huvudsaklig

Effektiv apertur för antennen

En användbar parameter för att beräkna mottagningseffekten hos en antenn äreffektiv areaellereffektiv bländareAntag att en planvåg med samma polarisering som mottagarantennen infaller på antennen. Antag vidare att vågen färdas mot antennen i antennens riktning för maximal strålning (den riktning från vilken mest effekt skulle tas emot).

Sedaneffektiv bländareparametern beskriver hur mycket effekt som fångas upp från en given planvåg.pvara effekttätheten för den plana vågen (i W/m^2). OmP_trepresenterar effekten (i watt) vid antennens terminaler som är tillgänglig för antennens mottagare, då:

2

Därför representerar den effektiva arean helt enkelt hur mycket effekt som fångas upp från planvågen och levereras av antennen. Denna area tar hänsyn till antennens inneboende förluster (ohmiska förluster, dielektriska förluster etc.).

Ett generellt samband för den effektiva aperturen i termer av antennens maximala förstärkning (G) ges av:

3

Effektiv apertur eller effektiv area kan mätas på faktiska antenner genom jämförelse med en känd antenn med en given effektiv apertur, eller genom beräkning med hjälp av den uppmätta förstärkningen och ovanstående ekvation.

Effektiv apertur är ett användbart koncept för att beräkna mottagen effekt från en planvåg. För att se detta i praktiken, gå till nästa avsnitt om Friis transmissionsformel.

Friis överföringsekvation

På den här sidan introducerar vi en av de mest grundläggande ekvationerna inom antennteori,Friis transmissionsekvationFriis transmissionsekvation används för att beräkna effekten som tas emot från en antenn (med förstärkningG1), när den sänds från en annan antenn (med förstärkningG2), åtskilda av ett avståndR, och arbetar med frekvensfeller våglängdslambda. Den här sidan är värd att läsa ett par gånger och bör förstås fullt ut.

Härledning av Friis Transmission Formula

För att börja härleda Friis-ekvationen, betrakta två antenner i fritt utrymme (inga hinder i närheten) separerade med ett avståndR:

4

Antag att () Watt total effekt levereras till sändarantennen. Antag för tillfället att sändarantennen är rundstrålande, förlustfri, och att mottagarantennen befinner sig i sändarantennens fjärrfält. Då är effekttäthetenp(i watt per kvadratmeter) av den planvåg som infaller på mottagarantennen ett avståndRfrån sändarantennen ges av:

41bd284bf819e176ae631950cd267f7

Figur 1. Sändar- (Tx) och mottagar- (Rx) antenner separerade medR.

5

Om sändarantennen har en antennförstärkning i mottagarantennens riktning, givet av ( ) , blir effekttäthetsekvationen ovan:

2
6

Förstärkningstermen påverkar riktningen och förlusterna hos en verklig antenn. Antag nu att mottagarantennen har en effektiv apertur given av()Då ges effekten som tas emot av denna antenn ( ) av:

4
3
7

Eftersom den effektiva aperturen för vilken antenn som helst också kan uttryckas som:

8

Den resulterande mottagna effekten kan skrivas som:

9

Ekvation 1

Detta är känt som Friis transmissionsformel. Den relaterar förlusten i det fria rummets väg, antennförstärkningar och våglängd till mottagen och sändningseffekten. Detta är en av de grundläggande ekvationerna inom antennteori och bör komma ihåg (liksom härledningen ovan).

En annan användbar form av Friis transmissionsekvation ges i ekvation [2]. Eftersom våglängd och frekvens f är relaterade till ljusets hastighet c (se introduktionen till frekvenssidan), har vi Friis transmissionsformel i termer av frekvens:

10

Ekvation2

Ekvation [2] visar att mer effekt går förlorad vid högre frekvenser. Detta är ett grundläggande resultat av Friis transmissionsekvation. Detta innebär att för antenner med specificerade förstärkningar kommer energiöverföringen att vara högst vid lägre frekvenser. Skillnaden mellan den mottagna effekten och den sända effekten kallas vägförlust. Med andra ord säger Friis transmissionsekvation att vägförlusten är högre för högre frekvenser. Vikten av detta resultat från Friis transmissionsformel kan inte nog betonas. Det är därför mobiltelefoner i allmänhet arbetar vid mindre än 2 GHz. Det kan finnas mer frekvensspektrum tillgängligt vid högre frekvenser, men den tillhörande vägförlusten möjliggör inte mottagning av hög kvalitet. Som en ytterligare konsekvens av Friis transmissionsekvation, anta att du blir tillfrågad om 60 GHz-antenner. Med tanke på att denna frekvens är mycket hög kan du säga att vägförlusten kommer att vara för hög för kommunikation över långa avstånd - och du har helt rätt. Vid mycket höga frekvenser (60 GHz kallas ibland för mm-området (millimetervågsområdet)) är vägförlusten mycket hög, så endast punkt-till-punkt-kommunikation är möjlig. Detta inträffar när mottagaren och sändaren är i samma rum och vända mot varandra. Som en ytterligare följd av Friis överföringsformel, tror du att mobiltelefonoperatörerna är nöjda med det nya LTE (4G)-bandet, som arbetar på 700 MHz? Svaret är ja: detta är en lägre frekvens än vad antenner traditionellt arbetar på, men från ekvation [2] noterar vi att vägförlusten därför också kommer att vara lägre. Därför kan de "täcka mer mark" med detta frekvensspektrum, och en chef på Verizon Wireless kallade nyligen detta för "högkvalitativt spektrum", just av denna anledning. Sidoanteckning: Å andra sidan måste mobiltelefontillverkarna montera en antenn med en större våglängd i en kompakt enhet (lägre frekvens = större våglängd), så antenndesignerns jobb blev lite mer komplicerat!

Slutligen, om antennerna inte är polarisationsmatchade, kan ovanstående mottagna effekt multipliceras med polarisationsförlustfaktorn (PLF) för att korrekt ta hänsyn till denna missmatchning. Ekvation [2] ovan kan ändras för att producera en generaliserad Friis-transmissionsformel, som inkluderar polarisationsmissmatchning:

11

Ekvation 3


Publiceringstid: 8 januari 2024

Hämta produktdatablad