Figura 1. Rexións do feixe principal e dos lóbulos laterais empregadas para definir a eficiencia do feixe da antena.
Que é a eficiencia do feixe da antena?
Eficiencia do feixe da antena, tamén chamada eficiencia do feixe principal, é a fracción da potencia total radiada dunha antena que cae dentro dunha rexión definida do feixe principal. Responde a unha pregunta de deseño práctico: canta da radiación dispoñible se concentra cara ao sector angular previsto en lugar de distribuírse nos lóbulos laterais e no lóbulo traseiro?
Para unha antena receptora, a reciprocidade permite que a mesma idea se considere como a fracción da potencia recibida recollida a través do feixe principal cando o campo circundante e as condicións de polarización se definen de forma consistente. Polo tanto, a eficiencia do feixe é especialmente útil en radar, radiometría, enlaces por satélite, sistemas de microondas punto a punto e medición de antenas, onde a enerxía que chega ou sae cara a direccións non desexadas pode reducir a precisión ou aumentar a interferencia.
Na Figura 1, o lóbulo principal está centrado no eixe z. Se o ángulo do cono θ1marca o primeiro límite nulo ou outro límite do feixe principal especificado explicitamente, a eficiencia do feixe calcúlase integrando o patrón de potencia dentro dese cono e dividíndoo pola potencia integrada sobre o patrón de radiación completo.
Fórmula de eficiencia do feixe da antena
Usando o patrón de potencia normalizado Pn(θ,φ), a expresión xeral da eficiencia do feixe móstrase a continuación:
O numerador representa a potencia contida dentro do ángulo sólido do feixe principal seleccionado, ΩMBO denominador representa a potencia radiada total integrada sobre 4π estereorradianos. O valor resultante, ηB, é adimensional e normalmente exprésase como unha porcentaxe.
- Pn(θ,φ)é o patrón de potencia normalizado. Se se usan datos medidos do campo eléctrico, o termo de potencia correspondente é proporcional a |E|2.
- ΩMBé a rexión do feixe principal especificada, a miúdo delimitada polos primeiros nulos ou por un ángulo de cono definido.
- θ e φson as coordenadas de elevación e azimut empregadas para describir o patrón de radiación completo.
O límite do feixe principal debe indicarse sempre co resultado. Dous laboratorios poden obter diferentes valores numéricos do mesmo patrón se un integra co primeiro valor nulo mentres que o outro usa un cono angular fixo. Para un feixe de lapis aproximadamente rotacionalmente simétrico, a integración pódese simplificar como se mostra na seguinte expresión.
Como se mide a eficiencia do feixe da antena?
A eficiencia do feixe obtense a partir dos datos do patrón de radiación en lugar dunha única lectura do eixo de mira. Pódese usar un alcance de campo afastado calibrado, un alcance de proba de antena compacta ou un sistema de campo próximo cunha transformación de campo afastado validada. Para matrices en fase, a medición debe repetirse para cada estado do feixe, frecuencia e polarización requiridos porque os erros de dixitalización e amplitude ou fase poden redistribuír a potencia nos lóbulos laterais.
- Medir o patrón de radiaciónsobre unha cobertura angular suficiente para incluír o feixe principal, os lóbulos laterais e o lóbulo traseiro.
- Converter o campo medido nun patrón de potenciae aplicar a mesma normalización a cada mostra angular.
- Definir o límite da viga principal, como o primeiro contorno nulo ou un ángulo de cono especificado.
- Integra o poder dentro dese límitee divídeo pola potencia integrada sobre o patrón completo.
- Informar das condicións de proba, incluíndo a frecuencia, a polarización, o estado do feixe, a resolución angular e a definición do límite.
Un par de cortes bidimensionais no plano E e no plano H poden mostrar o comportamento do ancho do feixe e dos lóbulos laterais, pero normalmente non proporcionan un valor completo de eficiencia do feixe tridimensional a menos que se xustifique a simetría rotacional. Os datos de patrón de esfera completa ou suficientemente completos dan un resultado máis defendible. Máis información sobre os MISO de RFcapacidades de proba de antenas.
Eficiencia do feixe fronte a outros termos de eficiencia da antena
Eficiencia do feixe fronte á eficiencia da radiación
Eficiencia da radiacióncompara a potencia radiada coa potencia aceptada pola antena e, polo tanto, reflicte as perdas no condutor e no dieléctrico.Eficiencia do feixedescribe onde vai a potencia radiada. Unha antena pode ter unha baixa perda interna pero aínda así ter unha eficiencia de feixe modesta se aparece unha potencia substancial nos lóbulos laterais ou no lóbulo posterior.
Eficiencia do feixe fronte a directividade e ganancia
Directividadedescribe a concentración máxima do patrón de radiación en relación cun radiador isotrópico. A ganancia combina a directividade coa eficiencia da radiación, mentres que a ganancia realizada tamén ten en conta a desaxuste de impedancia. A eficiencia do feixe é diferente porque integra a potencia a través dunha rexión angular en lugar de avaliar só a dirección máxima.
Eficiencia do feixe fronte á anchura do feixe
A amplitude do feixe a metade da potencia é a amplitude angular entre os puntos de -3 dB do lóbulo principal. Un feixe estreito adoita acompañarse dunha alta directividade, pero por si só non demostra unha alta eficiencia do feixe. Un patrón pode ter un pico estreito e aínda así enviar unha enerxía significativa aos lóbulos laterais. Polo tanto, a amplitude do feixe e o nivel do lóbulo lateral deben revisarse xunto co valor da eficiencia do feixe integrado.
Que controla a eficiencia do feixe da antena?
1. Niveis dos lóbulos laterais e posteriores
A potencia fóra da rexión do feixe principal seleccionada reduce directamente a eficiencia do feixe. Os lóbulos laterais altos poden ser o resultado de descontinuidades da apertura, espazado entre matrices, erros de amplitude ou un perfil de iluminación que non foi optimizado para o patrón requirido. A radiación inversa e a dispersión de estruturas próximas poden ter un efecto similar.
2. Iluminación da apertura e conicidade da amplitude
As antenas e as matrices de apertura empregan unha distribución de amplitude ao longo da apertura radiante. Unha distribución case uniforme pode producir un feixe principal estreito e unha alta directividade, pero tamén pode producir lóbulos laterais comparativamente altos. A aplicación dunha conicidade de amplitude pode suprimir os lóbulos laterais e colocar unha maior parte da potencia total do patrón na rexión desexada, aínda que unha conicidade excesiva pode ampliar o feixe principal e reducir a ganancia máxima ou a eficiencia da apertura. Polo tanto, a mellor configuración é unha compensación específica da aplicación.
3. Derrame de alimentación e bloqueo estrutural
Nunha antena reflectora, a enerxía que non chega ao reflector desbordase e non contribúe ao feixe principal desexado. Os soportes de alimentación, un subreflector ou hardware próximo tamén poden bloquear ou dispersar parte do campo de apertura. A selección correcta da alimentación, o posicionamento focal e o aliñamento mecánico axudan a controlar estas perdas e os lóbulos non desexados.
4. Erros de fase, amplitude e superficie
O desequilibrio de fase entre os elementos da matriz, a perda de alimentación desigual, a tolerancia de fabricación, o erro da superficie reflectora e a distorsión do radomo poden afastar a enerxía do feixe previsto. Estes efectos adoitan ser máis importantes a medida que aumenta a frecuencia porque un erro dimensional fixo representa unha fracción maior dunha lonxitude de onda.
5. Pureza da polarización
Algunhas definicións de eficiencia do feixe inclúen só a potencia na polarización desexada. A radiación de polarización cruzada dentro ou fóra do feixe principal pode reducir o valor notificado. A polarización debe especificarse de forma coherente na simulación, na medición e nos requisitos do sistema.
A eficiencia do feixe, o ancho do feixe e o ancho de banda son diferentes
Eficiencia do feixeé unha relación de potencia angular integrada.Ancho do feixedescribe a anchura angular do lóbulo principal a un nivel determinado, normalmente os puntos de metade de potencia ou de -3 dB.Ancho de banda da antenadescribe o rango de frecuencias no que se satisfán os requisitos seleccionados. Estes parámetros inflúen entre si, pero non son intercambiables.
Un deseño pode manter unha ROE aceptable nun amplo rango de frecuencias mentres que a dirección do feixe, o nivel do lóbulo lateral ou a eficiencia do feixe cambian substancialmente preto dos bordos da banda. Polo tanto, o rendemento do patrón debería verificarse en varias frecuencias en lugar de inferirse só a partir do ancho de banda de impedancia. Para un tratamento detallado das definicións do rango de frecuencias, consulteAncho de banda da antena.
Como se pode mellorar a eficiencia do feixe?
- Escolla unha conicidade de apertura que equilibre a supresión dos lóbulos laterais, a anchura do feixe principal e a ganancia.
- Optimice a posición de alimentación do reflector, a iluminación dos bordos e o desbordamento.
- Empregar un espazado axeitado entre elementos e un control preciso da amplitude ou da fase nas matrices para evitar lóbulos de reixa.
- Reducir os bloqueos, a dispersión de cables e a interacción non desexada coa estrutura de montaxe ou o radomo.
- Controle as tolerancias de mecanizado, a precisión superficial e o aliñamento á frecuencia de funcionamento máis alta.
- Verificar os patróns copolares e polares cruzados en toda a banda operativa e en cada estado de feixe requirido.
Onde importa máis a eficiencia das luces longas?
A eficiencia do feixe elevado é particularmente valiosa cando a potencia ou a enerxía recibida debe estar confinada a unha dirección ben definida. Algúns exemplos típicos son o radar de seguimento e obtención de imaxes de obxectivos, as ligazóns de comunicación por satélite, a radioastronomía e a radiometría, as ligazóns de microondas punto a punto, os sistemas de alimentación por reflectores, as antenas de calibración e as matrices dirixidas electronicamente.
Non existe unha porcentaxe universal de eficiencia do feixe que sexa correcta para cada antena. Un requisito útil debe indicar a frecuencia de funcionamento, a polarización, o estado do feixe e o límite angular, xunto co comportamento aceptable dos lóbulos laterais e posteriores. Isto fai que os datos do provedor, a simulación e os resultados medidos sexan directamente comparables.
Que deben comprobar os compradores nunha ficha técnica de antena?
Cando o control do feixe é importante, non avalíes unha antena só a partir da ganancia máxima. Pregunta ao fabricante que datos de patrón e condicións de proba están dispoñibles para o modelo e o rango de frecuencias exactos.
- Rango de frecuencias de funcionamento e frecuencias empregadas para as medicións de patróns
- Ganancia, ancho de feixe a metade de potencia e nivel do primeiro lóbulo lateral en función da frecuencia
- Patróns de radiación copolar e polar cruzada nos planos requiridos ou sobre unha exploración esférica
- O límite angular e a polarización empregados para calcular a eficiencia do feixe, cando se especifica ese valor
- ROE, conector ou interface de guía de ondas, manexo de potencia e requisitos ambientais
- Tolerancias mecánicas, disposición de montaxe e calquera configuración de alimentación de radomo ou reflector
Solucións de antenas de microondas RF MISO
RF MISO subministra antenas de microondas e ondas milimétricas para medición, radar, comunicación e integración de sistemas. As familias de produtos relevantes inclúenantenas de corno de ganancia estándar, antenas reflectoraseantenas de matrizAs especificacións específicas do modelo e os datos de proba dispoñibles deben revisarse en función do rendemento requirido en canto a frecuencia, polarización, ganancia e patrón.
Para a selección de antenas ou un requisito personalizado,contacto RF MISO at info@rf-miso.com.
Data de publicación: 12 de xullo de 2024
