Как рассчитать коэффициент усиления антенны

Основы радиолокации

Рисунок 1. К сравнению поверхности, облучаемой направленной антенной, и сферической поверхности.
(Обратите внимание: при сравнении радиус сферы должен быть равен расстоянию до прямоугольника от центральной точки.)

Направленность и усиление антенны

Коэффициент усиления антенны G объединяет коэффициент направленного действия D и эффективность η антенны в один простой для использования параметр.

Коэффициент направленного действия антенны

Коэффициент направленно действия антенны определяется как отношение плотности мощности S (интенсивность излучения на единицу площади) реальной антенны в ее основном направлении к аналогичной величине для гипотетической, не существующей в действительности, изотропной антенны, излучающей равномерно во всех направлениях. Таким образом, плотность мощности изотропного излучателя равномерно распределяется по поверхности сферы. Реальная же антенна имеет более или менее выраженную направленность излучения, которая количественно характеризуется значением коэффициента направленного действия. С учетом приведенного выше, формула для его определения выглядит так:

D =	S	где	S – плотность мощности реальной антенны в основном направлении ее излучения; S_i – плотность мощности изотропного излучателя.	(1)
	S_i

Направленная антенна концентрирует излучаемую ею мощность только на небольшой части поверхности сферы. Величина этой части может быть определена в относительных единицах по отношению ко всей площади сферы. Площадь этой части может также быть определена на основании значений ширины луча антенны (в радианах) по уровню половинной мощности. (Очевидно, что в формуле для площали участка поверхности используются линейные размеры этого участка. Они определяются как произведение угловых размеров участка на радиус сферы. При вычислении отношения площадей радиус, входящий и в числитель и в знаменатель, сокращается). Линейные размеры искомой эффективной площади определяются в кратности к длине волны.

D =	A_сферы	≅	4π r 2	=	4π	=	4π · A_эфф	где	A_сферы – площадь поверхности сферы единичного радиуса; A_эфф = b·h – эффективная апертура на поверхности сферы; θ_Az – ширина луча по уровню половинной мощности (в радианах) в горизонтальной плоскости; θ_El – ширина луча по уровню половинной мощности (в радианах) в угломестной плоскости; b – ширина участка поверхности; h – высота участка поверхности.	(2)
	A_эфф		θ_Az · θ_El		λ/b · λ/h		λ 2

(Здесь, однако, присутствует неточность, поскольку поверхность A_эфф = b·h представляет собой плоскую поверхность, а не сферическую. Соответствующая погрешность будет тем меньше, чем меньше площадь b·h по сравнению с площадью сферы, то есть, чем выше направленность антенны. Этой погрешностью можно пренебрегать при ширине луча по уровню половинной мощности до 20°).

Коэффициент усиления антенны

Коэффициент направленного действия антенны является существенным составлящим коэффициента усиления антенны. Однако, кроме него, при анализе реальных антенн должны учитываться и потери. Излучаемая антенной мощность пропорциональна поступающей от передатчика мощности, которая может быть легко измерена на фидере антенны. Однако часть подводимой от передатчика мощности теряется в антенне на питающей линии за счет ее омического сопротивления. Эти потери и определяют эффективность антенны. Для идеальной антенны без потерь коэффициент усиления был бы равен коэффициенту направленного действия. Для реальных антенн коэффициент усиления всегда меньше коэффициента направленного действия:

Коэффициент усиления антенны не всегда должен быть больше 1. Существуют также антенны с коэффициентом усиления меньше 1. Обычно это антенны для измерений, где важно достичь равномерности коэффициента усиления в очень широкой полосе частот для сравнения результатов измерений в различных частотных диапазонах.

Допущения

Необходимо сделать некоторые упрощения для того, чтобы соотнести сферическую поверхность изотропного излучателя с эффективной апертурой антенны:

Предполагается, что вся излучаемая энергия сосредоточена в основном лепестке диаграммы направленности антенны. В этом предположении боковые лепестки будут отсутствовать.
Предполагается, что вся излучаемая антенной энергия сосредоточена в пределах измеренной ширины луча по уровню половинной мощности. Соответственно, за пределами луча излучение энергии отсутствует.
В пределах ширины луча по уровню половинной мощности энергия распределена равномерно. (Таким образом, как правило конусообразное тело становится пирамидальным. Прямоугольник в основании полученной пирамиды имеет площадь, равную произведению ширины луча в угломестной плоскости и ширины луча в азимутальной плоскости!).

Только при перечисленных допущениях можно сравнить две упомянутые выше геометрические поверхности – прямоугольник и фрагмент сферической поверхности.

Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрій Музиченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)

Методика расчета коэффициентов усиления антенн передатчика и приемника помехи при анализе электро-магнитной совместимости радиоэлектронных средств Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Королькова О.И., Козел В.М., Горбачев К.Л.

Изложена методика расчета коэффициентов усиления антенн передатчика и приемника помехи по основной и кроссполяризации , а также суммарного коэффициента усиления антенн в зависимости от значения истинного разностного угла.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

CALCULATION METHODS OF GAIN FACTORS OF TRANSMITTER AND NOISE RECEIVER ANTENNAS IN ANALYSIS OF ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY

The calculation methods of the gain factors of the transmitter and the interferanthing receiver antennas on the main and cross polarization depending on the true incremental angle and also of the summary antennas gain factor are explained.

Текст научной работы на тему «Методика расчета коэффициентов усиления антенн передатчика и приемника помехи при анализе электро-магнитной совместимости радиоэлектронных средств»

МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОЭФФИЦИЕНТОВ УСИЛЕНИЯ АНТЕНН ПЕРЕДАТЧИКА И ПРИЕМНИКА ПОМЕХИ ПРИ АНАЛИЗЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

О.И. КОРОЛЬКОВА, В.М. КОЗЕЛ, К.Л. ГОРБАЧЕВ

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П.Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь

Поступила в редакцию 2 октября 2012

Изложена методика расчета коэффициентов усиления антенн передатчика и приемника помехи по основной и кроссполяризации, а также суммарного коэффициента усиления антенн в зависимости от значения истинного разностного угла.

Ключевые слова: ослабление антенны, коэффициент усиления антенны, истинный разностный угол, основная поляризация, кроссполяризация.

В связи со стремительным ростом количества телекоммуникационных систем в настоящее время наблюдается дефицит частотного ресурса. Поэтому некоторые системы используют для работы совмещенный диапазон частот, следовательно задача обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (ЭМС РЭС) является весьма актуальной. Расчет коэффициентов усиления антенн передатчика и приемника помехи является составной частью расчетов, необходимых для определения условий беспомеховой работы телекоммуникационных систем, работающих в совмещенной полосе.

Методика расчета коэффициента усиления антенны в направлении на приемник помехи

для основной поляризации

Методика расчета коэффициента усиления антенны в направлении неосновного излучения [1] использует не коэффициент усиления антенны, а ослабление антенны по отношению к максимуму излучения А дБ. Кроме этого, разность азимутов ориентации

антенны Да в направлении неосновного излучения в расчете принимает значения 0±180°, а разность между углами места ориентации антенны и направления неосновного излучения Ду, принимает значения 0^±90°.

Ослабление антенны в направлении неосновного излучения по отношению к максимуму излучения начинается с определения по диаграммам направленности антенны ослабления относительно максимального излучения в направлении неосновного излучения в горизонтальной АноК (Д) и вертикальной А¥ЕК (Д) плоскостях по результирующему углу Д, где Д — истинный разностный угол [2]. Если диаграммы направленности антенны (ДНА) несимметричны относительно направления основного излучения, то учитывается знак Д [3].

Ослабление антенны в направлении неосновного излучения по отношению к максимуму излучения Ашзи1пш :

АКЕ8иьгто = Анок = АУЕК, если Анок = АУЕК ,

ARESULTING — AVER + (AHOR ~ AVER ) X |да| + ‘ еСЛИ AHOR > AVER ,

ARESULTING — AHOR + (AVER AHOR ) X | . i , | . если AHOR < AVER ■

Если предпочтительно пользоваться не ослаблением антенны относительно максимума излучения, а реальным коэффициентом усиления, то необходимо перейти к коэффициентам усиления:

Ahor = ghor _0 — Ghor = G0 — Ghor ,

Aver = gver_0 — gver = g0 — Gver , ARESULTING = g0 — GRESULTING ,

G = Ghor 0= GmR 0 — максимальный коэффициент усиления антенны.

Тогда при подстановке новых величин реальный коэффициент усиления антенны:

ARESULTING = AHOR = AVER , тогда G0 — GRESULTING = G0 — GVER = G0 — GHOR , следовательно,

Gresulting = Gver = Ghor , если Ahor = Aver , то Go —Gver = Go —Ghor , исходя из того, что

GVER = GHOR , ARESULTING = AVER + (AHOR — AVER ) X |да| + ‘

Теперь, переходя к коэффициентам усиления, получаем:

G0 Gresulting — G0 Ghor + (G0 GVER G0 + Ghor ) X ‘

gresulting — ghor + (gver ghor ) X I . I , I . I , если Ahor > Aver ,

тогда G0 — Снок > Ц, — ОуЕК и соответственно Снок < .

aresulting ~ ahor + (aver — ahor ) Х |ду| + |да| .

Тогда при переходе к коэффициентам усиления:

Ц0 — GRESULTING ~ Ц0 — GHOR + (Ц0 — GVER — Ц0 + GHOR ) Х

gresulting — Ghor + (Gver Ghor ) X i . i , i . i , если AHOR < Aver , тогда go Ghor < go GVER и

По вышеуказанной методике рассчитываются частные коэффициенты усиления антенны передатчика помехи для основной поляризации в горизонтальной GTX HOR ср (по

ДНА в горизонтальной плоскости) и вертикальной Grx шк СР (по ДНА в вертикальной

плоскости) плоскостях для истинного разностного угла A: Grx HOR СР = GTX hör ср — по

ДНА в горизонтальной плоскости для основной поляризации; Grx mR ср = GTX mR ср (А) — по

ДНА в вертикальной плоскости для основной поляризации.

Рассчитывается коэффициент усиления антенны передатчика помехи для основной поляризации в направлении на приемник помехи GTX ср по методике [1]:

gtx _ cp = gtx _ hor _ cp = gtx _ ver _ cp , если выполняется условие gtx _ hor _ cp = gtx _ ver _ cp , т.е.

антенна осесимметричная (ДНА в вертикальной и горизонтальной плоскостях совпадают);

GTX CP = GTX VER CP + (GTX HOR CP GTX VER CP

Коэффициент усиления антенн

Коэффициент усиления антенны определяют относительно эталонной антенны через проведение сравнительных измерений.

Для корректного определения коэффициента усиления антенны в каждом конкретном случае используются определенным методом измерений и соответствующей эталонной антенной.

Чтобы антенны можно было сравнивать между собой, все ответственные производители измеряют их по единой методике измерений. Существуют как методики, так и эталонные антенны, соответствующие различным видам антенн. Различают измерения для монопольных антенн (например, автомобильных) и дипольных антенн (например, антенн базовых станций или морских антенн).

Сегодня используют следующие стандарты:
EIA RS-329-1 стандарт для антенн базовых станций и мобильных антенн
CCIR 368.3 стандарт для средне- и коротковолновых антенн

Коэффициент усиления антенн базовых станций и морских антенн

Согласно данному стандарту коэффициент усиления антенн базовых станций определяется приводимым в нём методом измерений с помощью сравнения с полуволновой дипольной антенной.

Значение коэффициента усиления приводятся в дБд (dBd): децибелах относительно дипольной антенны.

В качестве альтернативы коэффициент усиления дипольной антенны может приводится в дБи (dBi), причём в качестве эталонной антенны используется изотропная антенна. Такую антенну называют также точеным излучателем сферических волн, так как она излучает равномерно во всех направлениях. Практически это реализовать невозможно, поэтому значение может быть получено лишь арифметически. Таким образом значения в dBi являются чисто теоретическими по своей природе.

Арифметическая разница между dBd и dBi составляет 2,15. Коэффициент полезного действия антенны при этом остаётся идентичным. Несколько примеров:

Коэффициент усиления автомобильных антенн

Коэффициент усиления автомобильных антенн определяется путём сравнения с четвертьволновой антенной, установленной в середину крыши. Этот общепринятый метод определяется стандартом EIA RS-329-1.

Значение коэффициента усиления приводится в дБ относительно четвертьволнового излучателя.

Монопольные автомобильные антенн нельзя сравнить с дипольными антеннами базовых станций, так как метода измерений для определения усиления автомобильных антенн в dBi или dBd не существует.

Таким образом коэффициент усиления в dBi для мобильных антенн не поддаётся метрологическому определению.

Коэффициент направленного действия

Портрет

Коэффициент направленного действия (КНД) ‒ первым словом стоит коэффициент, то есть это безразмерная величина, он показывает во сколько раз в данном направлении антенна излучает больше, чем средняя мощность, излучаемая по всем направлениям.

Давайте теперь визуализируем это определение, чтобы было более понятно. Проще всего показать на графике.

Рисунок 1. График диаграммы направленности

Итак, на рисунке 1 показано нулевое направление, и вид диаграммы направленности F(θ,φ). Поскольку это диаграмма направленности, то максимум у нее нормирован на единицу.

Рисунок 2

Теперь, если меня интересует коэффициент направленного действия, то я хочу узнать, насколько, например, в данном направлении, в единицу телесного угла (рисунок 2 — выделенная полоса), антенна излучает сильнее, нежели средняя мощность излучения по всем направлениям. Средняя, то есть это что? Значит надо взять и как-то усреднить эту всю функцию — примерно по горизонтальной прямой функции F_средн. Поэтому коэффициент направленного действия — это отношение мощности, излучаемой в верхней точке единицы телесного угла, к F_средн (рисунок 2).

КНД, обозначается буквой D, это как раз и есть отношение мощности, излучаемой в некотором заданном направлении F(θ,φ) к средней мощности, излучаемой по всем направлениям F_средн. Средняя мощность, излучаемая по всем направлениям определяется по формуле:, соответственно:

— коэффициент направленности действия.

— в данном случае суммирование, суммируем всю эту функцию F(θ,φ), 4π -интервал (полный телесный угол).

— коэффициент направленности действия (КНД).

Но в выражении для мощности стоит не КНД, а G — коэффициент усиления. Коэффициент усиления — это что? Если это коэффициент, то соответственно это безразмерная величина. Что она характеризует? Коэффициент усиления — это отношение, которое показывает, во сколько раз наша реальная антенна с потерями в данном направлении излучает больше, чем некоторая изотропная антенна, к которой подведена та же самая мощность.

Фактически, изотропную антенну мы уже увидели. Когда я говорил про F_средн, про среднюю мощность излучения, я нарисовал линию, которая не зависит от углов, то есть, фактически, — это мощность излучения изотропной антенны. А когда мы говорим про нашу антенну, к которой подведена та же самая мощность, но реальную антенну, то в этом случае мы обязательно учитываем потери в антенне. Поэтому коэффициент усиления (КУ) обозначается буквой G, и G = D × η , где — это коэффициент полезного действия (КПД).

Характеристика G для нас самая главная. Коэффициент усиления показывает во сколько раз наша антенна излучает сильнее, нежели изотропная антенна, в данном направлении, при условии, что к нашей реальной антенне и изотропной антенне подведена одна и та же самая мощность. То есть фактически наша антенна характеризуется этим коэффициентом усиления, это во сколько раз она энергию концентрирует эффективнее, чем излучает изотропная антенна.

Для размышления

Подумайте, будет ли влиять на коэффициент усиления антенны увеличение подаваемой мощности в 10 раз? А если увеличить подаваемую мощность в 1000 раз?