Каковы электрические характеристики коммуникационных антенн?

Электрические характеристики коммуникационных антенн являются ключевыми показателями, используемыми для оценки возможностей передачи сигнала, эффективности излучения и согласования импеданса. В целом их можно классифицировать следующим образом:

1. Рабочая частота и рабочая полоса пропускания

Полоса пропускания антенны — это диапазон частот, в котором выполняются все указанные требования к характеристикам антенны. Рабочая частота — это все частоты в пределах полосы пропускания антенны.

Поскольку рабочая полоса пропускания ограничена множеством параметров производительности, в качестве эффективной полосы пропускания следует принимать самую узкую из них. Для встроенных антенн полосы пропускания, ограниченные такими факторами, как полоса пропускания диаграммы направленности и полоса пропускания поляризации, обычно шире, чем полоса пропускания по импедансу. Распространенным приблизительным критерием является частотный диапазон, в котором коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) остается ниже заданного предела.

2. Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН)

Когда входное сопротивление антенны не совпадает с характеристическим сопротивлением линии передачи (т.е. возникает несоответствие), часть входной мощности отражается обратно. Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) является важным параметром, отражающим соотношение между падающей и отраженной мощностью.

КСВН связан с входным импедансом антенны. В некоторых случаях вместо него используются коэффициент отражения (RL) или коэффициент возврата (Γ); все три описывают одну и ту же характеристику. Их взаимосвязь выглядит следующим образом:

Где:

(P^-) — отраженная мощность

(P+) — это мощность падающего излучения.

(Z_L) — входное сопротивление антенны.

(Z_0) — характеристическое сопротивление линии передачи.

(U^+) — это падающее напряжение.

(U^-) — это отраженное напряжение.

3. Логарифмические зависимости между потерями на отражение, КСВН и коэффициентом отражения.

Коэффициент отражения, коэффициент возврата, КСВ и коэффициент отражения представляют собой различные показатели согласования импеданса и могут быть преобразованы в логарифмическом масштабе с использованием приведенных выше формул.

4. Входное сопротивление

Входное сопротивление — это сопротивление, подаваемое на входные клеммы антенны. Входное сопротивление антенны должно соответствовать характеристическому сопротивлению линии передачи и разъемов. Для антенн базовых станций мобильной связи номинальное входное сопротивление обычно составляет 50 Ом, что означает, что характеристическое сопротивление линии передачи и разъемов также должно быть равно 50 Ом.

5. Прирост

Коэффициент усиления антенны представляет собой суммарный эффект направленности излучения и эффективности преобразования энергии. Он определяется двумя основными факторами: направленностью излучения и эффективностью излучения.

Коэффициент усиления обычно выражается в децибелах (дБ). Децибелы — это логарифмическое представление отношения:

Например:

Единица измерения dBi обозначает усиление относительно идеального изотропного излучателя. В некоторых случаях используется dBd, которое обозначает усиление относительно полуволнового диполя. Соотношение преобразования следующее:

Например:

6. Диаграмма направленности

Диаграмма направленности излучения — это графическое представление того, как плотность излучаемой мощности или напряженность поля изменяется в зависимости от пространственного направления. Диаграммы направленности излучения включают в себя диаграммы в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

По диаграмме направленности можно наблюдать множество характеристик антенны, таких как всенаправленность или направленность, ширина луча, угол наклона вниз, заполнение нулей и подавление боковых лепестков. Для повышения эффективности излучения оптимизация диаграммы направленности является важной частью проектирования антенны.

Трехмерная диаграмма направленности излучения иллюстрирует общее распределение сигнала в пространстве и позволяет наблюдать интенсивность сигнала во всех направлениях.

Двумерная диаграмма направленности излучения обычно получается путем разрезания трехмерной диаграммы вдоль плоскостей XY, YZ и XZ, что позволяет количественно оценить распределение интенсивности сигнала в этих плоскостях.