AntenneneffizienzBeschreibt, wie effektiv die empfangene HF-Leistung in abgestrahlte Leistung umgewandelt wird. Es ist ein wichtiger Antennenparameter, da Leiterverluste, dielektrische Verluste und Fehlanpassungen der Impedanz die nutzbare Strahlung selbst bei einer geeigneten Antennencharakteristik reduzieren können.
Die grundlegende Formel für die Strahlungseffizienz lautet:
Strahlungseffizienz, eRad= PRad/ Pakzeptiert
Der Gesamtwirkungsgrad berücksichtigt auch Fehlanpassungen am Antenneneingang:
Gesamtwirkungsgrad, e0= (1 - |Γ|2eRad
wobei PRadist abgestrahlte Leistung, PakzeptiertDie Eingangsleistung wird mit Γ bezeichnet. Dieser Leitfaden erläutert Formeln zur Antenneneffizienz, Verlustmechanismen, Verstärkung, Richtwirkung, realisierte Verstärkung und gängige Messmethoden.
Antenneneffizienz: Definitionen und Formeln
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.
Gewinn, Richtwirkung und realisierter Gewinn
Richtwirkungbeschreibt, wie konzentriert das Strahlungsmuster in einer bestimmten Richtung ist.Gewinnenkombiniert Richtwirkung mit Strahlungseffizienz:
G = eRadD
wobei G die Verstärkung, D die Richtwirkung und e dieRadDie Strahlungseffizienz wird als Verstärkung bezeichnet. Diese berücksichtigt daher die Verluste im Leiter und im Dielektrikum, schließt aber normalerweise die Verluste durch Fehlanpassung der Impedanz aus.
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:
Realisierter Gewinnbeinhaltet den Effekt von Eingangsfehlanpassungen und steht in folgendem Zusammenhang mit der Verstärkung:
Grealisiert= (1 - |Γ|2)G
Bei optimaler Antennenanpassung nähert sich der realisierte Gewinn dem Sollwert an. Bei signifikanter Fehlanpassung ist der realisierte Gewinn geringer, selbst wenn Strahlungsdiagramm und Wirkungsgrad unverändert bleiben.
Der Zusammenhang zwischen Verstärkung und Richtwirkung ist folgender:
Bei perfekter Anpassung der Antenne an die Übertragungsleitung ist |Γ| = 0 und der realisierte Gewinn entspricht dem Gewinn. In realen Systemen müssen beim Vergleich von gemessenen und simulierten Werten auch die Kabeldämpfung und die Kalibrierebene berücksichtigt werden.
Schlüsselfaktoren, die die Antenneneffizienz verringern
- Endliche Leiterleitfähigkeit und Oberflächenrauheit
- Dielektrische Verluste in Substraten, Radomen und Trägermaterialien
- Impedanzfehlanpassung an der Zuleitung
- Verlustbehaftete Anpassungsnetzwerke, Steckverbinder und Speisestrukturen
- Installation in der Nähe von Metall, absorbierenden Materialien oder dem menschlichen Körper
- Fertigungstoleranzen und frequenzabhängige Stromverteilung
Wie die Antenneneffizienz gemessen wird
Die Messmethode hängt vom Antennentyp, dem Frequenzbereich und den verfügbaren Testeinrichtungen ab. Gängige Verfahren sind der Vergleich von Verstärkung und Richtwirkung, die Integration des Strahlungsdiagramms, Hallkammermessungen und die Wheeler-Cap-Methode für geeignete elektrisch kleine Antennen. Eine genaue Kalibrierung, die Korrektur der Kabeldämpfung, die Ausrichtung der Polarisation und eine klar definierte Referenzebene sind für aussagekräftige Ergebnisse unerlässlich.
Nutzung von Effizienz und Gewinn bei der Antennenauswahl
Wirkungsgrad, Verstärkung, realisierter Gewinn, Bandbreite, Polarisation, Strahlbreite und VSWR sollten gemeinsam bewertet werden. Eine Antenne mit hoher Richtwirkung kann dennoch einen geringen realisierten Gewinn liefern, wenn die Verluste oder Fehlanpassungen zu hoch sind. Ingenieure sollten die Werte über das gesamte Betriebsfrequenzband und unter repräsentativen Montagebedingungen vergleichen.
RF MISO erkundenAntennenlösungenoder überprüfen Sie unsereAntennenprüfkapazitätenFür eine anwendungsspezifische Auswahl teilen Sie dem RF MISO-Team bitte das Betriebsfrequenzband, die erforderliche Verstärkung, die Polarisation, die Montagebeschränkungen und die Testumgebung mit.
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Veröffentlichungsdatum: 14. Juni 2024
