Figur 1. Huvudstråle- och sidolobsområden som används för att definiera antennstrålens effektivitet.
Vad är antennstråleeffektivitet?
Antennstråleeffektivitet, även kallad helljuseffektivitet, är den andel av en antenns totala utstrålade effekt som faller inom ett definierat helljusområde. Det besvarar en praktisk designfråga: hur mycket av den tillgängliga strålningen koncentreras mot den avsedda vinkelsektorn istället för att fördelas i sidolober och bakloben?
För en mottagarantenn tillåter reciprocitet att samma idé ses som den andel mottagen effekt som samlas in genom huvudstrålen när det omgivande fältet och polarisationsförhållandena definieras konsekvent. Stråleffektivitet är därför särskilt användbar inom radar, radiometri, satellitlänkar, punkt-till-punkt-mikrovågssystem och antennmätning, där energi som anländer från eller lämnar i oönskade riktningar kan minska noggrannheten eller öka störningar.
I figur 1 är huvudloben centrerad på z-axeln. Om konvinkeln θ1markerar den första nollpunkten eller en annan explicit specificerad huvudstrålegräns, beräknas stråleffektiviteten genom att integrera effektmönstret inuti den konen och dividera det med den integrerade effekten över hela strålningsmönstret.
Formel för antennstråleeffektivitet
Med hjälp av det normaliserade potensmönstret Pn(θ,φ), det allmänna uttrycket för stråleffektivitet visas nedan:
Täljaren representerar effekten som finns inuti den valda helljusvinkeln, ΩMBNämnaren representerar den totala utstrålade effekten integrerad över 4π steradianer. Det resulterande värdet, ηB, är dimensionslös och rapporteras normalt som en procentandel.
- Pn(θ,φ)är det normaliserade effektmönstret. Om uppmätta elektriska fältdata används är motsvarande effektterm proportionell mot |E|2.
- ΩMBär det specificerade huvudstrålområdet, ofta begränsat av de första nollpunkterna eller av en definierad konvinkel.
- θ och φär höjd- och azimutkoordinaterna som används för att beskriva det fullständiga strålningsmönstret.
Huvudstrålens gräns måste alltid anges tillsammans med resultatet. Två laboratorier kan erhålla olika numeriska värden från samma mönster om det ena integrerar till det första nollvärdet medan det andra använder en fast vinkelkon. För en ungefär rotationssymmetrisk pennstråle kan integrationen förenklas enligt nästa uttryck.
Hur mäts antennstråleeffektivitet?
Stråleffektivitet erhålls från strålningsmönsterdata snarare än från en enda siktesmätning. Ett kalibrerat fjärrfältsområde, ett kompakt antenntestområde eller ett närfältssystem med en validerad fjärrfältstransformation kan användas. För fasstyrda matriser bör mätningen upprepas för varje önskat stråltillstånd, frekvens och polarisering eftersom skanning och amplitud- eller fasfel kan omfördela effekten till sidolober.
- Mät strålningsmönstretöver tillräcklig vinkeltäckning för att inkludera helljuset, sidoloberna och bakloben.
- Konvertera det uppmätta fältet till ett potensmönsteroch tillämpa samma normalisering på varje vinkelprov.
- Definiera helljusgränsen, såsom den första nollkonturen eller en specificerad konvinkel.
- Integrera kraften inom den gränsenoch dividera det med den integrerade potensen över hela mönstret.
- Rapportera testförhållandena, inklusive frekvens, polarisering, stråltillstånd, vinkelupplösning och randdefinition.
Ett par tvådimensionella E-plans- och H-planssnitt kan visa strålbredd och sidolobsbeteende, men det ger normalt inte ett komplett tredimensionellt stråleffektivitetsvärde om inte rotationssymmetri har motiverats. Helsfärs- eller tillräckligt fullständiga mönsterdata ger ett mer försvarbart resultat. Läs mer om RF MISO:er.antenntestningsmöjligheter.
Stråleffektivitet kontra andra termer för antenneffektivitet
Stråleffektivitet kontra strålningseffektivitet
Strålningseffektivitetjämför utstrålad effekt med den effekt som antennen accepterar och återspeglar därför ledar- och dielektriska förluster.Stråleffektivitetbeskriver vart den utstrålade effekten går. En antenn kan ha låg intern förlust men fortfarande ha måttlig stråleffektivitet om betydande effekt uppträder i sidolober eller bakloben.
Stråleffektivitet kontra riktningsförmåga och förstärkning
Riktningsförmågabeskriver toppkoncentrationen av strålningsmönstret i förhållande till en isotropisk strålare. Förstärkning kombinerar riktningsförmåga med strålningseffektivitet, medan realiserad förstärkning också tar hänsyn till impedansmatchning. Stråleffektiviteten är annorlunda eftersom den integrerar effekt över ett vinkelområde istället för att bara utvärdera toppriktningen.
Stråleffektivitet kontra strålbredd
Halv effektstrålbredd är vinkelbredden mellan -3 dB-punkterna i huvudloben. En smal stråle åtföljer ofta hög riktningsverkan, men den bevisar inte i sig hög stråleffektivitet. Ett mönster kan ha en smal topp och ändå skicka betydande energi in i sidoloberna. Strålbredd och sidolobnivå måste därför ses över tillsammans med det integrerade stråleffektivitetsvärdet.
Vad styr antennens stråleffektivitet?
1. Sidolob- och baklobnivåer
Effekt utanför det valda huvudstrålområdet minskar direkt stråleffektiviteten. Höga sidolober kan bero på aperturavbrott, matrisavstånd, amplitudfel eller en belysningsprofil som inte har optimerats för det önskade mönstret. Bakstrålning och spridning från närliggande strukturer kan ha en liknande effekt.
2. Bländarbelysning och amplitudkoning
Aperturantenner och -matriser använder en amplitudfördelning över den utstrålande aperturen. En nästan jämn fördelning kan producera en smal huvudstråle och hög riktningsverkan, men den kan också producera jämförelsevis höga sidolober. Att tillämpa en amplitudkonisk effekt kan undertrycka sidolober och placera mer av den totala mönstereffekten i det önskade området, även om överdriven konisk effekt kan bredda huvudstrålen och minska toppförstärkningen eller apertureffektiviteten. Den bästa inställningen är därför en applikationsspecifik avvägning.
3. Foderöverflöde och strukturell blockering
I en reflektorantenn spills energi som missar reflektorn över och bidrar inte till den önskade huvudstrålen. Matningsstöd, en subreflektor eller närliggande hårdvara kan också blockera eller sprida en del av aperturfältet. Korrekt matningsval, fokuspositionering och mekanisk inriktning hjälper till att kontrollera dessa förluster och oönskade lober.
4. Fas-, amplitud- och ytfel
Fasobalans mellan matriselement, ojämn matningsförlust, tillverkningstolerans, reflektorns ytfel och radomförvrängning kan flytta energi bort från den avsedda strålen. Dessa effekter blir vanligtvis viktigare när frekvensen ökar eftersom ett fast dimensionsfel representerar en större andel av en våglängd.
5. Polarisationsrenhet
Vissa definitioner av stråleffektivitet inkluderar endast effekt i den önskade polarisationen. Korspolariserad strålning inuti eller utanför huvudstrålen kan då minska det rapporterade värdet. Polarisation bör specificeras konsekvent i simulering, mätning och systemkrav.
Stråleffektivitet, strålbredd och bandbredd är olika
Stråleffektivitetär ett integrerat vinkeleffektförhållande.Strålbreddbeskriver huvudlobens vinkelbredden vid en angiven nivå, vanligtvis halveffekt- eller -3 dB-punkterna.Antennbandbreddbeskriver frekvensområdet inom vilket valda krav är uppfyllda. Dessa parametrar påverkar varandra, men de är inte utbytbara.
En design kan bibehålla acceptabel VSWR över ett brett frekvensområde medan dess strålriktning, sidolobnivå eller stråleffektivitet förändras avsevärt nära bandkanterna. Mönsterprestanda bör därför verifieras vid flera frekvenser snarare än att härledas enbart från impedansbandbredden. För en detaljerad behandling av frekvensområdesdefinitioner, seAntennbandbredd.
Hur kan stråleffektiviteten förbättras?
- Välj en aperturkona som balanserar sidolobsdämpning, huvudstrålbredd och förstärkning.
- Optimera reflektorns matningsposition, kantbelysning och spillover.
- Använd lämpligt elementavstånd och noggrann amplitud- eller faskontroll i matriser för att undvika gitterlober.
- Minska blockering, kabelspridning och oönskad interaktion med monteringsstrukturen eller radomen.
- Kontrollera bearbetningstoleranser, ytnoggrannhet och uppriktning med högsta driftsfrekvens.
- Verifiera kopolära och korspolära mönster över hela driftsbandet och alla nödvändiga stråltillstånd.
Var spelar helljuseffektiviteten störst roll?
Hög stråleffektivitet är särskilt värdefull när effekt eller mottagen energi måste begränsas till en väldefinierad riktning. Typiska exempel inkluderar målspårnings- och avbildningsradar, satellitkommunikationslänkar, radioastronomi och radiometri, punkt-till-punkt-mikrovågslänkar, reflektormatningssystem, kalibreringsantenner och elektroniskt styrda matriser.
Det finns ingen universell stråleffektivitetsprocent som är korrekt för varje antenn. Ett användbart krav måste ange driftsfrekvens, polarisering, stråltillstånd och vinkelgräns, tillsammans med acceptabelt sidolob- och baklobbeteende. Detta gör leverantörsdata, simulering och uppmätta resultat direkt jämförbara.
Vad bör köpare kontrollera i ett datablad för en antenn?
När strålkontroll är viktig, utvärdera inte en antenn enbart utifrån toppförstärkning. Fråga tillverkaren vilka mönsterdata och testförhållanden som finns tillgängliga för den exakta modellen och frekvensområdet.
- Driftsfrekvensområde och frekvenser som används för mönstermätningar
- Förstärkning, halv effektstrålbredd och första sidolobsnivå kontra frekvens
- Kopolära och korspolära strålningsmönster i de erforderliga planen eller över en sfärisk skanning
- Vinkelgränsen och polarisationen som används för att beräkna stråleffektivitet, när det värdet är specificerat
- VSWR, kontakt- eller vågledargränssnitt, effekthantering och miljökrav
- Mekaniska toleranser, monteringsarrangemang och eventuell radom- eller reflektormatningskonfiguration
RF MISO mikrovågsantennlösningar
RF MISO levererar mikrovågs- och millimetervågsantenner för mätning, radar, kommunikation och systemintegration. Relevanta produktfamiljer inkluderarhornantenner med standardförstärkning, reflektorantennerocharrayantennerModellspecifika specifikationer och tillgängliga testdata bör granskas mot erforderlig frekvens, polarisering, förstärkning och mönsterprestanda.
För val av antenn eller ett anpassat krav,kontakta RF MISO at info@rf-miso.com.
Publiceringstid: 12 juli 2024
