Диаграмма направленности антенны - пространственное распределение мощности. Диаграмма показывает направленность или усиление антенны. диаграмма направленности мощности антенны отображает передаваемую или принимаемую мощность для данного радиуса. Диаграмма направленности поля антенны строит график изменения электрического или магнитного поля для данного радиуса. Диаграмма направленности обеспечивает такие детали, как максимальное и минимальное значение величины поля и диапазон углов, по которым строятся данные.
h = helix; h.Turns = 13; h.Radius = 0.025; pattern(h,2.1e9)
Используйте pattern функция для построения диаграммы направленности любой антенны в Toolbox™ антенн. По умолчанию функция отображает направленность антенны. Можно также построить график электрического поля и массива мощности с помощью аргумента пары имя-значение типа функции массива.
Каждая диаграмма направленности антенны содержит лепестки излучения. Доли делятся на основные доли (также называемые главными долями) и малые доли. Боковые лепестки и задние лепестки являются вариациями малых лепестков.
h = helix; h.Turns = 13; h.Radius = 0.025; patternElevation(h,2.1e9)
Major or Main lobeПоказывает направление максимального излучения или мощности антенны.
Minor lobeПоказывает излучение в нежелательных направлениях антенны. Чем меньше количество малых лепестков, тем выше эффективность антенны. Боковые лопасти - это малые лопасти, которые лежат рядом с главной лопастью. Задние лепестки - это малые лепестки, которые лежат напротив главного лепестка антенны.
NullПоказывает направление нулевой интенсивности излучения антенны. Нулевые значения обычно лежат между основной и малой лопастями или между вспомогательными лопастями антенн.
Для инженера по антеннам и инженера по электромагнитной совместимости (ЭМС) важно понимать области вокруг антенны.
Область вокруг антенны определяется многими способами. Наиболее используемым описанием является модель из 2- или 3 областей. Модель с двумя регионами использует термины ближнее поле и дальнее поле для определения конкретных доминирующих механизмов поля. Диаграмма является представлением антенных полей и границ. 3-полевая область расщепляет ближнее поле на переходную зону, где работает слабо излучающий механизм.
Near-Field RegionБлижнепольная область разделена на две переходные зоны: реактивную и излучающую.
Reactive Near-Field RegionЭта область находится ближе всего к поверхности антенны. В этом регионе доминирует реактивное поле. Реактивное поле - это накопленная энергия, или стоячие волны. Поля в этой области быстро изменяются с расстоянием от антенны. Уравнение для внешней границы этой области: R 0,62D3/λ где R - расстояние от антенны, λ - длина волны, D - наибольший размер антенны. Это уравнение верно для большинства антенн. В очень коротком диполе внешняя граница этой области составляет от поверхности антенны.
Radiating Near-Field RegionЭта область также называется областью Френеля и находится между реактивной ближней областью и дальней областью. Существование этой области зависит от наибольшего размера антенны и длины волны работы. В этом регионе доминируют излучающие поля. Уравнение для внутренней границы области представляет собой уравнение , а внешняя граница представляет собой 2D2/λ. Это справедливо для большинства антенн. Распределение поля зависит от расстояния от антенны.
Far-field RegionЭтот регион также называется Фраунгоферским регионом. В этой области распределение поля не зависит от расстояния от антенны. Электрические и магнитные поля в этой области ортогональны друг другу. Эта область содержит распространяющиеся волны. Уравнение для внутренней границы дальнего поля - 2D2/λ, а уравнение для внешней границы - бесконечность.
Направленность - способность антенны излучать мощность в конкретном направлении. Его можно определить как отношение максимальной интенсивности излучения в нужном направлении к средней интенсивности излучения во всех остальных направлениях. Уравнение для направленности:
"" "" "" "" "" "
где:
D - направление антенны.
U - интенсивность излучения антенны
Пра ́ д - средняя излучаемая мощность антенны во всех остальных направлениях
Направленность антенны безразмерна и рассчитывается в децибелах по сравнению с изотропным излучателем (dBi).
Коэффициент усиления антенны зависит от направленности и эффективности антенны. Его можно определить как отношение максимальной интенсивности излучения в нужном направлении к общему входу мощности антенны. Уравнение коэффициента усиления антенны:
"" "" "" "" "" "" "
где:
G - коэффициент усиления антенны
U - интенсивность излучения антенны
Контакт - это общая мощность, поступающая на антенну
Если эффективность антенны в нужном направлении 100%, то суммарная мощность, поступающая на антенну, равна суммарной мощности, излучаемой антенной, то есть Pad. В этом случае направленность антенны равна коэффициенту усиления антенны.
Ширина луча антенны - это угловая мера покрытия диаграммы направленности антенны. Как видно на чертеже, главный луч представляет собой область вокруг максимального излучения. Этот луч также называют главным лепестком, или главным лепестком антенны.
Ширина луча половинной мощности (HPBW) - это угловое разделение, при котором величина диаграммы направленности уменьшается на 50% (или -3dB) от пика главного луча
Используйте beamwidth для вычисления ширины луча любой антенны в панели инструментов антенны.
E-planeПлоскость, содержащая вектор электрического поля и направление максимального излучения. Рассмотрим дипольную антенну, вертикальную вдоль оси Z. Используйте patternElevation для вывода на печать образца плоскости фасада. Показанная диаграмма плоскости возвышения отражает поведение плоскости E дипольной антенны.
d = dipole; patternElevation(d,70e6)
H-planeПлоскость, содержащая вектор магнитного поля и направление максимального излучения. Используйте patternAzimuth функция для построения диаграммы направленности плоскости азимута дипольной антенны. Показанное азимутальное изменение диаграммы направленности фиксирует поведение Н-плоскости дипольной антенны.
d = dipole; patternAzimuth(d,70e6)
Использовать EHfields измерение электрического и магнитного полей антенны. Функция может использоваться для вычисления как ближних, так и дальних полей.
Поляризация - это ориентация электрического поля, или E-field, антенны. Поляризация классифицируется как эллиптическая, линейная или круговая.
Elliptical polarizationЕсли электрическое поле остается постоянным по длине, но отслеживает эллипс, когда он движется вперед, поле эллиптически поляризовано. Линейная и круговая поляризации - особые случаи эллиптической поляризации.
Linear polarizationЕсли вектор электрического поля в точке пространства направлен вдоль прямой линии, то поле линейно поляризуется. Линейно поляризованная антенна излучает только одну плоскость, и эта плоскость содержит направление распространения радиоволн. Существует два типа линейной поляризации:
Horizontal PolarizationВектор электрического поля параллелен нулевой плоскости. Чтобы просмотреть диаграмму горизонтальной поляризации антенны, используйте pattern функция, с аргументом пары имя-значение «Поляризация», равным «H». На графике показана диаграмма горизонтальной поляризации дипольной антенны:
d = dipole; pattern(d,70e6,'Polarization','H')
Телевизионные сети США используют для вещания горизонтально поляризованные антенны.
Vertical PolarizationВектор электрического поля перпендикулярен нулевой плоскости. Для просмотра диаграммы направленности вертикальной поляризации антенны используйте pattern с аргументом пары имя-значение «Поляризация», равным «V». Вертикальная поляризация используется, когда сигнал должен излучаться во всех направлениях. На графике показана диаграмма вертикальной поляризации дипольной антенны:
d = dipole; pattern(d,70e6,'Polarization','V')
Радиотрансляционная антенна AM или автомобильная кнутая антенна являются некоторыми примерами вертикально поляризованных антенн.
Circular PolarizationЕсли электрическое поле остается постоянным вдоль прямой линии, но отслеживает окружность, когда оно движется вперед, поле кругово поляризуется. Эта волна излучается как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. Круговая поляризация чаще всего используется в спутниковой связи. Существует два типа круговой поляризации:
Right-Hand Circularly Polarized (RHCP)Вектор электрического поля отслеживается в направлении против часовой стрелки. Для просмотра диаграммы направленности RHCP антенны используйте pattern с аргументом пара имя-значение «Поляризация», установленным на «RHCP». На графике показана схема RHCP спиральной антенны:
h = helix; h.Turns = 13; h.Radius = 0.025; pattern(h,1.8e9,'Polarization','RHCP')
Left-Hand circularly polarized (LHCP)Вектор электрического поля отслеживается в направлении по часовой стрелке. Для просмотра диаграммы направленности LHCP антенны используйте pattern с аргументом пара имя-значение «Поляризация», установленным на «LHCP». На графике показана схема LHCP спиральной антенны:
h = helix; h.Turns = 13; h.Radius = 0.025; pattern(h,1.8e9,'Polarization','LHCP')
Для эффективной связи антенны на передающем и приемном конце должны иметь одинаковую поляризацию.
Осевое отношение (AR) антенны в заданном направлении количественно определяет отношение компонентов ортогонального поля, излучаемых в круговой поляризованной волне. Осевое отношение бесконечности подразумевает линейно поляризованную волну. Когда осевое отношение равно 1, излучаемая волна имеет чистую круговую поляризацию. Значения больше 1 подразумевают эллиптически поляризованные волны.
Использовать axialRatio для вычисления осевого отношения для любой антенны в панели инструментов антенны.
[1] Баланис, К. А. Теория антенн. Анализ и дизайн, 3-й ред. Нью-Йорк: Уайли, 2005.
[2] Штутцман, Warren.L и Тиле, Гэри А. Теория и дизайн антенны, 3-й ред. Нью-Йорк: Уайли, 2013.
[3] Capps, C. Ближнее или Дальнее поле, EDN, 16 августа 2001, стр. 95 - стр. 102.