Qual è l'apertura effettiva di un'antenna?
ILapertura effettiva di un'antenna, chiamato anchearea efficace (Ae), descrive l'efficacia con cui un'antenna ricevente cattura la potenza da un'onda elettromagnetica incidente. Si tratta di un'area di ricezione equivalente, non necessariamente dell'apertura fisica dell'antenna.
Per un'onda piana con polarizzazione adattata proveniente dalla direzione di massima ricezione, l'apertura effettiva collega la densità di potenza incidente alla potenza disponibile ai terminali dell'antenna.
If Sè la densità di potenza incidente in W/m2EPrse la potenza ricevuta disponibile è espressa in watt, allora:
Pr= SAe
Un'apertura effettiva maggiore raccoglie più energia dallo stesso campo incidente, a condizione che la direzione di arrivo e la polarizzazione siano allineate.
L'apertura effettiva tiene conto dell'efficienza di radiazione e di altre perdite dell'antenna, incluse le perdite del conduttore e del dielettrico. Pertanto, misura le prestazioni di ricezione utilizzabili, non solo le dimensioni fisiche. L'efficienza di apertura, il disadattamento di impedenza e il disadattamento di polarizzazione possono ridurre la potenza erogata al ricevitore.
Formula dell'apertura effettiva e guadagno dell'antenna
L'apertura effettiva massima di qualsiasi antenna è correlata al suo guadagnoGe lunghezza d'ondaλdi:
Ae= Gλ2/(4π)
In questa equazione, usa il guadagno come rapporto lineare, non dBi. Converti il guadagno conG = 10G(dBi)/10. Perché la lunghezza d'onda è ugualec/fL'apertura effettiva diminuisce all'aumentare della frequenza quando il guadagno viene mantenuto costante.
Al contrario, le antenne con la stessa apertura fisica possono raggiungere un guadagno maggiore a lunghezze d'onda più corte quando l'efficienza di apertura rimane comparabile. Questa relazione aiuta gli ingegneri a confrontare le capacità di ricezione su diverse frequenze.
Come viene determinata l'apertura effettiva
L'apertura effettiva può essere calcolata a partire dal guadagno misurato, determinato tramite confronto con un'antenna di riferimento, oppure dedotta da misurazioni calibrate della potenza di ricezione. Il risultato è utile per i bilanci di collegamento, le misurazioni delle antenne e le stime di sensibilità del sistema.
Per le applicazioni di misurazione, esplora RF MISOantenne a tromba a guadagno standardche forniscono un guadagno noto su bande di frequenza specificate.
Utilizzo dell'apertura efficace nell'equazione di trasmissione di Friis
ILequazione di trasmissione di Friiscollega la potenza trasmessa, i guadagni dell'antenna, la lunghezza d'onda e la distanza di separazione in un collegamento a campo lontano nello spazio libero. Per il guadagno del trasmettitoreGt, guadagno del ricevitoreGrlunghezza d'ondaλe distanzaRstima la potenza disponibile all'antenna ricevente.
UtilizzandoPr= SAeIl sistema esplicita il ruolo dell'apertura effettiva di ricezione: l'antenna trasmittente stabilisce la densità di potenza al ricevitore, e l'antenna ricevente converte parte di tale campo in potenza terminale.
Derivazione della formula della trasmissione Friis
Consideriamo due antenne separate da una distanzaRin uno spazio libero e senza ostacoli. L'antenna ricevente deve trovarsi nel campo lontano del trasmettitore e le antenne devono essere allineate in direzione e polarizzazione.
If PtI watt vengono forniti a un'antenna trasmittente isotropica ideale, la potenza si diffonde sulla superficie di una sfera. A distanzaR, la densità di potenza incidente è:
Figura 1. Antenne di trasmissione (Tx) e ricezione (Rx) separate daR.
Per un'antenna trasmittente pratica con guadagnoGtIn direzione del ricevitore, la densità di potenza incidente aumenta di tale fattore di guadagno:
Se l'antenna ricevente ha un'apertura effettivaAe, la potenza ricevuta disponibile è la densità di potenza incidente moltiplicata perAe:
Sostituendo la relazione guadagno-apertura per l'antenna ricevente si ottiene:
La potenza ricevuta può quindi essere scritta nella familiare forma a spazio libero:
Equazione 1.Equazione di trasmissione di Friis in termini di lunghezza d'onda.
Equazione 1Mette in relazione la potenza di trasmissione, il guadagno dell'antenna, la lunghezza d'onda e la distanza di separazione. È valida per la propagazione in spazio libero in linea di vista nel campo lontano. I sistemi reali richiedono termini aggiuntivi per la perdita del cavo, la perdita del connettore, l'errore di puntamento, l'attenuazione atmosferica e altri effetti di propagazione.
Forma di frequenza dell'equazione di Friis
Perchéλ = c/f, l'equazione può essere espressa anche in termini di frequenza:
Equazione 2.Equazione di trasmissione di Friis in termini di frequenza.
Come la frequenza influisce sulla potenza ricevuta
Quando il guadagno dell'antenna e la distanza sono mantenuti costanti, l'equazione di Friis prevede una potenza ricevuta inferiore all'aumentare della frequenza, poiché la lunghezza d'onda si accorcia. Questo confronto presuppone gli stessi valori di guadagno a ciascuna frequenza.
Per le antenne con apertura fisica fissa, tuttavia, il guadagno generalmente aumenta al diminuire della lunghezza d'onda. I collegamenti ad alta frequenza e a onde millimetriche possono quindi raggiungere prestazioni elevate con antenne direzionali ad alto guadagno, a condizione che il bilancio del collegamento tenga conto anche della precisione di puntamento, dell'assorbimento atmosferico, della pioggia e delle perdite hardware.
Utilizzare l'equazione di Friis come riferimento nello spazio libero piuttosto che come modello di propagazione completo. Essa presuppone un funzionamento in campo lontano, una linea di vista libera da ostacoli e antenne correttamente allineate.
Disallineamento di polarizzazione
Se le antenne trasmittente e ricevente non sono adattate in polarizzazione, moltiplicare la potenza ricevuta ideale per il fattore di perdita di polarizzazione (PLF). Per i vettori di polarizzazione normalizzati, il PLF varia da 0 a 1; un valore di 1 rappresenta un adattamento perfetto. La forma generalizzata riportata di seguito include questo termine di disadattamento.
Equazione 3.Equazione di trasmissione di Friis generalizzata che include il disadattamento di polarizzazione.
Punti chiave
- L'apertura effettiva converte la densità di potenza incidente in potenza ricevuta disponibile.
- Per guadagnoGe lunghezza d'ondaλ, Ae= Gλ2/(4π).
- Nei calcoli di apertura e Friis, utilizzare il guadagno lineare, non il dBi.
- La legge di Friis si applica ai collegamenti a campo lontano, in linea di vista e nello spazio libero; i bilanci di collegamento pratici richiedono perdite aggiuntive.
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Data di pubblicazione: 08-gen-2024
