hlavný

Efektívna apertúra antény

Užitočným parametrom na výpočet prijímacieho výkonu antény jeefektívna plochaaleboefektívna clonaPredpokladajme, že na anténu dopadá rovinná vlna s rovnakou polarizáciou ako prijímacia anténa. Ďalej predpokladajme, že vlna sa šíri smerom k anténe v smere maximálneho žiarenia antény (smer, z ktorého by sa prijímal najväčší výkon).

Potomefektívna clonaParameter opisuje, koľko energie sa zachytí z danej rovinnej vlny. Nechpje hustota výkonu rovinnej vlny (vo W/m^2). AkP_tpredstavuje výkon (vo wattoch) na anténnych svorkách dostupných pre prijímač antény, potom:

2

Efektívna plocha teda jednoducho predstavuje, koľko energie je zachytené z rovinnej vlny a dodané anténou. Táto plocha zohľadňuje straty vlastné anténe (ohmické straty, dielektrické straty atď.).

Všeobecný vzťah pre efektívnu apertúru z hľadiska maximálneho zisku antény (G) akejkoľvek antény je daný vzťahom:

3

Efektívnu apertúru alebo efektívnu plochu je možné merať na skutočných anténach porovnaním so známou anténou s danou efektívnou apertúrou alebo výpočtom pomocou nameraného zisku a vyššie uvedenej rovnice.

Efektívna apertúra bude užitočným konceptom na výpočet prijímaného výkonu z rovinnej vlny. Ak chcete vidieť tento postup v praxi, prejdite na ďalšiu časť o Friisovom vzorci pre prenos.

Friisova prevodová rovnica

Na tejto stránke predstavujeme jednu z najzákladnejších rovníc v teórii antén,Friisova prenosová rovnicaNa výpočet výkonu prijímaného z jednej antény (so ziskom) sa používa Friisova prenosová rovnicaG1), keď sa vysiela z inej antény (so ziskomG2), oddelené vzdialenosťouRa pracujú na frekvenciifalebo vlnová dĺžka lambda. Túto stránku stojí za prečítanie niekoľkokrát a malo by sa jej úplne porozumieť.

Odvodenie Friisovho prevodového vzorca

Na začiatok odvodenia Friisovej rovnice si predstavme dve antény vo voľnom priestore (bez prekážok v blízkosti) oddelené vzdialenosťouR:

4

Predpokladajme, že do vysielacej antény je dodávaných () wattov celkového výkonu. Zatiaľ predpokladajme, že vysielacia anténa je všesmerová, bezstratová a že prijímacia anténa sa nachádza vo vzdialenom poli vysielacej antény. Potom hustota výkonup(vo wattoch na štvorcový meter) rovinnej vlny dopadajúcej na prijímaciu anténu vo vzdialenostiRz vysielacej antény je daný vzťahom:

41bd284bf819e176ae631950cd267f7

Obrázok 1. Vysielacia (Tx) a prijímacia (Rx) anténa oddelenáR.

5

Ak má vysielacia anténa zisk antény v smere prijímacej antény daný vzťahom (), potom vyššie uvedená rovnica hustoty výkonu bude mať tvar:

2
6

Člen zosilnenia zohľadňuje smerovosť a straty skutočnej antény. Predpokladajme teraz, že prijímacia anténa má efektívnu apertúru danú vzťahom()Potom je výkon prijímaný touto anténou ( ) daný vzťahom:

4
3
7

Keďže efektívnu apertúru pre akúkoľvek anténu možno vyjadriť aj ako:

8

Výsledný prijatý výkon možno zapísať ako:

9

Rovnica 1

Toto je známe ako Friisov prenosový vzorec. Vzťahuje stratu dráhy vo voľnom priestore, zisky antény a vlnovú dĺžku na prijímaný a vysielací výkon. Toto je jedna zo základných rovníc v teórii antén a mala by sa pamätať (rovnako ako vyššie uvedený odvodený vzorec).

Ďalší užitočný tvar Friisovej prenosovej rovnice je uvedený v rovnici [2]. Keďže vlnová dĺžka a frekvencia f súvisia s rýchlosťou svetla c (pozri úvod na stránke o frekvencii), máme Friisovu prenosovú rovnicu z hľadiska frekvencie:

10

Rovnica 2

Rovnica [2] ukazuje, že pri vyšších frekvenciách sa stráca viac energie. Toto je základný výsledok Friisovej prenosovej rovnice. To znamená, že pre antény so špecifikovaným ziskom bude prenos energie najvyšší pri nižších frekvenciách. Rozdiel medzi prijatým a prenášaným výkonom sa nazýva strata dráhy. Inými slovami, Friisova prenosová rovnica hovorí, že strata dráhy je vyššia pri vyšších frekvenciách. Dôležitosť tohto výsledku z Friisovej prenosovej rovnice nemožno preceňovať. Preto mobilné telefóny vo všeobecnosti pracujú na frekvenciách nižších ako 2 GHz. Pri vyšších frekvenciách môže byť k dispozícii viac frekvenčného spektra, ale s tým spojená strata dráhy neumožní kvalitný príjem. Ako ďalší dôsledok Frisovej prenosovej rovnice predpokladajme, že sa vás niekto opýta na antény s frekvenciou 60 GHz. Keďže táto frekvencia je veľmi vysoká, môžete konštatovať, že strata dráhy bude príliš vysoká na komunikáciu na dlhé vzdialenosti – a máte úplnú pravdu. Pri veľmi vysokých frekvenciách (60 GHz sa niekedy označuje ako oblasť mm (milimetrových vĺn)) je strata dráhy veľmi vysoká, takže je možná iba komunikácia z bodu do bodu. K tomu dochádza, keď sú prijímač a vysielač v tej istej miestnosti a oproti sebe. Ako ďalší dôsledok Friisovho prenosového vzorca, myslíte si, že sú operátori mobilných telefónov spokojní s novým pásmom LTE (4G), ktoré pracuje na frekvencii 700 MHz? Odpoveď je áno: ide o nižšiu frekvenciu, ako na ktorej tradične pracujú antény, ale z rovnice [2] vyplýva, že strata signálu bude preto tiež nižšia. Preto môžu s týmto frekvenčným spektrom „pokryť väčšiu plochu“ a vedúci pracovník spoločnosti Verizon Wireless ho nedávno práve z tohto dôvodu nazval „spektrom vysokej kvality“. Poznámka: Na druhej strane, výrobcovia mobilných telefónov budú musieť do kompaktného zariadenia osadiť anténu s väčšou vlnovou dĺžkou (nižšia frekvencia = väčšia vlnová dĺžka), takže práca konštruktéra antény sa trochu skomplikovala!

Nakoniec, ak antény nie sú polarizačne zosúladené, vyššie uvedený prijatý výkon by sa mohol vynásobiť faktorom polarizačných strát (PLF), aby sa tento nesúlad správne zohľadnil. Vyššie uvedenú rovnicu [2] je možné upraviť tak, aby sa vytvoril zovšeobecnený Friisov prenosový vzorec, ktorý zahŕňa nesúlad polarizácie:

11

Rovnica3


Čas uverejnenia: 8. januára 2024

Získajte technický list produktu