Закономірності випромінювання антен: Лоби, Масиви та Керування Променем

Полярна діаграма: виграш у функцію від напрямку

Антена не випромінює енергію однаково у всіх напрямках – навіть найбільш ідеалізоване джерело, ізотропний радіатор, є математичною абстракцією, яка використовується лише як посилання 0 дБі. Будь-яка реальна антена переважно концентрує енергію в певних напрямках, жертвуючи іншими, і діаграма випромінювання – це графік відносної амплітуди (або потужності) поля проти кута, який показує це точно. Намалювана у полярній формі, відстань від початку координат при куті θ дорівнює виграшу в цьому напрямку; що призводять лобів – домінантний головний лоб і менші бічні лобів – є ‘відбитком пальця’ антени.

Короткий диполь має кільцеподібну форму у 3D – максимальну на бокову грань, нульову вздовж власного осі – оскільки це простий коливається струм, випромінюване поле від кожної точки вздовж дроту додається конструктивно на бокову грань і скасовується вздовж осі. Його класичний нормалізований візерунок потужності становить:

U(θ) ∝ ( cos(π/2 · cosθ) / sinθ )² – півхвильовий диполь U(θ) ∝ sin²θ – нескінченно малий (Герцівський) диполь Четвертхвильовий монополь над заземленою поверхнею випромінює лише верхню половину того самого кільця – теорія зображення говорить, що заземлена поверхня поводиться як дзеркало, подвоюючи поле вгорі півсфери та усуваючи нижню, тому монополь має приблизно на 3 дБ більший виграш, ніж диполь, при однаковому вході потужності, незважаючи на те, що використовується лише половина фізичного елемента.

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

Масиви: багато елементів, один керований промінь

Ягі-Уда антена отримує спрямованість від одного підсиленого диполя, оточеного пасивними елементами: трохи довгим дзеркальним елементом позаду нього та одним або кількома трохи коротшими дигерами перед ним. Кожен пасивний елемент перевипромінює поле, яке він захоплює, з фазою, встановленою його власною довжиною та відстанню між елементами, і ці перевипромінені хвилі інтерферують конструктивно в напрямку дигерів і деструктивно в напрямку дзеркального елемента – без додаткового живлення, без додаткової електроніки, лише геометрія визначає, яким чином додається інтерференційний патерн.

Фазована масива виконують ту ж саму дію електронно. Живити N ідентичних елементів одним і тим же сигналом, але з прогресивним фазовим зсувом Δφ між сусідніми елементами, і далекополяральний патерн буде рівний патерну одного елементу, помноженому на коефіцієнт масиву – це теорема множення масивів, найкорисніша концепція в дизайні масивів:

AF(θ) = Σ_{n=0}^{N-1} exp[ j·n·(kd·sinθ + Δφ) ] k = 2π/λ, d = відстань між елементами загальний патерн(θ) = патерн(θ) елементу × |AF(θ)|² Основний промінь масиву утворюється там, де кожен член додається в фазі, тобто kd·sinθ + Δφ = 0. Оскільки Δφ встановлюється електронно для кожного елемента (фазовий перемикач або, цифровим способом, комплексна вага в програмному забезпеченні), промінь можна керувати напрямком за мікросекунди без рухомих частин – це саме так керують променями у базових станціях 5G massive-MIMO та військових і погодних радарах, а також антена-патч на телефоні утворює спрямований промінь до вежі сортингу для економії енергії та зменшення перешкод.

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

Читання цифр: коефіцієнт підсилення, смуга розповсюдження, бічні дорінажі, фронтально-заднє співвідношення

Чотири цифри узаємодоповнюють патерн. Коефіцієнт спрямованості/коефіцієнт підсилення (дБі) відображає, на скільки більше щільності потужності забезпечує основний лобус порівняно з ізотропним випромінювачем із однаковим загальним вхідним живленням — більш вузький основний лобус за визначенням означає вищий піковий коефіцієнт підсилення, оскільки загальна випромінена потужність зберігається, а стискання її в менший твердий кут підвищує пікову величину. Смуга розповсюдження (горизонтальний кут) — це кутовий діаметр основного лобуса між його точками -3 дБі, практичний показник того, наскільки «вузький» діапазон сигналу. Бічні дорінажі (дБ нижче пікової потужності основного лобусу) мають величезне значення для радіолокаційних і мереж стільників, оскільки енергія в бічних дорінажах є втратою найкращого випадку або джерелом небажаного перешкоджання чи хибних виявлень у найгіршому. Фронтально-заднє співвідношення вимірює, наскільки добре спрямована антена відхиляє сигнали ззаду – критично важливо для якорної антени, що вказує на один передавач у кімнаті, заповненій іншими.

Чому коефіцієнт рерадіації масиву змінюється з розміром та відстанню між елементами

Додавання більшої кількості елементів звужує головну лобку коефіцієнта рерадіації масиву (більше елементів означає більш чіткі конструктивні та деструктивні інтерференції, як і додавання щілин до дифракційної гратки звужує її яскраві обмежувальні смуги), але само по собі не змінює загальну потужність – одна й та сама енергія стискається в більш вузький конус, підвищуючи пікову виграш приблизно пропорційно N. Відстань між елементами також має велике значення: відстань, що перевищує половину довжини хвилі, дозволяє коефіцієнту рерадіації масиву розвиватися з додатковими небажаними обмежувальними лобками – повноенергійні копії головного променя, спрямовані в спонтанних напрямках - тому практичні фазовані масиви майже завжди підтримують d ≤ λ/2.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Antenna Radiation Patterns і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.