. Forstærkning kombinerer retningsbestemmelse med strålingseffektivitet, mens realiseret forstærkning også tager højde for impedansmismatch. Stråleeffektiviteten er anderledes, fordi den integrerer effekt på tværs af et vinkelområde i stedet for kun at evaluere peakretningen.
Stråleeffektivitet vs. strålebredde
Halv effektstrålebredde er vinkelbredden mellem -3 dB-punkterne i hovedloben. En smal stråle ledsager ofte høj retningsvirkning, men det beviser ikke i sig selv høj stråleeffektivitet. Et mønster kan have en smal top og stadig sende betydelig energi ind i sidelober. Strålebredde og sidelobeniveau skal derfor gennemgås sammen med den integrerede stråleeffektivitetsværdi.
Hvad styrer antennestråleeffektiviteten?
1. Sidelob- og baglobniveauer
Strøm uden for det valgte fjernstråleområde reducerer direkte strålens effektivitet. Høje sidelober kan skyldes diskontinuiteter i blænden, afstand mellem arrays, amplitudefejl eller en belysningsprofil, der ikke er optimeret til det ønskede mønster. Modstråling og spredning fra nærliggende strukturer kan have en lignende effekt.
2. Blændebelysning og amplitudekonus
Aperturantenner og -arrays bruger en amplitudefordeling på tværs af den udstrålende apertur. En næsten ensartet fordeling kan producere en smal hovedstråle og høj retningsvirkning, men den kan også producere forholdsvis høje sidelober. Anvendelse af en amplitudekonus kan undertrykke sidelober og placere mere af den samlede mønstereffekt i det ønskede område, selvom overdreven konus kan udvide hovedstrålen og reducere peak gain eller apertureffektivitet. Den bedste indstilling er derfor en applikationsspecifik afvejning.
3. Foderoverløb og strukturel blokering
I en reflektorantenne spildes energi, der ikke rammer reflektoren, over og bidrager ikke til den ønskede hovedstråle. Tilførselsstøtter, en subreflektor eller hardware i nærheden kan også blokere eller sprede en del af aperturfeltet. Korrekt valg af tilførsel, fokuspositionering og mekanisk justering hjælper med at kontrollere disse tab og uønskede lapper.
4. Fase-, amplitude- og overfladefejl
Faseubalance mellem array-elementer, ulige fødetab, fremstillingstolerance, reflektoroverfladefejl og radomeforvrængning kan flytte energi væk fra den tilsigtede stråle. Disse effekter bliver normalt vigtigere, efterhånden som frekvensen stiger, fordi en fast dimensionel fejl repræsenterer en større brøkdel af en bølgelængde.
5. Polariseringsrenhed
Nogle definitioner af stråleeffektivitet inkluderer kun effekt i den ønskede polarisering. Krydspolariseret stråling inden for eller uden for hovedstrålen kan derefter reducere den rapporterede værdi. Polarisering bør specificeres konsekvent i simulering, måling og systemkrav.
Stråleeffektivitet, strålebredde og båndbredde er forskellige
Stråleeffektiviteter et integreret vinkeleffektforhold.Strålebreddebeskriver hovedlobens vinkelbredde på et angivet niveau, almindeligvis halveffekt- eller -3 dB-punkterne.Antennebåndbreddebeskriver det frekvensområde, hvor de valgte krav er opfyldt. Disse parametre påvirker hinanden, men de er ikke udskiftelige.
Et design kan opretholde en acceptabel VSWR over et bredt frekvensområde, mens dets stråleretning, sidelobeniveau eller stråleeffektivitet ændrer sig væsentligt nær båndkanterne. Mønsterets ydeevne bør derfor verificeres ved flere frekvenser snarere end udledes udelukkende fra impedansbåndbredden. For en detaljeret behandling af frekvensområdedefinitioner, seAntennebåndbredde.
Hvordan kan stråleeffektiviteten forbedres?
- Vælg en aperturkonus, der balancerer sidelobeundertrykkelse, fjernstrålebredde og forstærkning.
- Optimer reflektorens tilførselsposition, kantbelysning og spillover.
- Brug passende elementafstand og præcis amplitude- eller fasekontrol i arrays for at undgå gitterlober.
- Reducer blokering, spredning af kabler og uønsket interaktion med monteringsstrukturen eller radomen.
- Kontroller bearbejdningstolerancer, overfladenøjagtighed og justering ved den højeste driftsfrekvens.
- Verificer kopolære og krydspolære mønstre på tværs af hele driftsbåndet og alle nødvendige stråletilstande.
Hvor er fjernlysets effektivitet mest vigtig?
Høj stråleeffektivitet er særligt værdifuld, når strøm eller modtaget energi skal begrænses til en veldefineret retning. Typiske eksempler omfatter målsporings- og billeddannelsesradar, satellitkommunikationsforbindelser, radioastronomi og radiometri, punkt-til-punkt-mikrobølgeforbindelser, reflektor-fødesystemer, kalibreringsantenner og elektronisk styrede antennesystemer.
Der findes ingen universel stråleeffektivitetsprocent, der er korrekt for alle antenner. Et nyttigt krav skal angive driftsfrekvens, polarisering, stråletilstand og vinkelgrænse, sammen med acceptabel sidelobe- og backlobe-adfærd. Dette gør leverandørdata, simulering og målte resultater direkte sammenlignelige.
Hvad skal købere kontrollere i et antennedatablad?
Når strålekontrol er vigtig, må en antenne ikke evalueres udelukkende ud fra peak gain. Spørg producenten, hvilke mønsterdata og testbetingelser der er tilgængelige for den nøjagtige model og frekvensområde.
- Driftsfrekvensområde og de frekvenser, der anvendes til mønstermålinger
- Forstærkning, halv effektstrålebredde og første sidelobeniveau versus frekvens
- Kopolære og krydspolære strålingsmønstre i de nødvendige planer eller over en sfærisk scanning
- Den vinkelgrænse og polarisering, der bruges til at beregne stråleeffektiviteten, når denne værdi er angivet
- VSWR, stik- eller bølgeledergrænseflade, effekthåndtering og miljøkrav
- Mekaniske tolerancer, monteringsarrangement og enhver radome- eller reflektortilførselskonfiguration
RF MISO mikrobølgeantenneløsninger
RF MISO leverer mikrobølge- og millimeterbølgeantenner til måling, radar, kommunikation og systemintegration. Relevante produktfamilier omfatterStandardforstærkningshornantenner, reflektorantennerogarray-antennerModelspecifikke specifikationer og tilgængelige testdata bør gennemgås i forhold til den krævede frekvens, polarisering, forstærkning og mønsterydelse.
For valg af antenne eller et tilpasset krav,kontakt RF MISO at info@rf-miso.com.
Opslagstidspunkt: 12. juli 2024
