Figur 1. Hovedstråle- og sidelobeområder brukt til å definere antennestråleeffektivitet.
Hva er antennestråleeffektivitet?
Antennestråleeffektivitet, også kalt fjernstråleeffektivitet, er andelen av en antennes totale utstrålte effekt som faller innenfor et definert fjernstråleområde. Den svarer på et praktisk designspørsmål: hvor mye av den tilgjengelige strålingen er konsentrert mot den tiltenkte vinkelsektoren i stedet for å bli fordelt i sidelober og bakloben?
For en mottakerantenne tillater resiprositet at den samme ideen kan sees på som andelen av mottatt effekt som samles inn gjennom hovedstrålen når det omkringliggende feltet og polarisasjonsforholdene er definert konsistent. Stråleeffektivitet er derfor spesielt nyttig i radar, radiometri, satellittforbindelser, punkt-til-punkt-mikrobølgesystemer og antennemåling, der energi som kommer fra eller går mot uønskede retninger kan redusere nøyaktigheten eller øke interferensen.
I figur 1 er hovedloben sentrert på z-aksen. Hvis kjeglevinkelen θ1markerer det første nullet eller en annen eksplisitt spesifisert hovedstrålegrense, beregnes stråleeffektiviteten ved å integrere effektmønsteret inne i den kjeglen og dele det med effekten integrert over hele strålingsmønsteret.
Formel for effektivitet av antennestrålen
Bruk av det normaliserte potensmønsteret Pn(θ,φ), det generelle uttrykket for stråleeffektivitet er vist nedenfor:
Telleren representerer effekten som finnes i den valgte fjernstrålens romvinkel, ΩMBNevneren representerer den totale utstrålte effekten integrert over 4π steradianer. Den resulterende verdien, ηB, er dimensjonsløs og rapporteres vanligvis som en prosentandel.
- Pn(θ,φ)er det normaliserte effektmønsteret. Hvis målte elektriske feltdata brukes, er det tilsvarende effektleddet proporsjonalt med |E|2.
- ΩMBer det spesifiserte fjernstråleområdet, ofte avgrenset av de første nullpunktene eller av en definert kjeglevinkel.
- θ og φer høyde- og asimutkoordinatene som brukes til å beskrive hele strålingsmønsteret.
Hovedstrålegrensen må alltid oppgis sammen med resultatet. To laboratorier kan oppnå forskjellige numeriske verdier fra samme mønster hvis det ene integrerer til det første nullpunktet mens det andre bruker en fast vinkelkjegle. For en tilnærmet rotasjonssymmetrisk blyantstråle kan integrasjonen forenkles som vist i neste uttrykk.
Hvordan måles antennestråleeffektivitet?
Stråleeffektivitet oppnås fra strålingsmønsterdata i stedet for fra en enkelt sikteavlesning. Et kalibrert fjernfeltområde, et kompakt antennetestområde eller et nærfeltsystem med en validert fjernfelttransformasjon kan brukes. For fasede antennearrayer bør målingen gjentas for hver nødvendig stråletilstand, frekvens og polarisering fordi skanning og amplitude- eller fasefeil kan omfordele effekten til sidelober.
- Mål strålingsmønsteretover nok vinkeldekning til å inkludere fjernstrålen, sidelober og bakloben.
- Konverter det målte feltet til et potensmønsterog bruk den samme normaliseringen på hver vinkelprøve.
- Definer fjernstrålegrensen, for eksempel den første nullkonturen eller en spesifisert kjeglevinkel.
- Integrer kraften innenfor den grensenog del det med potensen integrert over hele mønsteret.
- Rapporter testforholdene, inkludert frekvens, polarisering, stråletilstand, vinkeloppløsning og grensedefinisjon.
Et par todimensjonale E-plan- og H-plan-kutt kan vise strålebredde- og sidelobe-oppførsel, men det gir vanligvis ikke en komplett tredimensjonal stråleeffektivitetsverdi med mindre rotasjonssymmetri er begrunnet. Fullsfære- eller tilstrekkelig komplette mønsterdata gir et mer forsvarlig resultat. Lær mer om RF MISO-er.antennetestingsmuligheter.
Stråleeffektivitet vs. andre termer for antenneeffektivitet
Stråleeffektivitet vs. strålingseffektivitet
Strålingseffektivitetsammenligner utstrålt effekt med effekten som aksepteres av antennen, og reflekterer derfor leder- og dielektriske tap.Stråleeffektivitetbeskriver hvor den utstrålte effekten går. En antenne kan ha lavt internt tap, men fortsatt ha moderat stråleeffektivitet hvis det oppstår betydelig effekt i sidelobene eller bakloben.
Stråleeffektivitet vs. retningsevne og forsterkning
Retningsbestemthetbeskriver toppkonsentrasjonen av strålingsmønsteret i forhold til en isotropisk radiator. Forsterkning kombinerer retningsvirkning med strålingseffektivitet, mens realisert forsterkning også tar hensyn til impedansmisforhold. Stråleeffektivitet er annerledes fordi den integrerer effekt over et vinkelområde i stedet for bare å evaluere toppretningen.
Stråleeffektivitet vs. strålebredde
Halv effektstrålebredde er vinkelbredden mellom -3 dB-punktene i hovedloben. En smal stråle følger ofte med høy retningsvirkning, men det beviser ikke i seg selv høy stråleeffektivitet. Et mønster kan ha en smal topp og fortsatt sende betydelig energi inn i sidelobene. Strålebredde og sidelobenivå må derfor gjennomgås sammen med den integrerte stråleeffektivitetsverdien.
Hva styrer antennestråleeffektiviteten?
1. Sidelobe- og baklobenivåer
Strøm utenfor det valgte hovedstråleområdet reduserer direkte strålens effektivitet. Høye sidelober kan skyldes diskontinuiteter i blenderåpningen, avstand mellom arrayene, amplitudefeil eller en belysningsprofil som ikke er optimalisert for det nødvendige mønsteret. Motstråling og spredning fra nærliggende strukturer kan ha en lignende effekt.
2. Blenderåpningsbelysning og amplitudeavsmalning
Blenderåpningsantenner og -matriser bruker en amplitudefordeling over den utstrålende blenderåpningen. En nesten jevn fordeling kan produsere en smal hovedstråle og høy retningsvirkning, men den kan også produsere forholdsvis høye sidelober. Bruk av en amplitudekoning kan undertrykke sidelober og plassere mer av den totale mønstereffekten i ønsket område, selv om overdreven koning kan utvide hovedstrålen og redusere toppforsterkning eller blenderåpningseffektivitet. Den beste innstillingen er derfor en applikasjonsspesifikk avveining.
3. Fôrsøl og strukturell blokkering
I en reflektorantenne smitter energi som ikke treffer reflektoren over og bidrar ikke til ønsket hovedstråle. Matestøtter, en subreflektor eller nærliggende maskinvare kan også blokkere eller spre deler av blenderåpningsfeltet. Riktig matevalg, fokusposisjonering og mekanisk justering bidrar til å kontrollere disse tapene og uønskede lober.
4. Fase-, amplitude- og overflatefeil
Faseubalanse mellom matriseelementer, ujevnt matingstap, produksjonstoleranse, reflektoroverflatefeil og radomeforvrengning kan flytte energi bort fra den tiltenkte strålen. Disse effektene blir vanligvis viktigere etter hvert som frekvensen øker fordi en fast dimensjonsfeil representerer en større andel av en bølgelengde.
5. Polarisasjonsrenhet
Noen definisjoner av stråleeffektivitet inkluderer kun effekt i ønsket polarisasjon. Krysspolarisert stråling i eller utenfor hovedstrålen kan da redusere den rapporterte verdien. Polarisering bør spesifiseres konsekvent i simulering, måling og systemkrav.
Stråleeffektivitet, strålebredde og båndbredde er forskjellige
Stråleeffektiviteter et integrert vinkeleffektforhold.Strålebreddebeskriver vinkelbredden til hovedloben på et gitt nivå, vanligvis halveffekt- eller -3 dB-punkter.Antennebåndbreddebeskriver frekvensområdet som valgte krav er oppfylt over. Disse parameterne påvirker hverandre, men de er ikke utskiftbare.
Et design kan opprettholde akseptabel VSWR over et bredt frekvensområde mens stråleretningen, sidelobenivået eller stråleeffektiviteten endres vesentlig nær båndkantene. Mønsterytelsen bør derfor verifiseres ved flere frekvenser i stedet for å utledes kun fra impedansbåndbredden. For en detaljert behandling av frekvensområdedefinisjoner, seAntennebåndbredde.
Hvordan kan stråleeffektiviteten forbedres?
- Velg en blenderåpningskon som balanserer sidelobeundertrykkelse, hovedstrålebredde og forsterkning.
- Optimaliser reflektorens matingsposisjon, kantbelysning og spillover.
- Bruk passende elementavstand og nøyaktig amplitude- eller fasekontroll i arrayer for å unngå gitterlober.
- Reduser blokkering, spredning av kabler og uønsket interaksjon med monteringsstrukturen eller radomen.
- Kontroller maskineringstoleranser, overflatenøyaktighet og justering med høyeste driftsfrekvens.
- Verifiser kopolare og krysspolare mønstre over hele driftsbåndet og alle nødvendige stråletilstander.
Hvor er fjernlyseffektiviteten mest viktig?
Høy stråleeffektivitet er spesielt verdifull når effekt eller mottatt energi må begrenses til en veldefinert retning. Typiske eksempler inkluderer målsporings- og avbildningsradar, satellittkommunikasjonslenker, radioastronomi og radiometri, punkt-til-punkt-mikrobølgelenker, reflektormatingssystemer, kalibreringsantenner og elektronisk styrte matriser.
Det finnes ingen universell stråleeffektivitetsprosent som er korrekt for hver antenne. Et nyttig krav må angi driftsfrekvens, polarisering, stråletilstand og vinkelgrense, sammen med akseptabel sidelobe- og baklobeoppførsel. Dette gjør leverandørdata, simulering og målte resultater direkte sammenlignbare.
Hva bør kjøpere sjekke i et antennedatablad?
Når strålekontroll er viktig, må du ikke evaluere en antenne kun ut fra toppforsterkning. Spør produsenten hvilke mønsterdata og testforhold som er tilgjengelige for den nøyaktige modellen og frekvensområdet.
- Driftsfrekvensområde og frekvensene som brukes til mønstermålinger
- Forsterkning, halv effektstrålebredde og første sidelobenivå versus frekvens
- Kopolare og krysspolare strålingsmønstre i de nødvendige planene eller over en sfærisk skanning
- Vinkelgrensen og polarisasjonen som brukes til å beregne stråleeffektivitet, når den verdien er spesifisert
- VSWR, kontakt- eller bølgeledergrensesnitt, effekthåndtering og miljøkrav
- Mekaniske toleranser, monteringsarrangement og eventuell konfigurasjon for radome- eller reflektormating
RF MISO mikrobølgeantenneløsninger
RF MISO leverer mikrobølge- og millimeterbølgeantenner for måling, radar, kommunikasjon og systemintegrasjon. Relevante produktfamilier inkludererhornantenner med standard forsterkning, reflektorantennerogantennerModellspesifikke spesifikasjoner og tilgjengelige testdata bør gjennomgås mot nødvendig frekvens, polarisering, forsterkning og mønsterytelse.
For valg av antenne eller et tilpasset krav,kontakt RF MISO at info@rf-miso.com.
Publisert: 12. juli 2024
