Charakterystyka anteny
listków bocznych
przód-tył
Rysunek 1: Charakterystyka promieniowania w układzie współrzędnych biegunowych
listków bocznych
przód-tył
Rysunek 1: Charakterystyka promieniowania w układzie współrzędnych biegunowych
« Charakterystyka anteny »
Charakterystyka anteny
Zysk anteny i kierunkowość
Projektując antenę w specjalny sposób, można skoncentrować gęstość promieniowania w określonych kierunkach przestrzennych. Zysk anteny jest miarą kierunkowości anteny bezstratnej. Jest to ściśle związane z kierunkowością anteny. W przeciwieństwie do kierunkowości, która opisuje jedynie kierunkowość anteny, zysk anteny uwzględnia również sprawność anteny, tzn. wskazuje moc rzeczywiście wypromieniowaną. Jest to zazwyczaj mniej niż moc nadajnika. Jednakże, ponieważ moc ta może być łatwiej mierzona niż kierunkowość, zysk anteny jest używany częściej niż kierunkowość. Zakładając, że rozważana jest antena bezstratna, kierunkowość można ustalić jako równą zyskowi anteny.
Aby zdefiniować zysk anteny, oprócz anteny rzeczywistej używana jest antena referencyjna. Zazwyczaj jako antena wzorcowa służy bezstratny hipotetyczny promiennik kulisty (promiennik izotropowy), który promieniuje równomiernie we wszystkich kierunkach, lub prosty dipol, który również może stanowić odniesienie przynajmniej w rozpatrywanej płaszczyźnie.
Dla rzeczywistej anteny określamy teraz gęstość promieniowania (moc na jednostkę powierzchni) w punkcie znajdującym się w pewnej odległości i porównujemy ją z wartością, która wynika z zastosowania anteny izotropowej. Zysk anteny jest wtedy stosunkiem tych dwóch promieni.
Na przykład, jeśli antena kierunkowa wytwarza 200 razy więcej promieniowania niż antena izotropowa w danym kierunku przestrzennym, zysk anteny G będzie wynosił 200 lub 23 dB.
Charakterystyka promieniowania anteny
Charakterystyka promieniowania anteny jest graficzną reprezentacją przestrzennego rozkładu energii wypromieniowanej przez antenę. W zależności od zastosowania, antena powinna odbierać sygnały tylko z pewnego kierunku, ale nie powinna odbierać sygnałów z innych kierunków (np. antena telewizyjna, antena radarowa). Z drugiej strony, antena samochodowa, na przykład, powinna być w stanie odbierać nadajniki ze wszystkich możliwych kierunków.
Pożądaną charakterystykę kierunkową uzyskuje się poprzez specyficzną konstrukcję mechaniczną i elektryczną anteny. Charakterystyka kierunkowa wskazuje jak dobrze antena odbiera lub nadaje w określonym kierunku. Jest on przedstawiany w postaci graficznej jako funkcja kąta azymutu (diagram poziomy) i kąta elewacji (diagram pionowy).
listków
bocznych
przód-tył
Rysunek 2: Ten sam schemat anteny w reprezentacji we współrzędnych kartezjańskich.
listków
bocznych
przód-tył
Rysunek 2: Ten sam schemat anteny w reprezentacji we współrzędnych kartezjańskich.
Stosowany jest albo kartezjański albo biegunowy układ współrzędnych. Wartości pomiarowe w przedstawieniu graficznym mogą mieć wartości liniowe lub logarytmiczne.
Kąt połowy mocy
Szerokość wiązki lub kąt połowy mocy jest zakresem kątowym schematu anteny, w którym co najmniej połowa maksymalnej mocy jest nadal wypromieniowywana!
Punktami granicznymi płata głównego są więc punkty, w których natężenie pola w pomieszczeniu spadło o 3 dB w stosunku do maksymalnego natężenia pola. Kąt Θ nazywany jest kątem połowy mocy lub szerokością połówkową anteny. Dla uproszczenia w obliczeniach często przyjmuje się, że moc jest równomiernie rozłożona w obrębie kąta połowy mocy i że nie ma więcej mocy poza kątem połowy mocy.
Kąt bryłowy anteny
Kąt bryłowy to dwuwymiarowa miara kąta o zmiennej nazwie Ω. Jego jednostką miary jest jednostka pomocnicza steradian [Sr]. Kąt bryłowy anteny lub równoważny kąt bryłowy anteny ΩA to kąt bryłowy, przez który przepłynęłaby całkowita moc anteny, gdyby natężenie promieniowania było stałe dla wszystkich kątów w obrębie tego kąta bryłowego. Na zewnątrz kąta bryłowego anteny natężenie promieniowania byłoby równe zeru. Jest to wartość raczej teoretyczna, ale dla anten o bardzo dużej kierunkowości i niskich listkach bocznych można ją przybliżyć:
| ΩA ≈ Θaz·Θel | gdzie: | Θaz = kąt szerokości wiązki poziomej (w radianach). Θel = kąt pionowy przysłony (w radianach) |
(1) |
Istnieją modele, w których rzut kąta bryłowego anteny na powierzchnię jest profilem prostokątnym o długościach krawędzi równych pół szerokości pionowej i poziomej (piramidalny kąt bryłowy), jak również modele, w których jest on odwzorowany kołowo lub eliptycznie na powierzchnię kulistą (kanoniczny kąt bryłowy).
Tłumienie listków bocznych
Oprócz listka głównego, w charakterystyce promieniowania anteny występuje kilka płatów bocznych oraz płat wsteczny. Zjawiska te są niepożądane, ponieważ mają niekorzystny wpływ na efekt kierunkowy, a także odbierają energię z płata głównego. Stosunek między płatem głównym a największym płatem bocznym nazywany jest tłumieniem płatów bocznych. Tłumienie płata bocznego powinno mieć możliwie wysoką wartość.
Stosunek przód-tył
Stosunek przód-tył, zwany również tłumieniem wstecznym, jest stosunkiem wzmocnienia głównego płata przy 0° do wzmocnienia tylnego płata przy 180°. Również ten stosunek powinien być jak największy.
Rysunek 3: Efektywna powierzchnia anteny jest wycinkiem powierzchni kulistej.
Rysunek 3: Efektywna powierzchnia anteny jest wycinkiem powierzchni kulistej.
Efektywna powierzchnia anteny (apertura)
Ważnym parametrem anteny jest efektywna powierzchnia anteny (Ae) lub apertura anteny. W warunkach optymalnej orientacji i polaryzacji, maksymalna moc odbierana przez antenę odbiorczą jest proporcjonalna do gęstości mocy fali płaskiej padającej w miejscu odbioru. Gęstość promieniowania czoła fali jest mocą przypadającą na jednostkę powierzchni. Współczynnik proporcjonalności ma zatem wymiar obszaru reprezentowanego przez antenę w polu elektromagnetycznym. Obszar ten nazywany jest efektywną powierzchnią anteny Ae i jest ściśle związany z kierunkowością D anteny, która jest również równa zyskowi dla anteny bezstratnej:
| D = G·η = | 4π · Ae | ; Ae = Ka·A | gdzie: | η = sprawność anteny λ = długość fali Ae = efektywna powierzchnia anteny A = geometryczna powierzchnia anteny Ka = efektywność obszaru anteny (efektywność apertury) |
(2) |
| λ2 |
To równanie pokazuje bardzo ważną zależność: kierunkowość anteny jest określona przez jej geometryczne wymiary. Im większa jest powierzchnia anteny w stosunku do długości fali, tym większa jest jej kierunkowość.
Efektywna powierzchnia anteny może być również określona dla anten liniowych. Niekoniecznie musi ona odpowiadać geometrycznemu wydłużeniu anteny, co jest szczególnie oczywiste w przypadku anten drutowych. Stosunek tych dwóch wielkości nazywany jest sprawnością aperturową anteny Ka. Dla anten z dużym reflektorem parabolicznym, Ka = 0,6 … 1,0. Efektywna powierzchnia anteny prostokątnego promiennika tubowego o wymiarach a i b jest nieco mniejsza od powierzchni geometrycznej a·b.
Efektywna powierzchnia anteny zależy od rozkładu promieniowania na geometrycznym obszarze anteny. Jeśli rozkład promieniowania jest liniowy, to Ka= 1. Jednakże, wysoka sprawność apertury przy liniowym rozkładzie promieniowania skutkuje również silnie zaznaczonymi listkami bocznymi. Jeśli dla praktycznego zastosowania anteny loby boczne mają być mniejsze, to rozkład promieniowania musi być nieliniowy, a efektywna powierzchnia anteny jest wtedy mniejsza od geometrycznej powierzchni anteny (Ae< A).
Szerokość pasma
Pasmo przenoszenia anteny to zakres częstotliwości, w którym antena posiada wymagane właściwości:
- rozkład przestrzenny (wzór antenowy);
- polaryzacji;
- impedancja;
- tryb propagacji
nadal osiągane. Ze względu na swoje właściwości rezonansowe, większość typów anten pozwala na uzyskanie raczej wąskiego pasma przenoszenia, wynoszącego około 5 do 10% ich częstotliwości środkowej (np. 100 do 200 MHz szerokości pasma przy 2 GHz). Dla większych szerokości pasma stosuje się specjalne anteny, na przykład logarytmiczną antenę okresową lub antenę Vivaldiego.