Was ist die effektive Apertur einer Antenne?
Dereffektive Apertur einer Antenne, auch genannteffektiver Bereich (AeDie Kennzahl beschreibt, wie effektiv eine Empfangsantenne die Energie einer einfallenden elektromagnetischen Welle aufnimmt. Es handelt sich dabei um eine äquivalente Empfangsfläche, nicht unbedingt um die physische Öffnung der Antenne.
Bei einer polarisationsangepassten ebenen Welle, die aus Richtung des maximalen Empfangs eintrifft, verbindet die effektive Apertur die einfallende Leistungsdichte mit der an den Antennenanschlüssen verfügbaren Leistung.
If Sist die einfallende Leistungsdichte in W/m²2UndPrWenn die verfügbare Empfangsleistung in Watt angegeben wird, dann gilt:
Pr= SAe
Eine größere effektive Apertur sammelt mehr Leistung aus dem gleichen einfallenden Feld, vorausgesetzt, Einfallsrichtung und Polarisation sind aufeinander abgestimmt.
Die effektive Apertur berücksichtigt den Strahlungswirkungsgrad und andere Antennenverluste, einschließlich Leiter- und dielektrischer Verluste. Sie misst daher die nutzbare Empfangsleistung und nicht nur die physikalische Größe. Aperturwirkungsgrad, Impedanzfehlanpassung und Polarisationsfehlanpassung können die an den Empfänger abgegebene Leistung verringern.
Formel für die effektive Apertur und Antennengewinn
Die maximale effektive Apertur einer Antenne hängt mit ihrem Gewinn zusammen.Gund Wellenlängeλvon:
Ae= Gλ2/(4π)
Verwenden Sie in dieser Gleichung die Verstärkung als lineares Verhältnis, nicht als dBi. Konvertieren Sie die Verstärkung mitG = 10G(dBi)/10Weil die Wellenlänge gleich istc/fDie effektive Apertur verringert sich mit zunehmender Frequenz bei konstanter Verstärkung.
Umgekehrt können Antennen mit gleicher physikalischer Apertur bei kürzeren Wellenlängen eine höhere Verstärkung erzielen, sofern die Apertureffizienz vergleichbar bleibt. Dieser Zusammenhang hilft Ingenieuren, die Empfangsleistung über verschiedene Frequenzen hinweg zu vergleichen.
Wie die effektive Blendenöffnung bestimmt wird
Die effektive Apertur kann aus dem gemessenen Gewinn berechnet werden, der durch Vergleich mit einer Referenzantenne ermittelt oder aus kalibrierten Empfangsleistungsmessungen abgeleitet wird. Das Ergebnis ist nützlich für Linkbudgets, Antennenmessungen und Abschätzungen der Systemsensitivität.
Für Messanwendungen sollten Sie die RF MISO-Produkte erkunden.Standard-Hornantennen mit Gewinn, die eine bekannte Verstärkung über bestimmte Frequenzbänder bieten.
Verwendung der effektiven Apertur in der Friis-Übertragungsgleichung
DerFriis-ÜbertragungsgleichungVerknüpft Sendeleistung, Antennengewinn, Wellenlänge und Entfernung in einer Freiraum-Fernfeldverbindung. Für den SendergewinnGtEmpfängergewinnGr, Wellenlängeλund EntfernungREs schätzt die an der Empfangsantenne verfügbare Leistung.
VerwendungPr= SAemacht die Rolle der effektiven Empfangsapertur deutlich: Die Sendeantenne erzeugt die Leistungsdichte am Empfänger, und die Empfangsantenne wandelt einen Teil dieses Feldes in Endleistung um.
Herleitung der Friis-Übertragungsformel
Betrachten Sie zwei Antennen im Abstand vonRIm freien Raum ohne Hindernisse. Die Empfangsantenne muss sich im Fernfeld des Senders befinden, und die Antennen sollten hinsichtlich Richtung und Polarisation aufeinander abgestimmt sein.
If PtWerden Watt an eine ideale isotrope Sendeantenne übertragen, verteilt sich die Leistung über die Oberfläche einer Kugel. In der EntfernungRDie einfallende Leistungsdichte beträgt:
Abbildung 1. Sende- (Tx) und Empfangsantennen (Rx) im Abstand vonR.
Für eine praktische Sendeantenne mit GewinnGtIn Richtung des Empfängers erhöht sich die einfallende Leistungsdichte um diesen Verstärkungsfaktor:
Wenn die Empfangsantenne eine effektive Öffnung aufweistAeDie verfügbare Empfangsleistung ist die einfallende Leistungsdichte multipliziert mitAe:
Durch Einsetzen der Verstärkungs-Apertur-Beziehung für die Empfangsantenne ergibt sich:
Die empfangene Leistung kann daher in der bekannten Freiraumform geschrieben werden:
Gleichung 1.Friis-Übertragungsgleichung in Bezug auf die Wellenlänge.
Gleichung 1Die Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen Sendeleistung, Antennengewinn, Wellenlänge und Antennenabstand. Sie gilt für die Freiraumausbreitung bei Sichtverbindung im Fernfeld. Reale Systeme erfordern zusätzliche Parameter für Kabeldämpfung, Steckverluste, Ausrichtungsfehler, atmosphärische Dämpfung und andere Ausbreitungseffekte.
Frequenzform der Friis-Gleichung
Weilλ = c/fDie Gleichung kann auch in Abhängigkeit von der Frequenz ausgedrückt werden:
Gleichung 2.Friis-Übertragungsgleichung in Abhängigkeit von der Frequenz.
Wie die Frequenz die Empfangsleistung beeinflusst
Bei konstantem Antennengewinn und konstantem Abstand sagt die Friis-Gleichung eine geringere Empfangsleistung mit steigender Frequenz voraus, da die Wellenlänge kürzer wird. Dieser Vergleich setzt voraus, dass die Verstärkungswerte bei jeder Frequenz gleich sind.
Bei Antennen mit fester physikalischer Apertur steigt der Gewinn im Allgemeinen mit abnehmender Wellenlänge. Hochfrequenz- und Millimeterwellenverbindungen können daher mit gerichteten Antennen mit hohem Gewinn eine hohe Leistung erzielen, sofern die Leistungsbilanz auch die Ausrichtungsgenauigkeit, atmosphärische Absorption, Regen und Hardwareverluste berücksichtigt.
Die Friis-Gleichung dient als Referenz für den Freiraum und nicht als vollständiges Ausbreitungsmodell. Sie setzt Fernfeldbetrieb, freie Sichtlinie und korrekt ausgerichtete Antennen voraus.
Polarisationsfehlanpassung
Sind Sende- und Empfangsantenne nicht polarisationsangepasst, multiplizieren Sie die ideale Empfangsleistung mit dem Polarisationsverlustfaktor (PLF). Bei normierten Polarisationsvektoren liegt der PLF zwischen 0 und 1; ein Wert von 1 entspricht perfekter Anpassung. Die untenstehende allgemeine Formel berücksichtigt diesen Anpassungsfaktor.
Gleichung 3.Verallgemeinerte Friis-Transmissionsgleichung unter Berücksichtigung der Polarisationsfehlanpassung.
Wichtigste Erkenntnisse
- Die effektive Apertur wandelt die einfallende Leistungsdichte in verfügbare Empfangsleistung um.
- Zum GewinnGund Wellenlängeλ, Ae= Gλ2/(4π).
- Verwenden Sie bei Apertur- und Friis-Berechnungen den linearen Gewinn und nicht dBi.
- Friis gilt für Fernfeld-Sichtverbindungen im Freiraum; für praktische Linkbudgets sind zusätzliche Verluste erforderlich.
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Veröffentlichungsdatum: 08.01.2024
