Анализ месторождений

Диаграмма направленности излучения

Диаграмма направленности излучения антенны является пространственным распределением степени. Шаблон отображает направленность или усиление антенны. диаграмма направленности мощности антенны строит графики переданной или мощности приемника для заданного радиуса. Диаграмма направленности по напряжённости поля антенны строит графики изменения электрического или магнитного поля для заданного радиуса. Диаграмма направленности излучения предоставляет такие детали, как максимальное и минимальное значение величины поля и область значений углов, над которыми 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 Antenna Toolbox™. По умолчанию графики функций направленности антенны. Можно также построить график электрического поля и диаграммы направленности мощности при помощи Type аргумента пары "имя-значение" функции pattern.

Лепестки

Каждая диаграмма направленности антенны содержит лепестки излучения. Лопасти разделены на крупные лопасти (также называемые основными лопастями) и незначительные лопасти. Боковые лопасти и задние лопасти являются изменениями незначительных лопастей.

h = helix;
h.Turns = 13;
h.Radius = 0.025;
patternElevation(h,2.1e9)

Major or Main lobe: Показывает направление максимального излучения или степени антенны.
Minor lobe: Показывает излучение в нежелательных направлениях антенны. Чем меньше количество малых лепестков, тем больше эффективности антенны. Боковые лопасти являются незначительными лопастями, которые лежат рядом с основной лопастью. Задние лепестки являются незначительными лепестками, которые лежат напротив основного лепестка антенны.
Null: Показывает направление нулевой интенсивности излучения антенны. Ядра обычно лежат между большой и малой лопастями или между малыми лопастями антенн.

Области поля

Для инженера антенны и инженера по электромагнитной совместимости (EMC) важно понимать области вокруг антенны.

Область вокруг антенны определяется многими способами. Наиболее используемым описанием является модель 2- или 3-х областей. Модель с 2 областями использует термины ближнее поле и дальнее поле, чтобы идентифицировать конкретные доминирующие механизмы поля. Схема является представлением полей и контуров антенны. 3-полевая область разделяет ближнее поле на переходную зону, где работает слабо излучающий механизм.

Near-Field Region: Ближняя область разделена на две переходные зоны: реактивную зону и радиационную зону.

Reactive Near-Field Region: Эта область находится ближе всего к поверхности антенны. Реактивное поле доминирует в этой области. Реактивное поле - это энергия, или стоячие волны. Поля в этой области изменяются быстро с расстоянием от антенны. Уравнение для внешнего контура этой области: $R < 0.62 \sqrt{D^{3} / λ}$ где R - расстояние от антенны, λ - длина волны, а D - наибольшая размерность антенны. Это уравнение верно для большинства антенн. В очень коротком диполе внешний контур этой области $λ / 2 π$ от поверхности антенны.
Radiating Near-Field RegionЭтот регион также называется областью Френеля и находится между реактивной областью ближнего поля и областью дальнего поля. Существование этой области зависит от наибольшей размерности антенны и длины волны операции. В этой области преобладают излучающие поля. Уравнение для внутреннего контура области является уравнением $R \geq 0.62 \sqrt{D^{3} / λ}$ и внешний контур $R < 2 D^{2} / λ$ . Это верно для большинства антенн. Распределение поля зависит от расстояния до антенны.

Far-field RegionЭтот регион также называется областью Фраунгофера. В этой области распределение поля не зависит от расстояния от антенны. Электрическое и магнитное поля в этой области ортогональны друг другу. Эта область содержит распространяющиеся волны. Уравнение для внутреннего контура дальнего поля является $R = 2 D^{2} / λ$ и уравнение для внешнего контура бесконечно.

Направленность и коэффициент усиления

Направленность - это способность антенны излучать степень в конкретном направлении. Это может быть определено как отношение максимальной интенсивности излучения в нужном направлении к средней интенсивности излучения во всех других направлениях. Уравнение для направленности является:

$D = \frac{4 π U (θ, ϕ)}{P_{r a d}}$

где:

D - направленность антенны
U - интенсивность излучения антенны
_Prad - средняя излучаемая степень антенны во всех других направлениях

Направленность антенны безразмерна и вычисляется в децибелах по сравнению с изотропным излучателем (dBi).

Коэффициент усиления антенны зависит от направленности и эффективности антенны. Это может быть определено как отношение максимальной интенсивности излучения в желаемом направлении к общей степени входа антенны. Уравнение для усиления антенны является:

$G = \frac{4 π U (θ, ϕ)}{P_{i n}}$

где:

G - коэффициент усиления антенны
U - интенсивность излучения антенны
_Pin - суммарный вход степени антенны

Если эффективность антенны в нужном направлении 100%, тогда общая степень, вводимая в антенну, равна общей степени, излучаемой антенной, то есть, $P_{i n} = P_{r a d}$ . В этом случае направленность антенны равна усилению антенны.

Ширина луча

Лучевая ширина антенны является угловой мерой покрытия шаблона антенны. Как видно на рисунке, основной луч является областью вокруг максимального излучения. Этот луч также называют основным лепестком или основным лепестком антенны.

Половина ширины луча степени (HPBW) является угловым разделением, при котором величина диаграммы направленности излучения уменьшается на 50% (или -3dB) от пика главного луча

Используйте beamwidth функция для вычисления ширины луча любой антенны в Antenna Toolbox.

E-плоскость и H-плоскость

E-plane: Плоскость, содержащая вектор электрического поля и направление максимального излучения. Рассмотрим дипольную антенну, которая вертикальна вдоль оси Z. Используйте patternElevation функция для построения графика шаблона плоскости повышения. Показанный шаблон плоскости повышения захватывает поведение E-плоскости дипольной антенны.

d = dipole;
patternElevation(d,70e6)

H-plane: Плоскость, содержащая вектор магнитного поля и направление максимального излучения. Используйте patternAzimuth функция для построения графика шаблона плоскости азимута дипольной антенны. Показанное азимутальное изменение шаблона захватывает поведение дипольной антенны на H-плоскости.

d = dipole;
patternAzimuth(d,70e6)

Использовать EHfields для измерения электрического и магнитного полей антенны. Функция может использоваться для вычисления как ближних, так и дальних полей.

Поляризация

Поляризация - это ориентация электрического поля, или E-field, антенны. Поляризация классифицируется как эллиптическая, линейная или круговая.

Elliptical polarization: Если электрическое поле остается постоянным по длине, но отслеживает эллипс, когда он движется вперед, поле эллиптически поляризовано. Линейная и круговая поляризация являются частными случаями эллиптической поляризации.

Linear polarization: Если вектор электрического поля в точке пространства направлен вдоль прямой линии, поле линейно поляризовано. Линейно поляризованная антенна излучает только одну плоскость, и эта плоскость содержит направление распространения радиоволн. Существует два типа линейной поляризации:

Horizontal Polarization: Вектор электрического поля параллелен плоскости земли. Чтобы просмотреть горизонтальный поляризационный шаблон антенны, используйте pattern функция, с аргументом пара имя-значение 'Поляризация', установленным на 'H'. График показывает горизонтальный поляризационный шаблон дипольной антенны:
```
d = dipole;
pattern(d,70e6,'Polarization','H')
```
Телевизионные сети США используют для вещания горизонтально поляризованные антенны.
Vertical Polarization: Вектор электрического поля перпендикулярен плоскости земли. Чтобы просмотреть вертикальный поляризационный шаблон антенны, используйте pattern функция, с аргументом пара имя-значение 'Поляризация', установленным на 'V'. Вертикальная поляризация используется, когда сигнал должен быть излучен во всех направлениях. График показывает вертикальный поляризационный шаблон дипольной антенны:
```
d = dipole;
pattern(d,70e6,'Polarization','V')
```
Радиовещательная антенна AM или автомобильная кнутовая антенна являются некоторыми примерами вертикально поляризованных антенн.

Circular Polarization: Если электрическое поле остается постоянным вдоль прямой линии, но прослеживает круг, когда он движется вперед, поле подвергается круговой поляризации. 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 прослеживается в направлении против часовой стрелки. Чтобы просмотреть шаблон RHCP антенны, используйте pattern функция с параметром ' Polarization ' аргумента пары "имя-значение" установленной на 'RHCP'. На график показан шаблон 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 прослеживается в направлении по часовой стрелке. Чтобы просмотреть шаблон LHCP антенны, используйте pattern функция, с аргументом пара имя-значение 'Поляризация', установленным на 'LHCP'. На график показан LHCP- шаблона 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 концах должны иметь одинаковую поляризацию.

Коэффициент эллиптичности

Коэффициент эллиптичности (AR) антенны в заданном направлении количественно определяет отношение компонентов ортогонального поля, излучаемых в кругово поляризованной волне. Коэффициент эллиптичности бесконечности подразумевает линейно поляризованную волну. Когда коэффициент эллиптичности равен 1, излучаемая волна имеет чистую круговую поляризацию. Значения больше 1 подразумевают эллиптически поляризованные волны.

Использовать axialRatio вычислить коэффициент эллиптичности для любой антенны в Antenna Toolbox.

Ссылки

[1] Balanis, C.A. Antenna Theory. Analysis and Design, 3rd Ed. New York: Wiley, 2005.

[2] Stutzman, Warren.L and Thiele, Gary A. Antenna Theory and Design, 3rd Ed. New York: Wiley, 2013.

[3] Capps, C. Near Field или Far Field, EDN, 16 августа 2001, pp.95 - pp.102.

Документация