Abbildung 1. Hauptstrahl- und Nebenkeulenbereiche zur Bestimmung der Antennenstrahleffizienz.
Was ist die Antennenstrahl-Effizienz?
AntennenstrahlwirkungsgradDie auch als Hauptstrahlwirkungsgrad bezeichnete Kennzahl gibt an, welcher Anteil der gesamten abgestrahlten Leistung einer Antenne innerhalb eines definierten Hauptstrahlbereichs liegt. Sie beantwortet eine praktische Konstruktionsfrage: Wie viel der verfügbaren Strahlung wird auf den gewünschten Winkelsektor konzentriert, anstatt sich in Nebenkeulen und den Rückstrahlbereich zu verteilen?
Bei einer Empfangsantenne ermöglicht das Reziprozitätsprinzip die Betrachtung des Anteils der empfangenen Leistung, der über den Hauptstrahl erfasst wird, wenn die Umgebungsbedingungen (Feld und Polarisation) konsistent definiert sind. Die Strahleffizienz ist daher besonders wichtig in Radar-, Radiometrie-, Satelliten-, Punkt-zu-Punkt-Mikrowellensystemen und Antennenmessungen, wo Energie, die aus unerwünschten Richtungen ein- oder austritt, die Genauigkeit beeinträchtigen oder Störungen verstärken kann.
In Abbildung 1 ist der Hauptlappen auf der z-Achse zentriert. Wenn der Kegelwinkel θ1markiert den ersten Nullpunkt oder eine andere explizit festgelegte Hauptstrahlgrenze. Die Strahleffizienz wird berechnet, indem das Leistungsdiagramm innerhalb dieses Kegels integriert und durch die über das gesamte Strahlungsdiagramm integrierte Leistung dividiert wird.
Formel für den Antennenstrahlwirkungsgrad
Verwendung des normalisierten Leistungsmusters Pn(θ,φ), der allgemeine Ausdruck für die Strahleffizienz ist unten dargestellt:
Der Zähler repräsentiert die Leistung, die innerhalb des gewählten Hauptstrahl-Raumwinkels Ω enthalten ist.MBDer Nenner stellt die über 4π Steradiant integrierte gesamte abgestrahlte Leistung dar. Der resultierende Wert, ηB, ist dimensionslos und wird üblicherweise als Prozentsatz angegeben.
- Pn(θ,φ)ist das normalisierte Leistungsmuster. Werden gemessene elektrische Feldstärkedaten verwendet, ist der entsprechende Leistungsterm proportional zu |E|.2.
- ΩMBist der festgelegte Hauptstrahlbereich, der oft durch die ersten Nullstellen oder durch einen definierten Kegelwinkel begrenzt wird.
- θ und φsind die Höhen- und Azimutkoordinaten, die zur Beschreibung des vollständigen Strahlungsmusters verwendet werden.
Die Hauptstrahlgrenze muss stets zusammen mit dem Ergebnis angegeben werden. Zwei Labore können aus demselben Messmuster unterschiedliche numerische Werte erhalten, wenn eines bis zum ersten Nullpunkt integriert, während das andere einen festen Winkelkegel verwendet. Für einen annähernd rotationssymmetrischen Bleistiftstrahl lässt sich die Integration, wie im folgenden Ausdruck gezeigt, vereinfachen.
Wie wird der Wirkungsgrad eines Antennenstrahls gemessen?
Die Strahleffizienz wird aus den Strahlungsdiagrammdaten und nicht aus einer einzelnen Hauptstrahlmessung ermittelt. Hierfür kann ein kalibrierter Fernfeldmessbereich, ein kompakter Antennenmessbereich oder ein Nahfeldmesssystem mit validierter Fernfeldtransformation verwendet werden. Bei Phased-Array-Antennen muss die Messung für jeden gewünschten Strahlzustand, jede Frequenz und jede Polarisation wiederholt werden, da Scan-, Amplituden- oder Phasenfehler die Leistung in die Nebenkeulen umverteilen können.
- Messen Sie das Strahlungsmusterüber einen ausreichenden Winkelbereich, um den Hauptstrahl, die Nebenkeulen und die Rückkeule einzuschließen.
- Wandeln Sie das gemessene Feld in ein Leistungsdiagramm um.und wenden Sie die gleiche Normalisierung auf jedes Winkelbeispiel an.
- Definiere die Hauptträgergrenzewie beispielsweise die erste Nullkontur oder ein bestimmter Kegelwinkel.
- Integriere die Energie innerhalb dieser Grenzeund dividiert durch die über das gesamte Muster integrierte Leistung.
- Berichten Sie über die Testbedingungeneinschließlich Frequenz, Polarisation, Strahlzustand, Winkelauflösung und der Definition der Grenzen.
Ein Paar zweidimensionaler Schnitte in der E- und H-Ebene kann Strahlbreite und Nebenkeulenverhalten aufzeigen, liefert aber normalerweise keinen vollständigen dreidimensionalen Strahlwirkungsgrad, es sei denn, Rotationssymmetrie wurde nachgewiesen. Vollständige Kugeldiagramme oder ausreichend vollständige Strahlungsdiagramme liefern ein fundierteres Ergebnis. Erfahren Sie mehr über RF MISO.Antennenprüfkapazitäten.
Strahleffizienz vs. andere Antenneneffizienzbegriffe
Strahleffizienz vs. Strahlungseffizienz
Strahlungseffizienzvergleicht die abgestrahlte Leistung mit der von der Antenne aufgenommenen Leistung und berücksichtigt dabei Leiter- und dielektrische Verluste.Strahleffizienzbeschreibt, wohin die abgestrahlte Leistung geht. Eine Antenne kann geringe interne Verluste aufweisen, aber dennoch nur einen mäßigen Wirkungsgrad haben, wenn erhebliche Leistung in den Nebenkeulen oder der Rückkeule auftritt.
Strahlwirkungsgrad vs. Richtwirkung und Verstärkung
RichtwirkungDie maximale Strahlungskonzentration im Vergleich zu einem isotropen Strahler wird als Verstärkung bezeichnet. Die Verstärkung kombiniert Richtwirkung und Strahlungseffizienz, während die realisierte Verstärkung zusätzlich die Fehlanpassung der Impedanz berücksichtigt. Die Strahleffizienz unterscheidet sich davon, da sie die Leistung über einen Winkelbereich integriert, anstatt nur die Richtung des Strahlungsmaximums zu betrachten.
Strahleffizienz vs. Strahlbreite
Die Halbwertsbreite des Strahlprofils ist der Winkel zwischen den -3-dB-Punkten der Hauptkeule. Ein schmales Strahlprofil geht oft mit hoher Richtwirkung einher, beweist aber allein noch keine hohe Strahleffizienz. Ein Strahlprofil kann eine schmale Hauptkeule aufweisen und dennoch erhebliche Energie in die Nebenkeulen abgeben. Strahlprofilbreite und Nebenkeulenpegel müssen daher zusammen mit dem Wert der integrierten Strahleffizienz betrachtet werden.
Was bestimmt die Effizienz des Antennenstrahls?
1. Nebenkeulen- und Rückkeulenpegel
Leistung außerhalb des gewählten Hauptstrahlbereichs reduziert die Strahleffizienz direkt. Hohe Nebenkeulen können durch Aperturdiskontinuitäten, Array-Abstände, Amplitudenfehler oder ein nicht für das gewünschte Strahlungsmuster optimiertes Beleuchtungsprofil verursacht werden. Rückstrahlung und Streuung von nahegelegenen Strukturen können einen ähnlichen Effekt haben.
2. Aperturbeleuchtung und Amplitudenverjüngung
Aperturantennen und -arrays nutzen eine Amplitudenverteilung über die Strahlungsöffnung. Eine nahezu gleichmäßige Verteilung kann einen schmalen Hauptstrahl und eine hohe Richtwirkung erzeugen, jedoch auch vergleichsweise hohe Nebenkeulen. Durch eine Amplitudenverjüngung lassen sich die Nebenkeulen unterdrücken und ein größerer Teil der Gesamtleistung im gewünschten Bereich konzentrieren. Eine zu starke Verjüngung kann jedoch den Hauptstrahl verbreitern und den Spitzengewinn oder den Wirkungsgrad der Apertur verringern. Die optimale Einstellung ist daher ein anwendungsspezifischer Kompromiss.
3. Futterüberlauf und strukturelle Verstopfung
Bei einer Reflektorantenne wird Energie, die den Reflektor verfehlt, als Streustrahlung bezeichnet und trägt nicht zum gewünschten Hauptstrahl bei. Speisehalterungen, ein Subreflektor oder nahegelegene Bauteile können ebenfalls Teile des Aperturfeldes blockieren oder streuen. Die richtige Auswahl der Speiseeinrichtung, die Fokuspositionierung und die mechanische Ausrichtung helfen, diese Verluste und unerwünschten Nebenkeulen zu minimieren.
4. Phasen-, Amplituden- und Oberflächenfehler
Phasenungleichgewichte zwischen den Array-Elementen, ungleiche Speiseverluste, Fertigungstoleranzen, Reflektoroberflächenfehler und Radomverzerrungen können Energie vom gewünschten Strahl ablenken. Diese Effekte gewinnen mit steigender Frequenz in der Regel an Bedeutung, da ein fester Maßfehler einen größeren Anteil der Wellenlänge ausmacht.
5. Polarisationsreinheit
Manche Definitionen der Strahleffizienz berücksichtigen nur die Leistung in der gewünschten Polarisation. Kreuzpolarisierte Strahlung innerhalb oder außerhalb des Hauptstrahls kann den angegebenen Wert verringern. Die Polarisation sollte daher in Simulationen, Messungen und Systemanforderungen einheitlich spezifiziert werden.
Strahleffizienz, Strahlbreite und Bandbreite sind unterschiedlich.
Strahleffizienzist ein integriertes Winkelleistungsverhältnis.Strahlbreitebeschreibt die Winkelbreite der Hauptkeule bei einem bestimmten Pegel, üblicherweise dem Halbwertspunkt oder dem -3-dB-Punkt.AntennenbandbreiteBeschreibt den Frequenzbereich, in dem die ausgewählten Anforderungen erfüllt sind. Diese Parameter beeinflussen sich gegenseitig, sind aber nicht austauschbar.
Ein Design kann über einen weiten Frequenzbereich ein akzeptables VSWR aufweisen, während sich seine Strahlrichtung, sein Nebenkeulenpegel oder seine Strahleffizienz in der Nähe der Bandgrenzen erheblich ändern. Die Strahlungscharakteristik sollte daher bei mehreren Frequenzen überprüft und nicht allein aus der Impedanzbandbreite abgeleitet werden. Eine detaillierte Beschreibung der Frequenzbereichsdefinitionen finden Sie in [Referenz einfügen].Antennenbandbreite.
Wie kann die Strahleffizienz verbessert werden?
- Wählen Sie eine Aperturverjüngung, die ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Nebenkeulenunterdrückung, Hauptstrahlbreite und Verstärkung gewährleistet.
- Optimierung der Reflektor-Zuführungsposition, der Randbeleuchtung und des Streulichts.
- Um Gitterkeulen zu vermeiden, sollten in Antennenarrays geeignete Elementabstände und eine präzise Amplituden- oder Phasensteuerung verwendet werden.
- Verringern Sie Blockaden, Kabelstreuung und unerwünschte Wechselwirkungen mit der Montagestruktur oder dem Radom.
- Bearbeitungstoleranzen, Oberflächengenauigkeit und Ausrichtung bei höchster Betriebsfrequenz kontrollieren.
- Überprüfen Sie die Kopolarisations- und Kreuzpolarisationsmuster über das gesamte Betriebsfrequenzband und jeden erforderlichen Strahlzustand.
Wo ist die Effizienz von Hochleistungsscheinwerfern am wichtigsten?
Eine hohe Strahleffizienz ist besonders dann von Vorteil, wenn Leistung oder empfangene Energie auf eine genau definierte Richtung beschränkt werden muss. Typische Beispiele hierfür sind Zielverfolgungs- und Bildgebungsradar, Satellitenkommunikationsverbindungen, Radioastronomie und Radiometrie, Punkt-zu-Punkt-Mikrowellenverbindungen, Reflektorsysteme, Kalibrierantennen und elektronisch gesteuerte Antennenarrays.
Es gibt keinen universellen Wirkungsgrad, der für jede Antenne gilt. Eine sinnvolle Anforderung muss die Betriebsfrequenz, die Polarisation, den Strahlzustand und die Winkelbegrenzung sowie das zulässige Verhalten von Nebenkeulen und Rückkeule angeben. Dadurch werden Herstellerangaben, Simulations- und Messergebnisse direkt vergleichbar.
Worauf sollten Käufer in einem Antennendatenblatt achten?
Wenn die Strahlführung wichtig ist, sollte eine Antenne nicht allein anhand ihres Spitzengewinns beurteilt werden. Fragen Sie den Hersteller nach den verfügbaren Strahlungsdiagrammen und Testbedingungen für das jeweilige Modell und den Frequenzbereich.
- Betriebsfrequenzbereich und die für die Mustermessungen verwendeten Frequenzen
- Verstärkung, Halbwertsbreite und erster Nebenkeulenpegel in Abhängigkeit von der Frequenz
- Kopolare und kreuzpolare Strahlungsmuster in den erforderlichen Ebenen oder über einen sphärischen Scan
- Die Winkelbegrenzung und die Polarisation, die zur Berechnung der Strahleffizienz verwendet werden, wenn dieser Wert angegeben ist
- VSWR, Steckverbinder- oder Hohlleiterschnittstelle, Belastbarkeit und Umgebungsanforderungen
- Mechanische Toleranzen, Montageanordnung und jegliche Radom- oder Reflektor-Speisekonfiguration
RF MISO Mikrowellenantennenlösungen
RF MISO liefert Mikrowellen- und Millimeterwellenantennen für Messtechnik, Radar, Kommunikation und Systemintegration. Zu den relevanten Produktfamilien gehören:Standard-Hornantennen mit Gewinn, ReflektorantennenUndArray-AntennenDie modellspezifischen Spezifikationen und die verfügbaren Testdaten sollten hinsichtlich der erforderlichen Frequenz, Polarisation, Verstärkung und Abstrahlcharakteristik überprüft werden.
Für die Antennenauswahl oder bei kundenspezifischen Anforderungen,Kontakt RF MISO at info@rf-miso.com.
Veröffentlichungsdatum: 12. Juli 2024
