Die Effizienz einesAntenneDie Antenneneffizienz beschreibt die Fähigkeit einer Antenne, zugeführte elektrische Energie in abgestrahlte Energie umzuwandeln. In der drahtlosen Kommunikation hat die Antenneneffizienz einen wesentlichen Einfluss auf die Signalqualität und den Stromverbrauch.
Der Wirkungsgrad der Antenne kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden:
Wirkungsgrad = (Abgestrahlte Leistung / Eingangsleistung) * 100 %
Dabei bezeichnet die abgestrahlte Leistung die von der Antenne abgestrahlte elektromagnetische Energie und die Eingangsleistung die der Antenne zugeführte elektrische Energie.
Die Effizienz einer Antenne wird von vielen Faktoren beeinflusst, darunter Antennendesign, Material, Größe, Betriebsfrequenz usw. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Effizienz der Antenne, desto effektiver kann sie die zugeführte elektrische Energie in abgestrahlte Energie umwandeln, wodurch die Qualität der Signalübertragung verbessert und der Stromverbrauch reduziert wird.
Daher ist die Effizienz ein wichtiger Faktor bei der Entwicklung und Auswahl von Antennen, insbesondere bei Anwendungen, die eine Übertragung über große Entfernungen erfordern oder strenge Anforderungen an den Stromverbrauch stellen.
1. Antenneneffizienz
Abbildung 1
Das Konzept der Antenneneffizienz kann anhand von Abbildung 1 definiert werden.
Der Gesamtwirkungsgrad der Antenne e0 wird zur Berechnung der Antennenverluste am Eingang und innerhalb der Antennenstruktur verwendet. Gemäß Abbildung 1(b) können diese Verluste folgende Ursachen haben:
1. Reflexionen aufgrund von Fehlanpassungen zwischen der Übertragungsleitung und der Antenne;
2. Leiter- und dielektrische Verluste.
Der Gesamtwirkungsgrad der Antenne kann mit folgender Formel ermittelt werden:
Das heißt, der Gesamtwirkungsgrad entspricht dem Produkt aus Fehlanpassungswirkungsgrad, Leiterwirkungsgrad und dielektrischem Wirkungsgrad.
Die Berechnung des Wirkungsgrads von Leitern und Dielektrika ist in der Regel sehr schwierig, sie können jedoch experimentell bestimmt werden. Da sich die beiden Verlustarten experimentell nicht unterscheiden lassen, kann die obige Formel wie folgt umgeschrieben werden:
ecd ist der Strahlungswirkungsgrad der Antenne und Γ ist der Reflexionskoeffizient.
2. Gewinn und realisierter Gewinn
Eine weitere nützliche Kennzahl zur Beschreibung der Antennenleistung ist der Antennengewinn. Obwohl der Antennengewinn eng mit der Richtwirkung zusammenhängt, berücksichtigt er sowohl den Wirkungsgrad als auch die Richtwirkung der Antenne. Die Richtwirkung hingegen beschreibt ausschließlich die Richtungseigenschaften einer Antenne und wird daher nur durch das Strahlungsdiagramm bestimmt.
Der Antennengewinn in einer bestimmten Richtung ist definiert als „4π mal das Verhältnis der Strahlungsintensität in dieser Richtung zur gesamten Eingangsleistung“. Wenn keine Richtung angegeben ist, wird üblicherweise der Gewinn in Richtung der maximalen Strahlung verwendet. Daher gilt im Allgemeinen:
Im Allgemeinen bezieht sich der Begriff auf den relativen Gewinn, der definiert ist als „das Verhältnis des Leistungsgewinns in einer bestimmten Richtung zur Leistung einer Referenzantenne in einer Referenzrichtung“. Die Eingangsleistung dieser Antenne muss gleich sein. Als Referenzantenne kann ein Vibrator, eine Hornantenne oder eine andere Antenne dienen. In den meisten Fällen wird eine ungerichtete Punktquelle als Referenzantenne verwendet. Daher:
Das Verhältnis zwischen der gesamten abgestrahlten Leistung und der gesamten Eingangsleistung ist wie folgt:
Gemäß dem IEEE-Standard „beinhaltet die Verstärkung keine Verluste aufgrund von Fehlanpassungen der Impedanz (Reflexionsverluste) und Fehlanpassungen der Polarisation (Verluste)“. Es gibt zwei Verstärkungskonzepte: die sogenannte Verstärkung (G) und die sogenannte erreichbare Verstärkung (Gre), die Reflexions-/Fehlanpassungsverluste berücksichtigt.
Der Zusammenhang zwischen Verstärkung und Richtwirkung ist folgender:
Wenn die Antenne perfekt an die Übertragungsleitung angepasst ist, d. h. die Eingangsimpedanz der Antenne Zin gleich der charakteristischen Impedanz Zc der Leitung ist (|Γ| = 0), dann sind der Gewinn und der erreichbare Gewinn gleich (Gre = G).
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Veröffentlichungsdatum: 14. Juni 2024
