Riktningsförmåga är en grundläggande antennparameter. Detta är ett mått på hur strålningsmönstret för en riktantenn är. En antenn som strålar lika i alla riktningar kommer att ha en riktningsförmåga lika med 1. (Detta motsvarar noll decibel -0 dB).
Funktionen för sfäriska koordinater kan skrivas som ett normaliserat strålningsmönster:
[Ekvation 1]
Ett normaliserat strålningsmönster har samma form som det ursprungliga strålningsmönstret. Det normaliserade strålningsmönstret reduceras med magnitud så att strålningsmönstrets maximala värde är lika med 1. (Det största är ekvation [1] för "F"). Matematiskt skrivs formeln för riktningsverkan (typ "D") som:
Detta kan verka som en komplicerad riktningsekvation. Molekylernas strålningsmönster är dock av största värde. Nämnaren representerar den genomsnittliga utstrålade effekten i alla riktningar. Ekvationen är då ett mått på den maximala utstrålade effekten dividerat med medelvärdet. Detta ger antennens riktningsförmåga.
Riktningsparadigm
Som ett exempel, betrakta följande två ekvationer för strålningsmönstret för två antenner.
Antenn 1
Antenn 2
Dessa strålningsmönster är ritade i figur 1. Observera att strålningsläget endast är en funktion av polvinkeln theta(θ). Strålningsmönstret är inte en funktion av azimut. (Det azimutala strålningsmönstret förblir oförändrat). Strålningsmönstret för den första antennen är mindre riktat än strålningsmönstret för den andra antennen. Därför förväntar vi oss att riktningsverkan är lägre för den första antennen.
Figur 1. Strålningsmönsterdiagram för en antenn. Har hög riktningsverkan?
Med hjälp av formel [1] kan vi beräkna att antennen har högre riktningsförmåga. För att kontrollera din förståelse, tänk på figur 1 och vad riktningsförmåga är. Bestäm sedan vilken antenn som har högre riktningsförmåga utan att använda någon matematik.
Resultat för riktningsberäkning, använd formel [1]:
Beräkning av riktantenn 1, 1,273 (1,05 dB).
Beräkning av riktantenn 2, 2,707 (4,32 dB).
Ökad riktningsförmåga innebär en mer fokuserad eller riktad antenn. Det betyder att en 2-mottagningsantenn har 2,707 gånger den riktade effekten hos sin topp än en rundstrålande antenn. Antenn 1 får 1,273 gånger effekten hos en rundstrålande antenn. Rundstrålande antenner används som en vanlig referens även om det inte finns några isotropa antenner.
Mobiltelefonantenner bör ha låg riktningsfaktor eftersom signaler kan komma från alla riktningar. Däremot har parabolantenner hög riktningsfaktor. En parabolantenn tar emot signaler från en fast riktning. Om du till exempel skaffar en satellit-TV-antenn kommer företaget att tala om för dig vart du ska rikta den och parabolen kommer att ta emot önskad signal.
Vi avslutar med en lista över antenntyper och deras riktningsverkan. Detta ger dig en uppfattning om vilken riktningsverkan som är vanlig.
Antenntyp Typisk riktningsfaktor Typisk riktningsfaktor [decibel] (dB)
Kort dipolantenn 1,5 1,76
Halvvågsdipolantenn 1,64 2,15
Patch (mikrostripantenn) 3.2-6.3 5-8
Hornantenn 10-100 10-20
Parabolantenn 10-10 000 10-40
Som informationen ovan visar varierar antennens riktningsförmåga kraftigt. Därför är det viktigt att förstå riktningsförmågan när man väljer den bästa antennen för din specifika tillämpning. Om du behöver skicka eller ta emot energi från flera riktningar i en riktning bör du designa en antenn med låg riktningsförmåga. Exempel på tillämpningar för antenner med låg riktningsförmåga inkluderar bilradioapparater, mobiltelefoner och trådlös internetåtkomst via datorer. Omvänt, om du använder fjärranalys eller riktad kraftöverföring, krävs en högriktad antenn. Högriktade antenner maximerar kraftöverföringen från önskad riktning och minskar signaler från oönskade riktningar.
Anta att vi vill ha en antenn med låg riktningsfaktor. Hur gör vi det?
Den allmänna regeln för antennteorin är att man behöver en elektriskt liten antenn för att producera låg riktningsförmåga. Det vill säga, om man använder en antenn med en total storlek på 0,25–0,5 våglängder, så minimerar man riktningsförmågan. Halvvågsdipolantenner eller halvvågsslitsantenner har vanligtvis mindre än 3 dB riktningsförmåga. Detta är så låg riktningsförmåga som man kan uppnå i praktiken.
I slutändan kan vi inte tillverka antenner mindre än en kvarts våglängd utan att minska antennens effektivitet och bandbredd. Antenneffektivitet och antennbandbredd kommer att diskuteras i framtida kapitel.
För en antenn med hög riktningsförmåga behöver vi antenner med många våglängdsstorlekar. Till exempel parabolantenner och hornantenner har hög riktningsförmåga. Detta beror delvis på att de har många våglängder.
Varför är det så? I slutändan har orsaken att göra med egenskaperna hos Fouriertransformen. När man tar Fouriertransformen av en kort puls får man ett brett spektrum. Denna analogi finns inte när man bestämmer en antenns strålningsmönster. Strålningsmönstret kan betraktas som Fouriertransformen av fördelningen av ström eller spänning längs antennen. Därför har små antenner breda strålningsmönster (och låg riktningsförmåga). Antenner med stor, enhetlig spännings- eller strömfördelning Mycket riktningsmönster (och hög riktningsförmåga).
E-mail:info@rf-miso.com
Telefon: 0086-028-82695327
Hemsida: www.rf-miso.com
Publiceringstid: 7 november 2023
