Радиационная эффективность

В антенн теории эффективность излучения является мерой того, насколько хорошо радиоантенна преобразует радиочастотную мощность, принимаемую на ее терминалах, в излучаемую мощность. Аналогично, в приемной антенне он описывает долю мощности радиоволны, перехваченной антенной, которая фактически передается в виде электрического сигнала. Его не следует путать с эффективностью антенны , которая применяется к апертурным антеннам, таким как параболический отражатель или фазированная решетка , или с эффективностью освещения антенны/апертуры , которая соотносит максимальную направленность антенны/апертуры с ее стандартной направленностью . ^{[ 1 ]}

Определение

Эффективность излучения определяется как «Отношение полной мощности, излучаемой антенной, к чистой мощности, принимаемой антенной от подключенного передатчика». ^{[ 1 ]} Иногда оно выражается в процентах (менее 100) и зависит от частоты. Его также можно описать в децибелах . Коэффициент усиления антенны равен коэффициенту направленности, умноженному на эффективность излучения. ^{[ 2 ]} Таким образом, мы имеем

G=e_{R}\,D

где $G$ - усиление антенны в заданном направлении, $e_{R}$ - эффективность излучения, а $D$ — направленность антенны в указанном направлении.

Для проволочных антенн с определенной радиационной стойкостью эффективность излучения представляет собой отношение сопротивления излучения к общему сопротивлению антенны, включая потери на землю (см. ниже) и сопротивление проводника. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} На практике часто учитываются резистивные потери в любой сети настройки и/или согласования, хотя потери в сети строго не являются свойством антенны.

Для других типов антенн эффективность излучения рассчитать сложнее и обычно определяется путем измерений.

Эффективность излучения антенны или антенной решетки, имеющей несколько портов

В случае антенны или антенной решетки, имеющей несколько портов, эффективность излучения зависит от возбуждения. Точнее, эффективность излучения зависит от относительных фаз и относительных амплитуд сигналов, подаваемых на разные порты. ^{[ 5 ]} Эта зависимость присутствует всегда, но ее легче интерпретировать в случае, когда взаимодействия между портами достаточно малы. Эти взаимодействия могут быть значительными во многих реальных конфигурациях, например, в антенной решетке, встроенной в мобильный телефон для обеспечения пространственного разнесения и/или пространственного мультиплексирования. ^{[ 6 ]} В этом контексте можно определить метрику эффективности как минимальную эффективность излучения для всех возможных возбуждений, обозначаемую $e_{R\,MIN}$ , что связано с показателем эффективности излучения, определяемым выражением $F_{RE}={\sqrt {1-e_{R\,MIN}}}$ . ^{[ 5 ]}

Еще одним интересным показателем эффективности является максимальная эффективность излучения для всех возможных возбуждений, обозначаемая $e_{R\,MAX}$ . Можно считать, что использование $e_{R\,MIN}$ поскольку параметр конструкции особенно важен для многопортовой антенной решетки, предназначенной для передачи MIMO с пространственным мультиплексированием, и которая использует $e_{R\,MAX}$ поскольку параметр конструкции особенно важен для многопортовой антенной решетки, предназначенной для формирования диаграммы направленности в одном направлении или под небольшим телесным углом. ^{[ 7 ]}

Измерение эффективности излучения

Измерения эффективности излучения затруднены. Классические методы включают ″Метод Уиллера″ (также называемый ″Метод ограничения Уиллера″) и ″Метод Q-фактора″. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]} Метод Уиллера использует два измерения импеданса, одно из которых с антенной, расположенной в металлическом ящике (крышке). К сожалению, наличие колпачка может существенно изменить распределение тока на антенне, так что результирующую точность определить будет сложно. В методе добротности не используется металлический корпус, но метод основан на предположении, что добротность идеальной антенны известна, причем идеальная антенна идентична реальной антенне, за исключением того, что проводники имеют идеальную проводимость, а любые диэлектрики имеют нулевые потери. Таким образом, метод добротности является лишь полуэкспериментальным, поскольку он основан на теоретических расчетах с использованием предполагаемой геометрии реальной антенны. Его точность также трудно определить. Другие методы измерения эффективности излучения включают в себя: метод интегрирования диаграммы направленности, который требует измерения усиления во многих направлениях и двух поляризациях; и методы реверберационной камеры, в которых используется реверберационная камера с перемешиванием мод. ^{[ 8 ]}^{[ 10 ]}

Омические и потери на землю

Потери радиочастотной мощности на тепло можно разделить по-разному, в зависимости от количества объектов со значительными потерями, электрически связанных с антенной, и желаемого уровня детализации. Обычно проще всего рассматривать два типа потерь: омические потери и потери на землю . ^{[ а ]}

В отличие от потерь на землю термин «омические потери» относится к выделяющему тепло сопротивлению протеканию радиотока в проводниках антенны, их электрических соединениях и, возможно, потерям в питающем кабеле антенны. Из-за скин-эффекта сопротивление радиочастотному току обычно намного выше, чем сопротивление постоянному току.

Для вертикальных монополей и других антенн, расположенных вблизи земли, потери на землю возникают из-за электрического сопротивления, с которым сталкиваются радиочастотные поля и токи, проходящие через почву вблизи антенны, а также омического сопротивления металлических предметов в окрестностях антенны. (например, его мачта или стебель), а также омическое сопротивление в его заземляющей плоскости/противовесе, а также в электрических и механических соединениях. При рассмотрении антенн, которые установлены на высоте нескольких длин волн над землей на непроводящей радиопрозрачной мачте, потери на землю достаточно малы по сравнению с потерями в проводнике, поэтому ими можно пренебречь. ^{[ б ]}

Сноски

^ Технически, все потери напряжения, вызывающие выделение тепла, представляют собой «омическое» электрическое сопротивление , но в этом контексте этот термин используется только для обозначения потерь в излучающих частях антенны и их фидерах.
^ Некоторые волны, излучаемые любой антенной, отражаются от земли и поднимаются обратно в воздух. Поскольку это обычно происходит вдали от антенны, потери, связанные с дальним отражением от земли, обычно рассматриваются отдельно от потерь в земле вблизи антенны.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Стандарт IEEE для определений терминов для антенн . ИИЭЭ . Стд 145-2013.
^ Штуцман, В.Л.; Тиле, Джорджия (2012). Теория и проектирование антенн, 3-е издание . Уайли. стр. 571–576. ISBN 978-0-470-57664-9 .
^ Уилкс, WJ (1968). Антенная инженерия . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Книжная компания McGraw Hill. стр. 29, 256–258.
^ Сильвер, Х. Уорд; Форд, Стивен Р.; Уилсон, Марк Дж., ред. (2011). Книга антенн ARRL (22-е изд.). Ньюингтон, Коннектикут: Американская лига радиорелейной связи. ISBN 978-0-87259-680-1 .
^ Jump up to: ^а ^б Бройде, Ф.; Клавелье, Э. (январь 2022 г.). «Эффективность излучения и преобразователя многопортовой антенной решетки». Исследовательские работы Excem в области электроники и электромагнетизма (4). дои : 10.5281/zenodo.5816837 .
^ Сибилле, Ален; Эстгес, Клод; Занелла, Альберто (2011). MIMO: от теории к реализации . Эльзевир. ISBN 978-0-12-382194-2 .
^ Чапек, М.; Елинек, Л. (июль 2023 г.). «Показатели преобразователя и эффективности излучения многопортовой антенной решетки» . Транзакции IEEE по антеннам и распространению . 71 (7): 6132–6137. дои : 10.1109/TAP.2023.3264834 .
^ Jump up to: ^а ^б Рекомендации IEEE по измерению антенн . ИИЭЭ . Стд 149-2021.
^ Ньюман, Э.Х.; Боли, П.; Уолтер, CH (март 1975 г.). «Два метода измерения эффективности антенны» . Транзакции IEEE по антеннам и распространению . 23 (4): 457–461. Бибкод : 1975ITAP...23..457N . дои : 10.1109/TAP.1975.1141114 . ISSN 1558-2221 .
^ Ле Фур, Г.; Лемуан, К.; Бенье, П.; Шарайха, А. (сентябрь 2008 г.). «Характеристики сверхширокополосной крышки Уиллера и реверберационной камеры для измерения эффективности узкополосных антенн» . Антенны IEEE и письма о распространении беспроводной связи . 8 : 332–335. дои : 10.1109/LAWP.2008.2006072 . S2CID 44978730 .

[11] Технически, все потери напряжения, вызывающие выделение тепла, представляют собой «омическое» электрическое сопротивление , но в этом контексте этот термин используется только для обозначения потерь в излучающих частях антенны и их фидерах.

[12] Некоторые волны, излучаемые любой антенной, отражаются от земли и поднимаются обратно в воздух. Поскольку это обычно происходит вдали от антенны, потери, связанные с дальним отражением от земли, обычно рассматриваются отдельно от потерь в земле вблизи антенны.

[IEEEstd145-1] Jump up to: ^а ^б Стандарт IEEE для определений терминов для антенн . ИИЭЭ . Стд 145-2013.

[StutzmanThiele-2] Штуцман, В.Л.; Тиле, Джорджия (2012). Теория и проектирование антенн, 3-е издание . Уайли. стр. 571–576. ISBN 978-0-470-57664-9 .

[Weelkes_1968-3] Уилкс, WJ (1968). Антенная инженерия . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Книжная компания McGraw Hill. стр. 29, 256–258.

[ARRL_Antenna-4] Сильвер, Х. Уорд; Форд, Стивен Р.; Уилсон, Марк Дж., ред. (2011). Книга антенн ARRL (22-е изд.). Ньюингтон, Коннектикут: Американская лига радиорелейной связи. ISBN 978-0-87259-680-1 .

[ERPEE4-5] Jump up to: ^а ^б Бройде, Ф.; Клавелье, Э. (январь 2022 г.). «Эффективность излучения и преобразователя многопортовой антенной решетки». Исследовательские работы Excem в области электроники и электромагнетизма (4). дои : 10.5281/zenodo.5816837 .

[Sibille-6] Сибилле, Ален; Эстгес, Клод; Занелла, Альберто (2011). MIMO: от теории к реализации . Эльзевир. ISBN 978-0-12-382194-2 .

[:Capek7-7] Чапек, М.; Елинек, Л. (июль 2023 г.). «Показатели преобразователя и эффективности излучения многопортовой антенной решетки» . Транзакции IEEE по антеннам и распространению . 71 (7): 6132–6137. дои : 10.1109/TAP.2023.3264834 .

[IEEEstd149-8] Jump up to: ^а ^б Рекомендации IEEE по измерению антенн . ИИЭЭ . Стд 149-2021.

[:Newman-9] Ньюман, Э.Х.; Боли, П.; Уолтер, CH (март 1975 г.). «Два метода измерения эффективности антенны» . Транзакции IEEE по антеннам и распространению . 23 (4): 457–461. Бибкод : 1975ITAP...23..457N . дои : 10.1109/TAP.1975.1141114 . ISSN 1558-2221 .

[:besnier-10] Ле Фур, Г.; Лемуан, К.; Бенье, П.; Шарайха, А. (сентябрь 2008 г.). «Характеристики сверхширокополосной крышки Уиллера и реверберационной камеры для измерения эффективности узкополосных антенн» . Антенны IEEE и письма о распространении беспроводной связи . 8 : 332–335. дои : 10.1109/LAWP.2008.2006072 . S2CID 44978730 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ а ]

[ б ]