Wzory Promieniowe Anten: Łozowce, Tablice i Sterowanie Wiązką

Polarny wykres: zysk w zależności od kierunku

Antena nie emituje mocy równomiernie we wszystkich kierunkach – nawet najbardziej idealny, wszechkierunkowy źródło, czyli radiator izotropowy, jest jedynie fikcją matematyczną używaną jako punkt odniesienia 0 dBi. Każda rzeczywista antena koncentruje energię preferencyjnie w niektórych kierunkach kosztem innych, a wzór promieniowania to wykres względnej siły pola (lub mocy) w zależności od kąta, który dokładnie to pokazuje. Przedstawiony w postaci biegunowej, odległość od początku układu współrzędnych pod kątem θ równa się zyskowi w tym kierunku; wynikowe luki – dominujący główny luk i mniejsze luki boczne – stanowią „odcisk palca” anteny.

Krótki dipol ma pierścieniowy wzór w 3D – maksimum na boki, zero wzdłuż własnej osi – ponieważ jest to pojedynczy oscylujący prąd, którego promieniowane pole z każdego punktu po przewodzie konstruuje się sumarycznie na boki i anuluje wzdłuż osi. Jego klasyczny znormalizowany wzór mocy to:

U(θ) ∝ (cos(π/2 · cosθ) / sinθ)² – dipol półfalowy U(θ) ∝ sin²θ – nieskończenie mały (Hertzian) dipol Monopoli kwartowego prądu nad płaszczyzną uziemia emituje tylko górną połowę tego samego pierścienia – teoria obrazu mówi, że płaszczyzna uziemia zachowuje się jak lustro, podwaja pole w górnej półkuli i eliminuje dolną, dlatego monopoli ma około 3 dB więcej zysku niż dipol przy tej samej mocy wejściowej, mimo użycia połowy elementu fizycznego.

U(θ) ∝ ( cos(π/2 · cosθ) / sinθ )²      — half-wave dipole
U(θ) ∝ sin²θ                              — infinitesimal (Hertzian) dipole

Układy antenowe: wiele elementów, jeden sterowany wiązką promień

Antena Yagi-Uda uzyskuje kierunkowość dzięki jednemu elementowi napowietrznemu (doprowadzającemu) otoczonemu elementami pasywnymi: nieco dłuższy reflektor za nim oraz jeden lub więcej nieco krótszych dyrektorów z przodu. Każdy element pasywny ponownie promieniuje pole, które przechwytuje, z fazą określoną przez jego długość i odstęp między elementami, a te ponowne promieniowanie interferuje konstruktywnie w kierunku dyrektorów i destrukcyjnie w kierunku reflektora – bez dodatkowego zasilania, bez dodatkowych elektroniki, tylko geometria decyduje o tym, w jaki sposób wzór interferencji sumuje się w danym kierunku.

Układ fazowy robi to elektronicznie. Zasilaj N identycznych elementów tym samym sygnałem, ale stopniową przesunięcie fazowe Δφ między sąsiednimi elementami, a wzór pola na dalekim zasięgu jest równy wzorowi pola pojedynczego elementu pomnożonemu przez czynnik układu – to twierdzenie o mnożeniu układów, najprzydatniejsza koncepcja w projektowaniu układów antenowych:

AF(θ) = Σ_{n=0}^{N-1} exp[ j·n·(kd·sinθ + Δφ) ] k = 2π/λ, d = odstęp między elementami total pattern(θ) = wzór elementu (θ) × |AF(θ)|² Główny promień głównych wiązek array factora występuje tam, gdzie każdy składnik dodaje się w fazie, czyli kd·sinθ + Δφ = 0. Ponieważ Δφ jest ustawiane elektronicznie dla każdego elementu (przez sekwencjownik fazowy lub, cyfrowo, przez złożoną wagę w oprogramowaniu), wiązkę można sterować w mikrosekundach bez użycia ruchomych części – to dokładnie tak, jak 5G bazowe stacje Massive-MIMO i radary wojskowe oraz pogodowe sterują swoimi wiązkami, a także układ pasmowy anten na telefonie tworzy kierunkowy promień w stronę wieży komórkowej, aby zaoszczędzić energię i zredukować zakłócenia.

AF(θ) = Σ_{n=0}^{N-1} exp[ j·n·(kd·sinθ + Δφ) ]        k = 2π/λ, d = element spacing
total pattern(θ) = element pattern(θ) × |AF(θ)|²

Czytanie liczb: zysk, kąt rozproszenia wiązy, promieniowanie boczne, pomiar front-to-back

Cztery liczby podsumowują wzorzec. Zysk (dBi) to określenie, o ile więcej mocy gęstości dostarcza główna wiązka w porównaniu z promiennikiem izotropowym o tej samej całkowitej mocy wejściowej – cieńsza główna wiązka musi oznaczać wyższy zysk szczytowy, ponieważ energia jest zachowywana, a jej skoncentrowanie w mniejszym kącie rozrzutu podwyższa wartość szczytową. Kąt rozproszenia na pół mocci (HPBW) to szerokość kątowa głównej wiązki między jego punktami -3 dB, czyli praktyczny pomiar tego, jak 'zwięzła' jest wiązka. Poziom promieniowania bocznego (dB poniżej szczytu głównej wiązki) ma ogromne znaczenie dla systemów radarowych i komórkowych, ponieważ energia w promieniowaniu bocznym jest marnowana przynajmniej w teorii, a w najgorszym wypadku stanowi źródło niepożądanych zakłóceń lub fałszywych detekcji. Pomiar front-to-back mierzy, jak dobrze antena kierunkowa odrzuca sygnały pochodzące z tyłu – kluczowy dla jagi skierowanego na jeden nadajnik w pomieszczeniu pełnym innych.

Dlaczego współczynnik ukierunkowania zmienia się wraz z rozmiarem i odległością elementów

Dodawanie większej liczby elementów zawęża główny lób współczynnika ukierunkowania (więcej terminów oznacza ostrzejszą interferencję konstruktywną/destruktywną, dokładnie tak jak dodawanie szpar do siatki dyfrakcyjnej zawęża jej jasne obwody) ale nie zmienia on sam w sobie całkowitej mocy – ta sama energia jest ściskana w cieśń konwergencję, podnosząc przybliżony zysk proporcjonalnie do N. Odległość między elementami ma równie duże znaczenie: odległość przekraczająca połowę długości fali pozwala na rozwinięcie dodatkowych, niepożądanych łokci siatki przez układ – pełnych kopii głównych wiązek wskazujących w fałszywych kierunkach – dlatego praktyczne fazowane układy prawie zawsze utrzymują d ≤ λ/2.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Antenna Radiation Patterns i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.