Figura 1. Regioni del lobo principale e dei lobi laterali utilizzate per definire l'efficienza del fascio dell'antenna.
Che cos'è l'efficienza del fascio di un'antenna?
efficienza del fascio dell'antennaL'efficienza del lobo principale, detta anche efficienza del lobo principale, è la frazione della potenza totale irradiata da un'antenna che ricade all'interno di una regione definita del lobo principale. Risponde a una domanda pratica di progettazione: quanta radiazione disponibile viene concentrata verso il settore angolare desiderato invece di essere distribuita nei lobi laterali e nel lobo posteriore?
Per un'antenna ricevente, la reciprocità permette di vedere lo stesso concetto come la frazione di potenza ricevuta raccolta attraverso il lobo principale quando le condizioni del campo circostante e della polarizzazione sono definite in modo coerente. L'efficienza del fascio è quindi particolarmente utile in radar, radiometria, collegamenti satellitari, sistemi a microonde punto-punto e misurazione delle antenne, dove l'energia proveniente da o diretta verso direzioni indesiderate può ridurre la precisione o aumentare le interferenze.
Nella Figura 1, il lobo principale è centrato sull'asse z. Se l'angolo del cono θ1contrassegna il primo punto nullo o un altro confine del fascio principale specificato esplicitamente; l'efficienza del fascio viene calcolata integrando il diagramma di potenza all'interno di quel cono e dividendolo per la potenza integrata sull'intero diagramma di radiazione.
Formula per l'efficienza del fascio dell'antenna
Utilizzando il modello di potenza normalizzato Pn(θ,φ), l'espressione generale dell'efficienza del fascio è mostrata di seguito:
Il numeratore rappresenta la potenza contenuta all'interno dell'angolo solido del fascio principale selezionato, ΩMB. Il denominatore rappresenta la potenza totale irradiata integrata su 4π steradianti. Il valore risultante, ηBè adimensionale e viene normalmente espresso in percentuale.
- Pn(θ,φ)è il modello di potenza normalizzato. Se vengono utilizzati i dati del campo elettrico misurato, il termine di potenza corrispondente è proporzionale a |E|2.
- ΩMBè la regione del fascio principale specificata, spesso delimitata dai primi nulli o da un angolo di cono definito.
- θ e φsono le coordinate di elevazione e azimut utilizzate per descrivere l'intero schema di radiazione.
Il limite del fascio principale deve essere sempre indicato insieme al risultato. Due laboratori possono ottenere valori numerici diversi dallo stesso schema se uno integra fino al primo zero mentre l'altro utilizza un cono angolare fisso. Per un fascio di matita approssimativamente simmetrico per rotazione, l'integrazione può essere semplificata come mostrato nella seguente espressione.
Come si misura l'efficienza del fascio di un'antenna?
L'efficienza del fascio si ottiene dai dati del diagramma di radiazione piuttosto che da una singola lettura dell'asse principale. È possibile utilizzare un campo di prova in campo lontano calibrato, un campo di prova compatto per antenne o un sistema in campo vicino con una trasformazione del campo lontano validata. Per gli array a fasi, la misurazione deve essere ripetuta per ogni stato del fascio, frequenza e polarizzazione richiesti, poiché la scansione e gli errori di ampiezza o fase possono ridistribuire la potenza nei lobi laterali.
- Misurare il modello di radiazionecon una copertura angolare sufficiente a includere il fascio principale, i lobi laterali e il lobo posteriore.
- Convertire il campo misurato in un diagramma di potenzae applicare la stessa normalizzazione a ogni campione angolare.
- Definire il limite della trave principale, come ad esempio il primo contorno nullo o un angolo di cono specificato.
- Integrare il potere all'interno di quel confinee dividerlo per la potenza integrata sull'intero schema.
- Segnalare le condizioni di prova, inclusi frequenza, polarizzazione, stato del fascio, risoluzione angolare e definizione del contorno.
Una coppia di sezioni bidimensionali sul piano E e sul piano H può mostrare l'ampiezza del fascio e il comportamento dei lobi laterali, ma normalmente non fornisce un valore completo di efficienza del fascio tridimensionale a meno che non sia stata giustificata la simmetria rotazionale. Dati di pattern a sfera intera o sufficientemente completi forniscono un risultato più difendibile. Scopri di più su RF MISOcapacità di test delle antenne.
Efficienza del fascio rispetto ad altri termini di efficienza dell'antenna
Efficienza del fascio vs. efficienza di radiazione
efficienza di radiazioneconfronta la potenza irradiata con la potenza accettata dall'antenna e quindi riflette le perdite del conduttore e del dielettrico.Efficienza del fascioDescrive la direzione in cui si propaga la potenza irradiata. Un'antenna può avere basse perdite interne, ma presentare comunque un'efficienza del fascio modesta se una potenza considerevole si manifesta nei lobi laterali o nel lobo posteriore.
Efficienza del fascio vs. direttività e guadagno
TrasportabilitàDescrive la concentrazione di picco del diagramma di radiazione rispetto a un radiatore isotropico. Il guadagno combina la direttività con l'efficienza di radiazione, mentre il guadagno realizzato tiene conto anche del disadattamento di impedenza. L'efficienza del fascio è diversa perché integra la potenza su una regione angolare invece di valutare solo la direzione di picco.
Efficienza del fascio vs. ampiezza del fascio
La larghezza del fascio a metà potenza è la larghezza angolare tra i punti a -3 dB del lobo principale. Un fascio stretto è spesso associato a un'elevata direttività, ma di per sé non garantisce un'elevata efficienza del fascio. Un diagramma di radiazione può avere un picco stretto e tuttavia inviare una quantità significativa di energia ai lobi laterali. La larghezza del fascio e il livello dei lobi laterali devono quindi essere valutati insieme al valore complessivo dell'efficienza del fascio.
Quali fattori influenzano l'efficienza del fascio dell'antenna?
1. Livelli del lobo laterale e del lobo posteriore
La potenza al di fuori della regione del fascio principale selezionato riduce direttamente l'efficienza del fascio. Lobi laterali elevati possono derivare da discontinuità dell'apertura, spaziatura dell'array, errori di ampiezza o un profilo di illuminazione non ottimizzato per il diagramma di radiazione richiesto. La radiazione posteriore e la diffusione da strutture vicine possono avere un effetto simile.
2. Illuminazione dell'apertura e attenuazione dell'ampiezza
Le antenne e gli array ad apertura utilizzano una distribuzione di ampiezza sull'apertura radiante. Una distribuzione quasi uniforme può produrre un lobo principale stretto e un'elevata direttività, ma può anche generare lobi laterali relativamente elevati. L'applicazione di una rastrematura di ampiezza può sopprimere i lobi laterali e concentrare una maggiore quantità di potenza totale del diagramma di radiazione nella regione desiderata, sebbene una rastrematura eccessiva possa allargare il lobo principale e ridurre il guadagno di picco o l'efficienza dell'apertura. La configurazione ottimale è quindi un compromesso specifico per ogni applicazione.
3. Trabocco del materiale di alimentazione e ostruzione strutturale
In un'antenna a riflettore, l'energia che non colpisce il riflettore si disperde e non contribuisce al lobo principale desiderato. Anche i supporti di alimentazione, un subriflettore o componenti hardware vicini possono bloccare o disperdere parte del campo di apertura. Una corretta selezione del supporto di alimentazione, il posizionamento focale e l'allineamento meccanico contribuiscono a controllare queste perdite e i lobi indesiderati.
4. Errori di fase, ampiezza e superficie
Lo squilibrio di fase tra gli elementi dell'array, la perdita di alimentazione non uniforme, le tolleranze di fabbricazione, gli errori di superficie del riflettore e la distorsione del radome possono deviare l'energia dal fascio desiderato. Questi effetti diventano generalmente più importanti all'aumentare della frequenza, poiché un errore dimensionale fisso rappresenta una frazione maggiore della lunghezza d'onda.
5. Purezza della polarizzazione
Alcune definizioni di efficienza del fascio considerano solo la potenza nella polarizzazione desiderata. La radiazione a polarizzazione incrociata all'interno o all'esterno del fascio principale può quindi ridurre il valore riportato. La polarizzazione deve essere specificata in modo coerente nelle simulazioni, nelle misurazioni e nei requisiti di sistema.
L'efficienza del fascio, la larghezza del fascio e la larghezza di banda sono diverse
Efficienza del fascioè un rapporto di potenza angolare integrato.Larghezza del fascioDescrive l'ampiezza angolare del lobo principale a un determinato livello, comunemente corrispondente al punto di metà potenza o a -3 dB.larghezza dell'antennaDescrive l'intervallo di frequenza entro il quale vengono soddisfatti i requisiti selezionati. Questi parametri si influenzano a vicenda, ma non sono intercambiabili.
Un progetto può mantenere un VSWR accettabile su un ampio intervallo di frequenza, mentre la direzione del fascio, il livello dei lobi laterali o l'efficienza del fascio cambiano sostanzialmente in prossimità dei bordi di banda. Le prestazioni del diagramma di radiazione dovrebbero quindi essere verificate a diverse frequenze piuttosto che dedotte dalla sola larghezza di banda di impedenza. Per una trattazione dettagliata delle definizioni di intervallo di frequenza, vedereLarghezza di banda dell'antenna.
Come si può migliorare l'efficienza del fascio?
- Scegliete un'apertura conica che bilanci la soppressione dei lobi laterali, l'ampiezza del fascio principale e il guadagno.
- Ottimizzare la posizione del riflettore, l'illuminazione dei bordi e la diffusione della luce.
- Negli array, utilizzare una spaziatura adeguata tra gli elementi e un controllo preciso dell'ampiezza o della fase per evitare la formazione di lobi di diffrazione.
- Riduce gli intralci, la dispersione dei cavi e le interazioni indesiderate con la struttura di montaggio o il radome.
- Controllo delle tolleranze di lavorazione, della precisione superficiale e dell'allineamento alla massima frequenza operativa.
- Verificare i modelli di polarizzazione copolare e incrociata sull'intera banda operativa e per ogni stato del fascio richiesto.
In quali situazioni l'efficienza degli abbaglianti è più importante?
Un'elevata efficienza del fascio è particolarmente preziosa quando la potenza o l'energia ricevuta devono essere confinate in una direzione ben definita. Esempi tipici includono radar di tracciamento e imaging di bersagli, collegamenti di comunicazione satellitare, radioastronomia e radiometria, collegamenti a microonde punto-punto, sistemi di alimentazione a riflettore, antenne di calibrazione e array a puntamento elettronico.
Non esiste una percentuale di efficienza del fascio universale valida per ogni antenna. Un requisito utile deve specificare la frequenza operativa, la polarizzazione, lo stato del fascio e il limite angolare, insieme al comportamento accettabile dei lobi laterali e del lobo posteriore. Ciò consente di confrontare direttamente i dati del fornitore, le simulazioni e i risultati misurati.
Cosa dovrebbero controllare gli acquirenti nella scheda tecnica di un'antenna?
Quando il controllo del fascio è importante, non valutare un'antenna basandosi solo sul guadagno di picco. Chiedi al produttore quali dati relativi al diagramma di radiazione e alle condizioni di prova sono disponibili per il modello specifico e la gamma di frequenza desiderata.
- Gamma di frequenza operativa e frequenze utilizzate per le misurazioni del modello
- Guadagno, ampiezza del fascio a metà potenza e livello del primo lobo laterale in funzione della frequenza.
- Diagrammi di radiazione copolari e a polarità incrociata nei piani richiesti o su una scansione sferica
- Il limite angolare e la polarizzazione utilizzati per calcolare l'efficienza del fascio, quando tale valore è specificato
- VSWR, connettore o interfaccia a guida d'onda, gestione della potenza e requisiti ambientali
- Tolleranze meccaniche, disposizione di montaggio e qualsiasi configurazione di alimentazione del radome o del riflettore
Soluzioni di antenne a microonde RF MISO
RF MISO fornisce antenne a microonde e onde millimetriche per misurazione, radar, comunicazione e integrazione di sistemi. Le famiglie di prodotti rilevanti includono:antenne a tromba a guadagno standard, antenne a riflettoreEantenne a schieraLe specifiche del modello e i dati di test disponibili devono essere confrontati con le prestazioni richieste in termini di frequenza, polarizzazione, guadagno e diagramma di radiazione.
Per la selezione dell'antenna o per esigenze personalizzate,contattare RF MISO at info@rf-miso.com.
Data di pubblicazione: 12 luglio 2024
