図1．アンテナビーム効率を定義するために使用される主ビーム領域とサイドローブ領域。
アンテナビーム効率とは何ですか？
アンテナビーム効率（主ビーム効率とも呼ばれる）とは、アンテナの全放射電力のうち、定義された主ビーム領域内に含まれる電力の割合のことです。これは、実用的な設計上の疑問、つまり、利用可能な放射電力のうち、サイドローブやバックローブに分散されるのではなく、意図した角度セクターに集中する電力はどれくらいか、という問いに答えるものです。
受信アンテナの場合、相反性により、周囲の電界と偏波条件が一定に定義されたときに、主ビームを通して収集される受信電力の割合として同じ考え方を捉えることができます。したがって、ビーム効率は、レーダー、放射測定、衛星通信、ポイントツーポイントマイクロ波システム、アンテナ測定など、望ましくない方向から入射または放出されるエネルギーによって精度が低下したり、干渉が増加したりする可能性がある分野で特に有用です。
図1では、主ローブはz軸上に中心があります。円錐角θが1最初のヌル点または明示的に指定された別の主ビーム境界を示す場合、ビーム効率は、その円錐内のパワーパターンを積分し、それを放射パターン全体にわたって積分したパワーで割ることによって計算されます。
アンテナビーム効率の公式
正規化された電力パターンPを使用するn(θ,φ)の場合、一般的なビーム効率の式は以下のとおりです。
分子は、選択された主ビーム立体角Ωに含まれるパワーを表す。MB分母は、4πステラジアンにわたって積分された総放射電力を表します。結果として得られる値ηBは無次元であり、通常はパーセンテージで報告されます。
- Pn(θ,φ)は正規化された電力パターンです。測定された電界データを使用する場合、対応する電力項は |E| に比例します。2.
- ΩMBこれは指定された主ビーム領域であり、多くの場合、最初のヌル点または定義された円錐角によって境界付けられます。
- θとφこれらは、放射パターン全体を記述するために使用される仰角と方位角の座標です。
結果には必ず主ビームの境界を明記する必要があります。一方の実験室が最初のヌル点まで積分を行い、もう一方の実験室が固定角円錐を使用する場合、同じパターンから異なる数値が得られる可能性があります。ほぼ回転対称なペンシルビームの場合、積分は次の式に示すように簡略化できます。
アンテナビーム効率はどのように測定されるのか？
ビーム効率は、単一のボアサイト読み取り値ではなく、放射パターンデータから求められます。校正済みの遠方界測定装置、小型アンテナ試験装置、または検証済みの遠方界変換を備えた近方界測定装置を使用できます。フェーズドアレイの場合、走査誤差や振幅誤差、位相誤差によってサイドローブに電力が再分配される可能性があるため、必要なビーム状態、周波数、偏波ごとに測定を繰り返す必要があります。
- 放射パターンを測定する主ビーム、サイドローブ、バックローブを含む十分な角度範囲をカバーする。
- 測定された電界を電力パターンに変換するそして、すべての角度サンプルに同じ正規化を適用する。
- 主ビーム境界を定義する例えば、最初のヌル輪郭や指定された円錐角度など。
- その境界内の力を統合するそして、それをパターン全体にわたって積分したべき乗で割ります。
- 試験条件を報告する周波数、偏光、ビーム状態、角度分解能、境界定義などを含む。
2次元のE面とH面の断面ペアはビーム幅とサイドローブ特性を示すことができますが、回転対称性が正当化されない限り、通常は完全な3次元ビーム効率値を提供することはできません。全球または十分に完全なパターンデータを使用すると、より妥当な結果が得られます。RF MISOの詳細については、こちらをご覧ください。アンテナ試験機能.
ビーム効率とその他のアンテナ効率用語との比較
ビーム効率と放射効率
放射線効率放射電力とアンテナが受け入れる電力を比較することで、導体損失と誘電体損失を反映する。ビーム効率放射電力がどこに向かうかを表します。アンテナは内部損失が低くても、サイドローブやバックローブに相当量の電力が集中すると、ビーム効率は低くなる可能性があります。
ビーム効率と指向性および利得の関係
指向性放射パターンのピーク集中度を等方性放射器と比較して表します。ゲインは指向性と放射効率を組み合わせたものですが、実現ゲインはインピーダンスの不整合も考慮に入れています。ビーム効率は、ピーク方向のみを評価するのではなく、角度領域全体にわたって電力を積分するため、ゲインとは異なります。
ビーム効率とビーム幅の関係
半値幅ビーム幅とは、主ローブの-3 dB点間の角度幅のことです。狭いビームは高い指向性を伴うことが多いですが、それ自体が高いビーム効率を証明するものではありません。パターンはピークが狭くても、サイドローブにかなりのエネルギーを送る可能性があります。したがって、ビーム幅とサイドローブレベルは、統合ビーム効率値と併せて検討する必要があります。
アンテナビーム効率を左右する要因は何か？
1. サイドローブとバックローブのレベル
選択された主ビーム領域外のパワーは、ビーム効率を直接低下させます。サイドローブの増大は、開口の不連続性、アレイ間隔、振幅誤差、または必要なパターンに合わせて最適化されていない照明プロファイルによって発生する可能性があります。後方放射や近傍構造物からの散乱も同様の影響を与える可能性があります。
2. 開口照明と振幅テーパー
開口アンテナやアレイアンテナは、放射開口部全体にわたって振幅分布を利用します。ほぼ均一な分布は、狭い主ビームと高い指向性を実現しますが、同時に比較的高いサイドローブも発生する可能性があります。振幅テーパーを適用することで、サイドローブを抑制し、全パターン電力のより多くの部分を目的の領域に集中させることができますが、テーパーが大きすぎると主ビームが広がり、ピークゲインや開口効率が低下する可能性があります。したがって、最適な設定は用途に応じたトレードオフとなります。
3. 飼料の溢れ出しと構造的な閉塞
反射鏡アンテナでは、反射鏡を通過しなかったエネルギーは余剰エネルギーとなり、目的とする主ビームには寄与しません。給電支持部、副反射鏡、または近傍のハードウェアも、開口面の電界の一部を遮ったり散乱させたりする可能性があります。適切な給電部の選択、焦点位置の調整、および機械的なアライメントは、これらの損失と不要なローブを制御するのに役立ちます。
4. 位相誤差、振幅誤差、表面誤差
アレイ素子間の位相不均衡、不均一な給電損失、製造公差、反射鏡表面の誤差、レドームの歪みなどにより、エネルギーが意図したビームから逸れる可能性があります。これらの影響は、固定寸法誤差が波長のより大きな割合を占めるため、周波数が高くなるにつれて通常より重要になります。
5.偏光純度
ビーム効率の定義の中には、目的の偏光におけるパワーのみを含むものがあります。そのため、主ビーム内外の交差偏光放射によって、報告される値が低下する可能性があります。シミュレーション、測定、およびシステム要件においては、偏光を常に一貫して指定する必要があります。
ビーム効率、ビーム幅、帯域幅はそれぞれ異なる
ビーム効率これは積分された角電力比です。ビーム幅これは、指定されたレベル（一般的には半値幅または-3dB点）における主ローブの角度幅を表します。アンテナ帯域幅これは、選択された要件が満たされる周波数範囲を表します。これらのパラメータは互いに影響し合いますが、互換性はありません。
設計によっては、広い周波数範囲で許容可能なVSWRを維持できる一方で、帯域端付近ではビーム方向、サイドローブレベル、またはビーム効率が大きく変化する場合があります。したがって、パターン性能はインピーダンス帯域幅のみから推測するのではなく、複数の周波数で検証する必要があります。周波数範囲の定義の詳細については、以下を参照してください。アンテナ帯域幅.
ビーム効率を向上させるにはどうすればよいか？
- サイドローブ抑制、主ビーム幅、ゲインのバランスが取れた開口テーパーを選択してください。
- 反射鏡と給電部の位置、端部照明、および余白を最適化します。
- アレイにおいては、適切な素子間隔と正確な振幅または位相制御を用いることで、グレーティングローブの発生を回避できる。
- 遮蔽物、ケーブルの散乱、および取り付け構造物やレドームとの不要な相互作用を低減します。
- 最高動作周波数において、加工公差、表面精度、およびアライメントを制御する。
- 全動作帯域および必要なすべてのビーム状態において、同偏波パターンと交差偏波パターンを検証する。
ハイビームの効率が最も重要になるのはどのような場面か？
ビーム効率が高いことは、電力または受信エネルギーを明確に定義された方向に集中させる必要がある場合に特に重要です。典型的な例としては、目標追跡および画像レーダー、衛星通信リンク、電波天文学および放射測定、ポイントツーポイントマイクロ波リンク、反射器給電システム、校正アンテナ、および電子的に方向制御されるアレイなどが挙げられます。
すべてのアンテナに当てはまる普遍的なビーム効率のパーセンテージは存在しません。有用な要件には、動作周波数、偏波、ビーム状態、角度境界、および許容されるサイドローブとバックローブの特性を明記する必要があります。これにより、サプライヤーのデータ、シミュレーション、および測定結果を直接比較することが可能になります。
アンテナのデータシートで購入者が確認すべき点は何ですか？
ビーム制御が重要な場合、アンテナをピークゲインだけで評価してはいけません。メーカーに、該当モデルと周波数範囲に対応するパターンデータと試験条件を問い合わせてください。
- 動作周波数範囲およびパターン測定に使用される周波数
- 利得、半値幅、および第1サイドローブレベルと周波数の関係
- 必要な平面内または球面スキャンにおける同極および交差極放射パターン
- ビーム効率を計算する際に使用される角度境界と偏光（その値が指定されている場合）
- VSWR、コネクタまたは導波管インターフェース、電力処理能力、および環境要件
- 機械的公差、取り付け方法、およびレドームまたは反射鏡給電構成
RF MISOマイクロ波アンテナソリューション
RF MISOは、計測、レーダー、通信、システム統合向けのマイクロ波およびミリ波アンテナを提供しています。関連製品ファミリーには以下が含まれます。標準利得ホーンアンテナ, 反射鏡アンテナそしてアレイアンテナモデル固有の仕様と入手可能なテストデータは、要求される周波数、偏波、利得、およびパターン性能と照らし合わせて確認する必要があります。
アンテナの選択またはカスタマイズされた要件については、RF MISOに問い合わせる at info@rf-miso.com.
投稿日時：2024年7月12日
